Исключительная оптическая передача - Extraordinary optical transmission

Интерференционная картина двойных щелей, где ширина щели составляет одну треть длины волны.

Исключительная оптическая передача (EOT) - это явление значительно улучшенного пропускания света через субволна отверстие в непрозрачной металлической пленке, имеющей регулярно повторяющуюся периодическую структуру. Обычно когда свет определенного длина волны попадает на субволновую апертуру, это дифрагированный изотропно во всех направлениях равномерно, с минимальным дальняя зона коробка передач. Это понимание из классической теории диафрагмы, как описано Быть.[1] Однако в EOT регулярно повторяющаяся структура позволяет достичь гораздо более высокой эффективности передачи, на несколько порядков большей, чем предсказывается классической теорией апертуры. Впервые он был описан в 1998 году.[2][3]

Это явление, которое было полностью проанализировано с помощью микроскопической модели рассеяния: частично объясняется наличием поверхностный плазмон резонансы[4] и конструктивное вмешательство. Поверхностный плазмон (ПП) - это коллективное возбуждение электроны на стыке дирижер и изолятор и является одним из серии взаимодействий между светом и металлической поверхностью, называемой Плазмоника.

В настоящее время есть экспериментальные свидетельства существования EOT вне оптического диапазона.[5] Аналитические подходы также позволяют прогнозировать EOT на перфорированных пластинах с идеальный дирижер модель.[6][7][8] Отверстия могут несколько имитировать плазмоны в других регионах электромагнитный спектр где их нет.[9][10][11] Тогда плазмонный вклад является очень специфической особенностью резонанса EOT, и его не следует рассматривать как основной вклад в это явление. Более поздние работы показали значительный вклад перекрытия кратковременная связь волн,[12] что объясняет почему поверхностный плазмонный резонанс усиливает эффект EOT на обеих сторонах металлической пленки на оптических частотах, но учитывает передачу в терагерцовом диапазоне.

Были разработаны простые аналитические объяснения этого явления, подчеркивающие сходство между массивами частиц и массивами дырок и устанавливающие, что в этом явлении преобладает дифракция.[13][14][15]

Приложения

Ожидается, что EOT будет играть важную роль в создании компонентов эффективных фотонных интегральных схем (PIC). Фотонные интегральные схемы аналогичны электронным схемам, но основаны на фотонах, а не на электронах.

Один из самых новаторских результатов, связанных с EOT, - это возможность реализовать леворукий Метаматериал (LHM), просто складывая массивы отверстий.[16]

Химическое и биологическое зондирование на основе EOT (например, улучшение обнаружения антител на основе ELISA) - еще одна важная область исследований.[17][18][19][20][21][22][23][24] Как и в традиционном поверхностный плазмонный резонанс датчика, эффективность EOT зависит от длины волны падающего света и значения составляющей волнового вектора в плоскости. Это можно использовать как средство передачи событий химического связывания путем измерения изменения локального диэлектрическая постоянная (из-за связывания целевых видов) в виде сдвига спектрального положения и / или интенсивности пика EOT. Изменение геометрии отверстия изменяет спектральное положение пика EOT, так что события химического связывания могут быть оптически обнаружены на желаемой длине волны.[25] Зондирование на основе EOT предлагает одно ключевое преимущество перед химическим датчиком SPR типа Кречмана, а именно то, что он по своей сути является устройством с нанометровым масштабом; поэтому он особенно поддается миниатюризации.

Рекомендации

  1. ^ Бете, Х. (1944). «Теория дифракции на малых отверстиях». Физический обзор. 66 (7–8): 163–182. Bibcode:1944ПхРв ... 66..163Б. Дои:10.1103 / PhysRev.66.163.
  2. ^ Т. В. Эббесен; Х. Дж. Лезец; Х. Ф. Гэми; Т. Тио; П. А. Вольф (1998). «Необычайная оптическая передача через массивы отверстий с субволновой длиной» (PDF). Природа. 391 (6668): 667–669. Bibcode:1998Натура.391..667E. Дои:10.1038/35570. S2CID  205024396.
  3. ^ Ebbesen, T. W .; Ghaemi, H.F .; Тио, Тинеке; Grupp, D.E .; Lezec, H.J (март 1998 г.). «Необычайная оптическая передача через массивы отверстий субволновой длины». Выдержка из выступления на ежегодном мартовском собрании Американского физического общества 1998 г.: S15.11. Bibcode:1998APS..MAR.S1511E.
  4. ^ Х. Лю; П. Лаланн (2008). «Микроскопическая теория необыкновенного оптического пропускания». Природа. 452 (7188): 728–731. Bibcode:2008Натура.452..728л. Дои:10.1038 / природа06762. PMID  18401405. S2CID  4400944.
  5. ^ М. Беруете; М. Соролья; И. Кампильо; J.S. Доладо; Л. Мартин-Морено; Ж. Браво-Абад; Ф. Х. Гарсия-Видаль (2005). «Улучшенная передача миллиметровых волн через квазиоптические субволновые перфорированные пластины». Транзакции IEEE по антеннам и распространению. 53 (6): 1897–1903. Bibcode:2005ITAP ... 53.1897B. Дои:10.1109 / TAP.2005.848689. S2CID  7510282.
  6. ^ C.C. Чен (1970). «Передача через проводящий экран, периодически перфорированный отверстиями». IEEE Trans. Микроу. Теория Техника. 18 (9): 627–632. Bibcode:1970ITMTT..18..627C. Дои:10.1109 / TMTT.1970.1127298.
  7. ^ Л. Мартин-Морено; Ф. Х. Гарсиа-Видаль; Х. Дж. Лезец; К. М. Пеллерин; Т. Тио; Дж. Б. Пендри; T.W. Эббесен (2001). "Теория необычной оптической передачи через массивы субволновых дырок". Phys. Rev. Lett. 86 (6): 1114–1117. arXiv:cond-mat / 0008204. Bibcode:2001ПхРвЛ..86.1114М. Дои:10.1103 / PhysRevLett.86.1114. PMID  11178023. S2CID  17392720.
  8. ^ Ф. Х. Гарсия де Абахо, Р. Гомес-Медина и Х. Дж. Саенс (2005). «Полная передача через решетки субволновых отверстий с идеальным проводником». Phys. Ред. E. 72 (1 балл 2): 016608. arXiv:0708.0991. Bibcode:2005PhRvE..72a6608G. Дои:10.1103 / PhysRevE.72.016608. PMID  16090108. S2CID  31746296.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  9. ^ Р. Ульрих; М. Тэке (1972). «Субмиллиметровый волновод на периодической металлической структуре». Appl. Phys. Латыш. 22 (5): 251–253. Bibcode:1973АпФЛ..22..251У. Дои:10.1063/1.1654628.
  10. ^ Дж. Б. Пендри; Л. Мартин-Морено; Ф. Х. Гарсия-Видаль (2004 г.). «Имитация поверхностных плазмонов со структурированными поверхностями». Наука. 305 (5685): 847–848. Bibcode:2004Наука ... 305..847П. Дои:10.1126 / science.1098999. PMID  15247438. S2CID  44412157.
  11. ^ Ф. Х. Гарсия де Абахо и Х. Х. Саенс (2005). «Электромагнитные поверхностные моды в структурированных поверхностях с идеальной проводимостью». Phys. Rev. Lett. 95 (23): 233901. arXiv:cond-mat / 0506087. Bibcode:2005PhRvL..95w3901G. Дои:10.1103 / PhysRevLett.95.233901. PMID  16384307. S2CID  35201303.
  12. ^ З. Я. Фан; Л. Жан; X. Hu; Ю. X. Ся (2008). «Критический процесс экстраординарной оптической передачи через периодическую решетку субволновых отверстий: связь с затухающим полем с помощью дырок». Оптика Коммуникации. 281 (21): 5467–5471. Bibcode:2008OptCo.281.5467F. Дои:10.1016 / j.optcom.2008.07.077.
  13. ^ Ф. Х. Гарсиа де Абахо (2007). «Рассеяние света решетками частиц и дырок». Обзоры современной физики. 79 (4): 1267–1290. arXiv:0903.1671. Bibcode:2007RvMP ... 79.1267G. Дои:10.1103 / RevModPhys.79.1267. S2CID  18698507.
  14. ^ Б. Унг; Ю. Шэн (2008). "Оптические поверхностные волны над металло-диэлектрическими наноструктурами: пересмотр интегралов Зоммерфельда". Оптика Экспресс. 16 (12): 9073–9086. arXiv:0803.1696. Bibcode:2008OExpr..16.9073U. Дои:10.1364 / OE.16.009073. PMID  18545619. S2CID  31651739.
  15. ^ М. В. Максуд; Р. Мехфуз; К. Дж. Чау (2010). «Высокопроизводительная дифракционная связь поверхностного плазмон-поляритона с помощью сверхвысокой длины волны». Оптика Экспресс. 18 (21): 21669–21677. Bibcode:2011OExpr..1910429C. Дои:10.1364 / OE.19.010429. HDL:10261/47346. PMID  21643298.
  16. ^ М. Беруете; М. Соролья; И. Кампильо (2006). "Необычайная оптическая передача левосторонней камерой через фотонный кристалл массивов субволновых дырок". Оптика Экспресс. 14 (12): 5445–5455. Bibcode:2006OExpr..14.5445B. Дои:10.1364 / OE.14.005445. HDL:2454/31091. PMID  19516710.
  17. ^ А. Де Либек; Л. К. С. Кумар; В. де Ланге; Д. Синтон; Р. Гордон; А. Г. Броло (2007). «Обнаружение на кристалле с помощью массивов наноотверстий». Анальный хим. 79 (11): 4094–4100. Дои:10.1021 / ac070001a. PMID  17447728.
  18. ^ А. Г. Броло; Р. Гордон; К. Л. Кавана (2008). «Новое поколение датчиков, основанных на необычайном светопропускании». Соотв. Chem. Res. 41 (8): 1049–1057. Дои:10.1021 / ar800074d. PMID  18605739.
  19. ^ Н. Х. Мак; Дж. У. Вакерли; В. Малярчук; Дж. А. Роджерс; Дж. С. Мур; Р. Г. Нуццо (2007). «Оптическое преобразование химических сил». Nano Lett. 7 (3): 733–737. Bibcode:2007NanoL ... 7..733M. Дои:10.1021 / nl0629759. PMID  17309317.
  20. ^ Дж. М. Яо; М. Э. Стюарт; J. Maria; Т. В. Ли; С. К. Грей; Дж. А. Роджерс; Р. Г. Нуццо (2008). «Наблюдение за молекулами глазами: визуализация поверхностного плазмонного резонанса в видимых длинах волн с высоким пространственным разрешением и субмонослойной чувствительностью». Angewandte Chemie International Edition. 47 (27): 5013–5017. Дои:10.1002 / anie.200800501. PMID  18512212.
  21. ^ П. Р. Х. Старк; А. Э. Халлек; Д. Н. Ларсон (2005). «Массивы наноотверстий короткого порядка в металлах для высокочувствительного измерения локальных показателей преломления как основа для технологии биосенсоров с высокой степенью мультиплексирования». Методы. 37 (1): 37–47. Дои:10.1016 / j.ymeth.2005.05.006. PMID  16199175.
  22. ^ Дж. К. Янг; Дж. Джи; Дж. М. Хогл; Д. Н. Ларсон (2009). «Мультиплексное плазмонное зондирование на основе массивов наноразмеров малых размеров и исследования интенсивности». Биосенс ​​Биоэлектрон. 24 (8): 2334–8. Дои:10.1016 / j.bios.2008.12.011. ЧВК  2716172. PMID  19157848.
  23. ^ Дж. Джи; Дж. Г. О'Коннелл; Д. Дж. Д. Картер; Д. Н. Ларсон (2008). «Высокопроизводительная система на основе массива наноотверстий для мониторинга нескольких событий связывания в реальном времени». Анальный хим. 80 (7): 2491–2498. Дои:10.1021 / ac7023206. PMID  18307360.
  24. ^ Дж. К. Янг; Дж. Джи; Дж. М. Хогл; Д. Н. Ларсон (2008). «Металлические наноотверстия на фторполимерных подложках в виде небольших биоробов реального времени без меток». Nano Lett. 8 (9): 2718–2724. Bibcode:2008NanoL ... 8.2718Y. Дои:10.1021 / nl801043t. ЧВК  2662724. PMID  18710296.
  25. ^ Мехди Таваколи; Юсеф Сейед Джалили; Сейед Мохаммад Элахи (2019). «Аппроксимация аномалии Рэлея-Вуда с FDTD-моделированием плазмонного массива нанотверстий золота для определения оптимальных необыкновенных оптических характеристик пропускания». Сверхрешетки и микроструктуры. 130: 454–471. Bibcode:2019SuMi..130..454T. Дои:10.1016 / j.spmi.2019.04.035.