金属区别于其它材料的一大特点是其拥有大量的可以自由移动的自由电子。由于这一特点，电磁波在金属中的传播区别于电磁波在其它材料（比如：半导体和绝缘体）中的传播，尤其金属微结构中光频电磁波的传播。

基于能带理论和半导体工艺的微电子技术极大地促进了人类社会的发展，也极大地改变了人们的生活方式。不过，当电子元件的尺寸小到一定程度时，量子效应却限制了微电子技术的进一步发展。与此同时，人类知识的增长以及信息量的急速膨胀要求进一步提高信息的传输效率。我们知道，作为信息的载体，光子优于电子；然而在集成上，光子元件却输于电子元件。这是由于光的衍射效应的存在，使得介电光学元件的尺寸受到了极大的限制（至少为波长的一半）。比如，当前对电磁波的传播进行约束和操纵的一个重要途径是利用光波导以及 Bragg反射型光子带隙材料[1]。对于前者如单模光纤，其尺寸通常为若干微米；对于后者即光子晶体，其大小亦至少为若干个波长。因此，研究和利用亚波长结构来控制电磁波的传播具有重要的实际意义。

那么如何能利用亚波长结构来控制电磁波的传播呢？实际上，Bragg 反射仅是问题的一个方面，同时它也并非形成能带结构的唯一机制。我们知道，电磁波在材料中的传播过程，其实质就是带电粒子与电磁场相互作用的过程，也是电磁波与材料极化波的耦合过程。在强场的情况下，光与非线性极化波的强烈耦合将导致（准）相位匹配的频率转换。而在线性情况下，电磁波与材料线性极化波的耦合模被称为极化激元（狭义的极化激元仅限于共振频率附近的耦合模）[2]。比如，光子与金属表面等离激元可耦合形成表面等离极化激元，光子与晶格振动的横光学声子可耦合产生声子极化激元。它们的产生可伴随着光子能隙以及亚波长的结构特征。

近来，在可见与近红外光波段，基于金属表面等离极化激元的光子学（或称为之plasmonics）已引起了人们的广泛关注[3]。利用表面等离极化激元，可将光场限制在金属表面附近更小的（亚波长）尺度范围。可见，它既有光子元件的长处（容量大），又有电子器件的优点（尺寸小）；同时，光电信号又都能以同一金属回路进行传输。因此，plasmonics 为未来的光电集成提供了一个新的途径。围绕表面等离极化激元，各种亚波长的光波导结构先后已经被提出。最近，丹麦 Aalborg大学的 Bozhevolnyi 等人报道了基于沟道表面等离极化激元的亚波长波导元件的设计、制作和表征工作[4]。另外，美国Boston 大学的 Rybczynski 等人利用亚波长尺寸的同轴电缆结构也实现了可见光的远距离传输（与波长相比）[5]。这些都为实现超高密度的光子元件的集成提供了可能。除了表面等离极化激元（光沿着金属表面的传播）以外，光垂直于金属表面的传播（光的透射效应）也是一个有趣的研究课题。1998 年，Ebbesen等人研究发现，如果在金属薄膜中引入亚波长小孔阵列，则在特定的波长处将产生增强透射效应[6]。这一异常的透射现象引起了人们广泛的研究兴趣。在实际应用上，比如利用其透射率对波长的依赖性，可制成新型的滤波器（这就相当于一种新型的亚波长光子带隙材料）[7]；利用孔的形状对透射偏振的影响，可制成新型的偏振器[8]。而且，进一步的研究发现，增强透射效应还可能在亚波长光刻技术、非线性光学以及量子信息处理等方面获得重要的应用[9]。

关于增强透射效应，国内也已经开展了不少研究工作。比如南京大学的朱永元教授、中科院的张道中教授以及南京师范大学的叶永宏等，他们都从各个角度对此效应做出了富有成效的实验工作[10，11]。在物理机制上，一个普遍的观点是认为表面等离极化激元在其中起着至关重要的作用。不过，这一观点也引起了极大的争议[12]。目前，我们已对增强透射效应进行了深入的理论研究，解析计算与大量的实验结果能够极好地吻合。但是，仍然有一个重要的问题尚未解决。实际上，小孔点阵可视作一系列彼此相互并联的亚波长波导阵列。应该来讲，这些波导及其构成材料应起着十分重要的作用（这里金属不能作为理想导电材料）。为此，有人认为透射峰之一实源于局域的波导共振[13]。然而，实验却表明增强透射效应仅与薄膜表面的金属有关，而与小孔内壁的金属材料（Ag或 Ni，后者吸收较大）无关[14]。因此，电磁波如何在这些亚波长的波导中传播及其作用成为悬而未决的问题。弄清这一问题对深入理解增强透射效应、优化透射性能及扩展其应用具有重要的意义。另外，近来的研究兴趣主要集中于透射效应；与之相比，微结构金属材料的反射效应却少有关注。在研究透射效应时，人们先是研究一维的狭缝阵列，继而是二维的小孔点阵，并强调了两者之间存在的差异。然而在研究反射效应时，目前仅有一维金属槽的结果[15]，而二维金属腔阵列却未见报导。相应地，如何拓宽金属材料微结构并实现其它的物理效应也是一个重要的研究课题。

目前，对金属膜腔阵列的增强透射的研究集中于单孔阵列，即一个单胞内只有一个小孔（圆形、椭圆形、C型或矩形孔等等），对于双孔阵列的研究还比较少，本课题拟研究两个非对称圆孔的增强透射问题，包括：设计单层纳米双孔阵列；该结构是单层的金属片组成；金属片上打上非对称的圆孔阵列；一个周期内的圆孔的半径大小不同。研究的波长范围为红外波段：800-2000 nm的波长范围;入射光为线偏振光，研究透射光的波峰的增强透射效应；分析影响透射光的波峰的因素和机制。

参考文献：

[1] Tamaru, H.; Kuwata, H.; Miyazaki, H. T.; Miyano, K. Appl. Phys. Lett. 2002, 80, 1826.

[2] Romero, I.; Aizpurua, J.; Bryant, G. W.; Garcia de Abajo, F. J. Opt. Express 2006, 14, 9988.