表面等離激元
關注創建者：opt-simul 創建時間：2022-02-15
表面等離激元的視頻教程
040 – COMSOL等離激元超透鏡（含演示，100元）
040 – COMSOL等離激元超透鏡（含演示，100元） 基本介紹： ·??主要內容：根據發表在Plasmonics上的論文《Super-Resolution Long-Depth Focusing by Radially Polarized Light Irradiation Through Plasmonic Lens in Optical Meso-field（作者：Ruobing
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018 - FDTD鋸齒型結構SPP的色散曲線（含演示，46元）
包含的文件截圖（手機端可能無法顯示圖片，請在電腦端查看）： 詳細描述（手機端可能無法顯示圖片，請在電腦端查看）： 如上圖所示，計算由銅制成的一個鋸齒形周期性結構的表面等離激元（SPP）色散曲線。 其中 P = 50 um、H = 1.5P、W = 0.5P、t = 0.25P。銅材料由Drude模型來描述，周圍環境的折射率為1.45。
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002 - COMSOL金屬納米線波導（含講解視頻）
然后真空波長為660nm的表面等離激元（SPP）在這個金屬納米線上傳播。 ????在我的案例中，取Au納米線放置在MgF2這種情況，復現了論文中的所有結果，具體的結果請往下看，并錄制了講解視頻。 ????
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表面等離激元的實例教程
使用這些技術的目的是準備電磁場，使其波矢量與相同頻率的表面等離激元的波矢量相匹配。
表面等離激元在銀和空氣界面處的模擬的頻波矢量色散圖。正如預期的那樣，模擬結果（圓）與分析計算（實線）一致。自由空間光色散或光線由虛線表示。顏色表示表面等離激元的 Q 因子。
金屬薄膜中的表面等離激元
盡管模擬體金屬-介電界面中的表面等離激元可以作為表面等離激元傳播和色散的很好的示例，但這是一個相當簡單并且在物理上無趣的示例。在本節，我們將介紹一個更有趣的案例，即由介電層覆蓋的金屬薄膜。在這種系統中，頂面和底面都支持表面等離激元。如果金屬膜足夠薄，那么頂面的表面等離激元和底面的表面等離激元之間的耦合將導致模式雜化。其結果是形成對稱和反對稱模式。這種情況下的物理場類似于耦合機械諧波振蕩器的物理場。在這種特殊情況下，我們模擬了 12 nm 鋁膜，周圍環繞著折射率為 2 的 4 nm 介電層。使用邊界模式分析 研究步驟，我們在色散曲線中發現了兩個表面等離激元分支。Q 因子較大的上分支是對稱模式，而 Q 因子較小的下分支是反對稱模式。
模擬表面等離激元在兩個介電薄膜之間的鋁薄膜上的傳播。鋁膜頂面和底面中表面等離激元的雜化形成對稱（左）和反對稱（右）模式。
模擬的夾在兩個介電薄膜之間的鋁薄膜上的表面等離激元色散。兩個分支顯示了對稱（上分支）和反對稱（下分支）模式。
雖然在這里沒有展示，但我們可以通過仔細匹配每個接口的邊界條件來分析推導出這種系統中的表面等離激元色散。隨著系統的幾何形狀變得更加復雜，推導很快就會變得繁瑣。使用 COMSOL? 模擬表面等離激元的優勢在于它非常靈活，無論幾何組成多么復雜，都可以在軟件中計算表面等離激元色散。
新型 2D 材料中的表面等離激元
隨著電子行業向小型化發展，2D材料越來越受歡迎。
展開 近日，該重大儀器項目在基于超快光電子顯微鏡技術實現表面等離激元的多維度探測方面取得重要進展，相關成果于2018年11月19日發表在《自然·通訊》雜志。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-018-07356-x
基于金屬納米粒子的局域表面等離激元因其高局域強度、小局域尺度、高靈敏度等特點，被大量應用在不同領域。但是，幾個飛秒的超短模式壽命(dephasing time)大大限制了其應用的廣泛性和實用性。該工作設計的多層結構實現了局域表面等離激元和傳播表面等離激元的強耦合。動態數值模擬結果也清晰地證明在強耦合下局域表面等離激元模式和傳播表面等離激元模式之間的能量交換。
近場方面，光電子顯微鏡對表面等離激元模式進行直接成像，大大突破了原有的遠場探測技術的限制，并且結合不同激發光源，實現不同維度的探測。結合波長可調的激光光源，光電子顯微鏡在頻域記錄下表面等離激元模式隨波長變化的強度演化過程如下圖所示。結合超快泵浦探測技術，光電子顯微鏡在時域記錄下表面等離激元模式隨時間變化的演化趨勢。
該工作更加深入并直觀地探測強耦合體系中的能量轉換過程，并通過強耦合中失諧量的改變實現模式壽命的操控，相較于未耦合的局域表面等離模式，強耦合的模式壽命由6飛秒(10-15秒)提高到10飛秒。這一研究成果對進一步發展基于表面等離激元的人工光合成、生物傳感等應用具有重要的指導價值。
此研究是由北京大學和日本北海道大學共同合作完成，北京大學物理學院博士生楊京寰和重大儀器項目的國際合作者、北海道大學助理教授孫泉為該文章的共同第一作者，龔旗煌和北海道大學Misawa教授為共同通訊作者。
展開 基于自修復彈性體和可拉伸人工表面等離激元超材料的新型波導相關機理如圖1所示。研究團隊基于動態亞胺鍵設計了一種兼具高強度、良好柔韌性以及室溫自修復能力的彈性體基底。與其他線性結構自修復材料不同，該基底因其自身動態三維交聯網絡結構而具有較低的蠕變性，從而保證了射頻器件形態的長期穩定性。將該基底在室溫下完全切斷后再將斷面拼接，其可在24小時內恢復至原有力學強度。同時，由于環氧基團的存在，該基底與金屬結構表面之間具有良好的黏合力，這極大地方便了器件的制造與組裝。
圖1. 自修復柔性可拉伸人工表面等離激元波導示意圖。
在實際應用中，破損后處于動態變化的彈性基底或許不能實現平整完美的裂口修復效果，自修復過程本身也需要一定的時間。為了時刻維持無線通信質量，需要射頻器件結構本身也具備抗損壞、抗變形的性能。為此，研究團隊提出了一種基于可拉伸蛇形金屬結構的新型人工表面等離激元波導結構，該波導結構在不犧牲電磁性能的前提下展現出了優異的拉伸、扭曲性能。與傳統平面微波傳輸線相比，得益于人工表面等離激元獨特的場分布，該波導對金屬結構和基底的損傷變形有著更高的耐受能力。自修復材料可實時修復損傷維持器件結構的力學強度，而人工表面等離激元結構可在損傷變形的情況下維持良好的電磁性能，二者的特性相輔相成互為補充，從而實現了極佳穩定性和耐久性的新型微波波導。
作為功能驗證，研究團隊制造了自修復柔性可拉伸人工表面等離激元波導，并進行了相應測試（圖2）。
圖2. 自修復柔性可拉伸人工表面等離激元波導及性能測試。
測試結果證明，即使發生結構破損并彎折、扭曲變形，該新型波導仍能維持可靠的電磁波傳輸，而且在自修復完成后，電磁波傳輸性能幾乎可以恢復至初始狀態。同時，利用軟件無線電模擬柔性可穿戴電子系統并搭建了一個人體網絡測試環境。
展開 由于BHQ分子的強吸收峰與金納米棒的
等離激元共振峰
重疊，因而，BHQ分子會通過共振調控減小金納米棒的散射截面，從而降低金納米棒的散射強度（
也就是金納米棒
的散射強度被BHQ分子的吸收峰有效抑制）。具體來說，當BHQ分子遇到細菌外膜囊泡釋放的
偶氮還原
酶分子時，BHQ分子的
偶氮雙鍵
會被偶氮還原酶分子切斷，使得BHQ分子不再具有強吸收峰，此時，被抑制的金納米棒的散射強度得到恢復，從而得知有偶氮還原酶分子出現。等離激元光學納米天線再將探測到的偶氮還原酶分子信號以光信號形式發射出去，完成了細菌酶分子釋放規律的實驗探測。
圖1：(a) 等離激元光學納米天線探測細菌酶分子振蕩的示意圖。(b) 具有不同共振峰的等離激元光學納米天線探測細菌酶分子的暗場圖。(c) 細菌外膜囊泡示意圖。(d) 細菌通訊過程中酶分子振蕩和振蕩耦合示意圖。(e) 等離激元光學納米天線對外膜囊泡釋放的酶分子進行光學探測的機制。
實驗中，他們將所構建的等離激元光學納米天線放置于細菌生存環境中，根據等離激元光學納米天線散射光譜強度的變化，分別對單個大腸桿菌和金黃色葡萄球菌外膜囊泡釋放的偶氮還原酶分子進行了持續實時探測。外膜囊泡釋放到周圍環境后，周圍滲透壓的改變和等離激元光學納米天線的局域光熱效應會促進外膜囊泡的破裂，使得酶分子釋放而被等離激元光學納米天線探測到。實驗表明，這種等離激元光學納米天線的探測時間長（長達數小時至數十小時）、探測靈敏度高（單分子級別）、穩定性好（無光漂白）、具有遠距離探測能力（距離細菌表面達到
3 μm
）。
圖2：(a) 等離激元光學納米天線實現單細菌遠距離酶分子探測示意圖。(b) 等離激元局部光熱效應促進OMVs釋放酶分子實現探測的示意圖。
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
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亞波長光學
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傳感
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信號傳輸
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光學偏振器
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彎曲波導
2. 優勢
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VFEM模式求解器可輕松處理高橫縱比的波導
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搜索具有復值模式指數的模態
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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
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三角網格尺寸能夠適應高精度材料屬性
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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
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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 
表面等離激元的相關專題、標簽、搜索
表面等離激元的最新內容
關鍵詞：斯格明子；SPP波；光學斯格明子；相位調控
本工作基于表面等離激元（SPP）場，設計六邊形金屬狹縫結構實現光學斯格明子的動態調控，通過時域有限差分法（FDTD）仿真，驗證入射光相位調控可精準改變光學斯格明子的形貌與位置，為拓撲光學結構的可控構建提供仿真依據。
等離子體與MIM結構的獨特優勢
等離子體技術是當前光學領域的研究熱點，它聚焦于電磁波與金屬-介質界面自由電子的相互作用，這種作用會激發表面等離激元極化激元（SPPs）——沿金屬-介質邊界傳播的電子集體振蕩。SPPs具有亞波長光限制能力，能將光場壓縮到遠小于衍射極限的尺度，這為高分辨率成像、高靈敏度傳感等應用奠定了堅實基礎。
該PSW利用Au-LN界面間的表面等離激元，實現電場與光場的強限制與重疊，從而顯著提升調制效率，其增強效果可通過公式量化描述。
其中λ為光學波長，n為LN折射率，??為電光系數，G為電極間隙寬度，Γ表示等離子體-LN槽中電場（射頻）與光場的電光重疊因子（Γ的詳細計算見實驗部分）。
貴金屬材料的較大負值介電常數可用于亞波長波導結構的設計。尤其是負介電常數使導模在金屬和正值電介質材料之間存在一個單獨的截面。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。
概述
貴金屬材料的較大負值介電常數可用于亞波長波導結構的設計。尤其是負介電常數使導模在金屬和正值電介質材料之間存在一個單獨的截面。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
?
導 讀
暨南大學納米光子學研究院教授李寶軍、辛洪寶與哈佛大學教授Luke P. Lee合作，借助等離激元光學納米天線揭示了細菌酶分子釋放及釋放過程中的周期振蕩特性。
相關研究成果以“Dynamic monitoring of oscillatory enzyme activity
）
(1) 案列應用實操教學：
案例一
光子晶體能帶分析、能譜計算、光纖模態計算、微腔腔膜求解
案例二
類比凝聚態領域魔角石墨烯的moiré 光子晶體建模以及物理分析
案例三
傳播表面等離激元和表面等離激元光柵等
Ansys Lumerical FDTD的主要應用
CMOS圖像傳感器
OLED和液晶顯示
表面計量
表面等離激元
石墨烯器件
太陽能電池
集成光子器件
超材料、超表面
衍射光學和光子晶體
Ansys光學軟件產品推薦
ZEMAX
Ansys Zemax是一套綜合性的光學設計軟件，它提供先進的、且符合工業標準的分析、優化、公差分析功能
在基于超表面的表面等離激元計算中，由于結構單元具有亞波長尺寸，而產生一些不同于射線光學的新奇性質。本篇以基于金薄膜的復雜納米孔結構為例，計算了結構在被x偏振方向的高斯光束照射后于不同平面觀測到的光場局域效果。
一、結構建模
首先是建立結構模型，結構為上方大孔，下方小孔的嵌套結構，基底為氧化硅。依次在基底上方、小孔上方、大孔上方以及縱向截面放置監視器。
模擬 3.54 eV、3.1 eV 和 2.07 eV 光子能量下的表面等離激元傳播。箭頭表示電場方向和強度。
下面的色散圖非常能代表貴金屬中的表面等離激元色散。該圖有助于深入了解表面等離激元的特征。最重要的是，它表明表面等離激元的色散曲線始終位于光線的右側。這意味著表面等離激元波長總是小于自由空間光的波長。這就是為什么表面等離激元可以用作壓縮光波長以實現光場更集中的方法。
