表面等離子體激元
關注創建者：琳泓comsol 創建時間：2019-09-03
表面等離子體激元的實例教程
這些表面等離子體激元(SPPs)在金屬電介質界面具有電場強度極值，由于其對任意接近該表面的改變極其敏感通常可用于傳感應用。利用合適的模式解算器可以得到具有2D結構的導模。
等離子體平均功率流圖
1.應用
?亞波長光學
?傳感
?信號傳輸
?光學偏振器
?彎曲波導
2.優勢
?VFEM模式求解器可輕松處理高橫縱比的波導
?搜索具有復值模式指數的模態
?高階插值混合向量/節點元素,可以準確地捕捉到金屬與電介質交界面附近的高電場強度
?三角網格尺寸能夠適應高精度材料屬性
?利用波導的對稱性，可以降低仿真域并把具有特定對稱性的模態作為目標
?VFEM快速而且精確
3.仿真描述
矢量有限元法（VFEM）模式求解器接收復介電常數材料，并使用特別適合對高對比度介電界面進行建模的矢量基函數來表示。其中一個很好的例子就是使用VFEM模式求解器來計算表面等離子傳導結構。
該結構在研究中背面顯示為黑色輪廓線，中心范圍的銀由介電常數為4的材料圍繞。材料銀在633nm波長的介電常數是-19-j0.53[1]。該傳導結構不僅僅有高介電常數對比度組成，同時具有較高的橫縱比，即寬度遠大于厚度。
利用對稱邊界和如[1]中分類的模式組合，相應波導厚度模式的色散曲線如圖1所示。所有模式具有一個主Ey分量，該分量有TM模組成并具有無限寬度結構。
圖1 模態指數作為銀厚度的函數
對于厚度值較小的一些模式表現出較小的損耗，如SS0模式，其Ey分量關于x和y軸對稱。SS0模式備受關注，因為除了其較低的損耗，其坡印廷矢量與一個光纖(HE11)的基模在形狀上極為相似[1]。
SS0模式的坡印廷矢量沿軸傳輸顯示在背面；注意的是，功率在交界面的限制遠大于中心。
展開 這些表面等離子體激元(SPPs)在金屬電介質界面具有電場強度極值，由于其對任意接近該表面的改變極其敏感通常可用于傳感應用。利用合適的模式解算器可以得到具有2D結構的導模。
等離子體平均功率流圖
1. 應用
?
亞波長光學
?
傳感
?
信號傳輸
?
光學偏振器
?
彎曲波導
2. 優勢
?
VFEM模式求解器可輕松處理高橫縱比的波導
?
搜索具有復值模式指數的模態
?
高階插值混合向量/節點元素,可以準確地捕捉到金屬與電介質交界面附近的高電場強度
?
三角網格尺寸能夠適應高精度材料屬性
?
利用波導的對稱性，可以降低仿真域并把具有特定對稱性的模態作為目標
?
VFEM快速而且精確
3. 仿真描述
矢量有限元法（VFEM）模式求解器接收復介電常數材料，并使用特別適合對高對比度介電界面進行建模的矢量基函數來表示。其中一個很好的例子就是使用VFEM模式求解器來計算表面等離子傳導結構。
該結構在研究中背面顯示為黑色輪廓線，中心范圍的銀由介電常數為4的材料圍繞。材料銀在633nm波長的介電常數是-19-j0.53[1]。該傳導結構不僅僅有高介電常數對比度組成，同時具有較高的橫縱比，即寬度遠大于厚度。
利用對稱邊界和如[1]中分類的模式組合，相應波導厚度模式的色散曲線如圖1所示。所有模式具有一個主Ey分量，該分量有TM模組成并具有無限寬度結構。
展開 常見的表面等離子體光波導類型包括金屬-絕緣體-金屬（MIM）、絕緣體-金屬-絕緣體（IMI）、通道等離子體激元（CPP）和間隙等離子體激元（GPP）波導。
什么是表面等離子體光子學超材料？
超材料（metamaterial）是一種呈現出天然材料所不具備的超常物理性質的復合材料。超材料的特性源于其獨特的尺寸、形狀、幾何結構和方向，使其能夠以新的有利方式彎曲、阻止、吸收或增強電磁波。超材料以重復模式排列，大小尺度小于其作用的波長。
在表面等離子體光子學超材料中，表面等離子體為這些材料賦予了獨特的屬性。在某些條件下，入射光與表面等離子體在金屬-電介質界面處耦合，形成自維持，其傳播的電磁波被稱為表面等離子體激元（SPP）。
這些SPP的屬性源于底層金屬納米粒子的結構。SPP在比入射光更短的波長下顯示出可調特性。表面等離子體光子學超材料的示例包括：周期性排列的金納米粒子（納米立方體）以及銀和金納米殼層。
表面等離子體光子學超材料的類型
由于表面等離子體光子學超材料的屬性來自亞波長尺度下金屬納米粒子的排列，因此工程師可以控制色散、介電常數、磁導率和折射率等屬性，以實現一系列新穎的應用。
負折射率表面等離子體光子學超材料
當光線從一個介質傳播到另一個介質時，例如從空氣到水，它會在穿過法線（垂直于表面的平面）時彎曲。在負折射率材料中，這種彎曲發生在相反方向，這意味著光的電磁能量以與其傳播波前相反的方向傳輸。
由于材料的折射率與其介電常數有關，而介電常數反過來又會影響其電磁傳播長度，因此負折射率超材料提供了可調的光學屬性，超越了傳統透鏡、反射鏡和光學設備的能力。
展開 表面等離子體與電路設計的實際集成，取決于傳播長度和約束之間的反比關系的平衡。理想情況下，表面等離子體光波導可同時最大限度增加表面等離子體的約束和傳播長度，以獲得最佳效果。
表面等離子體激元傳播造成的耗散損耗可以通過增益放大或集成光纖等光子元件來抵消，從而產生混合表面等離子體光波導。
表面等離子體光波導呈亞波長模態，小于光的衍射極限。在小于光的波長下的SPP傳播方式是可能的，這一想法讓業界振奮不已，從而為能夠在光學頻率下進行納米級信息處理的芯片級器件開辟了可能性。
常見的表面等離子體光波導類型包括金屬-絕緣體-金屬（MIM）、絕緣體-金屬-絕緣體（IMI）、通道等離子體激元（CPP）和間隙等離子體激元（GPP）波導。
什么是表面等離子體光子學超材料？
超材料（metamaterial）是一種呈現出天然材料所不具備的超常物理性質的復合材料。超材料的特性源于其獨特的尺寸、形狀、幾何結構和方向，使其能夠以新的有利方式彎曲、阻止、吸收或增強電磁波。超材料以重復模式排列，大小尺度小于其作用的波長。
在表面等離子體光子學超材料中，表面等離子體為這些材料賦予了獨特的屬性。在某些條件下，入射光與表面等離子體在金屬-電介質界面處耦合，形成自維持，其傳播的電磁波被稱為表面等離子體激元（SPP）。
這些SPP的屬性源于底層金屬納米粒子的結構。SPP在比入射光更短的波長下顯示出可調特性。表面等離子體光子學超材料的示例包括：周期性排列的金納米粒子（納米立方體）以及銀和金納米殼層。
表面等離子體光子學超材料的類型
由于表面等離子體光子學超材料的屬性來自亞波長尺度下金屬納米粒子的排列，因此工程師可以控制色散、介電常數、磁導率和折射率等屬性，以實現一系列新穎的應用。
展開 簡介：
?表面等離子體激元（SPPs）是由于金屬中的自由電子和電介質中的電磁場相互作用而在金屬表面捕獲的電磁波，并且它在垂直于界面的方向上呈指數衰減。[1]
?與絕緣體-金屬-絕緣體(IMI)等離子波導相比，金屬-絕緣體-金屬(MIM)波導具有很強的光約束，對SPPs來說，其傳播距離可接受。
?有許多種類的納米波導濾波器：齒形等離子體波導[2]，盤型諧振腔Channel drop濾波器，矩形幾何諧振腔[3]以及環形諧振腔[4]。
?MIM波導中，有兩種等離子體濾波器，即帶通和帶阻濾波器。
2D FDTD模擬
?選擇TM偏振波激發SPPs
?應用正弦調制高斯脈沖光來模擬感興趣的波長
?輸入場橫向設置為模式場剖面（使用模式求解器計算）
?網格尺寸要小到足以研究SPPs
?對于諧振器，仿真時間應該足夠長，使時域內的場在使用脈沖時衰減到很小的值。
?用Lorentz-Drude模型對銀的色散進行了研究。
納米盤諧振腔設計
模擬結果
輸出記錄器的功率譜*歸一化到光源。顯示波長530 nm和820 nm的兩個峰值**。
*Note：直接從OptiFDTD獲得的功率譜上，可以演示濾波器。傳輸光譜可以使用參考1中的方法來計算。
**Note：峰值波長處的細微差異（與參考相比）是由于使用了不同的金屬模型。
[1] Hua Lu, et al., “Tunable band-pass plasmonic waveguide filters with nanodisk resonators,” Opt. Exp. VOL. 18, NO. 17, 17922-17927 (2010)
[2] X. S.
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表面等離子體激元傳播造成的耗散損耗可以通過增益放大或集成光纖等光子元件來抵消，從而產生混合表面等離子體光波導。
表面等離子體光波導呈亞波長模態，小于光的衍射極限。在小于光的波長下的SPP傳播方式是可能的，這一想法讓業界振奮不已，從而為能夠在光學頻率下進行納米級信息處理的芯片級器件開辟了可能性。
表面等離子體激元傳播造成的耗散損耗可以通過增益放大或集成光纖等光子元件來抵消，從而產生混合表面等離子體光波導。
表面等離子體光波導呈亞波長模態，小于光的衍射極限。在小于光的波長下的SPP傳播方式是可能的，這一想法讓業界振奮不已，從而為能夠在光學頻率下進行納米級信息處理的芯片級器件開辟了可能性。
表面等離子體激元（SPPs）在金屬-介質界面的激發，可將電磁場強局域化，極大增強光與生物分子的相互作用，為高靈敏度檢測奠定基礎。但現有技術在特異性、多參數優化及實際環境適應性上仍有提升空間。
這些表面等離子體激元(SPPs)在金屬電介質界面具有電場強度極值，由于其對任意接近該表面的改變極其敏感通常可用于傳感應用。利用合適的模式解算器可以得到具有2D結構的導模。
等離子體平均功率流圖
1.
這些表面等離子體激元(SPPs)在金屬電介質界面具有電場強度極值，由于其對任意接近該表面的改變極其敏感通常可用于傳感應用。利用合適的模式解算器可以得到具有2D結構的導模。
簡介：
?表面等離子體激元（SPPs）是由于金屬中的自由電子和電介質中的電磁場相互作用而在金屬表面捕獲的電磁波，并且它在垂直于界面的方向上呈指數衰減。[1]
?與絕緣體-金屬-絕緣體(IMI)等離子波導相比，金屬-絕緣體-金屬(MIM)波導具有很強的光約束，對SPPs來說，其傳播距離可接受。
<p class="ql-align-justify">在表面等離子體激元學研究中，金屬納米粒子的光學特性是許多應用的基礎，例如化學和生物醫學傳感、 表面增強光譜、和近場掃描光學顯微鏡。金或銀納米粒子中的電子與入射光場相互作用時產生局域表面等離子體共振 (LSPR)。這種 LSPR 現象強烈依賴于納米結構的尺寸、形狀和周圍介電環境。
簡介：
? 表面等離子體激元（SPPs）是由于金屬中的自由電子和電介質中的電磁場相互作用而在金屬表面捕獲的電磁波，并且它在垂直于界面的方向上呈指數衰減。[1]
? 與絕緣體-金屬-絕緣體(IMI)等離子波導相比，金屬-絕緣體-金屬(MIM)波導具有很強的光約束，對SPPs來說，其傳播距離可接受。
簡介：
? 表面等離子體激元（SPPs）是由于金屬中的自由電子和電介質中的電磁場相互作用而在金屬表面捕獲的電磁波，并且它在垂直于界面的方向上呈指數衰減。[1]
? 與絕緣體-金屬-絕緣體(IMI)等離子波導相比，金屬-絕緣體-金屬(MIM)波導具有很強的光約束，對SPPs來說，其傳播距離可接受。
簡介：
? 表面等離子體激元（SPPs）是由于金屬中的自由電子和電介質中的電磁場相互作用而在金屬表面捕獲的電磁波，并且它在垂直于界面的方向上呈指數衰減。[1]
? 與絕緣體-金屬-絕緣體(IMI)等離子波導相比，金屬-絕緣體-金屬(MIM)波導具有很強的光約束，對SPPs來說，其傳播距離可接受。
