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摘 要

基于亚波长的纳米孔阵列的增强透射效应是最近若干年的研究热点，并且增强透射效应在许多领域都有非常重要的应用。这种电磁波的异常透射（extraordinary optical transmission，ETO）现象的物理机制上目前的共识是：认为其与金属表面的表面等离极化激元效应有密切关系。当入射光照射到金属上时，金属的表面会被入射光激发表面激发离基元，从而产生倏逝波。倏逝波与通过与纳米孔阵列的波导模作用，使一部分入射光的能量转移至金属孔的下表面，从而在金属孔的下表面激发新的局域表面等离激元振荡从而辐射电磁波到原场，由此产生透射增强效应。

目前，对纳米孔阵列的增强透射的研究很多，但大多集中于单纳米孔阵列的结构，即一个结构单胞内只有一个小孔（圆形、椭圆形、C型或矩形孔等等），而对于具有双孔结构的纳米孔阵列的研究还比较少，本课题拟研究一个单胞内具有两个非对称圆孔的双纳米孔阵列的增强透射现象。

关键词：增强透射，纳米孔阵列，纳米双孔阵列。

Transmission Enhancement of Nano-double-hole Array

ABSTRACT

Abstract Transmission enhancement of the nanopore array has attracted widespread attention and has important applications in many fields. This phenomenon of extraordinary optical transmission (ETO) is widely recognized in the physical mechanism as the surface plasmon polaritons play a crucial role. When incident light is excited on the metal surface to generate surface plasmons, the evanescent wave is generated due to the incident light being scattered by the nanoholes on the upper surface, and the evanescent wave transfers a part of the energy to the lower surface due to the tunneling effect. Localized surface plasmons located at the edge of nanoholes form a relatively high electromagnetic field due to oscillations, thereby producing Abstract Transmission enhancement.

At present, the study of Abstract Transmission enhancement of metal film cavity arrays focuses on single-hole arrays, there is only one small hole (circular, elliptical, C-shaped, or rectangular, etc.) in a single cell. There are few, this subject is intended to study the enhanced transmission of two asymmetric circular holes.

Keywords: Abstract Transmission enhancement, nanopore arrays.

目 录

摘要………………………………………………………Ⅰ

ABSTRACT………………………………………………Ⅱ

第一章 绪论………………………………………………1

第二章 CST软件的模型设计与使用 ……………………4

第三章 光透过纳米双孔阵列的透射谱…………………12

3.1 用CST Microwave Studio软件计算透射谱……………12

3.2 透射谱分析 ………………………………………………16

第四章 电场、磁场、电流密度及能流密度……………17

4.1 电场和磁场分布 …………………………………………17

4.2 电流分布……………………………………………………19

4.3 能流密度……………………………………………………19

第五章 结论………………………………………………20

参考文献 …………………………………………………21

致谢 ………………………………………………………23

第一章 绪论

1.1 简述增强透射的原理及其研究概况

金属区别于其它材料比如：半导体和绝缘体的一大重大特点是其拥有大量的可以自由移动的自由电子，这源于其原子实对核外价电子的极弱的束缚。由于这一特点，电磁波在金属中的传播特点有别于电磁波在其它材料（比如：半导体和绝缘体）中的传播，尤其具有微结构的金属材料中光频电磁波的传播。

微电子技术自其诞生之日以来,随着其工艺水平和器件尺寸的不断发展进步，这种技术逐渐走入了人们的生活，同样，改变了人们的生活方式。但是，任何技术都会遇到发展的瓶颈，随着器件尺寸的逐渐下降，量子效应对于器件性能的影响逐渐体现出来，但是与此同时，对于提高信息传输效率的呼声却因为社会的发展与日俱增。众所周知，在信息传输的效率与可靠性方面，光子远远强于电子。然而，目前市面上主流的还是电子器件，其原因就是光学器件的尺寸受到衍射效应的影响很大（为波长的1/2），故此类器件在集成上具有很大的困难。

比如，目前对于电磁波的传播进行约束和操纵的一个重要途径就是利用光波导以及 Bragg反射型光子带隙材料[1]。针对Bragg反射型光子带隙材料而言，其数值为若干个波长以上；而对于前者而言，其尺寸一般为数个微米。综上所述，在控制电磁波的传播上应对亚波长结构进行详尽的研究。

但是，由此我们不得不面对一个问题，即如何对此种结构加以利用，由于能带结构有着多种构成方式，并且针对该问题有着多重影响因素，故对此我们不能只考虑Bragg反射。要从多个方面进行全面分析。众所周知，电磁波的传播过程也就是材料极化波与的耦合过程，也是电磁场与带电粒子相互作用的过程。而该过程在不同的情况下所产生的作用效果也有所不同。对于线性情况而言，该类的材料的线性的极化波以及电磁波，极化激元就是被定义为这两者的耦合的模，而狭义的极化激元则仅限于位于共振频率附近的耦合模。[2]而对于强场而言，（准）相位匹配会由于光与非线性极化波的强烈耦合的而发生频率转换。对于前者，晶格振动的横光学声子与光子能够耦合产生声子极化激元。金属表面等离激元与光子能够耦合形成表面等离极化激元，其产生会伴随着光子能隙以及亚波长的结构特征。

近些年，由于可见与近红外光波段的发展与应用逐渐受到人们的瞩目。基于此之上的金属表面等离极化激元的光子学（plasmonics）也相应的得到的更加防范的研究[3]。为了对其加以利用，可在一定程度上对光场进行控制，从而通过对表面等离极化激元的使用，最终得到位于亚波长范围内的表面状态。可以见得，它同时拥有光子元件容量大的优点，以及电子器件尺寸小的优点；与此同时，光电信号又都可以通过同一个金属回路来传输。因此，对于该课题的研究为光学器件的集成化提供了可能性。对于这一课题，最近的几种新型的围绕亚波长的光波导器件结构值的关注。例如，一种能够实现可见光的长距离传输的同轴电缆结构在亚波长尺寸[5]得以实现。另外，丹麦的奥尔堡大学的 Bozhevolnyi 等人报道了基于沟道表面的等离极化激元的亚波长波导元件的设计、制作和表征工作[4]。这些研究都在一定程度上促进了光子器件的设计与制造，也为该类型的器件的高度集成化提供了可能。除此之外，对于金属表面的光垂直传输（透射效应）是一个值得关注的方向。而如何增强表面的透射效应是解决这一问题的关键。如Ebbesen等人于1998年研究发现，为了在预期的波长下加强上述效果，可以将亚波长小孔阵列设置于金属薄膜上[6]。而对于实际应用方面，通过对孔的形状对透射偏振的作用，可得到新结构的偏振器[8]，并且一种新型的滤波器可以通过利用其透射率对波长的依赖性得以实现[7]，而这种效应还可以在量子信息处理、非线性光学以及亚波长光刻技术等方面得到十分重要的应用[9]

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