（凝聚态物理专业论文）周期性亚波长结构的光学透过性质研究.pdf

摘要 摘要 根据经典的衍射理论，当小孔的孔径远小于入射波长时，从小孔中出射的 光透过率会非常低而且被衍射成均匀的半球。亚波长小孔的低透过和强衍射， 使得在这一尺度上对光的操控变得非常困难。1 9 9 8 年，e b b e s e n 等人在实验中首 次发现，透过银金属薄膜上的亚波长小孔阵列的光被强烈增强了。在之后的研 究中，发现通过在入射面设置周期结构，比如周期凹槽或者小坑阵列，金属膜 上的单个亚波长小孔的光透过也被增强了；而出射面的周期结构则可以限制出 射光形成发散角很小的准直光束发射。具有周期性结构的亚波长小孔的独特透 过特性突破了传统小孔衍射理论的限制，吸引了大量关注，无论其内在理论机 制还是潜在的广泛应用价值都成为人们探索研究的对象。 本文利用时域有限差分方法研究了一些新结构上亚波长狭缝的增强透过效 应及准直光束发射和方向性光发射效应，并对这些效应提出了理论分析；另外 还分析了凹槽周期性在亚波长狭缝增强透过效应中的作用。 针对原有的两边有周期凹槽的亚波长狭缝结构，我们把直接在金属膜上的 凹槽替换为介质膜并且在介质膜上制备周期凹槽，设计了一种介质金属复合膜 结构。透过这种新结构上亚波长狭缝，由于金属膜入射面、出射面上的介质膜 以及介质膜上的凹槽分别对入射光、出射光的调制作用，分别得到了增强透过 现象及准直光束发射和方向性光发射现象。针对透过谱中的两个不同机制的峰， 我们提出了两个模型来解释，这两个模型与模拟结果符合很好；对准直光束和 方向性光发射现象，我们用均匀波、消逝波的衍射理论给出了解释，并且分析 了如何获得高透过效率的准直光束。如果把复合膜结构中介质膜部分的介质、 空气对换，又可以得到一种新的结构，也就是带有亚波长介质突起的金属膜结 构。透过这种结构上的亚波长狭缝也得到了增强透过现象和方向性光发射现象。 我们提出的这些新结构与传统的金属结构不同，由介质结构主导的增强透过现 象开拓了相关领域的视野，对增强透过现象深层机制的理解有着重要的意义。 由于介质膜结构比直接在金属膜表面的凹槽对表面波的作用更加有效率，所以 可以得到更强的透过增强效果和更好的准直光束；而且通过改变介质的参数可 以方便的控制透过光的性质，这些结果对亚波长光学的应用有重要意义。 摘要 另外，我们分析了凹槽周期性在亚波长狭缝增强透过现象中的作用。与通 常的认识不同，我们发现凹槽的周期性并不是增强透过现象的必要条件。在非 周期凹槽围绕的亚波长狭缝中也得到了增强透过现象，只是其增强程度比较低。 实际上，凹槽的周期性是获得强的增强效果的充分条件。在近似周期凹槽的结 果中我们发现，当凹槽位置相对于绝对周期变化较小时，其透过谱和透过峰值 都与绝对周期凹槽的结果十分相似。在现实的实验中，操作误差是不可避免的， 我们的结果，特别是近似周期凹槽时的结果，给这种误差标定了一个允许的范 围，对现实中的亚波长光学结构的加工有重要的指导意义。 最后，我们模拟了一种漏斗形狭缝结构的透过性质，它的出射孔径是亚波 长尺度的。相对于拥有同样出射孔径的普通狭缝，漏斗狭缝结构的透过率被增 强了。漏斗狭缝结构的增强透过峰是由漏斗的结构参数决定的，通过改变漏斗 结构的参数就可以方便的控制透过峰的位置。如果在漏斗结构的出射面设置周 期凹槽或者周期调制的介质膜，在适当条件下就可以得到准直光束发射。与在 入射面制作周期凹槽结构相比，简单的锥形结构更加容易实现，也更容易控制 透过的性质。这些结果对增强透过现象的应用有重要意义。 关键词：亚波长小孔；亚波长狭缝；周期性亚波长结构；增强透过：准直光束； 方向性光发射；表面消逝波 。 a k ：仃a c t a b s t r a c t w h e nl i g h t 协m s m i t s 也r o u g hav e r ys m 矗ua p e r t ec 伽叩孤e d 砌1 h e 哪e l e n g 血 血et r a 姗i s s i o n 、 ，i ub ev 唧l o w 缸dd i 茄砌t oa 触lh a l f - s p h e r e a c c o r d i n gt ot h ed 嬲s i c a l 也e o r yo fd i 妇晒c t i o 几1 1 1 el o w 仃锄s m i s s i o na n dh i g h d i 妇h 甜o nm a k e “v e r yd 磕c i l l tt 0 皿m i p i l l 疵l i g h to nav e r ys m a l ls c a l ef o ra n y t e c l l n o l o 舀c a lp u r p 0 辩i n1 9 9 8 ，e b b e s 吼既a 1 f o u n d 丘r s t l yi ne x p e 血n e m 廿僦t h e 昀1 1 s m i s s i o n 丘啦s u l 细a v e l g 山h o l e 舭可s i n a t h i n m e t a i f i l m w a sc 姗。蝴l y 髓h 王m c e d f l m ：h e rr e 甜c h e sf 矾m dt h a t 1 h e 缸锄锄i s s i 也r o u g h as i n 酉e s u l m ，a v e l e n g i h 雄唧船i nam 砌f i l mc 。叫da l b e 豇1 h 舡i a 。di fi tw 硒吼l r r o l m d e d b yp e r i o d i cs n l l c = t i l r 鹤s u c h 嬲p e d o d i c 伊o o v e so rd i m p l e 彻m y s t h ei n c i d e m s 嘣如eo f t h em e t a l6 l m b yt l l e 删a l i o no fp e r i o d i cs t r 咖麟t h co u q ) u t 鲫“k e ，t h e 协m 鲫n i s s i o n 丘o mt h es i n 舀e 印盯t l l f ew 舔涮i m e dt ob eab e a m i n gl i g h t w i t hv e r y 鲫衄_ i l 锄g i l l 孤d i v 豇誉m c e t h e e s p e c i a lp f o p c n i e so ft h e 缸m l s m i s s i o n 矗o m 也e 砌刑a v e l g l ha p 慑t u w m lp e r i o d i c 蛐m c t i l r e sb r c d k1 h ed i 丘r a c t h e l i m i 僦o n so f t l l e 廿缸m i o n a lt l l c o 如da t 缸；l c tal o to f r e s e 缸c hi n t e r e s t sn o to n l yi n t h e l d e r l y i n gm e c h a n i s mb 啦a l i n t h eb r o a dp c 岫畸a la p p l i c a l i o n s ht l l i sd i s r t a t i o n ，t h e 丘n i t e - d i 岱翻撇廿m e d o i m j nm 甜1 0 di s 锄p l o y e dt 0 s i 酬a t en 哪e r i c a l l y 也e 订a n s m i s s i o n 丘d m 吼l b w a v e l e n g i hs l i t si ns 锄en e w s 旬m c t l l r e s e l 山锄c e d 仃i m 蜘出s s i o n 锄dk 捌n i n gl i g h to rd i r e c t i o n a lh g h te m i s s i o n 矗o m1 h e s b ：t i l r 部a 乩曲i n e d 卸d 锄a l y z e d w ea l s o 锄a l y 瑟1 h ee 丘毫c to f 掣d o 、臀 p e r i o d i c i t ) ro nt h e 仃锄s m i s s i o ne i l ：h a i l c 锄e n t 触nas i n 西es l l b w a v e l e n g t hs h t a c c o r d i n gt ot h e 劬1 l i ：t i l 陀o fas i n g l es ms u n d e db yp a r a 儿c l 掣o d v e si na m e t a l 丘l i n ，w ea l t e rt h eg 啪v e sd i r e c c l yo n 也em e t a lf i l mb yd i e l e c 砸c 丘l mw i 也 g r o o v 髓a n dd e s i g na w 蜘m l o fd i e l e 商c - m e t a lc 锄p o s i t e6 l m s t h o u g hm e s i l _ b w a v c l g t hs l i ti nt h i s 劬m 珊，即h a n c c d 位m s m i s s i o n 卸db c 翘n i n gl i g h to r d i r 嫩o n a l1 i g h te m i s s i o na 0 1 ) t a i n c db y 也em o 出l l a t i o n so fm c l e c 试cf i b 咀1 h e i n c i d e m 勰do u t p l l ts i d e so f 也em c t a lm m 他s p e c t i v e l y w ip r o 、，i d et w om o d e l st 0 e x p l a i nt h e 咖仃柚舳1 i s s i 衄p e a l 【i nl h es p e c 廿眦n ，w b o m e c h a n i s m sa r ev e r ) r a b s n 砸 d i 丘细l tt oe a c ho 也e r t h em o d e l s 如劬c ho u rs i i n u l a t i v e 他s u l t sv e n 7w e u t h e d i f 陆哦i v c 也e o r yo fh o m o g e n e o 璐卸de 、，强e s c e mw a v e si sl l s e dt 0e x p l a i nt h e d i r e c t i o n a ll i g h t 谢s s i o n ，趾ds 锄eh c l p f ms i l g g e s 矗。璐a g i v e nt oo b t a i nb e a m i n g l i g h t 晰mh i g l l 眦s m i s s i o mf u r i h e 曲o r e ，i fe ) 【c h a i l g e 让幛d i e l e c t r i cb l o c ka n d a i rg 印 o ft h cd i e l 洲cp a r ti nt h ed i e l e 硎c - m e t a lc o m p o s 他丘1 m s ，w ec 蛆g 吼a n o 也e rn e w s 虮l c t i l r e ，i e am e t a lf i l n l 诵血p e r i 砌cd i e l e 缸cb 嬲m e 锄r e s t m s i n i s s i o 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h ep a 坷n e c e r s o f 恤d i e l e c 仃i c t h e s e s i l l t sw mb ev e r yh e l p f i l lf o rm ca p p l i c a t i o n so f 飘l b w a v e l e n g l ho p t i c s t h e 硪b c to fg i o v ep e r i o d i c i 锣o nt h e 在m n i s s i o ne r i h 舡i c c m e mo fas i n 西e 吼l b w a v e l c n g i ha p 嘲t i l r ei sa i l a l y z c d 锄dd i s c l l s s e 正r e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r i o d i c 酊 o f 也eg r o o v e si sn o tt h en e c e s s a r yc o n d i 廿o nt 0e i l h a n c et h e 恤s m i s s i o n w h i c hi s d i 矗b e n tt 0o r d i n a r ym d e r 溅g e n i l a n c c dt r a n 锄i s s i o nc 锄a l b eo b t a i n e d t h r o u g hs l i t 谢t hn o n _ p e r i o d i c 孕o o v e s ，a l t h o u g ht h e 伽k m c c m e mi sl o w a c t i l a l l y ， p e i i o d i c i t yo fg r o o v e si s1 h es i l 伍c i 钮tc o n 跚o nt oo b t a i nh i g h 朋h a n c 锄e n t ni s v e r y 鲫【p r i s i n gn l a lt h es p e c 饥l i no fs l i t 谢t ha p p r i 枷e l yp 丽o d i cg r o o v c ss h o w s h i g h 仃锄s m i s s i o n 锄ds h a r 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w w e l 吼g t hh o l e ；刚哪甜e l 锄g i hs l 咄p e 枷i cs 1 1 _ b 啪v c l 锄g t h s b l l c t i l ；a l h 锄c c d 在i m 啦i s s i o n ；b e a m i n gl i g h t ；d i r c c t i 锄l a lh g h t 锄i s s i o n ；鲫响c e e v a n e s o e n tw a v e s v 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：夕蒡钞氓 矽形年，月影日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名在机氓 刊年r 月彳日 第一章引言 第一章引言 根据经典的衍射理论，当小孔的孔径远小于入射波长时，从小孔中出射的 光透过率会非常低而且被衍射成均匀的半球。在文献 1 】中，b e t l l e 分析了波长量 级的小孔的衍射情况，其透过率正比例于r 6 ，。亚波长小孔的低透过和强衍射， 使得在这一尺度上对光的操控变得非常困难。比如近二十年来发展迅速的近场 扫描光学显微镜，它的探针就是一个亚波长尺度的小孔。如何在缩小探针孔径 以便获得更小的分辨率同时又能保证透过率不至于太小而无法探测一直是近场 扫描显微镜面临的主要问题。这一难题实际上也就是亚波长小孔的衍射限制的 问题，如何解决这两个衍射限制也就成为人们一直关注的对象。 1 9 9 8 年，e b b c s 等人在实验中首次发现，金属薄膜上的亚波长小孔，如果 排列成周期阵列，那么透过的光就会被强烈的增强了【2 】。相比于b e t l 赡的理论预 计，这种结构的光透过增强了约1 0 0 0 倍。在之后的研究中发现，通过在入射面 设置周期结构比如周期排列的小坑或者周期起伏结构、周期凹槽结构，金属膜 上的单个亚波长小孔的光透过也被增强了【3 嘲；而且出射面的周期凹槽结构可以 限制出射光形成发散角很小的准直发射光束【6 】。 这些新结构中亚波长小孔的独特透过特性突破了传统小孔衍射理论的限 制，给相关领域的研究注入了新鲜的血液，吸引了大量的科研工作人员投入到 相关的研究中，探讨这些现象的理论机制或者研究其潜在的应用价值。 第一节增强透过现象及其研究概况 1 1 1 亚波长小孔阵列的增强透过现象 1 9 9 8 年，e b b e s e n 等在n a t u r e 杂志上首次报导了亚波长小孔阵列的增强 透过现象( e n l l a n c e dn 卸锄i s s i 蛆) 【2 】。文章中，利用聚焦离子束系统在石英衬 底的银膜上刻蚀出亚波长孔径的小孔阵列，用光谱仪测量了小孔阵列的零级透 过谱。结果显示在特定波长上，小孔阵列的透过率被强烈增强了有些峰值， 经过面积归一化后( 实测透过率除以小孔占表面面积的比例) ，透过率超过了一。 第一章引言 这意味着探测到的透过光大于直接照射在小孔上的光，那么可以推断，小孔阵 列通过某种作用把照射在孔间区域的光也吸引到小孔中并透射出去了。而且与 理论预计比较，实验结果增强了约1 0 0 0 倍。为了理解这一现象的根源，e b b c s 吼 等尝试了增强透过现象对所有可能变量的依赖，例如小孔直径、周期、厚度和 金属的类型等。这些因素的改变都对透过谱产生了影响。比如，阵列的周期决 定了透过峰的位置，孔的宽高比决定了峰的谱宽等。文章中认为，亚波长小孔 阵列的增强透过现象是与表面等离子体相关的，并且提出了两个线索证明这一 猜想。一个是增强透过现象只在金属膜中发现，在非金属中没有，文章中尝试 了锗膜上的亚波长小孔阵列，没有得到增强透过现象，而表面等离子体只能在 金属表面激发，在非金属表面不能激发；第二点就是透过谱与入射角度的依赖 关系，其结果与反射光栅上表面等离子体的行为是一致的。另外，在增强透过 现象中值得一提的是衬底对透过谱的作用，实验中，银膜是蒸镀在石英衬底上 的。文章指出，透过谱中的极小值是由与金属相接的介质的介电常数决定的， 在实验中，存在两个界面：金属一空气和金属一石英衬底，由于两种介质的参 与将会出现较多的峰谷结构。关于介质对透过谱峰谷的决定作用在文献 7 】中有 详细讨论。在以后的研究中，研究工作者设计了一种无衬底的膜【s 】，这种结构的 透过谱的峰谷就简单多了。 继e b b e s c n 等人的工作之后，亚波长小孔阵列的独特透过特性吸引了大量的 关注。人们或者从实验或者从理论上细致分析了增强透过现象，寻找这个现象 的规律以及它的内在机制。下面简单介绍一下这些研究情况。 亚波长小孔阵列增强透过现象的一个重要问题就是小孔阵列结构参数对透 过的影响，这个问题将有助于理解增强透过现象的本质。尽管殴岫n 等已经研 究并提出了一些相关关系，但是这些研究还不够系统。后继的研究中人们从小 孔大小p 】、小孔形状【1 2 。埘、薄膜厚度1 8 之0 】、对称方式【2 l 矧、周期性叫等方面做 了更细致的研究，另外在不同入射波段【2 5 】、衬底的作用p 7 l ，不同材料【3 譬4 6 1 等各个方面对增强透过现象也进行了系统研究。 在初始研究中，小孔都是圆形的，后来人们研究了不同形状的小孔，比如 方孔、长方孔、椭圆孔等。研究中发现，当亚波长小孔从圆形变为长方形之后， 归一化透过率增长了一个数量级【1 3 】。而且，在长方孔和椭圆孔中发现了强烈的 偏振依赖关系。当入射偏振方向垂直于长方孔的长边或者椭圆孔的长轴时，透 过率远远大于偏振方向平行于长边或者长轴时的透过率。其他一些关于偏振问 2 第一章引言 题的讨论也陆续报告出来【4 7 5 3 1 。关于小孔形状的另外一个重要研究就是环形小 孔阵列的增强透过现象【9 】。在环形小孔阵列中，由于孔中波导模式的不同， 得到了比圆孔阵列更强的增强透过效率。 对于小孔阵列的对称方式，研究中使用最多的就是简单直观的4 阶旋转对 称也就是正方格子。对其对称方式，比如3 阶、6 阶旋转对称格子的研究发现， 透过谱形以及透过率都强烈的依赖于小孔的对称性田】，透过率正比于某个小孔 周围孔的数量，这一结果在其他研究中也得到了证吲删。所以对于高阶的对称 其透过率就会高于低阶对称的小孔阵列。 对于衬底的作用，前面已经稍有提及。实际上，由于介质一金属界面的表 面波的性质是由介质、金属的介电性质共同决定的，而表面波的参与导致了小 孔阵列的增强透过现象，它决定了透过谱中峰的位置，所以介质衬底也就可以 影响透过的性质了。一个直接的作用就是通过改变与金属膜相连的介质的折射 率，从而控制透过峰的位置m 】。另外，当金属膜上下两面的介质相同时，此时 两个金属一介质界面激发的表面波相一致，产生共振耦合作用，这种结构就可 以得到更强的透过效率【瑚”。与这种结构类似，在双层金属膜上的小孔阵列中， 由于表面波的共振耦合作用，也可以得到更强的透过效率【6 1 删。 由于可见波段亚波长小孔结构制备的困难，有许多研究是在微波、毫米波 波段进行的。实际上，在这些波段，金属体现为理想导体。而这些波段下小孔 阵列同样得到了增强透过现象，那么理想导体上的小孔阵列是否也有增强透过 现象呢? 这是个重要的问题，因为在传统的理论中，表面波如表面等离子体是 不能在理想导体表面激发的，而表面波共振激发被认为是增强透过现象的原因。 在文献 6 3 6 6 】中，理论上讨论了理想导体表面上表面波的激发。虽然理想导体 表面不能支持表面波，但是当表面存在周期结构如小孔阵列、周期凹槽时，就 可以产生束缚于表面的类似表面等离子体的表面模式。这些表面模式可以发挥 与表面等离子体同样的作用，增强亚波长小孔阵列的透过，甚至可以得到1 0 0 的透过效率。叫。 对于材料的选择，在可见光波段通常选择良导体比如金、银等。在太赫兹、 微波、毫米波波段，普通金属就可以有良好的金属性，则通常选择方便加工或 者容易获取的材料，比如铜、铝、不锈钢等。当然，并不是只有金属中的小孔 阵列才有增强透过现象，在非金属薄膜中，比如半导体，也得到了亚波长小孔 阵列的太赫兹增强透过效应【3 纠卯。实际上，在太赫兹入射下，掺杂半导体表现 3 第一章引言 为金属性，通过激发表面等离子体也可以得到增强透过现象。 除了以上较为系统的研究外，还有一些研究利用其他实验方法探讨了增强 透过现象。比如对小孔阵列时间延时的测量，证明了表面波振荡参与到增强透 过现象中6 7 】；对透过、反射、吸收谱的比较【6 ”川等。 对于小孔阵列的加工方法，一般都采用聚焦离子束( f o c l l s c di o nb e 锄) 系 统，或者采用光刻方法。在一些研究中也提出了更有效的加工方法，比如文献 7 1 】 中，利用电子束刻蚀法制作了更高质量的小孔；利用光刻法，文献 7 2 7 3 】给出 了更方便、更快捷的制作大面积亚波长小孔阵列的方法。 亚波长小孔阵列增强透过的发现之后，大量理论解析、数值计算工作也相 继发表【7 。8 2 】；尽管大部分工作都把增强透过现象归结为表面等离子体与入射波 的共振耦合作用，但是也有一些不同的理论提出，认为表面等离子体在增强透 过现象中的作用并不重要，比如l e z c c 和1 1 1 i o 提出的复合衍射消逝波模型 ( c d e w ) 【8 3 】和文献 8 4 - 8 5 】中认为的波导耦合效应等。 1 1 2 单个亚波长孔缝的增强透过以及光束限制 单个亚波长小孔的增强透过现象最早发表在1 9 9 9 年a d v a n c e dm a t e r i a l s 杂志上【3 】。在这篇工作中，咖等人把小孔阵列中的部分小孔替换为小坑 ( d i m p l e ) ，得到了与小孔阵列相似的透过谱。之后他们探测了入射面有小坑阵 列围绕的单个小孔的透过，得到了增强因子为5 的增强透过。随后，在1 1 1 i o 等 人的工作中【4 】，除了小坑阵列围绕的单孔结构，还提出了圆环形正弦周期起伏围 绕的单孔结构，以及后来的环形周期凹槽围绕的单孔结构【习，在这些结构中都探 测到了增强透过现象。在这些工作中，1 1 1 i o 等人研究了表面等离子体在增强透 过现象中的作用，认为表面等离子体在入射面通过表面的周期结构与入射光的 耦合共振导致了亚波长小孔的增强透过。 金属薄膜入射面的周期结构导致了亚波长小孔的增强透过效应，那么出射 面的周期结构会有什么效果呢? l e z e c 等人的工作发现由于出射面周期凹槽的 作用，从亚波长小孔出射的光被限制形成了“准直”光束( b e 锄i n gl i g h t ) 【6 】。 实验中，在亚波长圆孔周围制备周期圆环凹槽( 称之为“牛眼”结构) ，从牛眼 结构的亚波长小孔中不仅得到了增强透过，而且也得到了发散角约士3 。的准直光 束。另外对于一维的同类结构，也就是亚波长狭缝，周围制备平行狭缝的周期 4 第一章引言 凹槽，也得到了同样的准直光束。不同的是，在不同探测角，得到的透过峰位 置不同，也就是说对应不同的波长，出射光的发射角度发生了变化，这就是方 向性光发射( d i 删i o n a ll i g h te m i s s i ) 现象。 这些对单个亚波长小孔、狭缝的光透过的研究，通过改变金属膜入射面、 出射面的表面特性，分别得到了增强透过和光束限制效应。这两个效应的发现 突破了传统衍射光学中认为的亚波长小孔的低透过、强衍射两个衍射限制，使 得亚波长小孔的应用成为可能，蕴涵了广阔的应用前景。 这些发现一经发表，就吸引了大量关注，许多相关研究成果相继发表。实 验中，在可见【8 硒引、微波8 9 删、太赫兹陟1 0 1 1 、甚至毫米波【1 0 2 】等不同波段的入射 下，相应的亚波长单孔、单缝结构都得到了增强透过现象以及准直光束发射现 象或者方向性光发射现象。利用数值模拟方法时域有限差分法，也对这种 结构进行了研究i l b l 0 5 j 。另外，数值方法( 时域有限差分法、有限元法等) 也常 用来与实验结果进行比较【g 湖。一些获得更高透过效率的结构设置也被提出。 例如，将圆孔改为环形孔，透过率比原先增强很多【9 妒1 0 3 】，而且光束限制能力 也大大提高了【9 6 】；在牛眼结构外围引入布拉格反射器，得到的透过率是没有布 拉格结构的2 6 倍【1 0 0 l 。此外，利用太赫时域探测手段，可以得到与通常的连续 光频域测量不同的表现。例如，在文献 9 8 】的时域探测结果中，牛眼结构每个凹 槽对增强透过的贡献都可以在时域谱中体现出来，这种方法对于分析凹槽在增 强透过现象中的作用十分有意义。 由于牛眼结构以及一维狭缝凹槽结构的独特透过特性，它们具有广泛的潜 在应用价值，比如改进近场扫描光学显微镜的探针、高密度存储、近场成像、 光学器件的小型化等等。这些内容将在下一节中举例讨论。 尽管从一开始，表面等离子体与入射波在表面周期结构的参与下的共振耦 合和解耦合就被用来解释亚波长小孔的增强透过和光束限制效应，但是直接采 用表面等离子体理论进行预测的结果与实验结果有一定差距，对峰值波长以及 发射角度的预测都有一定偏差。现有的一些理论分析主要还是通过解析方法进 行的【8 8 1 婚1 0 9 1 。比如文献 1 0 6 1 0 7 】中，通过理想导体近似和电磁场的模式展开方 法，分别分析了出射面、入射面有周期凹槽结构时亚波长狭缝的方向性光发射 现象和增强透过现象；文献 8 8 】中，利用了亥姆霍兹互惠原理和严格耦合波分析 方法讨论了亚波长狭缝的方向性光发射现象的形成机制。除了表面等离子体共 振机制，也有其他不同的理论提出。文献 8 9 】中，壬i i b b i n s 等人在实验上实现了 5 第一章引言 仅有一对凹槽的亚波长狭缝的增强透过现象和准直光束发射现象。文章中认为， 对于仅仅一对凹槽，没有光栅结构，表面等离子体与入射光的耦合将不会发生， 在增强透过机制中不起作用；增强透过现象是由于狭缝的法布里一珀罗模式和 凹槽中的共振腔模式的共同激发引起的。另外就是【z c c 和1 h o 提出的复合衍 射消逝波模型，关于复合衍射消逝波模型我们将在第三节中详细介绍。， 此外，由于这些新现象的发现，也激发了人们重新探讨亚波长小孔或者狭 缝的透过特性【1 1 0 1 驯。这些研究工作利用理论分析或者数值模拟讨论了表面等离 子体在亚波长孔缝中的激发和对透过的作用，分析了不同小孔参数下的光透过 结果。另外，其他结构的亚波长孔缝，通过对表面性状的处理，也可以得到增 强透过现象以及准直光束发射现象。具体内容将在下一节中讨论。 第二节增强透过现象的应用和对其他研究的启发 1 2 1 增强透过现象的应用 先介绍一下亚波长小孔阵列的应用。 由于亚波长小孔的独特的增强透过特性，以及结构参数、衬底对透过谱性 质的决定作用，许多应用被提出并在实验上验证了其可行性。 前面的介绍中已经提到小孔阵列的透过谱中的峰谷结构是由衬底的折射率 决定的，这样通过控制与金属膜相接的介质的折射率就可以控制从小孔阵列中 出射光的波长。这个控制作用的潜在应用是相当广泛的，例如光开关、滤波器 等等。在文献【3 4 】中，通过改变电压控制与金属膜相接的液晶的折射率，从而控 制金属膜上小孔阵列的出射，文章中讨论了这种控制作用可以作为一些电光器 件的基础，比如平板显示器、空间光调制器、可调滤波器等。在文献 2 9 】中，同 样利用液晶来控制小孔阵列的出射光，讨论了小孔阵列作为滤波器的各项性能。 类似地，由于小孔阵列透过谱对附着其上的物质介电性能的敏感性，可以用来 作为分子传感器【1 弘1 2 6 1 。 在光刻技术上，由小孔阵列增强机制的表面波共振耦合作用的启发，通过 在金属掩模和衬底上同时激发表面等离子体，可以使光刻技术达到亚波长分辨 率【1 2 7 。1 2 甜。 在掺杂半导体膜上的亚波长小孔阵列结构中，在太赫兹入射下，半导体可 6 第一章引言 以表现为金属性从而激发表面等离子体，得到增强的透过光。通过控制温度【柏，4 3 】、 或者入射光强i 卅，控制半导体中载流子的浓度，改变半导体的金属性质，使得 半导体表面激发表面等离子体的性能发生变化，最终控制小孔阵列的光透过。 这些发现可以用来设计温控、或者光控光开关。 另外，实验中发现，小孔阵列激发的表面等离子体可以实现定向发射，而 且可以被适当设计的其他小孔阵列探测转化为自由传播光【l 批1 划，这些发现可以 用来设计基于表面等离子体的光学器件和传感器等。 下面介绍一下周围有周期结构围绕的单个亚波长小孔的应用。 首先介绍一下增强透过效应在近场扫描光学显微镜探针的优化上的应用。 单个亚波长小孔的增强透过现象一经发现，一个非常自然的应用就是作为近场 扫描光学显微镜的探针。近场扫描光学显微镜的发展中，探针的优化是最重要 的工作。为了获得较高的分辨率就必须采用较小孔径的探针，但是孔径越小透 过率越低，就不利于探测。这个矛盾一直制约着近场扫描显微镜的发展。而表 面周期调制的亚波长小孔的增强透过现象的发现给探针优化问题提供了一个有 效的解决方案。在文献 8 6 】中，在光纤的截面上制备了周期小坑围绕的亚波长小 孔( 直径2 0 0 纳米) ，它的透过比相同孔径的传统的光纤拉制的锥形探针的透过 增强了约6 0 倍。 单个亚波长小孔的增强透过的另一个重要应用就是作为小型激光器的发射 孔。文献 1 3 1 】中提出了一种“微孔垂直腔表面发射激光器”，在这种激光器的发 射小孔周围设置周期性同心圆环凹槽后，其发射光的强度是没有周期凹槽结构 小孔的8 倍。 由于出射面凹槽的作用，亚波长小孔的透过光形成了准直光束；在狭缝凹 槽结构中，透过光则形成方向性光发射现象。出射光的汇聚和发散是由出射面 凹槽的参数决定。这样，这些结构就可以作为“透镜”汇聚相应频率的光。文 献 1 3 2 】理论上分析了不同凹槽参数与光汇聚性质的关系，讨论了这种“透镜” 的应用可能性。 亚波长小孔结构的增强透过可以增加它的分辨率，针对这个问题也出现了 一些研究。比如文献【9 9 】中，利用牛眼结构在太赫兹频率进行近场成像的研究。 对于1 0 0 微米的小孔，得到了5 0 微米的分辨率( 约四分之一波长) 。在另外一 些研究中1 3 3 d 蚓，利用有凹槽的亚波长小孔结构设计了一种数据读出系统。在适 当条件下，得到了读出对比度5 0 ，分辨率三分之一波长。 7 第一章引言 1 2 2 增强透过现象对其他研究的启发 先介绍一下小孔阵列的增强透过现象对其他研究的启发。 由于金属膜上亚波长小孔阵列的特殊透过特性，以及小孔阵列导致的金属 表面的共振表面波激发作用，使得金属膜小孔阵列可以作为衬底研究其他物理 现象。比如荧光转换【1 3 3 7 1 、拉曼散射1 3 8 l 等，以小孔阵列作为衬底，都得到了 增强的转换效率。另外在些化学研究中，比如自组装过型u 删、甚至甲醇转 化为甲醛的催化作用中【l4 1 】，亚波长小孔阵列都起到了积极作用。 除了作为衬底，亚波长小孔阵列金属膜的直接参与也使一些研究得到了新 的发现。比如，利用有小孔阵列铝膜做阴极的有机发光二极管，得到了相对于 没有小孔阵列时7 倍的发光效率口4 习；在铁磁钴膜亚波长小孔的光学透过和磁光 效应研究中，由于表面等离子体的共振耦合，在透过谱的透过波段，有小孔阵 列的钴膜的磁光科尔效应比无孔参考钴膜小很爹j 。 亚波长小孔阵列的增强透过现象是在光波或者说电磁波中发现的，那么对 于其他波比如声波、粒子波是否也有相似现象呢? 答案是肯定的。在对声波的 研究中【1 删，研究者用数值方法计算了声波通过很小的狭缝阵列时的透过特性， 得到了与光波情况相似的增强透过结果；在对粒子( 原子) 波的研究中，也得 到了相似的结果【1 4 5 1 ，研究者认为在相应的结构中，原子波也会形成一种表面物 质波，从而得到了增强透过效应。 下面介绍一下单个亚波长小孔的增强透过和准直光束发射、方向性光发射 现象对其他研究的启发。 在牛眼结构中，不仅透过增强了，也使一些非线性现象得到了增强。比如 二次谐波的产生。对于银介质，通常情况下其二次谐波过程是非常弱的，但是 在银膜的牛眼结构中得到了1 0