表面等离子体激元简介
一．表面等离子体激元
表面等离子体（Surface Plasmons）的出现提供了一种在纳米尺度下处理光
的方式。

表面等离子体通常可以分成两大类——局域表面等离子体共振
（Localized Surface Plasmon Resonance）和表面等离子体激元（Surface
Plasmon Polaritons）。

局域表面等离子体共振专指电磁波与尺寸远小于波长的
金属纳米粒子中的自由电子的相互耦合，这种等离子体只有集体共振行为，不能
传播，但可以向四周环境辐射电磁波。

局域表面等离子体共振可以通过光直接照
射产生。

表面等离子体激元指的是在金属和电介质分界面上传播的一种元激发
Excitations），这种元激发源自电磁波和金属表面自由电子集体共振的相互耦
合。

表面等离子体激元以指数衰减的形式束缚在垂直于传播的方向，由于它的传
播波矢要大于光在自由空间中的波矢，电磁波被束缚在金属和电介质的分界面而
不会向外辐射，也正是因为这种独特的波矢特性，表面等离子体激元的激发需要
满足一定的波矢匹配条件。

二．SPPs的激发和仿真方法
由于SPSs的波矢量大于光波的波矢量，或者说SPPs的动量与入射光子的
动量不匹配，所以不可能直接用光波激发出表面等离子体波。

为了激励表面等离
子体波，需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配，常用的结构有以下几种：（1）
棱镜耦合：棱镜耦合的方式包括两种，一种是Kretschmannt方式；另一种是Otto
方式。

（2）采用波导结构（3）采用衍射光栅耦合（4）采用强聚焦光束（5）采
用近场激发。

目前主要的仿真方法有以下三种
（1）时域有限差分法(finite difference time domain，FDTD)：FDTD方法是
把Maxwell方程式在时间和空间领域上进行差分模拟，利用蛙跳式(leaf flog
algorithm)空间领域内的电场和磁场进行交替计算，电磁场的变化通过时间领域
上更新来模仿。

优点是能够直接模拟场的分布，精度比较高，是目前使用较多的
数值模拟方法之一。

（2）严格耦合波法(rigorous coupled—wave analysis，RCWA)：该方法是分析
光栅的有利工具，它是基于严格的矢量maxwell方程来分析。

由于在很多的表面
等离子的结构中都会引入衍射光栅结构，所以RCWA 方法也被越来越多的学者用
来分析相关的问题，并且取得了不错的效果。

（3）限元法(finite element method,FEM)：该方法是从变分原理出发，将定义
域进行有限分割，离散成有限个单元集合。

通过区域剖分和分偏差值，把二次泛
函的极值问题化为普通多元二次函数的极值问题，后者等价于一组多元线性代数
方程的求解。

该方法分析的是一种近似结果，不过很多的问题能近似模拟，目前
应用也比较广泛。

三．SPPs的若干应用
1. SPPs波导
SPPs波导是实现纳米光子回路的基础，在此基础上人们可以进一步研制集成
于金属表面的各种SPPs器件，从而构筑等离子体光子芯片。

在这方面，武汉大
学汪国平教授领导的研究小组的研究成果较为突出，并著有相关著作。

在表面等
离子带隙结构中引入线缺陷即可引导SPPs的传播，通过设计缺陷的形状可以实
现SPPs的直线波导、弯曲波导以及分束波导等。

.
2SPPs耦合器
等离子体光子芯片具有输出输入端口，这些端口通
过SPPs耦合器，可以避
免将远场光直接耦合到SPPs芯片中的纳米光电子器件上。

一个优选的方案是将
半球形状的金属纳米颗粒与基于纳米点的SPPs波导整合一起。

当聚焦的SPPs
馈送进耦合器中，传播距离可达 4.0m。

纳米点也能够用于聚焦SPPs，形成高
近场强度和亚波长宽度的光斑。

3.SPPs新型光源
SPPs引发的电磁场，不仅能够限制光波在亚波长尺寸结构中的传播，而且
能够产生和操控从光频到微波波段的电磁辐射。

在有源光学材料附近附着金属结
构，在金属结构表面诱导产生SPPs，使得有源光学材料周同的光子态密度发生
显著变化，从而改变有源光学材料的自发辐射寿命，减弱非辐射过程对于其发光
过程的影响，进而提高发光效率。

利用SPPs能够改善激光器的性能。

例如，在
SEMS型硅基激光器中引入表面刻有光栅结构的金薄膜结构，选择特定的铒离子
极化方向，受到外部光激发的铒离子能够有效诱导产生表面等离子体激元，研究
结果表明：多层掺铒硅单层的平均自发辐射寿命缩短了，相应的SEMS型硅基激
-1
光器在 1.54mm波长处的增益系数提高了24%(原增益系数为30cm)。

4. SPPs纳米光刻技术
2005年，美国加州大学伯克利分校的Zhang等利用基于表面等离子体原理进
行纳米光刻的实验旧，在365 nm波长照明光作用下实现了超衍射分辨力光刻，
对单线条的分辨力达到40 nm，对光栅线条的分辨力可达60 nm。

在该光刻实验
结构中，掩模版、间隔层、薄Ag板和光刻胶做成一个整体，薄Ag板通过电子束
蒸发淀积而成，间隔层则是通过多次刻蚀达到要求的厚度，这一实验的报道，极
大地推动了SPPs在光刻技术中应用的研究。

5. SPR传感器
利用表面等离子体共振现象研制光化学传感器已引起人们的极大兴趣，正成
为传感器领域的研究前沿。

光纤SPR传感器在传感机理上主要有两类：一是利用
倏逝场效应，通过腐蚀或研磨掉包层后在纤芯表面镀金属膜，或在锥形光纤表面
镀金属膜；二是在纤芯内写入长周期光栅，将芯内的模式在某一特定波长转化成
包层高阶模，使高阶模与等离子体实现相位匹配。

表面等离子体共振技术以其高
灵敏度和快速的无标记检测的优点，根据其原理研制的表面等离子体传感器，在
检测、分析生物分子间的相互作用等方面有广泛的应用前景。

目前，表面等离子
体共振技术已经运用在免疫检测、药物代谢及蛋白质动力学等生命科学研究中。