表面等离激元

电磁振荡

表面等离激元(surface plasmon，SP)是金属和介质界面区域的一种自由电子和光子相互作用形成的电磁模。这一概念在1957年由Huffman等首次提出，他认为金属中自由电子被外加电磁场激发后，会在正离子的背景下进行量子化的振荡即等离激元。这一现象由Powell 等于1959年在一个金属铝的实验中首次证实。

定义

当光波（电磁波）入射到金属与电介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离激元现象。

应用

随着表面等离激元理论研究的深入以及各种结构的器件的成功制作，其在光学各领域应用具有巨大的潜力，尤其在解决了一些以往光学长期不能解决的问题，其中包括金属亚波长结构的增透效应在超分辨率纳米光刻、高密度数据存储、近场光学等领域的应用。

表面等离激元在光刻中的应用

在光刻技术中，由于存在衍射极限，无法用普通的掩模在可见光波段曝光得到小的结构，在实际工艺中，为了克服衍射极限，一般采用移相掩模技术、离轴照明术、邻近效应矫正等技术。但实现的工艺都比较复杂。支持SPPs的金属掩模就可很容易的克服衍射极限，达到亚波长分辨率。

远场光学透镜成像

当倏逝波通过一个特制的金属层时，由于亚波长结构的表面等离子的耦合共振激发，将在后面继续传播下去。再通过探测器探测，获得被观测物的细节信息。这种方法提高了点对点成像技术。但这不是一个严格意义上的远场成像系统，因为亚波长的金属层仍然需处在被观测物体的近场范围内。

负折射及成像器件

利用银膜可以实现负折射，并进一步实现成像，其中特点有:

（1）负折射率材料与周围介质折射率匹配，表面没有反射;

（2）物像之间的距离是透镜厚度的两倍;

（3）透镜没有光轴，为平板成像;

（4）突破衍射极限，实现超分辨成像。

基本性质

表面等离激元是外界光场与金属中自由电子相互作用的电磁模，在这种相互作用下外界光场被集体振荡的电子俘获，构成了具有独特性质的SPPs。在平坦的金属/介质界面，SPPs沿着表面传播，由于金属中欧姆热效应，它们将逐渐耗尽能量，只能传播到有限的距离，大约是纳米或微米数量级。只有当结构尺寸可以与SPPs传播距离相比拟时，SPPs特性和效应才会显露出来。随着工艺技术的不断进步，现今已经可以制作特征尺寸为微米和纳米级的电子元件和回路，在这个领域的研究也迅速开展起来。

表面等离激元主要具有如下的的基本性质:

1. 在垂直于界面的方向场强呈指数衰减;

2. 能够突破衍射极限;

3. 具有很强的局域场增强效应;

4.只能发生在介电参数(实部)符号相反(即金属和介质)的界面两侧。

研究意义

在现代信息技术飞速发展的今天，对于器件微型化和高度集成化的要求越来越高，怎样在纳米尺寸的层面上实现信息传输处理成为科学研究的一个重要课题。表面等离激元能够突破衍射极限，并具有很强的局域场增强特点，可以实现纳米尺度的光信息传输与处理。另外表面等离激元的独特特性，使得它在高灵敏生物检测、传感和新型光源等领域获得了广泛的应用。

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