表面等离激元

表面等离激元（SPPs）是沿金属-电介质或金属-空气界面传播的电磁波，实际上是在红外或可见光频率下传播。

表面等离子体极子这一术语解释了该波涉及金属中的电荷运动（表面等离子体）和空气或电介质中的电磁波（极子）。

它们是一种表面波，沿着界面被引导，与光在光纤中被引导的方式基本相同。SPPs的波长比真空中相同频率的光（光子）要短。因此，SPPs可以有更高的动量和局部场强。垂直于界面，它们有亚波长尺度的限制。一个SPP将沿着界面传播，直到其能量被金属吸收或散射到其他方向（如自由空间）而损失。

SPP的应用使显微镜和光刻技术中的亚波长光学超过了衍射极限。它还实现了对光本身的一个基本属性的首次稳态微机械测量：光子在电介质中的动量。其他应用包括光子数据存储、光产生和生物光子学。

SPPs可以被电子和光子激发。电子的激发是通过向金属的主体发射电子而产生的。当电子散射时，能量被转移到大块等离子体中。与表面平行的散射矢量的分量导致了表面等离子体的形成。

对于一个光子激发一个SPP，两者必须有相同的频率和动量。然而，对于一个给定的频率，自由空间的光子比SPP的动量小，因为两者有不同的色散关系（见下文）。

这种动量不匹配是空气中的自由空间光子不能直接耦合到SPP的原因。出于同样的原因，光滑金属表面的SPP不能作为自由空间光子发射到电介质中的能量（如果电介质是均匀的）。这种不相容性类似于全内反射过程中发生的缺乏传输。

然而，光子与SPP的耦合可以通过使用耦合介质，如棱镜或光栅来实现，以匹配光子和SPP的波矢量（并因此匹配它们的动量）。棱镜可以在克雷希曼配置中靠着一层薄的金属膜，或者在奥托配置中非常靠近金属表面（图1）。光栅耦合器通过增加与光栅周期有关的平行波向量分量来匹配波向量（图2）。

这种方法虽然不经常使用，但对理论上理解表面粗糙度的影响至关重要。此外，简单的孤立的表面缺陷，如沟槽、狭缝或其他平面上的波纹，提供了一种机制，自由空间辐射和SPs可以交换能量，从而耦合。

SPP的属性可以从Maxwell/s方程中推导出来。我们使用一个坐标系，其中金属-电介质界面是z = 0 {displaystyle z=0}平面，金属在z < 0 {displaystyle z<0}，电介质在z > 0 {displaystyle z> 0}。电场和磁场作为位置( x , y , z ) {displaystyle (x,y,z)}和时间t的函数。

其中，

• n表示材料（1表示金属在z < 0 {displaystyle z<0}或2表示电介质在z > 0 {displaystyle z>0}）；
• ω是波的角频率；
• ± {displaystyle pm }对于金属是+，对于电介质是-。
• E x , E z {displaystyle E_{x},E_{z}}是电场矢量的x和z分量，H y {displaystyle H_{y}}是磁场矢量的y分量。
• k是波矢量；它是一个复数矢量，在无损SPP的情况下，事实证明，x分量是实数，z分量是虚数--波沿x方向振荡，沿z方向指数衰减。