光波导理论与技术表面等离子体子光波导传感器.pptx

electron ——电子
photon ——光子
magnon ——磁子
proton ——质子
neutron ——中子
phonon ——声子
plasmon ——表面等离子体子,是指金属表面沿着金属和介质界面传播的电子疏密波,由金属和空气界面上表面电磁波的激发而产生。
plasmon具有波粒二象性,其粒子性体现为它是具有能量的量子, 其波动性体现为它是在薄膜表面上传播的电子疏密波。
金属包层平板介质波导
用于集成光学器件,介质波导中沉积金属膜或在金属膜基底上沉积介质波导层;
金属对光频有强力的吸收作用,电磁场仅在很薄的一层内以衰减场形式存在;
在光频电场的作用下,在金属层内可激发出等离子体振荡,即在金属和介质的交界面出现等离子体表面波( Surface Plasma Wave-SPW );
金属的光频特性
金属的电容率(介电常数)是复数,实部为负,且绝对值大于虚部:
光在金属中传播必须考虑电导率的影响,麦克斯韦尔方程:
波动方程:
复折射率:
电场矢量写成:
代入复折射率:
折射率的实部决定波的相速度,虚部决定媒质的吸收而产生的波振幅的衰减,因此称虚部为消光系数或衰减系数。
衰减系数
的金属,m的光传输距离为36 m 。
等离子体:宏观上呈电中性、体内所含正电荷数与负电荷数几乎处处相等的多粒子系。
金属中的自由电子被局限在正离子构成的晶体点阵内作无规则运动,单位体积内自由电子所带的负电荷数与正离子所带的正电荷数相等,呈等离子状态。
等离子体表面波及存在的条件
什么是等离子体表面波SPW( Surface Plasma Wave)?
指在一定条件下,出现在金属与电介质分界面上传播的平面电磁波,其振幅随离开分界面的距离按指数衰减。
SPW存在条件:
SPW一定是TM波( P偏振光);
只存在于两侧电容率符号相反的分界面,在光频范围内,金属和电介质的分界面存在SPW;
SPW传播常数:
表面等离子体子共振SPR ( Surface Plasmon Resonance )
利用光在发生全反射时的消逝波, 激发金属表面的自由电子产生等离子体表面波。
当消逝波与等离子体表面波传播常数相等时发生共振,称此时的入射角为共振角。
设入射光角频率为,在棱镜底面全反射时的入射角为,则消逝波在界面x方向的传播常数为:
金属表面等离子波传播常数:
共振角
x
衰减全反射ATR  ( Attenuated Total Reflection-ATR)
一旦入射P偏振光与SPW耦合并产生共振,SPW可增强几百倍,称为表面等离子体共振SPR 。
衰减全反射(ATR):
因消失波的存在, 光线在界面处的全内反射将产生一个位移D (古斯-汉森位移), 即将沿X 轴方向传播一定距离。若光疏介质对光线没有吸收并无其它损耗, 则全内反射强度并不会被衰减, 消失波沿光疏介质表面在x 方向传播约半个波长, 再返回光密介质。反之, 光能会损失,这样引起的能量损失称为衰减全反射(ATR)
衰减全反射ATR  ( Attenuated Total Reflection-ATR)
共振时界面处的全反射条件将被破坏, 呈现全反射衰减现象,使反射光能量急剧下降, 在反射光谱上出现共振峰,即反射率出现最小值,称为衰减全反射ATR 。
影响SPR的因素:
金属膜表面介质的光学特性、厚度;
入射光的入射角、波长和偏振状态;
等离子体表面波激发方式
空间光与SPW耦合的典型结构:
Otto结构:金属和全内反射表面之间有约几十纳米的介质间隙,金属可以是半无限宽。入射光在棱镜底面发生全内反射, 而消失波作用于间隙与金属界面, 并在此界面发生SPR。
Kretschmann结构:采用真空蒸镀,磁控溅射等方法直接在全内反射表面镀一层几十纳米厚的金属,应用最广。消失波透过金属薄膜, 在金属膜外侧界面处发生表面等离子体子共振。
棱镜
金属介质
Otto结构
棱镜
金属膜
Kretschmann结构
表面等离子体子其他激发方式
(a) two-layer Kretschmann geometry,
(b) excitation with a SNOM probe,
(c) diffraction on a grating,
(d) diffraction on surface features.