众所周知,当电磁波透过金属小孔时,如果孔径尺寸远大于光波长,光的透射率可通过夫琅禾费衍射理论计算得到,此时光斑是艾里(Airy)斑,透射率接近1。当孔径尺寸接近或小于光的波长时,根据Bethe理论,透射率与a/λ(a为小孔的直径,λ为入射光波长)的四次方成正比;当a/λ＜1时,透射率趋近于零,所以,亚波长孔径对电磁波的透射率很低。然而,1998年,Ebbesen等测量金属亚波长孔阵列时首次发现了光波段的透射增强现象:当一束可见光照射在具有周期性亚波长孔阵列的金属薄膜上时,在某些波长上观察到一些异常的透射增强效应。该结果对传统的Bethe理论提出了巨大的挑战。Ebbesen小组认为,入射光照射到金属表面时会产生衍射波,一部分衍射波以隐失波的形式束缚于界面,如果某一阶衍射波刚好与表面等离子极化波动量匹配,则SPPs被共振激发,导致金属表面场的极大增强,出现异常透射效应。2001年,L.Martín-Moreno也指出,当某些特定波长的入射光照射在具有亚波长周期结构的金属表面时,会与存在于金属微结构表面的SPPs发生共振,从而能激发出沿着金属周期结构表面传播的SPPs波。这种表面模式会吸收大量入射光场的能量,与周期结构耦合后在缝隙中传播,并最终在缝隙出口处以光场的形式将能量激发出来,从而产生透射增强现象。然而,SPPs理论解释的透射峰位置与实验不符,宽度也比实际测量大。此后,很多不同的理论被提出,例如Treacy的动力学理论、Cao与Lochbihler对SPPs观点的反驳、Lezec和Thio提出的隐失波复合衍射(Composite Diffracted Evanescent Waves,CDEW)模型,以及Liu等提出的双波(SPPs波和准柱面波)模型。相较而言,双波模型结合了SPPs模型和动态衍射模型,比较好地解释了透射增强机制。
SPPs只有在相邻介质的介电常数实部相反时才能存在,理想导体表面是无法激发表面波的。在THz波段,金属的介电常数比在光波段大好几个数量级,其光学性质相当于完美导体,在2004年,多个小组发现了金属亚波长孔径结构(或金属PCS)在THz波段的透射增强效应,而这种异常透射效应并不能用基于SPPs的理论解释,因为在光滑的理想导体表面不存在束缚性强的SPPs波。Pendry提出在低频段金属PCS表面存在Bloch波(即SSPPs),同光频段的SPPs特性相似。通过这样的SSPPs模式就可以解释理想导体中的异常透射效应。此后,多个不同类型的孔阵列结构被研究,如在基底面上镀亚光波长量级的金属薄膜周期孔阵列、不同形状的孔结构、双层金属孔阵列等。此外,人们不仅用金属来实现THz SPPs的透射增强,而且还用高掺杂半导体来实现,并且实验观察到了从SPPs到光子晶体振荡波的转换过程。以下我们主要介绍半导体PCS和金属PCS结构的透射增强效应。(www.xing528.com)
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