實(shí)驗(yàn)裝置及樣品制備

利用屬于國(guó)家教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的首都師范大學(xué)太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)(terahertztimedomainspectroscopysystem,簡(jiǎn)稱THz-TDS)測(cè)量樣品。實(shí)驗(yàn)時(shí)相對(duì)濕度控制為低于4。0%(通過(guò)充入氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)),環(huán)境溫度為(21±0。5)oC。實(shí)驗(yàn)樣品的制備方法是,首先使用L-edit軟件畫出樣品圖,接著利用電子束刻蝕制備掩模板,最后利用光刻工藝獲得硅襯底上鍍有金膜的亞波長(zhǎng)橢圓分形環(huán)陣列結(jié)構(gòu)。此光刻過(guò)程主要由涂膠、曝光、顯影、金屬化(淀積)和剝離(刻蝕)這五個(gè)步驟組成。我們所設(shè)計(jì)的樣品是用正性光刻膠經(jīng)顯影、刻蝕去膠后將圖形轉(zhuǎn)移到硅襯底上凸出來(lái)的橢圓金環(huán)陣列結(jié)構(gòu),為了比較分析透射增強(qiáng)機(jī)理,我們同時(shí)也設(shè)計(jì)了一個(gè)橢圓周期結(jié)構(gòu)樣品,具體的各樣品信息如圖1所示。其中,作為襯底的硅片厚度為0。68mm;中心橢圓尺度(a×b)μm,a為中心橢圓的長(zhǎng)軸,b為短軸;橢圓環(huán)帶寬Rμm;周期為T(TX×TY)mm,TX為沿長(zhǎng)軸方向的周期,TY為沿短軸方向的周期,構(gòu)成橢圓環(huán)的金膜厚度近似為100nm。

此組樣品結(jié)合了亞波長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)與分形結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。首先它們以橢圓分形環(huán)陣列呈現(xiàn),設(shè)橢圓分形環(huán)結(jié)構(gòu)的分形級(jí)數(shù)為S,根據(jù)分形理論,分形維數(shù)D為：D=ln(2s-1)/lns,而圖1(a)中s=3，D=ln（2×3-1）/ln3=1。465,當(dāng)S趨于無(wú)窮大的時(shí)候,此結(jié)構(gòu)就無(wú)限接近類似3號(hào)樣品的周期結(jié)構(gòu)了。同時(shí)由于每一個(gè)亞波長(zhǎng)圓環(huán)可以等效為X和Y方向的兩個(gè)相互正交狹縫,因此樣品又可等效為相互正交的多個(gè)亞波長(zhǎng)狹縫疊加的周期陣列結(jié)構(gòu)。分形結(jié)構(gòu)的透射增強(qiáng)對(duì)應(yīng)于局域共振的機(jī)理[6-12],而等效周期狹縫結(jié)構(gòu)的透射增強(qiáng)則體現(xiàn)出法布里-珀羅效應(yīng)[17]。結(jié)合將兩個(gè)表面缺陷放置在彼此相距幾個(gè)微米處,就會(huì)產(chǎn)生明顯SPP共振光束[18],所以將單個(gè)樣品排列構(gòu)成陣列結(jié)構(gòu)(如圖1中(c),(d),(e)),其中(c)和(e)為周期陣列,(d)為斑圖陣列。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

采用DorneyTD[19]和DuvillaretL[20]提出的提取材料光學(xué)常數(shù)的模型,來(lái)處理由THz-TDS所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。利用相應(yīng)公式使用Matlab軟件編程處理數(shù)據(jù),并用Origin軟件繪圖輸出各個(gè)橢圓金環(huán)樣品的透射系數(shù)譜和相位差譜(圖2)。為了較全面分析橢圓金環(huán)結(jié)構(gòu)的透射特性,我們定義THz波的偏振方向與橢圓環(huán)長(zhǎng)軸之間的夾角為θ(如圖1(a)所示),并通過(guò)改變θ的值,分別獲得θ為0o和90o兩種偏振狀態(tài)下樣品的THz透射頻譜圖和相位差譜(圖2)。

根據(jù)電磁場(chǎng)理論我們知道,在共振頻率處,電磁場(chǎng)會(huì)在金屬結(jié)構(gòu)上激發(fā)出瞬態(tài)電流,此時(shí)的電流振幅最大。當(dāng)入射電磁波頻率接近此共振頻率時(shí),與入射波相對(duì)應(yīng)的電流位相就會(huì)發(fā)生π的躍變,這就會(huì)引起一個(gè)諧振。此時(shí)透射率達(dá)到最大,對(duì)應(yīng)的頻率即為共振頻率。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖2a,2c)總體看,兩種情況下透射系數(shù)均高于0。68,充分說(shuō)明了此種亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)是透射增強(qiáng)的。夾角θ=90o時(shí)(圖2c),1。67THz對(duì)應(yīng)的共振峰在三個(gè)樣品中都出現(xiàn)了,這說(shuō)明此共振峰是由于樣品共同的結(jié)構(gòu)即橢圓環(huán)引起的。整個(gè)波段,夾角θ=0o時(shí)的透射系數(shù)均高于夾角為90o時(shí)的透射系數(shù),這是由于每個(gè)橢圓環(huán)可等效為X和Y兩個(gè)方向上的金屬狹縫且長(zhǎng)度分別為對(duì)應(yīng)長(zhǎng)短軸的長(zhǎng)度,共振滿足法布里-珀羅效應(yīng),因而狹縫越長(zhǎng)透射增強(qiáng)效果就越明顯,對(duì)應(yīng)的透射系數(shù)也越高。而且θ=0°時(shí),1。67THz所對(duì)應(yīng)共振峰1號(hào)和3號(hào)樣品的很不明顯,而θ=90°時(shí)三個(gè)樣品較清楚,這說(shuō)明此峰主要是由等效到短軸方向的橢圓環(huán)引起的,因?yàn)榇藭r(shí)THz波的偏振方向與短軸一致,才可能引起共振,長(zhǎng)軸方向與THz波的偏振互相垂直,則不會(huì)引起共振。即電場(chǎng)平行于短軸是高通的，電場(chǎng)垂直于短軸則是低通的。這一現(xiàn)象可解釋為,局域于表面等離子體的偶極子沿各方向的振蕩是不同的,而偶極子只與相同偏振方向的電磁波相耦合,對(duì)于θ=90°來(lái)說(shuō),僅僅只有短軸方向上的電子形成偶極子振蕩與入射THz波進(jìn)行耦合。這也驗(yàn)證了我們預(yù)先的狹縫模型假設(shè),它們可以等效成狹縫的設(shè)想。當(dāng)然,如此多的橢圓環(huán)應(yīng)該對(duì)應(yīng)一系列不同波長(zhǎng)的透射共振峰才對(duì),但一方面我們僅針對(duì)太赫茲波段研究,另一方面,各橢圓環(huán)間的局域共振以及每個(gè)橢圓環(huán)所產(chǎn)生的次級(jí)共振或高階模疊加均會(huì)淹沒(méi)其中一些共振峰，所以在太赫茲波段僅出現(xiàn)了這一個(gè)明顯的共振峰。此外，0。33THz和1。1THz處也出現(xiàn)了只有分形橢圓環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的不太明顯的共振峰,而周期結(jié)構(gòu)沒(méi)有,說(shuō)明是結(jié)構(gòu)間的耦合起主要作用,根據(jù)前邊文獻(xiàn)知這是分形結(jié)構(gòu)的局域共振產(chǎn)生的透射峰。

根據(jù)Kramers-Kronig關(guān)系[6],透射強(qiáng)度的變化由相位變化所決定[24]。所以由圖2b和圖2d的相位差譜可以驗(yàn)證共振增強(qiáng)透射的存在。從相位差譜圖中可以看到,1。67THz處3號(hào)樣品的相位差變化不明顯,相應(yīng)的圖2a,2c中的共振透射峰很微弱；1號(hào)和2號(hào)樣品相位差變化比較明顯,對(duì)應(yīng)圖2a,2c中的共振透射峰強(qiáng)度就大,特別是θ=90°時(shí),就更明顯一些。而另兩個(gè)不明顯的透射峰則無(wú)法與位相差反轉(zhuǎn)處0。46THz嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。通過(guò)總體對(duì)比圖2a,2c和圖2b,2d,共振透射峰的振幅和相位變化的一致性說(shuō)明了亞波長(zhǎng)橢圓金環(huán)結(jié)構(gòu)在透射頻譜上共振增強(qiáng)的帶通帶阻現(xiàn)象。

由這組樣品的透射譜得出,樣品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度越高即對(duì)稱性越不好,透射信息就越多,反之樣品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單透射信息就少一些。1號(hào)樣品的結(jié)構(gòu)最復(fù)雜,引起共振的幾率就大一些,相應(yīng)地共振透射峰就多;2號(hào)和3號(hào)樣品陣列對(duì)稱性好些所以透射峰相對(duì)少一些,信息就不如1號(hào)分形陣列結(jié)構(gòu)的豐富。所以在制備一些光學(xué)器件的時(shí)候,可以根據(jù)透射光的需要而調(diào)整結(jié)構(gòu)的形狀。

結(jié)論

總之,我們?cè)谔掌澆ǘ螐膶?shí)驗(yàn)角度驗(yàn)證了亞波長(zhǎng)橢圓金環(huán)結(jié)構(gòu)的透射增強(qiáng)性質(zhì),并證實(shí)了這組樣品透射增強(qiáng)的物理機(jī)理是分形結(jié)構(gòu)引起的局域共振和橢圓環(huán)等效狹縫產(chǎn)生的法布里-珀羅效應(yīng)共同作用的結(jié)果。由于表面等離子體激元的引入,可大大縮小光子元件和集成光路的尺寸。分形結(jié)構(gòu)不僅可以消除由于F-P效應(yīng)所引起的尺度大小的影響,以及反射比自身尺度大的波的限制,而且可以在一定波長(zhǎng)處共振強(qiáng)烈的電磁波,并限制這些波在自相似金屬結(jié)構(gòu)中。這些研究結(jié)果可為太赫茲波段光學(xué)器件的發(fā)展和光學(xué)系統(tǒng)的集成化提供了一定的參考。對(duì)表面等離子器件的設(shè)計(jì),例如濾波器、偏振片和微納器件等提供有效的數(shù)據(jù)參考。（本文圖略）

本文作者：孟田華 趙國(guó)忠 單位：首都師范大學(xué)物理系 山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院