周期性亚波长结构的光学透过性质研究

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。1998年，Ebbesen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。 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。

目录

文摘

英文文摘

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第一章引言

第二章时域有限差分方法

第三章介质金属复合膜上亚波长狭缝的透过特性

第四章介质突起导致的增强透过和方向性光发射

第五章凹槽周期性在增强透过现象中的作用

第六章漏斗形狭缝的透过特性

第七章结论和展望

致谢

参考文献

个人简历及在学期间发表的学术论文和研究成果