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摘 要

经典物理学中，光的透射率由孔面积与薄膜面积的比值得出，Ebbesen等从实验中得出：特定波长的光束经过周期性亚波长小孔阵列的金属薄膜时，入射光的透射分数超过膜的开放分数,即发生异常透射现象。人们把这一现象归因于入射光与金属表面等离极化激元（SPP）的耦合，通过优化阵列结构可以得到最大透射效率，例如改变阵列的周期、尺寸、形状、材料性质和周围介质等条件。本实验通过对超周期矩行纳米孔阵列的研究，利用CST Microwave Studio软件仿真模拟一个周期内具有单、双、三、四矩形纳米孔阵列结构的透射率、电场强度、磁场强度、电流分布，得出亚波长下超周期矩形纳米孔阵列增强透射特性的机理。

关键词：超周期矩形纳米孔阵列 表面等离激元 增强透射

Study on enhanced transmission of super - periodic rectangular nanopore arrays

ABSTRACT

In classical physics, the transmittance of light is derived from the ratio of the area of the pores to the area of the film. Ebbesen etc.had shown that when a certain wavelength of light passes through a metal film of a periodic subwavelength orifice array, the transmittance of incident light beyond the open score of the film, and that is extraordinary optical transmission.This phenomenon is attributed to the coupling of the incident light with the metal surface plasmon polariton (SPP), and the maximum transmission efficiency can be acquired by optimizing the array structure parameters if we change the period of the array, size, shape, material properties and surrounding media conditions.It is found that this anomalous transmission phenomenon is related to the factors such as the cycle structure, the size, the shape,the material properties and the surrounding medium. In this experiment, the CST Microwave Studio simulation was used to simulate the transmittance, electric field intensity, magnetic field intensity and current distribution of a single, double, three, and four rectangular nanopore array structures in a cycle. The mechanism of enhanced transmission characteristics of super - periodic rectangular nanopore arrays under subwavelengths was obtained.

Key words:ultra-periodic rectangular nanopore array;surface plasmon polariton;enhanced transmission

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 - 4 -

1.1 简述周期性亚波长孔阵列异常透射特性 - 4 -

1.2 本论文的研究内容 - 4 -

第二章 CST软件的模型设计与使用 - 7 -

第三章 超周期矩形纳米孔阵列的透射谱 - 15 -

3.1、超周期矩形纳米孔的透射谱 - 15 -

3.2、本章结论 - 18 -

第四章 超周期矩形纳米孔阵列的电场强度、磁场强度及电流分布 - 19 -

4.1、电场强度分布 - 19 -

4.2、磁场强度分布 - 20 -

4.3、电流分布 - 21 -

结论 - 22 -

致谢...............................................................................................................................................-23-

参 考 文 献 - 24 -

第一章 绪论

1.1 简述周期性亚波长孔阵列异常透射特性

1998年，Ebbesen等^[1]在研究金属的多孔构造时发现：特定波长的光束通过周期性亚波长小孔阵列的金属薄膜时，会产生异常透射现象(extraordinary optical transmission, EOT)。这一现象引起人们的广泛兴趣，研究者们纷纷对此展开研究。在这种现象中，对于某些波长的入射光，其透射分数大于阵列孔开放的分数。通过优化阵列结构可以得到最大透射效率，例如改变阵列的周期、尺寸、形状、材料性质和周围介质等条件^[2]。

对于EOT现象的机理, Genet和Ebbesen^[3]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：由实验知透射率随入射光波长的变化而变化，表明透射率与点阵倒格矢关系紧密，若金属孔阵列的周期所对应的倒格矢与表面等离激元的动量相匹配时,则表面等离激元易被激发,并通过孔穿到薄膜的另一表面^[4]，达到异常透射。衍射是传输过程的核心,阵列的入射平面波的衍射产生具有所需渐弱特征的波；在阵列的远侧发射的消逝波的衍射产生传播的透射光。然而，这些衍射过程与制造阵列的材料无关，而已经表明，良好的金属比较差的材料显示更高的透射率。因此，尽管衍射是透射过程的中心，但金属结构中的透射性在某种程度上得到了加强。在我们看来，增强的关键是当衍射是允许入射光和SPP模式之间的耦合时，这可能会以三种方式发生：(i)入射光耦合到由面对入射光的表面支持的SPP模式。与SPP模式相关联的增强场增加了通过孔的传输概率，其中它再次被周期阵列分散以产生光。（ⅱ）入射光不能耦合到在入射侧的SPP模式，而是匹配条件允许通过阵列弱传输的光耦合到远端的SPP模式；与相关联的增强电场SPP模式增加了传输的概率，并且随后的散射再次导致透射光。（iii）匹配条件允许进程（i）和（ii）同时进行。

造成EOT的原因不仅有孔阵的形状，还有孔阵的类型。若把孔的形状由圆孔变为椭圆孔，则可改变透射光的偏振特性^[5](偏振度由孔的椭圆度和取向决定)；若把圆孔变为矩形，透射系数则更大^[6]；若变为同心圆环，高透射波段则更宽^[7]；若采用1mm*1mm的大面积样品，通过改变角度测量其反射光与透射光并且计算其吸收谱，可观察到在容易激发SPP的光波段，吸收最大^[8]。通过对具有3、4、6重旋转对称性的孔阵的EOT现象实施探讨，还发现孔阵的增强透射能力与旋转对称性成正比关系，即透射能力随旋转对称性的增大而增大。

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