1998年, Ebbesen等^[1]研究了具有周期性亚波长孔的金属薄膜的光透射特性,结果发现当孔直径远小于入射波长时,仍有很强的透射能力,光的透射率大于小孔面积与薄膜面积的百分比,这种现象被称为光异常透射(extraordinary optical transmission, EOT)现象。由于透过的光在某些波长得到增强,这一增强透射现象随后引起了人们广泛的关注和研究。

实验研究发现,增强透射效应与多个因素有关,如结构周期、孔的形状、入射角度、金属层厚度以及上下接触媒质的介电性质等^[2][3][4]。另一方面,人们希望从理论上弄清增强透射的物理机制,尤其是微观机制。

对于EOT现象的机理, Genet和Ebbesen^[5]发现亚波长孔阵列的EOT现象源于入射光与金属表面等离极化激元 (surface plasmon polariton, SPP) 的耦合：当孔阵列的周期所对应的倒格矢SPP 的动量匹配时, SPP 容易被激发,并通过孔穿到薄膜的另一表面。新发现的典型现象有：把圆孔换成椭圆孔，可以影响透射光的偏振性质^[6];把圆孔换成狭长的矩形，可以获得更大的透射系数^[7]；换成同心圆环，可以得到更宽的高透射波段^[8]；用1mm*1mm的大面积样品，变角度测量其透射光与反射光同时计算其吸收谱，发现在易激发SPP的光波段，吸收最大^[9]。这些现象说明了金属微结构的几何形状对增强透射的影响很大，SPP在增强透射中的确起很重要的作用，微结构中SPP有很独特的性质和重要的应用前景。但金属孔阵光学增强透射现象的具体的物理机制尚不清楚，需进行更多研究。

影响增强透射现象的因素主要有孔阵的基本单元的形状和其组成点阵的方式（即孔阵的类型）。孔阵基本单元的形状对增强透射性质的影响已被广泛讨论，把圆孔变换成椭圆形孔、同心圆环、狭长矩形、X形等，研究表明这些结构分别有自己的独特增强透射性质。但孔阵的类型对增强透射的影响却受到很少关注。不同结构中波有不同性质，微观结构上的微小变化往往能导致宏观物理性质上的巨大差异，同样情况也会发生在增强透射现象上。固体物理中是按照平移对称性和旋转对称性对晶体分类，在三维空间，有点阵和晶系。为了保证实验结果的可比性，不同的点阵要具有相同的点间距，故选择了石墨结构，正方结构，三角密堆结构这三种分别具有3,4,6次对称的点阵进行研究。

由实验结果可知，很多波段增强因子大于1，及单位开孔面积的光透过率大于100%，最大达218%。增强透射效果显著，说明光谱透过率和点阵的类型有很大关系。透射谷的位置，长期以来被作为wood异常来解释^[10]，产生该现象的机理为该波长的光被解构散射为沿着样品表面传播，而非透射和反射。

对石墨结构、正方结构、三角密堆结构这三种分别具有3、4、6重旋转对称性的金属孔阵的光学增强透射现象进行研究，发现了孔阵的旋转对称性越高，增强透射能力越强。进一步的分析表明透射谱的形状和孔阵的倒格矢的密切联系：每个倒格矢都会在透射谱上对应一个谷峰结构；倒格矢的强度越大，其对应增强透射峰越强在此基础上，预言了倒格矢强度为零时，该倒格矢对应的谷峰结构消失，也在实验中得到证实。

在EOT研究方面一个重要的进展是Klein等发现,在周期和孔面积不变的情况下改变方形孔的形状(例如长宽比),透射峰位置仍会出现移动。Klein等推测这可能是由于孔中LSP共振所引起的。类似的现象在椭圆形孔阵列的实验中也观测到,而相关的数值模拟计算也给出了与实验相吻合的结果^[11][12][13]。Ebessen等则通过固定小孔的形状和尺寸(即固定LSP的频率)而改变孔的周期,讨论了LSP和SPP之间的相互作用对透射谱的影响,强调了SPP的主导作用,指出只有两者在能量上比较靠近时才有利于透射,远离时两者的强度都会减弱。这一特点在准周期的结构中也得到了实验上的证实^[14]。在准周期结构中要产生较高的透过率,SPP共振模需要处于小孔连续谱带宽范围之内。最近研究通过引入环形孔阵列,研究了单孔LSP和SPP相互之间干涉对EOT的影响。由于一般情况下单孔LSP带宽远大于SPP的带宽,他们通过详细的实验和理论分析,证实当SPP的频率高于LSP中心频率时,两者产生相消干涉并产生透射极小,而当SPP的频率低于LSP的中心频率时两者会发生相涨的干涉使得透射产生极大^{[15][16][17][18]}。

本课题拟研究超周期的矩形纳米孔阵列的增强透射，拟研究超周期的结构对于超周期结构透射峰的位置和强度等的影响。

参考文献：