表面等离子共振

简介：
表面等离子共振是一种利用光折射原理来研究分子间相互作用的技术，主要用于分析生物大分子之间的结合特性及动力学参数。 表面等离子体（SP）是一种特殊的电磁波模式，在金属与介质界面附近形成，并由光与自由电子相互作用产生。当入射光的频率使得自由电子发生集体振荡并与光场共振时，这些振动会产生一种独特的波动现象——即表面等离子体激元（SPPs）。这种激发产生的波动在传播过程中具有有限的距离，在金属和介质界面处电磁场强度最大，并且随着远离该界面的方向呈指数衰减。 **表面等离子体的原理** 当光照射到介电常数为负值的金属与正值介电常数的介质之间的界面上时，自由电子会以特定频率集体振荡。这种相互作用产生了一种特殊的电磁波模式——SPs。SPs的特点是其传播速度大于一般光线，并且垂直于表面方向上的场强随距离迅速衰减。 **表面等离子体的基本特性** 1. **SPP的色散关系**: SPP的传播可以通过它们独特的色散曲线来描述，该曲线与光波在金属和空气界面处的表现不同。存在一个特定频率——称为表面等离子体频率——在此频率下，SPPs开始形成。 2. **SPP的波长**: SPP的波长取决于电子振荡周期，并可以通过计算得到。设计纳米结构时需要考虑这一点来有效调控这些模式的行为。 3. **传播距离**: 由于能量损耗，SPP沿表面方向上的传播是有限制的。定义为电磁场强度衰减到初始值1/e的距离称为有效长度或传播距离。这一特性受光频率的影响：较低频对应较长波长和更远的有效长度。 4. **穿透深度**: SPP在金属与介质中的穿透深度决定了设备可以实现的最小尺寸，这对于设计基于SPP技术的产品至关重要。 **激发表面等离子体激元的方式** 由于直接通过入射光线难以满足动量匹配条件来产生SPPs，通常需要采用特殊结构如波导、光栅或棱镜来诱导这种模式。例如，在特定条件下，边界处的消逝场可以用来激发这些特殊的电磁波动。 SPP的应用广泛多样，涵盖了生物传感、化学检测和集成光学等领域。随着纳米技术的进步，对这一现象的研究越来越深入，并在新型微小尺度上的光学控制及光子器件设计中展现出巨大潜力。