（光学专业论文）金属分形结构的太赫兹透射光谱特性研究.pdf

摘要 摘要 太赫兹( t h z ，1 t h 萨l o l 2 h z ) 辐射在电磁波谱上位于微波和红外之间，属于远红外波段。 通常所研究的，m z 辐射指的是频率在o 1 t h z l 哪z ，波长在3 0 u m 3 m m ，波数在 3 3 3 3 0 c i l l 。之间的电磁波段。现在，太赫兹时域光谱技术发展了1 0 0 g h z 和1 t h z 之间的线 性光谱学，为物质探测提供了巨大的灵活性，在一定程度上推动t h z 辐射的研究不断取得 新的进展。 一般来说，金属对电磁波具有屏蔽作用，金属板的尺寸比入射波的波长大时，电磁波 无法透过金属板，而近年来发现金属亚波长结构在某些特定频率处对电磁波有增强透射现 象。本论文主要研究了金属亚波长结构的太赫兹透射光谱特性。 本论文首先测量了不同掺杂硅片在太赫兹波段的透射特性，研究了硅在太赫兹频段的 光学特性，得到了硅在这一频段的一些光学参数。与那些电阻率低的硅片相比，高阻硅对 t h z 波的吸收几乎可以忽略，高阻硅的透射率大约为4 8 ，比低阻硅的透射率大得多。因此， 可以选择高阻硅作为衬底，为进一步研究基于硅衬底上的金属亚波长分形结构的t h z 透射 特性奠定了基础。 本论文的主要工作是利用太赫兹时域光谱系统，测量并分析了一系列铜箔上的h 分形 缝、一系列硅衬底上的金属分形线和一系列硅衬底上的金属分形槽的t h z 透射特性，得到 了以下一些结果：在太赫兹波段，金属分形结构的透射谱中出现透射增强现象。阵列样品 比单个样品更容易得到透射增强；其他条件不变时，产生透射增强现象的频率位置会随着 一级线长的增加而发生红移；产生透射增强现象的频率位置几乎不依赖于样品阵列的周期 和样品的厚度，依赖于偏振方向；实验说明了亚波长分形结构在太赫兹波段产生的高透射 由分形缝图案的局域共振支配，即由此结构的几何结构的谐振决定。 总之，本文研究了一些金属亚波长分形结构对太赫兹波的调制透射性质，以及这种结 构传输太赫兹波的规律，这些规律在太赫兹波器件的制备方面有很大的应用前景，如太赫 兹滤波器、太赫兹偏振片、反射器、位相延滞器等等，对太赫兹光子器件的研究具有重要 的指导意义。 关键词：金属 亚波长分形太赫兹时域光谱透射 a b s 仃a c t a b s t i a c t 1 1 1 et 啪h 廿t z ( 王z ，1 0 1 2h z ) w a v e 1 0 龆t e db e 脚e 即m j l l i m e t 盯w a v e 锄d 缸i n 触硎w a v c ， 谢n lm e 姻u 锄c yb e 时c e i lo 1 t h za i l d1 0 t h z ，b d o n 肇t of h r - i n 曲r e db 锄d ( t l l ew a v e l e i l g t l l s b e t w 嘲3 0 啪t o3 t 啪) t h et b r a l l e n zt i m ed o m a i ns p e c n d s c o p yd e v e l o p st l l el i i l e a rs p e c m l m 丘d m1 0 0 g h zt o1 i z 钢u e l l c yr e 百o n ec a n 锄a l y z e 锄d 瑚d e r s t a n dt l l ep h y s i c a lp r o p e r t i e s o f m a t t c fb yt 1 1 et h zd c t c c t i o n h ig e r a i ，t l l em e t a ls c r e c i l sm ee l e c 圩o m a 舶e t i cw a v e t h em e t a lp l a t ec a l ln o tt r a n s m i tt l l e c l e c t r o m a 缈e t i cw a v ew h e ni t sl a t e m ls i z ei sl a r g e rt h a nm ec o n 岱p o n d i n gw a v e l e i l g t l l r e c e i l y t l l e 饥h 锄c e ds p e c i a l 仃a l l s m i s s i o np h e n o m e i l a6 d mt l l em e t a ls t r i l c t l l r e sw e r ef o u n da ts o m e s p c c i a l 如q u e i l c i e s h lt 1 1 i st l l e s i s ，t h zs p e c 仃o s c o p i cp r o p e r t i e so ft h em e t a ls u b - w a v e l e i l g m s t r u c t u r e sa r es t i l d i c d t h es i l i c o ni sas t a n d a r ds 锄j - c o n d u c t o rm a t e r i a l i ta c t sa saf o u n d a t i o ns t o n eo ft 1 1 e i n f o 肌撕o na g e ，w l l i c hp l a y sa i li m p o r t a n tr o l ei nm ef i e l do fm a t e r i a ls c i e i l c e w ef i r s t l y m e 嬲u r e dm e 咖s m i s s i o np f o p e n i e so fd i f 断e i l td o p e ds i l i c o nw a f 毫r sa l l ds t u d i e di t so p t i c a l c h a r a c t e r i s t i c si nt h z 矗铷u e n c yr 柚g c s o m eo p t i c a lp a r 锄e t e r so f s i l i c o ni nm et h z 丘弼u e i l c y r a n g ea 阳o b t a i n e d ，w h i c hp m v i d et l l eb a s i cd a t af o r 1 e 缸t h e fs t i l d yo ft h z 仃a n s m i s s i o n p r o p e r t i o f m e t a l 丘a c t a ls 仇l c t u r e sb a s c do n 出es i l i c o n 嬲s u b s 咖t e t h em a i nw o r l 【o fm i st h e s i si sp r e s e l l t e db ys t u d y i n go ft h z 仃舭s m i s s i o np m p c n i e so f s l 】_ b w a v e l 锄g t hm e t a l 行a c t a ls 讯l c h l r e s w em e a s u r e dt l l et 盯a l l e n z 仃a i l s m i s s i o no fm e t a l 劬c t a l s l i 忸o nc o p p e rf o i l 柚d0 nm es u b s 仃a t eo fs i l i c o nb yl l s i r i gt h zt i m c - d o m a i ns p e c n d s c o p y o h z - t d s ) s y s t e i n 1 kl a w so ft h zt r a n s i i l i s s i o no f 胁c t a ls 缸1 1 c t u r ea r ei n v e s 爬a t e d ，w h i c h h a v et 1 1 ep r o s p e c to fp o t 饥t i a la p p l i c a t i o ni nt i 坨f i e l do ft h zp h o t o l l i cd e 讥c e s w ba t m b u t et h e h i 曲t r a i l s m i t t a i l c e 丘d mm e t a ls l l b - w a v e l e l l g i l is t n l c t i l l 惯t og e o m e 啊cr e s o n 锄c e s k e yw o r d s ： m e t a l她c t a lt h z - t d s 协m 蛳1 i s s i o n 首都师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作糍。砑彬 嗍哪占月午日 首都师范大学学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定。学位有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后 适用本规定。 学位论文作者签名：1 臼栖 日期：0 1 年6 月牛日 第一章引言 1 1 本课题的研究背景 第一章引言 近年来，由于光刻技术1 2 1 的快速发展，亚波长结构3 4 1 逐渐成为研究的热点问题；由 于潜在的光电子方面的应用，亚波长结构的电磁波透射特性已经受到了广泛关注5 ，6 ，引；由 于大量的能级分裂发生在太赫兹频段，同时许多能量驰豫时间在皮秒量级，太赫兹探测研 究在未来的高频电子学中被认为将会起到十分重要的作用；因此，在最近几年里，亚波长 太赫兹光谱学被列入应优先发展的领域。 鞯 裔茹 瓣 獭捌镕 图1 1 一、二、三维光子晶体结构示意图 传统光子晶体能带材料( p b g ) 是具有周期结构的、并在频谱上产生能隙的合成物质。 例如，多层膜结构的一维光子晶体，二维对称有序介电柱状排列，以及三维球体组成的f c c 1 或b c t 晶体结构( 如图1 1 ) ，电磁波不能在其中任何方向上传播”。光子能隙材料是建 立在布拉格散射的原理上，而布拉格散射原理限制了光子能隙材料的制作和应用，即p b g 要求具有周期性以及在较大范围内的结构有序性；另外，p b g 晶体的总体尺度与波长的长 度相当，这个条件使得p b g 在较高频谱区域制作样品特别困难( 尤其是由微球组成的三维 光子晶体) ，而在低频区域( 如微波和无线电波范围) ，p b g 又变成了臃肿庞大的块材料。 虽然人们多年来采用微加工的方法，对制各实用的可见光频段的光子晶体进行了大量尝 试，并且在新颖材料制作工艺方面成功地改善了三维光子晶体质量，但是，周期性和规则 性的要求仍然是人们必须面对的挑战，尤其是亚微米量级上折射系数的三维周期性调制。 第一章引言 一般三维光子晶体制备在短波段具有的挑战性，其难度不是一般实验条件所能克服的，香 港科技大学物理系的研究小组近年来从事于人工可设计的局域共振结构研究，制作出人工 电磁波能隙功能材料“。利用局域共振产生能隙的优点是不再要求周期性和较大范围的 有序性结构，这种材料不是通常意义下的光子晶体，但又具有一般光子晶体所具有的各种 物理特征。例如，频率选择型共振通带和禁带的功能，产生有效负介电常数的电场和磁场 响应，从而调制电磁波的传播等等。因此，这种人工合成材料的结构调制长度与系统的维 数和大小无关，这个优点在微波和红外频段尤其突出。太赫兹属于远红外范畴，本论文利 用局域共振产生能隙的原理制备了金属亚波长分形样品，研究太赫兹波段的金属分形结构 的透射性质，为制作太赫兹频段的光子器件如滤波器、反射器、波导、天线、偏振元件等 提供可靠的实验依据。 1 1 1 金属亚波长结构对电磁波的透射特性研究进展 亚波长结构起源于二元光学。二元光学是基于光波衍射理论的一个新兴光学分支，是 光学与微电子相互渗透与交叉的前沿学科。由于微细加工技术的快速发展和人们对光学元 件的微型化和光学系统的集成化的迫切要求，上个世纪8 0 年代中期美国的m i t 实验室率 先提出了“二元光学”的概念“，随着计算机辅助设计和微米级加工技术的发展，通过激 光直写、离子束刻蚀机等装置在光学系统的表面加工出位相具有二元变化的表面浮雕结 构，就出现了所谓的亚波长结构元件。这种结构具有光学系统共形、轻便、且几乎不受外 界环境因素影响等诸多优点。对于这种元件来说，由于其周期小于入射电磁波波长，其反 射率、透射率、偏振性质和光谱结构都显示出了与常规的二元光学元件截然不同的特性， 因而有许多独特的应用领域。电磁波在金属亚波长阵列结构中的超强透射特性在光场局 域、微腔量子电动力学、高密度数据存储、近场光学等领域有巨大的应用潜力，从而引发 了探索这种增强效应物理起源的研究热潮。 一般来说，金属对电磁波具有屏蔽作用。金属板的尺寸比入射波的波长大时，电磁波 无法透过金属板。然而近年来实验发现，直径比入射波长小很多的亚波长结构，在某些特 定频率下，电磁波仍然可以透过此金属板，而且在某些特定频率处有共振透射增强现象。 目前，比较常见的具有超强透射特性的金属亚波长结构主要有两类：周期性结构和非周期 性结构，其中，周期性结构有会属亚波长小孔阵列2 0 2 1 3 和金属亚波长光栅阮2 3 ，2 4 1 两种， 非周期性结构有金属亚波长分形阵列。由于这三种结构自身的结构差异以及电磁波在小孔 2 第一章引言 和狭缝中存在的模式不完全相同，致使它们的超强透射机制也有所不同。 到目前为止，人们对于这种金属表面亚波长结构所表现出的超强透射现象的物理本质 仍然没有统一，但是，科学家研究发现：金属表面亚波长周期性阵列结构表现出的超强透 射效应突破了经典孔径衍射理论的极限，在光子学、光电子学等领域具有巨大的应用价值， 如滤波器、反射器、位相延滞器、偏振元件等。金属亚波长周期性结构的超强透射效应的 物理机制与表面等离子共振( s p r ) 密不可分。其中，最具有代表性的观点是用s p r 耦合 【1 9 ，2 5 ，2 6 t2 利、表面电流2 8 2 9 1 和波导理论隗2 9 3 三者的有机结合来解释金属亚波长周期小孔 阵列的超强透射效应；用类f a b r y p e r o t ( f p ) 腔共振、s p r 和多缝干涉等结合起来解释 金属亚波长光栅的超强透射效应。金属亚波长非周期性结构表现出的超强透射效应用局域 共振原理来解释。 1 1 2 金属亚波长分形结构对电磁波的透射特性研究进展 “分形”这一概念是由法国数学家b m a n d e l b r o t 于1 9 7 5 年首次提出的，“分形 + ( f r a c t a l ) ”这个名词源于拉丁文的“破碎”。一般，维数都是整数，直线线段是一维的 图形，正方形是二维的图形，立方体是三维的图形等等。分形，从理论上来说，可以定义 为“非整数维数的点集”。分形具有两大主要特征：自相似性和空间填充性( 即分数维) 。 分数维，是指用一个特征数( 不定是整数) 来测定其不平度、复杂性或卷积度。所 谓自相似性，是指分形图案往往和它自身的一部分相似，换句话说，把它的一部分按一定 的尺度放大，就又会得到它自身( 可能是确切地，也可能是近似地) 。即适当的放大或缩 小几何尺寸，整个结构并不改变，在各种尺度上都有相同程度的不规则形。分形图案往往 和一定的几何变换相联系，在这些变换下，图案保持不变，从任意的初始状态出发，经过 若干次的这种变换，图形将固定在这个特定的分形图案上，而不再发生变化。 自然界中的许多物体都能用分形来模拟，如山脉、树木和云彩等。分形技术是得益于 数学上分形物体的一些特殊性质发展起来的，无论是自然界中的分形还是数学上的分形物 体，都能够通过简单的算法一步步迭代生成，最终能够具有惊人的复杂结构。 比较常见的分形图案有以下几种：c a n t o rs e t s ( 康顿点集) 、k o c h ( 科赫) 曲线、 s i e r p i n s k i ( 西尔宾斯基) 三角形、s i e r p i n s k i ( 西尔宾斯基) 地毯、h i l b e r t 曲线、m i n k o w s k i 曲线等，通常用这些分形图案来做分形天线。分形的特性之一“分数维”，使得分形能够 在很小的体积内充分的利用空间，也是它能够用于天线小型化设计的一个关键原因”“。 3 - 雌 _ _ _ _ _ -_ _ -_ * # # 图1 2 ( a ) c a n t o r 点集 雹蟋黪罐自莲霹磁 厂 图1 2 ( b ) k o c h 曲线 赫谚窃酬 图1 2 ( c ) h i l b e n 分形天线 圈1 2 ( c ) m i f 出o w 8 k i 分形环 日四日 a 囹。 口四 日日日 日团口 臼四日 日四日 口图口 日圈日 目日日 日囹口 日日日 日日围 一囹。 四日四 图1 2 ( f ) s i e r p j n s l 【i 三角形图i ，2 ( g ) s i c r p i n s h 地毯 在物理学中，通常会研究这些结构图案的光学性质，以制备天线、滤波器、波导等元 器件，如h i l b e r t 分形天线、k o c h 分形环、m i n k o w s k i 分形环、s i e r p i n s k ig a s k e t 天线、 4 口日臼 臼豳日口日四日日日日团日曰日日0 一 第一章引言 c a n t o r 窄带滤波器等3 2 。捌。这些常见图形如图1 2 所示。 目前，对分形结构的电磁波透射特性研究在微波频段比较成熟。主要是香港科技大学 物理系的研究小组对“工”字形或称“h ”分形结构在微波和红外频段的带隙特性做了一 系列研究1 肛1 利；日本大阪大学物理系的研究小组对三维m e n g e r s p o n g e 即蜂窝结构分形腔 ( 如图1 3 ) 在微波频段的带隙 特性做了一系列研究睁删。 香港科技大学研究了一系列 亚波长分形样品在微波波段的透 射、反射、衍射性质。该组研究 了铜片和坏锈钢板上刻蚀的分形 图1 3 m e n g e rs p o n g es 咖c t l l m 即蜂窝结构示意图 缝的电磁波谐振特性，研究了沉淀在衬 ( 8 ) o 级( ”l 级( c ) 2 级( d ) 3 级 底上的分形线和分形槽的电磁波谐振特性，归纳了微波波段的分形透射规律，说明了产生 超强透射特性的物理机理是一系列自相似局域共振。 在微波波段，2 0 0 2 年，该组用一个铜盘上的1 5 级分形线样品，研究在卜墙g h z 频率 范围的谐振特征。在透射谱图中，说明了在那个频率范围内有三个禁带，在那里电磁波透 射强衰减，对应的，反射谱图中说明了在同样的三个频率处有强反射。则在任意的两个禁 带间有一个通带，最大透射接近于1 0 0 。把分形样品旋转9 0 0 发现仍然有三个明显的禁带， 但其频率位置发生了变化，这由分形线x y 平面取向的非对称结构所致，因此说明这种分 形板具有不同的极化取向。并且用两个相对为9 0 0 的分形样品堆栈来模拟了透射率不依赖 于偏振态和入射角，这与通常的三维光子晶体的特征一样n 们。 2 0 0 4 年，该组用六套从8 1 3 级的不同级数的分形缝样品，在o 一2 0 g h z 内，研究了可 调的带隙性质，表明了随着级数的增加，分形样品的电磁波透射谱内的禁带或带隙下移到 低频率，并进一步说明了低频谐振本质上由分形内起始于低级的非常长的连续金属线决 定，而高频谐振由起始于高级的其他的金属线决定。同年该组还用f d t d 模拟说明了带隙 尺寸能由堆栈的层堆积显著增宽，这与通常的三维光子晶体( 板层厚度的增加使带边缘变 窄) 完全相反。同时增加分形体内的金属线宽也能增宽带隙尺寸1 5 1 。 2 0 0 5 年，该组研究了不同厚度的不锈钢盘上的分形缝的微波谐振透射。说明了透过亚 波长分形阵列狭缝样品时，可以产生全透射，而通过一个单个分形样品时透射仅为9 ， 第一章引苦 这种高透射不依赖于阵列的周期和入射角，同时也几乎不依赖于样品厚度。由于f p 机理 强依赖于样品厚度，s p 机理中周期肯定与波长差不多，因此，更加说明了此分形结构的透 射增强机理由分形缝图案的局域谐振决定。在关于此工作的论文中，还推测这种性质也可 能在红外频率适用“”。 该组还研究了平面金属分形图案的折射率，说明了在微波波段时，当一个金属盘的横 向尺寸比相应入射波长的一半大时，总能反射电磁波，如把两个相对9 0 。的分形盘堆栈， 且由一个薄电介质隔离开，就可在任意方向反射电磁波。用f d t d 模拟发现，分形图案的 样品显示出多个谐振在频率内几乎都是对数周期，这些谐振产生强反射，在每个谐振频率 处，电流主要沿着一个特殊级的某个金属线激发，流向结构的较高级。并且说明了当保持 盘的面积不变时，随着分形级数的增加，每个谐振被移到低频，同时，出现更多的谐振。 因此，该组论证了这种金属分形图案能作为一个多带亚波长反射体，这是分形图案的固有 性质，当其他物体被放置在近场时，谐振频率可以改变“。 对于红外波段，2 0 0 4 年，该组研究了沉淀在硅衬底上的9 级金属分形槽结构在2 2 0 0 u m 频段的谐振透射特性。样品在三个频率处都产生较高的透射，在波长是缝宽的1 0 2 0 0 倍 处，即亚波长时，强频率选择透射增强被观察到，说明这种透射增强的根本物理机理是由 于电磁谐振，指出可把样品尺寸按比例转换到红外频段，而且预测了无论是分形线样品， 还是反转后的分形槽样品，在红外下分形样品的禁带和通带的物理机理与微波下是一致 的。并且指出，在原理上，类分形结构能支持多个长波长谐振。还说明当主线线长减小时， 即电磁波比狭缝最大长度高一个数量级时，透射增强。该组还模拟说明了当散射和吸收适 当被考虑时，透射比下降，而且有频率下移“。 2 0 0 4 年日本大阪大学物理系的研究小组对三维m e n g e r s p o n g e 即蜂窝结构分形腔在微 波频段的带隙特性做了研究。用一个单极天线来测量蜂窝内中心孔的电场强度，电磁能量 共振于由强谐振模式形成的中心空气腔内，谐振模式频率可以由改变结构的尺寸，级数和 有效介电常数来控制。在蜂窝结构内发现了固有于它们的分形结构的微波谐振，说明了这 个谐振不是由光子晶体内的一个光子带隙的存在导致的，而应该归因于分形结构内被实现 的个单光子态密度。该组的研究表明，在相同频率下，每个结构的微波透射和反射都有 衰减，它的振幅随分形级数的增加而逐渐增加，此级数在较高级蜂窝结构内显示了微波的 强谐振。同时还观察到频率依赖于级数，级数控制蜂窝的有效介电常数。此谐振由分形腔 内的共振解释挣4 刚。 6 第一章引言 1 1 3 局域共振光子功能材料 通常所说的光子能隙指的是一个频率范围，在此范围内，电磁波不能穿过物质；能隙 的另一种定义是指在某一频谱范围内不存在光子能态。在过去的十几年中，由于光子材料 基础科学研究的重要性以及其潜在的巨大应用前景，光子能隙功能材料的制作越来越受到 人们的关注。到目前为止，绝大多数光子材料都建立在周期性特征( 例如，折射系数、音 速、或材料密度周期性变化) 所导致的布拉格散射原理的基础上。但是，布拉格散射并不 是研究及制作光子能隙材料的唯一方法，一种称为局域化共振的光予能隙材料也被人工制 备得到。 众所周知，现在有两种理论方法研究点在能带和能隙：一种研究方法是布拉格散射， 另一种研究光子能隙的物理模型是紧束缚模型”。紧束缚模型是从个别原子或分子着手， 每个原子或分子都包含了很好定义的离散电子态。这里，强调离散，是因为它表示每个电 子态与其相邻的其他电子念存在有限能级差。在紧束缚模型中，当原子或分子问相互接近 时，电子能量就从这个分离能态展开。电子能带宽度的变化正比于相互作用强度。因此， 当相互作用增强时( 通常是原子或分子间相互距离减少时) ，电子能带随之增宽。由于我 们已设想最初的电子态是通过有限能级差加以分隔，只要电子能态宽度的增加没有淹没最 初两个电子态之间的能级差，能隙就产生在与这些能量相对应的频谱内。事实上，原子或 分子的相互作用有时也可能非常强，从而使两个电子能带重叠或者淹没成一个带。在初始 电子态能级差演变成能带及能隙的情况下，原子或分子就形成晶体。从紧束缚近似的观点 来看，能隙存在是离散电子态之间的能量差在晶体情况下的遗留。 从布拉格原理来讲，周期性对称是能隙存在的必要条件；从上面紧束缚近似的定性描 述可知，周期性对称不再是能隙存在的必要条件。事实上，这也是一个长期困惑人们的问 题：即周期性要求是不是能隙存在的必要条件? 我们知道，从布拉格散射原理来讲，答案 是肯定的。然而，对紧束缚近似而言，回答还是不是肯定的? 这个问题早在三十多年前 就已经提了出来。因为当时非晶硅材料是许多研究关注的焦点。根据定义，非晶硅并不 具备完美的周期性结构。这样自然就提出了一个问题：非晶硅存在能隙吗? 换言之，在 某些频谱范围内电子的态密度等于零吗? 这个问题最后由w e a i r e 在一篇著名的论文中给 予了回答。基于紧束缚近似原理，他证明在以四面体键耦合的系统中，周期性要求不是能 隙存在的必要条件。 因此，香港科技大学物理系的研究小组在制备光子能隙结构时，采用了类似于紧束缚 7 第一章0 占 近似的研究方法。以单位结构作为基本考虑因素，设计了具有局域模或局域共振效应的微 结构，并以此产生光子能隙效应。采用局域化共振模型，样品的尺寸不再与波长有关，这 一点对微波特别有用，因为在这个波段，由布拉格散射原理制作的光子结构非常庞大而笨 重。借助于局域化共振结构，样品的尺寸可以减少几个数量级，并使结构更紧凑且效率更 高。 利用局域共振的方法，香港科技大学物理系的研究小组制备出了人工电磁波能隙功能 材料，即平面共振结构。通常用于滤波器的平面共振结构是刻蚀在一些绝缘面上的二维周 r 一 期排列的金属组元，工程界称为频率选择表面”，如图1 4 ( a ) 所示。无限长的会属线 平行排列时的等效电路如图1 4 ( b ) 所示，这一等效电路可以看成是一个电感串联电路。在 交变外电磁场的作用下不呈现谐振效应。但是，当我们把无限长金属线分成长度相等的两 段时，其等效电路变为l c 电路，而电容c 出线段之间的间隙产生，如图1 4 ( b ) 中的下 图所示。因此，在外加电磁波作用下，这一l c 电路的固有谐振频率与电磁波相应的频率 发生局域共振。 霸罐 图1 4 频率选择表面的结构示意图 1 2 本课题的研究目的和意义 工 最近几年，通过亚波长金属缝的电磁波透射已经被放到很重要的研究位置。已经被报 ；棼嚣爹】羲甏； j罄麓了篆飞_； 旷徽艮誊 ，警。誊，。 鼷燃霸黝豳 臻 第一章引言 道的两个机制包括不同种谐振。在1 9 9 8 年，由于表面等离子体( s p ) 激发，e b b e s e n 等说 明了通过一个具有一个周期性阵列的亚波长孔的银膜的电磁波透射能比传统的预言显著 的高好多5 ，1 9 ，2 5 5 。由于法布里一珀罗f e b r y p e r o t ( f p ) 干涉，p o r t o 等6 1 识别了在金属 狭缝内部的另一个波导模式谐振5 2 韶1 。在这两个条件下，相应于透射机制的长度比例肯定 可与波长相比：在表面等离子体s p 的条件下，周期肯定可与波长比；法布里一珀罗f p 谐 振要求至少缝的一个维数可与相应波长比较，因此一个基本的t e m 传播波模式副可以存 在。 传统的光子带隙( p h o t o n i cb a n dg a p ，p b g ) 材料利用布拉格( b r a g g ) 散射曲”来 创造禁带隙。一个光子晶体的厚度和侧向尺度肯定是波长的几倍，这是布拉格机制的一个 必然结果。频率选择表面( f r e q u e n c ys e l e c t i v es u r f a c e s ，f s s ) 能选择性地反射一个 特定频率的电磁波( e l e c t r o 眦g n e t i c 怕v e ，e mw a v e ) ，起作用的是许多相互作用的周期 阵列金属元素的固有谐振的原理“。光子带隙和频率选择表面( p b g 和f s s ) 系统典型的 在一个单频范围起作用，此频率对应由周期排列的块的尺度规定的相应的波长。 因此，电磁( e m ) 波谱带隙能由布拉格散射或局域谐振中的任意一种产生。前者由光 子带隙材料产生，要求周期性，且光子带隙材料的厚度和横向尺寸肯定是波长的几倍；后 者由频率选择表面产生，能从比相应波长小的非周期性的特征结构获得，且通常在一个单 频范围作用。本课题研究了亚波长金属分形结构样品在太赫兹波段的透射性质。 本课题的意义在于：首先，太赫兹波技术6 1 。6 3 1 是最近二十年来由于自由电子激光器和 超快激光技术的迅速发展而新兴的一个综合性学科，其涉及的学科范围包括物理学、化学、 光学、电子学、量子理论以及材料科学等。太赫兹波是具有量子特征的电磁波，它与分子 的转动偶极跃迁相关，与很多微观粒子的能级相当。宏观上太赫兹波具有类似微波的穿透 能力和类似光波的方向性。因此，太赫兹波科学技术不仅进一步拓展了人类研究微观世界 的方法和手段，同时在天文遥感、材料科学、生物医学、公共安全、环境检测、化学分析、 工业无损检测等领域也具有巨大的应用前景。而研究太赫兹波段的亚波长光学器件，将会 对太赫兹光学系统的集成化方面有重要作用，对太赫兹波技术的发展具有重要意义。 其次，金属亚波长结构的透射率与金属的电导率有关，绝大部分金属的复介电常数在 太赫兹波段不同于微波和光学波段，其虚部远远大于实部岍1 。研究亚波长金属结构的太赫 兹透射光谱特性，可以揭示金属结构对太赫兹波的调制机理，对于太赫兹光子器件的研制 o 第一章引占 具有重要的指导意义。 在制作工艺方面，可见光和近红外波段的亚波长结构要求纯度很小，而以现在的加工 工艺在实际中很难制造；微波波段的物理尺寸都比较大，限制了在实际中的应用。太赫兹 波位于这两个波段之间，在此波段分形结构的制各比可见光和红外波段操作性强，比微波 波段精密性强，而且它的物理尺寸也不会很大，这些都为制作太赫兹波段的器件及在太赫 兹系统的实际应用方面提供了可行性。 最后，本课题是太赫兹波在约束介质中传播的一个研究方面，利用太赫兹时域光谱技 术研究分形结构在太赫兹波段的透射性质，探求这种结构传输太赫兹波的规律，这些规律 在太赫兹波器件的制备方面有很大的应用前景，如太赫兹滤波器、太赫兹偏振片、反射器、 位相延滞器等等。 1 3 本论文结构安排 本论文分为五章： 第一章引言。本章介绍了本课题的研究背景，并在此基础上提出本课题的研究意义。 第二章应用光学原理和太赫兹( t h z ) 波的基本理论。主要介绍光的传播原理和透射 率的概念、太赫兹时域光谱技术等与文章相关的基本原理。 第三章不同掺杂半导体硅的t h z 透射光谱研究。本章为整个课题的研究做了奠基工 作，为以后选择衬底提供了可靠的参数。 第四章金属分形结构的t h z 透射特性研究。本章是论文的重点，用太赫兹时域光谱 系统测量了亚波长金属分形结构在太赫兹波段的透射光谱，并做了分析研究，给出相应的 理论解释。 第五章总结。概述了亚波长金属分形结构的太赫兹透射特性，为今后的工作提出建 议。 1 0 第二章太赫兹( t h z ) 辐射的摹本概述 第二章太赫兹( t h z ) 辐射的基本概述 太赫兹( 即t e r a h e r t z ，t h z ) 通常指的是频率在o 1 t h z 1 0 t h z ( 即波长在 3 0 u m - 一3 m ) 之间的电磁波，其波段在微波和红外光之间，属于远红外波段，如图2 1 所 示。太赫兹波位于传统的电子学频率之上，同时又在光学和红外频段之下。也就是说太赫 兹处于光子学和电子学的交叉区域。过去，人们称这个区域为电磁波谱上的“太赫兹空白”， 称它为“空白”实际上是指该频段技术比较缺乏，尤其是辐射源和探测器技术。在高于和 低于此频段的频率上，辐射源和探测器都比较容易获得。当频率处于太赫兹空白之下，电 子学是主导；当频率在其之上，光子学是主导。光子学和电子学在太赫兹缺口相遇，目前 它们两者都在以各种富有创造性的方式填补着这一空白。 l o l o ， 1 0 l o l o l 21 9 1 s1 0 1 。1 0 2 11 0 2 4 h z k zm l i zg i l zt h zp l l ze h zz l l zy l l z l t h z 0 0 0 m r 3 3 。3 c m 一1 ，4 。l m e v 图2 1t h z 波段在电磁波谱中的位置示意图 正因为太赫兹频段技术十分缺乏，所以电磁波谱的这一区域成为了科学研究的前沿之 一。金属是太赫兹辐射典型的良好反射体。金属对于太赫兹辐射的反射率决定于直流电导 率和相应频率，早在1 9 0 3 年h a g e n 和r u b e n d s 推导得出了这其中的关系。偏离这个简单 关系则意味着超越了d r u d e 模型。传统的傅立叶变换光谱技术在l t h z 之下就很难使用了， 尽管使用特殊的设备这种技术在1 0 0 g h z 下也曾应用过。现在太赫兹时域光谱技术给1 0 0 g h z 和1 t h z 之间的线性光谱带来了革命性的发展。 2 1t h z 波的产生和探测 目前，国际上对于t h z 辐射的产生、探测、t h z 光谱和成像的应用研究方面都取得了 一些可喜的成果。本节主要说明了t h z 辐射的产生和探测。一般，太赫兹辐射源可分为非 相干热辐射源、宽频脉冲源和连续波源。太赫兹波按其特性可分为脉冲太赫兹波和连续太 l l 第_ 二章太赫兹( t h z ) 辐射的摹奉概述 赫兹波。由于本论文采用的太赫兹时域光谱系统是建立在太赫兹脉冲的基础上，因此本节 仅说明太赫兹脉冲的产生和探测方法。 基于飞秒激光脉冲的t h z 脉冲电磁辐射的产生，常用的有两种方法：光导天线辐射机 制和非线性光学整流效应。其中，光导天线辐射机制根据驱动载流子加速运动所用电场的 不同，又可以分为光导天线发射和半导体表面发射。光导天线发射t h z 6 哪7 的基本产生原 理是：在半导体材料例如低温生长的砷化镓上制备两个电极，在两个电极上加上偏置电压， 利用具有飞秒脉宽的超短激光脉冲泵浦两个电极之间的半导体材料激发产生载流子，被激 发的光生载流子被外加电场作用下加速运动，从而辐射出t h z 波。半导体表面发射t h z 6 8 6 9 的基本原理是：以某些半导体材料例如p 型掺杂的砷化铟的表面作为发射极，飞秒脉宽的 超短激光脉冲在其表面上激发的光生载流子在半导体内建的表面耗尽电场中加速运动，从 而辐射出t h z 波。实验和理论都表明，在半导体表面加上电场和磁场都能增强t h z 的发射 强度7 0 。7 副。光整流机制产生相干t h z 7 3 7 4 1 电磁辐射脉冲的基本原理：利用飞秒激光脉冲在 电光晶体中的二级非线性效应，通过光学差频方法产生t h z 波。用非线性光整流产生的太 赫兹脉冲与光导天线辐射机制产生的太赫兹脉冲相比，具有频谱带宽的优点，通常可以达 到7 0 t h z u “”。；缺点在于辐射出的太赫兹脉冲能量较低。因为光整流产生方法是将入射光 束功率从光频耦合到太赫兹波段，就目前来说，光整流技术的转换频率都很低，太赫兹光 束的平均功率只有纳瓦到微瓦的数量级，而作为激发太赫兹辐射的飞秒光源的平均功率却 是瓦的数量级；而光导天线方法可以通过调节外加电场的大小来获得能量较强的太赫兹波 7 7 】 根据探测原理的不同，t h z 辐射有两种常用的探测方法：光导天线和电光取样。光电 导7 8 7 9 3 的基本原理是：利用一束探测激光脉冲在半导体材料内部产生瞬间载流子，t h z 辐射的电场部分驱动瞬间载流子发生定向移动，可以产生反映t h z 电场信息的电流，通过 探测产生的电流就可以得到t h z 辐射的信息。电光取样8 1 1 的基本原理是：当激光光束 和t h z 辐射共线经过某种晶面取向的电光晶体时，t h z 辐射的电场部分通过线性电光效应 对电光晶体的折射率椭球进行调制，从而改变了通过电光晶体的探测光束的偏振态，通过 测量探测光束偏振态的改变，就可以获得t h z 电磁辐射脉冲的电场信息。比较两种探测方 法，电光取样的方法有较宽的探测带宽，但其光路的调节相对比较困难。由于z n t e 电光 晶体探测的灵敏度、带宽、稳定性等方面优于其它电光晶体，在实验上广泛采用。 1 2 第一二章太赫兹( t h z ) 辐射的摹本概述 2 2t h z 波的传播 自由空间的太赫兹波的传输可以采用常规的光学技术。为了控制太赫兹波的传输， 可以利用抛物面镜和超半球硅透镜等光学元件准直或聚焦太赫兹波。近年来，用硅衬底研 1 制出的菲涅尔透镜或菲涅尔波带片等二元光学元件取得了更好的聚焦效果1 。 太赫兹系统的组成部分有太赫兹光源、探测系统、传输系统、谐振系统等。目前，已 经提出了很多种不同的传输系统，如太赫兹金属不锈钢波导，太赫兹铁电聚合物波导，太 赫兹塑科带状平面波导，太赫兹单模蓝宝石光纤等。但研究发现，简单的直径为o 9 硼的 金属导线波导性能可能最好。 太赫兹波在不同物质中的传播特性还有待进一步研究，但是已有的研究结果表明，金 属和水对于太赫兹波的吸收较为明显，而非导电介质如陶瓷，纸张，塑料，木材，纺织品 r 等，对太赫兹波均有一定的穿透能力”1 。，丽这些介质对于普通光波都是不透明的，也就是 说，太赫兹波的穿透能力优于光波，同时又具有类似光波的“准”光学特性。 太赫兹波在气体、液体和固体中的传播涉及到介质的吸收特性、相移特性和散射特性 等。这是目前太赫兹波与物质相互作用研究的一个重要领域。然而由于时问上开展太赫兹 波技术的有限性以及此波段本身具有的独特性质，致使太赫兹全波段的传播特性的研究还 有待深入，这个领域尚有大量的研究工作要做。 光子晶体是其折射率在空间上存在周期性变化及存在一定光学能带间隙的介质结构， 具有一定的光学禁带和通带。光子晶体在近代科学技术特别是光学上有很多重要的应用。 在太赫兹波技术中，光子晶体主要用来制作各种功能器件，如太赫兹传输线及波导，太赫 兹谐振腔，太赫兹滤波器，太赫兹偏振器，太赫兹开关，太赫兹混频器，太赫兹天线等。 目前，光子晶体在太赫兹波技术中的应用已取得了一些研究进展，如太赫兹波在光子晶体 中的传播，德国半导体研究所研究了太赫兹波在光子晶体中的传播，结果表明：太赫兹波 在硅二维光子晶体中能很好地传播，理论和实验相符；德国f r e i b u r g 大学研究人员应用 激光化学蒸汽沉淀技术，用a l ，0 。陶瓷材料研究制作了太赫兹光子晶体；美国圣芭芭拉大 学研究人员制作了太赫兹波光子晶体谐振腔；日本大阪大学用彩色打印机制作出了太赫兹 金属光子晶体；日本理化学研究所最近利用多层约瑟夫结制作出太赫兹光子晶体滤波器； 美国d e l a w a r e 大学利用硅光子晶体制成微盘结构太赫兹光子晶体微谐振腔”“。 1 3 第一章太赫兹( t h z ) 辐射的甚奉概述 2 3t h z 时域光谱技术 t h z 时域光谱技术( t h z t d s ) 是2 0 世纪8 0 年代由a t t ，b e l l 实验室和i b m 公司的 t j w a t s o n 研究中心发展起来的一种相干探测技术，能够同时获得t h z 脉冲的振幅信息和 相位信息“。它利用t h z 辐射透射样品或在样品上发生反射，分别探测通过样品前后的 t h z 时域脉冲波形，分别称之为参考波形和样品波形，然后对这两个时间波形进行快速傅 立叶变换，得到参考和样品的频谱信息，然后对频谱进行分析和处理就可以将被测样品的 折射率、吸收系数、消光系数等光学参数提取出来。通过进一步分析实验得到的这些光学 参数，可以对样品的种类进行鉴别并得到样品一些相关的物理和化学信息。t h z 时域光谱 技术通过使用更窄波段的可调谐t h z 光源或者探测器可以实现更高的光谱分辨率，可以弥 补传统的傅里叶变换光谱( f t s ) 光谱分辨率有限的缺点，所以它具有更好的应用前景。 典型的t h z 时域光谱系统主要由飞秒激光器、t h z 辐射产生装置、t h z 辐射探测装置和 时间延迟控制系统组成。飞秒激光器产生的飞秒激光脉冲经过分束镜后被分为两束，一束 激光脉冲( 泵浦脉冲) 经过时间延迟系统后入射到t h z 辐射源上产生t h z 辐射，另一束激光 脉冲( 探测脉冲) 和t h z 脉冲兴同入射到t h z 探测器件上，通过调节探测脉冲和t h z 脉冲之 间的时间延迟探测t h z 脉冲的整个波形。 本论文所有关于t h z 光谱测量的实验都是在首都师范大学物理系t h z 光谱和成像实验 室进行的，下面详细介绍t h z 时域光谱测量系统的实验装置及其原理。 2 3 1 实验装置 实验采用反射式产生t h z 的装置，如图2 2 所示。所用的发射极是i n a s 晶体，探测极是 z n t e 晶体，图2 2 中b s 为分束器，h w p 为半波片，q w p 为四分之一波片，m l 枷1 3 是反射镜， p m 卜p m 4 为离轴抛物面镜，l 卜l 3 为聚焦透镜，p 为检偏器，d 卜d 2 为光阑，p b s 为沃拉斯顿 棱镜。 实验采用光谱物理公司生产的m a i t a i 激光器作为泵浦和探测光源，m a i t a i 激光器产生 的飞秒激光经过b s 分成两束光：透射的一束光较强作为泵浦光，它入射到发射极( p 型i n a s ) 上通过光整流效应产生t h z