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亚波长金属结构异常光学透射的物理机制

第一篇：亚波长金属结构异常光学透射的物理机制

1引言

光透射增强现象自1998年由Ebbesen等人在实验中发现以来，

己引起国内外学者广泛关注，相关实验和理论结果己被大量报道。由

此引发的对其物理机制的讨论一直是研究热点。被普遍接受的理论模

型是Ctistis等提出的表而等离波子共振模型，他们认为是由于入射光

与金属表而自由电子的电荷密度藕合形成的表而等离激元导致超强透

射现象。目前比较成熟的理论模型有局域波导共振模型川、复合衍射

隐失波模型和准柱而波模型叫。因为新颖的纳米结构体系导致了许多

新的现象，超强透射效应在诸多领域具有巨大的应用前景，所以研究

各种结构和形状的光学透射特性具有很高价值。大量研究聚焦在对称

形状孔的超强透射效应上，例如圆形、方形和狭缝等。在Koerkamp

人研究了孔的形状对透射产生的强烈影响后，关于非对称形状孔阵列

的超强透射的研究大量展开，例如L形孔与Y形孔。对所研究的大部

分孔来说，会存在一定的对称性，而对于完全不对称孔形的研究还很

少。本文利用三维时域有限差分方法模拟周期性非对称鱼形孔阵列的

超强透射增强特性“因其孔形状为太极图阴阳鱼图的一半，所以我们

称为鱼形图”通过研究结构参数对透射效率的影响!观察电场分布图!具

体分析了表面等离波子共振和局域波导共振在亚波长周期性金属结构

的超强透射中分别所起的作用。

表面等离子体

表面等离子体激元是光和金属表面的自由电子相互作用所引起的

一种电磁波模式，或者说是在局域金属表面的一种自由电子和光子相

互作用形成的混合激发态。在这种相互作用中，自由电子在与其共振

频率相同的光波照射下发生集体振荡。它局限于金属与介质界面附近，

沿表面传播，并能在特定纳米结构条件下形成光场增强，这种表面电

荷振荡与光波电磁场之间的相互作用就构成了具有独特性质的SPPs。

表面等离子体的激发主要包括电子束激发和光激发，这里只介绍光激

发。在同一频率下，表面等离子的波矢总是大于介质中的光波矢。而

我们要用光波磁场去激发表面等离子体，必须在同一频率下使光波的

波矢等于表面等离子体的波矢。所以必须想办法增加k，补偿光子和

表面等离子体之间的波矢失配，使得kspkinck。常用的方法有光

子隧道效应的衰减全反射激发和光栅祸合器激发。亚波长金属结构异

常光学透射的物理机制

在最初的实验中，人们在具有光学厚度的金属膜上加工孔阵列，

入射电磁波仅能通过隧穿效应实现透射。然而实验发现在某些波长处，

其归一化的透射率会超过100%而通常单个亚波长孔的透射率远远小

于1。显然在EOT现象中，金属膜不但没有阻挡入射光，还积极参与

了光的透射过程。从物理学的角度讲，周期孔阵列起到了收集入射光

波来进一步提高透射效果的作用。随后人们相继提出了不同的物理机

制来解释这种光收集行为，到目前为止被广泛认同的观点是金属表面

等离子体激元(SPP波)及其共振效应在EOT现象中扮演着重要角色。

具有SPP波参与的亚波长结构器件能够产生一些传统光学技术达不到

的特殊效果，围绕其中的物理机制、结构设计、器件制备及其应用等

方面的系统研究逐渐形成了目前的新型等离子体纳米光子学研究方向。

由于它研究的亚波长金属或纳米结构能够形成表面等离子体激元共振，

并将入射光波藕合到很小的空间范围内实现增强信号传输，因此它在

生物传感器、纳米光刻技术、光子集成回路和表面增强拉曼散射等领

域具有非常重要的潜在应用。

第二篇：物理实验报告《用分光计和透射光栅测光波波长》

【实验目的】

观察光栅的衍射光谱，掌握用分光计和透射光栅测光波波长的方

法。

【实验仪器】

分光计，透射光栅，钠光灯，白炽灯。

【实验原理】

光栅是一种非常好的分光元件，它可以把不同波长的光分开并形

成明亮细窄的谱线。

光栅分透射光栅和反射光栅两类，本实验采用透射光栅，它是在

一块透明的屏板上刻上大量相互平行等宽而又等间距刻痕的元件，刻

痕处不透光，未刻处透光，于是在屏板上就形成了大量等宽而又等间

距的狭缝。刻痕和狭缝的宽度之和称为光栅常数，用d

表示。

由光栅衍射的理论可知，当一束平行光垂直地投射到光栅平面上

时，透过每一狭缝的光都会发生单缝衍射，同时透过所有狭缝的光