表面等離子體技術(shù)

1、表面等離子體技術(shù)的表面等離子體技術(shù)的基礎(chǔ)及應(yīng)用基礎(chǔ)及應(yīng)用物理與光電工程學(xué)院物理與光電工程學(xué)院2012-12-01表面等離子體波表面等離子體波-兩層結(jié)構(gòu)兩層結(jié)構(gòu)221/1)(p假設(shè)金屬的相對介電常數(shù)為無損耗時(shí)的Drude模型12為金屬的相對介電常數(shù)為介質(zhì)的相對介電常數(shù)n2n1n2n1BB,DDt2t1t2t1HH,EE兩種無損耗媒介的分界面上的邊界條件兩種無損耗媒介的分界面上的邊界條件麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組時(shí)諧的麥克斯韋方程微分形式時(shí)諧的麥克斯韋方程微分形式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 偏振偏振輻射模（可以輻射模（可以被直接激發(fā)）被

2、直接激發(fā)）禁帶（純虛部）禁帶（純虛部）束縛模束縛模-表面波表面波221/1)(p2220222(1/)1/ppk在在z方向的衰減深度方向的衰減深度在在x方向的傳播長度方向的傳播長度亞波長約束亞波長約束0/kknspeffspspk/2從而可以利用表面等離子體，在光頻率還在可見波段時(shí)，獲得波長達(dá)到x射線的數(shù)量級甚至更小。 可以到達(dá)102103數(shù)量級，從而理論上由于衍射所決定的光學(xué)分辨率lambda/(2neff)將會小至納米尺度。應(yīng)用：微納光集成，高密度光存儲，超分辨成像，亞波長光刻等長波長長波長短波長短波長表面等離子體波的激發(fā)表面等離子體波的激發(fā)002sin( )kNa淺光柵淺光柵大于全反射角

3、，大于全反射角，產(chǎn)生沿界面?zhèn)鳟a(chǎn)生沿界面?zhèn)鬏數(shù)馁縿莶?，輸?shù)馁縿莶?，通過隧穿效應(yīng)，通過隧穿效應(yīng)，激發(fā)表面波激發(fā)表面波表面等離子體波表面等離子體波-三三層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)TM 偏振偏振sinh( )tanh( )cosh( )xxxxxeexxeeEx是奇函數(shù)Hy, Ez是偶函數(shù)Ex是偶函數(shù)Hy, Ez是奇函數(shù)奇奇/偶函數(shù)的導(dǎo)數(shù)為偶偶函數(shù)的導(dǎo)數(shù)為偶/奇函數(shù)奇函數(shù) zHiEyx01IMI (insulator-metal-insulator)金屬條，金屬帶，金屬線等dashed gray line: metal core 100 nmblack gray line: metal core 50 nm16 n

4、m AlE-beam illumination長程表面波：奇模（長程表面波：奇模（Hy偶對稱時(shí)），偶對稱時(shí)），beta較小的情況較小的情況長程表面等離子體波的模式示意圖 隨著金屬薄膜厚度的減小，損耗減小。1550nm，銀20nm厚，L到達(dá)毫米數(shù)量級。MIM (metal-insulator-metal)歸一化的磁場強(qiáng)度分布100 nm20 nmIMIIMI與與MIMMIM偶對稱模式的對比偶對稱模式的對比只有只有MIM結(jié)構(gòu)才能提供真正亞波長約束！結(jié)構(gòu)才能提供真正亞波長約束！ The diffraction limit衍射極限衍射極限表面等離子體光子學(xué)表面等離子體光子學(xué)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溝槽陣列增強(qiáng)單個(gè)狹縫的超透射溝槽陣列增強(qiáng)單個(gè)狹縫的超透射現(xiàn)象現(xiàn)象Phys. Rev. Lett. 99, 043902, 2007 以及 Opt. Express 12, 3629-3641, 2004 兩篇文獻(xiàn)給出了錯(cuò)誤的結(jié)論和 設(shè)計(jì)思想：入射場與光 柵產(chǎn)生的局域場之間的干涉效果。L 0.5sp 或者 L = (K