超波长-亚波长金属纳米块的尺寸效应

基于能带理论和半导体工艺的微电子技术极大地促进了人类社会的发展，也极大地改变了人们的生活方式。不过，当电子元件的尺寸小到一定程度时，量子效应却限制了微电子技术的进一步发展。与此同时，人类知识的增长以及信息量的急速膨胀要求进一步提高信息的传输效率。我们知道，作为信息的载体，光子优于电子；然而在集成上，光子元件却输于电子元件。这是由于光的衍射效应的存在，使得介电光学元件的尺寸受到了极大的限制（至少为波长的一半）。比如，当前对电磁波的传播进行约束和操纵的一个重要途径是利用光波导以及Bragg 反射型光子带隙材料[1-2]。对于前者如单模光纤，其尺寸通常为若干微米；对于后者即光子晶体，其大小亦至少为若干个波长。因此，研究和利用亚波长结构来控制电磁波的传播具有重要的实际意义。

那么如何能利用亚波长结构来控制电磁波的传播呢？实际上，Bragg 反射仅是问题的一个方面，同时它也并非形成能带结构的唯一机制。我们知道，电磁波在材料中的传播过程，其实质就是带电粒子与电磁场相互作用的过程，也是电磁波与材料极化波的耦合过程。在强场的情况下，光与非线性极化波的强烈耦合将导致（准）相位匹配的频率转换。而在线性情况下，电磁波与材料线性极化波的耦合模被称为极化激元（狭义的极化激元仅限于共振频率附近的耦合模）[3-6]。比如，光子与金属表面等离激元可耦合形成表面等离极化激元，光子与晶格振动的横光学声子可耦合产生声子极化激元。它们的产生可伴随着光子能隙以及亚波长的结构特征。

近来，在可见与近红外光波段，基于金属表面等离极化激元的光子学（或称为之plasmonics）已引起了人们的广泛关注[7-10]。利用表面等离极化激元，可将光场限制在金属表面附近更小的（亚波长）尺度范围。可见，它既有光子元件的长处（容量大），又有电子器件的优点（尺寸小）；同时，光电信号又都能以同一金属回路进行传输。因此，plasmonics 为未来的光电集成提供了一个新的途径。围绕表面等离极化激元，各种亚波长的光波导结构先后已经被提出。最近，丹麦Aalborg 大学的Bozhevolnyi 等人报道了基于沟道表面等离极化激元的亚波长波导元件的设计、制作和表征工作[11-13]。另外，美国Boston 大学的Rybczynski 等人利用亚波长尺寸的同轴电缆结构也实现了可见光的远距离传输（与波长相比）[14,15]。这些都为实现超高密度的光子元件的集成提供了可能。除了表面等离极化激元（光沿着金属表面的传播）以外，光垂直于金属表面的传播（光的透射效应）也是一个有趣的研究课题。1998 年，Ebbesen 等人研究发现，如果在金属薄膜中引入亚波长小孔阵列，则在特定的波长处将产生增强透射效应[16]。这一异常的透射现象引起了人们广泛的研究兴趣。在实际应用上，比如利用其透射率对波长的依赖性，可制成新型的滤波器（这就相当于一种新型的亚波长光子带隙材料）[17]；利用孔的形状对透射偏振的影响，可制成新型的偏振器[18]。而且，进一步的研究发现，增强透射效应还可能在亚波长光刻技术、非线性光学以及量子信息处理等方面获得重要的应用。

对于由一维或二维纳米孔或纳米粒子阵列组成的亚波长表面等离激元光栅结构，其衍射具有如下特点：零级衍射通常是传播模式而高级衍射通常是消逝波且是近场波[3]。这一特点对于会聚光当然是非常有意义的。但是，在有些情况下，这一特点又是不利的，例如：由于零级衍射是非色散的，其很难应用于分光计中。而传统的光栅可以产生传播模式的高阶衍射，但是高阶衍射的效率非常低，因为零级衍射通常占总光强的80%以上。

最近，Guo等人研究了一个双周期表面等离激元纳米孔阵列，这一结构有两个周期，即：几个小周期结构的纳米孔阵列又组成了一个大的周期。这个大的周期大于入射电磁波的周期，形成超波长结构[19-22]。这一新的结构可以支持传播的一级衍射。但是其一级衍射波的带宽很窄，只有大约60nm。衍射效率也很低，小于1%。

参考文献：

[1] A. V. Zayats, I. I. Smolyaninov, A.A. Maradudin, Phys.Rep. 408, 131 (2005).

[2] P. Lalanne, J. P. Hugonin, and J. C. Rodier, Phys.Rew.Lett. 95, 263902 (2005).

[3] C. Genet, T. W. Ebbesen, Nature 445, 39 (2007).