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一维金属光栅的透射光增强效应的物理机制
激光杂志 2003 年第 24 卷第 4 期 激光物理LASER JOURNAL ( Vol. 24. No. 4. 2003)29一维金属光栅的透射光增强效应的物理机制何启浩( 1 西南民族大学电气信息工程学院, 成都1*汪
国平2610041) ( 2 武汉大学物理科学和技术学院, 武汉430072)提要: 通过时域有限差分法模拟金属光栅狭缝中的光场分布随时间的演化及狭缝阵列参数对透射光谱的影响, 进一步证明, 一维金属光栅 的透射光增强效应起源于狭缝中光场的类 Fabry Perot( F P) 共振。光栅参数 变化产生的透 射光谱的漂移是 由于其对这 种类 F P 腔 长度的 调制。 关键词: 金属光栅, 透射增强, 物理机制Physical mechanism for transmission enhancement of one- dimensional metallic gratings1 2*H e Qihao Wang Guoping ( 1 College of Electrical and Information Engineering, Southwest U niversity for Nat ionalit es, Chengdu 610041) ; ( 2 Physics Science and Technology College, Wuhan University, Wuhan 430072) Abstract: We have simulated the sl its light distribution of metallic gratings follows time evolut ion and the effect of the sl its array parameters on transmission spectra. We also further proved the high transmission light through one- dimensional metall ic gratings originat ing in Fabry - Perot - like resonance of the slits l ight . The transmission spectra drift from the varying of the gratings parameters is due to its modulat ion to the length of the Fabry- Perot - like. Key words: metallic gratings, high transmission, physical mechanism1引言理论和实验证明 1, 2 , 金属 薄膜上 的亚 波长狭 缝光 栅具 有异常的透 射光增强 效应。由 于这 种增强 效应 突破 了经典 孔径理论的极限, 在 光子学、 电子 学等领 域具 有巨 大的应 光 用潜力, 因而引起探索该增强效应物 理机制的 研究热潮。文 献 3 指出, 金属 狭缝中 的光场 的类 Fabry Perot( F P) 共振 效应是这种增强效应的物理起源, 本文 将通过时 域有限差分 法( FDTD) 4 模拟金属光栅狭缝中光 场分布的时间演化, 进一 步给出光场传播过程中的直观物理图像, 以期获 得对该增强 效应物理机制的更深入的理解。2计算模型计算模型如图 1 所示, 金 属光 栅狭缝 阵列 附在 基底 上, 上方为空气, 基底的相 对介电 常数为 2。本文 以金属 银作为 研究对象, 其 介电 常 数 5 根 据已 知 的分 立介 电 常数 拟 合而 得。光栅 周 期 为 a = 900nm, 狭 缝 ( 即 空 气 缝 ) 宽 度 为 d= 60nm, 狭缝处银 膜 厚度 为 零, 非狭 缝处 银 膜 厚度 用 h 表 示。 假设光栅 平面 无限 大, 入 射波 为 TM 波, 磁 场方向 沿狭 缝方 向。 计算中虚框上下边 界采用二次吸收边界 条件 6 , 左右边 界采用周期性边界条件。将计算 空间沿 x, y 方向分 成 135 45 个网格单元, x , y 分别表示为网格单元沿 x , y 方向上 的长度, x = y = 20nm, 时间 增量 t = x / ( 2c) , c 为真 空中的光速, 总计算时间为 16 个入射 光周期, ( i j ) 表 示格点 坐标, 任意一个时间和空间的函数表示为: F n ( i, j ) = F( i x , j y , n t) ( 1) 由此可将 Maxwell 方程组在空间各 点的电场 和磁场分量 写成离散形式。求解空间各点在不同时刻 的电磁场分 量, 可 求得光场在空间各点随时间的分布关系 3 。定义透过率: T= I/ Io , Io , I = ( | E x | 2 + | Ey | 2 ) 分别指在入 射面和探测面上光强的求和。3计算结果1000nm, 1200nm, 1400nm, 1600nm 和 1800nm。 由图 可 以看 出, 对于 每一个入射波长, 透过率的变化随 狭缝深度的 变化呈现 出一 种周期性的关系。不同的波长对应着不 同的周期, 取这 个周 期为 Dth , 则 Dth 与入射光 波长 大致呈线性关系。 图 3 给出了 入射 光波长 为 1300nm 时, 狭缝 中介质 折射 率分别为 1 和 2 时 透过 率随狭 缝深 度变化 的关 系。曲 线显 示对 应这两种条件下的 Dth 分别为 460nm 和 220nm, 前者 约为 后者 的两倍, 与狭缝内介质的折射率比值成反比。 3. 2 光栅周期对透射光谱的影响 图 4 是不同波长 所对 应的无 基底 金属光 栅的 透过 率随 狭缝 周期变化的曲线, 狭缝深度为 1300nm( 任选值 , 无特别的 意义) 。由图可见, 当狭缝周期大 致等于入射 光波长时, 透过 率曲 线都会有一个上升趋 势。而当入射光波长为 600nm 时, 还可 以看到在光栅周期大致等于入射光波长 的两倍处, 透过 率也 具有上升趋势。 图 5 为光栅 周 期不 同时, 狭缝 中 心线 上 光场 分 布 的变 化。其横轴对 应 x 轴坐标 , 纵轴为相对光强 值。根据图 4 中 入 射光 波 长 为 1200nm 对 应的 曲 线, 选 择 光 栅 周 期分 别 为 660nm, 1060nm, 1260nm 时, 以 1200nm 的入射光 透过金属光栅 为例 模拟了光场通过狭缝的分布情况。可以 看出, 光场分布 呈现驻波 分 布。对应 不 同的 光栅 周 期, 驻波 波 节位 置 不一 样, 狭缝中的峰值光 强也不 一样, 其 大小关 系和 对应的 透过 率大 小一致。 3. 3 狭缝光场分布的时间演化 上面主要说明了光场稳定后狭缝内光场 的分布, 为了解 驻波 的产生 情况, 图 6 给出 不同参 数条件 下, 光栅狭 缝周围 的光场分布随时间 的演 变图( 计 算中 为简化, 去 掉了 基底) 。 狭缝深度为 1300nm, 入射光波长为 1300nm( 具 有透射 增强的 波长) 。每个小图下面的数字是对应 的计算时间 步。为了看 清楚狭缝中波节的分 布, 对应 时间步 为 1500 和 2200 的 小图 中的 光场放大倍数是其 它小图 的 1/ 2。可以 看出, 当光 场刚 刚透过金属狭 缝阵列时, 并 没有 驻波状 的光 强分布, 而 是几 乎均 匀的分布在狭缝中。随着传播时间的增 长, 在 光从狭缝 出口处向四周 传播的同 时, 第一 个波节 出现 在靠出 口处, 接2003 年 1 月 28 日收稿 教育部骨干教师基金和国家自然科学基金( ) 资助的 课题3. 1 狭缝深度及狭缝内介质对透 射光谱的影响 图 2 为不同波长 所对 应的 透过率 随狭 缝深度 变化 的关 系图。图中曲线 a, b, c, d, e, f 分别 对 应入 射波 长 为 800nm,30激光杂志 2003 年第 24 卷第 4 期LASER JOURNAL ( Vol. 24. No. 4. 2003) 着传播时 间 的延 长, 该 光强 开始 逐 步增 大并 趋 向稳 定。显 然, 这些变化的 产 生与 光在 金 属狭 缝阵 列 两表 面的 反 射有 关。对于没有 透射增强效应波长的入射光, 同样具 有与上面 类似 的情况, 只是光在两个表面的多次 反射后光强 的大小有 所不 同。着在与光入射方向相反 的方向 上依 次出现 第二 个波 节和第 三个波节。Krishnan 7 等 人 认为, 金 属 狭缝 阵列 上 下表 面相 当于两个反射镜, 其反射系数与入射 光的频率 有关。因此这 可以看成是 反射光与 入射 光叠加 形成 驻波的 过程。 此外还 可以发现, 光栅下 表面 狭 缝开 口处 的 光强 从 n= 100 到 n= 350 的这段时间内 几乎 没有什 么变 化, 而在 n= 400 后, 即被 反射回来的光波到达金属狭缝阵列下表 面后才增 大。同样, 从 n= 300 到 n= 400, 光栅上表面的光 强也几乎 没有变 化, 随4透射光增强效应的物理机制由以上分析已知, 光场在金属光栅 狭缝中的 分布都呈驻 波状。计算 表明, 每个入射光波长对应 的驻波的 周期均与相 应的 Dth 相等。当狭 缝深 度与驻 波波 长满足 一定 的关 系时, 狭缝阵列具有很大的透过率增 强。Astilean 7 等 人认为, 当狭 缝深度 h 与驻波波长 满足: m / n e = 2h( m 为自然 数) 时, 入 射光有最大的透过率。其中 ne = / ( 2D th ) 为有 效折射 率, 随 狭缝宽度的增大而减小, 但与金属狭缝 阵列周期 和狭缝深度 均无关。我 们发现, 透过率为峰值所对 应的狭缝 深度要略小 于驻波波 长的 m 倍, 即: m / n e = 2h+ ( & 0) 。我们 称该 条件为匹配条件。当该条件得到满足时, 透射光 谱相应的波 长位置上会有增强峰的出现。当光入射到 金属光栅表 面时, 由于金属光栅的两个表面相当于两个有一 定反射率的 镜子, 光在两个镜面上发生反 射, 相当 于通 过一个 类似 于 F P 腔 的结构, 即我们所谓的类 F P 腔。当匹配 条件得到满 足时, 就会出现光 的共振增 强。对于 一个 几何参 数固 定的 一维金 属光栅, 一般总会有 几个入 射光 波长 能满足 匹配 条件, 而其 它波长的入射光则不行。匹配公式中的 h 可 视为 F P 腔的 长度, 可看成是光在光栅上下表 面发生反射 时的位 相变化 引起的一个参量。它的大小主要与光栅两 侧介质的折 射率、 光栅周期以 及入射光 波长 有关。我 们计算 了入 射光 波长为 1800nm, 光栅厚 度为 1300nm 时, 基底相对介电 常数分别为 1、 2、 的情况 , 发现 随它的增大 而增大。 ne 的 大小与 狭缝的 4 宽度有关, 与金属的厚度和光栅基底的性质都 无关。 当其它条件不变, 只改 变狭 缝周期 时, 一方 面改变 了光 在金属两表面上的反射 率, 使狭 缝中 的峰值 光强 变化; 另一 方面, 光在两表面反 射时的 位相 变化量 也会 不一样 , 导 致的变化, 这反映在波节位置的移动上。 因此光栅周 期的变化 最终 会改变类 F P 腔的有效 长度。这 就是为什么 金属光栅 的透射光谱随光 栅周 期漂移 的原 因。狭缝 深度 及狭缝 内介 质折 射率对透射光谱的影 响则 可直 接通过 匹配 条件的 表达 式得 到说明。 通过时域有限差分法 模拟 亚波 长金属 光栅 狭缝中 光场 分布 的时间演化及光栅参数对透射光谱的影 响, 进 一步说明 金属光栅的透 射光增强效应起源于狭缝中光 场的类 F P 腔 的共 振。阵列 参数的变化对 F P 腔长 度的调制导 致了透射 光谱 增强波长的漂移。参 考 文献 1 J. A . Porto, F. T. Garcia- Vidal and J. B. Pendry. Transmission reso nances on metall ic gratings with very narrow sl its . Phys. Rev. Lett. , 45 2848 Y. Takakura. Optical resonance in a narrow slit in a thick metallic screen. Phys. Rev. Lett. 01 5603 谈春雷, 易永祥, 汪国平. 一维金属 光栅的透 射光学特 性. 物理 学报, ) :
高本庆. 时域有限差分法. 北京: 国防工业出版社,
E. D . Palik. Handbook of optical constants of solids. Academic, San Di ego. , 5 Engquist B and M ajda A. Absorbing boundary conditions for the numeri cal simulat ion of waves. Math. Comp. , 9 651 Ast ilean S, Lalanne Ph and Palamaru. Light transmission through met al lic channels much smaller than the wavelength. Opt . Commun. , : 265 2732 3 4 5 6 7
1 引言 光透射增强现象自 1998 年由 Ebbesen 等人...常用的方法有光子隧道效应的衰减全反射激发和光栅祸...亚波长金属结构异常光学透射的物理机制 在最初的实验...学院物理与电气工程学院 安徽 安庆 246011 指导教师:朱德权 摘要: 衍射光栅作为...在金属光栅上制作的亚波长狭缝光栅具有异常的透射光增强效应. 由于这种增强效应...等离子体效应的光开关研究现状和进展_物理_自然科学_...控制透射量.下图为相同尺寸的 Si 光栅和 Au 光栅...J.A.Porto 从理论上分析了在一维金属光栅中填充 ...调控其光栅结构的 THz-SPs 透射增强效应.开关速度主要...2004 年,J.A.Porto 从理论上分析了在一维金属光栅...其透射光出现光双稳现象[13].图 8 是光栅结构...5. 用复合光源做实验时观察到了什么现象, 怎 样解释这个现象? [物理实验报告《用分光计和透射光栅测光波波长》(共 2 篇)]篇一:物理实验报告《用分光 计和...光栅衍射实验报告_物理_自然科学_专业资料。光栅衍射...透射光 栅是用金刚石刻刀在平面玻璃上刻许多平行线...如果在这方向上由于光振动的加强而在 F 处产生了 ...物理实验报告《用分光计和透射光栅测光波波长》 【实验目的】 观察光栅的衍射光谱,掌握用分光计和透射光栅测光波波长的方法。 【实验仪器】 分光计,透射光栅,钠光灯...大学物理衍射光栅测波长实验报告_工学_高等教育_教育专区 暂无评价|0人阅读|0次下载|举报文档 大学物理衍射光栅测波长实验报告_工学_高等教育_教育专区。 ...用透射光栅测光波波长 物理实验报告_学习总结_总结/汇报_实用文档。里面都有数据...实验指导老师 一、实验目的: 1、加深对光的衍射和光栅分光作用基本原理的理解...图文:平行光通过一维光栅衍射的情形_物理_自然科学_专业资料。图文:平行光通过一维光栅衍射的情形 光通过单狭缝产生的衍射条纹的位置跟光波的波长有关。 把许多等宽...
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亚波长光栅及其应用的研究,衍射光栅测光波波长,用光栅测量光波波长,光栅特性的研究,超声光栅应用,亚波长,亚波长结构镀膜,光栅尺,衍射光栅,光栅常数
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3秒自动关闭窗口关于光的衍射,为什么当入射光的波长与光栅缝隙大小相当时最明显?
关于光的衍射,为什么当入射光的波长与光栅缝隙大小相当时最明显?"宽度范围内的光源因为距离和相位的原因会互干涉",请问具体是怎样干涉的？
衍射的本质是一点的振动向四周扩散.如果周围也有其他的点振动,场相互干扰,衍射效果就不好了,光栅的缝隙处就是衍射的振动源.这个振动源的的宽度如果比波长大,则宽度范围内的光源因为距离和相位的原因会互干涉,整体效果就不像是一个点震源的效果.所以说其实是缝越细越好,越细,整个由缝出来的场也最规整.但是为什么大家说缝太细也会不明显,效果不好,那是因为缝太细光线就暗了,就是衍射现象明显,但是光强太低.所以最终折中的选择是缝与波长大小相当时最明显.
与《关于光的衍射,为什么当入射光的波长与光栅缝隙大小相当时最明显?》相关的作业问题
A在光的传播过程中,光线照射到粒子时,如果粒子大于入射光波长很多倍,则发生光的反射；如果粒子小于入射光波长,则发生光的散射,这时观察到的是光波环绕微粒而向其四周放射的光,称为散射光或乳光[1].丁达尔效应就是光的散射现象或称乳光现象.
设入射光为波长为λ,增透膜厚度为λ/5.因为这种光在增透膜中波长为λ/n,增透膜厚度为其在增透膜中波长的1/4,所以增透膜厚度为λ/5
光电效应方程hν-W=Ek--------式中Ek为“光电子的最大初动能”,ν为“入射光的频率”.入射光的频率ν足够高(ν>W/h),也就是波长足够小（λ=C/ν）,才能克服“逸出功”,产生光电效应.
反射光进去 出来 加起来比入射光多走 1/2波长正好差半个周期 于是入射区域的 入射光与反射光相消那么透射区域的光强就大了 再问： 为什么是真空中的波长而不是薄膜中的？ 再答： 应该是膜中的啊 真空中的只是近似吧
你问的问题好像不对,我问你：人的测量身高与极限身高满足怎样的关系?是小于等于 还是远远小于?你怎么回答?你回答的肯定也不对.但是我还是要正确的回答你的问题.1.入射光的波长是由人决定的,你给多少波长的光去照射它,入射波长就是多少.2.极限波长是指低于190纳米左右和高于1200纳米左右的光去照射硅光电池的时候,它基本没
可以从原子共振的角度讲共振,电子吸收的能量多,
不是啊,波长是几百纳米到几个微米不等,缝宽可以是几个微米到几十个微米不等,缝宽大于波长,要能衍射只要缝宽和波长可以比拟就行了,就是说数量级差不多就行,没必要必须小于波长!
△x=λ/2tanθ——这是薄膜干涉的条纹间距公式用30条明纹的距离为4.30㎜算的△x,用△x=λ/2tanθ算得tanθ,而tanθ=d/l,可算得l
光程差是半波长的奇数倍,就出现暗纹.改变2个波长,还是奇数倍,所以还是暗纹.
亲爱的知友,很高兴为你详细的代入里面即可.希望能帮到你.
m级条纹半径,那么m+1和m级条纹之间的距离也就是条纹间距是和波长正相关的,所以波长长的间距大,红光波长比紫光长,因此红光间距大
所谓康普顿效应是站在围观的粒子性角度上加以解释的,“康普顿散射只有在入射光的波长与电子的康普顿波长相比拟时,散射才显著”的实际意思应该这样理当光的粒子性比较接近电子（频率比较高）时,粒子性显现明显,才有明显散射（也就是碰撞）而不是一般情况下的吸收光子.若还有不明请补充问题 高中能级不学习康普顿效应!所以“只有特定能量的
逸出功W=hc/λ=6.63*10^-34*3*10^8/=3.68*10^-19J动能1/2*mv^2=1.2eV=1.2*1.6*10^-19=1.92*10^-19J根据光电效应,hu=hc/λ=1/2*mv^2+W=5.6*10^-19解得λ=3552埃
恰能使金属逸出光电子说明入射光的频率恰好等于金属的极限频率，由题意知入射光的频率fA＜fB＜fC．A、A的频率最小，照射金属b和c，金属b和c均不能发生光电效应现象，A错误；B、A、B光的频率都小于C的，用入射光A和B照射金属c，金属c不能发生光电效应现象，B错误；C、C的频率比AB的都大，所以用入射光C照射金属a与b
入＝4910（题目无单位,我觉得是“埃”才合理）,U截＝0.71伏特说明这时光电子的最大初动能等于电子电量与该电压的乘积（电场力的功）.即　eU截＝Ek1且由光电效应方程得　hv＝Ek1＋W　,v是入射光频率,W是光电管阴极材料的逸出功即　h*(C / 入)＝Ek1＋Wh*(C / 入)＝eU截＋W　.方程1同理,设当
题目给的极限波长的单位有误,应是　540 nm（纳米）,不是 540 mm（毫米）.已知：光电子的最大初动能　Ekm＝12 eV＝12 * 1.6*10^(-19) 焦耳＝1.92 * 10^(-18) 焦耳钠的极限波长是　入0＝540 nm＝540 * 10^(-9) 米＝5.4 * 10^(-7) 米求：入射光的波
光学望远镜的分辨本领与入射光的波长 成反比 ,与口径 成正比