文献综述

一、等离激元效应spp

表面等离极化激元（SPP）是光和金属表面的自由电子相互作用所引起的一种电磁表面波模式，或者说是局域在金属表面的一种自由电子和光子相互作用形成的混合激发态。早在1902年，Wood发现，当用TM偏振的入射光照射金属制成的反射光栅时，反射光谱中将会出现异常的吸收现象[1]。这一现象引起了包括Rayleigh在内的许多科学家的注意。1936年，Fano发表文章认为，Wood异常正是由于表面电磁模被激发的缘故[2]。从此，表面模成为金属光学重要研究内容。1958年，Stern和Ferrell进一步指出，表面电磁波的产生与电磁场和表面等离激元的耦合有关；并且他们首次给出了表面电磁波的色散关系[3]：

图1给出了体等离极化激元和表面等离极化激元的色散曲线。其中，斜虚线Ⅰ和Ⅱ分别代表真空（ω=ck）和介质（ω=ck/）中的光线。可见，BPP和SPP分别位于光线Ⅰ和Ⅱ的两侧。当 ωgt;时，电磁波以体模传播；当ωlt;时，电磁波则可以表面模来传播；而当时，一个带隙随之产生，其中电磁波既不能以体模、也不能以表面模来传播。

表面等离极化激元有以下的几个性质和特征[4]：

第一，表面等离极化激元与金属表面自由电子的集体激发有关，它是电磁波与金属表面自由电子振荡的耦合模。

第二，表面等离极化激元能够沿着金属界面传播。由图1可知，其传播常数要大于介质中的波矢（），因此，它不能与介质中的光波直接耦合，包括激发和辐射过程（要求动量匹配）。相应的，表面等离激元的传播速度也小于介质中的光速。

第三，表面等离极化激元在界面的两侧按指数规律衰减，因而是消逝波。

第四，表面等离极化激元为TM波。其磁场平行于界面且垂直于波的传播方向（）。而电场则有两个分量，一个沿着传播方向（），另一个沿着表面的法线方向（）。在介质一侧，横向电场较强，而纵向电场较弱，平均能流密度平行于波的传播方向；在金属一侧正好相反，电场的横向分量要弱于纵向分量，平均能流密度反转方向，且在数值上要比前者小得多。

在可见与近红外光波段，我们可以采用一种近似的处理方法，即使用金属表面阻抗边界条件（SIBC）[5,6]。SIBC可给出金属外表面切向电场和切向磁场之间的定量关系。因此，我们无需求解金属内部的电磁场而代之以SIBC就可定出所需空间的场分布。