周期性亞波長結(jié)構(gòu)的光學(xué)透過性質(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)小于入射波長時，從小孔中出射的光透過率會非常低而且被衍射成均勻的半球。亞波長小孔的低透過和強(qiáng)衍射，使得在這一尺度上對光的操控變得非常困難。1998年，Ebbesen等人在實驗中首次發(fā)現(xiàn)，透過銀金屬薄膜上的亞波長小孔陣列的光被強(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，金屬膜上的單個亞波長小孔的光透過也被增強(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)的亞波長小孔的獨特透過特性突破了傳統(tǒng)小孔衍射理論的限制，吸引了大量關(guān)注，無論其內(nèi)在理論機(jī)制還是潛在的廣泛應(yīng)用價值都成為人們探索研究的對象。 本文利用時域有限差分方法研究了一些新結(jié)構(gòu)上亞波長狹縫的增強(qiáng)透過效應(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狹縫增強(qiáng)透過效應(yīng)中的作用。 針對原有的兩邊有周期凹槽的亞波長狹縫結(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)計了一種介質(zhì)金屬復(fù)合膜結(jié)構(gòu)。透過這種新結(jié)構(gòu)上亞波長狹縫，由于金屬膜入射面、出射面上的介質(zhì)膜以及介質(zhì)膜上的凹槽分別對入射光、出射光的調(diào)制作用，分別得到了增強(qiáng)透過現(xiàn)象及準(zhǔn)直光束發(fā)射和方向性光發(fā)射現(xiàn)象。針對透過譜中的兩個不同機(jī)制的峰，我們提出了兩個模型來解釋，這兩個模型與模擬結(jié)果符合很好；對準(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，并且分析了如何獲得高透過效率的準(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)、空氣對換，又可以得到一種新的結(jié)構(gòu)，也就是帶有亞波長介質(zhì)突起的金屬膜結(jié)構(gòu)。透過這種結(jié)構(gòu)上的亞波長狹縫也得到了增強(qiáng)透過現(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)透過現(xiàn)象開拓了相關(guān)領(lǐng)域的視野，對增強(qiáng)透過現(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表面波的作用更加有效率，所以可以得到更強(qiáng)的透過增強(qiáng)效果和更好的準(zhǔn)直光束；而且通過改變介質(zhì)的參數(shù)可以

5、方便的控制透過光的性質(zhì)，這些結(jié)果對亞波長光學(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狹縫增強(qiáng)透過現(xiàn)象中的作用。與通常的認(rèn)識不同，我們發(fā)現(xiàn)凹槽的周期性并不是增強(qiáng)透過現(xiàn)象的必要條件。在非周期凹槽圍繞的亞波長狹縫中也得到了增強(qiáng)透過現(xiàn)象，只是其增強(qiáng)程度比較低。實際上，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)凹槽位置相對于絕對周期變化較小時，其透過譜和透過峰值都與絕對周期凹槽的結(jié)果十分相似

6、。在現(xiàn)實的實驗中，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的結(jié)果，給這種誤差標(biāo)定了一個允許的范圍，對現(xiàn)實中的亞波長光學(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)的透過性質(zhì)，它的出射孔徑是亞波長尺度的。相對于擁有同樣出射孔徑的普通狹縫，漏斗狹縫結(jié)構(gòu)的透過率被增強(qiáng)了。漏斗狹縫結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)透過峰是由漏斗的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的，通過改變漏斗結(jié)構(gòu)的參數(shù)就可以方便的控制透過峰的位置。如果在漏斗結(jié)構(gòu)的出射面設(shè)置周期