Металлы обладают особыми оптическими свойствами, отличными от диэлектриков, главным образом вследствие наличия в них свободных электронов. Поведение этих электронов в переменном электромагнитном поле описывается при помощи модели свободных электронов (модель Друде). Согласно этой модели, электроны могут свободно перемещаться внутри металлического объёма, испытывая столкновения с ионами решётки и друг с другом, что приводит к появлению комплексной диэлектрической проницаемости.
В простейшем виде диэлектрическая функция металла имеет вид:
$$ \varepsilon(\omega) = \varepsilon_\infty - \frac{\omega_p^2}{\omega^2 + i\gamma\omega}, $$
где:
Для металлов характерно, что Re [ε(ω)] < 0 в широком диапазоне частот, что обуславливает их способность отражать электромагнитные волны.
Показатель преломления n металла является комплексной величиной:
ñ = n + iκ,
где n — обычный показатель преломления, а κ — коэффициент поглощения, связанный с экспоненциальным затуханием волны в металле. Сильное поглощение связано с высокой плотностью свободных электронов.
Отражательная способность металла на границе с воздухом (или другим диэлектриком) при нормальном падении может быть выражена как:
$$ R = \left| \frac{\tilde{n} - 1}{\tilde{n} + 1} \right|^2. $$
Для большинства металлов в видимом диапазоне R > 0, 9, что делает их хорошими зеркалами.
При взаимодействии электромагнитной волны с поверхностью металла возможно возбуждение поверхностных плазмонов — коллективных колебаний свободных электронов, связанных с электромагнитным полем. Это явление наблюдается при определённых условиях, когда реальная часть диэлектрической проницаемости металла отрицательна и по модулю больше диэлектрической проницаемости смежного диэлектрика.
Условие возбуждения поверхностных плазмонов:
εm(ω) + εd = 0,
где εm — диэлектрическая функция металла, εd — диэлектрическая проницаемость среды (например, воздуха).
Плазмоны не могут быть возбуждены плоской волной напрямую из-за несоответствия импульсов. Однако их можно возбудить при помощи специальных оптических схем: призмы (метод Аттенса), дифракционных решёток или с помощью наноструктур.
Особенностью металлов является малое проникновение электромагнитной волны внутрь материала. Глубина проникновения (глубина скин-слоя) определяется как:
$$ \delta = \frac{1}{\alpha} = \frac{c}{\omega \kappa}, $$
где α — коэффициент затухания, c — скорость света. В оптическом диапазоне δ составляет порядка десятков нанометров, что значительно меньше длины волны.
Скин-эффект приводит к тому, что свет в металле распространяется лишь в очень тонком поверхностном слое, что необходимо учитывать при проектировании нанофотонных и метаматериальных структур.
Металлы обладают выраженной дисперсией в области от ультрафиолета до инфракрасного диапазона. Это означает, что их диэлектрическая проницаемость и коэффициенты n, κ существенно зависят от частоты. Вблизи плазменной частоты ωp происходят резкие изменения свойств: при ω < ωp металл отражает свет, при ω > ωp — становится полупрозрачным.
Для благородных металлов, таких как золото и серебро, характерны также межзонные переходы — возбуждения электронов из валентных в проводящую зону. Это приводит к сильным пикам поглощения, например, в видимой области у золота.
На наноразмерных структурах (решётки, нанодырки, наночастицы) наблюдаются явления, не поддающиеся описанию классической оптикой: сверхпоглощение, экстраординарная трансмиссия, фонон-поляритонные резонансы. Эти эффекты возникают за счёт коллективных возбуждений и мод резонанса.
В частности, при освещении металлических пленок с перфорацией может наблюдаться усиление пропускания на частотах, соответствующих поверхностным плазмонам, что противоречит предсказаниям классической электродинамики.
Широкое распространение в оптике получили металлические зеркала. Наиболее часто используются алюминий, серебро и золото. Их отражательная способность варьируется:
Оптические характеристики металлических покрытий зависят от технологии нанесения (испарение, осаждение, ионная имплантация), толщины слоя, состояния подложки.
Металлооптика лежит в основе множества современных технологий:
Металлооптика объединяет классическую электродинамику, квантовую механику и нанотехнологии, обеспечивая фундамент для прогресса в фотонике, сенсорике, спектроскопии и вычислительной оптике.