表面等离激元纳米聚焦 表面等离激元纳米聚焦是一种通过金属纳米结构将光场能量压缩到远小于衍射极限的纳米尺度区域的技术。其核心原理是：当光照射金属纳米结构时，激发的表面等离激元会沿着金属-介质界面传播，并在特定几何形状（如尖端、间隙或凹槽）处因模式压缩和场增强效应，产生局域化的强电磁场。 1. 基本电磁响应与表面等离激元激发 当电磁波（光）入射到金属表面时，其振荡电场会驱动金属中的自由电子发生集体振荡。 如果入射光频率与金属中自由电子的集体振荡频率相匹配，就会激发表面等离激元——一种沿金属-介质界面传播的电磁表面波。 表面等离激元的波长通常小于入射光在自由空间中的波长，这意味着它可以将光场能量约束在亚波长尺度。 2. 纳米结构中的场局域与增强机制 当表面等离激元传播至金属纳米结构的曲率半径极小或急剧变形的区域（如尖锐的纳米尖端、两个纳米粒子间的狭窄间隙、或锥形纳米沟道）时，其传播会受到阻碍。 由于电荷守恒和边界条件的要求，在这些几何形状突变的区域，振荡的电子会聚集，导致电荷密度显著增加，从而产生极强的局域电场。 这种效应通常被称为“闪电杆效应”或“热点”效应。电场增强因子（局域电场强度与入射电场强度之比的平方）在这些区域可以达到 \(10^3\) 至 \(10^{11}\) 甚至更高。 3. 典型纳米聚焦结构及其工作原理 金属纳米尖端 ：一个最常见的例子是扫描近场光学显微镜（SNOM或s-SNOM）使用的金属化尖端。当光从尖端侧面或底部照射时，激发的表面等离激元会沿着锥形尖端传播，随着尖端直径逐渐减小至纳米尺度，光场被强烈压缩到尖端顶点，形成一个纳米尺寸的光点。 纳米间隙 ：两个非常接近（例如1-2纳米）的金属纳米粒子或结构（如金纳米球二聚体）之间会形成一个纳米间隙。表面等离激元在间隙中发生耦合，产生巨大的场增强，该区域的电场强度远高于单个粒子。 凹槽或楔形结构 ：在金属表面制作的V形凹槽或楔形结构可以引导表面等离激元向凹槽底部传播。随着凹槽深度增加或宽度减小，能量被限制在越来越小的截面积内，最终在底部实现纳米聚焦。 4. 关键性能参数与影响因素 空间分辨率 ：由聚焦点的有效尺寸决定，可以突破传统光学的衍射极限，达到10纳米以下。 场增强因子 ：取决于金属材料的介电函数（贵金属如金、银在可见光-近红外波段效果最佳）、纳米结构的几何形状（曲率半径越小、间隙越窄，增强越显著）以及入射光的频率和偏振方向。 损耗机制 ：金属固有的欧姆损耗会导致能量以热的形式耗散，这限制了表面等离激元的传播距离和纳米聚焦的最终效率。开发低损耗材料或混合结构是当前的研究方向之一。 5. 应用领域 超高分辨率成像 ：利用纳米聚焦点作为光源，可实现远场光学无法达到的空间分辨率成像。 纳米尺度光刻与操控 ：强大的局域场可用于诱导纳米区域的化学变化，实现纳米光刻，或对纳米粒子、分子进行光学捕获和操控。 增强光谱学 ：将纳米聚焦与拉曼光谱（SERS）、荧光光谱等结合，可极大增强信号，实现单分子检测。 集成纳米光子器件 ：作为纳米激光器、调制器和探测器中的关键单元，用于在芯片上实现光的纳米尺度控制和处理。