对称光学微腔中耦合表面等离子体与共振光学隧穿的协同效应研究

本研究针对金属-介质微腔结构中光传输机制不明的问题，通过建立HMLMH结构的解析模型，揭示了耦合表面等离子体(CSP)共振与光学隧穿的协同作用。研究发现即使在内介质层厚度达数个波长时仍可实现高透射率，为等离子体微腔器件设计提供了理论基础。

　　

在纳米光子学领域，金属-介质界面产生的表面等离子体共振(SPR)现象一直是研究热点。当光波与金属表面自由电子耦合时，会产生沿界面传播的电子密度波，这种被称为表面等离子体激元(SPP)的电磁模式能够突破衍射极限，实现亚波长尺度的光场调控。然而，传统单界面SPR系统存在模式局域性过强、传输损耗大等瓶颈问题。特别是在由两个金属薄膜构成的对称光学微腔(HMLMH结构)中，关于耦合表面等离子体(CSP)共振与光学隧穿效应的内在关联尚缺乏系统性研究。

针对这一科学问题，研究人员通过建立严格的解析模型，深入研究了对称光学微腔中光传输的物理机制。研究发现，当入射角超过临界角θ_cr时，虽然腔内介质层中形成倏逝波，但通过耦合表面等离子体共振仍可实现反常的高透射现象。这种共振光学隧穿效应的强度甚至随着金属薄膜吸收特性的增加而增强，这与传统认知形成鲜明对比。

研究采用多光束干涉理论框架，结合广义Drude模型，建立了包含金属损耗的传输矩阵模型。关键技术包括：1）基于菲涅尔系数的多层结构光场传播计算；2）TM波在HMLMH结构中的共振条件解析；3）通过压电精密控制系统实现亚纳米级腔长调节的实验验证。

研究结果部分：

1. CSP共振在理想无损耗金属中的表现
   通过求解超越方程，发现存在两个CSP共振模式：TM₀（对称模式）和TM₁（反对称模式）。当腔厚度d达到临界值d_co时，两种模式发生简并，形成统一的透射峰。

2. 损耗金属中的CSP共振特性
   引入复介电常数ε_m=ε'+iε"后，反射系数r_lmh的幅值和相位变化主导共振行为。实验测得银膜(45nm)在800nm波长下的ε'=-28.62，ε"=1.51，与理论预测吻合。

3. 光谱共振曲线特征
   固定入射角θ₀时，透射谱呈现双峰结构：短波段的TM₁共振和长波段的TM₀共振。当θ₀接近θ_co(λ)时，两峰合并为单一宽共振。

结论与讨论：
该研究首次建立了对称等离子体微腔中CSP共振的完整解析理论，揭示了r_lmh系数在共振形成中的核心作用。实验证实即使在d≈3λ(900nm)的厚腔中，仍能通过优化θ和λ实现20%以上的透射率。这一发现为开发新型等离子体滤波器、高灵敏度生物传感器和亚波长光操控器件提供了重要指导。特别是提出的共振条件方程d=(k_l⊥^″)^-1lnρ_lmh，可作为微腔设计的普适准则。未来研究可拓展至非对称结构和动态可调谐系统，进一步挖掘等离子体微腔在集成光子学中的应用潜力。论文发表在《Optics》期刊。