表面等離子體光子學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用

陳元安,李 芳

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 商丘 476000)

表面等離子體光子學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用

陳元安,李 芳

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 商丘 476000)

表面等離子體光子學(xué)(Plamonics)因具有高度學(xué)術(shù)價值及廣泛應(yīng)用潛能，近年來已成為納米光學(xué)(Nanophotonics)主要的研究領(lǐng)域.本文從表面等離子體光子學(xué)的歷史出發(fā)，探索電磁波與次波長(Subwavelength)金屬結(jié)構(gòu)間交互作用而產(chǎn)生的奇異光學(xué)特性，并就部分應(yīng)用進行概述.

等離子體; 光子學(xué); 超穎物質(zhì); 生物檢測

1 表面等離子體光子學(xué)的發(fā)展

表面等離子體光子學(xué)的提出始于20世紀(jì)[1]61-63，由等離子體基元(Plasmon)研究而來，為一種存在于金屬內(nèi)部的自由電子受到外加電磁場作用后做集體振蕩的行為.一般情況下，這種行為可用等離子體模型來描述.由于等離子體的作用與外加極化方向有關(guān)，因此其若與具有極化方向的電磁波耦合，則形成等離子體基元(Plasmon Polariton).此外，金屬電子密度極高，可見光頻段附近以上的電磁波因屏蔽效應(yīng)(Shielding Effect)而無法穿透，形成被局限在表面以縱波形式傳播的非輻射性表面波，因此亦稱其為表面等離子體(Surface Plasmon).圖1為入射光穿透金屬狹縫后激發(fā)表面等離子體共振的示意圖.在金屬表面的電子因為振蕩而具有疏密分布，且向外傳播.

圖1 入射光穿透金屬狹縫后激發(fā)表面等離子體共振的示意圖

表面等離子體的研究最早可追溯至上世紀(jì)，自Wood[2]13-14發(fā)現(xiàn)電磁波在刻有光柵(Grating) 的金屬表面上會產(chǎn)生異常的反射光譜后，F(xiàn)ano[3]101首次提出此現(xiàn)象與沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾姶挪ü舱裼忻芮械年P(guān)系.Hessel和Oliner[4]43也提出相同的觀點.約在此同時， Ritchie[5]40發(fā)現(xiàn)當(dāng)高能電子通過金屬薄膜時有額外的能量損失，認(rèn)為其與金屬薄膜的界面有關(guān)，其后又結(jié)合了可見光頻段光柵繞射現(xiàn)象提出了表面等離子體的概念[6]22，同年Kretschmann[7]6及Otto[8]50-51等人借由棱鏡耦合的方式成功地激發(fā)了此種非輻射性的表面波.至此，關(guān)于表面等離子體現(xiàn)象的描述已逐漸建立.后續(xù)一連串的研究又發(fā)現(xiàn)[9]11-13刻有納米結(jié)構(gòu)的金屬薄膜，例如周期性的孔洞陣列(Hole Array) 或凹槽(Grooves) ,會使電磁波的穿透特性產(chǎn)生明顯的改變，讓原本不透光的金屬薄膜，在特定波長范圍內(nèi)有很高的穿透率，一般認(rèn)為造成這種特殊現(xiàn)象的原因是和入射電磁波與金屬表面等離子體的耦合共振相關(guān)聯(lián)的.

若以微觀的尺度看，當(dāng)金屬結(jié)構(gòu)尺度縮小至比入射光的波長更為微小之時，我們稱其具有次波長結(jié)構(gòu)，此時其上的電子與外加電磁場(波)間具有集體強烈交互作用，將使得物質(zhì)產(chǎn)生新穎的光學(xué)特性，可與原組成物質(zhì)大不相同，此特性即所謂的表面等離子共振效應(yīng).歷史上著名的例子為Lycurgus 杯(一種西元4世紀(jì)時羅馬人使用的高腳杯，見圖2)及大量用于裝飾西方教堂墻面的彩色玻璃.古代工匠盡管不知道原因為何，卻已經(jīng)知道在制作玻璃藝術(shù)品時摻入微小的金屬顆粒會使其產(chǎn)生色彩上的變化.事實上，由于表面等離子效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，我們才知道其原因是存于其中的金屬顆粒能與特定波長的可見光產(chǎn)生耦合共振，進而散射出來的結(jié)果，其共振頻率取決于顆粒大小、金屬性質(zhì)及周圍物質(zhì).

圖2 不同光源下的Lycurgus杯效果圖.注：在一般光照下，呈現(xiàn)綠色(左圖)，但若將光源置于杯中，則呈現(xiàn)紅色(右圖)

表面等離子體共振效應(yīng)一向為研究學(xué)者感興趣的題目，其產(chǎn)生的奇異光學(xué)特性具有高度的學(xué)術(shù)研究價值，帶動了超穎材料及次波長動力學(xué)方面的研究，并影響納米科技及光子學(xué)等其他基礎(chǔ)領(lǐng)域的發(fā)展，同時具有廣泛的應(yīng)用潛力.依據(jù)該效應(yīng)而形成的表面等離子體光子學(xué)更顯示其已成為物理、化學(xué)、材料及生物等不同領(lǐng)域的科學(xué)家逐漸重視的研究課題.近年來，由于納米科技的發(fā)展，使得研究者可以制作出具特殊納米結(jié)構(gòu)的材料，更促進了這方面各種新現(xiàn)象與特性的研究，如光學(xué)元件、光儲存系統(tǒng)、光感應(yīng)器、太陽能電池及等離子電腦.

2 應(yīng)用

2.1 表面等離子體電路

表面等離子由于具有和光波類似的頻寬，但不受衍射極限所限制的特性，因此近年來已有許多研究著重在表面等離子體共振效應(yīng)如何應(yīng)用于光子網(wǎng)絡(luò)上.目前的研究發(fā)展可分為3類：①表面等離子增強型獨立元件，如濾波器與感應(yīng)器；②可控制表面等離子元件，如波導(dǎo)；③完整的表面等離子電路.現(xiàn)今研究工作著重在第1類及第2類上，而第3類為此應(yīng)用的終極夢想.圖3為Ebbesen等人[10]78-79提出利用光束控制表面等離子電路的概念.圖中A與B箭頭分別代表入射至電路的光束，目的是在該電路上產(chǎn)生及控制其上的表面等離子體傳播，最后轉(zhuǎn)換為另一道光束(C箭頭)射出，而該電路的功能則可根據(jù)需要而設(shè)計，舉例來說，可以設(shè)計成具有與鄰近電路同步的功能.

為實現(xiàn)真正的表面等離子體電路，我們將需要類似電子電路中的各種元件.舉例來說，圖4為Atwater提出類似于三極電晶體性質(zhì)的低功率表面等離子體開關(guān)元件(Plasmonic Switch)[11]61-63.其操作原理，簡單來說就是使用相對尺寸較大的介質(zhì)波傳送光學(xué)信號至一組表面等離子體開關(guān)陣列中，再依次將信號送至電晶體.

圖3 表面等離子體電路示意圖

圖4 表面等離子體開關(guān)元件

在電子電路中，傳送電子信號的媒介是電線，而在表面等離子體電路中，傳送表面等離子體信號的方式為波導(dǎo).圖5(a) 為表面等離子體波導(dǎo)其中一范例，使用金屬性溝槽可使得表面等離子體在其中傳播，稱為通道型表面等離子體極化(Channel Plasmon Polaritons)，而在兩者間有一環(huán)形結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可與通道內(nèi)的表面等離子體耦合，并且具有濾波器的特性.圖5(b)和(c)可看出其引導(dǎo)不同波長的光束至不同方向，其波長差只有40nm，濾波效果顯著.

圖5 (a)兩條金屬性溝槽作為表面等離子體傳播的波導(dǎo)，其中環(huán)狀結(jié)構(gòu)，耦合表面等離子體；(b)真空波長1 450 nm的表面等離子體傳播方向；(c)真空波長為1 485 nm的表面等離子體傳播方向.

2.2 生物檢測

表面等離子體共振效應(yīng)已被廣泛應(yīng)用于生物檢測上，其中部分研究著重在測量共振條件的改變以偵測待測物質(zhì)是否存在.其原理為存在于激發(fā)介電質(zhì)、金屬表面等離子體的條件與介電質(zhì)及金屬的組成有關(guān)，當(dāng)環(huán)境中有其他物質(zhì)存在于該介電質(zhì)時，則等效介電常數(shù)，即共振條件將被改變.以目前的技術(shù)而言，最小可偵測到折射的改變量約為3×10-7[12]77-79.

目前已商業(yè)化的表面等離子生物檢測技術(shù)主要是利用介電常數(shù)較高的物質(zhì)產(chǎn)生內(nèi)部全反射消散場作為激發(fā)源的方式來激發(fā)表面等離子體共振.當(dāng)介質(zhì)改變時，則產(chǎn)生全反射而激發(fā)表面等離子體共振的角度也發(fā)生改變.我們便可由該角度的變化量得知待測物質(zhì)是否存在.

另一種方法為利用表面等離子體共振以產(chǎn)生靈敏相位差.如圖6所示[13]7-8.此方法基于干涉儀加入表面等離子效應(yīng)加以改良而成.當(dāng)待測物質(zhì)附著在金屬層時，產(chǎn)生的表面等離子基元共振將影響在波導(dǎo)層傳播的導(dǎo)波，通過測量此導(dǎo)波的相位差即可知待測物質(zhì)是否存在.

圖6 感測結(jié)構(gòu)示意圖

表面等離子體也可以應(yīng)用于表面增強式拉曼散射光譜.當(dāng)分子被吸附在一片粗糙金屬表面時，我們可觀察到拉曼信號可增強5～6個數(shù)量級.其增強的原因是粗糙的金屬表面可產(chǎn)生沿著界面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子基元效應(yīng)，當(dāng)傳播至另一不平處，一部分能量將轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪ǘ鴤鞑ブ吝h場，最后被偵測器接收.由于分子被吸附于金屬表面，其共振頻率將發(fā)生改變，而不同分子將具有不同的共振頻率，因此我們可借助偵測到的光譜得知不同分子的存在.

圖7為產(chǎn)生拉曼信號的物理機制.

圖7 表面增強式拉曼散射光譜

2.3 超穎物質(zhì)

超穎物質(zhì)是一種具有人造次波長結(jié)構(gòu)的特殊材料.人們設(shè)計此種物質(zhì)的目的是得到與電磁波交互作用后產(chǎn)生的特定光學(xué)特性.其中最具代表性的例子為隱形斗篷.根據(jù)轉(zhuǎn)換光學(xué)理論，光可繞過介電常數(shù)(ε)及導(dǎo)磁率(μ)為零的球殼狀物質(zhì)而使其內(nèi)部物質(zhì)不與光波作用，便如同隱形一般. 如圖8所示，當(dāng)太空船被隱形材料包圍住時，后方星團的光將沿著該材料表面?zhèn)鞑?，因此前方探測器無法得知該太空船的存在.超穎物質(zhì)使用的是具有負(fù)折射系數(shù)的表面等離子體物質(zhì)及正折射系數(shù)的介電質(zhì)材料，兩者若設(shè)計得當(dāng)，可使等效介電常數(shù)接近于0，為目前最有可能實現(xiàn)隱形斗篷方法之一.然而大部分研究只能在單頻光下實現(xiàn)，與人眼可偵測到的可見光頻段仍有段距離.目前已有部分研究提出在多個頻率或?qū)拵ьl下設(shè)計該超穎材料的方法[14]31-33.

圖8 隱形材料應(yīng)用于太空船之示意圖

3 結(jié)語

表面等離子體光子學(xué)由于其具有廣闊的應(yīng)用前景，目前是國際上的研究熱點.盡管針對各個應(yīng)用方向的不同，工作條件與體積要求也不盡相同，但是總體上必然會朝著更加小型化的方向前進.在此基礎(chǔ)上，如何做到盡量減小金屬的損耗，實現(xiàn)室溫工作，實現(xiàn)光子與電子技術(shù)在納米尺度上的協(xié)同工作等問題將是納米激光器進一步的研究重點.

[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).

[責(zé)任編輯 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

陳元安(1973- )，男，河南商丘人，商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要從事化學(xué)應(yīng)用方面的研究。

1671-8127(2015)02-0035-04

O539

A