周期性亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的光學(xué)透過(guò)性質(zhì)研究.pdf

1、根據(jù)經(jīng)典的衍射理論，當(dāng)小孔的孔徑遠(yuǎn)小于入射波長(zhǎng)時(shí)，從小孔中出射的光透過(guò)率會(huì)非常低而且被衍射成均勻的半球。亞波長(zhǎng)小孔的低透過(guò)和強(qiáng)衍射，使得在這一尺度上對(duì)光的操控變得非常困難。1998年，Ebbesen等人在實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)，透過(guò)銀金屬薄膜上的亞波長(zhǎng)小孔陣列的光被強(qiáng)烈增強(qiáng)了。在之后的研究中，發(fā)現(xiàn)通過(guò)在入射面設(shè)置周期結(jié)構(gòu)，比如周期凹槽或者小坑陣列，金屬膜上的單個(gè)亞波長(zhǎng)小孔的光透過(guò)也被增強(qiáng)了；而出射面的周期結(jié)構(gòu)則可以限制出射光形成發(fā)散角很小的準(zhǔn)直

2、光束發(fā)射。具有周期性結(jié)構(gòu)的亞波長(zhǎng)小孔的獨(dú)特透過(guò)特性突破了傳統(tǒng)小孔衍射理論的限制，吸引了大量關(guān)注，無(wú)論其內(nèi)在理論機(jī)制還是潛在的廣泛應(yīng)用價(jià)值都成為人們探索研究的對(duì)象。 本文利用時(shí)域有限差分方法研究了一些新結(jié)構(gòu)上亞波長(zhǎng)狹縫的增強(qiáng)透過(guò)效應(yīng)及準(zhǔn)直光束發(fā)射和方向性光發(fā)射效應(yīng)，并對(duì)這些效應(yīng)提出了理論分析；另外還分析了凹槽周期性在亞波長(zhǎng)狹縫增強(qiáng)透過(guò)效應(yīng)中的作用。 針對(duì)原有的兩邊有周期凹槽的亞波長(zhǎng)狹縫結(jié)構(gòu)，我們把直接在金屬膜上的凹槽替換為

3、介質(zhì)膜并且在介質(zhì)膜上制備周期凹槽，設(shè)計(jì)了一種介質(zhì)金屬?gòu)?fù)合膜結(jié)構(gòu)。透過(guò)這種新結(jié)構(gòu)上亞波長(zhǎng)狹縫，由于金屬膜入射面、出射面上的介質(zhì)膜以及介質(zhì)膜上的凹槽分別對(duì)入射光、出射光的調(diào)制作用，分別得到了增強(qiáng)透過(guò)現(xiàn)象及準(zhǔn)直光束發(fā)射和方向性光發(fā)射現(xiàn)象。針對(duì)透過(guò)譜中的兩個(gè)不同機(jī)制的峰，我們提出了兩個(gè)模型來(lái)解釋?zhuān)@兩個(gè)模型與模擬結(jié)果符合很好；對(duì)準(zhǔn)直光束和方向性光發(fā)射現(xiàn)象，我們用均勻波、消逝波的衍射理論給出了解釋?zhuān)⑶曳治隽巳绾潍@得高透過(guò)效率的準(zhǔn)直光束。如果把復(fù)

4、合膜結(jié)構(gòu)中介質(zhì)膜部分的介質(zhì)、空氣對(duì)換，又可以得到一種新的結(jié)構(gòu)，也就是帶有亞波長(zhǎng)介質(zhì)突起的金屬膜結(jié)構(gòu)。透過(guò)這種結(jié)構(gòu)上的亞波長(zhǎng)狹縫也得到了增強(qiáng)透過(guò)現(xiàn)象和方向性光發(fā)射現(xiàn)象。我們提出的這些新結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)不同，由介質(zhì)結(jié)構(gòu)主導(dǎo)的增強(qiáng)透過(guò)現(xiàn)象開(kāi)拓了相關(guān)領(lǐng)域的視野，對(duì)增強(qiáng)透過(guò)現(xiàn)象深層機(jī)制的理解有著重要的意義。由于介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)比直接在金屬膜表面的凹槽對(duì)表面波的作用更加有效率，所以可以得到更強(qiáng)的透過(guò)增強(qiáng)效果和更好的準(zhǔn)直光束；而且通過(guò)改變介質(zhì)的參數(shù)可以

5、方便的控制透過(guò)光的性質(zhì)，這些結(jié)果對(duì)亞波長(zhǎng)光學(xué)的應(yīng)用有重要意義。 另外，我們分析了凹槽周期性在亞波長(zhǎng)狹縫增強(qiáng)透過(guò)現(xiàn)象中的作用。與通常的認(rèn)識(shí)不同，我們發(fā)現(xiàn)凹槽的周期性并不是增強(qiáng)透過(guò)現(xiàn)象的必要條件。在非周期凹槽圍繞的亞波長(zhǎng)狹縫中也得到了增強(qiáng)透過(guò)現(xiàn)象，只是其增強(qiáng)程度比較低。實(shí)際上，凹槽的周期性是獲得強(qiáng)的增強(qiáng)效果的充分條件。在近似周期凹槽的結(jié)果中我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)凹槽位置相對(duì)于絕對(duì)周期變化較小時(shí)，其透過(guò)譜和透過(guò)峰值都與絕對(duì)周期凹槽的結(jié)果十分相似

6、。在現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)中，操作誤差是不可避免的，我們的結(jié)果，特別是近似周期凹槽時(shí)的結(jié)果，給這種誤差標(biāo)定了一個(gè)允許的范圍，對(duì)現(xiàn)實(shí)中的亞波長(zhǎng)光學(xué)結(jié)構(gòu)的加工有重要的指導(dǎo)意義。 最后，我們模擬了一種漏斗形狹縫結(jié)構(gòu)的透過(guò)性質(zhì)，它的出射孔徑是亞波長(zhǎng)尺度的。相對(duì)于擁有同樣出射孔徑的普通狹縫，漏斗狹縫結(jié)構(gòu)的透過(guò)率被增強(qiáng)了。漏斗狹縫結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)透過(guò)峰是由漏斗的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的，通過(guò)改變漏斗結(jié)構(gòu)的參數(shù)就可以方便的控制透過(guò)峰的位置。如果在漏斗結(jié)構(gòu)的出射面設(shè)置周期