表面等离激元(Surface plasmons,SPs)是指在金属和介质交界面由于自由电子和光子的相互作用而形成的一种电磁场表面倏逝波模式,包括沿金属与介质界面传播的表面等离极化激元(Surface plasmon polaritons,SPPs)和局域在金属纳米颗粒及表面微结构的局域表面等离激元(Localized surface plasmons,LSPs)两种模式。金属纳米结构由于表面等离激元的激发,能够将自有空间的光辐射能量有效耦合到高度受限的表面模式,从而在金属表面纳米尺度范围内形成极大增强的局域场,这导致了许多光学效应得到显著增强,如拉曼散射、光透射、光催化等,也产生了很多新奇的物理现象,如增强光透射、Fano共振、亚波长光局域等。共振的表面等离激元因具有光子学的速度和电子学的尺度,可克服衍射极限,能够在亚波长结构中对光进行约束和操控,所以被认为是替代电子、光子的极具前途的信息载体。表面等离激元对金属纳米结构的形状、材料、尺寸和介电环境等因素的高度敏感性,为操控金属纳米结构的光学性质创造了有利条件。现有纳米精密加工技术的发展,使得许多新型的金属纳米结构及纳米光子器件得以设计和制备。所以金属纳米结构在生物光子学、亚波长集成光学、生物化学探测等许多领域得到了广泛的应用。1998年,Ebbesen等率先发现光通过孔洞阵列银薄膜结构会产在异常光透射现象(Extraordinary optical transmission,EOT),基于表面等离激元的共振激发和耦合而导致的增强光透射效应引起了大家广泛的关注。利用金属纳米结构实现增强光透射的特性,有利于实现新型的光电器件如滤波器、透明导体、光耦合器,传感器和新型光源等。在本论文中,我们设计了六种金属复合纳米结构,研究了这些结构的增强光透射性能,并探索了这些结构在光学传感领域的应用。主要的研究工作和成果如下:1介绍了表面等离激元的发展历史、种类、内在机理以及相关物理特征,如色散关系、激发方式、传播方式及应用,这是本文的理论基础。2主要介绍了金属薄膜结构的数值分析方法:时域有限差分法和电磁场有限元法,其中时域有限差分法是本文结构设计和模拟仿真所使用的方法。3设计和研究了两种狭缝式薄膜金属结构。1)双层圆柱式结构,在单纯的孔洞阵列结构单元中引入一层空气环,出现了独特的模式杂化与法诺共振效应,他们与表面等离激元的共振耦合、光波导腔模作用共同导致了在可见光及近红外波段得到了独特的高透射双波峰透射现象。通过改变内外环的尺寸大小等结构参数可以有效调节光学透射特征。2)“日”字型薄膜金属结构,该结构单元是通过将空气狭缝和金属纳米棒相结合而形成。为了获得单一波长的透射,我们选择使用具有相同宽度的狭缝。通过改变纳米棒的尺寸与狭缝的宽度及结构的周期,可以有规律地调节透射波谱的波峰位置与带宽。这种近乎完美的增强光透射效应主要来自局域表面等离激元的共振激发与耦合作用。此外,结构对周围环境的介电常数也表现出规律的变化,具有传感领域的潜在应用。4复合性孔洞结构具有光场增强及可调节性的优势,但由于结构复杂而实现较难。我们设计了两种简单易于实现的复合型孔洞式薄膜金属结构。1)复合矩形式,通过在中心矩形孔的两侧引入两个小的方形孔组成单元阵列。研究发现,这种复合式结构的光透射强度要比大孔阵列与小孔阵列结构单独存在时的透射强度之和还要高12%,这种极大的光透射增强现象主要来自于中心大孔和两侧小孔之间表面等离激元的共振激发和强耦合作用。2)复合圆孔式,通过在中心圆孔的外侧圆周上引入一圈小圆孔的方法来实现光透射增强。通过对不同小孔数量(0、4、8)的对比研究,发现在有小孔包围的情况下,其光透射强度显著提高;而在有小孔包围的情况下,小孔数量的增加并未显示出较大的优势,但其增强光透射特征都会随圆孔尺寸的增大呈线性增长趋势。这两种复合结构的研究说明,在金属薄膜结构中适当引入一些小孔,通过各个孔之间的等离激元模式的耦合作用,可以完善光学透射特性。他们对周围介电环境的变化也表现出很高的敏感度,在传感领域具有潜在的应用前景。5由于三角形结构具有三个60°的尖角可以提供更强等离激元的激发,故在局域等离激元方面有独特的优势。因此,我们设计了一种具有等边三角形孔洞阵列的薄膜金属结构,通过改变该结构中三角形的排列方式以及孔洞的尺寸或周期,有效调节透射波谱,从而获得增强的光学透射效应。6提出了一种新型的“三明治”结构。该结构是通过将金属纳米颗粒(如Cu)和非金属材料颗粒(如SiO2)阵列重叠放置在两介质薄膜之间组成。通过调节相邻纳米颗粒之间的局域等离激元共振及杂化耦合作用,获得了从近红外到可见光波段的宽带强增强透射现象。以上结构的设计和光学特性研究,为增强光透射研究奠定了基础,有助于金属纳米结构在新型光学传感器、滤波器及光学透明电极等领域的应用发展。