（光学专业论文）亚波长结构金属薄膜中光的异常传输现象及应用.pdf

亚波长结构金属薄膜中光的异常传输现象及应用 摘要 亚波长结构金属薄膜中光的异常传输效应的发现为在金属薄膜中控制光子的运动提 供了有力的工具，其机理和应用的研究是目前幽际上研究工作的一个热点。 本文对周期和准周期结构金属薄膜中异常传输效应的机理和应用进行了深入研究， 具体内容如下： 运用耦合波理论解释了亚波长周期性结构金属膜中异常传输效应的物理机理，理论 清晰证明了异常传输现象的产生机制源于金属孔辅助下的入射光与表面波的瞬衰场的 j 哥台，金属薄膜中的小孑l 对异常传输现象的产生提供了关键的耦合条件，而周期性结构 ：输增强提供了位相匹配条件。耦合波理论不仅较为简单，且物理意义清晰。 w 准周期结构金属薄膜的异常传输现象进行了研究，详尽研究了f i b o n a c c i 小孔链的 占传输谱。由于f i b o n a c c i 结构中的多相位匹配机制，异常传输谱具有多重分形结构。 算了随f i b o n a c c i 序列长度而变化的标度因子，并用f d t d 模拟证实了表面等离子模 月的局域性。研究表明可以用异常传输谱的性质来预测表面等离子波的模场分布，这对 于准周期结构金属薄膜在新型纳米表面等离子体器件的开发应用具有较大作用。 本论文还探讨了具有亚波长结构的金属薄膜中异常传输现象的应用。根据周期结构 金属薄膜异常传输现象的波长选择性，提出了一种新型的彩色滤波器的设计构想，并探 讨了其优化设计方案。这种滤波器特别适用于o l e d 的彩色显示，它不仅具有结构紧凑 的优点，还可以作为o l e d 的电极，同时其所具有的异常传输效应可以提高o l e d 的 光能抽取率。 用傅里叶分析方法研究了具有取样周期结构的金属薄膜的异常传输现象，并探索了 其应用。分析了这种结构的多峰异常传输性质，以及结构参数对传输谱的影响。利用此 性质可以研制结构紧凑的滤波器，在多波长光谱分析和多波长发光器件上可以有较大应 用前景。基于这种结构，还设计开发了双波长滤波器，它具有同时增强荧光发射强度和 提高信号光抽取率的作用，并适宜于小型化，适合在芯片上集成，以及大规模生产，特 别适用于微全分析系统的双波长荧光测试。 关键词：亚波长结构，金属薄膜，光的异常传输现象，表面等离子波，准 周期结构，光学滤波器 e x t r a o r d i n a r yo p t i c a l t r a n s m i s s i o ni n s u b w a v e l e n g t hs t r u c t u r e d m e t a l l i cf i l m sa n d i t s a p p l i c a t i o n a b s t r a c t s i n c ei t sd i s c o v c r yi n19 9 8 ，t h ep h e n o m e n o no fe x t r a o r d i n a r yo p t i c a lt m 8 删8 8 1 0 n h a 躅 a r r o u s e daw o r l d w i d ee n t h u s i a s mt or e s e a r c ho ni t sp h y s i c sm e c h a n i s m a l l di t sa p p i i c a t i o n i l t l l i sw o r k 锄p h a s i z e so nt h es t u d yo ft h em e c h a n i s m o fe x t r a o r d i n a r yo p t i c a lt r a n 8 蛐8 8 1 嘎 t h r o u 曲p e r i o d i ca n dq u a s i p e r i o d i cs u b w a v e l e n g t h h o l ea r r a ymm e t a lt l l m s c i a s s i c a lc o u p l e d w a v et h e o r yi su s e dt oa n a l y z et h ec o u p l i n gp r o c e s sb e t w 咖n g h t a n q t h es u r f a c ep i a s m o n sw a v eo nm e t a lf i l m sw i t hh o l ea r r a y t h ea n a l y s l s8 h o w sc i e a r l y t h e d h y s i c a lm e c h a n i s mo fe x t r a o r d i n a r yo p t i c a lt r a n s m i s s i o n i st h a tt h es p pp l a y 8t h em a i nr o l l i nt h i sp r o c e s s t h ec a l c u l a t i o nd e m o n s t r a t e st h a t ，i n s t e a d o fe n e r g yf l u xd 1 c t l yp a s s m g t h r o u 出t h eh o l e s ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cm o d e sc o u l de x c h a n g ee n e r g yb y o v 盯l a p p i n gt h e e v a n c s c e n t6 e l d su n 妇t h ea s s i s t a n c eo f h o l ea r r a y t h ep e r i o d i c i t yo ft h ea r r a yp r o v l d e st n e m o m 铋咖m a t c h i n g c o n d i t i o nt op r e s e n tt h et r a n s m i s s i o np e a k s t h et h e o r ye x h l b l t 8a g o o d a 盯e 锄e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e p o r t e da n d i ss i m p l ea n dc l e a r - e x t r a o r d i n a r yo p t i c a lt r a n s m i s s i o no nq u a s i p e r i o d i c 。s t r u c t u r e dm e t a l f i l m1 sa 1 8 0 咖d i e d t h e 矗谢u r eo fe x t r a o r d i n a r yo p t i c a lt r a n s m i s s i o no ff i b o n a e e ic h a i no fs u b w a v e l e n 垂h h o l e s o nm e t a lf i l mw a st h e o r e t i c a l l yi n v e s t i g a t e d o w i n g t ot h em u l t i p l ep h a 睁m a t c h i n g m e c h a n i 锄i nf i b o n a c c ic h a i n ，t h em u l t i f r a c t a lt r a n s m i s s i o np r o p e r t y i sf o u n d - lh e a i l n g e f l e e to nt 舢s m i s s i o ns p e c t r u mw i t hi n c r e a s i n g f i b o n a c c is e q u e n c ei so b t 8 1 n e d a tt h e q u a r t * w a v e l e n g mo p t i c a lt h i c k n e s s t h i s b e h a v i o rc a nb ec o n s i d e r e da st h ee v i d c n c et o rm e l o c a l i z a t i o no ft h es u r f a c ep l a s m o nm o d eo nq u a s i p e r i o d i cs t r u c t u r e ，w h i c hw a s v e r i f i e d u s i n gf d t ds i m u l a t i o n b e c a u s eo ft h ep o s s i b i l i t y t op r e d i c tt h es p a t l a ld l s t r i b u t l o no f 1 0 c a l i z e d 口l a s m o nm o d e st h r o u 曲t h et r a n s m i s s i o ns p e c t r u mi nq u a s i p e n o d l cs t r u c t u r e ，m 1 8 s t u d vh a sas i g n i f i c a n ti m p a c tf o rt h ed e s i g na n df a b r i c a t i o no fn o v e ln a l l o 。p l a s m o n l c d e v i c e 8 a b s 丁r a c t u s i n gm e t a l l i cf i l mp e r f o r a t e dw i t hs u b - w a v e l e n g t hp e r i o d i cs t r u c t u r e ，an o v e lc o n c e p t c o l o rf i l t e rf o rm u l t i - c o l o ro l e d d i s p l a yi sp r o p o s e d b a s e do nt h ep h a s e - m a t c h i n gc o n d i t i o n f o re x t r a o r d i n a r yo p t i c a lt r a n s m i s s i o n ，t h r e ep r i m a r yc o l o re m i s s i o n sc a nb eo b t a i n e db y o p t i m i z i n gt h es t r u c t u r e sp e r i o d i c i t y d i s c u s s i o ni sp r e s e n t e dt oi m p r o v et h ep u r i t yo ft h e s e f i l t e r s i ti si m p o r t a n tt h a tt h i st y p ec o l o rf i l t e r s i m u l t a n e o u s l yf i n e n e s st h el o we m i s s i o n e f f i c i e n c yp r o b l e mf o ro l e d s w i t ht h e a i do fe n h a n c e dt r a n s m i s s i o no fm e t a lf i l m o p t i c a lt r a n s m i s s i o np r o p e r t i e so fs a m p l e d - p e r i o ds u b w a v e l e n g t hm e t a l l i ch o l ea r r a y h a v eb e e ns t u d i e du s i n gf o u r i e rt r a n s f o r m a n a l y s i s t h em u l t i w a v e l e n g t he n h a n c e d t r a n s m i s s i o nf e a t u r ei sf o u n d ，w h i c hi sd u et o m u l t i p l ep h a s e m a t c h i n gi nt h i ss t r u c t u r e t h r o u g hc h a n g i n gt h es a m p l i n gp a r a m e t e r s ，t h ei n t e r v a lb e t w e e nt r a n s m i s s i o np e a k sa n dt h e i n t e n s i t yd i s t r i b u t i o nc a n b ea d j u s t e df o rs p e c i a la p p l i c a t i o n s i ti si m p o r t a n tt h a tan o v e lk i n d o fm u l t i 。w a v e l e n g t ho p t i c a lm i c r o - f i l t e rh a sb e e np r o p o s e dt o e x p l o i tt h ea p p l i c a t i o no f p e r i o d i ch o l ea r r a ys t r u c t u r e b a s e do nt h i ss p e c i a ls t r u c t u r e ，an o v e lo p t i c a lf i l t e ri sa l s o d e v e l o p e df o rd u a l - w a v e l e n g t hf l u o r e s c e n c e - s p e c t r o m e t r y , s t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r ea n a l y z e d t om e e tt h er e q u i r e m e n to f d u a l w a v e l e n g t ht r a n s m i s s i o ni nm t a s s ，w i t ht h ef e a t u r e sb o t ht o e n h a n c et h ef l u o r e s c e n c eg e n e r a t i o na n dt oe n h a n c el i g h tt r a n s m i s s i o n ，i na d d i t i o nw i t ht h e f e a s i b i l i t yf o rm i n i a t u r i z a t i o n ，i n t e g r a t i o no no n ec h i pa n dm a s sp r o d u c t i o n ，t h ep r o p o s e d f i l t e r sa r ep r o m i s i n gf o rt h er e a l i z a t i o no fd u a l w a v e l e n g t hf l u o r e s c e n c e s p e c t r o m e t r yi n m i c r o - t o t a l a n a l y s i s s y s t e m k e y w o r d s ：s u b w a v e l e n g t hs t r u c t u r e ，m e t a l l i cf i l m ，e x t r a o r d i n a r yo p t i c a l t r a n s m i s s i o n ，s u r f a c ep l a s m aw a v e ， q u a s i p e r i o d i cs t r u c t u r e ，o p t i c a lf i l t e r 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：诩岣，u 日期： t ，7 年月1 日 指导教师签名：夏宇罾 日期：。7 年猢 ， 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月日 笫一带绪论 第一章绪论 等离子体光学( p l a s m o n i c s ) 是“表面等离子体亚波长光学( s u r f a c ep l a s m o n s s u b w a v e l e n g t ho p t i c s ) ”的简称，是近年迅速发展起来的一门新兴学科，主要是研究纳 米尺度的光现象，办即在远小于光的波长、比现有最小电子器件还小的空i 、开j 旱进行研 究。“p l a s m o n i c s ”等离子体光子学研究内容非常广泛，包括电场增强、表面增强光谱、 增强的光透射、表面等离子体纳米波导、增强的光学力、表面等离子体共振传感器、 表面增强的能量转移及选择性光吸收等等。美国斯坦福大学、美国d n , 7 h 理工学院、美 国加利福尼哑大学、荷兰原子与分子物理研究所、日本早稻田大学、英国帝国学院、 新加坡国立大学、瑞典查尔姆斯理工大学以及中科院物理研究所、台湾大学等科研机 构都在这一新兴学科领域丌展了卓有成效的研究工作。主要研究和成果可以概括为以 下三个方面：( 1 ) 研究人员发现可以通过利用光来产生称作“等离子体振子( p l a s m o n s ) ” 的电子密度波，进而将光信号压缩到极其细微的传输线中；( 2 ) 研究证实，等离子体 光学电路可以实现电脑芯片的高速互连，从而实现芯片间巨量数据的高速传输。等离 子体元器件的引入，还可以提高显微镜的分辨率、提升发光二极管的效率、提高化学 和生物传感器的灵敏度等；( 3 ) 一些科学家提出，等离子体光学材料可以改变物体附 近的电磁场，从而实现隐形。虽然这些潜在的应用不一定能证实是可行的，但是研究 人员仍然以饱满的激情进行等离子体光学的研究，因为这一新兴学科领域让人们对神 秘的纳米世界的未来充满了更多希望。 亚波长周期性结构金属薄膜中光的异常传输是一种新的现象，是目前表面等离子 体亚波长光学研究的一个热点，具有一系列新的应用前景。本文对这种现象的机理进 行了研究，并尝试探索准周期结构的异常超传输现象，并积极挖掘这种现象的应用。 第一章绪论 1 1 亚波长结构金属纳米薄膜中光的异常传输现象概述 光透过具有小孔的光学非透明金属薄膜的过程实际上包括两个物理过程，一个是 光波穿过亚波长小孔的过程，一个是经过小孔上表面衍射后的光波穿越具有一定厚度 的小孔的过程。根据经典理论，光波经过一个尺度小于其波长的小孔时，光波将受到 小孔强烈的衍射效应，根据经典理论【l 】，透过小孔的透过率为7 7 。= 6 4 ( k r ) 4 2 7 刀2 ，式 中，为小孔直径，k = 2 万五为波矢大小，即小孔的透过率和名4 成反比，所以当光波 波长小于小孔半径的时候，即使在金属薄膜厚度趋近于0 的近似下，透过小孔的光强 仍趋近于0 ，如图1 一l 所示。当考虑金属薄膜的厚度h 时，具有厚度h 的小孔可看作 一个波导，对于一个二维圆形小孔，截止波长允 4 r ，所以对于亚波长小孔，小孔中 不存在导膜，上表面的光波只能通过瞬衰场通过d , 孑l n 下表面，光强将随着薄膜厚度 随指数衰减，近一步降低了透过率，如图l 一2 所示，所以按经典理论，光波不能透过 具有亚波长小孔阵列的非透明会属薄膜。在1 9 9 8 年以前，人们主要集中在当小孔尺度 大于光波波长，能在小孔中产生导膜的情况进行研究，并没有人对小孔尺度达到亚波 长的情况进行研究。1 9 9 8 年e b b e s e n t 2 】的实验首次发现了具有亚波长小孔阵列的非透 明金属薄膜对光波的异常传输现象，引起了人们广泛的兴趣和研究。 e b b e s e n 的实验，在大于小孔直径的波长处出现多个透射峰，并且随着波长的增 加，透射峰峰值反而增加，波长最大的谱峰出现在1 0 倍于圆孔直径的波长处，且最为 尖锐。在这些峰值处，归一化传输效率会大于2 ( 对孔的面积进行归一化) ，即透过小 孔光能比照射n d , 孑l 面积上的光能的2 倍还要大，说明小孔不仅能够胳照射在其上的 光全部无衍射的传输到金属薄膜下表面，还能将照射在小孔旁边的相当一部分光也传 输到下表面。e b b e s e n 的实验还表明，当金属薄膜换成非金属薄膜时异常传输现象消 失；与反射型金属光栅的情况相类似，共振发生在入射光波矢与表面等离子波波矢匹 配的情况下，可见，光波与表面等离子波共振耦合对异常传输现象起着至关重要的作 用。但是，照射在金属薄膜上表面光波是如何在表面等离子的作用下通过亚波长的小 孔穿越到金属薄膜的下表面，其物理过程是什么，机理是什么，这个问题引起人们广 一 一 3 第一章绪论 泛关注和兴趣。 图1 - 1 无限薄完全导体金属薄膜的小孔衍射及其透过率曲线示意图。 f i g 1 1 d i f f r a c t i o na n dt y p i c a lt r a n s m i s s i o ns p e c t r u mo fv i s i b l el i g h tt h r o u g has u b w a v e l e n g t h h o l ei na ni n f i n i t e l yt h i np e r f e c tm e t a lf i l m i 刁 图1 - 2 光波透过带有直径小于光波波长的圆柱波导的厚金属薄膜示意图 f i g 1 2ac y l i n d r i c a lw a v e g u i d ew i t har a d i u srm u c hs m a l l e rt h a nt h ew a v e l e n g t ho ft h ei n c i d e n t e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dm i l l e di nam e t a lf i l mo ft h i c k n e s sh t h ee x p o n e n t i a l l yd e c r e a s i n gt a i lr e p r e s e n t s t h ea t t e n u a t i o no ft h es u b w a v e l e n g t hr e g i m e at r a n s m i s s i o ns p e c t r u mc a nr e v e a lt h ed i f f e r e n t p r o p a g a t i n ga n de v a n e s c e n tr e g i m e s e b b e s e n 一一 4 么孓 一i o 一一一一一 第一章绪论 b ( a )( b ) 图1 3 参数变化对零阶透射谱的影响。( a ) 不同正方格子阵列的透射谱。实线：$ l t a 。= 6 0 0 n m ，d = 1 5 0n m ，t = 2 0 0t u n ；虚线：金= 1 0 0 0 n m ，d = 3 5 0n m ，仁3 0 0n m ；点划线：铬口。= 1 0 0 0 n m ，d = 5 0 0 n l n ，t = 1 0 0n n l 。( b ) 银膜中两个相同阵列( a o = 6 0 0 n m ；d = 1 5 0a m ) ，不同厚度结构的透射谱。 实线：t = 2 0 0n m ；虚线：t = 5 0 0 n m 。 f i g 1 3e f f e c t so fp a r a m e t e r so nz e r o o r d e rt r a n s m i s s i o ns p e c t r a ( a ) ，s p e c t r af o rv a r i o u ss q u a r ea r r a y s 鹤 af u n c t i o no f l a o s o l i dl i n e ：a g ，a 0 = 6 0 0 n m ，d2 1 5 0n n l ，t = 2 0 0r i m ；d a s h e dl i n e ：a u ，a o = 1 0 0 0 n m ，d = 3 5 0 锄，卢3 0 0n m ；d a s h e d - d o t t e dl i n e ：c r , a 0 = 10 0 0 n m ，d = 5 0 0n n l ，t210 0a m ( b ) s p e c t r af o rt w o i d e n t i c a la ga r r a y sw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s s e s s o l i dl i n e ：t = 2 0 0r i m ；d a s h e dl i n e ：t = 5 0 0 n m ( t h i s s p e c t r u mh a sb e e nm u l t i p l i e db y1 7 5f o rc o m p a r i s o n ) f o rb o t ha r r a y s ：a o = 6 0 0 n m ；d 。15 0n n l 随后的研究发现，在金属膜对于光波来说是完全导体的情况下，也能发生异常传 输现象【3 。5 1 。对于完全导体来说，表面等离子波并不存在，这个发现引起了激烈的争论， 人们提出了许多理论模型试图解释异常传输现象的机理问题，有人认为，小孔内具有 瞬衰波，光波异常传输的机理在于不同小孔的瞬衰波之间共振加强，也有人认为，当 条件满足时，小孔本身作为谐振腔发生共振引发异常传输效应。值得一提的是，p e n d r y 理论证唰引，存在于小孔内的瞬衰波，即等效于一个表面等离子波，p e n d r y 称其为“人 一qb西一cocoo一甜钟一mtmli上 l_：毋一面co芒一o萄曲一e霉_i毒一 第。章绪论 造表面等离予波”，其作用与通常意义的表瞳i 等离子波完全一样，当金属膜对于光波来 说是非完全导体的情况下，则同时出现通常意义下的表面等离子波和人造表面等离子 波，两者混杂在一起，不能区分。p e n d r y 的：j 二作指出了瞬衰波共振机理和表面等离子 波共振耦合机理之问的联系。现在人们对异常传输效应一般的解释是：当光照射在这 些亚波长d , - 孑l 的表面发生衍射和散射，将会在其上产生瞬衰场，这些瞬衰场一部分由 于隧道效应穿透n d , 孑l 的另一面，在另外一面瞬衰场将会被散射，这样将会形成传播 场，在这早表面等离子激元的近场增强特性对瞬衰场的衰减进行了补偿，有效地提高 了能量的传输效率。在金属薄膜足够薄的时候，金属上下表面的表面等离子激元将会 发生重叠并通过小孔发生相互作用。但是现在关于异常传输机理还不是十分清楚，表 面等离子激元在其中的作用还有不同的解释。 目前，人们已经对各类亚波长结构的会属薄膜对光的穿透性能及其机理进行了广 泛而深入的研究，并提出了许多有价值的应用。到现在为止，国际上研究所涉及的结 构类型主要有三种，即单个d , ：l ，周围具有周期性褶皱的单个小孔和d , - t l 阵列。 1 2 单个小孔 经研究，具有单个d , ：l 的金属薄膜对光也有异常传输作用【7 1 4 】，即透过d , - t l 的光 远大于经典衍射理论的预测。光透过单个d , - t l ，前面已说过，包括衍射损失和经过小 孔的以瞬衰波指数形式的衰减，当d , ：l 的尺度小于光波波长的情况下，在通常情况下 是不可能有光穿透的。但一定厚度小孔本身可以看作一个谐振腔，当光波满足共振条 件时，将产生异常传输现象。当然，正如f j 面所说，在具有一定厚度的d , ；l 中的瞬衰 波等效于一个表面等离子波，故相当于d , - t l 在其周围的金属界面激发了一个局域表面 等离子波，大大增强了小孔上方的电磁场强度，增强电磁波对于小孔的穿透能力，从 而产生了小孔的异常传输效应。这两种物理机制其实本质上是同一物理效应的不同描 述。 鬃 ? 麓 。；翟 圈盛 w a v e l e n g t h ( r i m ) 苕d k 嘭之 喜 ， i。3 i 4 0 06 8 0 0 w a v e l e n g t hm ) 国1 4 金属腱中单孔的光逢射性质。，j - 孔被制作在银金属膜上用白色光源照射。2 0 0 h m 厚的金 属膜中( a ) 一个2 7 0 m a 直径的圆孔和( b ) 它的透射谱线7 0 0 啪厚的金属腱中( c ) 一个2 1 0 h m 3 3 1 0 砌的矩形孔和( d ) 它的偏振相关的透过率曲线。 f i 9 1 4o p t i c a l n a n s m i s s i o n p r o p 删i c s o f s i n g l e h o l e s i n m e t a l f i l m st h o h o i 骼w m i l l e d i n s l l s p e e d e do p t i c a l l y t h i c k a g f i l m s i l l u m i n a t e d w i t h w h n l i g h ta ) ac i r c u l a r f ea n db ) i t s t r a n s m i s s i o ns p e c t r u m f o ra 2 7 0 n md i a m e t c r i n 2 0 0m t h i c k f i l mc ) ar o c t a n g u l a ra p t x t u r ca n dd ) ，i t s t r a n s m i s s i o ns p c c t l u ma sa f u n c t i o no f t h e p o l a r i 髓t i o na n g l e h f o r t h e f o l l o w i n g g e o m e t r i c a l p a r a m e t e r s ： 2 1 0 m n3 3 1 0 m f i l m t h i e v e 7 0 0m n i s , l q l 的形状对于异常传输现象的影响也很大，图1 _ 4 中给出了异常传输透过光光 谱在不同形状下的透射谱我们可以看到，对于矩形狭缝，也可咀产生和圆孔相类似 的异常传输现象，但是，由于矩形狭缝对于各个偏振方向的光并非有各向同性的怿质， 曲i耋曼巷g三 第一章绪论 其芹常传输机制就比对称性好的圆孔的情况复杂得多【1 0 】。小孔的异常传输效应可大大 提高近场光显微镜( s n o m ) 的分辨率f 1 5 】，并在荧光自桐天谱的应用中发挥巨大作用。 1 6 1 8 1 3 周围具有周期性褶皱的单个小孔 随着现代纳米微加工技术的发展，在小孔的周围制作亚波长的结构已经不是难题。 一旦小孔周幽增加亚波长的周期结构，其对于特定波长的光波穿透效应胳有一个数量 级的提高【1 9 j ，其面积归一化透射效率将远远超过单个小孔的透过率【2 0 1 。另外，在出射 面围绕小孔的周期性褶皱将赋予小孔具有聚焦或者控制出射方向的功能【2 0 1 。 在金属薄膜入射面上，小孔周围的周期性结构像一个波长选择天线般地将特定波 长的光波耦合入表面等离子波，从而使小孔上面的电磁场强度极大的增强，致使穿透 小孔的能量大大增强。在这种情况下，小孔的透射谱主要由周期性结构决定，当入射 光的水平分量的波矢，表面等离子波的波矢和周期性结构三者满足波矢匹配的情况下， 金属表面激发出表面等离子波，透射强度大大增强。 若在出射面的小孔周围也同样加上周期性结构，则由于光波与出射面表面等离子 波的干涉作用，出射光束令人惊讶地非常的窄，发散角的数量级小于几度【2 0 】。除了如 图1 5 所示的牛眼结构的周期性结构，还可以在小孔周围作出许多其他周期性结构， 例如，在d , - 孑l 的周围加上平行的周期性沟槽，这类带有双面周期结构的单孔金属薄膜， 可作为一类新型光子元件，他们可以具有透镜的聚焦作用，同时，又可以具有其他作 用【2 3 1 ，例如，当上下两面都具有平行周期性沟槽，且其周期长度不同，则出射光的 方向不依赖于入射光的方向，正是由于单个小孔联系着上下两个周期不同的独立光栅， 使其具备方向定向器的功能，并具有广泛的应用前景。 第审绪论 w a l e n g t hf n m l 图1 5 周围具有周期性结构的单孔或秩缝的透过率性质。( a 】周围具有圆形周期褶皱的单孔( 左 闺) 的透过谱，孔径3 0 0 m n ，周期6 5 0 n m ) ( b ) 八射面( p 1 ) 和出射面( p 2 ) 具有不同周围性沟 槽的单狭缝的光线定向示意囤。 f i g i 一5 0 p t i c a lp r a p e a i 曙o f s i n g l ea p e r t u r e ss u r r o u o d e d b y p e r i o d i cc o m t g a t i o 船a t r a n s m i s s i o n s p e c t r u m o f as i n g l eh o l es u r r o u n d e d b y p e r i o d i cc o r n l g a t i o n s ( 1 e f t ) p r e p a r e d b y f o c u s e d i o n b e a m ( h o l e d i 踟e t e r3 0 0 n m ，p e d e d6 5 0 哪) hs c h e m a t i c i l l 璐t r a t i o n o f r e d i r e c t i n g b e a m b ys i n g l e - s l i ta p e r t u r e s u r r o u n d e db yg r o o v e so f d i f f e r e n t p e r i o d i c i t yo n t h em p u i ( p i ) 蛐do u t p u t ( p 2 ) s u r f a c e s 1 4 小孔阵列 金属薄膜的小孔阵列的异常传输是研究得虽为深入、最为广泛的且应用最广的现 象，这是因为小孔阵列容易通过简单的方式调节其透射潜。金属薄膜的小孔阵列的异 常传输在入射波与表面波发生共振时发生，符合波矢位相匹配。应用波矢位相匹配条 件，固i - 6 中的二维小孔阵列的透射谱的峰值波长可以这样计算： k 2 南j 格 1 上式未考虑小孔的存在及其相关的散射损失，所以由上式计算的峰值略小于实验 值，如图所示。 i；，j-o_ic_，ji j 一甲r 1 32 墨 0 1 5 0 00 0 0 7 0 08 0 09 0 0 w d 忡l e | 1 口廿l 忡m j 图卜6 小孔阵列的透过车谱( a l l ；2 2 5 n m ，石英基底，小孔直径170n m ，周期5 2 0n m ，垂直 射，i i 。为绝对透射强度，目为归一化透射率) f i g1 6 t r a n s m i s s i o ns p e c t r u m o f h o l ea r r a y st h e i a n g u l a r h o l ea r r a y w a s m i l l e d i na 2 2 5 - n m t h i c k a u f i l mo n8g l a s ss u b s t r a t e w i t ha n i n d e x m a t c h i n g l i q u i do n t h ea i rs i d e f h o l e d a m e k r 1 7 0 1 1 1 1 ，p e r i o d5 2 0 n m ) t h e t r a n s m i s s i o ns p e c t r u m i s m e a s u r e da tn o d a l i n c i d e n c eu s i n gc o l l i m a t e d w h i t e l i g h tt h e i n s e ts h o w s t h e i m a g e o f t h ea c t u a la r r a y i i o i s t h ea b s o l u k t r a n s m i s s i o n o f t h ea r r a y a n dn i s t h os a m e t r a n s m i s s i o n h o t n o e m a l i z e d t o t h ea r o c c u p i e d b y t h eh o l e s 从上式可见，异常传输的透射谱和阵列的对称性有关，由d , - l 阵列激发出的表面 等离子波将沿着特定的对称轴传播，它们的极化方向和模式序数( 1 ，】) 有关，这就赋 予小孔阵列的异常传输现象以偏振现象阱l 。在具有小孔阵列的金属膜中，正反两面的 金属膜与介质界面都支持表面等离子波，若金属薄膜上下两面的介质不同，则上下两 面的表面等离子波模式不同，透射涪中有两套透射峰，分别由上下两面的表面等离子 波产生。在许多实际应用中，小孔阵列的长度并非无限，而是有限& 度，这使阵列边 界产生的效应凸显，透射谱将大大改变，出现再发射图谱1 2 5 1 。 小孔的形状和尺寸也会影响透射谱【2 7 1 ，例如，d , ：f l o o 无导膜存在的情况下，当 小孔的形状从圆形变为方形时，将不仅引起单个小孔附近的局域表面等离子波的改变， 二二型奠 也将引起小孔截l r 波长的改三蛭，这此改变都将引起透射谱的变化，但这些影响和由j 目 期陛结构而激发的表面等离r 波的影响_ f _ | | 比是十分小的，透射谱 堂匹是由倒划性结 构所激发的表而等离了波所决定【2 ”。肖透射普的北振峰波长人j 截止波长时透射光 强度随薄膜厚度的增j j u 呈指数下降，所以，薄膜的厚度办为这些结构的关键参数口”。 与小孔阵列相比，狭缝阵列的光谱具有更 富的内容，这是田为在特定的腔场偏 振条件下，狭缝中可能存在导膜，其光滑的结构l l 既包含有狭缝的腔场模式的特性， 又具有周期结构所激发的表面等离子波的特性【2 8 , z 9 1 。 匾v 图1 - 7 制作有字母肌的小孔阵列厦光的透射图。小孔由汇聚粗干束刻蚀方法在银金属腱上制作。 一些小孔被刻连，用来透过光线。当白光照射时，两个字母呈现不同的霸色。小孔阵列的周期决 定t 透过光的_ 额色这里周期被选为5 5 0 和4 5 0 n m ，采获得缸光和绿光。 f i g i - 7 h o l e s i n ad i m p l ea r r a y g e n e r a t i n g t h e l e t t e r s h v i n t r a n s m i s s i o na n a r r a yo f d i m p l e s i s p r e p a r e db y f o c u s e d i o n - h e 帅m i l e n ga l l a g f i l ms o m eo f t h e d i m p l e sa r c m i l l e d t h f o u g h t o t h e o t h e r s i d es o t h a t l i g h t t a i lb e t r a n s m i t t e dw b e i l t h i ss t l l l c t l l g e i s i l l u m i n a t e d w i t h w h i t e l i g h t ，t h e t r a n s m i t t e d c o l o u r i sd e t e r m i n e db ，t h e p e r i o d o f t h ea r r a y i n t h i sc a s e t h e p e r i o d s w e mc h o s e n t o h e5 5 0a n d 4 5 0 r i m r e s p e c t i v e l y t oa c h i e v e t h er e da n d g r e e ne o l o u r s 由于方便的制作工艺，周期