7-几种波导--金属薄膜波导及应用.pdf

周期性波导 多量子阱光波导 金属薄膜波导 渐变折射率波导 泄露波导 金属薄膜波导及应用 1957年，Ritchie等发现电磁波沿介质－金属表面传播是由于金属 表面电子在外加TM偏振波作用下发生极化而产生。 Excitation of Surface Plasmon by prism with metal film  引起衰减全反射ATR 光谱分布 Reflectivity spectra 采用不同波长光得到不同ATR衰减峰 引起光波场激发增强效应 2 SPR, SPW ? 表面等离子波(SPW)： 存在于具有自由电子的材料表面的电荷密度波，沿着导体和电 解质的界面传播。发生在金属薄层和电介质分界面上的物理光学现 象。光与介质界面发生全内反射时产生的倏逝波激发金属表面的自 由电子产生。 表面等离子体共振(SPR)： 当入射光(角度或波长)满足一定条件时，SPW与倏逝波的频率 和波数相等，两者发生共振，入射光波被吸收使反射光能量急剧下 降，从而在反射光谱上出现共振峰。 是一种发生在金属薄层和电介质分界面上的物理光学现象。 3 介质－金属界面等离子体波的场分布 For propagating bound 表面等离子波矢量Ksp， z waves: 介质波矢量Ks， - kx is real 等离子共振频率ωp x - kz is imaginary 电磁场幅值沿z轴方向呈指数衰减，在介质中衰减比在金属中慢，即能量主 要集中在介质内。从色散曲线看，波矢Ksp 沿x方向比自由空间传播波矢大， 因此在x方向能够表现出比物体更细微的结构，使得表面等离子体波具有超 分辩等能力。 4  透射增强作用 1998年，T.W.Ebbesen等人在Nature上发表：Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays. 一束光垂直通过带有周期性小孔阵列的金属膜时，在特定波长上出现 异常透射率增强，达到经典预测值40倍左右。 经典孔径理论：一束波长为λ的光通过直径为d (dλ) 小孔时，透过率为:(d/ λ)4 λ=900nm光波长，d=150nm 时，T=0.001; 实测T=0.04 。 Ebbesen效应！金属薄膜上周期性排列小孔或狭缝； 带周期结构的连续金属薄膜；金属膜上只有一个小孔或狭缝的结构 5 • Schroter 等人，利用散射矩阵法给出了光透过一维金属光栅 时同样具有这种增强效应！(1998, Phys.Rev.) 理解：光与金属亚波长光栅相互作用时，金属栅表面电子在入射光作 用下沿栅条方向自由振荡，但在垂直于栅条方向上受到限制，因而体 现出强烈的偏振和透射增强光学特性。 两种解释：一种认为金属膜表面等离子体激元的共振激发和耦合导致 了这种增强效应，表面等离子体波(SPW)理论。对于透射增强波长随金属 膜厚度的增加而发生红移等现象难以合理解释。 另一种认为类Fabry-Perot (F-P)腔的作用才是产生这种现象的原因， 称之为类F-P腔理论，忽略了光栅基底介电常量对透射增强波长的影响。 应用：偏振分光器、聚焦金属平板透镜 提高氮化物基LED 的出光效率和偏振特性 6  集成光波导器件：超小型化和集成化，亚