亚波长光学异常透射微观机理和电磁场能量聚集的理论研究

深入理解亚波长单狭缝所展示的光学异常透射现象对于发展新颖的纳米到亚微米尺度的光学器件具有重要的意义。本项目拟在我们已有工作的基础上，从电磁场方程组出发，运用理论推导和FDTD数值模拟方法，着重两方面的研究。一是研究异常透射的微观机理，解释为什么会出现异常透射，异常透射峰的位置以及峰高和缝宽随波长与缝宽之比的关系尽量能够用一个解析的关系给出。给出异常透射的明确的物理图像。将一个亚波长狭缝理解为一个法布里-珀罗干涉仪，给出这两个系统的几何尺寸上的对应关系。二是研究在亚波长区域内能量聚集的问题，异常光学透射本身也说明在亚波长区域内电磁波的能量密度非常高。我们将在明确理解金属亚波长狭缝异常透射微观机制的基础上，解释在亚波长区域内能量高度聚集的原因，并且探讨能量聚集程度更高的方法。

本项目主要研究了亚波长金属狭缝内各种情况下的传播透射机理。总的来说，光在金属亚波长狭缝的缝壁激发表面等离激元(Surface Plasmon Polariton, SPP)，引致各种现象。研究获得了以下成果。.光通过理想金属无限长狭缝中的一个界面时，存在一个临界波长，此时透射率为零。临界波长以下，正反两个方向的透射率差别大。临界波长以上，正反两个方向的透射率相同，且与结构是否对称无关。仔细分析实际金属中的亚波长缝宽变化界面处的散射机制可知，在界面处的散射导致的各种高阶模式的多模激发影响了透射率。周期调制结构导致光的能带的形成。在禁带内，光的速度有可能大于光速。而在能带边，光的群速度会变得相当的慢，甚至可以达到光速的百分之一。研究了亚波长狭缝之间的相互影响。对于亚波长椭圆孔排成的方阵列，分析单孔透射率与多空透射率的差别，可给出了近邻孔存在时透射的表达式。对于一维理想金属光栅，缝间相互作用最直观地表现在缝间金属表面的电流分布上，从相邻两个狭缝的缝口位置开始振荡衰减。透射率随缝间距是振荡变化的。当其它参量固定而狭缝数目增加时，透射率可能是振荡式地增长，或者衰减，或者基本不变。.为了抑制信号光之外的背景白光通过亚波长狭缝，我们设计了在金属亚波长外侧添加辅助结构，可使信噪比得到极大的提高。研究了光通过亚波长狭缝之后的应用的可能性。一是将亚波长狭缝设计成近场光学的光纤探针。二是对于当光通过亚波长狭缝之后，实现的非聚焦成像实验给予了正确的理论解释。光单向透射性可以用于光隔离器，光二极管等重要方面。我们将一维实际金属构成的光栅的两个表面设计成非对称的。这样可导致正反两个方向的透射时不相等的。设想了一个巧妙的办法来计算每一个表面上的透射和反射系数，然后从表面结构的参量，可以计算出透射率，进而计算出正反两个方向上的透射比。可实现正方两个方向上的透射率可以相差四倍以上。二是利用干涉原理实现光的完全单透性。.在理论计算与分析中，我们还考虑到了数学上的严密性。提出了只有在有限远处的边界上为零这样的边界条件下，本征函数集才是完备的。由于在研究中需要用到相应的数学工具，我们做了深入的研究。反映在出版的著作中。.我们很好地完成了预订的目标，获得丰富的成果。本项目执行期间，已发表和已接收待发表的标注本项目致谢的SCI论文12篇，国际会议论文1篇，中英文著作各一本。研究还延伸到了下一步的目标领域。