等离子体在光子学中有哪些应用？

等离子体学是纳米光子学中的一个创新概念，它通过将光能限制在纳米尺度的自由电子/表面等离子体振荡场中，将电子学和光子学的特性结合在一起。本文将讨论等离子体学在光子学中的重要性和应用。
 

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等离子体学的重要性
 

等离子体学是纳米光子学中的一个创新概念，它将光能限制在纳米级的自由电子/表面等离子体振荡场中，从而将电子学和光子学的特性结合在一起。

表面等离子体极化子主要是一种高度约束的电磁波，可用于开发微型光学设备，以解决大型衍射受限光子设备和纳米级电子设备之间的尺寸不匹配问题。

纳米级光信号的放大、路由、处理和生成可在医疗、光通信、生物光子学、化学、能量收集和传感应用中发挥关键作用。

表面等离子体表现为局限振荡，这使得开发最新传感器、超小型光学探测器和光学纳米天线成为可能。表面等离子体有助于在纳米尺度上控制和引导光线，以及纳米结构的共振特性。

共振纳米结构具有光-物质相互作用所需的强度，包括显著改善电磁场及其高定位性和散射与吸收过程的大光学截面。

超材料和等离子体可以推动多种光子设计的发展，包括光聚光器、超透镜和超透镜、光学纳米共振器和亚波长导向器，并具有卓越的性能。
 

等离子体应用的基本过程
 

等离子体应用依赖于纳米结构中发生的光学过程，这些结构包含具有自由飞行器振荡和负介电常数的材料。这些过程涉及电子/质子的集体振荡与金属-电介质界面上的光的耦合。

通过对纳米结构的成分、形状和尺寸进行工程设计，可以操纵等离子体的特性，如定位和共振频率。通过在纳米尺度上控制光与物质的相互作用，调整等离子体纳米结构的特性可促进等离子体应用的发展。

等离子纳米结构，特别是支持局部表面等离子体共振（LSPR）的结构，具有很强的电磁场。局部表面等离子体共振可显著增强局部电磁场，从而改善光谱学和传感等不同应用的功能。

例如，通过质子、入射光和吸附在质子纳米结构表面的分子之间的相互作用，表面增强拉曼光谱（SERS）可用于大幅增强拉曼信号。SERS 在成像、生物传感和分析化学中发挥着至关重要的作用。

可以利用等离子纳米结构中的散射和干涉波来提高各种应用的性能。散射和干涉依赖于不同的光学过程，包括等离子体杂化和法诺共振。

等离子体杂化涉及多个纳米结构中的等离子体之间的耦合，而法诺共振则是由于宽背景连续体与离散共振之间的干扰而产生的。

在光子学中，这些过程可用于提高多种应用的性能，包括催化和光催化中的等离子体诱导热电子生成、纳米级器件中的等离子体介导的能量转移以及光伏技术中的等离子体增强光收集。

 

等离子体在光子学中的应用
 

通过提高能量传递效率和光物质相互作用以及增加光提取，等离子过程可在光源和激光器的运行中发挥关键作用。例如，等离子纳米结构可以改善入射光的吸收，从而提高能量传递效率并增强激光性能。

质子纳米粒子可以增加薄膜太阳能电池的光吸收，增强激光的光吸收，改善固体激光材料的反馈。同样，等离子体诱导共振能量转移（PIRET）过程是指能量从等离子体纳米结构转移到相邻的发色团/分子，从而导致发射或其他光物理过程的增强。

因此，PIRET 过程可用于提高发光二极管（LED）的效率和改善基于荧光的传感器性能。表面等离子体共振（SPR）主要是一种涉及金属薄膜中电子和光的集体振荡之间相互作用的现象，会导致特定波长光的强烈散射/吸收。这一过程可用于创建等离子体谐振器/波导，并提高光学生物传感器的选择性和灵敏度。

此外，还可利用等离子纳米结构提高从 LED 或其他光源中提取的光量，从而提高从 LED 设备耦合到周围环境中的光量。这一过程可提高发光二极管的亮度和效率，并实现轻质、灵活和低成本有机发光二极管显示器的应用。
 

最新研究
 

光子集成电路 (PIC) 设计依赖于成熟的纳米制造工艺和优化的、随时可用的光子元件，如耦合器、分光器和光栅。

虽然混合质子元件可以改善 PIC 的功能，如增强非线性、纳米级光学体积和波长级偏振旋转，但大多数 PIC 兼容设计都使用单一质子元件，更复杂的 PIC 需要全新的设计。

在最近发表在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上的一项研究中，研究人员展示了一种将绝缘体上硅（SOI）波导后处理成混合质子集成电路的模块化方法。这些电路由一个纳米聚焦器和一个等离子旋转器组成，后者能产生入射光的二次谐波频率。

研究人员评估了 SOI 波导上每个组件的性能。实验结果表明，在 1320 nm 泵波长下，100 nm2 推断模式区域的强度增强了 200 多倍，这表明等离子电路的模块化方法可促进其在实际应用中的使用。

参考资料
 

Stockman, M. I., Kneipp, K., Bozhevolnyi, S. I., Saha, S., Dutta, A., Ndukaife, J., Kinsey, N., Reddy, H., Guler, U., Shalaev, V. M., Boltasseva, A., Gholipour, B., Krishnamoorthy, H. N. S., MacDonald, K. F., Soci, C., Zheludev, N. I., Savinov, V., Singh, R., Gross, P. et al. (2017). Roadmap on plasmonics. Journal of Optics, 20, 4. https://doi.org/10.1088/2040-8986/aaa114

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作者：Samudrapom Dam

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