二维金属亚波长孔阵列的强透射特性研究进展

　　0　引言

　　对光与物质之间相互作用的理解和控制,一直是光学领域中至关重要的研究课题。20世纪以来,人们希望能够像类似于对固体中的电子一样,方便、简单地对光进行使用和控制。1994年, H. A.Bethe针对光通过无限薄的理想金属薄膜亚波长单圆孔的光的透射情况(如图1(a)所示)进行了理论分析,预测入射光的透射效率η的大小与(d/λ)4成比例[1]。由于入射光的自由传播受到效率极低的亚波长孔隧穿机制的限制,若孔径d远小于入射光波长λ,则η远小于1;随着d的减小,其η下降。然而,若把很多相同的亚波长单孔排列成一个二维周期性(如正方形或者正六方形)孔阵列制作在不透明的金属薄膜上(如图1(b)所示),由于入射光与金属表面自由电子的电荷密度波耦合成表面等离子体(SP)[2],却在特定的光波长内表现出透射增强现象。1998年,T.W. Ebbesen等人[3]首先报道了这一现象,这对如何在近光场的范围内控制光子的运动给出了一个明确的答案,同时也为人们如何对光的使用与控制提供了一种新的途径。

　　TDMSHA所展现出的强透射与滤波特性因其在纳米光学、光电子、化学传感和生物物理上潜在的重要应用而引起研究者极大的兴趣,其原因不仅在于光通过TDMSHA时的η远高于Bethe理论[1]的预测值已为大量的实验事实所证明,而且因其大大激励了纳米光学方面的基础研究,有助于人们更进一步了解在纳米尺度下光与材料之间的相互作用。另外,只要简单地调整亚波长孔径的尺寸、几何形状和阵列周期等参数,就可以轻易地改变TDMSHA所展现的既起滤波又能大大增强透射作用这一重要的特性[4-5],这为新型纳米光子学器件的研发开辟了一条崭新的思路。

　　下文将重点阐述TDMSHA透射增强现象的物理机理,对影响其透射增强效应的几个主要因素,如材料、结构等方面的研究进展作了全面的总结,对其前沿研究热点和应用前景分别进行了分析与展望。

　　1　TDMSHA强透射机理

　　光与金属之间的相互作用会引发出许多奇特的现象(如TDMSHA透射增强现象),这是由于金属具有的唯一特性,即它能够维持一种由入射光感应光出来的金属表面自由电子的集体共振激发(SP)[6]。

　　1.1　入射光耦合成SP

　　考虑一个平坦光滑的半无限金属表面,当一束光入射到金属表面上时,金属表面自由电子的电荷密度波与入射光发生相互耦合作用,导致电荷密度波涨落,引发集体振荡,感生出SP[7],其波矢为

　　其中,εm为与频率ω有关的介质常数,故式(1)给出的SP频率与kSP之间的依赖关系,称为色散关系[8](如图2(a)所示)。在可见光与近红外光波段范围内,金属的εm<0,且|εm| 1,有|εm+εd|<| alt="二维金属亚波长孔阵列的强透射特性研究进展"εm|,故kSP>k0。此时的入射光的动量和能量与SP的不匹配,故入射光不会耦合成SP。