表面等離子體激元的案例
OptiMode應用矢量有限元法模擬表面等離子體激元
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 OptiMode應用矢量有限元法模擬表面等離子體激元
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 Ansys | 什么是表面等離子體光子學及其應用
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 一期一會 | 表面等離子體光子學詳解及其應用
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 
OptiFDTD應用：納米盤型諧振腔等離子體波導濾波器
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.
展開 OptiFDTD應用：納米盤型諧振腔等離子體波導濾波器
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.
展開 OptiFDTD應用：納米盤型諧振腔等離子體波導濾波器
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。
展開 OptiFDTD應用：納米盤型諧振腔等離子體波導濾波器
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。
展開 清華大學 張若兵 等：等離子體射流與表覆多孔無機污穢硅橡膠間的相互作用：表面憎水或親水？
2
主要實驗結果
本文利用等離子體射流處理表面涂覆有多孔高嶺土污穢的染污硅橡膠，研究其憎水性變化。
圖1 實驗裝置
隨著等離子體處理時間的增大，染污硅橡膠表面先迅速變為憎水，超過閾值時間后再變為親水。灰密不同，處理后表面憎水性變化呈現相同的規律。等離子體的均勻性直接決定處理區域憎水角的徑向分布。
圖2 等離子體處理時染污硅橡膠表面處理區域中心點接觸角（a）與距中心點不同距離處的接觸角（b）
等離子體作用下染污硅橡膠表面憎水性提高主要由未交聯小分子硅氧烷從硅橡膠向高嶺土表面遷移引起，小分子的含量和處理后憎水性提高速度正相關。
展開 基于comsol的石墨烯表面等離子波導分析 ￥1500
</p><p>表面等離子體激元( Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是電磁波與金屬表面的自由電子相互耦合產生的沿著金屬和介質界面傳播的一種電磁表面波模式1習,存在于金屬膜結構、納米型結構阿、碳分子結構,最近發現存在石墨烯結構中。入射光束的電場能夠驅動金屬結構分界面的自由電荷(傳導電子)來回集體振蕩運動,具有限制光和電場增強的能力。同時其分布深度波長量級以下,且不再受限于衍射極限門。因此,表面等離子體可以將光限制在亞波長尺寸范圍內進行操控,成為實現亞波長量級光電子器件的有效可行途徑,促進光電子器件和傳感器件性能的進一步提升。基于表面等離子體的光子學是目前國際前沿研究領域,憑借其優勢吸引眾多學者參與研究。</p><p><br></p><p>本模型采用Si和SiO2做基底，表面敷設石墨烯。</p><p><br></p><p>沒有增加石墨烯的情況，13THz的波無法在模型內傳播。 <img src="https://img.jishulink.com/images/202205/pPxZEzit6h4qdPdsWPMUc5.png"> 增加石墨烯后，在一定頻率下出現耦合。
展開 基于lumerical fdtd模擬等離子共振吸收的折射率傳感器
<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。特別是后者 的依賴性開辟了一條折射率傳感的道路，對于一定的折射率變化，LSPR現象將導致較大的光譜偏移，從而可以檢測介電環境微小的變化。在實際應用中，金屬納米結構的損失是不可避免的。 為了實現低損耗器件，人們通過優化結構幾何形狀和使用增益材料來降低損耗。超材料是共振金屬納米結構，其晶胞遠小于光的工作波長，通過正確設計超材料中的電磁響應，可以實現完美的吸收。一般來說，在實際應用中，理想的吸收體對入射角和光的偏振不敏感。</p><p class="ql-align-justify">我們的傳感器方案提出了潛在的折射率傳感器平臺，其中局域表面等離子體共振傳感基于簡單的反射率測量，只需使用單波長光源就可完成。圖 1 展示了吸收體傳感器結構的幾何形狀。它由兩個功能層組成：最上層是金納米盤陣列，最下層是金鏡，這兩層由 MgF2 電介質隔開。該結構設計為在垂直入射時在 x 和 y 方向上與偏振無關。</p><div contenteditable="false" width="100%" class="ql-align-justify"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-axegupay5k/f60824320abb41ac838d27131f57563b~noop.image?
展開 
這些物理現象顛覆了我的世界觀，前所未有…（轉載）
實際上最初接觸表面波時，我是覺得它挺反直觀的。因為在我們的印象中，電磁波都是在金屬波導里面或者在光纖里面，也就是像自來水管一樣，要把水通過壁的阻擋局域在水管里面。
但實際上，電磁波可以存在物體的表面，或者說物體與真空的界面。其實自然界中就存在很多表面波，比如水波，它就是一種表面波，這種波存在于水與空氣之間。
對于電磁波，一種比較奇特的表面波是表面等離子體激元。這種表面波一般存在比較高的頻段，比如光頻段。這個頻段比較靠近一些金屬里面電子的諧振頻率（比如金、銀），光和電子可以直接交換能量，形成一種很奇特的模式。如果從麥克斯韋的參數上來說，此時金屬的介電常數為負數。
這東西好玩得很，可以做成波導，或者其它光器件。以后的光電路有可能用到它。
當然在低頻段，比如微波段也是可以的。雖然在自然界，微波段沒有介電常數為負的材料，但是可以人工制造出來。它可以做成這樣：
這東西就像電線一樣……電磁波就沿著這個“電線”走，是不是很神奇。
#拓撲光學
拓撲絕緣體，這個是最近才火的，其影響可媲美石墨烯。當然這東西也是最先出現在凝聚態物理，最近一兩年延伸到電磁波。非常神奇的是，電磁波只能在它的表面傳，不能在這種材料里面傳。而且在表面傳時，它的模式是受拓撲保護的。淺顯來說，一種模式只能往特定方向傳播，就算有一些障礙物，它也可以繞過去。
所以很顯然，它很適合當波導，不用擔心電磁波拐外時帶來的反射問題。就像以前的車道，車有的向前有的向后，很容易發生交通擁堵。現在我們建成了單行道，或者高速公路（由向前向后兩個單行道構成），那么擁堵問題就會減少了。
先上圖↓
顧名思義是讓光走得很慢。其中有個原理是電磁感應透明（electromagnetic induced transparence）。這實際上是從quantum physics中引入的一個概念。
展開 Lumerical案例 | 基于MIM雙環諧振器的等離子體光學生物傳感器
近日，一項發表于《Scientific Reports》的研究為這一困境提供了解決方案[1] —— 基于金屬-絕緣體-金屬（MIM）雙環諧振器的等離子體光學生物傳感器，以其超高靈敏度、快速響應及多細菌區分能力，有望重塑細菌檢測技術格局。
細菌檢測技術的現狀與痛點
細菌感染仍然是全球發病率和死亡率的主要原因，診斷延遲往往會加劇臨床結果。然而，傳統檢測手段存在顯著短板：微生物培養需數天時間，PCR與酶聯免疫吸附試驗（ELISA）技術依賴實驗室條件且操作復雜，難以在資源有限地區推廣應用。即便在技術相對成熟的場景，這些方法對早期感染的低濃度細菌也常出現漏檢，延誤治療時機。
近年來，光學生物傳感器憑借無標記檢測、實時分析、可微型化等優勢成為研究熱點，其中等離子體傳感器因對局部折射率變化的超高敏感性脫穎而出。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。
MIM 雙環諧振器傳感器的設計與優化
（一）核心結構：MIM雙環諧振器的設計
該傳感器采用MIM雙環諧振器結構，其結構如圖1所示，核心由兩層金屬夾一層介質基板構成，通過納米環與垂直臂的巧妙布局實現電磁場強約束。具體設計中，金納米環與金背反射器的組合被選為最優方案——金具有優異的等離子體共振特性與化學穩定性，可有效減少生物環境中的干擾；絕緣介質基板由一層制成，厚度經優化后確保電磁場與分析物的高效作用；傳感器整體結構參數通過粒子群優化（PSO）算法迭代優化，最終確定關鍵尺寸如表1所示。
展開 