表面电浆( 二 )


表面电浆

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表面电浆

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波导结构利用波导边界处的消逝波激发表面电浆波 , 使波导中的光场能量耦合到表面电浆波中 。如图所示 , 波导两侧光波是消逝波 , 当在波导的某个位置镀上金属 , 这样当光波通过这个区域的时候就能够激发出表面电浆波 。在实际的研究中 , 常採用光纤做波导 , 剥去光纤某段的包层 , 再镀上金属 , 这样就实现了一种最简单的波导激发表面电浆波的结构 。其中光纤做波导有终端反射式和线上传输式主要两种 , 以及基于此两种激髮结构的光纤SPR感测器 。如图
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光栅耦合利用光栅引入一个额外的波矢量的增量实现波矢量的匹配 。常用的光栅主要是一维光栅 , 二维光栅以及孔阵列结构和颗粒阵列 , 图中是一维的光栅结构 。由于光栅结构的材料参数与几何参数等都可以自己选定 , 可供研究的内容很丰富 。这种结构一方面能够激发表面电浆波 , 另一方面二维光栅结构中能够引入能带 , 从而使得表面波的特性受到能带的影响 , 使得器件的参数更加可控 。
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强聚焦光束利用高数值孔径的显微目镜直接接触到介质层 , 在介质层与目镜之间涂上匹配油层 , 高数值孔径能够提供足够大的入射角 , 能够实现波矢量匹配 , 从而激发出表面电浆波 。近场激发用一个尺寸小于波长的探针尖在近场範围内去照射金属表面 , 由于探针尖尺寸很小 , 从探针尖出来的光会包含波矢量大于表面电浆波矢量的分量 , 这样就能够实现波矢量的匹配 。如图
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远场激发对于金属纳米颗粒 , 表面电浆波将被局域在金属纳米颗粒的边界附近 , 形成局域化的表面电浆振荡(localized surface plasmon resonance). 空间局域化后 , 由于不确定原理得知 , 波矢匹配的条件很容易满足 (空间不确定度很小 , 波矢不确定度很大 , 表面电浆的色散关係曲线近似于平行x轴的直线) , 局域化的表面电浆振荡因而可以很容易被远场辐射过来的光波激发 。这种局域化的表面电浆振荡的能量可以从金属纳米颗粒的吸收/散射光谱上的共振峰位置读出来 。研究方法用来研究的表面电浆效应的数值方法主要有以下几种:
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1.时域有限差分方法(Finite Difference Time Domain  , 简称FDTD) 。FDTD方法是把 Maxwell方程式在时间和空间领域上进行差分化 。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 , 通过时间领域上更新来模仿电磁场的变化 , 达到数值计算的目的 。用该方法分析问题的时候要考虑研究对象的几何参数 , 材料参数 , 计算精度 , 计算複杂度 , 计算稳定性等多方面的问题 。其优点是能够直接模拟场的分布 , 精度比较高 , 在成功地商业软体开发出来之后 , FDTD是使用得比较多的数值模拟的方法之一 。2.严格耦合波方法(rigorous coupled-wave analysis  , 简称RCWA) 。该方法是分析光栅的有利工具 , 它是基于严格的矢量maxwell方程来分析的 。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.有限元方法(Finite Element Method , 简称FEM) 。该方法也是一种数值模拟方法 , 它採用简单的问题来近似複杂的问题 , 在有限元内取近似解逼近精确解 。该方法分析的是一种近似结果 , 但是能解决很多的问题 , 在科学研究中的套用也比较广泛 。这方面的分析还有其他一些特殊的方法 , 主要是针对不同的结构 , 不同的材料二提出 , 在此就不一一列出 。由于表面电浆器件的尺寸一般都处在亚波长量级 , 所以製作表面电浆器件採用的基本是微纳加工的技术 。主要技术如下:1.电子束曝光技术:这一步是实现小尺寸器件製作的一个关键和核心的步骤 , 也可以採取全息等手段 , 但是效果不如电子束 。但是电子束曝光不能製作大面积的器件 , 这是它的一个弱点 。2.金属剥离技术:製作金属光栅结构的核心步骤之一 。在电子束曝光之后形成的图形上 , 採用金属剥离的技术能够製作出效果很好的金属微纳结构 。这一技术相对比较成熟 。3 。乾法刻蚀技术:製作金属微纳孔结构可以採用该方法 。乾法刻蚀是利用等离子原理有选择地从晶片表面去除不需要的材料的过程 。乾法刻蚀主要包括等离子增强反应离子刻蚀、电子迴旋共振刻蚀(ECR)、感应耦合电浆刻蚀(ICP)等蚀刻技术 。还有其他的一些特殊工艺套用在整个实验与製作的过程中 , 像电子束蒸发 , 离子溅射等技术 。技术套用1.表面电浆波是在两种界面附近存在的波 , 界面两侧的折射率分布对场分布有很大的影响 , 利用这一点能够进行感测 。利用Kretschmann结构进行生物感测的技术已经比较成熟 , 这种感测技术结构简单 , 灵敏度高 , 检测过程中无需标记物 , 可实时监测样品结合过程 , 感测晶片可重複利用 , 回响速度快等诸多特点 。该技术可用于气体、 液体和有机薄膜等分析 , 主要用于生命科学和化学领域 。市场上主要产品有瑞典Biocore AB公司生产的Biocore 3000等 。2.表面电浆波具有局域分布的特性 , 而且其分布深度可小于波长量级 , 突破衍射极限 , 使得表面电浆波能够套用于製作亚波长量级的光电子器件的生产 , 有利用光电子集成器件的製作 。例如:可以製作亚波长量级的波导 , 亚波长量级的布拉克反射镜,亚波长量级的透镜等 。由于能够突破极限 , 所以能够套用表面电浆效应来做近场显微镜 , 做曝光等等 。3.表面电浆波在太阳能电池和LED等新型能源相关器件方面的套用 。利用表面电浆效应可以提高太阳能电池的光电转换效率 , 同样也可以在LED上套用表面电浆效应提高其出光效率 。如果能研製出商业化的产品 , 那幺对于解决人类的能源问题 , 表面电浆波也能贡献自己的一份力量 。