亚波长结构金属缝隙超强透射特性的研究

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1998年Ebbesen等人首次报道了光波透过金属薄膜上的亚波长孔径阵列时会产生超强透射现象。此报道吸引了科学家们的极大兴趣,使得对于金属孔径透射特性的研究迅速成为亚波长光学中的研究热点。研究孔径结构中最简单也最为典型的缝隙结构,极有可能揭示产生这种超强透射现象的物理本质,自然成为科技工作者们研究的重点。同时,亚波长金属缝隙的超强透射特性又使其在新型光器件的研发和生物分子检测等方面具有十分广阔的应用前景。本文基于严格的电磁场理论,从麦克斯韦方程组出发,应用边界积分方法对各种结构金属缝隙的透射特性做了比较详细的分析。其中对于喇叭形金属缝隙的研究属于创新性工作,目前未见报道。本文的主要研究成果有: [1] 研究了无限长结构的亚波长金属缝隙在不同介质中的透射特性,发现透射峰值波长与缝隙周围介质折射率间存在线性关系。根据这一结果可将此结构应用于光传感技术,测量介质折射率的微小变化。 [2]研究了有限结构的亚波长矩形金属缝隙的透射特性,并考查了不同参量改变时,如不同金属材料,不同几何结构对其透射特性的影响。调查发现透射谱在500~750nm的波长范围内存在两个透射峰,且找出了产生透射峰的物理起因:短波透射峰对应于金属材料的种类,长波透射峰对应于缝隙的几何结构。即适当地选取金属材料和几何结构参数,可以独立地调制所需要的波谱。此调查结果可用于未来光通信中实现波分复用和解复用技术等。 [3]首次研究了有限结构亚波长喇叭形金属缝隙的透射特性,详细讨论了对称结构(同质结)和非对称结构(异质结)情况下喇叭形结构参数对缝隙透射特性的影响,提出并讨论了喇叭形缝隙与阶梯形缝隙间光学特性的近似等价关系。本研究对未来设计和制作亚波长结构光学器件提供了有价值的技术参数。
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