等离激元学 基础与应用.pdf

内容简介

　　等离激元学作为纳米光子学的重要组成部分，是目前极具发展前景的研究领域之一。它主要研究限制在光波长量级（或小于光波长）的电磁场，以及在金属界面或微纳金属结构中电磁辐射和传导电子的相互作用过程，这种相互作用将导致亚波长尺寸的光学近场增强。《现代光子学系列译丛·等离激元学：基础与应用》涵盖了等离激元学科的基本理论和应用方向，分为两个部分：第一部分从经典电磁场理论的基本描述开始，讨论了导电材料的特性，详细描述了可见光区域的表面等离极化激元和局域表面等离激元，以及低频下的表面电磁波模式；第二部分主要介绍了该学科的应用方向，包括等离激元波导，用于光透射增强的小孔阵列，以及各种几何形状的表面增强传感结构，最后，对金属超材料进行了简要的描述。
　　《现代光子学系列译丛·等离激元学：基础与应用》可供高等院校光学、物理电子学、凝聚态物理学和微纳光子学等方向的理工科研究生阅读或作为教材使用，也可供相关领域的科技工作者阅读。

作者简介

　　张彤，东南大学电子科学与工程学院教授，博士生导师。2005年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，主要研究领域包括等离激元学、纳米光子学、微纳光电集成器件及系统、光学惯性传感器件技术等领域。2007年3月至2008年2月作为“华英学者”前往美国哈佛大学应用科学学院（SEAS）纳米光子学实验室访问学习一年，期间主要从事等离激元学方面的研究工作。是国内较早开展表面等离激元研究的学者之一，并在该领域取得了较为丰富的研究成果。围绕金属表面等离激元波导的亚波长光传输特性，高局域光强密度特性等，提出了多种具有显著创新意义的新器件和新波导结构，在金属纳米光学材料及薄膜的可控制备和光学特性方面开展了众多研究，报道了多种纳米材料合成技术，如纳米树枝、纳米链等，研究了金属等离激元功能薄膜的化学自组装制备技术，并应用在光伏、光学传感等领域。研究成果发表在国际光子学领域的高水平学术期刊上，并多次被国际同行引用和评价。先后承担国家自然科学基金项目、教育部博士点基金项目、国防创新项目、国防预先研究项目、预研基金项目、国防863项目等共20余项科研项目。发表论文50余篇，授权美国发明专利4项，授权中国发明专利25项，授权中国实用新型专利近10项。

目录

第一部分 等离激元学基础
第1章 金属电磁学
1.1 麦克斯韦方程组与电磁波传播理论
1.2 自由电子气的介电函数
1.3 气态自由电子的色散特性和体等离激元
1.4 实际金属和带间跃迁
1.5 金属中电磁场能量
第2章 金属／绝缘体界面上的表面等离极化激元
2.1 波动方程
2.2 金属／介质单界面上的表面等离极化激元
2.3 多层体系中的表面等离极化激元
2.4 能量约束和有效模式长度
第3章 二维界面上表面等离极化激元的激发方式
3.1 带电粒子轰击下的表面等离极化激元激发
3.2 棱镜耦合
3.3 光栅耦合
3.4 利用强聚焦光束实现激发
3.5 近场激发
3.6 适用于与传统光子元件集成的耦合方案
第4章 表面等离极化激元传输成像技术
4.1 近场光学显微技术
4.2 荧光成像
4.3 泄漏辐射
4.4 散射光成像
第5章 局域表面等离激元
5.1 亚波长金属颗粒的标准模型
5.2 米氏理论
5.3 超越准静态近似和等离激元寿命
5.4 实际颗粒：颗粒等离激元成像
5.5 局域等离激元间的耦合
5.6 空洞等离激元和金属纳米壳
5.7 局域等离激元与增益介质
第6章 低频电磁表面模式
6.1 太赫兹频段的表面等离极化激元
6.2 波纹表面上的人工表面等离极化激元
6.3 表面声子极化激元

第二部分 等离激元学应用
第7章 等离激元波导
7.1 用于表面等离极化激元传输的平面元件
7.2 表面等离极化激元带隙结构
7.3 沿金属条带的表面等离极化激元传播
7.4 用于强束缚条件下导波和聚焦的金属纳米线及纳米锥
7.5 狭缝与凹槽中的局域模式
7.6 纳米金属颗粒波导
7.7 增益介质的损耗补偿
第8章 小孔与薄膜的光辐射透射
8.1 亚波长小孔的衍射理论
8.2 亚波长小孔中的异常透射
8.3 基于输出端表面图形化的定向出射
8.4 单孔的局域表面等离激元和光透射
8.5 异常透射的新兴应用
8.6 无孔薄膜中的光透射
第9章 发射过程和非线性增强
9.1 表面增强拉曼散射基本原理
9.2 基于微腔场增强的表面增强拉曼散射
9.3 用于表面增强拉曼散射的结构
9.4 荧光增强效应
9.5 纳米金属结构的发光
9.6 非线性增强过程
第10章 光谱学与传感
10.1 单颗粒光谱
10.2 基于表面等离极化激元的传感器
第11章 超材料和表面等离极化激元成像
11.1 超材料和光频下的负折射率
11.2 理想透镜、成像和光刻
第12章 结论