表面等离激元耦合器定向激发特性研究文献综述

 2023-08-07 04:08
  1. 文献综述（或调研报告）：
  2. 表面等离极化激元的基本性质

表面等离极化激元（SPP）是金属表面电子与外部电磁场相互作用形成的一种表面电磁模式，该模式的电磁场局域在金属表面附近，在金属表面处最大，离开金属表面呈指数式衰减，如图1所示[1,2]。

图1.金属和电介质界面传播的SPP[1]

(a)半无限大金属和电介质界面传播的SPP示意图;

(b)SPP沿着金属和电介质界面法向呈指数衰减

SPP最基本的特性是它的色散特性，是由图1(a)的半无限大金属-电介质平面结构根据麦克斯韦方程组以及界面边界条件推导而来，在此省略其推导过程，直接给出色散方程如下：

(1-1)

在式（1-1）中，是传播常数，即波矢沿着x方向的分量，为真空中的个波矢，为电介质的介电常数，为金属的介电函数，为Drude函数。根据式（1-1）可做出空气中光波的色散曲线和金属-空气界面SPP的色散曲线，如图2所示。从图2中可以看到，金属-空气界面SPP的色散曲线始终在空气光波色散曲线的右侧，并且随着频率的增大二者波矢之间的差值也随之增大，除原点外二者不存在交点。这也就意味着SPP是一种束缚在金属表面的非辐射波，介质一侧的光波无法直接激发金属表面的SPP，同时沿着金属表面传播的SPP也无法直接耦合到介质中去，必须通过合适的手段对介质中的光波进行波矢补偿才可以实现SPP的有效激发，这也就是常说的波矢匹配[3]。

图2.空气中光波的色散曲线（虚线）和金属-空气界面SPP的色散曲线（实线）[1]

要能够实现SPP的定向激发，首先要解决波矢匹配的问题，在有了SPP的有效激发手段以后，再设计结构实现高效率的定向SPP激发，以下两部分分别从实现波矢匹配的手段和实现定向激发的结构来进行说明。

2.目前用来实现波矢匹配的结构存在以下几种结构

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