表面等離激元（SPPs）是沿金屬-電介質或金屬-空氣界面傳播的電磁波，實際上是在紅外或可見光頻率下傳播。表面等離子體極子這一術語解釋了該波涉及金屬中的電荷運動（表面等離子體）和空氣或電介質中的電磁波（極子）。

它們是一種表面波，沿著界面被引導，與光在光纖中被引導的方式基本相同。SPPs的波長比真空中相同頻率的光（光子）要短。因此，SPPs可以有更高的動量和局部場強。垂直于界面，它們有亞波長尺度的限制。一個SPP將沿著界面傳播，直到其能量被金屬吸收或散射到其他方向（如自由空間）而損失。

SPP的應用使顯微鏡和光刻技術中的亞波長光學超過了衍射極限。它還實現了對光本身的一個基本屬性的首次穩態微機械測量：光子在電介質中的動量。其他應用包括光子數據存儲、光產生和生物光子學。

SPPs可以被電子和光子激發。電子的激發是通過向金屬的主體發射電子而產生的。當電子散射時，能量被轉移到大塊等離子體中。與表面平行的散射矢量的分量導致了表面等離子體的形成。

對于一個光子激發一個SPP，兩者必須有相同的頻率和動量。然而，對于一個給定的頻率，自由空間的光子比SPP的動量小，因為兩者有不同的色散關系（見下文）。這種動量不匹配是空氣中的自由空間光子不能直接耦合到SPP的原因。出于同樣的原因，光滑金屬表面的SPP不能作為自由空間光子發射到電介質中的能量（如果電介質是均勻的）。這種不相容性類似于全內反射過程中發生的缺乏傳輸。

然而，光子與SPP的耦合可以通過使用耦合介質，如棱鏡或光柵來實現，以匹配光子和SPP的波矢量（并因此匹配它們的動量）。棱鏡可以在克雷希曼配置中靠著一層薄的金屬膜，或者在奧托配置中非常靠近金屬表面（圖1）。光柵耦合器通過增加與光柵周期有關的平行波向量分量來匹配波向量（圖2）。這種方法雖然不經常使用，但對理論上理解表面粗糙度的影響至關重要。此外，簡單的孤立的表面缺陷，如溝槽、狹縫或其他平面上的波紋，提供了一種機制，自由空間輻射和SPs可以交換能量，從而耦合。

SPP的屬性可以從Maxwell/s方程中推導出來。我們使用一個坐標系，其中金屬-電介質界面是z = 0 {displaystyle z=0}平面，金屬在z < 0 {displaystyle z<0}，電介質在z > 0 {displaystyle z> 0}。電場和磁場作為位置( x , y , z ) {\displaystyle (x,y,z)}和時間t的函數。

其中，

• n表示材料（1表示金屬在z < 0 {\displaystyle z<0}或2表示電介質在z > 0 {\displaystyle z>0}）；
• ω是波的角頻率；
• ± {displaystyle pm }對于金屬是+，對于電介質是-。
• E x , E z {\displaystyle E_{x},E_{z}}是電場矢量的x和z分量，H y {\displaystyle H_{y}}是磁場矢量的y分量。
• k是波矢量；它是一個復數矢量，在無損SPP的情況下，事實證明，x分量是實數，z分量是虛數--波沿x方向振蕩，沿z方向指數衰減。