表面等离子体光学的新进展毕业论文.doc

1、.毕业设计(论文)题 目 表面等离子亚波长光学的研究进展学院名称 核科学技术学院 指导教师 职 称 副教授 班 级 核物理091 学 号 20094380110 学生姓名 2013年5月28日南 华 大 学毕业设计学 院： 核科学技术学院 题 目：表面等离子亚波长光学的研究进展 起 止 时 间2012年12月20日至2013年6月1日 学 生 姓 名： 专 业 班 级： 091核物理 指 导 教 师： 教研室主 任： 院 长： 南 华 大 学毕业设计（论文）任务书学 院： 核科学技术学院 题 目：表面等离子亚波长光学的研究进展 起 止 时 间2012年12月20日至2013年6月1日 学 生

2、姓 名： 专 业 班 级： 091核物理 指 导 教 师： 教研室主 任： 院 长： 2012年12月20日设计(论文)内容及要求:一、 设计内容：1、理解表面等离子体和非辐射消逝波的基本概念；2、熟悉经典光学衍射理论和光波导理论；3、理解亚波长金属光栅的超透现象和相关物理机理的描述；4、调研表面等离子亚波长光学的发展背景和发展现状；5、总结目前表面等离子亚波长光学的实验和理论研究成果，展望其前景。二、 设计要求：1、根据设计任务书设计内容,作出设计进度安排，撰写开题报告；2、撰写毕业设计（论文），篇幅不少于1.5万字，要求图表数据完整；3、收集查找资料，参考资料不少于十本；4、按毕业设计（论

3、文）规范要求，打印装订成册两本；5、完成英语译文一篇。主要参考资料：1 李继军, 吴耀德, 宋明玉. 表面等离子体激元基本特征研究J. 长江大学学报(自科版)理工, 4(4):46-49(2007).2 顾本源. 表面等离子体亚波长光学原理和新颖效应J. 物理, 36(4): 280287(2007).3 陈林基于金属纳米结构的光波传输与远场超分辨成像：武汉大学博士学位论文武汉：武汉大学，2010，1-284 W. L. Barnes, A. Dereux, and T. W. Ebbesen, “Surface plasmon subwavelength optics,” Nature 42

4、4, 824 (2003)5 Pierre Berini1, “Long-range surface plasmon polaritons,” Advances in Optics and Photonics 1, 484588 (2009)6 E. N. Economou, “Surface plasmons in thin films,” Phys. Rev. 182, 539 (1969).指导教师： 2012年12月20日南华大学本科生毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目表面等离子亚波长光学的研究进展 设计（论文）题目来源其它设计（论文）题目类型调研报告起止时间2012年12月-2

5、013年5月1、 设计（论文）依据及研究意义：表面等离子体是沿着导体表面传播的波，当改变金属表面结构时，表面等离子体激元的性质、色散关系、激发模式、耦合效应等都将产生重大的变化,通过SPP与光场之间相互作用，能够实现对光传播的主动操 ,SPP 具有广阔的应用前景.2、 起着重要作用设计（论文）主要研究的内容、预期目标：设计内容：1、 1、理解表面等离子体和非辐射消逝波的基本概念；2、熟悉经典光学衍射理论和光波导理论；3、理解亚波长金属光栅的超透现象和相关物理机理的描述；4、调研表面等离子亚波长光学的发展背景和发展现状；5、总结目前表面等离子亚波长光学的实验和理论研究成果，展望其前景。预期目标：

6、 12 月24日-1 月31日收集相关资料，了解表面等离子体激元;2 月 1日-2 月28日完成相关资料的搜集;3 月 1日-3 月16日完成相关文献的阅读;3 月17日-4 月3 日完成相关数据检索;4 月4日5月16日数据处理分析，并完成课题报告3、 设计（论文）的研究重点及难点：1、表面等离子亚波长光学的发展背景和发展现状2、总结目前表面等离子亚波长光学的实验和理论研究成果，展望其前景设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）： 4、1、 研究方法：阅读文献，查阅资料，认真总结思考；2、 步骤：12月24日-1月31日 收集相关资料，完成开题报告；2月 1日-2月28日 完成相关数据的搜集；

7、3月 1日-3月16日 完成基本理论的计算；3月17日-4月 3日 比较分析计算结果；4月 4日-5月16日 完成论文初稿、定稿、装置。5、 进行设计（论文）所需条件：1 李继军, 吴耀德, 宋明玉. 表面等离子体激元基本特征研究J. 长江大学学报(自科版)理工, 4(4):46-49(2007).2 顾本源. 表面等离子体亚波长光学原理和新颖效应J. 物理, 36(4): 280287(2007).3 陈林基于金属纳米结构的光波传输与远场超分辨成像：武汉大学博士学位论文武汉：武汉大学，2010，1-284 W. L. Barnes, A. Dereux, and T. W. Ebbesen,

8、 “Surface plasmon subwavelength optics,” Nature 424, 824 (2003)5 Pierre Berini1, “Long-range surface plasmon polaritons,” Advances in Optics and Photonics 1, 484588 (2009)6 E. N. Economou, “Surface plasmons in thin films,” Phys. Rev. 182, 539 (1969).6、 指导老师意见：签名： 年 月 日 表面等离子体光学的新进展 摘要 表面等离子体（SPP）是沿着

9、导体表面传播的电磁波，随着金属表面结构的改变，表面等离子体激元的色散关系、性质、耦合效应、激发模式等都将发生重大的变化,通过电磁场与SPP之间相互作用，来实现对光的主动控制，表面等离子体光子学已成为一门新兴的学科，它的原理、新颖效应、可能应用以及机制的研究，都极大地吸引科学家们及相应工作者的兴趣，具有巨大的应用前景，例如，应用于制作各种光学元器件和回路，制作纳米波导、表面等离子体光子芯片、耦合器、调制器和开关，应用于亚波长光学数据存储、新型光源、突破衍射极限的超分辨成像、光学纳米光刻蚀术、以及生物光学（作为传感器和探测器）。本文的主要研究内容和结论如下： 1、调研表面等离子亚波长光学的发展背景

10、和发展现状；2、总结目前表面等离子亚波长光学的实验和理论研究成果，展望其前景。关键词- - 表面等离子体亚波长光学，表面等离子体光子学，表面等离子体光子芯片，元器件和回路Abstract Surface plasmon waves propagating along the surface of the conductor, change the structure of the metal surface, the surface plasmon properties, the dispersion relation excited mode coupling effects are wil

11、l have a significant change, with the light field between role to achieve active manipulation of light propagation & surface plasmon optics has become an emerging discipline, it is the principle, novel effect and mechanism of inquiry are greatly attracted the interest of researchers & has br

12、oad application prospects super-resolution imaging, for example, used in the production of optical components and circuits, the production of nano-waveguide surface plasmon photonic chip, couplers, modulators and switches, used in subwavelength optical data storage, the new light source, breaking th

13、e diffraction limit, nano-photolithography technique, as well as bio-optical (as sensors and detectors) 。article describes the surface plasmon photonics principle, novel effects and physical mechanisms, and highlight some of the applications The main research works and conclusions are as following:

14、1、Research surface plasmon subwavelength optics development background and development of the status quo;2、Summing up the surface plasmon subwavelength long optical experiments and theoretical research results and look forward to its prospects.Keywords - Surface plasmon sub-wavelength optics, plasmo

15、nics, surface plasmon photonic chips, components and circuits.Con ten ts1 Introduction2 Surface plasmon3 Surface plasmon waveguide4 The SPPs new phenomenon4. 1 Transmission enhancement phenomenon4. 2 Bunching effect4. 3 Break the diffraction limit of ultra-high resolution imaging4.4 Radiative proces

16、ses and enhanced nonlinear5 important applications of SPPs5.1 The optical switch based on surface plasmon effect5.2 Optical biosensors5.3 Ultra-high resolution imaging5.4 Nanolithography5.5 Preparation of specific materials5.6 Surface Plasmon detector5.7 surface plasmon solar battery5.8 Surface plas

17、mon modulator6 Prospects7 Physical news and events1 引言表面等离子体激元是波一种沿着导体表面传播的一种波。通过改变金属的表面结构，表面等离子体的性质特别是他们与光的相互作用能够被调整，这提供了开发新型光学元件的可能。这可能导致一些远比现在获得的更小的长度尺度的小型光学电路。表面等离子体正在亚波长光学，数据存储，光的产生，显微镜学和生物光学方向发展。一大批科学家都对表面等离子体激元感兴趣，从物理学家，化学家，和材料学家到生物学家。令SPs重新燃起了兴趣的是来自最近的进步使金属在纳米尺度特征结构化。这能够反过来使我们能够控制SP的性质来揭示他们潜

18、在的新方面并且能够在特殊应用方面调整他们。例如，SPs正在光学，磁光学，数据存储，显微镜和太阳能电池被发展，以及被用来构建传感器用于检测生物有趣的分子。2 表面等离子体激元基本原理表面等离子体（Surface Plasmons，SPs）是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。其产生的物理原理如下：如作图所示，在两种半无限大、各向同性介质构成的界面，介质的介电常数是正的实数，金属的介电常数是实部为负的复数。根据maxwell方程，结合边界条件和材料的特性，可以计算得出表面等离子体的场分布和色散特性。特性一般来说，表面等离子体波的场分布具有以下特性：1.

19、其场分布在沿着界面方向是高度局域的，是一个消逝波，且在金属中场分布比在介质中分布更集中，一般分布深度与波长量级相同。2.在平行于表面的方向，场是可以传播的，但由于金属的损耗存在，所以在传播的过程中会有衰减存在，传播距离有限。3.表面等离子体波的色散曲线处在光线的右侧，在相同频率的情况下，其波矢量比光波矢量大。研究方法目前用来研究的表面等离子体效应的理论方法主要有一下几种：时域有限差分方法（Finite Difference Time Domain ，简称FDTD）。FDTD方法是把 Maxwell方程式在时间和空间领域上差分化。利用蛙跳式(Leaf flog algorithm)-空间领域内的

20、电磁场进行交替计算，通过时间领域上更新来模仿电磁场变化，达到数值计算的目的。用该方法分析问题的时候要考虑研究对象的几何参数，材料参数，计算精度，计算复杂度，计算稳定性等方面的问题。优点是能够直接模拟场分布，精度比较高，是目前使用较多的数值模拟方法之一。2.严格耦合波方法（rigorous coupled-wave analysis ，简称RCWA）。该方法是分析光栅的有利工具，它是基于严格的矢量maxwell方程来分析的。由于在很多的表面等离子的结构中都会引入衍射光栅结构，所以RCWA方法也被越来越多的学者用来分析相关的问题，并且取得了不错的效果。3.有限元方法（Finite Element

21、Method，简称FEM）。该方法也是一种数值模拟方法，它采用简单的问题来近似复杂的问题，在有限元内取近似解逼近精确解。该方法分析的是一种近似结果，但是能解决很多的问题，目前应用也比较广泛。这方面的分析还有其他一些特殊的方法，主要是针对不同的结构，不同的材料二提出，在此就不一一列出。由于目前的表面等离子体器件的尺寸都大多处在亚波长量级，所以制作表面等离子体器件采用的基本是微纳加工的技术。主要技术如下：1.电子束曝光技术：这一步是实现小尺寸器件制作的一个关键和核心的步骤，也可以采取全息等手段，但是效果不如电子束。但是电子束曝光不能制作大面积的器件，这是它的一个弱点。2.金属剥离技术：制作金属光栅

22、结构的核心步骤之一。在电子束曝光之后形成的图形上，采用金属剥离的技术能够制作出效果很好的金属微纳结构。目前这一技术相对比较成熟。3。干法刻蚀技术：制作金属微纳孔结构可以采用该方法。干法刻蚀是利用等离子原理有选择地从芯片表面去除不需要的材料的过程。干法刻蚀主要包括等离子增强反应离子刻蚀、电子回旋共振刻蚀（ECR）、感应耦合等离子体刻蚀（ICP）等蚀刻技术。还有其他的一些特殊工艺应用在整个实验与制作的过程中，像电子束蒸发，离子溅射等技术。3表面等离子体波导在纳米光子学中，波导用来传导光，扮演电缆或线路的角色，是实现纳米光子回路的基础。利用表面等离子体波导作为光子互连元件，具有无电子学RC延迟和光子

23、学衍射极限限制的优势。SPPs 波导结构的种类有沟槽、楔形、金属纳米条、纳米线、纳米颗粒，矩形间隙，狭缝等。金属沟槽和楔形波导。沟槽等离子体激元（channel plasmonpolariton，CPP）是一种电磁波，它束缚于刻在金属表面的沟槽里，并沿着沟槽传播。沟槽形状一般为矩形和三角形（V形）。CPP 波导结构能有效地将SPPs 局域在亚波长范围内传播，模式局域与锥角、槽深有关，形成依赖波导形状的等离子体波。通过调节V形槽的槽深，当槽深接近CPP 穿透深度，不会出现其他高阶模，只有基模，可得到单模等离子体波导，且基模传输距离100 m，具有很强的亚波长局域特性。当槽角度减小时，基模的穿透深

24、度也减小，从而槽深也应该减小。例如，为了获得单模波导，当银-真空结构的槽角度从20°减到15°时，槽深度应从200 nm减到100 nm。当入射波长增加时，CPP 基模向槽口移动，在槽底部停止传播并和槽边缘的楔等离子体激元（WPP）混合。当经过90°弯曲时，CPP 波导和光子晶体一样具有约100%的透射率，但是光子晶体不具有亚波长局域特性。 CPP 波导的损耗低，传输距离达几个波长。与三角形CPP 结构相反的，即三角形金属楔传输的电磁波，称为楔形等离子体激元（wedge plasmonpolariton，WPP），WPP 模式和CPP 模式是互补的。WPP 波导特

25、性也依赖于几何结构。楔角能影响场局域的程度，楔角越小，导模的局域性更强。在远程通信波段，在高为6 m和楔角为70.5°的楔形波导中得到传输距离约为120 m和模式宽度约为1.3 m的WPP。当楔的曲率半径增加时，模式尺寸和传输距离增加，因此为了得到深亚波长WPP 的强局域性，应该使楔角更尖锐（2）金属纳米颗粒。入射光和金属纳米颗粒的自由电子产生共振，在颗粒周围的很小范围内产生局域的表面等离子体电磁振荡，通过颗粒间的表面等离子体模式的近场耦合，能量得以传输，传输距离达几百纳米7。把纳米颗粒放置在Ag 纳米线的垂直方向，纳米颗粒作为有效的天线，将可见光转换为沿纳米线传输的表面等离子体，表

26、明纳米颗粒可作为等离子体电路的光输入/输出端口8。通过锥形光纤激发SPPs，SPPs 沿金属纳米颗粒矩阵传输，在传输过程中激发染料，产生的荧光被远场接收。光在紧密排列的银棒波导中的传输距离为0.5 m，损耗约为6 dB/200 nm9。此外，金属纳米颗粒间的共振行为与颗粒尺寸和形状、颗粒间距、耦合等离子体的偏振方向、颗粒材料的介电常数和周围环境物质的介电常数等有关10，在生化传感方面有着重要应用。（3）金属纳米线。通过绝热模式转换，可在金属纳米线上有效激发高度局域的SPPs。用一根长2 m、宽90 nm的金纳米线作为2 个金锥的连线，光强透射率为20%左右，损耗主要来源于金属损耗、自由空间辐射

27、、衬底泄漏。金属纳米线波导可以作为亚波长光学器件和集成纳米光子电路的互连，提高光子芯片的小型化。由GaAs 纳米线/SiO2介质间隙/银薄膜构成的混合波导12，等离子体模式与波导模式在间隙中耦合，产生“电容式”的能量存储，因而SPPs 能够以很强的模式局域（2/4002/40）传输很长距离（40150 m）。全介质硅耦合波导的亚波长限制只沿一维方向，相当大部分的能量泄漏到周围环境，限制了其集成。而等离子体混合波导以低传播损耗提供了二维的亚波长限制，这个混合模式能被限制在比衍射极限光斑小100 倍的尺度内。在所有等离子体波导结构中，存在模式尺寸和传输损耗的折中。低传输损耗的代价是很大的模式尺寸，

28、高传输损耗伴随高局域特性。解决这个问题有3 个方法：（1）采用等离子体和方法。这些波导工作在1 500 nm，损耗为1.2 dB/m，能通过0.5 m弯曲；（2）在等离子体波导中引入增益介质来补偿金属损耗，使SPPs 在金属边界和波导中传输时经历很小损耗或没有损耗；（3）把光沿低折射率材料而不是高折射率材料传输，吸收损耗只有金属本征损耗介质波导的混合.4 SPPs的新现象4.1透射增强现象1998年，E bbesen等通过在金属膜中引入周期的空阵列，发现即使当孔的直径是波长的十分之一时，仍然有很强的透射光，并且透射率超过小孔面积的百分比，也就是说部分入射在小孔外的光也穿透过去了，这种现象称为港

29、的异常透射现象。由于透过的光在某些波长得到增强，这一增强透射现象随后引起了人们的广泛的关注与研究。研究发现，透射增强效应与多个因素有关，例如结构周期，孔的形状，入射角度，金属层的厚度，以及接触面的介电性质。 金属薄膜上单孔径或者大小为亚波长尺寸的洞阵列结构的金属板时，实验上已经观察到透射增强现象这里 SPPs扮演着至关重要的角色- 目前对其增强的物理机制，尚存在相互矛盾的争议- 公认的说法是，由于SPPs 的激发，导致增强的电磁场，将极大地增强光衍射- 大多数的研究工作多半集中在可见光频段- 但是，在微波波段、毫米波段以及FGH（ 太赫兹）波段，也观察到此类效应-在二维情形，一个亚波长尺寸的圆

30、洞被同心周期槽状圆圈环绕时，也观察到透射增强现象-4.2聚束效应表面等离子体透射与聚焦结构1998 年，Ebessen 等人发现周期亚波长小孔阵列的选择透射现象，随后指出这种非寻透射是由于小孔作为隐失波的亚波长腔，使薄膜两边的SPPs发生耦合。Qiu 对这种传输增强效应做了详细的分析，指出了2 种作用机制：局域的等离子体波导共振和由周期性金属结构引起的表面等离子体隧穿共。一般而言，光场入射到具有周期性结构的金属上，如果满足动量和能量守恒，则入射光场可以在金属表面激发等离子体，等离子体从金属一个表面通过空气孔隧穿到另一表面，然后再释放光子。在亚波长小孔周围加工周期金属光栅结构，入射光从光栅获得额

31、外动量，与更高能量的SPPs 耦合，然后把能量传向中心，从而增强光透射。由同心圆环槽构成的一个“牛眼”结构，比周围没有周期结构的小孔的光透射增强了3 倍以上。加工3 个“牛眼”结构，能根据波长和偏振分类入射光，SPPs能通过单次曝光直接记录光谱图像立方点，这种光子分类能力可应用在图像传感。在发光二极管中，通过设计孔的尺寸和空间的距离，可以使不同颜色的光透过，不仅消除电极阴影效应，而且提高了发光效率。SPPs 波导诱人的另一个方面在于其能把光聚集到小达几纳米的地方。表面等离子体光聚焦机理分为2 种：共振和非共振。在共振结构中，光波的时变电场对金属自由电子气施加力，使其产生集体振荡。在特定光学频率

32、，能引起共振，产生非常强的电荷位移和光场集中。当纳米结构至少在一维尺寸达到激发波长时，需要考虑迟滞效应。如图a，利用金属纳米线、纳米条的两端构成一个F-P腔，来回反射SPPs，通过表面等离子体波的激发和相干干涉，可达到局域场增强。非共振结构也可用于进一步增强光聚焦。例如，图b 是2 个平行金属板可以构成一个MDM腔，利用浸没在玻璃或水中的矩形金或银纳米条构成共振器，当2 个金属纳米条距离足够近时，由于横截面散射，正向和反向传输的短程SPPs 产生共振激发，共振情况与入射角度和纳米条厚度有关。SPPs有相当大的纵向电场分量，以em/ed 的比例跳过金属之间的间隙，获得至少10 倍的场增强。另外，

33、金属锥形结构，如图c，金属楔、细化的金属棒/纳米线等，当SPPs 波向这些结构的尖端传播时，波矢逐渐增加但群速度越来越慢，导致了尖端处大量的能量聚集和巨大的局域场。这种结构不仅可以控制SPPs 的传播，还能有效抑制辐射损耗，局域电场强度可达到103以上。通过精心加工的等离子体聚焦器可以极大地增强非线性光相互作用。图d 是利用三角形金纳米颗粒形成的蝴蝶结型结构中的强电场效应可以大大降低高次谐波产生对泵浦光的阈值要求，在功率为1011cm2 飞秒激光的照射下氩气分子最高可以产生17次谐波。蝴蝶结纳米天线可应用在光刻，能把可见光和近红外光集中在尺寸约20 nm的区域。在上述类似结构中，也观察到光聚束

34、效应，也就是说，此结构所辐射的电磁波出现很强的角度限制， 当入射光频率接近SPPs模的共振频率时，光束的角发散度为如下图光聚束效应- （ a）当光照明一个被光栅结构包围的亚波长圆孔时，在共振频率处，理论模拟计算的电场分布；（b）相应的实验测量结果（场被限制在一个窄空间区域）4.3突破衍射极限的超高分辨率成像2000年，Pendry引进一个“ 超透镜”（superlens）概念,超透镜是由左手手征材料或者负折射率负磁导率材料制成的, 通过激发SPPs来增强隐失波当光照射超透镜时， SPPs被激发，获得增益，补偿隐失波的损耗，于是重构后的隐分辨率像& 利用银制作的光学超透镜可得到60nm分

35、辨率的亚衍射极限的像，或得到分辨率达到照明光波长的六分之一的像.上图 显示出基于超透镜的SPPS 纳米光刻蚀术与传统的纳米光刻蚀术性能的比较， 用于曝光的光波长为356nm 图a是采用聚焦离子束系统在掩模上印“NANO”4 个数字；图B是应用超透镜得到的结果，可看到在光敏层上所成的像几乎是完美无缺的图C示出采用传统的光刻蚀术所得到的衍射受限像,图D给出两种光刻蚀方法所得到结果的数值比较,采用传统方法成像的分辨率大约320NM，而采用SPPS纳米光刻蚀术，像的分辨率提高了将近4 倍,利用50NM 厚的平板式的金属银制作成的超透镜，在波长为365NM 的光照明下，对周期小到145NM 的光栅，依然

36、清晰可辨。 4.4辐射过程及非线性的增强由局域等离子共振和表面等离子激元传播引起的金属表面附近电磁场的增加也能增强近场荧光的发射。然而对于和金属表面接触的分子需要仔细控制，这样即使经过非辐射跃迁也不会减少荧光性。因此为了观察到增强的荧光性，通常需要纳米厚度的绝缘层以阻止从分子到金属离子的非辐射受激跃迁。贵金属光致发光现象首先由Mooradian 利用金和铜的样本通过强的连续氩激光束（2W）激发而观察到。这种现象是由于d 电子激发到sp 导带并进行直接辐射复合，导致光谱的峰值处于带间吸收限的中心。由于非辐射驰豫过程占主导地位，单个的量子效率非常低。与拉曼散射增强类似，利用粗糙金属薄膜和金属纳米颗

37、粒可以提高光致发光效率。由于等离子激发和避雷针效应，这种发光效率的提高可以用局域场增强模型来解释。由于表面等离子激元将光的能量聚集在亚波长结构中会引起电场强度的增强，从而会产生非线性现象，因此可以利用这个效应发展近场非线性光学。如利用非线性现象制作纳米量级的光学开关。又如，用于探测新分子的近场拉曼光谱仪经常利用表面等离子体共振增强效应来增强光信号。5 应用5.1基于表面等离子体效应的光开关SPs光开关是在开关结构中激发SPs，通过改变外部条件影响SPs 的激发或传输特性，进而达到开关效果的一种新型光开关.随着制作工艺的不断成熟，SPs 光开关利用新的物理机理和物理结构，可在小于衍射极限尺度内实

38、现光的控制，在纳米尺度上实现光子器件的集成，因此SPs光开关在速度和尺寸及驱动功率方面具有独特优势,要实现SPPs 调制器开关功能，则需要对SPPs进行主动调控- 利用开关Ga 的结构相，可以对含几个微米长的Ga 区段的金属> 介电波导中传播的SPPs 信号，实现有效调控。例如，通过改变温度或者借助于外部光的激发，进行开关操作- 信号调制深度超过80%，预期的开关时间为皮秒量级,通过联合含分子发色团的聚合物薄膜与金属银薄膜，实现层聚合物组成，一层含施主发色团分子，而另一层含受主分子，通过SPPS耦合器，将激发能量从施主分子有效地传递给受主分子，它们分别位于金属薄膜的上下表面- 施主分子吸

39、收入射光，通过偶极偶极相互作用，将激发能量传递给受主分子，然后受主分子发射其特征荧光- 将来更进一步的研究是朝着实现电光，全光，压电调制的亚波长SPPs 波导-目前广泛关注是致力于实现全SPPs 芯片的研究- 当大量数据要求从一个芯片的一个界面传送到另一远端界面时，首先将电信号转换成SPPs 信号，沿着SPPs波导传播，然后在终端处，再转换回电信号- 然而不幸的是，目前的SPPs 波导的性能尚不足以承载这一重任- 因此，需要做更多的深入研究，一旦有一天，SPPs元件能够成功地扮演数据传输的高速公路的角色，那末，这将真正显露出表面等离子体光子学的一个“杀手锏”功能目前报道的SPs光开关类型主要有

40、热光开光、电光开光及全光开光等.5.2光学生物传感器最近,基于贵金属纳米粒子的局域表面等离子体共振(LSPR) 效应构建的光学生物传感器成为一个热点,简称为LSPR 纳米传感器。LSPR 是一种物理光学现象,是当入射光子频率与金属自由电子的集体振荡频率发生共振时产生的。由于LSPR 中的倏逝波是由纳米颗粒的光散射产生的, 因此,LSPR 的实现不需要传统SPR 技术那样复杂的光学系统,可以通过极其简单、体积小、重量轻、成本低的设备来实现生物传感。LSPR 纳米传感器保留了SPR 传感器的优点:高灵敏度、高选择性、实时检测及无标记操作等，金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振最大吸收峰位、形状和强度

41、对大小、形状以及周围介质折射率非常敏感。根据测得的消光光谱或散射光谱中峰位对其周围纳米尺度范围内环境变化的敏感性可以用来发展高空间分辨率的生物传感器。5.3光谱分析与传感器 光在界面处发生全内反射时的倏逝波可以引发金属表面的自由电子产生表面等离子激元。当入射角或波长为满足某个特定条件的情况下，表面等离子激元与倏逝波的频率和波数相等，二者将会发生共振，即表面等离子体共振。共振的结果是入射光被吸收，使反射光能量急剧下降，在反射光谱上出现共振峰。表面等离子体共振对金属表面附近的折射率的变化极为敏感，当紧靠在金属薄膜表面的介质折射率不同时，共振峰位置将不同。利用这个原理，研究人员开发了多种类型的传感器

42、。将光波与表面等离子体子耦合并使其发生共振，必须使用耦合器件。根据耦合器件的不同，利用表面等离子体共振原理的传感器主要分为棱镜型、光纤型、光栅型和集成波导型四种。以表面等离子体共振原理设计的生物传感器近来逐渐引起广泛重视。SPR 生物传感器技术因其突出的优越性为蛋白质组学抗体-抗原分子互作、药物筛选等生命科学研究提供了一种新的技术手段。SPR 生物传感器技术加速了生命科学研究进展，使人们对复杂生命现象中的分子机理的理解更为深入并带来越来越多新的发现。5.4 纳米光刻在目前加工制作电子电路的工艺水平下，最小的特征尺寸大约为50nm,然而新型的光刻蚀术要求能够加工纳米尺度的集成回路,尽管光投影刻蚀

43、术可以通过采用更短的波长光源来达到上述目的，然而这将引发出一系列相关的问题：例如，要求研发新的光源，新的光敏层材料，相关的光子学等等， 由于SPPs 能够在接近金属表面产生很强的局域场，使问题有望解决,当SPPs共振频率落入一个光敏层的灵敏区时，金属表面增强的光场，能够局域地增加直接放在掩膜下面的光敏层的曝光, 此技术不受衍射极限的限制，可以采用宽光束的可见光来照明标准的光敏层，制作出亚波长尺寸的结构。利用波长为436nm 的光源，此技术可以加工出100nm线。 理论模拟计算表明，可以在一薄光敏层上制作出只有波长的14分之一大小的孤立银颗粒,横向光斑尺寸可达30-80nm，曝光深度为45nm由

44、于光学衍射极限的存在，传统的光刻方法无法刻出超衍射极限的精细结构。采用近场光学的方法则可以突破衍射极限，刻出超精细结构。表面等离子激元干涉可引起电场在一定深度上具有很强的透射增强，这一特性对于近场非接触光刻很有利。如果在光刻中引入表面等离子体激元，利用其近场透射增强特性，则会大大改善光刻图形的质量。5.5 特异材料的制备在过去的二十几年中，科学家利用某些半导体或绝缘材料制成波长量级的结构来控制光与物质的相互作用，最著名的例子就是光子晶体，它是折射率周期性变化的材料。人们可以通过设计和制造光子晶体，达到控制光子运动的目的。同样可能控制光子反应的人造材料包括特异材料。由于特异材料是利用局域的介电特

45、性形成负介电常数和负磁导率，与光子晶体相比，特异材料结构的单元尺寸和周期性远小于其传播电磁波的波长。负介电常数与负磁导率的实现方法有许多种。彭德里队与史密斯集团的做法是短期的金属离子的振荡频率来实现负介电常数。与开口的金属环谐振器实现负磁导率，并同时在相同的频率，在一个特定的频率，对应于一个三维空间结构的组合的两个单元，那么好，可以实现负的折射率。由于可见光和红外波段的制备技术及工艺条件的限制是很难准备特有的一种材质，适用于可见光或红外波段，它是目前实验研究的具体材料，基本上是在微波频段进行的。此外，由于目前用谐振方法产生负介电常数与负磁导率的方法都有很大的损耗，因而目前在可见光与红外波段还难

46、以实现有价值的实验。科学家已经建立了等离子体光学材料能使物体隐形的理论，一种理论认为遮蔽装置是由具有特殊光学特性的特异材料制成的较厚的外壳，这个壳可以将它的中心空腔周围的电磁辐射弯曲，于是位于腔内的物体被隐藏。5.6表面等离子体探测器 表面等离子体纳米光子器件的功能需要有效的检测技术。等Narottam等离子体效应的MSM探测器优化的光吸收。亚波长孔周围金属门叉形式处理，并提高光透射，吸收和响应。 FDTD仿真结果比传统的MSM-PD的40倍到980纳米波长的光吸收增强。图发送到中央的Si检测器的直径为10微米的同心环耦合器SPPS。耦合器不仅使光检测器的响应因子增加20倍以上，更小，更快的响

47、应时间（20 ps的FWHM）和一个较小的电容（15 fF的），汤等。设计的形状的天线体积是非常小的检测器，在b所示。偶极天线用于大面积收集光并将光集中到亚波长区域的Ge吸收体上，袖状电极用于收集半导体的光电流，得到了20倍光吸收增强。Cao等人利用漏模共振增强和操控光吸收的Ge纳米线探测器，改变纳米线的半径、光偏振和入射角度，可以控制该探测器的光吸收效率。图c是波导集成MSM探测器。SPPs在开缝的Au薄膜中激发，沿Au-HSQ-Au传播，被GaAsMSM探测器探测。图d是由传导等离子体和纳米线场效应晶体管的近场耦合来实现表面等离子体的全电探测。SPPs 沿Ag 纳米线传导，在Ag/Ge 结

48、点处电子-空穴对被电场分离，在Ge 纳米线中形成电流。5 .7表面等离子体太阳能电池 由于大多数的沉积薄膜材料，半导体光子吸收深度远远大于电子的扩散长度，薄膜太阳能电池不能有效地捕获太阳能，从而其转换效率仍然很低。表面等离子体激元的纳米结构可以有效地提高薄膜太阳能电池的光吸收。 1995年，斯滕策尔等的ITO铜酞菁染料的接口之间的ITO的铜酞菁染料 - 铟太阳能电池层夹在铜纳米簇，由于金属簇的光的共振吸收，从而提高了转换的本地化字段太阳能电池的效率提高近三倍。帕拉，谁使用二维周期排列的银纳米棒结构，实现硅薄膜太阳能电池的宽带吸收增强FDTD仿真短路电流比金属结构的情况下提高了43。近年来，利用

49、金属纳米颗粒增强太阳能电池光吸收机理主要有3 种：（1）金属纳米粒子为亚波长散射体，自由的传输平面波的耦合和捕获到半导体吸收膜，一些大角度的散射光被限制到半导体层，在如图所示。 （2）的亚波长天线的金属纳米粒子，表面等离子体激元波的近场耦合到半导体层的光吸收增加的剖视图所示，在b。 （3）将入射的太阳光沿背面金属和半导体吸收层的界面传播的SPP能有效地捕获和传导的光，所以光被吸收的光的吸收长度远远大于横截面的图c 。5.8 表面等离子体调制器 使用各种电光，声光，热，光，磁光效应，调节的电压或电场可改变光调制器的输出光的折射率，吸收率，该设备的振幅或相位，是一个集成光学器件中最重要的器件之一。

50、基于长程SPP的热光调制器和开关可以利用同一个金属电路同时传导光辐射和传输调制光传导的电信号。基于金属条形SPP模式耦合的长程SPP模式调制器，具有等离子体赋予的两大优点：（1）可使用同一个金属电路同时实现光功能和电功能；（2）金属附近的SPPs的强场局域特性与周围有源介质共同达到良好的模式重叠。例如，等离子体热光调制器比介质波导调制器具有更高的消光比（>3 dB）和低功率（10 mW）。图a 是金属-介质-金属三明治结构的等离子体调制器示意图。该器件通过快速改变介质的非线性光学特性，把电信号解码为光数据流。由于MDM波导基模没有截止频率，金属之间的介质层可以很薄（几十纳米）。Krasa

51、vin等人利用Ga的结构相，对含有几个微米长的Ga 区段的金属/介质的SPPs 信号进行调控，通过改变温度或借助外部光激发，实现开关操作。Andrew等人用两层聚合物，(一层含施主发色团分子，另一层含受主荧光分子)夹一层Ag 薄膜，构成分子等离子体器件。耦合的SPPs 把激发能量有效地从施主分子转移受主分子。供体分子吸收的光，光的能量转移到受体分子的偶极子之间的相互作用，然后由主分子发出的特征光。通过SPP模式的耦合调节的能量传递。Atwater 等人通过槽的衍射性散射把两束不同入射光转换为在CdSe量子点有源层相互作用的同向传输的SPPs，入射场（E0）和传输SPPs之间的干涉构成了缝隙中信

52、号光束的总透射强度（ET），如图b。SPPs的强场局域和较大的量子点吸收横截面使光调制功率密度低达约100 W/cm2。随后Atwater 等人又制作了Ag-BaTiO3电光介质等离子体有源干涉，通过电诱畴变和BaTiO3折射率的电光调制效应，外加电压调制亚波长平行狭缝的SPPs 的透射场，实现对SPPs 波矢的控制。6展望 利用表面等离子体微纳结构制备出的光波导、传感器、探测器、调制器和太阳能电池等光学器件，不仅使器件尺寸缩小了几个数量级，而且提高了器件性能。表面等离子体光学刚刚起步，产生等离子体，操纵和检测设备集成仍然是一个的困难，发展纳米加工手术，表面等离子体光子学中起着越来越重要的作用

53、。本文还从原理上介绍了近些年利用SPPs效应制成的光开关及光调控器件，对各个SPPs光开关的优缺点及应用进行了阐述和分析 这些开关有热光开关、电光开关、全光开关，无论从开关速度或光子回路集成角度而言，全光开关都扮演重要角色，尤其是尚全实现的 光双稳开关更是具有巨大的应用潜力总体而言，以上光开关均未完全成熟，需要在材料、结构方面加以改进提高，比如：在材料上，利用光生载流子效应的，采用载流子寿命更短的材料，提高开关速度；利用非线性效应的采用非线性系数高的材料，降低抽运功率；在开关结构上，应尽可能地采用形式简单，容易集成的激发传输方式，未来的信息技术领域，必以大规模光子集成回路及全光通讯为核心，利用

54、基于Spp 效应，结合更优越的光学材料，设计更合理的光开关结构，实现更简捷的控制方式，在纳米尺度上实现光子器件的有效调控，具有重要意义。亚波长构造体的光的能量主要集中在将导致的电场强度增强，从而会产生非线性的现象，可以使用近场非线性光学效果的发展。热鼎盛时期在该领域目前的研究主要集中在机制，设计，工艺和检测。的物理机制范围内的光学近场相互作用的光与物质和保安人员许可证的光纳米结构的作用，光励磁分布相波前控制，能量转换和传播过程中固有的依赖，需要新的理论模型来分析说明一些基本的科学问题的SPP作为信息载体的耦合，增强，远场和近场转换是至关重要的，在真正意义上仍然需要做更多的研究，技术和测试，以实

55、现亚波长/纳米金属结构制备过程和性能测试。此外，为了实现光场强度限制传输损耗低，响应速度快，等的作用，而且在选择的材料和结构设计和方便的集成方面的探索。基于此学科的发展而有望研发出SPPS芯片，用作超低损耗的光子互连元件。利用SPPS元件回路，可实现超密的光子功能器件导波，深亚波长尺度纳米光刻蚀术，应用超透镜实现突破衍射极限的高分辨光学成像，研发出优良的新型光源等，为了实现这些目标，需要在这个崭新的学科领域中，开展更广泛深入的研究，在未来的岁月中，将要面对着各种挑战，例如：制作出传播损耗可以与传统的波导相比拟的光频段亚波长尺寸的金属线回路，研发高效率的SPPS有机和无机材料，通过对spps 施

56、加电光、全光和压电调制，实现自主控制。一直试示范基于SPPS新的亚波长光子器件和电路尺寸。理论模拟的设计和计算是重要的进展。尤其是核心技术：纳米光刻技术的研究和开发，有望实现电子和光电子元件，纳米级，集成在同一芯片上的完美结合。这将创建一个新的平台，为新一代的光伏技术，前景如何不被夸大的遐想也不为过。纳米光学传感器在许多领域具有潜在的应用。固有的小尺寸的传感器和非光学的非破坏性测量方法相比，大型的传感器或其它不能使被分析物敏感的检测装置的恢复，表现出明显的优势。随着集成制造技术的日趋成熟，越来越多的不同类型和互补的技术，相信LSPR传感器将具有广阔的发展前景。 7物理新闻和动态未来高温合金材料的纳米粒子美国能源部桑迪亚国家实验室（桑迪亚国家实验室）的未来发展，积极开展高温合金材料研究，这项研究将导致高温合金材料。该实验室纳米研究小组最近设计出一个实验用辐射系统，通过辐射破坏物质的分子结构来批量制备超耐热合金纳米粒子。在过去，高温合金材料的发展依赖于化学和科技创新，航空航天，电力等行业高温合金成为发展的主要驱动力的高要求。据项目负责人蒂娜Nenoff介绍，他们研究辐射（辐射分解）开辟了一个全新的研究领域，