亚波长金属光学元器件超强透射现象中表面波的研究

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当1998年Ebbesen等人第一次报道了在金属薄膜上打上亚波长尺寸的孔洞阵列,光波透过时会产生超强透射现象(EOT)后,基于EOT现象的物理机制和应用的研究引起了科学界广泛的兴趣。而新研究和测量相对于早期数据的增强透射因子从1000降低到近10倍。目前EOT现象的起因仍然存在争论,最初发现这一现象的科学家Ebbesen把这种异常的现象归结为表面等离子体在起作用,之后其他研究人员提出了基于在周期缝隙和孔洞阵列的动态衍射或者在一维缝隙和缝隙阵列上的各种腔膜的共振的解释。Gay等人提出了一种新的表面波激发模型,叫做复合衍射瞬逝波模型(CDEW)。但目前为止,仍然没有一个统一的解释方法。2006年国际权威期刊《Nature physics》第二卷中(vol.2.P262~P267,April.2006;P509~P510,August.2006;P551~P556,August.2006)有三篇文章对产生EOT的机理问题进行探讨;2007年,国际权威期刊《Nature》中(vol.446.P517~P521,27.March.2007)报道了光通过准周期金属阵列也能产生EOT超强透射现象,并试图用另一种方法对其机理进行解释;2008年的《Nature》中(vol.452.P728~P731,10.April.2008)对EOT现象进行微观解释。由于金属薄膜的孔洞结构是最简单也是最典型的缝隙结构,可能揭示产生这种超强透射现象的物理本质。本文基于严格的电磁场理论,从麦克斯韦方程组出发,结合边界条件,运用边界积分方法模拟单槽单缝结构的光透射现象,并利用边界积分方法能够精确地模拟边界上的场分布特点,对边界上光场分布进行拟合分解,从而获得EOT现象中表面波的特性。主要内容如下:一、系统地阐述了二维边界元方法及其实现的过程对于任意边界可根据具体边界设计最优算法来对光学元件的电磁场进行分析,即边界元混合插值积分法。二、研究了一个缝槽结构中的共振现象,并分析了共振波长为808nm的平面光入射的情况下的表面波特性,对获得的边界上的场分布进行分解拟合,拟合出几种波长在共振峰附近的光波,在槽结构处激发出各种表面波或表面等离子体波,这些表面波在结构的缝和槽处向两边衰减。
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