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光与金属界面处的自由电子振荡相耦合形成表面等离极化激元(SPP),使得电磁场的能量局域在亚波长范围内,同时导致电磁场极大地增强。这使得人们能够利用金属微结构,在亚波长尺寸上实现对光传播的有效操纵。其中,金属微结构的异常光学透射效应自发现以来引起了人们广泛的关注。基于此效应,本文研究了一些金属微结构的透射特点,主要内容有:
第一,通过向小孔的侧壁上引入金属突起的办法,来获得形状非对称的小孔;从理论和实验上研究了由非对称小孔构成的周期阵列的透射特点。与对称性的小孔阵列相比较,其透射光谱上的金属-玻璃界面的(1,0)、(1,1)透射峰均发生了明显的分裂。详细的研究表明,这个透射峰分裂效应源自于小孔“形状对称性破缺”导致的两个非对称的波导表面等离激元模式(WSP)。这两个模式出现并局域于小孔中,分别与不同级次的表面等离极化激元耦合导致相应级次的SPP透射峰发生分裂。另外,研究还发现,向小孔的一个侧壁上引入两个金属突起,可以导致三个WSP模式出现于一个小孔中,这三个WSP模式分别和相应级次的SPP耦合,将导致相应级次的SPP透射峰分裂成三个透射峰。从而可以实现多波长分裂效应。
第二,将金属开口谐振环(SRR)插入到周期小孔阵列中,设计了一种复合金属微结构。从理论和实验上研究了SRR对小孔阵列结构透射特点的影响,发现了一个新的透射效应。详细的研究表明,这个透射效应源自于SRR与小孔侧壁上的电子相互作用。提出了“LC共振诱导偶极子辐射”机制来解释该效应。
第三,向狭缝的侧壁上引入周期性的金属突起,我们设计了另一种金属微结构,从理论和实验上研究了金属突起对1D狭缝周期阵列结构透射特点的影响,发现了局域于金属突起上的WSP模式导致了新的透射峰-谷结构的出现;这个峰-谷结构可以利用“单原子链模型”来解释。该模型表明,单个金属突起部分可以看作一个“原子”。因此,引入周期性金属突起的单条狭缝可以看作一条无限长的“单原子链”。通过求解其色散关系,发现该“原子链”具有一支光学模式和一支声学模式。而且,只有光学支模式可以被入射光激发。当入射光的频率等于光学支模式的频率时,该结构的吸收最大。当入射光的频率大于光学支模式的频率时,光谱上出现透射峰;当入射光的频率小于光学支模式的频率时,光谱上出现透射谷。并且,从1D狭缝周期结构和2D小孔周期结构的相互演变过程来初步探讨表面等离极化激元在异常光学透射过程中的作用。这为研究异常光学透射效应提供了一个思路。
第四,基于小孔“形状对称性破缺”导致的透射峰分裂效应,通过金属微结构与半导体材料(硅)复合,从理论上研究了半导体电导率的变化对复合结构透射特点的影响,并探讨了对通信光波(1500nm)主动调控的可能性。