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首都师范大学硕士学位论文太赫兹波对金属共振环的透射和吸收特性的影响 摘要 本文利用时域光谱系统研究了太赫兹波段内金属共振环结构的透射和吸收特性，对共 振吸收现象进行了较系统的探讨，对影响共振峰位置的因素进行了较细致的比较。 太赫兹辐射照射到金属共振环结构表面时，电矢量与磁矢量会使共振环产生电响应与 磁响应，造成特定频率的透射和吸收现象。共振环自身具有特定的固有频率，所以也会产 生固有频率的吸收。本文主要研究了太赫兹电波矢与磁波矢对共振环结构透射及吸收特性 的影响。具体工作如下：( 1 ) 改变狭缝的放置方向，研究不同传播模式下的太赫兹透射和 吸收特性；( 2 ) 改变太赫兹电波矢与样品平而的角度，研究结构透射和吸收情况的变化； ( 3 ) 改变太赫兹磁波矢与样品平面的角度，研究磁波矢对结构的影响。( 4 ) 研究激励光 对共振环基底的影响。得到的结论主要有：( 1 ) 金属共振环结构具有各向异性特性。狭缝 的放置方向决定了太赫兹波在样品内的传播模式：( 2 ) 电波矢的改变会造成不同的偶极振 荡模式，从而影响吸收位置；而金属共振环结构的固有频率只与结构的尺寸有关，不受传 播模式的影响；( 3 ) 垂直于样品平面的磁波矢会造成共振环的磁响应现象，使吸收强度增 加；磁波矢在样品面内的减小也造成了共振环透射峰的频移。( 4 ) 在激励光的作用下，共 振环结构的谐振性相应减弱；而半导体的载流子浓度直接影响了它对激励光的敏感性。 本文的创新点在于：在研究太赫兹电磁场对共振环透射影响的过程中，我们发现改变 电波矢会导致透射能量发生频移，并对此现象进行了理论解释；而磁波矢的变化会造成透 射峰频率的变化。 本文探讨了太赫兹电磁场对共振环结构共振特性的影响，为太赫兹相关器件的制备提 供了参考。 关键词：太赫兹，金属共振环，透射，吸收，电响应，磁响应，电磁耦合 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t e r a h e r t zt r a n s m i s s i o np r o p e r t i e st h r o u g hs t r u c t u r e so fs p l i tr i n gr e s o n a n c e ( s r r ) a r ei n v e s t i g a t e di nt h ef a rf i e l du s i n gt h zt i m e d o m a i ns p e c t r o s c o p ys y s t e m ( t h z t d s ) w e d i s c u s st h ep h e n o m e n ao fr e s o n a n tt r a n s m i s s i o na n da b s o r p t i o ne x p e r i m e n t a l l y , a n da n a l y z et h e f a c t o r st h a ta f f e c tt h ef r e q u e n c yo ft h er e s o n a n tt r a n s m i s s i o np e a k f r e ec h a r g ei nm e t a lr i n g so c c u r sd i r e c t i o n a lm o v i n gw i t he f f e c t so fe l e c t r i ca n dm a g n e t i c f i e l d sw h e nt e r a h e r t zw a v ei si n c i d e n ti ns p l i tr i n g ( s r ) i tm a k e st r a n s m i s s i o na n da b s o r p t i o n p e a k sa tc e r t a i nf r e q u e n c i e sb ye l e c t r i ca n dm a g n e t i cr e s p o n s e sb e t w e e nm e t a lr i n g s t h e r ei s a n o t h e rk i n do fa b s o r p t i o nw h i c hi sm a d eb yi t ss t r u c t u r ea tn a t u r a lf r e q u e n c yo fs r i nt h i sl e r e r ， t r a n s m i t t e da n da b s o r b e dp r o p e r t i e so fs rs t r u c t u r e sa r ed i s c u s s e d ，w h i c ha r ei m p a c t e db y t e r a h e r t zw a v e o u rs p e c i f i cw o r k sa r ea sf o l l o w s ：( 1 ) d ot h er e s e a r c ho fd i f f e r e n tt r a n s m i s s i o n m o d eb yc h a n g i n gd i r e c t i o no fs p l i t ；( 2 ) d ot h er e s e a r c hb yc h a n g i n ga n g l e so ft e r a h e r t ze l e c t r i c w a v ev e c t o rw i t hs p l i to fs r ；( 3 ) d ot h er e s e a r c hb yc h a n g i n ga n g l e so ft e r a h e r t zm a g n e t i cw a v e v e c t o rw i t hs p l i to fs r ；( 4 ) r e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fs u b s t r a t ew i t he x c i t i n gl i g h t o u r c o n c l u s i o nc o n t a i n s ：( 1 ) s r rs t r u c t u r eh a sa n i s o t r o p i cp r o p e r t y t h ed i r e c t i o n so fs p l i tw i l l d e c i d et r a n s m i s s i o nm o d eo ft e r a h e r t zi ns a m p l e s ( 2 ) d i f f e r e n tm o d e so fd i p o l eo s c i l l a t i n ga r e m a d eb yc h a n g i n ge l e c t r i cw a v ev e c t o r , a n di t sa b s o r p t i o ni sa l s oa f f e c t e d h o w e v e r , n a t u r a l f r e q u e n c yo fs r r i sd e c i d e db yl a t t i c es i z e ，i n d e p e n d e n to ft r a n s m i s s i o nm o d e ( 3 ) m a g n e t i c r e s p o n s eo c c u r sw h e nm a g n e t i cw a v ev e c t o rh a sc o m p o n e n tw h i c hi sn o r m a lt os a m p l es u r f a c e i tm a k e sp h e n o m e n o no fa b s o r p t i o nm o r ea p p a r e n t l y i na d d i t i o n ，d e c r e a s i n gc o m p o n e n to f w h i c hi sp a r a l l e lt os a m p l es u r f a c ec a nm a k et r a n s m i s s i o np e a km o v et ol o wf r e q u e n c y ( 4 ) t h e r e s o n a n c ep r o p e r t yo fs p l i tr i n g si sw e a k e n e db ye f f e c to fe x c i t i n gl i g h t ，a n dt h ec a r r i e rd e n s i t y o fs e m i c o n d u c t o rd e c i d e di t ss e n s i t i v i t yt oe x c i t i n gl i g h t i n n o v a t i o no ft h i sl e t t e ri sa sf o l l o w s ：a c c o r d i n gt or e s u l t so fs r rs t r u c t u r e ，t h et r a n s m i s s i o n e n e r g yi sm o v i n gb yc h a n g i n ge l e c t r i cw a v ev e c t o ro fw h i c hi sv e a i c a lt ot h ed i r e c t i o no fs p l i ti n s r r ，a n dw eh a v ed o n es o m et h e o r e t i c a la n a l y s i s ；c h a n g i n gm a g n e t i cw a v ev e c t o rc a nm a k e d i f f e r e n tf r e q u e n c i e so ft r a n s m i s s i o np e a k s i n f e c t i o n st or e s o n a n c ep r o p e r t i e so fs r rb yt e r a h e r t ze l e c t r i ca n dm a g n e t i cw a v ev e c t o r sa r e d i s c u s s e di nt h i sl e t t e r i tc a nb ear e f e r e n c ef o rr e s e a r c h i n gt e r a h e r t zd e v i c e s 首都师范大学硕士学位论文太赫兹波对金属j 振环的透射和吸收特性的影响 k e yw o r d s ：t e m h e r t z ，s p l i tr i n gr e s o n a n c e ( s g g ) ，t r a n s m i s s i o n ，a b s o r p t i o n ，e l e c t r i c r e s p o n s e ，m a g n e t i cr e s p o n s e ，e l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n g 1 1 i 首都师范大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，均已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。 学位论文作者签名： 荽雷 日期：年月日 首都师范大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，学校有权保留学位论文 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： 荽盈 日期：年月日 首都帅范人学硕士学位论文太赫兹波对金属八振环的透射和吸收特性的影响 第一章引言 本章主要介绍了论文的司f 冗背景，尽p 电磁波通过金属共振环结构时表现出的透射和吸 收现象，并在此基础 ：引入本文的研究内容及研究意义。 1 1 论文研究背景 1 1 1 表面等离子体简介 金属对电磁波具有绝缘效应。入射到金属上的电磁波随着透入金属中距离的增大，电 磁波的振幅按指数很快衰减，产生趋肤效应【心】，以致电磁波只能透入金属中很小的一段深 度，这段深度就是趋肤深度万即电磁波的振幅衰减到表面处振幅l e 的传播距离。电磁波 进入金属时的趋肤深度万主要由因子旦决定【3 1 。其中盯是金属的电导率，s 是介电常数， 缈是作用于金属上的电磁波角频率。当金属的旦 l 时，此金属为良导体，由于一般金 属的竺数量级为1 0 i s ，所以只要电磁波的频率缈 e 0 打在两电极之间的光电导材料上 时，会在其表面瞬间( 1 0 1 4 s 量级) 产生大量的电子一空穴对。这些光生自由载流子会在 外加偏置电场和内建电场的作用下作加速运动，从而在光电导半导体材料的表面形成瞬变 的光电流。最终这种快速的、随时间变化的电流会向外辐射出太赫数脉冲【5 0 5 2 1 。 ( 2 ) 光整流 光整流是一种非线性效应，是电光效应的逆过程。两束光束在线性介质中可以独立传 播，且不改变各自的振荡频率。然而在非线性介质中，它们将会发生混和，从而能产生和 频振荡及差频振荡现象。由此在出射光中，除了和入射光具有相同频率的光波以外还有其 他频率( 例如和频) 的光波。而且当一束高强度的单色激光在非线性介质中传播时，它会 在介质内部通过差频振荡效应激发出一个恒定( 不随时问变化) 的电极化场。这个电极化 场不会向外辐射电磁波，它只是会在介质内部建起一个直流电场。我们就把这种现象称为 光学整流效应。如果入射到非线性介质中的是超短激光脉冲，则根据傅立叶变换理论可知， 一个脉冲光束可以分解成一系列单色光束的叠加，这些单色光将会在非线性介质中发生混 合。其中，由差频振荡效应会产生一个低频振荡的时变电极化场。这个电极化场就可以辐 射出太赫兹波来。目前常用的非线性介质有l 酣b 0 3 、l i t a 0 3 、有机晶体d a s t 、半导体 g a a s 、z n t e 、i n p 、l n t e 等。用得最多的是z n t e 和g a a s ，而d a s t 则是很有潜力得有机 1 5 首都师范大学硕士学位论文 太赫兹波对金属共振环的透射和吸收特件的影响 介质，它是目前非线性效应最强的物质之一f 5 3 - 5 6 1 。 ( 3 ) 四波混频 当高能量的超短激光脉冲聚焦在空气中时，焦点处的空气会发牛电离现象形成等离子 体。由此所形成的有质动力会使离子电荷和电子电荷之间形成大的密度差，而且这种电荷 分离过程会导致强有力的电磁瞬变现象的发生，从而辐射出太赫兹波来。其主要机制是在 空气等离子体中混合的与2 光束发生的三阶非线性光学效应，即四波混频过程。 5 7 - 5 8 】。 2 3 2 太赫兹波的探测技术 与太赫兹脉冲的产生方法相对应，探测也有两种常用的方法：光导天线和电光取样。 光导天线 5 9 - 6 0 1 是最早用于探测太赫兹脉冲的方法，与其发射天线的装置相同，但与在电极 上加偏置电压不同，是基于光电导发射机理的逆过程：即光导天线不加偏置电压，一个与 太赫兹脉冲有确定时间关系的取样脉冲在光导层中产生自由载流子，当自由空间中传播的 太赫兹辐射场同时到达时，太赫兹电场作为偏转电压，就可驱动这些自由载流子产生正比 于太赫兹瞬间电场的光电流。记录取样脉冲和太赫兹脉冲在不同时间延迟下产生的光整 流，就可获得太赫兹脉冲电场信号。但光导天线探测技术存在一种内在的h e r t z i a n 偶极子 共振特性，所探测到的太赫兹电磁辐射信号波形与所用的光导天线的共振响应函数有关， 以至于得不到准确和真实的太赫兹脉冲波形。为了能够得到包含振幅和相位的整个真实太 赫兹脉冲波形的信息，后来人们又探索了一种基于线性电光效应的新型电光探测技术f 6 1 】。 太赫兹电光取样测量基于线性电光效应( 帕克尔效应) ，当太赫兹电场通过电光晶体时， 其瞬态电场将使电光晶体的折射率发生各向异性的改变，当另一束探测光和太赫兹脉冲同 时通过晶体时，太赫兹脉冲电场导致的晶体折射率改变将使探测光的偏振态发生变化。调 整探测光脉冲和太赫兹脉冲之间的时间延迟、检测探测光在晶体中发生的偏振变化就可以 获得太赫兹脉冲电场波形。 这两种探测太赫兹脉冲的方法中，电光取样方法有较高的探测带宽，这是由于其时间 响应只与所用的电光晶体的非线性性质有关。目前用电光取样探测到的频谱已超过 5 0 t h z l 6 2 1 。同时这种探测方法具有光学平行处理的能力和良好的信噪比，这使它在实时二 维相干远红外成像技术中具有很好的应用前景1 6 4 】。而光导天线技术产生光电流的载流子寿 命较长，导致其探测带宽较窄。 2 4 太赫兹时域光谱技术( t h z t d s ) 1 6 首都师范人学硕士学位论文太赫兹波对金属共振环的透射和吸收特性的影响 太赫兹光谱技术可以被用来研究材料的远红外性质和频率的关系，这些关系可以帮助 我们深入地了解与材料应用相关的重要的材料性质。目前已经有很多方法可以得到材料的 太赫兹光谱。傅立叶变换光谱可能是最常见的用来研究分子共振的手段，这种技术有着很 宽的光谱波段，可以用来研究材料从太赫兹波段到红外波段的光谱性质，但是有限的光谱 分辨率限制了其应用。更高光谱分辨率的测量可以使用更窄波段的可调谐太赫兹光源或者 探测器，这是第二种太赫兹光谱技术。前两种太赫兹光谱技术主要被用于天文的研究中。 目前，一种最新的太赫兹光谱技术一太赫兹对域光谱技术( t h z t d s ) 日益成为太赫兹光 谱技术的热点。由于太赫兹辐射本身所具有的独特性质，太赫兹时域光谱技术对应有如下 一些特性： ( 1 ) t l - z - t d s 系统对黑体辐射不敏感，在小于3 太赫兹时信噪比可高达1 0 4 ，这要 远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性业比较好。 ( 2 ) 由于t h z t d s 技术可以有效的探测材料在太赫兹波段的物理和化学信息，所以 它可以用于进行定性的鉴别工作，同时它还是一种无损探测的方法。 ( 3 ) 利用t h z t d s 技术可以方便、快捷的得到多种材料如电介质材料、半导体材料、 气体分子、生物大分子( 蛋白质、d n a 等) 以及超导材料等的振幅和相位信息。 ( 4 ) 在导电材料中，太赫兹辐射能够直接反映载流子的信息，t h z t d s 的非接触性 测量比基于h a l l 效应进行的测量更方便、有效。而且，t h z t d s 技术已经在半导体和超 导体材料的载流子测量和分析中发挥出了重要的作用。 ” ( 5 ) 由于太赫兹辐射的瞬态性，可以利用t h z t d s 技术进行时间分辨的测量。 太赫兹时域光谱技术是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1 拘1 6 0 , 6 3 1 ，它是基于利用飞秒激光技术获得的宽波段太赫兹脉冲。这种脉 冲是单周期的电磁辐射脉冲，周期小于l p s ，频谱范围从0 1 g h z 5 t h z 。典型的太赫兹时 域光谱实验系统主要有超快脉冲激光器、太赫兹发射元件、太赫兹探测元件和时间延迟控 制系统组成。如图2 2 ，太赫兹时域光谱系统根据探测样品方式的不同可分为：透射系统 和反射系统 6 4 - 6 5 l ，但是这两种系统的工作原理完全相同，即飞秒激光脉冲由分束器分为两 束光，一束作为抽运光，用于激发太赫兹发射元件产生超短太赫兹脉冲，另一束作为探测 光，用于探测太赫兹脉冲的瞬时电场振幅，通过扫描探测激光和太赫兹脉冲相对时间延迟 得到太赫兹脉冲电场强度随时间变化波形。太赫兹时域电场波形包含有太赫兹脉冲的强 度、相位和时问等完整信息，通过傅立叶变换可同时得到被测样品的吸收和色散光谱。这 种技术探测到的太赫兹脉冲峰值功率很高，脉宽在皮秒量级，能方便的进行时间分辨研究， 首都师范人学硕士学位论文太赫兹波对金属共振环的透射和吸收特性的影响 同时，通过对测量频谱的分析和处理，还可以获得物质的折射率、介电常数、吸收系数和 载流子浓度等参数。9 0 年代初期，太赫兹时域光谱技术首先在物理、信息和材料等方面得 到应用【6 6 1 ，到9 0 年代末，这项技术开始应用于化学、生物学和医学等领域【6 7 】。虽然这些 应用研究在国际上还属于非常崭新的领域，但一些尝试性的研究结果却显示出这一领域的 诱人前景，并迅速发展成为一个令人关注的新兴研究方向【6 8 - 6 9 j 。 图2 2 典型的太赫兹时域光谱示意图 作为一种新兴的光谱分析检测手段，太赫兹时域光谱技术的应用研究还十分年轻，有 些仍处于早期发现和探索阶段，因此尚存在一些困难和问题：在太赫兹光谱分析研究方面， 由于目前还缺少化合物光谱数据的积累和对图谱分析的经验，因此解决和建立所观察到的 太赫鲍光谱和分子结构之间相对应的关系是当前众多研究者面临的一个普遍问题；由于水 对太赫兹辐射吸收很强，而生物分子和生物组织含有丰富的水份，这给生物样品的测定造 成不利，也降低了成像清晰度和灵敏度；在数据处理方面，提取样品参数的方法还不太成 熟，处理过程中仍然有一些问题( 如散射) 没有被考虑进去；太赫兹时域光谱技术对环境 有一定的敏感性，如空气湿度、环境温度、样品的均匀性以及制样过程等都可能对测试结 果造成影响，因此需要控制好实验条件；目前，一般光导天线辐射的太赫兹光源有效频率 较低，使得一些物质结构信息不能在谱图中得到充分的反映；另外，现有的太赫兹时域光 谱系统及成像系统的设备还比较昂贵，信息处理过程也很复杂，有待进一步微型化和实用 化。总的来说，太赫兹时域光谱技术的应用研究还面临许多挑战，还有许多问题亟待解决。 虽然太赫兹时域光谱技术还不成熟，但是它具有相干探测方法、较高的时间分辨率和 灵敏度，为人们展现了一个全新的光谱学研究视角，也给光谱学研究者提供了新的机遇【7 0 1 。 太赫兹时域光谱技术将在化学基础研究、材料科学、生物学、医学疾病诊断以及军事等许 多领域展现出巨大的应用潜力，并且随着研究的不断深入，该技术与多种学科之间的交叉 l l i 首都师范大学硕士学位论文太赫兹波对金属共振环的透射和吸收特性的影响 将会更深入更广泛1 7 1 1 。 2 5 太赫兹波的应用 由于太赫兹波的性能独特，它在众多的领域里有着重大的科学价值和广阔的应用前 景。目前它主要有反恐、医疗、通信三大用途。随着相关技术的不断发展，太赫兹仪器和 设备必将日益小型化，其造价也会越来越低，应用也会越来越广泛。主要的应用包括： ( 1 ) 太赫兹波特别适合于可见光不能透过且x 射线成像时对比度又不够的场合。太赫兹 波可以轻易地穿过衣服、皮肤和透视整个人体，但它不会像x 射线那样会对人体带来损害 9 6 1 。因此，太赫兹波在穿透性方面可能会取代x 射线，成为反恐禁毒的利器。太赫兹波不 仅能探测出藏在包裹和农服中的枪支、刀具和金属武器。还能将传统扫捕仪无法识别的物 质( 如塑料、陶瓷和纸张) 都识别出来。太赫兹波还能穿透很厚的墙壁，并在最短的时间 内确定房屋内恐怖分子和人质的位置。因此，运用太赫兹波将成为解救人质的有力工具， 这是其他技术所难以匹敌的。利用太赫兹波还可以检查机场、码头等处旅客和行李中是否 藏有毒品、含炭疽热病荫的违禁物品。由于太赫兹成像是非破坏性和非接触性的，因此对 研究珍贵艺术作品和古生物等不用担心会造成损害 7 2 - 7 4 】。 ( 2 ) 传统的人体透视和摄片都使用x 射线，但x 射线对人体会带来副作用，它会引起人 体细胞的电离，甚至引发癌症和不育症。而太赫兹扫描对人体无害，将成为医疗领域的新 宠。太赫兹扫描仪可以通过探测生物体组织中的水含量，区分生物体的健康组织和病态组 织。而癌细胞中水分的含量大，在太赫兹扫描中呈暗色，这就不难区分健康组织和癌变组 织了。太赫兹波还能用于口腔外科，因为龃齿和健康的牙在太赫兹波段呈现的颜色是不一 样的，很容易做出诊断。 ( 3 ) 太赫兹波是很好的宽带信息载体，其通信信道比微波多得多，特别适合于卫星间及 局域网的宽带移动通信。国际通信联盟已指定0 2 t h z 的频段为下一步卫星间通信使用， 进一步将发展到0 3 t h z ，这实际上已成为太赫兹通信【7 5 7 6 1 。跟传统的微波雷达相比较，用 太赫兹波研制成的太赫兹波雷达能够探测到更小的目标，实现更精确的定位，具有更高的 分辨率和更强的保密性，因而太赫兹波雷达将成为一种比较重要的高精度雷达。 太赫兹波处于电磁波谱的特殊位置，具有极其重要的学术价值和独特性质，这促使太 赫兹波科学技术发展极其迅速，是交叉学科的前沿。太赫兹波科学技术发展至今仅十几年， 无论从基础研究还是应用基础研究的角度看，都还有许多工作要做。但是随着研究的不断 深入，其应用与交叉研究的学科领域的不断扩大，可以预计太赫兹波的研究将迎来一个蓬 勃发展的阶段 7 7 - 铝】。 1 9 首都师范大学硕士学位论文太赫兹波对金属共振环的透射和吸收特性的影响 第三章金属共振环的太赫兹吸收特性 本章介绍了论文的主要工作，首先给出了理论依据，然后介绍了进行实验所使用的仪 器及相关设备和数据处理的方法，最后给出实验结果和相关结论。 3 1 理论依据 正如第二章所述，金属环可视为有特定频率的l c 振荡电路。其固有频率与金属环的 尺寸有关，满足 ，一上 ! 2 万扣而 其中l m 为磁感应项，l 。为电感应项。入射到共振环表面的电磁波会在固有频率处耦合， 出现共振吸收现象。 金属内部的正负电荷可视为电偶极子。在太赫兹电场作用下，电偶极子产生共振，造 成特定频率的吸收。如果太赫兹磁波是在垂直于样品平面的方向卜有分量，则会造成磁响 应，出现电磁耦合现象，从而影响太赫短的透射和吸收特性。 3 2 实验系统介绍 太赫兹时域光谱系统分为透射系统和反射系统。本实验采用的是太赫兹时域光谱透射 系统，其系统光路如下图3 1 所示。 m 图3 1 实验装置图 首都师范大学硕士学位论文太赫兹波对金属共振环的透射和吸收特性的影响 图3 1 是典型的太赫兹时域光谱透射系统，主要由飞秒激光器、太赫兹辐射产生装置、 太赫兹辐射探测装置和时间延迟控制系统组成。此系统使用的飞秒激光器是由光谱物理公 司生产的自锁模可调谐式钛蓝宝石激光器，其产生的飞秒激光脉冲中心波长为8 0 0 n m ，重 复频率为8 2 m h z ，脉宽为1 0 0 f s ，输出功率为1 0 6 7 m w 。太赫兹脉冲产生和探测的装置分 别是 晶向的l n a s 晶体和 晶向的z n t e 晶体，见图3 1 。钛蓝宝石产生的飞秒激 光脉冲经分束棱镜( c b s ) 被分为两束，一束作为产生太赫兹脉冲的泵浦光，另一束作为 探测太赫兹脉冲的探测光。泵浦光经过频率为1 1 k h z 的斩波器调制，通过时间延迟台入 射到透镜l l ，经透镜聚焦以4 5 0 入射角照射在 i n a s 晶体表面上，发生丹倍效应，即 泵浦光激发i n a s 晶体表面耗尽层载流子的跃迁，从而辐射出太赫兹脉冲，接着产生的太赫 兹脉冲经两对表面镀金的离轴抛面镜准直和聚焦，通过一个高阻硅薄片，聚焦在 一z n t e 晶体上；另一束激光脉冲一探测光经过一系列的反射镜、透镜l 2 、偏振片p 与太赫兹脉冲同时聚焦在 z n t e 晶体的同一位置，此时z n t e 晶体中发生电光效应， 即太赫兹辐射电场调制z n t e 晶体的折射率椭球，导致通过电光晶体的探测光偏振态发生 变化，从而反映出太赫兹辐射电场的大小及变化。偏振态被调制的探测光经过四分之一波 片( q w p ) 和透镜l 3 聚焦到渥拉斯顿棱镜( p b s ) ，探测光被其分为偏振方向互相垂直的 两个分量，被差分探测器一光电二极管探测，得到的两个分量差分信号经锁相放大器解调 后输入计算机得到最终的太赫兹脉冲时域信息。本论文利用这个装置探测到的有效谱宽是 0 2 2 5 t h z ，频谱分辨率5 0 g h z ，信噪比6 0 0 。考虑到样品对太赫兹辐射的吸收，我们把 样品放置在能量较高的离轴抛面镜p m 2 焦点处( 焦斑直径约为1 1 m m ) 。 实验时为了降低空气中水分对太赫兹波的吸收，在光路虚线框内冲入氮气，使得探测 时环境的湿度低于4 ，实验温度是2 l o c 。产生太赫兹波后，泵浦光路中还残存着部分飞 秒激光。它与太赫兹波共同照射到样品上，因此可以作为激发基底中载流子的激励光。其 能量为2 3 m w ，偏振方向与太赫兹脉冲相同。 3 3 实验样品 实验样品采用高阻砷化镓做基底，金属材料为铜。加工过程如下：首先根据样品图形 制作掩模版，并通过光刻法将图形刻到砷化镓晶片上。然后通过蒸镀的方法使晶片表面黏 附一层金属阵列。最后将光刻胶剥落，进行后期处理。 样品分为单环( d 1 ) 和双环( d 2 ) 两种结构，如图3 2 所示。砷化镓晶片的厚度为6 2 5 9 m ， 常温下载流子浓度为1 8 4 1 0 7 e 一。铜环的厚度为0 5 岬。单环样品的狭缝宽度、金属线 宽、金属线长及晶格常数分别为6 1 a m 、8 p m 、2 6 p m 和3 6 岬。双环样品的狭缝宽度、内外 2 1 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 苎! 垦生 五 ：间隔、金属线宽、外环线长及品格常数分别为2 p m 、3 1 l m 、6 岬，3 6 p r o 和5 0 p r o d i 图3 2 样吊一的电子显微图 3 4 数据处理 太赫兹叫域光谱系统可以铁取太赫兹入射和透射电场的时域数据，然后通过陕速傅坐 叶变换得到棚应的频域数栅，利用公式 m ，= 篙篆劣 睁- ， w 8 k 6 ”j 即可得到样品的透射率z ( v ) 公式叶lr 是入射脉冲频牢，“口o 一( v ) 是太赫兹波透过砷化 镓晶片后的电场能帚，p o w 8 ( v ) 是太赫兹波透过样品后的电场能量。吸收率可利用 圳礼甙罴芝蔫， 协z ， 得到。根据相位的变化可以求得样品的折射率，利用公式 n ( m ) = ( 印) j 乇+ 1( 3 _ 3 ) 3 5 单环样品在太赫兹波段的电磁响应特性 3 5 1 单环样品的电响应特性 样品基底采用高阻砷化镓晶片，其折射率在太赫兹波段的大小如图3 3 所示。从0 2 t h z 到2 s t h z 的变化过程中，折射率基本保持在4i7 ，而透过率则从7 0 变为6 0 。可咀看 首都师范大学硕士学位论文太赫兹波对金属共振环的透射和吸收特性的影响 出，在太赫兹有效频段内砷化镓晶片没有明显的吸收和透射现象，所以对共振环结构没有 显著的影响。一 0 8 o柚 f n t q u t n o y c r h z ) 图3 3 砷化镓晶片在太赫兹波段的折射率( 左) 和透射率( 右) 空气中传播的太赫兹波电场为水平偏振，磁场为竖直偏振。正入射时，金属共振环内 会发生明显的介电响应现象。共振环属于各向异性材料。狭缝与入射电场偏振的位置关系 会直接影响共振环的吸收峰位。图3 4 分别显示了单环狭缝方向与入射太赫兹电场偏振平 行与垂直情况时的透射和吸收情况。实验温度为2 1 3 ，湿度为3 。7 。从图中可以看出两 种情况下的透射特性具有显著的差异：两者平行时透射谱中没有明显的透射峰：两者垂直 时却存在两个尖锐的透射峰，即1 0 5 3 1 r l 乜与2 1 6 6 t h z ：同时在吸收谱中还体现出两个吸 收峰。 造成这种差异的原因是共振环上的狭缝导致材料具有各向异性特性。由于实验系统产 生的太赫兹脉冲是线偏振，因此改变狭缝的放置方向可以得到两种传播模式。太赫兹波入 射到金属环表面时，如果狭缝沿水平方向放置，则只有水平方向上的波矢可以耦合到材料 内部；当狭缝沿竖直方向放置时，则只有竖直方向上的波矢可以发生耦合。两种模式的太 赫兹波以不同的形式存在于狭缝中，造成金属环间的电耦合与磁耦合作用发生变化，因此 它们的时域谱变化也不同，导致不同的透射现象。电耦合是指金属环间电容的并联所产生 的相互影响。磁耦合则是指每个电感线圈所产生的磁通不仅与自身交链，同时还与其他线 圈交链。 乒一互芬兽一五二 x重芒一粤蕾暑。笙 首都师范大学预学位论i 太赫兹渡对金属共振“的透射和吸收特性的影响 图3 4 狭缝方向对单环结构的影响( a ：透射谱；b ：吸收谱) 从吸收谱中可以看出：狭缝方向与太赫兹电场偏振垂直时单环结构出现了两个吸收位 置，即1 6 3 9 t h z 与22 8 3 t h z 。根据l c 振荡吸收原理可以计算出单环结构的固有频率为 2 2 9 4 t h z 。具体计算过程如下： 根据jz h o u 等人的理论计算，考虑边缘效应时，单环结构的等效电容满足 c = 22 e 。s d ( 3 8 ) 选匕 重詈 。 品 一 一 ，一y 一 首都师范大学硕士学位论文太赫兹波对金属共振环的透射和吸收特性的影响 其中s 表示狭缝处的横截面积，d 表示狭缝的宽度。电感系数k 满足 - l s 缈；岛 。( 3 9 ) 其中，= 4 ( t 一计一d 。w 和d 分别表示金属环的线宽和缝宽。唧为等离子体频率，可由 棚口= 聊2 c o r n 求出：其中n 表示单位长度内的电子数。m 表示有效质量。磁感应项可表 示为l 啊= 帮+ 群。具体计算如下： z p = ( 风| 7 2 万) 【l o g ( 8 厂6 ) 一1 7 5 】1 ( 3 1 0 ) 一霹= , u o l 7 8 万。 ( 3 - 1 1 ) 其中，7 = 4 ( t 一计一d ，- = ，2 刀，而2 = w t 根据以上公式计算得到单环结构的固有频率f o 为2 2 9 4 t h z ，对应于实验结果中 2 2 8 3 t h z 处的吸收峰。这说明此吸收是由共振环的自身结构造成的。电磁波入射到样品表 面上时，在频率大小为f o 处与l c 回路发生谐振效应，吸收了此频段的大量能量。狭缝方 向与太赫兹入射电场偏振平行时并未出现此吸收峰，主要原因是这种电磁波传播模式造成 的l c 振荡吸收作用不明显。另一个影响因素是金属环的厚度。如果增加金属厚度，那么 共振环内参与l c 振荡的电荷数量也会大大增加，从而提高此频率的吸收强度。l c 振荡频 率属于共振环的固有频率：即频率位置不受狭缝方向的影响。后续实验证明了这一点。 1 6 3 9 t h z 处的吸收是由共振环内的偶极振荡造成的。金属环内的正负电荷可视为电偶 极子。在太赫兹时变电场的作用下，这些偶极子会定向排列，并按特定频率发生振荡。当 电磁波频率与偶极子振荡频率一致时，电磁波的大量能量被偶极子吸收，对应于透射谱中 1 6 3 9 t h z 处的吸收峰。这种偶极吸收的特点是吸收频率受耦合电场的影响。太赫兹电场入 射到金属表面时会产生不同的传播模式。如果改变狭缝方向与太赫兹电场偏振的位置关系 时，则耦合进入材料内部的电磁波传播模式也会相应发生变化。这种变化会严重影响偶极 子的振荡频率。所以为了证实1 6 3 9 t h z 处出现的吸收峰是由偶极振荡造成的，我们进行 了以下实验：将样品沿竖直面旋转9 0 。，即狭缝方向与太赫兹入射电场偏振的位置关系发 生了改变，观察旋转过程中峰位和峰值的变化。0 9 位置对应于两者平行的情况：9 0 。位 置则对应于两者垂直的情况。根据上述偶极振荡理论的分析可以预测：在旋转过程中，耦 合波矢由水平方向最终转变为竖直方向，电磁波传播模式相应改变，因此偶极振荡的吸收 频率也会发生变化：但l c 振荡造成的固有频率吸收与狭缝的位置无关，因而不会发生移 动。图3 5 为旋转前后两种位置对应的时域信号谱。系统的时间测量范围是0 , - - 2 5 p s , 为了 2 5 甘都师 学颐 位论文 太赫兹波对金属共拉h 的进射和吸收特性的影响 便于对比，只截取出1 2 - 1 6 p s 的时域波形。时域波形发生了明显的变化，说明共振环结构 具有各向异性的特点。随着狭缝方向的改变，耦合波矢相应发生了变化。 t 圈3 5 旋转前后对应的时域信号谱( 左：0 。；右：9 0 。) 圈3 6 和3 7 分别给出了单环结构旋转过程中不同狭缝位置对应的透射率和折射率谱 线。从透射谱中可以看出：随着旋转角度的增大，22 8 3 t h z 处的固有频率吸收现象逐渐增 强，但频率位置并未发生任何改变：而偶极振荡造成的吸收频率却在不断变化，即从 1 1 4 1 t h z 移动到1 6 3 9 t h z 。说明此吸收频率受耦合渡矢的影响，与预测结果一致。在吸 收位置上，折射率也相应出现了明显的突变。旋转9 0 。后折射率突变最强，说明此时的吸 收强度最大，透射强度几乎为零。另外，由于耦台波矢的改变，透射情况也发生了明显的 变化。 fr e ql j 8 f l c y 图3 6 单环结构旋转过程中透过率的变化 首都师n 大学磺j 学位论空 太赫菇波对h 共拓单扮透射和吸收特性的影响 圄37 单环结构旋转过程中折射率的变化 3 5 2 单环样品的磁响应特性 正入射时太赫兹波的磁场偏振平行于样品平面，因而不会对金属环内的电荷产生磁 化作用。如果将样品倾斜一定角度，使太赫兹时变磁波矢在垂直于样品平面的方向上具有 分量，此时金属环表面有感应电流产生。感应电流依赖于共振环结构的谐振性质并产生 感应磁场抵抗入射场的变化。这种磁响应现象会造成有效磁导率在特定频率处发生突变。 根据对称性可知，磁导率突变的位置与介电函数突变位置相同。因此在发生突变的频率处 “曲与“吣相互耦合，使吸收强度相应增强。由于竖直方向上的波矢只能在狭缝与入射太 赫兹电场偏振垂直的情况下发生耦合，所以我们只针对这种位置关系进行丁以下研究：以 样品中心的水平方向为轴旋转，见图38 。实验温度为2 06 ，湿度为3 7 。 图3 8 狭缝与太赫兹电场偏振垂直时沿水平方向旋转样品 图3 9 31 1 分别给出了旋转角度所对应的透射率、吸收率和折射率曲线。从透射谱中 可以看出样品整体的透射强度有所降低i 主透射峰( 对应于1 0 5 3 t h z ) 的位置没有发生变 化：而次透射峰( 对应于21 6 6 t h z ) 的位置出现了明显的频移现象，即随着旋转角度的增 2 7 首都师范大学碰学位论文太赫兹睦对龟属共揖环的透射和吸收特性的影响 加向低频移动。观察吸收谱可以发现：两个吸收峰位置均未改变；但固有频率处的吸收强 度则随着旋转角度的增加逐渐增强。折射率曲线的突变程度尤为突出了这一现象。 l瓜 ：繁- - o d eg曩re 基= 缄 “咖”。 0 以： pr e q u e n 吖 图31 0 单环结构绕水平轴旋转时不同角度所对应的吸收谱 蛐例捌删恤 、k 喘一啄一 y 一3一co一苞loo 首都目大学学位论i 太赫波对金月共振环的透射和哦收特性自 图31 l 单环结构绕水平轴旋转时不同角度所对应的折射率 正入射时，竖直方向上的磁波矢平行于样品平面：将样品沿水平轴旋转一定角度后， 磁波矢在垂直于样品平面的方向上具有分量。此时在磁波矢的作用下，台属环内会产生感 应电流。它能激发出感应磁场来抵抗入射场的变化。这种磁响应现象造成有效磁导率在吸 收频率处发生突变，造成两处吸收的显著增强。旋转过程中磁波矢在样品平面上的分量 满足女。= kc o s o ，垂直于样品平面的分量则满足i = k 。s i n o ，其中0 代表样品平面与竖 直方向的夹角，即样品沿水平轴的旋转角度。由此关系可以看出：随着旋转角度的增加， 垂直样品表面的磁波矢分量逐渐增加，造成磁响应现象越来越明显，所以吸收强度出现逐 渐增强的趋势，从折射率谱线中可以明显看出这一现象：而平行于样品平面的分量随角度 的增加逐渐减小造成耦合波的频率相应减小。此时，由环闯磁耦合作用产生的透射峰会 受此影响向低频移动，即2 1 6 6 t h z 。而1 0 5 3 t h z 处的透射峰不受磁响应影响，仅与电响 应有关。透射峰的移动还反映出样品的吸收频段在不断加宽。根据透射峰的移动箱势可以 推测：如果继续增大垂直于样品平面方向上的磁波矢分量，吸收频段会逐渐加宽，直至透 射峰消失、1 6 3 9 t h z 到22 8 3 t h z 之间全部吸收，仅使特定频率可以透过。 单环结构出现了透射峰移动的现象，其移动程度与角度的关系如表3 所示，对应的变 化曲线见图3 1 2 ( 图中角度坐标为弧度制) 。利用伽g i n 软件进行高斯拟和，结果见图3 1 2 首都师范丈学预学位论女 女赫# 玻对自属共振环的透射和吼收特性的影响 中实线部分。根据高斯拟和的结果可以得到单环结构的峰位变化规律满足 f = 工+ ( 爿“w s q r t ( x 1 2 ) ) ) p 一2 “。一“7 ”2 其中矗= 21 6 7 5 1 ，0 e = l1 5 1 3 6 ，w = 06 8 2 2 ，a = - 0 3 1 2 4 9 ，b 为弧度制。 表3 单环结构随旋转角度变化的峰值移动情况 0 。5 。1 0 。1 5 。2 0 。2 5 。3 0 。3 5 。4 0 。4 5 o 单环( t h z ) 2 1 6 62 1 6 6 2 1 5 62 1 5 32 1 4 52 1 2 62 1 0 52 0 5