表面等离子极元 - 中国科学院物理研究所

2006年现代光学全国研究生暑期学校 

国家自然科学基金委员会 

数理学部实验物理讲习班 

- 微纳结构光电子器件 - 

表面等离子极元 

黄翊东 

清华大学电子工程系 

Dept. of Electronic Engineering Tsinghua University 

Tel: 62783389 Email: yidonghuang@tsinghua.edu.cn



传统的集成光电子技术寻求突破 

已经产品化的8阵列波长选择集成光源 

Δλ 16-20nm 

传统的集成光电子技术 

所不能解决的问题限制 

了光电子器件的发展 

Window 

7deg.-tilted 

output WG 

SOA+EA SOA 

20 μm 

Window 

8 microarray 

λ/4-shifted DFB-LDs 

S-bent WGs 

(R= 400 μm) 

8x1 MMI 

Chip size: 

0.4x2.15 mm 2



纳结构-全新的光学 

纳结构全新的光学 

物理特性 

使得经典结构中不可能实现 

的光电器件成为可能 

预示了诱人的应用前景



纳结构下新的光电子效应 

在纳尺度 (包括纳米,十纳米,百纳米)控制物质的光电结构 

及其与光场的相互作用 

光子能带效应 

? 

金属表面 

plasmon效应 

物质 

微腔效应相 

互 

作 

用 

量子效应 

光场 

近场效应

超透明小孔 



λ λ 

a < λ



98年Nature报道了“超透明小孔” 这一重大发现 

Nature, vol. 391, p. 641, 12 Feb. 1998

超透明小孔实验写真 



0.4 μm 

0.6 μm 

光栅周期 

0.8 μm 

实验条件 

Ag膜厚: 0.3微米 

小空直径是光栅周期的1/4 

从小空背面由白光源照射 

对应于相应的光栅周期的 

光密度被增益放大后通过了小孔 

小空与小空之间也有光? 

Data: Courtesy of J. Fujikata

超透明小孔测试结果 



通过了约15%的光能量 

小孔的面积为总面积的11% 

透过率为 130%?! 

光波不仅通过了比其波长小的小孔, 

而且光强还被放大了!

Ag膜 

超透明小孔测试结果 



一个或多个贯通小孔都可以 

同心圆沟槽 

Bull’s-eye 

目前超透明小孔效应最大的结构



Bull’s Eye型结构 

周期分布的沟形结构只在中心设小孔 

◇ Preparation 

FIB etching and sputter deposition 

◇ Specifications 

Groove pitch 750 nm 

Groove depth 200 nm 

Aperture diameter 200 nm 

Ag film thickness 300 nm 

Data: Courtesy of T. Ishi



89 

95 

96 

97 

98 

99 

00 

01 

发现及研究的经历回顾 

/ 确认了超微细周期小孔对透射光的放大作用 (89-93: Ebbesen NEC) 

/ 超微细周期小孔透射光放大作用的基础研究/理论探索 (94 NEC) 

/ Wolff 提出表面Plasmon共鸣机制 

/ 在Nature杂志上发表了第一篇有关Plasmon增益效应的论文 

/ 发表了单一小孔的增益效应 

/ NEC所属研究机构开始联合研究 

/ 开始应用方面的研究 

/ 研制Plasmon增益光存储器件 

/ 研制利用Plasmon效应的光回路

等离子体-物质的第四态 



物质有三种不同的聚集态: 

固态、液态、气态 

对于气态的物质,温度升高到几千度时, 

将会有什么新的变化呢? 

由于物质分子的热运动的加剧,相互间的碰撞就会使 

气体的分子产生电离,这样的物质就变成由自由运动 

并相互作用的正离子和电子组成的混合物 

等离子体-物质的第四态

等离子体的定义 



因为电离过程中正离子和电子总是成对出现的, 

等离子体中的正离子和电子的总数大致相等,总 

体看起来为电中性。 

定义:正离子和电子的密度大致相等的电离气体 

通常等离子体中存在电子、正离子和中性粒子 

电离度: 

β = 

n e n i n n 

n + 

e 

/( ne 

nn 

) 

β ≥1% 

强电离等离子体 

β ≤ 0. 

1% 

弱电离等离子体



各种等离子体的密度和温度 

温度 [K] 

10 8 

10 6 

10 4 

10 2 

行星际 

恒星际 

日冕 

电离层 

辉光放电 

(低温等离子体) 

火焰 

核聚变 

1 10 6 10 10 10 14 10 18 10 22 10 26 

等离子体密度 [m -3 ] 

电弧放电 

(热等离子体)

等离子体振荡频率 



近似认为离子不动 

电子相对于离子做往回运动 

等离子体内电子的集体振荡 

振荡频率: 

ω = 

p 

2 / 

4πne m 

电子浓度电子质量 

0



ε 1 

表面等离子振荡 

金属表面电子浓度的起伏形成表面等离子振荡 

(介质) 

---+ + + ---+ + + ---+ + + --- 

ε m (金属) 

Surface plasma oscillations



ε 2 

表面等离子极元的两个特征 

k z 

k x 

---+ + + ---+ + + ---+ + + --- 

ε 1 (金属) 

k = 2π 

/ λ 

Esp sp z 

Surface plasma oscillations 

sp 

表面等离子波 

的波长 

( x, 

z) 

= E exp( ik x − k | z 

0 

sp 

z 

|) 

E z ~e -|k z|z 

E z




k 

( 1) 

= 

2 

z 

sp 

( k −ε 

( ω / c) 

k 

( m) 

= 

2 

z 

sp − ε m 

1 

( k ( ω)( 

ω / c) 

2 

) 

1/ 

2 

2 

) 

1/ 

2 

k z (1) 和kz (m) 的实部必须是正值,才能保证所 

描述的是表面波,即能量是集中在z=0附近


2 

/ 

1 

1 

1 

) 

( 

) 

( 

⎥ 

⎦ 

⎤ 

⎢ 

⎣ 

⎡ 

+ 

= 

ω 

ε 

ε 

ω 

ε 

ε 

ω 

m 

m 

sp 

c 

k 

2 

2 

1 

) 

( 

ω 

ω 

ω 

ε 

p 

m 

− 

= 

其中: 

振荡频率: 

0 

2 / 

4 m 

ne 

p 

π 

ω = 

电子浓度电子质量 


数理学部实验物理讲习班

ω/ω p 




ω sp 

ω=ck/ε 1 1/2 

k 

sp 

= 

光场色散曲线 

kc/ω p 

ω ⎡ ε1ε 

( ) ⎤ 

m ω 

c 

⎢ 

1 ( ) 

⎥ 

⎣ε 

+ ε m ω ⎦ 

ω=ω p /(1+ε 1 ) 1/2 

Surface Plasma Polariton 

1/ 

2 

Surface Plasma

k 

k 

= 

ω ε iεm ( ) 

c ε + ε 

2 2 

sp 

ε 

m 

ω 

= ( ) 

c 

2 2 

sp 




+ 

i m 

2 

p 

ω 

= 1− 

ω 

2 

ε ω ω 

ω 

2 2 

i(1 − p ) 

ε + 1−ω 

ω 

ω 

2 2 

i p 

sp 

photon 

ω = ck / ε 

k 

ω 

sp 

= 

Surface Plasma 

Surface Plasma Polariton 

ω 

p 

1+ 

ε 

i



表面等离子极元的两个特征 

金属表面的自由电子和光波产生共振相互 

作用,决定了表面等离子波的独特特性 

SPP有两个明显的特征: 

(1)SPP在传播方向上具有比光波大的 

传播波矢(即更短的波长) 

(2)在与传播方向垂直的方向上是消逝场

内部损耗 

表面等离子振荡的损耗 

2 

/ 

1 

1 

1 

) 

( 

) 

( 

⎟ 

⎟ 

⎠ 

⎞ 

⎜ 

⎜ 

⎝ 

⎛ 

+ 

= 

ω 

ε 

ε 

ω 

ε 

ε 

ω 

m 

m 

sp 

c 

k 

2 

' 

" 

2 

/ 

3 

' 

1 

' 

1 

" 

) 

( 

2 m 

m 

m 

m 

sp 

c 

k 

ε 

ε 

ε 

ε 

ε 

ε 

ω 

⎟ 

⎟ 

⎠ 

⎞ 

⎜ 

⎜ 

⎝ 

⎛ 

+ 

= 

2 

/ 

1 

' 

1 

' 

1 

' 

⎟ 

⎟ 

⎠ 

⎞ 

⎜ 

⎜ 

⎝ 

⎛ 

+ 

= 

m 

m 

sp 

c 

k 

ε 

ε 

ε 

ε 

ω 



表面等离子振荡的传播长度 

1 

" ) 

2 

( 

− 

= sp 

i 

k 

L 

振荡强度减少到1/e时的长度: 

) 

( 

2 

) 

( " 

x 

P 

k 

dx 

x 

dP 

sp 

= 

− 

表面等离子体振荡产生电磁场的Poynting矢量 

2 

' 

" 

2 

/ 

3 

' 

1 

' 

1 

" 

) 

( 

2 m 

m 

m 

m 

sp 

c 

k 

ε 

ε 

ε 

ε 

ε 

ε 

ω 

⎟ 

⎟ 

⎠ 

⎞ 

⎜ 

⎜ 

⎝ 

⎛ 

+ 

= 



SP传播距离的估算值 



" −1 

L 由左式得到的估算值(μm) 

i = ( 2ksp 

) 

波長 310nm 1.55μm 13μm 

Ag 2 4.7×103 2.7×104 Ag 2 4.7×103 2.7×104 Au 2 4.5×103 4.6×105 Au 2 4.5×103 4.6×105 Al 50 2.2×103 2.7×105 Al 50 2.2×103 2.7×105 紫外波段Al的 

传播距离最长 

红外波段可到mm量级



L 

δ m 

δ d 

λ 

L i 

i 

= ( 2ksp 

SPP的三个特征长度 

" −1 

) 

δ d 

δ m 

Aluminium at 0.5 μm 

Silver at 1.5 μm 

z 

|E z|



局域表面等离子振荡 

如果在介质和金属的界面上存在微细结构 

(微粒或微小沟槽),那么,除了SPP之外, 

还会存在一种局域在微细表面结构上的所谓 

Local SP(LSP) 

局域表面等离子振荡 

LSP的频率除了金属和介质的材料以外, 

还与微细结构的尺度形状有关



♦ 

♦ 

LSP和SPP的不同 

两者的色散关系不同,SPP是一种表面的传播场, 

而LSP是依托于某种表面结构的局域电磁场振荡, 

具有一系列分立的、复数的频率,是由产生LSP 

的表面微结构的尺度形状决定的 

LSP振荡可以由合适的频率和偏振的光来激发, 

与激励光的波矢无关,而SPP的激发则要求激励 

光的频率和波矢都要和SPP匹配



LSP和SPP可以相互转换 

在粗糙的表面,LSP和SPP的频率接近 

LSP振荡可以激励SPP,SPP也可以激发LSP 

LSP 

能量转换 

SPP 

LSP和SPP之间能量的转换,对于SPP的 

激励起着重要作用。(因为LSP不要求波 

矢匹配,通过LSP来激发SPP效率更高) 

提高了表面结构对于SPP的散射作用



表面等离子场的散射 

界面的表面形态对SPP的散射是SPP特性的 

一个重要方面,它决定了粗糙或是具有微结 

构金属表面的光学特性 

SPP和表面微结构之间的相互作用有三种: 

(1)SPP被散射形成另一个方向传播的SPP 

- SPP的反射 

(2)SPP通过微结构区域后继续按照原来的传播 

方向传播 

- SPP的透射 

(3)SPP被散射后转换成了光波



表面等离子场的散射 

far-field 

光波 

near-field 

SPP的反射表面微结构 SPP的透射



表面等离子振荡的光激发 

为了用p-polarized入射光在金属和介质的界面上激励 

起SPP波,需要满足频率匹配、波数匹配两个条件 

入射光在金属平面上的分量要等于SPP的波数: 

ε ( ω / c) 

sinθ 

( ω) 

+ ε )] 

1 

= ( ω / c)[ 

ε1ε 

m ( ω) 

/( ε m 

对于同一频率ω,等离子振荡的波矢大于光波矢 

所以,对于能量 hω的入射光子,它的波矢必须增加Δk, 

才能将入射光子能量“转成”表面等离子振荡 

1 

1/ 

2




kx 

ω 

c 

k 

c 

ω 

= 

sinθ 

θ 0 

0 

± 

Δk 

Δk x 

x 

k sp 

= 

k 

sp




excitation by evanescent field 

Kretschmann结构 

入射光 

SPP 

棱镜 

金属




在折射率较大的物质中,波数会增大。在某一个角 

度,棱镜中光波的水平方向分量和空气-金属界面 

上SPP的波矢相同时,光场和SPP场通过隧穿效应 

发生共振,产生能量的转换 

ω 

k sp = ε prism sinθ 

(3-33) 

c




ω 

k sp = ε prism sinθ 

(3-33) 

c 

满足这一条件时,可以观察到在金属和棱镜的界 

面的反射率有一个极小值,这时光场和SPP之间的 

耦合效率可接近100%。由于SPP的能量集中在表 

面,比起入射光的能量密度可以高2-3个数量级。 

耦合效率会随着金属膜的厚度的变化而变化,存 

在最佳的金属膜的厚度




excitation by evanescent field 

θ




excitation by evanescent field




对于很厚的金属膜,或者就是金属块状体, 

Kretschmann结构不能在其表面上激励起SPP模 

Otto结构: 

在金属上方放置一块棱镜,和金属表面之间留有缝隙, 

光场的隧穿效应在棱镜和金属之间的缝隙中发生



表面周期结构中光子与SP的耦合 

ε 2=1 

k 

x 

ω 

c 

ε 

a 

θ 

sin 0 

υ: 正整数 

± 

ν 

g 

= 

ω 

c 

ε 

g=2π /a 

ε 

+ 1 

= 

ksp



表面周期结构中SP与光子的耦合 

入射光 

表面等离子振荡



表面周期结构中光子与SP的耦合 

ε ε2=1 2=1 

ω 

sinθ 

0 

c 

ε 

a 

θ 0 

±νg 

= 

k 

sp 

反射光强度 

计算值 

实验值 

入射角θ 0




SEM images 

Nanostructure 

Electron-Beam 

Lithography and 

Vacuum 

Deposition Fabricate with AFM 

AFM image




在粗糙的表面,可以不通过任何特别的结构就能实现 

SPP的激励,这是由于光场通过表面微结构的折射、 

散射会产生很多的波矢分量,同时,微结构产生的 

LSP介入SPP的激励过程也可以大大增加激励效率



扫描近场显微镜 

• Scan at a fixed distance 

above the local sample 

surface (a few tens of 

nanometers). 

• Provide simultaneous 

topographical and optical 

imaging. 

SP 场的探测

Surface plasmon propagation in microscale metal stripe 

B. Lamprecht et al: Appl. Phys. Lett. 79(2001)51. 

SP传播距离的测定 



SP传播实验平台 



SP传播实验示意图 



金属波导(Ag 50nm) 

Si Si2O衬底 2O衬底 

光纤探针(芯径4微米) 

光栅耦合器 

波导幅宽:0.3-5μm 波导长:5-50μm

SP传播距离的测定结果 



超透明小孔实验写真 



0.4 μm 

0.6 μm 

光栅周期 

0.8 μm 

实验条件 

Ag膜厚: 0.3微米 

小空直径是光栅周期的1/4 

从小空背面由白光源照射 

对应于相应的光栅周期的 

光密度被增益放大后通过了小孔 

小空与小空之间也有光? 

Data: Courtesy of J. Fujikata



超透明小孔产生的机理 

-光照射到金属薄膜的小孔阵列上,被周期结构折射、 

散射的结果将产生消逝场,该消逝场通过隧道效应 

穿过小孔,在金属薄膜的另一个表面可以观测到透 

过小孔的光 

-光照到金属表面上激励起的表面等离子体,参与了 

小孔之间的金属表面上的能量“搬运”,增强了小孔 

的光隧道效应 

-当金属薄膜足够薄,金属两个表面上的等离子波的 

耦合使得小孔的隧道效应发展成共振模式,透过率 

将在某一个波长被强烈增大



Bull’s Eye型结构 

周期分布的沟形结构只在中心设小孔 

◇ Preparation 

FIB etching and sputter deposition 

◇ Specifications 

Groove pitch 750 nm 

Groove depth 200 nm 

Aperture diameter 200 nm 

Ag film thickness 300 nm 

Data: Courtesy of T. Ishi

SPP在传播方向上的损耗 

表面等离子振荡的损耗 

2 

/ 

1 

2 

1 

2 

1 

⎟ 

⎟ 

⎠ 

⎞ 

⎜ 

⎜ 

⎝ 

⎛ 

+ 

= 

ε 

ε 

ε 

ε 

ω 

c 

k sp 

2 

' 

1 

" 

1 

2 

/ 

3 

2 

' 

1 

2 

' 

1 

" 

) 

( 

2 ε 

ε 

ε 

ε 

ε 

ε 

ω 

⎟ 

⎟ 

⎠ 

⎞ 

⎜ 

⎜ 

⎝ 

⎛ 

+ 

= c 

k sp 

2 

/ 

1 

2 

' 

1 

2 

' 

1 

' 

⎟ 

⎟ 

⎠ 

⎞ 

⎜ 

⎜ 

⎝ 

⎛ 

+ 

= 

ε 

ε 

ε 

ε 

ω 

c 

k sp 





表面等离子振荡的传播损耗



上下表面SP 场



上下表面SP 场耦合 

厚金属膜:SPP分别在上下表面传播 

0 

x 

z 

h 

ε3 

εm 

ε1 

金 

属 

膜 

减 

薄 

薄金属膜:上下表面SPP发生耦合 

对称模式反对称模式



金属薄膜中的SPP传播 

- 对称金属薄膜结构- 

ε 1 

h ε εm Au 

ε 1 

z 

ε 1 = 4.0 

x

对称金属薄膜结构 



Z(nm) 

h=15nm 

Hy 

- 对称模式 - 

H y 

Z(nm) 

h=70nm 

Hy 

H y



Z(nm) 

对称金属薄膜结构 

- 非对称模式 - 

h=15nm h=70nm 

Hy 

H y H y 

Z(nm) 

Hy



模式传播常数随膜厚变化 

β 的实部 

H 

= 

f(z)C 

× 

非对称模式 

对称模式 

金属膜厚 h 

e 

i(ω( −βx) 

y

模式传播常数随膜厚变化 



β 的虚部 (损耗) 

H 

= 

f(z)C 

× 



e 

i(ω( −βx) 

y 

对称模式



长程(Long-Range) SPP 

β 的虚部 (损耗) 

损耗可以急剧减小! 

两类耦合模式:• 对称模sb 

• 反对称模ab 



对称模式 

-长程表面等离子体波(LRSPP) 

-短程表面等离子体波



Long-Range SPP损耗特性 

Gold 

d 

d 

6-8dB/cm 

(约1.4mm for 1dB loss) 

BCB (n=1.535) 

BCB (n=1.535) 

Si-Substrate (n=3.47) 

t



表面等离子振荡的传播损耗




12μm 

12μm 

BCB (n= n 0 +Δn) 

BCB (n 0 =1.535) 

Au 


金属膜厚度不同,产生的SPP损耗对上下折射率 

不对称性的容差不同



Long-Range SPP波导



Long-Range SPP波导



Long-Range SPP波导传输损耗 

TM 00 TM 01 

TM 02 

TM 03



Long-Range SPP波导传输损耗



SPP的探测方法 

的探测方法 

LR-SPP LR 

实验观察输出光斑大小的变化



Long-Range SPP的器件应用 

Stripe Width W 

定向耦合器 

Interaction Length L 

Seperation D



Long-Range SP 定向耦合器 

Interaction Length (mm)



Long-Range SP 定向耦合器



入射光 

棱镜 

金属膜 

分析物 

在传感方面的应用 

SPP 在传感方面的应用 

光电探测器 

反 

射 

光 

强 

分析物 

折射率 

变化前后 

角度(波长)


SPP 在传感方面的应用 



生物分子相互作用分析(SCIENCE VOL 295 15 MARCH 2002)






12μm 

12μm 

BCB (n= n 0 +Δn) 

BCB (n 0 =1.535) 

Au 


金属膜厚度不同,产生的SPP损耗对上下折射率 

不对称性的容差不同



SPP在传感方面的应用 


LR-SPP LR 

Changed!



Long Range SPP传输损耗变化 

SPP 

Transmission transmission loss Loss 

10 1 

10 0 

10 -1 

10 -2 

10 -3 

10 -4 

10 -5 

refraction of the substrate=1.5 

1 1.5 

传输损耗变化 

可用来做折射率测试 

refraction of the superstrate 

Refraction of Superstrate 

2 

2.5



激励区敏感区检测区 

光纤 

可能的集成化 LRSPP 传感器结构 

被检测物 

衬底 

金属膜 

光纤 

衬底 

量子阱 

量子阱 

n型半导体材料电极金属膜 

优点:可集成化、较高灵敏度、大可探测范围、高可靠性、可多通道、低成本 

电极 

P型 

被检测物 

电极 

P型

周期金属表面SPP波 



波矢一样,频率(能量) 

不同,ω + 和ω- 之间的频率 

不能传播 

当周期等于1/2 SPP波长时, 

存在两个SPP的驻波解 

带隙



表面等离子体带隙材料 

−π/λ g 

ω 

Wavevector k x 

π/λ g 

Light lint 

SPP在平坦表面 

SPP在周期结构 

的表面




带隙




- 金属表面在两个方向上具有周期结构,则可在平 

面内形成全带隙 

- 在带隙内,SPP场的模式密度为零,即不存在SPP 

模式。在带端处出现带平缓段,这时SP的模式密度 

非常大,对应在金属表面场的增强。这种模式可以 

被很大角度范围的入射光所激励 

- SPP带隙的出现决定于周期、充满系数等。引入缺 

陷可以导引SP缺陷模式



表面等离子体带隙材料 

周期400nm 

45nm厚金膜



纳结构光电子学 

SPP 量子阱微腔近场光学光子晶体 

传感 

生物传感 

SPP-纳结构光子学新领域 

近场 

存储 

例如: 

SARS病毒检测 

生物分子相互作用 

药物筛选, 临床诊断 

细胞膜模拟 …… 

LED效 

率增强 

红外 

技术 

物理量探测 

非线性 

光学 

集成 

光路 

化学量探测 

优点: 

实时检测、无需标记、 

耗样最少、对被检测物 

无损害、探测方法简单



参考文献: 

“Nano-optics of surface plasmon polaritons” 

参考书: 

Physics Reports 408 (2005) 131-314 

Surface Plasmons 

- on Smooth and Rough Surface and on Gratings 

Heinz Raether ISBN 3-540-42850-4

表面等离子极元 - 中国科学院物理研究所

Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.

Template löschen?

Als Template speichern?