仿表面等離激元器件概述

1、XXXXXX仿表面等離激元的應(yīng)用研究01知識(shí)普及目錄目錄0202030405020304研究背景和意義理論分析SPPs研究概況LSPs研究概況01知識(shí)普及Zhi Shi Pu JiPART ONE031.表面等離激元在光波段，在金屬表面區(qū)域的一種自由電子和光子相互作用形成的表面電磁模，這種電磁模式的特點(diǎn)是其場強(qiáng)在金屬與介質(zhì)的交界面處達(dá)成最大值，而在垂直于交界面的方向隨離交界面處距離的增大其場強(qiáng)呈指數(shù)衰減，通常在金屬內(nèi)的衰減速度更快。04局域表面等離激元傳導(dǎo)性表面等離激元表面等離激元LSPs局域在各種不局域在各種不同形貌的曲面上，同形貌的曲面上，其色散關(guān)系一般和其色散關(guān)系一般和介質(zhì)形貌，密切相介

2、質(zhì)形貌，密切相關(guān)，是一種非傳播關(guān)，是一種非傳播模式，具有兩維的模式，具有兩維的空間局限性空間局限性SPPs的色散是一種的色散是一種簡單的傳播模式，簡單的傳播模式，具有一維空間局限具有一維空間局限性。性。1.表面等離激元05仿表面等離激元06通過技術(shù)手段降低其等離子頻率從而通過技術(shù)手段降低其等離子頻率從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的強(qiáng)束縛，表面電磁特實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的強(qiáng)束縛，表面電磁特性類似于性類似于SPs稱之為仿表面等離激元稱之為仿表面等離激元（spoof SPs）摻雜半導(dǎo)體或高溫超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)化金屬表面在金屬表面刻蝕亞波長尺寸的周期性凹槽或者空洞陣列通過離子注入、熱激發(fā)和光激發(fā)等手段改變摻雜半導(dǎo)體的載流子濃度，使

3、其等離子體頻率落在Thz附近，從而在Thz波段實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的強(qiáng)束縛仿表面等離激元07摻雜半導(dǎo)體或高溫超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)化金屬表面02研究背景和意義PART TWOYan Jiu Bei Jing He Yi Yi SPs的電磁場都被束縛在交界面處很小的范圍內(nèi)，這種束縛是由金屬表面的電子和電磁波的強(qiáng)相互耦合作用引起的，所以它可以突破光的衍射極限實(shí)現(xiàn)亞波長光學(xué)器件，因而在納米光子器件設(shè)計(jì)及集成納米光子學(xué)領(lǐng)域越來越受到廣泛關(guān)注科學(xué)家們想把它引入到低頻段，卻發(fā)現(xiàn)此種表面電磁模式是不存在的或者說是特別微弱的。1.仿表面等離激元研究背景09研究意義10 Spoof SPs 能夠能夠在頻率相對(duì)較低的在頻率相對(duì)較低的

4、波段實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波波段實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的亞波長束縛的亞波長束縛若集成度、功若集成度、功能和成本等方面有能和成本等方面有新的突破新的突破對(duì)保密雷達(dá)、對(duì)保密雷達(dá)、通信、遙感通信、遙感及及生物生物化學(xué)檢測(cè)等微波毫化學(xué)檢測(cè)等微波毫米波技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域米波技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)影響產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)影響因此，基于仿表面等離激元的研究具有重要的意義03理論分析PART THREELi Run Fen Xi1.導(dǎo)行電磁波的波動(dòng)方程12JtDHD0BEDr0HBr00, 0J022EErkEEE2)(etjrEtrE)(),(tBExryzEjzHyH0 xyzHjzEyE0yzxHjxEzE0zxHjyExE0yyrzx

5、EjxHzH0zrxyEjyHxH0tDHtBE0)(22022yryEkzE0)(22022yryHkzH2.金屬/介質(zhì)交界面上的SPPs13討論最簡單的單個(gè)金屬/介質(zhì)交界面上的SPPs的傳播，上半空間(z0)是介質(zhì)，下半空間是金屬2.金屬/介質(zhì)交界面上的SPPs14對(duì)TM波：zkxjxeekjAzE121011)(zkxjzeeAzE1101)(Z0Z0zkxjyeeAzH22)(zkxjxeekjAzE222021)(zkxjzeeAzE2202)(zkxjyeeAzH11)(交界面上Hy和Ez的連續(xù)性1212kk(A1=A2)SPPs 只存在于兩種介電介電常數(shù)的實(shí)部常數(shù)的實(shí)部符號(hào)相反符

6、號(hào)相反的媒質(zhì)的交界面上， 即金屬/介質(zhì)的交界面上12021kk22022kk21210k同理可知對(duì)TE波SPPs是不存在的，即SPPs僅存在于電磁波為TM極化波3.SPPs傳播特性的兩個(gè)重要參數(shù)15傳播長度：將SPPs的強(qiáng)度衰減為其初始值1/e的長度定義為其傳播長度L2/31112)()()(2)(Im21rrirL穿透深度：電場振幅衰減到最大值1/e的距離定義為穿透深度在金屬中：在介質(zhì)中：|)()(|1220mrrk|)(|12220drk04SPPs研究概況PART FOURSPPs Yan Jiu Gai Kuang1.結(jié)構(gòu)化金屬表面以及仿表面等離激元的概念提出結(jié)構(gòu)化金屬表面以及仿表面等

7、離激元的概念是由英國帝國理工學(xué)院的Pendry 教授等人提出。在金屬表面刻蝕邊長為 a，周期為 d的 亞波長空洞陣列，空洞陣列的引入可以增強(qiáng)電磁波的透射作用從而降低金屬表面的等離子體頻率。使原本不支持 SPPs的金屬表面，不但可以支持 SPPs 的傳播，還能實(shí)現(xiàn)電磁波的亞波長束縛。17多種 spoof SPPs 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被提出18基于Spoof SPPs的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用19分束器寬帶慢波器多路分波器2.CSPs(Conformal Surface Plasmons)概念的提出2013年，東南大學(xué) X. P. Shen 等人提出了共形表面等離激元的( CSPs)概念, 他們提出在超薄可彎曲的

8、介質(zhì)薄膜上的帶有周期性矩形凹槽的無限薄金屬帶結(jié)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)在低頻段支持 spoof SPPs 的傳播，這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的強(qiáng)束縛，具有較小的彎曲損耗和較大的傳播長度。 20多種基于 CSPs 的平面結(jié)構(gòu)波導(dǎo)及無源器件相繼被提出CSPs 概念的提出為研究者提供了一個(gè)思路，那就是在微波和 THz 波段，覆蓋超薄金屬層的介質(zhì)板（或介質(zhì)薄膜） 表面的金屬層上刻蝕周期性亞波長結(jié)構(gòu)，可以支持 spoof SPPs 的傳播，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁波的亞波長束縛，而這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)它是平面的，可以實(shí)現(xiàn)與 PCB 印制板電路的完美結(jié)合，為集成表面等離激元無源器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。THz 波段環(huán)形諧振器結(jié)構(gòu)及加工樣品21

9、多種基于 CSPs 的平面結(jié)構(gòu)波導(dǎo)及無源器件相繼被提出22利用傳統(tǒng)的共面波導(dǎo)(CPW)結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計(jì)平滑過渡轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)從普通導(dǎo)行波向 spoof SPPs 高效的寬頻帶激勵(lì)利用微帶線激勵(lì)的普通導(dǎo)行波向 spoof SPPs 結(jié)構(gòu)多種基于 CSPs 的平面結(jié)構(gòu)波導(dǎo)及無源器件相繼被提出23(a) CPW 激勵(lì)的對(duì)稱雙周期性金屬光柵結(jié)構(gòu) (c) 超薄結(jié)構(gòu)的雙路分波器 (b) 帶地的對(duì)稱雙周期性金屬光柵互補(bǔ)波導(dǎo)結(jié)構(gòu) (d) 與 SIW 結(jié)構(gòu)合成的通頻帶可調(diào)帶通濾波器05LSPs研究概況PART FIVELSPs Yan Jiu Gai Kuang1.spoof LSPs國內(nèi)外研究概況LSPs 可以把

10、電磁場的能量束縛在一個(gè)很小的尺度， 它主要存在于具有封閉表面的微小顆粒上。因?yàn)?LSPs 可以在諧振時(shí)產(chǎn)生場局域增強(qiáng)的效果，因此其在近場光學(xué)、 化學(xué)和生物傳感、 表面增強(qiáng)光譜學(xué)、等離子體天線以及光伏太陽能等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。二維刻槽圓柱形理想結(jié)構(gòu)25 A. Pors 等人提出在二維 圓柱形理想導(dǎo)體上刻有周期性凹槽的結(jié)構(gòu)化金屬表面，在凹槽內(nèi)填充折射率為 ng 的介質(zhì)，可以在頻率較低的微波和 THz 波段支持 LSPs 諧振并且將其稱之為 spoof LSPs2.回音壁傳感器(whispering gallery mode, WGM)上面部分為二維刻槽圓柱形理想導(dǎo)體諧振結(jié)構(gòu)，下面部分為氧化鋁

11、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，電磁波從端口 A 進(jìn)，從端口 B 出。當(dāng)電磁波耦合到上面的刻槽圓柱結(jié)構(gòu)上時(shí)會(huì)產(chǎn)生多個(gè)品質(zhì)因數(shù)很高的諧振點(diǎn)，改變待測(cè)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) r，其諧振點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生明顯的偏移，從而實(shí)現(xiàn)作為傳感器的目的。該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的介質(zhì)傳感器相比，在相同的尺寸的前提下，其靈敏度更高26多頻帶 multi-band spoof LSPsZ. Li等人又研究了在封閉的圓柱形理想導(dǎo)體腔體內(nèi)側(cè)刻蝕有周期性凹槽的二維結(jié)構(gòu)，凹槽內(nèi)部同樣填充折射率為 ng 介質(zhì)材料，如圖 1.8(a)所示，該結(jié)構(gòu)同樣可以在低頻段支持 spoof LSPs 諧振54。緊接著他們又研究了在封閉的圓柱形理想導(dǎo)體腔體內(nèi)側(cè)刻蝕有雙周期性凹 槽 的 二 維 結(jié) 構(gòu) ， 如 圖 1.8(b)所示，該結(jié)構(gòu)上同樣可 以 支 持 m u l t i - ba n d spoof LSPs27薄介質(zhì)層表面的超薄刻槽金屬圓盤X. P. Shen 等人提出了薄介質(zhì)層表面的超薄刻槽金屬圓盤，同樣可以支持spoof LSPs 的多極諧振模式。實(shí)驗(yàn)中用一根單極子作為激勵(lì)來激發(fā)刻槽圓盤表面的 spoof LSPs 諧振，同時(shí)在相對(duì)的另一邊用一根探針來檢測(cè)刻槽金屬圓盤上的電場幅值。 同時(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)當(dāng)圓盤表面的介質(zhì)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)會(huì)引起各極諧振點(diǎn)頻率的顯著偏移。因此，該結(jié)構(gòu)還在用于介質(zhì)測(cè)量的傳感領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價(jià)值28雙圓盤Fan