基于纳米光学等离子晶体的新型纳米光子学器件的发展

　　0　引　言

　　长期以来,人们一直试图控制光。从发现光的直线传播现象开始,各种光学器件都是用来控制光的传播为人们服务。后来人们逐渐发现即使消除掉透镜形状的缺陷,任何光学仪器仍然无法完美地成像,因为这些传统的光学仪器都受到衍射极限的制约,这个衍射极限其实是由测不准原理所决定的[1]。通过理论分析可以知道,对于一个传统的光学显微镜,它所能分辨的最小光斑尺寸为

　　Δx =0.61λ/(nsinθ)

　　其中nsinθ=NA称为显微物镜的数值孔径。也就是说比这个尺寸还小的信息不能被有效地提取出来。后来H. Synge提出了近场成像的概念设计[2],并在1984年由Phol在光学频段予以实现,获得λ/20的超衍射极限分辨率[3]。但这只是解决了超分辨率近场信号探测的问题,对于如何在近场的范围内控制光子的运动,并没有给出一个明确的答案。

　　1998年Ebbesen发现光在通过金属薄膜上的二维孔径阵列的时候表现出奇妙的增强现象[4,5]。根据Bethe等人的理论[6,7],平面波通过无限大理想导体薄膜上直径远小于波长的圆孔的时候,通光效率P──即通过圆孔传输的光功率和照射到圆孔面积上的光功率之比──和圆孔直径与入射光波长之比的四次方成正比,即

　　P∝(d/λ)4

　　所以当圆孔直径远小于波长时,通光效率远小于1;并且随着孔径的减小,通光效率急剧下降。但是Ebbesen发现如果把很多圆孔排列成一个二维的孔径阵列,则通过阵列周期等参数的优化,每一个圆孔的通光效率都可以大于1。Ebbesen把这个现象归因于孔径阵列的表面等离子增强效应[8—14]。从这种思路出发,Ebbesen等人继续证明了如果在一个单孔周围加工出一定的没有把金属膜打穿的孔径阵列或者圆环阵列等表面形貌的时候,同样可以产生增强效应[15—18]。进一步深入研究发现通过设计某种合适的表面形貌结构可以在几微米的范围内控制出射光束的半高宽维持在半波长左右而不明显展宽[19—23]。这种二维孔径阵列或者具有纳米结构环绕的单孔结构由于具有以上新颖的物理效应吸引了越来越多人的注意,相应的理论和实验研究也不断完善[24—29]。由于这种结构和光子晶体非常相似,并且等离子增强的理论被大多数人所接受,所以有些科学家把它称之为“等离子晶体(plasmonic crys-tals)”或者“表面等离子晶体(surface plasmonic crys-tals)”。2004年,在总结前人工作的基础上,Okamo-to等人给等离子晶体下了一个比较明确的定义[30]等离子晶体=二维光子晶体+表面等离子极化其中二维光子晶体用来限制光子在横向的运动,表面等离子极化用来限制光子在纵向的运动,两者合起来构成等离子晶体就可以控制光子在三维空间的运动。