實驗裝置及樣品制備

利用屬于國家教育部重點實驗室的首都師范大學太赫茲時域光譜系統(terahertztimedomainspectroscopysystem,簡稱THz-TDS)測量樣品。實驗時相對濕度控制為低于4。0%(通過充入氮氣實現),環境溫度為(21±0。5)oC。實驗樣品的制備方法是,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橢圓分形環陣列結構。此光刻過程主要由涂膠、曝光、顯影、金屬化(淀積)和剝離(刻蝕)這五個步驟組成。我們所設計的樣品是用正性光刻膠經顯影、刻蝕去膠后將圖形轉移到硅襯底上凸出來的橢圓金環陣列結構,為了比較分析透射增強機理,我們同時也設計了一個橢圓周期結構樣品,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為中心橢圓的長軸,b為短軸;橢圓環帶寬Rμm;周期為T(TX×TY)mm,TX為沿長軸方向的周期,TY為沿短軸方向的周期,構成橢圓環的金膜厚度近似為100nm。

此組樣品結合了亞波長周期結構與分形結構的特點。首先它們以橢圓分形環陣列呈現,設橢圓分形環結構的分形級數為S,根據分形理論,分形維數D為：D=ln(2s-1)/lns,而圖1(a)中s=3，D=ln（2×3-1）/ln3=1。465,當S趨于無窮大的時候,此結構就無限接近類似3號樣品的周期結構了。同時由于每一個亞波長圓環可以等效為X和Y方向的兩個相互正交狹縫,因此樣品又可等效為相互正交的多個亞波長狹縫疊加的周期陣列結構。分形結構的透射增強對應于局域共振的機理[6-12],而等效周期狹縫結構的透射增強則體現出法布里-珀羅效應[17]。結合將兩個表面缺陷放置在彼此相距幾個微米處,就會產生明顯SPP共振光束[18],所以將單個樣品排列構成陣列結構(如圖1中(c),(d),(e)),其中(c)和(e)為周期陣列,(d)為斑圖陣列。

實驗結果與討論

采用DorneyTD[19]和DuvillaretL[20]提出的提取材料光學常數的模型,來處理由THz-TDS所獲得的實驗數據。利用相應公式使用Matlab軟件編程處理數據,并用Origin軟件繪圖輸出各個橢圓金環樣品的透射系數譜和相位差譜(圖2)。為了較全面分析橢圓金環結構的透射特性,我們定義THz波的偏振方向與橢圓環長軸之間的夾角為θ(如圖1(a)所示),并通過改變θ的值,分別獲得θ為0o和90o兩種偏振狀態下樣品的THz透射頻譜圖和相位差譜(圖2)。

根據電磁場理論我們知道,在共振頻率處,電磁場會在金屬結構上激發出瞬態電流,此時的電流振幅最大。當入射電磁波頻率接近此共振頻率時,與入射波相對應的電流位相就會發生π的躍變,這就會引起一個諧振。此時透射率達到最大,對應的頻率即為共振頻率。由實驗結果(圖2a,2c)總體看,兩種情況下透射系數均高于0。68,充分說明了此種亞波長結構是透射增強的。夾角θ=90o時(圖2c),1。67THz對應的共振峰在三個樣品中都出現了,這說明此共振峰是由于樣品共同的結構即橢圓環引起的。整個波段,夾角θ=0o時的透射系數均高于夾角為90o時的透射系數,這是由于每個橢圓環可等效為X和Y兩個方向上的金屬狹縫且長度分別為對應長短軸的長度,共振滿足法布里-珀羅效應,因而狹縫越長透射增強效果就越明顯,對應的透射系數也越高。而且θ=0°時,1。67THz所對應共振峰1號和3號樣品的很不明顯,而θ=90°時三個樣品較清楚,這說明此峰主要是由等效到短軸方向的橢圓環引起的,因為此時THz波的偏振方向與短軸一致,才可能引起共振,長軸方向與THz波的偏振互相垂直,則不會引起共振。即電場平行于短軸是高通的，電場垂直于短軸則是低通的。這一現象可解釋為,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,對于θ=90°來說,僅僅只有短軸方向上的電子形成偶極子振蕩與入射THz波進行耦合。這也驗證了我們預先的狹縫模型假設,它們可以等效成狹縫的設想。當然,如此多的橢圓環應該對應一系列不同波長的透射共振峰才對,但一方面我們僅針對太赫茲波段研究,另一方面,各橢圓環間的局域共振以及每個橢圓環所產生的次級共振或高階模疊加均會淹沒其中一些共振峰，所以在太赫茲波段僅出現了這一個明顯的共振峰。此外，0。33THz和1。1THz處也出現了只有分形橢圓環結構對應的不太明顯的共振峰,而周期結構沒有,說明是結構間的耦合起主要作用,根據前邊文獻知這是分形結構的局域共振產生的透射峰。

根據Kramers-Kronig關系[6],透射強度的變化由相位變化所決定[24]。所以由圖2b和圖2d的相位差譜可以驗證共振增強透射的存在。從相位差譜圖中可以看到,1。67THz處3號樣品的相位差變化不明顯,相應的圖2a,2c中的共振透射峰很微弱；1號和2號樣品相位差變化比較明顯,對應圖2a,2c中的共振透射峰強度就大,特別是θ=90°時,就更明顯一些。而另兩個不明顯的透射峰則無法與位相差反轉處0。46THz嚴格對應。通過總體對比圖2a,2c和圖2b,2d,共振透射峰的振幅和相位變化的一致性說明了亞波長橢圓金環結構在透射頻譜上共振增強的帶通帶阻現象。

由這組樣品的透射譜得出,樣品的結構復雜度越高即對稱性越不好,透射信息就越多,反之樣品結構簡單透射信息就少一些。1號樣品的結構最復雜,引起共振的幾率就大一些,相應地共振透射峰就多;2號和3號樣品陣列對稱性好些所以透射峰相對少一些,信息就不如1號分形陣列結構的豐富。所以在制備一些光學器件的時候,可以根據透射光的需要而調整結構的形狀。

結論

總之,我們在太赫茲波段從實驗角度驗證了亞波長橢圓金環結構的透射增強性質,并證實了這組樣品透射增強的物理機理是分形結構引起的局域共振和橢圓環等效狹縫產生的法布里-珀羅效應共同作用的結果。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。分形結構不僅可以消除由于F-P效應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處共振強烈的電磁波,并限制這些波在自相似金屬結構中。這些研究結果可為太赫茲波段光學器件的發展和光學系統的集成化提供了一定的參考。對表面等離子器件的設計,例如濾波器、偏振片和微納器件等提供有效的數據參考。（本文圖略）

本文作者：孟田華 趙國忠 單位：首都師范大學物理系 山西大同大學物理與電子科學學院