表面等离子体技术

1、表面等离子体技术的表面等离子体技术的基础及应用基础及应用物理与光电工程学院物理与光电工程学院2012-12-01表面等离子体波表面等离子体波-两层结构两层结构221/1)(p假设金属的相对介电常数为无损耗时的Drude模型12为金属的相对介电常数为介质的相对介电常数n2n1n2n1BB,DDt2t1t2t1HH,EE两种无损耗媒介的分界面上的边界条件两种无损耗媒介的分界面上的边界条件麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组时谐的麦克斯韦方程微分形式时谐的麦克斯韦方程微分形式TM模式模式TE模式模式微分算子微分算子xz = 0 TE 偏振偏振xz = 0 TM 偏振偏振辐射模（可以辐射模（可以被直接激发）被

2、直接激发）禁带（纯虚部）禁带（纯虚部）束缚模束缚模-表面波表面波221/1)(p2220222(1/)1/ppk在在z方向的衰减深度方向的衰减深度在在x方向的传播长度方向的传播长度亚波长约束亚波长约束0/kknspeffspspk/2从而可以利用表面等离子体，在光频率还在可见波段时，获得波长达到x射线的数量级甚至更小。 可以到达102103数量级，从而理论上由于衍射所决定的光学分辨率lambda/(2neff)将会小至纳米尺度。应用：微纳光集成，高密度光存储，超分辨成像，亚波长光刻等长波长长波长短波长短波长表面等离子体波的激发表面等离子体波的激发002sin( )kNa浅光栅浅光栅大于全反射角

3、，大于全反射角，产生沿界面传产生沿界面传输的倏势波，输的倏势波，通过隧穿效应，通过隧穿效应，激发表面波激发表面波表面等离子体波表面等离子体波-三三层结构层结构TM 偏振偏振sinh( )tanh( )cosh( )xxxxxeexxeeEx是奇函数Hy, Ez是偶函数Ex是偶函数Hy, Ez是奇函数奇奇/偶函数的导数为偶偶函数的导数为偶/奇函数奇函数 zHiEyx01IMI (insulator-metal-insulator)金属条，金属带，金属线等dashed gray line: metal core 100 nmblack gray line: metal core 50 nm16 n

4、m AlE-beam illumination长程表面波：奇模（长程表面波：奇模（Hy偶对称时），偶对称时），beta较小的情况较小的情况长程表面等离子体波的模式示意图 随着金属薄膜厚度的减小，损耗减小。1550nm，银20nm厚，L到达毫米数量级。MIM (metal-insulator-metal)归一化的磁场强度分布100 nm20 nmIMIIMI与与MIMMIM偶对称模式的对比偶对称模式的对比只有只有MIM结构才能提供真正亚波长约束！结构才能提供真正亚波长约束！ The diffraction limit衍射极限衍射极限表面等离子体光子学表面等离子体光子学Lezec, H. J. e

5、t. al Beaming light from a subwavelength apertureScience 297,820822 (2002)Beaten the diffraction limitT. W. Ebbesen, et. al Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays NATURE | VOL 391 | 12 FEBRUARY 1998沟槽阵列增强单个狭缝的超透射沟槽阵列增强单个狭缝的超透射现象现象Phys. Rev. Lett. 99, 043902, 2007 以及 Opt. Express 12, 3629-3641, 2004 两篇文献给出了错误的结论和 设计思想：入射场与光 栅产生的局域场之间的干涉效果。L 0.5sp 或者 L = (K