一、等离子体-物质第四态 如果给物质施加显著的高温或通过加速电子、加速离子等给物质加上能量，中性的物质就会被离解成电子、离子和自由基。不断地从外部施加能量，物质被离解成阴、阳荷电粒子的状态称为等离子体。将物质的状态按从低能到高能的顺序排列依次为固体、液体、气体,等离子体。 等离子体是宇宙中物质存在的一种状态,称为物质第四态.其中含有电子、离子、激发态粒子、亚稳态粒子、光子等,既有导电性又可用磁场控制,而且能为化学反应提供丰富的活性粒子,总体上是电中性的导电气体。自然界中，等离子体普遍存在，地球大气外层的电离层、太阳日冕、恒星内部、稀薄的星云和星际气体都存在等离子体，地球上自然存在的等离子体虽不多见，但在宇宙中却是物质存在的主要形式，估计宇宙中有99%以上的物质以等离子体的形式存在。 二、等离子体的产生 获得等离子体的方法和途径是多种多样的。通常把在电场作用下气体被击穿而导电的物理现象称之为气体放电，如此产生的电离气体叫做气体放电等离子体。人们对气体放电的研究己有相当长的一段历史，目前世界各国有很多研究者正从各个方面研究和发展气体放电。现代气体放电的研究大致可分为两个发展时期:第一个时期是1930年左右，人们从理论上集中对各种气体放电的性质进行了分析和研究，Langmuir首次提出等离子体(plasma)的概念[1] Tonks L, Langmuir I. Oscillations in ionized gases. Phys.Rev., 1929, 33
(2):195-210，即由电子、离子和中性原子组成的宏观上保持电中性的电离物质;第二个时期是1950年左右，人们对受控热核反应的研究。近年来，随着微电子、激光、材料的合成与改性等高新技术的发展，气体放电得到了越来越广泛的研究与应用。运用气体放电获得等离子体是一种直接、有效的方法。迄今为止，人们在实验室和生产实践中产生了各式各样的气体放电形式。按工作气压的不同，气体放电可分为低气压放电和高气压放电;按激励电场频率的不同，可分为直流放电、低频放电、高频放电和微波放电;按放电形式及形成机制可分为汤森放电、辉光放电、弧光放电、电晕放电和介质阻挡放电等。 在等离子体发展的不同阶段和从不同的研究角度，它的分类方法也不同，下面介绍按温度分类的等离子体[２]（见下表）
目录 目录 摘要...................................................................................................................................I Abstract............................................................................................................................V 论文主要创新与贡献......................................................................................................IX 目录..............................................................................................................................XI 第1章绪论.. (1) 1.1金属表面等离子体的研究概况 (1) 1.1.1局域表面等离子体共振(LSPR)和表面等离子激元(SPP) (2) 1.1.2金属表面等离子体的研究历史 (6) 1.2金属孔阵列的研究概况 (10) 1.2.1反常光学透射(EOT)现象 (11) 1.2.2反常光学透射(EOT)现象的机制研究 (13) 1.2.3基于反常光学透射(EOT)现象的应用研究 (16) 1.3本文针对的问题 (24) 1.4本文的主要工作 (25) 第2章研究方法 (27) 2.1数值计算方法概况 (27) 2.2时域有限差分法的历史 (28) 2.3时域有限差分法的基本技术元素 (31) 2.4时域有限差分法的认可度 (37) 2.5本章小结 (38) 第3章金属纳米孔阵列的光学性质 (39) 3.1 引言 (39) 3.2材料结构及计算参数 (40) 3.3结果与讨论 (41) 3.3.1孔形对金属纳米孔阵列光学性质的影响 (41) 3.3.2金属矩形纳米孔阵列的光学性质 (46) 3.4本章小结 (49) 第4章双层金属矩形纳米孔阵列的光学性质 (51) 4.1 引言 (51) 4.2材料结构及计算参数 (51) 4.3结果与讨论 (52) 4.3.1双层薄金属矩形纳米孔阵列的光学性质 (53) 4.3.2双层厚金属矩形纳米孔阵列的光学性质 (54) 4.3.3不同厚度双层金属矩形纳米孔阵列的光学性质 (57) 4.4本章小结 (59) 第5章基于金属矩形纳米孔阵列的光学磁性超材料 (61) 5.1 引言 (61) 5.2材料结构及计算参数 (62) 5.3金属矩形纳米孔阵列的光电磁特性 (64) 5.4本章小结 (69) 第6章基于Ag-Au双金属渔网结构的低损耗光学磁性超材料 (71) XI
第12讲:等离子体(IV)——局域表面等离子体 课本: S.Maier,Plasmonics:Fundamentals and Applications ,Chap.5 董国艳 中国科学院大学材料科学与光电技术学院 纳米光学 (Nano-Optics) 研究生课程 2 课前思考: ?? 金子小颗粒(nm-size)是什么颜色的?为什么它们会成像不同的颜色?
3 1.金属纳米粒子的局域表面等离子体(Localized surface plasmons LSPs ） ????偶极辐射的回顾 LSP 的纳米粒子（准静态近似） LSPR 的大小和形状依赖性（Mie 理论）LSP 的纳米棒（Gans 理论） 3. LSP 粒子之间的耦合 4.LSP 的复杂的纳米结构–球壳 5. 体积等离子体，SPP 和LSP 的比较 本讲内容 2. LSP 的共振条件 ? LSP同SPP 的差异 ? 金属纳米粒子的色彩效果? 各种金属纳米粒子 4 1.金属纳米粒子的LSP ?SPPs :在金属-电介质延展界面上的SP 传输(光子耦合为SP).+ -+ k ?LSPs (localized surface plasmons 局域表面等离子体):在金属纳米粒子/纳米空腔的封闭表面上不传播的SPs ?LSP 的激发将影响透过纳米粒子的光的消光比(= 吸收+散射) →色彩效果 extinction:消光比，absorption:吸收，scattering:散射 LSP 被约束在粒子上
5 金属粒子的色彩效应 过去: 不同的形状&大小→不同的色彩 Au colloids in water (M.Faraday ~1856) Lycurgus Cup 教堂窗户上的彩色玻璃 今天(出于同样原理): colloid:胶体，stained glass:彩色玻璃 聚焦和传导光到纳米粒子上 金属纳米粒子胶体 6 Nano-shell Nano-prism Nano-pentagon Nano-rod Various metal nanoparticles Simplest to analyze Nano-sphere shell:空壳，rod:棒，sphere:球，pentagon:五边形
等离子体物理 姓名: 摘要：本文简要介绍了等离子体的概念，等离子体的发展史，等离子体按焰温度和所处状态的分类，并且例举了在地球上和地球外的常见等离子体，也简单介绍了等离子体在冶炼、喷涂、焊接、刻蚀、隐身和核聚变各个方面的应用。另外，对等离子体的现状做了介绍，对其前景也做了展望。而主要介绍了等离子体物理学的理论，包括粒子轨道理论，磁流体力学和等离子体动力论三个方面，并一一展开详细介绍了这三个理论，最后得出三大理论相互联系的结论。 关键词：等离子体；粒子轨道理论；漂移；等离子体动力论；湍流；孤立子；等离子体中波； 引言： 大家早已熟知物体的固体、液体和气体三态。将固体加热到熔点时，粒子的平均动能超过晶格的结合能，固体会变成液体；将液体加热到沸点时，粒子的动能会超过粒子之间的结合能，液体会变成气体。如果把气体进一步加热，气体则会部分电离或者完全电离，则原子变成离子。如果正离子和负离子数目相等即为等离子体。自20世纪50年代以来，等离子体物理学已发展成为物理学的一个十分活跃的分支。在实验上，已经取得很大的成就。在理论上，利用粒子轨道理论、磁流体力学和动力论已经阐明等离子体的很多性质和运动规律，相信随着人们对等离子体性质研究的不断深入，我们会能够将其应用在更多领域。 一．等离子体概念 从广义上说，等离子体是泛指一些具有足够的能量自由的带电粒子，其运动以受电磁场力作用为主的物质，例如，半导体、电解液都是等离子体。 从狭义上讲，等离子体是普通气体温度升高时，气体粒子的热运动加剧，使粒子之间发生强烈碰撞，大量原子或分子中的电子被撞掉，当温度高达百万开到1亿开，所有气体原子全部电离．电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等．这种高度电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子体【1】。 等离子体又叫做电浆，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固﹑液﹑气外，物质存在的第四态。 在现有的等离子体理论中，无论磁流体力学方程或动力论方程，
基于Fokker-Planck方程的等离子体模拟 ALI SHAJII，DANIEL SMITH MKS Instruments, 90 Industrial Way, Wilmington, MA, USA, 01887 对于各个计算组织，等离子体的 模拟一直是个极大的挑战，有很多不 同近似程度的模拟计算方法。包括完 整的动力学计算方法，流体近似方法 和关于漂移扩散方程的方法。近几年 来，有人用Fokker-Planck方程处理 等离子体中的电子，同时把离子当作 流体进行耦合计算，获得了很好的计 算结果。本章我们将介绍基于通用 Fokker-Planck方程的计算求解过程， 并通过一个具体实例得到电容放电过程的电子密度分布。希望通过该简单模型使读者对等离子放电建模过程有个初步的了解。 1．引言 各种工业等离子体应用“过程”中都存在一个关键步骤[2][3]。历史上曾采用各种不同方法对等离子体进行简化建模，分别对应于不同层面问题所需准确性 [3][5][7]。这些层面包括： ●完整的动力学模型（多组分Boltzmann方程）[4]； ●使用Monte-Carlo方法的颗粒模拟[3]； ●Fokker-Planck近似[1][7]； ●多尺度流动模型（也被称作漂移扩散模型）[3]。 出于种种原因，使得 等离子体的建模和模拟 非常困难。首先，最直接 的使用多流体方程的模 型不能反应相关的等离 子体物理过程。其次，“水 动力学”系数完全取决于 研究的特定问题，不能作 为纯气体或液体的常数 简单测量。最重要的一点 是，完整的动力学模型包 括Boltzmann方程，计算 求解非常困难。 对于完整动力学模型和流动模型之间的需求空白，通常采用Fokker-Planck (FP)近似或者Monte Carlo (MC)颗粒模拟。这两种方法可以在所需计算复杂度和捕获等离子体重要物理细节之间找到一个很好的平衡。 本章的主要目的是展现用COMSOL Multiphysics求解FP方程的功能。为了对该问题给出一个整体认识，我们把侧重点集中在一个简单的例子上。特别是在
表面等离子体共振原理及其应用 李智豪 1.表面等离子体共振的物理学原理 人们对金属介质中等离子体激元的研究, 已经有50多年的历史。1957年Ritchie发现, 高能电子束穿透金属介质时, 能够激发出金属自由电子在正离子背景中的量子化振荡运动, 这就是等离子体激元。后来,人们发现金属薄膜在入射光波照射下, 当满足特定的条件时, 能够激发出表面等离子体激元, 这是一种光和自由电子紧密结合的局域化表面态电磁运动模式。由于金属材料的吸收性质,光波沿金属表面传播时将不断被吸收而逐渐衰减, 入射光波的能量大部分都损耗掉了, 造成反射光的能量为最小值, 这样就把反射光谱的极小值与金属薄膜的表面等离子体共振联系了起来。 1.1 基本原理[1] 光与金属物质的相互作用主要是来自于光波随时间与空间作周期性变化的电场与磁场对金属物质中的电荷所产生的影响,导致电荷密度在空间分布中的变化以及能级跃迁与极化等效应,这些效应所产生的电磁场与外来光波的电磁场耦合在一起后,表达出各种不同光学现象。 等离子体是描述由熔融状态的带电离子所构成的系统,由于金属的自由电子可当作高密度的电子流体被限制于金属块材的体积范围之内,因此亦可类似地将金属视为一种等离子体系统。当电磁波在金属中传播时,自由电子会随着电场的驱动而振荡,在适当条件下,金属中传播之电磁波其电场振荡可分成两种彼此独立的模态,其中包含电场或电子振荡方向凡垂直于电磁波相速度方向的横波模态,以及电场或电子振荡方向凡平行波的传播方向纵波模态。对于纵波模态,自由电子将会沿着电场方向产生纵向振荡的集体运动,造成自由电子密度的空间分布会随时间之变化形成一种纵波形式之振荡,这种集体运动即为金属中自由电子之体积等离子体振荡。 金属复介电常数的实部相对其虚部来说,往往是一个较大的负数,金属的这种光学性质,使金属和介质的界面处可传输表面等离子波,使夹于两介质中间的金属薄膜可传输长程表面等离子波。这两类表面波具有不同于光导波的独特性质,例如,有效折射率的存在范围大、具有场
表面等离子体 （surface plasmons，SPs）是一种电磁表面波，它在表面处场强最大，在垂直于界面方向是指数衰减场，它能够被电子也能被光波激发。表面等离子体是目前纳米光电子学科的一个重要的研究方向，它受到了包括物理学家，化学家材料学家，生物学家等多个领域人士的极大的关注。随着纳米技术的发展，表面等离子体被广泛研究用于光子学，数据存储，显微镜，太阳能电池和生物传感等方面。 表面等离子体 表面等离子体 - 科学历史 1902年，R. W. Wood在光学实验中首次发现了表面等离激元共振现象。1941年，U. J. Fano等人根据金属和空气界面上表面电磁波的激发解释了这一现象。R. H. Ritchie注意到，当高能电子通过金属薄膜时，不仅在等离激元频率处有能量损失，在更低频率处也有能量损失峰，并认为这与金属薄膜的界面有关。1959年，C. J. Powell和J. B. Swan通过实验证实了R. H. Ritchie的理论。1960年，E. A. Stren和R. A. Farrel研究了此种模式产生共振的条件并首次提出了表面等离激元（Surface Plasmon，SP）的概念。在纳米技术成熟之后，表面等离子体受到了人们极大的关注，成为目前研究的热点。它已经被应用于包括生物化学传感，光电子集成器件多个领域。 表面等离子体 - 基本原理
表面等离子体场分布特性 表面等离子体（Surface Plasmons，SPs）是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。其产生的物理原理如下：如作图所示，在两种半无限大、各项同性介质构成的界面，介质的介电常数是正的实数，金属的介电常数是实部为负的复数。根据maxwell方程，结合边界条件和材料的特性，可以计算得出表面等离子体的场分布和色散特性。 一般来说，表面等离子体波的场分布具有以下特性： 1.其场分布在沿着界面方向是高度局域的，是一个消逝波，且在金属中场分布比在介质中分布更集中，一般分布深度与波长量级相同。 2.在平行于表面的方向，场是可以传播的，但是由于金属的损耗存在，所以在传播的过程中会有衰减存在，传播距离有限。 3.表面等离激元的色散曲线在自然光的右侧，在相同频率的情况下，其波矢量比光波矢量要大。 表面等离子体 - 激发方式 表面等离子体 由于在一般情况下，表面等离子体波的波矢量大于光波的波矢量，所以不可能直接用光波激发出表面等离子体波。为为了激励表面等离子体波，需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配，常用的结构有以下几种： 1.采用棱镜耦合的方式：棱镜耦合的方式包括两种：一种是Kretschmann结构：金属薄膜直接镀在棱镜面上，入射光在金属-棱镜界面处会发生全反射，全反射的消逝波可能实现与表面等离子体波的波矢量匹配，光的能量便能有效的传递给表面等离子体，从而激发出表面等离子体波。这是目前广泛用于表面等离子体的科研与生产的一种结构。另一种是Otto结构：具有高折射率的棱镜和金属之间
等离子体物理 等离子体物理学是研究等离子体形成及其各种性质和运动规律的学科。宇宙中的大部分物质都存在于等离子体中。例如，当太阳中心的温度超过1000万度时，太阳的大部分质量处于等离子体状态。地球上空的电离层也处于等离子体状态。19世纪以来对气体放电和20世纪初以来电离层的研究推动了等离子体的研究。自20世纪50年代以来，为了利用轻核聚变反应解决能源问题，等离子体物理的研究蓬勃发展。 1图书信息 书名: 等离子体物理 作者：郑春开 出版社：北京大学出版社 出版时间：2009-7-1 ISBN: 9787301154731 开本：16开 定价: 25.00元 2内容简介 本书比较系统地介绍了等离子体物理的基本概念、基本原理和描述问题及处理问题的方法。书中着重突出物理概念和物理原理，也有必要的数学描述和推导。全书共7章，内容包括：聚变能利用和研究进展、等离子体基本性质及相关概念、单粒子轨道理论、磁流体力学、等离子体波、库仑碰撞与输运过程和动理学方程简介。这些内容都是
从事核聚变和等离子体物理及相关学科研究人员所必需的，也是进一步学习核聚变与等离子体物理及相关学科专业课程的重要基础。为教学使用和学生学习方便，本书编有附录和习题，供查阅选用。 本书适合于核聚变、等离子体物理、空间物理以及基础和应用等离子体物理方向的高年级本科生、研究生和研究人员使用。 3图书目录 第1章聚变能利用和研究进展 1.1 聚变反应和聚变能 1.聚变反应的发现 2.聚变的燃料资源丰富 3.聚变反应是巨大太阳能的来源 1.2 聚变能利用原理 1.聚变能利用的困难 2.受控热核反应条件——劳森判据与点火条件 1.3 实现受控热核反应的途径 1.磁约束——利用磁场约束等离子体 2.惯性约束——激光核聚变 1.4 磁约束原理及其发展历史 1.磁镜装置 2.环形磁场装置 3.托卡马克装置进展 1.5 惯性约束——激光核聚变
LSPs和PSPs的区别 局域表面等离子体（Localized Surface plasmons, LSPs）和传播型表面等离子体（Propagating surface plasmons. PSPs）同属于表面等离子体（SPs）1。 表面等离子体（SP）是存在于金属与电介质截面的自由电子的集体振荡2。SPR是由于入射激光在特殊波长处局域电磁场增强，物理机制是表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman scattering, SERS）和尖端增强拉曼散射（Tip-enhanced Raman scattering, TERS）。 入射光的电场分量诱导球形金属粒子的表面等离子体共振的原理分析（即图1的解读）3。 当入射光照射到贵金属（如：金、银，见脚注1、3）时，在纳米颗粒表面形成一种振荡电场，纳米颗粒中的自由传导电子在振荡电场的激发下集体振荡，入射光子频率与金属纳米颗粒的自由电子云的集体振动频率相等（入射光波长一定）时，发生局域表面等离子体共振（LSPR）。亦可解释为入射光在球形颗粒表面产生电场分量，电子的共谐振荡与激发其的振荡电场频率相同时发生共振，诱导产生LSPR 3。 对于LSPs而言，颗粒内外近场区域的场强会被极大增强，原因是：纳米粒子的尺寸远小于入射光波长，使得电子被束缚在纳米粒子周围局域振荡，导致场强增大。 对于PSPs（部分文章中称为：SPPs4，金属与介质界面上的电子集体激发振荡的传播型表面电磁波），其表面等离子激元（即TM模式）如上图所示。在SPPs 的情况下，沿金属介质界面，等离子体在X和Y方向上传播，在Z方向上衰减， 1等离激元学[M]. 东南大学出版社, 2014. 2 Zhang Z, Xu P, Yang X, et al. Surface plasmon-driven photocatalysis in ambient, aqueous and high-vacuum monitored by SERS and TERS[J]. Journal of Photochemistry & Photobiology C Photochemistry Reviews, 2016, 27:100-112. 3邵先坤, 郝勇敢, 刘同宣,等. 基于表面等离子体共振效应的Ag(Au)/半导体纳米复合光催化剂的研究进展[J]. 化工进展, 2016, 35(1):131-137. 4王五松, 张利伟, 张冶文. 表面等离子波导及应用[J]. 中国光学, 2015(3):329-339.
Surface plasmon resonance and field enhancement in #-shaped gold wires metamaterial W. Q. Hu1,2,3, E. J. Liang2*, P. Ding2, G. W. Cai2, and Q. Z. Xue4 1Department of applied physics, Donghua University, Shanghai 201620, China 2School of Physical Science & Engineering and Key Laboratory of Materials Physics of Ministry of Education of China, Zhengzhou University, Zhengzhou 450052, China 3School of Mechanical & Electrical Engineering, Jiaxing University, Jiaxing 314001, China 4Institute of electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China *ejliang@https://www.doczj.com/doc/9a8048580.html, Abstract: A #-shaped gold wires metamaterial is designed for surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) and sensing. The tunability of surface plasmon resonance (SPR) excitations, hotspots distribution, localized field enhancement and sensitivity of the structure are investigated. In contrast to most metamaterial, the #-shaped structure exhibits two pronounced SPRs that are insensitive to the polarization of excitation light. Pure electromagnetic Raman enhancement factors of about 106 are achieved on the symmetrically distributed field hotspots. It is possible to break the usable wavelength range of conventional gold SERS substrates via higher order excitations of the #-shaped metamaterial. In addition, the sensitivity and the figure of merits are found to be comparable or even higher than those of conventional SERS substrates. All these factors together with the high reproducibility nature of metamaterial and its simple planer structure suggest that this structure is very promising for surface enhanced spectroscopy and sensing applications. ?2009 Optical Society of America OCIS codes:(160.3918) Materials: Metamaterials; (240.6680) Surface Plasmons; (240.6695) Surface-enhanced Raman scattering References and links 1. C. E. Talley, J. B. Jackson, C. Oubre, N. K. Grady, C. W. Hollars, S. M. Lane, T. R. Huser, P. Nordlander, and N. J. Halas, “Surface-enhanced Raman scattering from individual Au nanoparticles and nanoparticle dimer substrates,” Nano Lett. 5(8), 1569–1574 (2005). 2. K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, “Single molecule detection using surface-enhanced Raman scattering (SERS),” Phys. Rev. Lett. 78(9), 1667–1670 (1997). 3. Y. Lu, G. L. Liu, J. Kim, Y. X. Mejia, and L. P. Lee, “Nanophotonic crescent moon structures with sharp edge for ultrasensitive biomolecular detection by local electromagnetic field enhancement effect,” Nano Lett. 5(1), 119–124 (2005). 4. R. Bukasov, and J. S. Shumaker-Parry, “Highly tunable infrared extinction properties of gold nanocrescents,” Nano Lett. 7(5), 1113–1118 (2007). 5. L. J. Sherry, R. Jin, C. A. Mirkin, G. C. Schatz, and R. P. Van Duyne, “Localized surface plasmon resonance spectroscopy of single silver triangular nanoprisms,” Nano Lett. 6(9), 2060–2065 (2006). 6. G. H. Jeong, Y. W. Lee, M. Kim, and S. W. Han, “High-yield synthesis of multi-branched gold nanoparticles and their surface-enhanced Raman scattering properties,” J. Colloid Interface Sci. 329(1), 97–102 (2009). 7. Y. C. Liu, and S. J. Yang, “Improved surface-enhanced Raman scattering based on Ag-Au bimetals prepared by galvanic replacement reactions,” Electrochim. Acta 52(5), 1925–1931 (2007). 8. S. Enoch, R. Quidant, and G. Badenes, “Optical sensing based on plasmon coupling in nanoparticle arrays,” Opt. Express 12(15), 3422–3427 (2004). 9. Y. Rahmat-Samii, “Frontier research in metamaterials: characterizations, applications and design paradigms,” 18th International Conference on Applied Electromagnetics Communications. (Dubrovnik, Croatia, 2005) pp.1. 10. V. G. Veselago, and E. E. Narimanov, “The left hand of brightness: past, present and future of negative index materials,” Nat. Mater. 5(10), 759–762 (2006). 11. J. Wood, “The top ten advances in materials science,” Mater. Today 11(1-2), 40–45 (2008). 12. A. Alù, and N. Engheta, “All optical metamaterial circuit board at the nanoscale,” Phys. Rev. Lett. 103(14), 143902 (2009). #116276 - $15.00 USD Received 28 Aug 2009; revised 25 Sep 2009; accepted 25 Sep 2009; published 13 Nov 2009 (C) 2009 OSA23 November 2009 / Vol. 17, No. 24 / OPTICS EXPRESS 21843
什么是等离子体？还有什么情况下产生？ 等离子(等离子态,电浆,英文:Plasma)是一种电离的气体, 由于存在电离出来的自由电子和带电离子, 等离子体具有很高的电导率,与电磁场存在极强的耦合作用.等离子体由克鲁克斯在1879 年发现,"Plasma"这个词,由朗廖尔在1928 年最早采用等离子体是存在最广泛的一种物态,目前观测到的宇宙物质中,99%都是等离子体. 等离子态在宇宙中广泛存在,常被看作物质的第四态(有人也称之为"超气态") . 人造的等离子体: 荧光灯,霓虹灯灯管中的电离气体; 核聚变实验中的高温电离气体; 电焊时产生的高温电弧. 地球上的等离子体: 火焰(上部的高温部分) 闪电;大气层; 中的电离层;极光. 宇宙空间中的等离子体:恒星;太阳风;行星际物质;恒星际物质;星云. 等离子体可分为两种:高温和低温等离子体.以上提到的是高温等离子体,高温等离子体的温度,可以高达 1 亿摄氏度.现在低温等离子体广泛运用于多种生产领域.例如:等离子电视,婴儿尿布表面防水涂层, 增加啤酒瓶阻隔性. 更重要的是在电脑芯片中的蚀刻运用, 让网络时代成为现实. 等离子态常被称为"超气态", 它和气体有很多相似之处, 比如: 没有确定形状和体积,具有流动性,但等离子也有很多独特的性质. 这种物质的第四基本形态,就是等离子态(体) .那么,什么是等离子态呢? 在等离子体中,电磁力起主要作用,使原本普通的物质内部出现新的运动形态,比如电子,离子的集体振荡. 等离子体虽然看不见摸不着,但它并不是虚无没用的,相反,它具有相当神奇广泛的作用,因此被称为"法力无边的隐形魔术师". 如:令萨达姆闻风丧胆的隐形武器.在海湾战争中,美国投入了一种新研制出来的隐形飞机,深人到伊拉克腹地进行侦察活动,充分掌握了伊军的布防情况,而伊军对之却毫无办法,因为这种侦察飞机采用了等离子体技术,等离子体具有的屏蔽效应,使雷达无法探测到它的踪迹.在科索沃战争中,以美国为首的北约的隐形侦察机,隐形轰炸机更是大肆发挥了它的威力.英,美, 俄等国都在致力于将等离子(体) 技术应用于军事方面.采用了等离子体技术后,飞机,导弹可以减少飞行阻力30%以上,因此大大提高了飞机,导弹的飞行速度和机动性能.等离子体还可以降低飞机,导弹的防热防护标准和飞行的轰鸣声等.俄罗斯正在开发一种新型的等离子武器,能通过将大气层电离产生的高温高能量,形成一个能量巨大的等离子大气环境区域,将在该区域的天空,太空中飞行的飞机,导弹和航天器击毁. "绿色","清洁"的动力来源. 随着社会的不断发展和人们生活的日益丰富繁荣, 对于电力的需求量也将越来越大.传统的发电技术在为人类做出贡献的同时,也"惹"下不少麻烦,污染了环境,对自然生态和人类健康造成了不小的损害.而且它们的发电效率也不高,所采用的发电来源又大多是不可再生的自然资源.所以,科学家一直在努力寻求一种先进.高效又无污染的发电技术. 而等离子体发电技术正好就能圆科学家们的这一梦想. 等离子体的发电原理是:将带电的高温流体,以极高的速度喷射到稳定的强磁场中,电磁场对带电流体(粒子)施加磁力作用而产生电,直接由热能转变为电能.与传统的火力发电方式相比,等离子体发电具有两大突出特点:一是发电效率高.等离子体发电技术利用发电装置所排泄的温度很高的废气余热来产生蒸汽,以驱动汽轮发电机,从而构成等离子体——汽轮发电的组合发电方式,发电有效率可比火电提高百分之五十以上.二是对环境的污染很轻.等离子发电由于温度很高, 流体燃料燃烧得很充分, 同时, 还因为添加了一些材料, 与发电过程中产生的废气——硫,进行反应,生
等离子体物理及应用领域 什么是等离子体？ 由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系 非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其结合体。 粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合，不可分割。 集体效应起主导作用：等离子体中相互作用的电磁力是长程的。 等离子体是物质第四态 电离气体是一种常见的等离子体 需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体性质。 “电性”比“中性”更重要 ( 电离度 >10-4 ) 放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式 等离子体 电离气体 宇宙中90％物质处于等离子体态 人类的生存伴随着水，水存在的环境是地球文明得以进化、发展的的热力学环境，这种环境远离等离子体物态普遍存在的状态。因而，天然等离子
体就只能存在于远离人群的地方，以闪电、极光的形式为人们所敬畏、所赞叹。 由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。 地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。 日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器 典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理 高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹 等离子体参数空间 密度(cm -3) 温度 (度) 太阳核心 磁约束 聚 变 霓虹灯 北极光 火 闪电 日冕 氢 星际空间 荧光 气体 液 体 固 体 惯性聚变 星 太阳风
等离子体物理学的方法 二. 等离子体的物理特性 等离子体定义为包含大量正负带电粒子、而又不出现净空间电荷的电离气体。等离子体有一系列不同于普通气体的特性： （1）高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。 （2）带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。 （3）宏观上是电中性的。 描述等离子体的一些主要参量为： （1）电子温度。它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子 碰撞电离是主 要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关联。 （2）带电粒子密度。电子密度为，正离子密度为，在等离子体中。
（3）轴向电场强度。表征为维持等离子体的存在所需的能量。 （4）电子平均动能。 （5）空间电位分布。 本实验研究的是辉光放电等离子体。 1.21带电粒子在均匀恒定磁场和电场中的电漂移（如图3所示）： 由电漂移速度公式 ⑵知，带电粒子漂移方向垂直于磁场B 和电场E ，漂移速度的大小与粒子电荷的符号以及粒子的质量都无关，因此，所有正负带电粒子都以相同的速度朝同一方向漂移，不会引起电荷分离，也就不会出现漂移电流。 图2:均匀磁场中带电粒子的回旋图图3：带电粒子电漂移 1.22带电粒子在均匀恒定磁场中重力漂移（如图4所示）： 它是由于粒子在重力场中得到和损失能量时所引起的回旋半径的变化。重力漂移速度与粒子电荷符号有关，正负电荷朝相反的方向漂移，因此会产生电荷分离，引起漂移电流。其他非电性力也有同样的性质。另外，重力漂移速度大小与粒子质量有关，粒子质量越大，漂移速度越大。在许多情况下，重力引起的漂移是可以忽略不计的。
图4：重力漂移 1.3带电粒子在非均匀恒定电磁场中的运动【12】 变化的磁场是指磁场空间分布的非均匀性和磁场随时间的变化，这时粒子的运动方程为： ⑶由于 B 是空间坐标和时间的函数，方程是非线性的，在一般情况下难于求得解析解。然而，如果当回旋半径，螺旋轨道的螺矩远小于非均匀性的特征长度，带电粒子回旋周期远小于场变化的特征时间，即满足所谓的缓变条件能近似地求解运动方程。所以，只要弄清引导中心的漂移运动的性质，就能了解粒子运动的整体特性。这样一种近似处理方法叫做漂移近似。人们广泛利用这种近似来描述强磁场中等离子体的行为。带电粒子在变化磁场中的运动中主要有梯度漂移，曲率漂移： 1.31由磁场梯度引起的梯度漂移（如图5所示） 有关，同时，与电荷符号有关，正负电荷梯度漂移速度与粒子横向动能w ⊥ 将沿相反方向漂移，引起电荷分离，并产生漂移电流。 图5：梯度漂移 1.32带电粒子的曲率漂移（图6所示） 设磁力线有轻微的弯曲，磁力线的曲率半径 R 远大于粒子的回旋半径，且满足缓变条件，带电粒子以速度υ沿磁力线运动，同时绕着磁力线
COMSOL等离子体模拟应用成果分享 对于各个计算组织，等离子体的模拟一直是个极大的挑战，有很多不同近似程度的模拟计算方法。包括完整的动力学计算方法，流体近似方法和关于漂移扩散方程的方法。近几年来，有人用Fokker-Planck方程处理等离子体中的电子，同时把离子当作流体进行耦合计算，获得了很好的计算结果。本章我们将介绍基于通用Fokker-Planck方程的计算求解过程，并通过一个具体实例得到电容放电过程的电子密度分布。希望通过该简单模型使读者对等离子放电建模过程有个初步的了解。 各种工业等离子体应用“过程”中都存在一个关键步骤。历史上曾采用各种不同方法对等离子体进行简化建模，分别对应于不同层面问题所需准确性。这些层面包括： ?完整的动力学模型（多组分Boltzmann方程）； ?使用Monte-Carlo方法的颗粒模拟； ?Fokker-Planck近似； ?多尺度流动模型（也被称作漂移扩散模型）。
各时间步长下Fokker-Planck和Monte Carlo方法的对比 出于种种原因，使得等离子体的建模和模拟非常困难。首先，最直接的使用多流体方程的模型不能反应相关的等离子体物理过程。其次，“水动力学”系数完全取决于研究的特定问题，不能作为纯气体或液体的常数简单测量。最重要的一点是，完整的动力学模型包括Boltzmann方程，计算求解非常困难。 对于完整动力学模型和流动模型之间的需求空白，通常采用Fokker-Planck (FP)近似或者Monte Carlo (MC)颗粒模拟。这两种方法可以在所需计算复杂度和捕获等离子体重要物理细节之间找到一个很好的平衡。
表面等离子体激元简介一．表面等离子体激元表面等离子体（Surface Plasmons）的出现提供了一种在纳米尺度下处理光的方式。表面等离子体通常可以分成两大类——局域表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance）和表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons）。局域表面等离子体共振专指电磁波与尺寸远小于波长的金属纳米粒子中的自由电子的相互耦合，这种等离子体只有集体共振行为，不能传播，但可以向四周环境辐射电磁波。局域表面等离子体共振可以通过光直接照射产生。表面等离子体激元指的是在金属和电介质分界面上传播的一种元激发Excitations），这种元激发源自电磁波和金属表面自由电子集体共振的相互耦合。表面等离子体激元以指数衰减的形式束缚在垂直于传播的方向，由于它的传播波矢要大于光在自由空间中的波矢，电磁波被束缚在金属和电介质的分界面而不会向外辐射，也正是因为这种独特的波矢特性，表面等离子体激元的激发需要满足一定的波矢匹配条件。二．SPPs的激发和仿真方法由于SPSs的波矢量大于光波的波矢量，或者说SPPs的动量与入射光子的动量不匹配，所以不可能直接用光波激发出表面等离子体波。为了激励表面等离子体波，需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配，常用的结构有以下几
种：（1）棱镜耦合：棱镜耦合的方式包括两种，一种是Kretschmannt方式；另一种是Otto方式。（2）采用波导结构（3）采用衍射光栅耦合（4）采用强聚焦光束（5）采用近场激发。目前主要的仿真方法有以下三种（1）时域有限差分法(finite difference time domain，FDTD)：FDTD方法是把Maxwell方程式在时间和空间领域上进行差分模拟，利用蛙跳式(leaf flog algorithm)空间领域内的电场和磁场进行交替计算，电磁场的变化通过时间领域上更新来模仿。优点是能够直接模拟场的分布，精度比较高，是目前使用较多的数值模拟方法之一。（2）严格耦合波法(rigorous coupled—wave analysis，RCWA)：该方法是分析光栅的有利工具，它是基于严格的矢量maxwell 方程来分析。由于在很多的表面等离子的结构中都会引入衍射光栅结构，所以RCWA方法也被越来越多的学者用来分析相关的问题，并且取得了不错的效果。（3）限元法(finite element method,FEM)：该方法是从变分原理出发，将定义域进行有限分割，离散成有限个单元集合。通过区域剖分和分偏差值，把二次泛函的极值问题化为普通多元二次函数的极值问题，后者等价于一组多元线性代数方程的求解。该方法分析的是一种近似结果，不过很多的问题能近似模拟，目前应用也比较广泛。三．SPPs的若干应