表面等离子体受激辐射放大技术简介
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1、表面等离子体受激辐射放大技术表面等离子体受激辐射放大技术研究研究 在金属中，价电子为整个晶体所在金属中，价电子为整个晶体所共有，形成所谓费米电子气。价电共有，形成所谓费米电子气。价电子可在晶体中移动，而金属离子则子可在晶体中移动，而金属离子则被束缚于晶格位置上，但总的电子被束缚于晶格位置上，但总的电子密度和离子密度是相同的，从整体密度和离子密度是相同的，从整体来说金属是电中性的。人们把这种来说金属是电中性的。人们把这种情况形象地称为情况形象地称为“金属离子浸没于金属离子浸没于电子的海洋中电子的海洋中”。这种情况和气体。这种情况和气体放电中的等离子体相似，因此可以放电中的等离子体相似，因此可以把
2、金属看作是一种电荷密度很高的把金属看作是一种电荷密度很高的低温（室温）等离子体，而气体放低温（室温）等离子体，而气体放电中的等离子体是一种高温等离子电中的等离子体是一种高温等离子体，电荷密度比金属中的低。体，电荷密度比金属中的低。金属板中电子气的位移 （上）金属离子（上）金属离子（+）位于）位于“电子海洋电子海洋”中（灰中（灰色背景），（下）电子集体向右移动色背景），（下）电子集体向右移动 在一个LSP结构中如果存在增益介质，通过表面等离子激元与受激原子间的耦合，可以产生与激光类似的受激放大过程。这就是spaser（surface plasmon amplification by stimul
3、ated emission of radiatio，表面等离子受激辐射放大） 。 SPASER是一种表面等离子受激放大辐射的有源激光工作过程。上图将传统的典型3能级产生激光过程（a）与SPASER产生激光激子过程（b）作了对比。（b）描述了利用银纳米壳和增益介质作为工作介质，由外界施加的能量所激发的电子空穴对在载体分支下释放出激子过程。 SPP原理简介 因为金属中的价电子可以自由移动，入射光可能激起电子气的纵向振动。因为金属中的价电子可以自由移动，入射光可能激起电子气的纵向振动。 如果由于入射电子的作用，金属中电子向右移动了一段距离如果由于入射电子的作用，金属中电子向右移动了一段距离 ，因此在
4、右边，因此在右边就有了电子堆积。设就有了电子堆积。设n ne e为电子密度，右边出现的面电荷密度为为电子密度，右边出现的面电荷密度为-n-ne ee e ，左边，左边的面电荷密度为的面电荷密度为+ +n ne ee e ，则金属的极化强度，则金属的极化强度p p为：为： 由极化产生的电场由极化产生的电场EpEp为为: : 在这个电场的作用下，电子有向左移的倾向，于是产生了振动。如果不考在这个电场的作用下，电子有向左移的倾向，于是产生了振动。如果不考虑振动能量的衰减，单位体积内的电子气的振动方程式为：虑振动能量的衰减，单位体积内的电子气的振动方程式为： 式中式中m m为电子的质量，为电子的质量，
5、e e为电子的电荷量，为电子的电荷量， p p为无衰减时的等离子体振动为无衰减时的等离子体振动的角频率，则的角频率，则 enpeenpEep4422224eneEndtdmnepee0222pdtd或或等离子体子（等离子体子（plasmonplasmon，又称等离激元）的量子能量为：，又称等离激元）的量子能量为：对金属来说，对金属来说，n ne e10102323/cm/cm3 3，将此值代入式（，将此值代入式（5-65-6），可得金属中等离子），可得金属中等离子体子的量子能量约为：体子的量子能量约为：如果考虑了金属内电子的衰减，弛豫时间为如果考虑了金属内电子的衰减，弛豫时间为，在外电场，在外
6、电场的存在下，电子只沿的存在下，电子只沿z z方向运动，则电子的运动方程（方向运动，则电子的运动方程（DrudeDrude方程）为：方程）为： 212)4(menep212)4(menepeVp10)exp(0tiEE)exp(02222tieEdtdmdtdm由此可得：由此可得： 代入代入 ，则复数介电常数，则复数介电常数若忽略衰减，即若忽略衰减，即 时，有：时，有：根据等离子体理论，产生固体等离子体波应满足根据等离子体理论，产生固体等离子体波应满足Eime1112enpe11111114141)(2222*iimenpe122*1)(p0)(*上节所述的是金属内部的等离子体振动，即体积等离
7、子体振动（上节所述的是金属内部的等离子体振动，即体积等离子体振动（Volume Volume plasma oscillationplasma oscillation）。而在金属表面也存在电荷密度振动，称为表面）。而在金属表面也存在电荷密度振动，称为表面等离子体振动，其角频率等离子体振动，其角频率s s与体积等离子体的不同，它们之间存在以下与体积等离子体的不同，它们之间存在以下关系：关系：若金属表面覆盖有介电常数为若金属表面覆盖有介电常数为 的薄层，则这种特殊表面的等离子体振的薄层，则这种特殊表面的等离子体振动的角频率动的角频率 msms为：为：2ps1pmsspaser量子密度矩阵方程 SP
