[論文レビュー] Extraordinary optical transmission through metal films with sub wavelength holes and slits

A. S. Vengurlekar|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2010

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 67被引用数 34

ひとこと要約

この論文は、表面プラズモン極性波が励起されることで、古典的予測をはるかに上回る光の透過が観測される、波長未満の穴やスリットを有する金属膜における特異的光学透過（EOT）現象をレビューする。主な貢献は、特にナノスケールの開口部を通じた効率的な光結合を媒介する結合した表面プラズモンの役割を含め、増幅された透過を可能にするメカニズムに関する理論的および実験的知見を包括的に統合することにある。

ABSTRACT

Continuous films of metals like gold and silver with a thickness of a few tens of nm have poor optical transmission in the visible and infrared. However, the same films become largely transparent when the transmission is mediated by coupled surface plasmon polaritons on the two surfaces of the film. Likewise, it is expected that optical transmission through a hole in an opaque metal film would be negligible if the size of the hole is much smaller than the wavelength of the incident radiation. Contrary to this, it was found a few years ago that opaque metal films perforated with a periodic array of sub wavelength holes exhibit large transmission at certain wavelengths. Such extraordinary optical properties of the metal films have attracted much attention in recent years. They have led to several proposals and demonstrations of nanophotonic applications in a wide range of areas, such as microscopy, spectroscopy, optoelectronics, optical data storage, bio-chemical sensing and so on. In parallel, extensive effort has been made to elucidate the mechanisms of efficient light energy transfer across metal films with arrays of sub wavelength apertures like holes and slits. Despite this effort, not all aspects of the underlying physics of the phenomena are fully understood yet. Here, we provide a short review of the various concepts put forth to explicate the large transmission of light across continuous metal films and films with sub wavelength apertures.

研究の動機と目的

• 波長未満の穴を通じた異常な光学透過を説明する既存の理論を分析・統合すること。
• 表面プラズモン極性波が、古典的回折限界を超えた透過を可能にする役割を明確にすること。
• 連続した金属膜内のナノスケールの開口部を通じた光結合のための提案されたメカニズムを包括的に概説すること。
• 広範な研究にもかかわらず、根本的な物理学的側面の未解決な点を強調すること。
• EOTに関する現在の理解を統合することで、今後のナノフォトニクスデバイスの開発を支援すること。

提案手法

• 特異的光学透過（EOT）に関連する理論的モデルおよび実験的観察の体系的レビュー。
• 穿孔膜の金属-誘電体界面における表面プラズモン極性波（SPP）励起の分析。
• 周期的穴アレイが結合効率および共鳴透過ピークに与える影響の検討。
• 穴とスリットの両方における透過挙動の比較を通じて、幾何学的依存性を持つSPPモードの強調。
• 近場結合および干渉効果が透過を増幅する役割を評価すること。
• 複数の研究から得られた知見を統合し、EOTを支配する一貫した物理的原則を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、もともと不透明な金属膜に波長未満の穴が開けられても光が透過可能になるのか？
• RQ2 表面プラズモン極性波は、周期的穴アレイにおける透過の増幅にどのように寄与しているのか？
• RQ3 なぜ単一の波長未満の穴では透過がほとんど無視できる一方で、周期的アレイでは強い共鳴透過が観測されるのか？
• RQ4 穴のサイズ、周期性、膜厚といった幾何学的パrameterがEOT効率にどの程度影響を与えるのか？
• RQ5 広範な実験的および理論的作業にもかかわらず、根本的な物理学的側面で未解決な点は何か？

主な発見

• 金および銀の膜に周期的かつ波長未満の穴アレイを形成した場合、特定の共鳴波長において、入射光の100％を超える透過が観測され、古典的予測をはるかに上回る。
• 増幅された透過は、主に金属膜の入射面および出射面での表面プラズモン極性波の励起および結合に起因する。
• 透過効率は、穴アレイの周期性および幾何学的形状に強く依存しており、グレーティングの波数がSPPの波数と一致する際に共鳴ピークが現れる。
• この現象は穴に限らない。波長未満のスリットに対しても同様の効果が観測され、表面プラズモン結合を含む一般化されたメカニズムであることが示唆される。
• 広範な研究にもかかわらず、EOTにおける局在化したモードと伝搬するプラズモンモードの正確な相互作用はまだ完全には理解されていない。
• 本レビューでは、近場結合および遠方回折効果の両方が全体的な透過増幅に寄与していることが同定されたが、その相対的な役割については議論の余地がある。