以下文章来源于爱光学 ，作者有理想

表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons, SPPs）是一种存在于金属表面，由自由电子和外界电磁场相互耦合形成的电磁振荡。它可以将电磁波束缚在金属纳米结构周围，实现在亚波长的局域空间内形成巨大的电磁场增强，进而促进光与物质的相互作用。等离激元的独特性质使其能够突破传统衍射极限限制，进而在纳米尺度的光波传输和控制、亚波长孔径下的光传输增强、天线设计、微纳器件优化和高分辨率成像等领域内得到广泛应用。此外，随着表面等离激元与新材料、新体系结合的不断加深，表面等离激元光子学还将应用于更多交叉领域，推动光电子科学的研究发展。今天，爱光学将带大家一起领略表面等离激元的独特魅力。

等离激元的理论基础

表面等离激元是指金属表面存在的自由振动的电子与入射光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波，是一种特殊的满足麦克斯韦方程组的电磁模式，能够将电磁场局限在金属表面很小的范围并发生共振增强。图1所示为表面等离激元产生原理示意图。

 图1 表面等离激元示意图

除了平面电介质-金属界面处的表面等离激元，表面电磁激发也可以存在于金属粒子等几何形状中，这种在有限几何形状中的表面激发被称为局域表面等离激元。当小于光波长的金属纳米颗粒捕获光波时，则会产生表面等离子共振，如图2（a）所示；当金属结构至少有一个维度方向上的尺寸接近或者大于共振波长（如纳米线），表面等离激元共振波将会在结构两端之间来回传递，即传导型等离激元共振，如图2（b）所示。局域等离激元共振效应具有以下特点：

金属表面附近的电磁场增强：在局部等离激元共振状态下，电磁场将向周围进行纳米尺度的延伸，并影响附近的物体，例如增强表面吸附分子的拉曼（非弹性）散射、增强金属附近荧光团的荧光发射等，因此有助于实现纳米区域信号的探测；

纳米结构的加热效应：当局域表面等离激元被激发时，吸收的能量就会诱导金属的电子从基态转移到高能态产生热载流子，其中一小部分热载流子通过光致发光或能量转移到周围介质而衰变，大多数热载流子则作为阻尼振荡器，通过电子-光子、电子-电子和电子-声子的耦合进行非辐射衰减，进而导致局部热效应，因此可用于实现光热解吸、光热治疗和材料合成，具体光热转换微观原理如图2（c）所示；

纳米结构奇特的散射和吸收效应：当纳米粒子中电子振荡的频率与入射光的频率相吻合时，入射光子将发生显著的散射、吸收等消光现象，并且不同尺寸的纳米粒子表现出了不同的吸收/散射行为。

图2 （a）局域表面等离激元共振，（b）传导型等离激元共振及（c）等离激元光热转换微观原理示意图

国内外研究现状

19世纪末，Somerfeld和Zenneck分别发现并用数值描述了无线电波可以在金属导体表面传输的现象；

1902年，Wood观察并记录了可见光入射到金属光栅后反射光谱的反常衍射现象，但当时的技术并不能很好地解释这一现象；

1941年，Fano结合前人的理论与实验，首次提出了表面等离激元的概念；

1998年，法国的Ebbesen等人提出了金属薄膜亚波长小孔阵列增强远场透射效应的理论，进一步促成了表面等离子学的形成；

2004年，J. B. Pendry等研究者在人工结构上发现了人工表面等离激元（SSPPs）；

2012年，复旦大学周磊教授课题组通过设计超表面的相位梯度匹配表面等离激元波矢，在微波波段实现了自由空间电磁波到表面等离激元的高效耦合。

2013年，世界首个表面等离激元电路在德国维尔茨堡大学诞生，它可以高效捕捉自由光子，并把它转换成等离激元振荡，以此控制等离激元的运动方向，为可能取代传统集成电路做出了新贡献；

2010-2018年，IBM研发中心和华盛顿大学先后报道了等离激元技术和芯片结合，运算速度达到25-100 GHz的光电芯片；

2015年，深圳大学林佼教授课题组设计了一种超表面结构，实现解析出与其作用的光子自旋特性，并将其编码到表面等离激元的位相中，首次实现了金属纳米孔径对光子两个自旋态的异常透射响应；

2023年，韩国学者利用表面等离子体极子，在半径约为3 cm的100 nm厚的钛（Ti）薄膜上产生的表面波，热传导率增加了约25%。

神兵利器：助力前沿光学领域实现应用

为满足人们越来越高的信息处理需求，发展高度集成化的光子器件成为了可靠的的发展途径之一。随着等离激元光子学的不断发展，研究人员发现利用其特性可实现开发高性能高集成度的光学器件、高性能与多功能的天线、等离子激元光刻等前沿技术。具体案例如图3所示：

（1）通过设计表面等离子激元结构，可以有效改善LED和激光器的内量子效率、光提取效率、调制带宽等性能；

（2）通过调节环状谐振器的半径以及人工表面等离激元传输线与环状谐振器之间的耦合效应，可实现电磁波传输特性的调控；

（3）基于等离子激元所具有的共振增强和纳米聚焦等突出特性，该技术还可与光刻技术相结合，进而实现高分辨率、超产量的等离子激元光刻；

（4）表面等离子体激元的新传热模式，提高薄膜的热导率，并实现半导体元器件的散热能力；

（5）通过将等离子激元的高空间分辨能力与拉曼、红外、荧光等分子光谱分析技术相结合，可以发展出一系列优秀的成像技术，实现从组织到亚细胞水平的各种生物过程的实时监测。

图3 等离子激元的前沿应用案例

未来展望

近年来，人们已实现设计和制造各种基于表面等离子激元的天线、纳米激光器、光子器件等产品，并在实际工程应用中实现了更高的集成度、更良好的性能和更小的尺寸。未来，人们对表面等离子激元的研究将向多维化、实用化的方向发展，等离子激元与超材料相结合的前沿研究及应用，或将推动亚波长波导、纳米天线、超级透镜、光学隐形斗篷、超透镜、平面放大超透镜和光集中器等新型器件的发展，实现显著增强包括荧光、拉曼散射、热产生、光声效应、光催化等各种光-物质相互作用过程。总而言之，表面等离子激元在光学和纳米科学等前沿领域都具有广阔的应用前景，相关研究的突破将为科学技术的发展奠定基础。

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