基本介紹
- 中文名：表面等離極化激元
- 外文名：Surface Plasmon Polaritons
- 領域：光學
簡介,激發,表面等離激元,相關條目,
簡介
表面等離極化激元（Surface Plasmon Polaritons）是一種在金屬–電介質或金屬-空氣界面上傳播的處於紅外或可見光波段的電磁波。"表面等離極化激元"這一術語闡明了這一物理現象既包含金屬中的電子運動（"表面等離激元"），也包含在空氣或電介質中傳播的電磁波（"極化子"）。
表面等離極化激元是一種表面波, 如同光在光纖中傳播一樣，表面等離極化激元僅在金屬和電介質的界面上傳播。表面等離極化激元比使其激發的入射光（光子）具有更短的波長。因此，表面等離極化激元具有更好空間局域性和更高的局部場強.其電場垂直於金屬表面，且具有亞波長局域性。表面等離極化激元會在界面上傳播，直至其能量由於金屬的吸收或者向其他方向的散射而消耗殆盡（比如向自由空間的散射）。
對於表面等離激元相關物理機制的研究和套用使得套用於顯微科學的亞波長光學和突破衍射極限的光刻技術成為可能。其同樣促成了第一次對光子本身基本微觀力學性質的測量：光子在電介質中的動量。 其他套用還包括光子數據存儲，生物光子學等。
激發
SPP可以通過電子和光子激發。電子激發方法將電子加速並射入金屬體中，這一過程伴隨著能量從電子到金屬電漿的轉移。平行於金屬表面的散射分量導致了表面等離極化激元的形成。
對於激發表面等離極化激元的光子，兩者必須具有相同的頻率和動量。然而，由於不同的色散關係（見下文），對於給定的頻率，自由空間光子的動量比等離激元更小。這種動量的不匹配是由於來自空氣的自由空間光子不能直接耦合激發表面等離極化激元的原因。同樣的原因，光滑金屬表面上的極化激元不能將能量通過自由空間光子的形式發射到電介質中（如果電介質是均勻的話）。這種不兼容性與全反射類似。
儘管如此，光子與SPP的耦合可以通過使用耦合介質來實現，例如光學稜鏡或光柵來匹配光子和SPP的波矢（從而匹配它們的動量）。稜鏡可以靠Kretschmann配置中的薄金屬膜定位，或者非常接近Otto配置中的金屬表面。光柵耦合器通過增加波矢的平行分量來實現匹配。該方法雖然不經常使用，但對於理論上理解表面表面粗糙度的影響至關重要。此外，金屬表面上的孤立缺陷，例如在平坦表面上的凹槽，狹縫或波紋，提供了自由空間輻射和表面等離極化激元交換能量並相互耦合的機制。
表面等離激元
表面等離激元（Surface Plasmon）是金屬表面電子在外界電磁場作用下產生集體振盪的現象，分為局域表面等離子共振（Local Surface Plasmon Resonance，LSPR）和表面等離極化激元（Surface Plasmon Polariton，SPPs）兩種。
LSPR是在入射光激發下產生於正負介電常數材料界面處的傳導電子諧振現象。在共振波長處表現為近場場強增強。這個近場高度集中在納米顆粒中，並在遠離納米顆粒/電介質界面進入到電介質基底中時迅速衰減。光強的增強是局部表面等離共振的一個重要方面，局域意味著LSPR有很高空間頻率（亞波長），並且僅受納米粒子尺寸的限制。由於電場振幅的增強，基於振幅增強的效應如磁光效應也因局部表面等離共振的存在而增強。
LSPR是許多測量平面金屬（通常是金或銀）表面或金屬納米顆粒表面上材料的吸收的基礎，也是很多基於顏色的生物感測器套用的基本原理。
SPP是沿金屬-電介質或金屬-空氣交界面傳播的紅外或可見光波段的電磁波。SPP波長比入射光（光子）的波長短。因此，SPP有更嚴格的空間約束和更高的局部場強。在垂直於交界面的方向上有亞波長量級的約束。表面等離激元會沿交界面傳播，直到能量消失，包括被金屬吸收或散射到其他方向（例如自由空間）。
表面等離激元的套用使得亞波長的顯微鏡和光刻超出了衍射極限的限制。同時也能夠用第一穩態微機械測量光本身的基本屬性：電介質中的光子動量。其他的套用有光子數據存儲、光振盪和雙光子效應等。
