光學(xué)異常透射研究進(jìn)展

張 鑫，劉海濤

1天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)理學(xué)院，天津，300222

2南開(kāi)大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所，光學(xué)信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市，300071

光學(xué)異常透射研究進(jìn)展

張 鑫1?，劉海濤2?

1天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)理學(xué)院，天津，300222

2南開(kāi)大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所，光學(xué)信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市，300071

光學(xué)異常透射(extraordinary optical transmission,EOT)現(xiàn)象于1998年首次報(bào)道，表現(xiàn)為當(dāng)光通過(guò)亞波長(zhǎng)金屬孔陣列時(shí)，得到的透射率在特定波長(zhǎng)位置會(huì)比經(jīng)典的小孔透射理論預(yù)言的數(shù)值高若干個(gè)數(shù)量級(jí)。該現(xiàn)象首次顯示了金屬亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中表面波引起的異常光學(xué)效應(yīng)，是表面等離激元光學(xué)(plasmonics)進(jìn)入活躍發(fā)展期的一個(gè)標(biāo)志性事件。本文將從產(chǎn)生機(jī)理和相關(guān)器件應(yīng)用兩方面，對(duì)EOT的研究進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。首先介紹EOT產(chǎn)生機(jī)理的宏觀(guān)Bloch模式解釋和微觀(guān)表面波解釋?zhuān)约斑@兩種解釋的最終統(tǒng)一；然后介紹EOT在傳感、納米偏光器、濾波、光開(kāi)關(guān)和分子光譜增強(qiáng)等領(lǐng)域的應(yīng)用；最后是對(duì)EOT相關(guān)研究的展望。

光學(xué)異常透射；金屬亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)陣列；表面等離激元；準(zhǔn)柱面波；復(fù)合波；表面Bloch模式；傳感；納米偏光器；濾波；光開(kāi)關(guān)；光譜增強(qiáng)

目錄

Ⅰ.引言

118

ⅠⅠ.EOT機(jī)理研究進(jìn)展 119

A.宏觀(guān)Bloch模式解釋 119

B.微觀(guān)表面波解釋 119

1.表面等離激元 119

2.復(fù)合衍射倏逝波 120

3.復(fù)合波 120

C.宏觀(guān)Bloch模式解釋和微觀(guān)表面波解釋的統(tǒng)一 121

ⅠⅠⅠ.EOT相關(guān)應(yīng)用進(jìn)展 121

A.傳感 121

B.納米偏光器 123

C.濾波 123

D.光開(kāi)關(guān) 124

E.分子光譜增強(qiáng) 124

ⅠV.展望 125

致謝 126

126

Ⅰ.引言

1998年，Ebbesen等人在研究銀膜上亞微米孔陣列的光學(xué)特性時(shí)，在可見(jiàn)光–近紅外波段得到了不同尋常的零級(jí)透射譜[1]（如圖1所示）。在稍大于陣列周期的波長(zhǎng)處，測(cè)量得到的零級(jí)透過(guò)率T能夠大于孔的填充比（定義為孔面積/一個(gè)周期面積），這比經(jīng)典的小孔透射理論[2]預(yù)言的數(shù)值高若干個(gè)數(shù)量級(jí)。金屬膜上制作的亞波長(zhǎng)孔陣列對(duì)光的透射起到了超越傳統(tǒng)理論預(yù)期的積極作用，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為光學(xué)異常透射(extraordinary optical transmission，EOT)。

光學(xué)異常透射現(xiàn)象一經(jīng)提出，立刻引起了研究者們的廣泛關(guān)注。這是因?yàn)楫?dāng)孔尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，經(jīng)典的小孔透射理論預(yù)言的極低的透射率大大限制了亞波長(zhǎng)尺度下對(duì)光波的調(diào)控能力，而EOT克服了這一障礙。隨后，研究者在中紅外[3]，THz[4-6]和微波波段[7]都觀(guān)察到了光學(xué)異常透射譜，使得亞波長(zhǎng)金屬孔陣列在諸如濾波[8]、傳感[9,10]、偏振器件[11]等方面得到了廣泛應(yīng)用。

圖1.石英基底上銀膜亞波長(zhǎng)圓孔陣列的零級(jí)透射譜（正入射照明），陣列周期 a0=0.9μm，圓孔直徑 d=150 nm，銀膜厚度t=200 nm，摘自文獻(xiàn)[1]。

ⅠⅠ.EOT機(jī)理研究進(jìn)展

自從Ebbesen等人提出光學(xué)異常透射現(xiàn)象以來(lái)，人們?cè)陉P(guān)注這種現(xiàn)象潛在應(yīng)用的同時(shí)，為了有效指導(dǎo)相關(guān)器件的設(shè)計(jì)，對(duì)這種現(xiàn)象背后所蘊(yùn)藏的物理機(jī)制也產(chǎn)生了濃厚的興趣。到目前為止，有關(guān)它的各種解釋可以分為兩大類(lèi)：宏觀(guān)Bloch模式解釋和微觀(guān)表面波解釋。

A.宏觀(guān)Bloch模式解釋

宏觀(guān) Bloch模式解釋認(rèn)為[8,12-14]：金屬孔陣列表面在入射光照射下激發(fā)了表面Bloch模式(surface Bloch modes,SBMs)[12,13,15-18]，這種表面模式可以增強(qiáng)金屬表面的電磁場(chǎng)，從而使透射通過(guò)亞波長(zhǎng)孔陣列的光得到增強(qiáng)，得到異常透射峰。這種宏觀(guān)解釋立足于表面Bloch模式的激發(fā)，這種表面波和平整金屬表面支持的表面等離激元(surface plasmon polariton, SPP)[19]類(lèi)似，也是一種束縛在金屬表面的波導(dǎo)模式。不同的是，平整的金屬表面并不能支持SBM，而是需要在平整金屬表面制作出周期亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)才能支持SBM。在周期亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面支持的各種模式中，SBM的傳播損耗最小（即傳播常數(shù)的虛部最?。⑶宜哪Ｊ綀?chǎng)束縛在金屬表面。

在太赫茲和微波波段，金屬接近于理想導(dǎo)體，這時(shí)平整的金屬表面不再支持SPP模式，但對(duì)于具有周期性亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的金屬表面，仍會(huì)支持表面Bloch模式。由于SBM的傳播特性以及束縛在金屬表面的特性和SPP相似，實(shí)現(xiàn)了金屬平面上表面波模式在太赫茲和微波波段的擴(kuò)展，因此，太赫茲和微波波段的SBM又被稱(chēng)為spoof SPP[15,16,18,20,21]。圖2顯示了理想導(dǎo)體表面孔陣列SBM（或spoof SPP）的色散曲線(xiàn)，它和SPP的色散曲線(xiàn)相似，在低頻區(qū)域，SBM和真空中光波的色散曲線(xiàn)接近；在高頻區(qū)域，SBM的色散曲線(xiàn)趨近的漸近線(xiàn)為ω=ωp（ωp為孔中模式的截止頻率），這和SPP色散曲線(xiàn)高頻區(qū)漸近線(xiàn)為類(lèi)似（ωp為等離子體頻率）。宏觀(guān)解釋認(rèn)為，在太赫茲和微波波段，雖然無(wú)法激發(fā)SPP，但是該spoof SPP將導(dǎo)致EOT。

圖2.理想導(dǎo)體孔陣列 spoof SPP的色散曲線(xiàn)，摘自文獻(xiàn)[15]。

B.微觀(guān)表面波解釋

宏觀(guān)Bloch模式解釋將金屬孔陣列結(jié)構(gòu)看作一個(gè)整體，研究整個(gè)結(jié)構(gòu)的表面波模式對(duì)透射光的影響。而另一類(lèi)微觀(guān)表面波解釋則著眼于研究組成孔陣列的單元結(jié)構(gòu)—沿一個(gè)方向周期排布的一列孔（孔鏈），考慮這個(gè)孔鏈結(jié)構(gòu)激發(fā)的平整金屬表面支持的表面波對(duì)透射的影響。

1.表面等離激元

在 EOT被首次發(fā)現(xiàn)時(shí)，Ebbesen等人將異常透射峰的產(chǎn)生歸因于光波與金屬孔陣列表面處的自由電子振蕩的相互耦合作用，即 SPP導(dǎo)致了異常透射[1,22]。認(rèn)為光學(xué)異常透射位置對(duì)應(yīng)入射光激發(fā)的SPP在金屬表面發(fā)生共振，滿(mǎn)足如下條件，

其中kSP是SPP的復(fù)數(shù)波矢，kinc是入射平面波波矢沿金屬表面的分量，Gx=(2π/a0)x，Gy=(2π/a0)y

(a0為陣列周期)，x、y為沿孔陣列兩個(gè)正交周期方向的單位長(zhǎng)度矢量，i,j為整數(shù)。利用此關(guān)系式可預(yù)言異常透射峰的大致位置。

在此后的十年間，人們對(duì)金屬亞波長(zhǎng)孔陣列的理論分析也部分支持了EOT來(lái)源于SPP的解釋[13,23,24]。另外，有報(bào)道指出孔徑邊緣處的局域表面等離子體 (localized surface plasmon,LSP)也對(duì)異常透射有貢獻(xiàn)，不能忽略[25,26]。這種LSP可增強(qiáng)金屬膜上下表面SPP的耦合效率，進(jìn)而增強(qiáng)透射。

2.復(fù)合衍射倏逝波

EOT的 SPP解釋曾一度成為各課題組的研究方向，但在隨后的研究中，人們陸續(xù)在THz波段也觀(guān)察到了EOT現(xiàn)象[4-6]，開(kāi)始對(duì)SPP導(dǎo)致EOT這一結(jié)論產(chǎn)生了質(zhì)疑。因?yàn)樵赥Hz波段，金屬近似為理想導(dǎo)體，此時(shí)SPP不能或很難被激發(fā)，據(jù)此有人提出了一種復(fù)合衍射倏逝波(composite diffraction evanescent waves，CDEW)，認(rèn)為是這種表面波導(dǎo)致了 EOT[27,28]。如圖3(a)所示，將入射光在金屬表面上亞波長(zhǎng)散射體處激發(fā)出的散射場(chǎng)進(jìn)行平面波分解。其中，對(duì)于水平波矢分量 kx小于自由空間波矢 k0的平面波分量，它的垂直波矢分量 kz=為實(shí)數(shù)，為自由空間傳播場(chǎng)，對(duì)于水平波矢分量kx大于自由空間波矢k0的平面波分量，它的垂直波矢分量為虛數(shù)，為束縛在金屬表面的倏逝波，將這些倏逝波平面波分量組合即得到CDEW[27]。圖3(b)顯示了光波正入射在金屬槽–狹縫結(jié)構(gòu)上時(shí)，激發(fā)的CDEW對(duì)透射光的影響。金屬槽處激發(fā)的CDEW表面波Esurf沿金屬表面?zhèn)鞑サ姜M縫處，并經(jīng)過(guò)狹縫轉(zhuǎn)化成透射場(chǎng)Esl，此透射場(chǎng)和入射光在狹縫處直接透射的場(chǎng)Et相干涉，形成了最終觀(guān)察到的增強(qiáng)透射場(chǎng)E0，對(duì)應(yīng)圖3(c)中透射強(qiáng)度的極大值。

3.復(fù)合波

有關(guān)CDEW對(duì)EOT的解釋也引來(lái)了一些研究者的爭(zhēng)議：有人提出，根據(jù)CDEW模型的預(yù)言，透射場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨著槽–狹縫間距的增大而出現(xiàn)周期性的振蕩變化（如圖3(c)所示），這對(duì)任何偏振態(tài)的入射光都成立；而嚴(yán)格數(shù)值求解Maxwell方程組表明，對(duì)兩個(gè)正交的偏振態(tài)（記為T(mén)E/TM，其電場(chǎng)/磁場(chǎng)矢量沿狹縫方向），只有TM偏振態(tài)入射時(shí)透射場(chǎng)強(qiáng)度才會(huì)出現(xiàn)振蕩變化，而TE偏振態(tài)入射時(shí)透射場(chǎng)強(qiáng)度與槽–狹縫間距無(wú)關(guān)[29]。另有理論工作表明，對(duì)于金屬表面上單個(gè)亞波長(zhǎng)散射體，CDEW給出的表面波分布與嚴(yán)格數(shù)值求解Maxwell方程組的結(jié)果偏差很大，在可見(jiàn)光和近紅外波段，在遠(yuǎn)離散射體的區(qū)域，散射體的表面波主要是SPP，而在靠近散射體的區(qū)域，表面波中出現(xiàn)了另外一種準(zhǔn)柱面波(quasi-cylindrical wave,QCW)[30,31]。

圖3.(a)亞波長(zhǎng)金屬狹縫光學(xué)散射示意圖，摘自文獻(xiàn)[27]。(b)復(fù)合衍射倏逝波 (composite diffraction evanescent waves，CDEW)對(duì)金屬槽—狹縫結(jié)構(gòu)透射場(chǎng)的作用示意圖，摘自文獻(xiàn) [28]。(c)歸一化遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)隨銀槽—狹縫間距的變化關(guān)系，銀槽和狹縫寬度均為100nm，銀膜厚400 nm，銀槽深度100 nm，入射光波長(zhǎng)852 nm。圖中圓圈為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)線(xiàn)為根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的曲線(xiàn)，摘自文獻(xiàn)[28]。

針對(duì)以上爭(zhēng)論，劉海濤和Philippe Lalanne提出了解釋EOT的SPP模型[32]。該模型表明（如圖4所示），隨著波長(zhǎng)增大，SPP對(duì)EOT的貢獻(xiàn)逐漸減弱，而另一種QCW對(duì)EOT的貢獻(xiàn)逐漸增強(qiáng)，在THz和

微波波段，僅QCW對(duì)EOT有貢獻(xiàn)，這樣就調(diào)和了不同觀(guān)點(diǎn)之間的爭(zhēng)論，明確了形成EOT的微觀(guān)物理機(jī)制。如圖5所示，TM偏振平面波正入射在金基底單個(gè)孔鏈上，當(dāng)波長(zhǎng)逐漸增大時(shí)，SPP在總散射場(chǎng)中所占比重越來(lái)越小，QCW所占比重越來(lái)越大，當(dāng)波長(zhǎng)繼續(xù)增大，金屬接近于理想導(dǎo)體時(shí)（圖5中最右一列），SPP幾乎為零，表面總場(chǎng)主要由QCW構(gòu)成。

圖4.(a)SPP模型（虛線(xiàn)）、HW模型（實(shí)線(xiàn)）、采用嚴(yán)格耦合波分析(Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA)數(shù)值求解Maxwell方程組（點(diǎn)線(xiàn)）給出的空氣中金膜孔陣列透射譜?？钻嚵兄芷赼=0.68μm（紅）、0.94μm（綠）、2.92μm（藍(lán)），依次對(duì)應(yīng)可見(jiàn)光、近紅外、中紅外波段，金膜厚度d=0.2128a，方孔邊長(zhǎng)D=0.2828a，采用正入射均勻平面波照明，摘自文獻(xiàn)[34]。(b)空氣中金膜孔陣列示意圖，其中tA、rA分別為孔陣列基模的透射系數(shù)、反射系數(shù)，tF為平面波透射系數(shù)，摘自文獻(xiàn)[33]。

隨后，劉海濤和Philippe Lalanne進(jìn)一步提出了解釋EOT的SPP+QCW模型[33,34]，由于對(duì)一定的波長(zhǎng)和金屬/介質(zhì)界面，SPP和QCW的相對(duì)比例固定，因此SPP和QCW構(gòu)成了一種新的表面波，稱(chēng)為復(fù)合波(hybrid wave，HW)，和僅考慮倏逝波成分（kx＞k0）的CDEW表面波相比，該HW包含了散射場(chǎng)中所有的傳播成分（kx＜k0）和倏逝波成分。如圖4所示，該HW模型在各個(gè)波段和Maxwell方程組嚴(yán)格數(shù)值解一致，從而實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)電磁波段上對(duì)EOT的定量化解釋?zhuān)⑶铱捎糜贓OT器件的定量化設(shè)計(jì)。

通過(guò)利用模型預(yù)言不同密度金屬孔陣列透射譜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，上述SPP模型和HW模型的有效性已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上得到驗(yàn)證[35]。此外，上述模型也被進(jìn)一步推廣用于解釋其它結(jié)構(gòu)的EOT現(xiàn)象。例如，對(duì)于涂覆了介質(zhì)薄層的金屬納米狹縫陣列，當(dāng)入射光為T(mén)E偏振時(shí)，不會(huì)激發(fā)出SPP，但是也可以觀(guān)察到異常透射峰[36]。通過(guò)推廣上述模型，表明該EOT來(lái)自介質(zhì)薄層中波導(dǎo)模式和其它場(chǎng)成分的共同作用[37]。

C.宏觀(guān) Bloch模式解釋和微觀(guān)表面波解釋的統(tǒng)一

在EOT首次被報(bào)道之后的十幾年間，針對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理，不論是宏觀(guān) Bloch模式解釋還是微觀(guān)表面波解釋?zhuān)家阎饾u成熟并被人們接受，但是由于這兩種解釋看待光學(xué)異常透射的角度不同，還未能形成對(duì)光學(xué)異常透射現(xiàn)象的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，在隨后的研究工作中，通過(guò)考慮金屬孔陣列中各孔激勵(lì)的HW表面波的多重散射過(guò)程，建立了宏觀(guān)解釋中SBM的微觀(guān)HW模型[38]，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)異常透射的宏觀(guān)Bloch模式解釋和微觀(guān)表面波解釋的最終統(tǒng)一。該模型表明，金屬孔陣列SBM由各孔激勵(lì)的HW的贗周期疊加構(gòu)成，隨著波長(zhǎng)由可見(jiàn)光逐漸增大到紅外至更長(zhǎng)波段，SBM中包含SPP逐漸減弱，而另一種準(zhǔn)柱面波QCW比重逐漸增大，在太赫茲和微波波段，SBM（即spoof SPP）完全由QCW構(gòu)成?；诖耍撃Ｐ驮谖⒂^(guān)HW模型的理論框架內(nèi)，復(fù)現(xiàn)了宏觀(guān)解釋中的所有結(jié)論。模型表明，SBM和EOT是通過(guò)入射波矢沿周期微納結(jié)構(gòu)表面的分量kx的復(fù)數(shù)極點(diǎn)聯(lián)系在一起的。如圖6所示，發(fā)生EOT的位置為金屬孔陣列基模的透射系數(shù)tA、反射系數(shù)rA取極大值的位置，該位置正好位于SBM色散曲線(xiàn)的位置，從而復(fù)現(xiàn)了宏觀(guān)解釋的結(jié)論。此外，模型表明，發(fā)生異常透射時(shí)的散射場(chǎng)分布（圖7(b)、(c)）和SBM模式場(chǎng)分布（圖7(a)）類(lèi)似，均可表達(dá)為各孔激勵(lì)的HW的贗周期線(xiàn)性疊加。

ⅠⅠⅠ.EOT相關(guān)應(yīng)用進(jìn)展

自從EOT現(xiàn)象提出以來(lái)，一方面關(guān)于它的形成機(jī)理引起了人們的關(guān)注和討論，另一方面關(guān)于它的應(yīng)用也有諸多報(bào)道。由于產(chǎn)生EOT的結(jié)構(gòu)為亞波長(zhǎng)尺度，所以基于EOT制成的各種光學(xué)器件，不但可以實(shí)現(xiàn)諸多傳統(tǒng)光學(xué)元件的功能，還可使光學(xué)回路在微納米尺度的集成成為可能，例如，納米尺度的傳感器，偏光器，濾波器以及光開(kāi)關(guān)。

A.傳感

EOT峰的強(qiáng)度和位置受結(jié)構(gòu)周?chē)h(huán)境[39]、納米孔陣列幾何參數(shù)[25,40,41]等影響，基于此，人們意識(shí)到EOT在傳感方面的應(yīng)用。例如，當(dāng)陣列周?chē)h(huán)境的折射率增大時(shí)，異常透射峰位置會(huì)發(fā)生紅移[39]；對(duì)于金基底上亞波長(zhǎng)孔陣列，圓形孔比矩形孔（面積比

圓形孔小）透射率小一個(gè)數(shù)量級(jí)，且透射峰位置有紅移[41]；對(duì)于矩形亞波長(zhǎng)金屬孔陣列，矩形孔的長(zhǎng)寬比對(duì)透射峰值以及峰位置也有影響[25]。

圖5.不同波長(zhǎng)的x向偏振平面波正入射金基底上單個(gè)孔鏈激發(fā)的散射磁場(chǎng)實(shí)部Re(Hy)，最右一列是理想導(dǎo)體(perfectlyconducting，PC)的情況?？祖測(cè)方向周期為ay=0.965λ，孔邊長(zhǎng)D=0.273λ，λ為入射光波長(zhǎng)，摘自文獻(xiàn)[32]。

圖6.不同波長(zhǎng) λ和不同入射角度 θ(kx=2πλ-1sinθ, θ∈[0,10.4°])下，(a)入射平面波到金基底上孔陣列基模的透射系數(shù)tA，以及 (b)孔陣列基模的反射系數(shù)rA的模值。陣列周期a=0.94μm，方孔邊長(zhǎng)0.2μm。相應(yīng)的表面Bloch模式(SBM)的色散曲線(xiàn)分別用傅里葉布洛赫模式方法(Fourier Bloch Mode Method,FBMM)嚴(yán)格數(shù)值計(jì)算（紅色圓圈），HW模型（黃色加號(hào)）以及SPP模型（綠色三角）得到。白色虛線(xiàn)代表空氣中光波的色散曲線(xiàn)，摘自文獻(xiàn)[38]。

圖8和圖9展示了基于液態(tài)金屬可調(diào)諧THz等離子器件的兩種設(shè)計(jì)方案[42]，每個(gè)方案都包括兩層液態(tài)金屬，并組合成一維（1D）狹縫光柵（周期為d）。第一種方案上下層的液態(tài)金屬對(duì)稱(chēng)放置且共用一個(gè)表面（圖8(a)～(c)），第二種方案上下兩層的結(jié)構(gòu)完全一致（圖9(a)～(b)）。TM偏振的入射光從頂部入射，經(jīng)底部透射后進(jìn)入探測(cè)器。通過(guò)改變1D

狹縫光柵的幾何參數(shù)（每層液體金屬上下表面的線(xiàn)度a和b）會(huì)得到不同的透射帶寬。例如，圖8(d)、(e)中對(duì)應(yīng)的幾何參數(shù)可得到寬帶寬的異常透射譜，而圖8(f)可得到雙窄帶寬異常透射譜。圖9所示的第二種方案中，可通過(guò)改變幾何參數(shù)（a和b）實(shí)現(xiàn)異常透射峰位置的改變。這樣，不僅可以在THz波段動(dòng)態(tài)地控制異常透射光譜，而且還可以通過(guò)檢測(cè)透射譜帶寬或者異常透射峰位置的變化來(lái)探測(cè)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的變化。

圖7.(a)利用FBMM嚴(yán)格數(shù)值計(jì)算得到的SBM在孔陣列表面(z=0)x-y平面上的場(chǎng)分布。(b)tA和(c)rA峰值（對(duì)應(yīng)發(fā)生EOT）處對(duì)應(yīng)的散射場(chǎng)，圖中計(jì)算的各場(chǎng)分布波長(zhǎng)均為λ=1.04μm，孔陣列周期為a=0.9λ，摘自文獻(xiàn)[38]。

圖8.(a)～(c)兩層液態(tài)金屬組合成的不同幾何參數(shù)的1D狹縫光柵（第一種方案），(d)～(f)對(duì)應(yīng)的透射率譜，摘自文獻(xiàn)[42]。

圖9.(a)～(b)兩層液態(tài)金屬組合成的不同幾何參數(shù)的 1D狹縫光柵（第二種方案），(c)～(d)對(duì)應(yīng)的透射率譜，摘自文獻(xiàn)[42]。

B.納米偏光器

納米孔陣列共振透射的偏振態(tài)可以通過(guò)改變孔的形狀[41,43]和陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)[44]來(lái)控制，利用這種特性可以制成納米偏光器。例如，利用多邊形結(jié)構(gòu)光柵[45]，或者正交分布的亞波長(zhǎng)矩形孔陣列構(gòu)成的超材料表面(metasurface)[46]，可實(shí)現(xiàn)通過(guò)旋轉(zhuǎn)入射線(xiàn)偏光的偏振方向來(lái)調(diào)控增強(qiáng)透射譜，進(jìn)而制成偏振選擇光學(xué)器件用于多光譜成像。

如圖10所示，利用納米孔陣列，可以實(shí)現(xiàn)其中一個(gè)偏振態(tài)共振透射，另一個(gè)與之正交的偏振態(tài)不共振而被反射，這樣，通過(guò)設(shè)計(jì)納米孔陣列幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，就可以控制透射和反射光的偏振狀態(tài)[11]。

C.濾波

圖11顯示了納米孔陣列在濾波方面的應(yīng)用實(shí)例[8]。利用聚焦離子束在金膜上打孔，其中一些孔打

通用以顯示特定的圖案，其它孔則為不透光的盲孔。用白光照射結(jié)構(gòu)，由于透射光峰值位置的波長(zhǎng)由孔陣列的周期決定，因此可以通過(guò)控制不同區(qū)域的孔陣列周期，以實(shí)現(xiàn)不同的區(qū)域透射出不同波長(zhǎng)的光波，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了圖11所示不同字母顯示不同的顏色。

圖10.利用四種不同取向的納米孔陣列實(shí)現(xiàn)的納米偏光器，摘自文獻(xiàn)[11]。

圖11.利用透射光顯示字母的孔陣列，兩個(gè)字母區(qū)域的孔陣列周期分別550 nm和450 nm以實(shí)現(xiàn)紅色和綠色的透射光顯示，摘自文獻(xiàn)[8]。

除了利用典型的納米孔陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波功能，還有人提出了利用通孔和盲孔交替排列的金屬孔陣列結(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)基于EOT的濾波器，如圖12所示。此結(jié)構(gòu)的異常透射譜可由盲孔的孔深來(lái)調(diào)控，以設(shè)計(jì)不同參數(shù)的濾波器[47]。

圖12.通孔和盲孔交替排列的金屬孔陣列結(jié)構(gòu)，摘自文獻(xiàn)[47]。

D.光開(kāi)關(guān)

基于EOT中孔徑的直接透射場(chǎng)和表面波相長(zhǎng)/相消干涉實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)/抑制孔徑總透射場(chǎng)的原理，通過(guò)調(diào)控表面波相位，可以實(shí)現(xiàn)孔徑總透射場(chǎng)的光開(kāi)關(guān)。已有太赫茲波段[48]以及可見(jiàn)光波段[49]實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)的報(bào)道。最近的報(bào)道如圖13所示，利用金屬亞波長(zhǎng)狹縫以及1D光柵的組合，通過(guò)引入延遲線(xiàn)改變照明1D光柵的激光束相位，以改變1D光柵表面激發(fā)的表面等離激元的相位，進(jìn)而調(diào)節(jié)金屬亞波長(zhǎng)狹縫的直接照明場(chǎng)和SPP場(chǎng)之間的相位差，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)狹縫透射的異常透射峰從最大值到零的連續(xù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)[50]。

E.分子光譜增強(qiáng)

當(dāng)分子吸附在具有特定形式的金屬亞波長(zhǎng)微納結(jié)構(gòu)表面時(shí)，微納結(jié)構(gòu)會(huì)引起表面電磁場(chǎng)增強(qiáng)，進(jìn)而增強(qiáng)分子輻射的光譜信號(hào)（如增強(qiáng)拉曼光譜、增強(qiáng)熒光光譜等），提高分子傳感的靈敏度[8,9,51-53]。由于發(fā)生EOT時(shí)，會(huì)伴隨出現(xiàn)金屬孔陣列表面電磁場(chǎng)增強(qiáng)，

因此能夠用于增強(qiáng)表面分子光譜信號(hào)。圖14展示了吸附在金納米孔陣列上探針?lè)肿?oxazine 720)的表面增強(qiáng)拉曼光譜 (surface enhanced Raman spectra, SERS)[9]。激光照射納米孔陣列并透射，激發(fā)吸附在金膜–空氣界面的探針?lè)肿拥腟ERS光譜。實(shí)驗(yàn)采用了不同周期的孔陣列 (560 nm,590 nm,20 nm)，其SERS光譜及異常透射譜分別對(duì)應(yīng)圖14(b)中a、b、c三條譜線(xiàn)?？梢?jiàn)隨著EOT峰值波長(zhǎng)逐漸偏離拉曼光譜激發(fā)波長(zhǎng)(632.8 nm)，測(cè)量得到的分子拉曼光譜逐漸減弱，其原因是孔陣列表面電磁場(chǎng)逐漸減弱。進(jìn)一步的理論分析表明[53]，金屬表面上的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期陣列產(chǎn)生電磁場(chǎng)增強(qiáng)這一現(xiàn)象具有普遍性。該現(xiàn)象不限于陣列中各單元結(jié)構(gòu)的具體形式（例如，可以是盲孔、通孔或者凸起的金屬顆粒、介質(zhì)顆粒結(jié)構(gòu)），并且由于金屬表面上長(zhǎng)程傳播表面波的共振激發(fā)，能夠產(chǎn)生大面積的電磁場(chǎng)增強(qiáng)（增強(qiáng)面積占基底總面積的一半以上），這和傳統(tǒng)的“熱點(diǎn)”形式電磁場(chǎng)增強(qiáng)相比，在降低分子精確定位要求和提高總的拉曼光譜信號(hào)方面具有優(yōu)勢(shì)。

圖13.利用狹縫—光柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置圖，A、B兩束光的光程接近，摘自文獻(xiàn)[50]。

ⅠV.展望

自從1998年光學(xué)異常透射現(xiàn)象(EOT)首次報(bào)道以來(lái)，人們對(duì)EOT的產(chǎn)生機(jī)理及相關(guān)應(yīng)用開(kāi)展了大量的研究工作?；诋惓Ｍ干渥V對(duì)入射光、微納結(jié)構(gòu)參數(shù)及環(huán)境參數(shù)的依賴(lài)關(guān)系，可開(kāi)發(fā)出諸多表面等離激元器件應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)在亞波長(zhǎng)尺度下對(duì)金屬界面電子和光子的有效調(diào)控。關(guān)于傳統(tǒng)的納米孔陣列EOT的產(chǎn)生機(jī)理，復(fù)合波模型已得到廣泛認(rèn)可，納米孔陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)異常透射譜的影響也已有大量報(bào)道。而新材料（例如石墨烯[54-56]）和新結(jié)構(gòu)（例如利用各種復(fù)合結(jié)構(gòu)制成的超材料(metamaterials)[8,46]）與EOT的結(jié)合，包括其產(chǎn)生機(jī)理以及新的應(yīng)用，已成為EOT相關(guān)研究的發(fā)展趨勢(shì)。此外，從研究方法來(lái)看，大部分的工作仍是數(shù)值上的模擬與理論分析，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)工作較少。如何將理論模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一，以及進(jìn)一步將EOT相關(guān)應(yīng)用推廣到人們的日常生活中，將成為未來(lái)EOT相關(guān)研究的巨大挑戰(zhàn)。

圖14.(a)納米金屬孔陣列SERS光譜測(cè)量裝置。(b)測(cè)量到的增強(qiáng)拉曼光譜及異常透射譜，摘自文獻(xiàn)[9]。

致謝

本論文得到了以下項(xiàng)目的資助：國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目課題（批準(zhǔn)號(hào)：2013CB328701）“介觀(guān)光學(xué)及局域場(chǎng)調(diào)控理論研究”；國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：61322508）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：11504270）。

參考文獻(xiàn)

[1]Ebbesen T W,Lezec H J,Ghaemi H F,et al.Nature, 1998,391(6668)：667-669

[2]Bethe H A.Phys.Rev.,1944,66(7-8)：163

[3]Ye Y H,Zhang J Y.Appl.Phys.Lett.2004,84：2977

[4]Qu D,Grischkowsky D,Zhang W.Opt.Lett.,2004, 29(8)：896-898

[5]Rivas J G,Schotsch C,Bolivar P H,et al.Physical Review B,2003,68(20)：201306

[6]Cao H,Nahata A.Opt.Express.,2004,12(6)：1004-1010

[7]Beruete M,Sorolla M,Campillo I,et al.Optics Letters,2004,29(21)：2500-2502

[8]Genet C,Ebbesen T W.Nature,2007,445(7123)：39-46

[9]Brolo A G,Arctander E,Gordon R,et al.Nano Lett., 2004,4：2015-2018

[10]Williams S M.et al.Nanotechnology,2004,15：S495-S503

[11]Onishi T,Tanigawa T,Ueda T,et al.IEEE.J.Quantum.Elect.,2007,43(12)：1123-1128

[12]Lalanne P,Rodier J C,Hugonin J P.J.Opt.A:Pure Appl.Opt.,2005,7(8)：422

[13]Martin-Moreno L,Garcia-Vidal F J,Lezec H J,et al. Phys.Rev.Lett.,2001,86(6)：1114

[14]Enoch S,Popov E,Neviere M,et al.J.Opt.A:Pure Appl.Opt.,2002,4(5)：S83

[15]Pendry J B,Martin-Moreno L,Garcia-Vidal F J.Science,2004,305(5685)：847-848

[16]Garcia-Vidal F J,Martin-Moreno L,Pendry J B.et al.J.Opt.A:Pure Appl.Opt.,2005,7(2)：S97

[17]Collin S,Sauvan C,Billaudeau C,et al.Phys.Rev. B,2009,79(16)：165405

[18]De Abajo F J G,S′aenz J J.Phys.Rev.Lett.,2005, 95(23)：233901

[19]Raether H.Surface plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings,Springer-Verlag,Berlin, 1988

[20]Pors A,Moreno E,Martin-Moreno L,et al.Phys.Rev. Lett,2012,108(22)：223905

[21]Maier S A,Andrews S R,Martin-Moreno L,et al. Phys.Rev.Lett,2006,97(17)：176805

[22]Ghaemi H F,Thio T,Grupp D E,et al.Phys.Rev. B,1998,58(11)：6779

[23]Popov E,Neviere M,Enoch S,et al.Phys.Rev.B, 2000,62(23)：16100

[24]Barnes W L,Murray W A,Dintinger J,et al.Phys. Rev.Lett,2004,92(10)：107401

[25]Van der Molen K L,Koerkamp K J K,Enoch S,et al. Phys.Rev.B,2005,72(4)：045421

[26]Degiron A,Ebbesen T W.J.Opt.A:Pure Appl.Opt., 2005,7(2)：S90

[27]Lezec H,Thio T.Opt.Express,2004,12(16)：3629-3651

[28]Gay G,Alloschery O,De Lesegno B V,et al.Nat. Phys.,2006,2(4)：262-267

[29]Garc′?a-Vidal F J,Rodrigo S G,Mart′?n-Moreno L. Nat.Phys.,2006,2(12)：790-790

[30]Lalanne P,Hugonin J P.Nat.Phys,2006,2(8)：551-556

[31]Lalanne P,Hugonin J P,Liu H T,et al.Surf.Sci. Rep.,2009,64(10)：453-469

[32]Liu H,Lalanne P.Nature,2008,452(7188)：728-731

[33]Liu H T,Lalanne P,Phys.Rev.B,2010,82：115418

[34]Liu H,Lalanne P.JOSA A,2010,27(12)：2542-2550

[35]van Beijnum F,R′etif C,Smiet C B,et al.Nature, 2012,492(7429)：411-414

[36]Moreno E,Martin-Moreno L,Garc′?a-Vidal F J,Opt. Express,2015,23(5)：5749-5762

[37]Zhang X,Liu H T,Zhong Y.Phys.Rev.B,2014,89, 195431.

[38]Krishnan A,Thio T,Kim T J,et al.Phys.Rev.B, 2002,66(15)：155412

[39]Koerkamp K J K,Enoch S,Segerink F B,et al.Phys. Rev.Lett.,2004,92(18)：183901

[40]Arigong B,Cheng J,Zhou R,et al.Plasmonics,2014, 9(5)：1221-1227

[41]Gordon R,Brolo A G,McKinnon A,et al.Phys.Rev. Lett.,2004,92(3)：037401

[42]Gordon R,Hughes M,Leathem B,et al.Nano Lett., 2005,5(7)：1243-1246

[43]Nazari T,Khazaeinezhad R,Kassani S H,Opt.Express,2014,22(22)：27476-27488

[44]Pelzman C,Cho S Y.Appl.Phys.Lett.,2015, 106(25)：251101

[45]Shao W,Xu X,Wang H.Plasmonics,2014,9(5)：1025-1030

[46]Hendry E,Lockyear M J,Rivas J G,et al.Phys.Rev. B,2007,75(23)：235305

[47]Dickson W,Wurtz G A,Evans P R,et al.Nano Lett., 2008,8(1)：281-286

[48]Daniel S,Saastamoinen K,Saastamoinen T,et al.Opt.Express,2015,23(17)：22512-22519

[49]Jeanmaire D L,Van Duyne R P,J.ElectroanaL Chem.,1977,84：1-20.

[50]Albrecht M G,Creighton J A,J.Am.Chem.Soc., 1977,99：5215-5217

[51]Zhang X,Liu H T,Zhong Y,Opt.Express,2013, 21(20)：24139-24153

[52]Novoselov K S,Geim A K,Morozov S V,et al.Science,2004,306(5696)：666-669

[53]Gomez-Santos G,Stauber T.Europhys.Lett.,2012, 99(2)：27006

[54]He X Y,Lu H X.Nanotechnology,2014,25：325201

Extraordinary optical transmission(EOT),first reported in 1998,refers to the several orders of magnitude enhanced transmission at specific wavelengths with respect to the classical theory predictions,when a beam of light passes through an array of metallic subwavelength holes.This discovery demonstrated as the first time the surface waves induced abnormal optical effects in metallic subwavelength structures.It represented a milestone of plasmonics as an emergent discipline.This mini-review outlines the progress of EOT by addressing the underlying physics and devices application potentials.First,the macroscopic Bloch-mode scenario and the microscopic surface-wave approach as two possible explanations for the EOT phenomena,as well the relationship between the two explanations,will be presented.Second,the EOT effects based promised applications in sensing,nano-polarizes,filters,optical switching,and spectra enhancements,will be highlighted.Finally,possible challenges and perspectives of the EOT relevant studies will be given.

Progress in extraordinary optical transmission

Zhang Xin1,Liu Hai-tao2
1.School of Science,Tianjin University of Technology and Education,Tianjin,300222 2.Key Laboratory of Optical Information Science and Technology, Ministry of Education,Institute of Modern Optics,Nankai University,Tianjin 300071

extraordinary optical transmission;metallic subwavelength structure array;surface plasmon polariton;quasi-cylindrical wave;hybrid wave;surface Bloch mode;sensing;nanopolarizer;filter;optical switching;spectral enhancement

O43

A

10.13725/j.cnki.pip.2015.04.002

Received date：2016-06-11

E-mail：*martha2005@163.com，?liuht@nankai.edu.cn

1000-0542(2016)04-0118-10 118