第9讲-金属光学和体积等离子体激元资料下载.pdf

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“电性”比“中性”更重要（电离度10-4）6neutral:

电中性的，solarcorona:

日冕宇宙中的等离子体宇宙中的等离子体等离子体等离子体:

物质的第物质的第4种状态种状态不同于普通的中性气体不同于普通的中性气体:

与电磁场产生强的相互作用与电磁场产生强的相互作用热等离子体气体生成的日冕热等离子体气体生成的日冕宇宙中宇宙中99%的物质的物质是等离子体态的是等离子体态的2014/1/1547等离子体和普通气体性质不同普通气体普通气体:

由分子构成，分子之间相互作用力是短程力，仅当分子碰撞时，分子之间的相互作用力才有明显效果等离子体等离子体:

带电粒子之间的库仑力是长程力，库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果；

等离子体中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，产生电场；

电荷定向运动引起电流，产生磁场；

电场和磁场会影响其他带电粒子的运动，并伴随着极强的热辐射和热传导；

等离子体在运动过程中一般都表现出明显的集体行为等离子体的这些特性使它区别于普通气体被称为物质的第四态86根据带电粒子的温度和密度对等离子体分类aurora:

极光，nebula:

星云，fluorescentlight:

荧光，inertialconfinementfusion:

惯性约束核聚变密度（cm-3）温度（度）太阳核心磁约束聚变霓虹灯北极光火焰闪电日冕氢弹星际空间荧光气体液体固体人类居住环境惯性聚变星云太阳风2014/1/1559什么保护了我们地球：

等离子体空间天体等离子体10地球磁场形如漏斗地球磁场形如漏斗，尖端，尖端对着地球的南北两个磁极，因对着地球的南北两个磁极，因此太阳发出的此太阳发出的高能带电粒子流高能带电粒子流沿着地磁场这个沿着地磁场这个漏斗漏斗沉降，沉降，进入地球的两极地区。

进入地球的两极地区。

两极的高层大气，受到高能两极的高层大气，受到高能粒子流粒子流（太阳风太阳风）的轰击后会发出的轰击后会发出光芒，形成光芒，形成极光极光。

2014/1/15611北极光空间天体等离子体12我们的太我们的太阳阳空间天体等离子体2014/1/15713星系：

巨大的聚变反应堆星系：

巨大的聚变反应堆空间天体等离子体14ion:

离子，surfaceplasmonpolariton:

表面等离激元，localizedsurfaceplasmons:

局域表面等离子体固体、液体、气体通常温度过低，密度过大，导致没有等离子体存在固体、液体、气体通常温度过低，密度过大，导致没有等离子体存在我们在室温下能得到等离子体吗？

我们在室温下能得到等离子体吗？

让我们想想金属性质让我们想想金属性质:

自由电子自由电子+离子离子等离子体等离子体?

YesYes三种等离子体共振形式三种等离子体共振形式:

体积等离子体激元体积等离子体激元表面等离子体激元表面等离子体激元局域表面等离子体激元局域表面等离子体激元金属中的等离子体金属中的等离子体电解质溶液：

电解质溶液：

正、负离子液态等离子体半导体：

半导体：

电子和空穴固态等离子体都由自由运动的带电粒子组成，且整体呈电中性2014/1/15815作用在电子上的力作用在电子上的力:

电场力电场力-eE阻尼力阻尼力mv（阻尼频率或阻尼系数阻尼频率或阻尼系数）-eEmv2.2.金属光学金属光学金属的响应是由自由电子的行为决定的在外场E作用下，自由电子可以被看做没有回复力的谐振子damping:

阻尼，ion:

离子，Drudemodel:

杜德模型正离子实正离子实rDrude模型模型16自由电子的运动方程:

m电子质量电子质量阻尼频率阻尼频率（100THz）polarizationvector:

极化矢量mrmrKreE有什么问题吗?

ie/m2rE也可以像也可以像Lorentz模型一样求解模型一样求解N电子密度电子密度则可以得到宏观则可以得到宏观极化矢量极化矢量:

对时间谐振对时间谐振E（t）E0exp（it）,有时间谐振解有时间谐振解r（t）r0exp（it）,代入上式，代入上式，解为解为:

+iNe2/m2P-NerE2014/1/15917然而,问题:

E与P相位相差（退极化场）为什么?

PEext+P让我们考虑一下极化过程:

Eext+哪种情况正确?

+iNe2/m2P-NerE18可以导出介电常数可以导出介电常数:

plasmafrequency:

等离子体频率D0EP0E（等离子体频率等离子体频率）在光频在光频,（）可以被简化为可以被简化为让我们讨论一下不同让我们讨论一下不同时的时的+iNe2/m2P-NerE（）=1-i22pNe20mp=221p电位移=真空电位移+极化矢量2014/1/151019通常情况通常情况:

高频高频（）:

refractiveindex:

折射率，transparent:

透明的，dielectric:

电介质对于高频对于高频p:

0折射率折射率nnin为实数为实数（n0,n=0）金属是透明的金属是透明的（像电介质像电介质）airmetal金属中的电场:

EE0exp（ink0r）20airmetalskindepth:

趋肤深度，reflectance:

反射率，normalincidence:

垂直入射，idealmetal:

理想金属对光频对光频）:

反射率（垂直入射）:

1112222nnnnR通常情况通常情况:

：

当振幅下降为1/e时，波传播的距离0）金属中的电场:

EE0exp（nk0r）,趋肤深度趋肤深度=c/（n）金属中的场金属中的场指数衰减指数衰减金属表面高反射金属表面高反射2014/1/151121perfectconductor:

理想导体对低频对低频）:

1112222nnnnR金属中的电场:

EE0exp（ink0r）exp（nk0r）,趋肤深度=c/n（自己推导）金属表面高反射率金属表面高反射率airmetal22在等离子体频率在等离子体频率p:

通常情况通常情况:

0nplasmafrequency:

等离子体频率波数波数k=nk00折射率折射率0这意味着什么?

没有传导波吗?

2014/1/151223对横波对横波:

ck2p2k2c2让我们再仔细看一下让我们再仔细看一下p:

横向传输波横向传输波允许允许画出画出k-图图（色散关系色散关系）:

p:

cknp:

横向传输波横向传输波禁止禁止transversewave:

横波，dispersionrelation:

色散关系，longitudinalwave:

纵波特别特别,p点点会发生什么会发生什么?

kc/p2p2k2c2（纵波怎样呢纵波怎样呢?

）24（）120p2p23（）（）2nnReImp=2.29x1016HzD=1.82x1015Hzpplasmafrequency:

等离子体频率，Sb:

锑在等离子体频率在等离子体频率（p,横模横模（EMwave）当当=p,纵模纵模（volumeplasmons,non-EMwave）当当p,没有扩散波没有扩散波（场快速衰减场快速衰减,趋肤深度趋肤深度）等离子体共振模态等离子体共振模态32举例举例:

逆金属光栅偏振器逆金属光栅偏振器常规常规（经典经典）光栅偏振器光栅偏振器:

E/反射,E透射（/）（）逆金属光栅偏振器逆金属光栅偏振器:

E/透射透射,E反射反射（形成双折射）wire-gridpolarizer:

栅格偏振器纳米光学中体积等离子体共振的应用纳米光学中体积等离子体共振的应用2014/1/151733Ag的介电常数的介电常数E/E/和和E的透射率的透射率E作业：

作业：

分析分析为什么会出现两种行为为什么会出现两种行为?

（通过考虑光栅结构双折射通过考虑光栅结构双折射）.Reference:

A.Lehmuskero,B.Bai,P.Vahimaa,andM.Kuittinen,“Wire-gridpolarizersinthevolumeplasmonregion,”Opt.Express17,5481-5489（2009）.p330nm34总总结结等离子体）:

具有自由电荷的电离气体金属中的等离子体:

自由电子的密度波,三种类型用Drude模型理解金属的电磁响应体积等离子体:

纵波,p的物理意义,非电磁波,逆光栅偏振器,金属体中的两种传导模态