表面等离子体光子学的发展与应用

陈元安,李 芳

(商丘职业技术学院，河南 商丘 476000)

表面等离子体光子学的发展与应用

陈元安,李 芳

(商丘职业技术学院，河南 商丘 476000)

表面等离子体光子学(Plamonics)因具有高度学术价值及广泛应用潜能，近年来已成为纳米光学(Nanophotonics)主要的研究领域.本文从表面等离子体光子学的历史出发，探索电磁波与次波长(Subwavelength)金属结构间交互作用而产生的奇异光学特性，并就部分应用进行概述.

等离子体; 光子学; 超颖物质; 生物检测

1 表面等离子体光子学的发展

表面等离子体光子学的提出始于20世纪[1]61-63，由等离子体基元(Plasmon)研究而来，为一种存在于金属内部的自由电子受到外加电磁场作用后做集体振荡的行为.一般情况下，这种行为可用等离子体模型来描述.由于等离子体的作用与外加极化方向有关，因此其若与具有极化方向的电磁波耦合，则形成等离子体基元(Plasmon Polariton).此外，金属电子密度极高，可见光频段附近以上的电磁波因屏蔽效应(Shielding Effect)而无法穿透，形成被局限在表面以纵波形式传播的非辐射性表面波，因此亦称其为表面等离子体(Surface Plasmon).图1为入射光穿透金属狭缝后激发表面等离子体共振的示意图.在金属表面的电子因为振荡而具有疏密分布，且向外传播.

图1 入射光穿透金属狭缝后激发表面等离子体共振的示意图

表面等离子体的研究最早可追溯至上世纪，自Wood[2]13-14发现电磁波在刻有光栅(Grating) 的金属表面上会产生异常的反射光谱后，Fano[3]101首次提出此现象与沿着金属表面传播的电磁波共振有密切的关系.Hessel和Oliner[4]43也提出相同的观点.约在此同时， Ritchie[5]40发现当高能电子通过金属薄膜时有额外的能量损失，认为其与金属薄膜的界面有关，其后又结合了可见光频段光栅绕射现象提出了表面等离子体的概念[6]22，同年Kretschmann[7]6及Otto[8]50-51等人借由棱镜耦合的方式成功地激发了此种非辐射性的表面波.至此，关于表面等离子体现象的描述已逐渐建立.后续一连串的研究又发现[9]11-13刻有纳米结构的金属薄膜，例如周期性的孔洞阵列(Hole Array) 或凹槽(Grooves) ,会使电磁波的穿透特性产生明显的改变，让原本不透光的金属薄膜，在特定波长范围内有很高的穿透率，一般认为造成这种特殊现象的原因是和入射电磁波与金属表面等离子体的耦合共振相关联的.

若以微观的尺度看，当金属结构尺度缩小至比入射光的波长更为微小之时，我们称其具有次波长结构，此时其上的电子与外加电磁场(波)间具有集体强烈交互作用，将使得物质产生新颖的光学特性，可与原组成物质大不相同，此特性即所谓的表面等离子共振效应.历史上著名的例子为Lycurgus 杯(一种西元4世纪时罗马人使用的高脚杯，见图2)及大量用于装饰西方教堂墙面的彩色玻璃.古代工匠尽管不知道原因为何，却已经知道在制作玻璃艺术品时掺入微小的金属颗粒会使其产生色彩上的变化.事实上，由于表面等离子效应的发现，我们才知道其原因是存于其中的金属颗粒能与特定波长的可见光产生耦合共振，进而散射出来的结果，其共振频率取决于颗粒大小、金属性质及周围物质.

图2 不同光源下的Lycurgus杯效果图.注：在一般光照下，呈现绿色(左图)，但若将光源置于杯中，则呈现红色(右图)

表面等离子体共振效应一向为研究学者感兴趣的题目，其产生的奇异光学特性具有高度的学术研究价值，带动了超颖材料及次波长动力学方面的研究，并影响纳米科技及光子学等其他基础领域的发展，同时具有广泛的应用潜力.依据该效应而形成的表面等离子体光子学更显示其已成为物理、化学、材料及生物等不同领域的科学家逐渐重视的研究课题.近年来，由于纳米科技的发展，使得研究者可以制作出具特殊纳米结构的材料，更促进了这方面各种新现象与特性的研究，如光学元件、光储存系统、光感应器、太阳能电池及等离子电脑.

2 应用

2.1 表面等离子体电路

表面等离子由于具有和光波类似的频宽，但不受衍射极限所限制的特性，因此近年来已有许多研究着重在表面等离子体共振效应如何应用于光子网络上.目前的研究发展可分为3类：①表面等离子增强型独立元件，如滤波器与感应器；②可控制表面等离子元件，如波导；③完整的表面等离子电路.现今研究工作着重在第1类及第2类上，而第3类为此应用的终极梦想.图3为Ebbesen等人[10]78-79提出利用光束控制表面等离子电路的概念.图中A与B箭头分别代表入射至电路的光束，目的是在该电路上产生及控制其上的表面等离子体传播，最后转换为另一道光束(C箭头)射出，而该电路的功能则可根据需要而设计，举例来说，可以设计成具有与邻近电路同步的功能.

为实现真正的表面等离子体电路，我们将需要类似电子电路中的各种元件.举例来说，图4为Atwater提出类似于三极电晶体性质的低功率表面等离子体开关元件(Plasmonic Switch)[11]61-63.其操作原理，简单来说就是使用相对尺寸较大的介质波传送光学信号至一组表面等离子体开关阵列中，再依次将信号送至电晶体.

图3 表面等离子体电路示意图

图4 表面等离子体开关元件

在电子电路中，传送电子信号的媒介是电线，而在表面等离子体电路中，传送表面等离子体信号的方式为波导.图5(a) 为表面等离子体波导其中一范例，使用金属性沟槽可使得表面等离子体在其中传播，称为通道型表面等离子体极化(Channel Plasmon Polaritons)，而在两者间有一环形结构，此结构可与通道内的表面等离子体耦合，并且具有滤波器的特性.图5(b)和(c)可看出其引导不同波长的光束至不同方向，其波长差只有40nm，滤波效果显著.

图5 (a)两条金属性沟槽作为表面等离子体传播的波导，其中环状结构，耦合表面等离子体；(b)真空波长1 450 nm的表面等离子体传播方向；(c)真空波长为1 485 nm的表面等离子体传播方向.

2.2 生物检测

表面等离子体共振效应已被广泛应用于生物检测上，其中部分研究着重在测量共振条件的改变以侦测待测物质是否存在.其原理为存在于激发介电质、金属表面等离子体的条件与介电质及金属的组成有关，当环境中有其他物质存在于该介电质时，则等效介电常数，即共振条件将被改变.以目前的技术而言，最小可侦测到折射的改变量约为3×10-7[12]77-79.

目前已商业化的表面等离子生物检测技术主要是利用介电常数较高的物质产生内部全反射消散场作为激发源的方式来激发表面等离子体共振.当介质改变时，则产生全反射而激发表面等离子体共振的角度也发生改变.我们便可由该角度的变化量得知待测物质是否存在.

另一种方法为利用表面等离子体共振以产生灵敏相位差.如图6所示[13]7-8.此方法基于干涉仪加入表面等离子效应加以改良而成.当待测物质附着在金属层时，产生的表面等离子基元共振将影响在波导层传播的导波，通过测量此导波的相位差即可知待测物质是否存在.

图6 感测结构示意图

表面等离子体也可以应用于表面增强式拉曼散射光谱.当分子被吸附在一片粗糙金属表面时，我们可观察到拉曼信号可增强5～6个数量级.其增强的原因是粗糙的金属表面可产生沿着界面传播的表面等离子基元效应，当传播至另一不平处，一部分能量将转变为电磁波而传播至远场，最后被侦测器接收.由于分子被吸附于金属表面，其共振频率将发生改变，而不同分子将具有不同的共振频率，因此我们可借助侦测到的光谱得知不同分子的存在.

图7为产生拉曼信号的物理机制.

图7 表面增强式拉曼散射光谱

2.3 超颖物质

超颖物质是一种具有人造次波长结构的特殊材料.人们设计此种物质的目的是得到与电磁波交互作用后产生的特定光学特性.其中最具代表性的例子为隐形斗篷.根据转换光学理论，光可绕过介电常数(ε)及导磁率(μ)为零的球壳状物质而使其内部物质不与光波作用，便如同隐形一般. 如图8所示，当太空船被隐形材料包围住时，后方星团的光将沿着该材料表面传播，因此前方探测器无法得知该太空船的存在.超颖物质使用的是具有负折射系数的表面等离子体物质及正折射系数的介电质材料，两者若设计得当，可使等效介电常数接近于0，为目前最有可能实现隐形斗篷方法之一.然而大部分研究只能在单频光下实现，与人眼可侦测到的可见光频段仍有段距离.目前已有部分研究提出在多个频率或宽带频下设计该超颖材料的方法[14]31-33.

图8 隐形材料应用于太空船之示意图

3 结语

表面等离子体光子学由于其具有广阔的应用前景，目前是国际上的研究热点.尽管针对各个应用方向的不同，工作条件与体积要求也不尽相同，但是总体上必然会朝着更加小型化的方向前进.在此基础上，如何做到尽量减小金属的损耗，实现室温工作，实现光子与电子技术在纳米尺度上的协同工作等问题将是纳米激光器进一步的研究重点.

[1] H. A. Atwater, Sci. Am. 296, 56 (2007).

[2] R. W Wood, Philos. Mag. 4, 396 (1902).

[3] U. Fano, J. Opt. Soc. Am. 31, 213 (1941).

[4] A. Hessel and A. A. Oliner, Appl. Opt. 4, 1275 (1965).

[5] R. H. Ritchie, Phys. Rev. 106, 874 (195 7).

[6] R. H. R.Jtchie, E. T. Arakawa, J. 1. Cowan, and R. N. Hamm, Phys. Rev. Lett. 21, 1530(1968).

[7] E .Kretschman and H. Raether, Z. Naturforschung A 23, 2135 (1968).

[8] A. Otto, Z. Physik 216, 410 (1968).

[9] T. W. Ebbesen, H. J. Lezec, H. F. Gbaemi, T. Thio, and P. A. Wolff, Nature 391 , 667. (1998).

[10] W. C. Tan, T. W. Preist, J. R. Sambles, and N. P. Wanstall, Phys. Rev. B 59, 12661 (1998).

[11] J. A. Porto, F. J. Garcia-Vidal, and J. B. Pendry, Phys. Rev. Lett. 83, 2845 (1999).

[12] L. Martin-Moreno, F. J. Garcia-Vida, H. J. Lezec, K. M. Pel1erin, T. Thio, J. B. Pendry, amd T. W. Ebbesen, Phys. Rev. Lett. 86. 1114 (2001).

[13] F. J Garcia-Vidal, L. Martin-Moreno, T. W. Ebbesen and L. Kuipers, “Light passing through subwavelength apertures”, Rev. Mod. Phys. 82, 729 (2010).

[14] T. W. Ebbsen, C. Genet, and S. I. Bozhevo1nyi, Physics Today 61, 44 (2008).

[责任编辑 迎客松]

Development and Applications of Plasmonics

CHEN Yuanan, YANG Fang

(ShangqiuVocational&TechnologyCollege,Shangqiu476000,China)

Plamonics has become the main research field of nanophotonics in recent years because of its high academic value and wide application potential. This paper studies the history of plamonics, probes into the optical properties of the interaction between electromagnetic wave and subwavelength, and summarizes its application.

plamonics; photonics; ultrafiltration; biological detection

2015-01-26

陈元安(1973- )，男，河南商丘人，商丘职业技术学院讲师，主要从事化学应用方面的研究。

1671-8127(2015)02-0035-04

O539

A