表面等離子體激元共振光學(xué)系統(tǒng)的紫外輻射

1spps的應(yīng)用表面離子激元（spps）是由光和表面的自由電子相互作用引起的聲波模式，或由表面活性劑形成的混合激發(fā)狀態(tài)。在這種相互作用中,自由電子在與其共振頻率相同的光波照射下發(fā)生集體振蕩。它局限于金屬與介質(zhì)界面附近,沿表面?zhèn)鞑?并能在特定納米結(jié)構(gòu)條件下形成光場(chǎng)增強(qiáng),這種表面電荷振蕩與光波電磁場(chǎng)之間的相互作用就構(gòu)成了具有獨(dú)特性質(zhì)的SPPs。導(dǎo)體中SPPs的激發(fā),使利用金屬等導(dǎo)體材料來控制光的傳播成為現(xiàn)實(shí),但受電子元件工藝制作水平的限制,在微米、納米尺寸的元件和回路成功運(yùn)用之前,SPPs并沒有顯露出它的特性,亦不為人們所關(guān)注。隨著工藝技術(shù)的長足進(jìn)步,制作特征尺寸為微米和納米級(jí)的電子元件和回路已逐漸成熟,人們又重新點(diǎn)燃對(duì)SPPs的極大熱情并開展重點(diǎn)研究。目前,SPPs已經(jīng)被應(yīng)用于生物、化學(xué)、傳感、光電子集成器件等多個(gè)領(lǐng)域。實(shí)際應(yīng)用中,只有當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸可以與SPPs傳播距離相比擬時(shí),SPPs特性和效應(yīng)才顯露出來,有時(shí)候也用表面等離子體共振(SurfacePlasmonResonance,SPR)技術(shù)來描述其相關(guān)特性。2u3000金屬酶m的基本原理通過表面電荷和電磁波的相互作用可以得到SPPs,而這種表面電荷密度和電磁波的相互作用導(dǎo)致SPPs的動(dòng)量?ksp大于同頻率時(shí)自由空間內(nèi)的動(dòng)量?k0(k0=ω/c,為自由空間波矢,式中ω為頻率,c為光速),表現(xiàn)出SPPs的“慢波”特性。通過求解近似邊界條件下的Maxwell方程,可以得到SPPs的色散關(guān)系:ksp=k0√εdεmεd+εm?(1)其中,εd、εm分別為電介質(zhì)和金屬的介電常數(shù),而且εm的虛部還能表征因媒質(zhì)的吸收而產(chǎn)生的電磁波衰減。將εm=ε′m+iε″m代入到式(1)中,計(jì)算可得ksp的實(shí)部和虛部分別為:k′sp=ωc(εdε′mεd+ε′m)1/2?(2)k″sp=ωc(εdε′mεd+ε′m)3/2ε″m2(ε′m)2.(3)進(jìn)而可以得到穿透深度δsp的表達(dá)式為:δsp=12k″sp=cω(εd+ε′mεdε′m)3/2(ε′m)ε″m2.(4)SPPs在垂直于金屬表面的方向電場(chǎng)強(qiáng)度是呈指數(shù)衰減的,這對(duì)應(yīng)于SPPs的表面局域特性。SPPs另一個(gè)獨(dú)特的性質(zhì)是近場(chǎng)增強(qiáng),場(chǎng)增強(qiáng)的程度取決于金屬的介電常數(shù)、表面粗糙程度引起的輻射損耗以及金屬薄膜厚度等。圖1為表面等離子體激元的色散關(guān)系曲線。由于SPPs的波矢量大于光波的波矢量,或者說SPPs的動(dòng)量與入射光子的動(dòng)量不匹配,所以不可能直接用光波激發(fā)出表面等離子體波。為了激勵(lì)表面等離子體波,需要引入一些特殊的結(jié)構(gòu)達(dá)到波矢匹配,常用的結(jié)構(gòu)有以下幾種:(1)采用棱鏡耦合,比較常用的有Otto方式和Kretschmann方式;(2)采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu);(3)采用衍射光柵結(jié)構(gòu);(4)采用強(qiáng)聚焦光束;(5)采用近場(chǎng)激發(fā)。3spps技術(shù)通過改變金屬表面結(jié)構(gòu),SPPs的特性就能不斷得到體現(xiàn),這為發(fā)展各種新型的光學(xué)設(shè)備提供了機(jī)遇。SPPs技術(shù)正在亞波長光學(xué)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、發(fā)光技術(shù)、顯微鏡和生物光子學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。本文從以下幾個(gè)方面重點(diǎn)闡述近年來SPPs的新的重要應(yīng)用。3.1提高域光場(chǎng)強(qiáng)度隨著納米制作技術(shù)的發(fā)展以及fs激光脈沖與納米尺度金屬結(jié)構(gòu)的相互作用研究的深入,近年來研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的物理現(xiàn)象:在一定的條件下,用fs激光照射金屬納米結(jié)構(gòu)時(shí),會(huì)引起自由電子的集體振蕩,在金屬表面附近的區(qū)域會(huì)形成表面等離子體激元波。在一定的頻率條件下,可發(fā)生等離子體激元共振,這時(shí)納米結(jié)構(gòu)附近的局域光場(chǎng)強(qiáng)度較入射fs激光的光場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)有大幅的提高。納米尺度局域光場(chǎng)的提高幅度由等離子體激元共振特性決定,即取決于材料的性質(zhì)、幾何形狀及尺寸大小等因素。研究結(jié)果表明,納米尺度等離子體激元共振可使局域光場(chǎng)強(qiáng)度提高3~5個(gè)數(shù)量級(jí)。2008年6月,國外首次報(bào)道了S.Kim等人利用SPPs增強(qiáng)光場(chǎng)效應(yīng),直接使用普通的fs激光振蕩器與Ar原子相互作用獲得了極紫外波段高次諧波的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中采用三角形納米天線結(jié)構(gòu)陣列,得到的光場(chǎng)增益因子超過20dB,并獲得了波長為800nm,fs激光的級(jí)次為17次的高次諧波,該技術(shù)可能成為新型光刻和高清圖像應(yīng)用方面的極紫外光源的基礎(chǔ)。借助于這種光場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng),可使許多場(chǎng)強(qiáng)物理過程的研究一下變得簡(jiǎn)單起來,以往只有利用飛秒放大器才能實(shí)現(xiàn)的某些場(chǎng)強(qiáng)物理現(xiàn)象的研究現(xiàn)在使用fs激光振蕩器就可以完成了,從而打破了以往極紫外波段高次諧波的產(chǎn)生必須使用復(fù)雜、昂貴的fs激光放大器這一科學(xué)禁錮,使高次諧波產(chǎn)生的設(shè)備變得簡(jiǎn)單、緊湊。除此之外,還有很多種結(jié)構(gòu)可以用來產(chǎn)生提高光場(chǎng)強(qiáng)度,比如#形、盈月形、球形、環(huán)形等。有關(guān)這些結(jié)構(gòu)對(duì)入射光場(chǎng)的增強(qiáng),可以使用有限差分時(shí)域方法(FiniteDifferenceTimeDomain,FDTD)進(jìn)行模擬計(jì)算(見圖2),常用分析軟件有Lumerical,CST,OptiFDTD等。3.2金屬膜的作用機(jī)理表面等離子體共振(SPR)技術(shù)由瑞典科學(xué)家Liedberg于1983年首次用于IgG抗體與其抗原相互作用的測(cè)定。隨后,該技術(shù)被引入生物傳感器領(lǐng)域并迅速滲透到基礎(chǔ)生命科學(xué)研究中。SPR的優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)生物分子結(jié)合反應(yīng)的全過程,不需要對(duì)分子進(jìn)行標(biāo)記,而且耗樣最少。因此,SPR技術(shù)發(fā)展非常迅速,已經(jīng)成為一種成熟的檢測(cè)生物分子間相互作用的方法,并發(fā)展出SPR生物傳感器檢測(cè)方法。另外,表面等離子體激元共振還可以用于藥物/蛋白相互作用和DNA放大檢測(cè),該技術(shù)以其快速、高靈敏度的特性被廣泛地應(yīng)用到生物分子機(jī)制的研究中,包括蛋白相互作用、抗原/抗體作用、配體/受體相互作用等等。此外,藥物篩選及鑒定也是近來SPR技術(shù)應(yīng)用的另外一個(gè)熱點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生共振時(shí)反射光能量急劇下降,在反射光譜上出現(xiàn)共振峰,即反射率出現(xiàn)最小值。SPR對(duì)附著在金屬薄膜表面的介質(zhì)折射率非常敏感,當(dāng)表面介質(zhì)的屬性改變或者附著量改變等引起折射率變化時(shí),共振角將不同,在光譜上表現(xiàn)出紅移和藍(lán)移現(xiàn)象。因此,SPR譜(共振角對(duì)時(shí)間的變化)能夠反映與金屬膜表面接觸的體系的變化,其對(duì)物質(zhì)的檢測(cè)精度甚至達(dá)到了納克(10-9g)水平。影響SPR的因素包括:金屬膜表面介質(zhì)的光學(xué)特性、厚度、入射光的入射角、波長和偏振狀態(tài)等。光在納米尺度的特殊能力能應(yīng)用到小生物分子精密探測(cè)、高分辨率顯微鏡以及更加有效的癌癥治療方案。最近已提出了這一新的癌癥治療方案,利用等離子體激元的共振效應(yīng)來摧毀癌細(xì)胞,如圖3所示。Rice大學(xué)的NaomiHalas和PeterNordlander等人正在研究這項(xiàng)新技術(shù)。首先將直徑大約100nm的硅納米球的表面包裹10nm厚的金薄膜,并將這種納米小球注射入血液,納米球會(huì)自動(dòng)嵌入到快速生長的腫瘤內(nèi),如果用近紅外激光束照射癌細(xì)胞區(qū)域,那么激光能夠穿透皮膚并誘導(dǎo)電子在納米球內(nèi)共振。由于殼內(nèi)表面和外表面場(chǎng)的耦合相互作用,微粒吸收能量,使得局域溫度得到大幅度升高,最終加熱并殺死癌細(xì)胞,而且不損害周圍的健康組織。目前,美國食品及藥物管理局已批準(zhǔn)位于休斯頓的納米光譜生物科學(xué)公司(NanospectraBiosciencesInc.)利用這種方法開始臨床治療試驗(yàn)。如果這種方案最終被證實(shí)對(duì)人體可行的話,將給廣大的癌癥患者帶來福音,同時(shí)有效地保障世人的身體健康。3.3表面等離子體在光伏電池生產(chǎn)中的應(yīng)用SPPs所引發(fā)的電磁場(chǎng)不僅僅能夠限制光波在亞波長尺寸結(jié)構(gòu)中傳播,而且能夠產(chǎn)生和操控不同波段的電磁輻射。K.Okamoto等人利用時(shí)間分辨光致發(fā)光光譜法(Time-resolvedPhotoluminescenceSpectroscopy)在440nm處得到了增強(qiáng)了32×的自發(fā)輻射率,這將催生出新型的超亮度和高速運(yùn)作的LEDs。2008年,Koller等人介紹了一種源于SPPs的有機(jī)發(fā)光二極管的電開關(guān)表面等離子體源,這種電源可提供自由傳播的表面等離子體波,并對(duì)有機(jī)集成光子回路和光電傳感有著潛在的應(yīng)用價(jià)值,他們的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了表面等離子體的受控耦合和有機(jī)原料中的激子能對(duì)改良的有機(jī)發(fā)光二極管和有機(jī)光電裝置的制作提供幫助。Walters等人也展示了一種利用SPPs的硅基電源,這種電源是利用和后端CMOS技術(shù)相兼容的低溫微觀技術(shù)制成的。表面等離子體波在太陽能電池和LED等新型能源相關(guān)器件方面也有重要應(yīng)用。人們已經(jīng)意識(shí)到基于納米技術(shù)的太陽能光電轉(zhuǎn)換器件及其材料與傳統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換器件和材料相比具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。納米材料的光電性質(zhì)、機(jī)械性能均可通過改變顆粒的尺寸來實(shí)現(xiàn)。目前已實(shí)現(xiàn)在太陽能電池上利用表面等離子體效應(yīng)來提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率,同樣也可以在LED上應(yīng)用表面等離子體效應(yīng)提高其出光效率。2004年,P.Andrew等人利用金屬膜與介質(zhì)表面產(chǎn)生的表面等離子體共振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了分子間的長距離能量傳輸,證實(shí)了在亞波長結(jié)構(gòu)尺度范圍內(nèi)操控光能傳輸?shù)目尚行?。這一想法于2007年被T.D.Heidel等人進(jìn)一步證實(shí)并用于提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。太陽能電池與金納米粒子薄膜結(jié)合,能比傳統(tǒng)太陽能電池更有效地吸收太陽能,因此,能在不降低光電轉(zhuǎn)換效率的基礎(chǔ)上將太陽能電池能做得更薄、更加便宜。2008年,K.R.Catchpole等人展示了將表面等離子體用于光伏電池的實(shí)驗(yàn),其光電流強(qiáng)度有了較大增強(qiáng),實(shí)驗(yàn)揭示了金屬納米顆粒的使用可使射入的陽光更加分散,從而使更多的光線進(jìn)入光伏電池;其次,不同大小和種類的微?？梢杂脕砀倪M(jìn)陷光效果。更值得一提的是表面等離子體在任何類型的光伏電池都能應(yīng)用,包括標(biāo)準(zhǔn)的硅或薄膜電池,而且均會(huì)明顯地提高轉(zhuǎn)換效率。他們的實(shí)驗(yàn)表明,如果相應(yīng)的產(chǎn)品能夠商品化,那么對(duì)解決人類的能源問題將起到相當(dāng)重要的作用。圖4是H.A.Atwater等改良的光電設(shè)備示意圖,該方法也是基于用表面等離子體來提高光電轉(zhuǎn)換效率。3.4spps用于高速光通訊芯片尺度下電子學(xué)和光子學(xué)的發(fā)展,極大地促進(jìn)了數(shù)據(jù)處理和傳輸能力,并很快地影響到了人們生活的方方面面。近年來出現(xiàn)的等離子體光子學(xué)(plasmonics)是一項(xiàng)令人關(guān)注的新技術(shù),該技術(shù)能探索出金屬納米結(jié)構(gòu)的獨(dú)特光學(xué)屬性,能夠控制和操作光在納米尺度下的傳輸。在同一芯片里如果結(jié)合等離子體、電子學(xué)和傳統(tǒng)的電介質(zhì)光子設(shè)備,并充分利用各自技術(shù)力量的優(yōu)點(diǎn),會(huì)顯現(xiàn)出巨大的合作優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)光學(xué)器件受到衍射極限的制約,其尺度的微小化和集成度受到限制,但是,SPPs的特征可以很好地突破衍射極限,為制造基于SPPs的集成光路應(yīng)用于高速光通訊提供了可能。SPPs在金屬銀內(nèi)的穿透深度比入射波長大約要小2個(gè)數(shù)量級(jí),這一特性提供了在亞波長尺度的金屬結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)局域化和導(dǎo)波的可能性,可應(yīng)用于構(gòu)筑亞波長尺度的光子元件和回路,而這些光子電路、元件或者等離子體芯片由諸如波導(dǎo)、開關(guān)、調(diào)制器和耦合器等元件組成,用于將光信號(hào)傳送到電路的不同環(huán)節(jié)。2009年,M.A.Noginov等人報(bào)導(dǎo)了一種世界上最小的激光器,取名為SPASER(SurfacePlasmonAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation),它由染料-硅組成,并被直徑僅44nm的金小球所覆蓋,如圖5所示。這種技術(shù)還可以應(yīng)用到新型高速計(jì)算機(jī)中去,此時(shí)晶體管中的電子將由光來代替。通過改變金屬表面結(jié)構(gòu),表面等離子激元的性質(zhì),特別是與光的相互作用機(jī)制也將隨之變化。表面等離子體激元為發(fā)展新型光子器件、寬帶通訊系統(tǒng)、尺度極小的微小光子回路、新型光學(xué)傳感器和測(cè)量技術(shù)提供了可能。2009年,RupertF.Oulton等人報(bào)導(dǎo)了納米尺度等離子體激光器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作,獲得了比衍射極限小100×的光學(xué)模式。這種等離子體激光器為探索光與物質(zhì)極限相互作用提供了可能,開創(chuàng)了光子電路和量子信息技術(shù)等領(lǐng)域研究的新途徑。3.5u3000利用金納米粒子技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)隨著信息產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步,對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸能力的需求也越來越高。傳統(tǒng)技術(shù)在這方面逐漸表現(xiàn)出其局限性,而SPR技術(shù)卻嶄露頭角。2009年,PeterZijlstra等人利用金納米棒獨(dú)特的縱向SPR性質(zhì)介紹了五維光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù),如圖6所示。他們采用該方案在同一個(gè)物理地址利用3種顏色和2個(gè)偏振方向來刻寫數(shù)據(jù),其光盤存儲(chǔ)容量能達(dá)到7.2TB,如果使用高重復(fù)頻率激光源的話,存儲(chǔ)速度能高達(dá)1Gbit/s?？v向SPR表現(xiàn)出了良好的波長和偏振靈敏度,然而其能量閾值卻需要光熱存儲(chǔ)機(jī)制來保證其軸向選擇性。利用雙光子發(fā)光結(jié)合縱向SPR可以檢測(cè)到存儲(chǔ)信息,對(duì)比于傳統(tǒng)的線性檢測(cè)機(jī)制,這種檢測(cè)方法擁有增強(qiáng)的波長和角度選擇性,能夠做到無損壞、無串話讀取。該技術(shù)成功地突破了光學(xué)衍射極限,將光盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量提升了幾個(gè)數(shù)量級(jí),對(duì)光存儲(chǔ)領(lǐng)域意義重大。研究表明,利用金納米粒子技術(shù)能將1張光盤的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)增加10000×。如果成功商業(yè)化的話,該技術(shù)能允許1張光盤容納超過300部電影或25萬首歌曲。這種技術(shù)能夠馬上應(yīng)用到光學(xué)圖像、加密技術(shù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等高數(shù)據(jù)密度相關(guān)領(lǐng)域。2009年7月,M.Mansuripur等人也介紹了一種利用納米粒子和納米結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的新方法,初步實(shí)驗(yàn)證實(shí)這種等離子體納米結(jié)構(gòu)在高密度光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。另外,2010年5月,TGDaily報(bào)導(dǎo)日本一個(gè)研究小組研發(fā)出了一種可用來制造容量為25TB低價(jià)超級(jí)硬盤的物質(zhì)。這種鈦氧化物可以隨著光的變化而改變顏色,能夠在存儲(chǔ)設(shè)備中得以應(yīng)用。4表面等離子體光子學(xué)與spps的關(guān)聯(lián)