THz波与物质相互作用的物理和应用.pdf

暑期凝聚态前沿系列讲座 物理所暑期凝聚态前沿系列讲座 物理所D 212 2013 7 15 THz 波与物质相互作用的波与物质相互作用的 物理和应用物理和应用 中科院物理所中科院物理所 光物理实验室光物理实验室 汪汪 力力 THz辐射的频率落在辐射的频率落在微波微波和和红外红外波段之间 它的产生波段之间 它的产生 和探测 可以分别采取和探测 可以分别采取电子学电子学和和光子学光子学技术 技术 THz Gap 电磁波谱中有待深入研究的最后一段 电磁波谱中有待深入研究的最后一段 关于关于THz辐射辐射 1 THz 1012 Hz 脉冲脉冲THz辐射的基本特性辐射的基本特性 a THz脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡 单个单个 脉冲的频带可以覆盖脉冲的频带可以覆盖从从GHz直至几十直至几十THz的范围的范围 b THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级脉冲的典型脉宽在皮秒量级 可进行可进行高时间分辨高时间分辨 的光谱分析的光谱分析 取样测量技术有效地抑制远红外背景辐射取样测量技术有效地抑制远红外背景辐射 噪音的干扰噪音的干扰 辐射强度测量的辐射强度测量的信噪比可大于信噪比可大于1010 c THz是一种相干辐射是一种相干辐射 现有的检测技术可以直接对现有的检测技术可以直接对 THz电场的电场的振幅和位相振幅和位相进行独立测量进行独立测量 d THz光子的能量只有几光子的能量只有几毫电子伏特毫电子伏特 因此不容易破坏因此不容易破坏 被检测的物质被检测的物质 这一点对于生物样品测量非常有利这一点对于生物样品测量非常有利 物质在不同波段的电磁响应物质在不同波段的电磁响应 可见光 可见光 通常为电子态激发 典型能量为通常为电子态激发 典型能量为eV量级 量级 具有很高的空间局域性具有很高的空间局域性 已有广泛研究已有广泛研究 红外光 红外光 体系的振动和转动激发 和体系在较小体系的振动和转动激发 和体系在较小 尺度里的空间结构相关尺度里的空间结构相关 开展的研究比较多开展的研究比较多 太赫兹 太赫兹 典型量子化能量为典型量子化能量为meV 往往和 往往和大尺度大尺度 非局域的集体激发非局域的集体激发关联关联 很少研究很少研究 R R r t 电荷分布 电荷分布 M r t 质量分布 质量分布 太赫兹响应太赫兹响应 太赫兹与物质的相互作用特点太赫兹与物质的相互作用特点 凝聚态凝聚态物质中的电荷 晶格振动 物质中的电荷 晶格振动 Plasmon Polariton等准等准 粒子粒子 元激发元激发 的特征频率位于太赫兹波段 并且具有非常的特征频率位于太赫兹波段 并且具有非常 灵敏的响应 各种分子的振动 转动频率很多位于灵敏的响应 各种分子的振动 转动频率很多位于THz波波 段 段 生物大分子生物大分子对对THz辐射的响应主要来自于由大分子的整体辐射的响应主要来自于由大分子的整体 构型和构像决定的集体振动模 而不是通常光学方法测量构型和构像决定的集体振动模 而不是通常光学方法测量 的电子结构或与单个化学键相关的振动模的电子结构或与单个化学键相关的振动模 局域模局域模 由于 由于 蛋白质等生物大分子具有较高刚性的二级结构和相对柔性蛋白质等生物大分子具有较高刚性的二级结构和相对柔性 的三级结构 的三级结构 THz光谱对于研究生物大分子的整体结构变光谱对于研究生物大分子的整体结构变 化具有独特的优势 化具有独特的优势 DOE NSF NIH Workshop on Opportunities in THz Science February 12 14 2004 THz时域光谱测量系统时域光谱测量系统 光物理实验室光物理实验室 THz TDS测量系统测量系统 光物理实验室光物理实验室 一个典型一个典型THz脉冲波形的采集过程脉冲波形的采集过程 Time ps E a u THz时域光谱分析时域光谱分析 时域透射光谱 时域反射光谱时域透射光谱 时域反射光谱 入射脉冲入射脉冲A0 t 出射脉冲出射脉冲As t 样样 品品 s 0 A t A t R 复介电常数复介电常数 复电导率复电导率 吸收系数吸收系数 折射率 折射率n THz时间分辨光谱时间分辨光谱 样样 品品 探测脉冲 泵浦脉冲 20020406080100 0 05 0 00 0 05 0 10 0 15 0 20 OD Time delay ps 可变延迟 飞秒时间分辨 的动力学过程 测量脉冲测量脉冲 观察观察激发态弛豫过程中激发态弛豫过程中 系统特 系统特 定参量和性质的变化定参量和性质的变化 激发脉冲激发脉冲 把体系把体系制备制备到特定的状态到特定的状态 0 t f t tA 典型问题典型问题 凝聚态体系中各种元激发的弛豫动力学 凝聚态体系中各种元激发的弛豫动力学 原子原子 分子分子 体系的激发态演变过程和机理体系的激发态演变过程和机理 大分子大分子 特别是生物分子特别是生物分子 中的能量中的能量 和电荷转移过程和电荷转移过程 以及光诱导的构型以及光诱导的构型 构象变化构象变化 分子反应等分子反应等 THz辐射在物理学中的应用辐射在物理学中的应用 物理基础 物理基础 凝聚态物质中的电荷 晶格振动 凝聚态物质中的电荷 晶格振动 Plasmon Polariton 等准粒子在等准粒子在THz波段有非常灵敏的响应 波段有非常灵敏的响应 分子的振动 转动频率很多位于分子的振动 转动频率很多位于THz波段 波段 可以实现飞秒时间分辨的动力学分析 可以实现飞秒时间分辨的动力学分析 直接测量样品的复介电常数 直接测量样品的复介电常数 麦克斯韦方程麦克斯韦方程 薛定谔方程薛定谔方程 电磁场行为电磁场行为 E B 本构关系本构关系 m m 物质体系状态物质体系状态 GaAs中中Dressed准粒子的形成准粒子的形成 飞秒脉冲激发后 库仑屏蔽飞秒脉冲激发后 库仑屏蔽 和和Plasmon散射的建立过程散射的建立过程 Y A Vlasov et al Nature 414 289 2001 束缚态 水的束缚态 水的THz吸收光谱吸收光谱 纳米尺寸反向胶束中水的纳米尺寸反向胶束中水的THz吸收光谱吸收光谱 H2O AOT Mittleman et al Phys Rev Lett 87 147401 2001 超导器件中的二维电流场测量超导器件中的二维电流场测量 YBa2Cu3O7 thin film S Shikii et al Appl Phys Lett 74 1317 1999 Picture of chip THz image of chip B B Hu and M C Nuss Optics Letters 20 1716 1995 集成电路的内部结构探测 Time domain terahertz impulse ranging studies R A Cheville and D Grischkowsky Appl Phys Lett Vol 67 14 1960 1995 Fig 1 Experimental setup Fig 2 a Scattered field from 1 200th scale MiG 29 aircraft model b Scattered field from model F 117A stealth fighter THz辐射在生物学中的应用辐射在生物学中的应用 THz辐射应用于生命科学研究的物理基础 辐射应用于生命科学研究的物理基础 生物分子对生物分子对THz辐射的响应主要来自于辐射的响应主要来自于由大分子由大分子 的整体构型和构像决定的集体振动模的整体构型和构像决定的集体振动模 而不是通常光学 而不是通常光学 方法测量的电子结构或与单个化学键相关的振动模方法测量的电子结构或与单个化学键相关的振动模 局局 域模域模 由于蛋白质等生物大分子具有较高刚性的二级 由于蛋白质等生物大分子具有较高刚性的二级 结构和相对柔性的三级结构 结构和相对柔性的三级结构 THz光谱对于研究光谱对于研究生物大生物大 分子的整体结构变化分子的整体结构变化具有独特的优势 具有独特的优势 Information in THz Responses Opportunities in THz Science Report of a DOE NSF NIH Workshop held February 12 14 2004 Arlington VA Structure related response time scale in bio molecules THz EM responses depends on electrical dipole moment and effective mass of the system All trans 9 cis 13 cis M Walther et al Chem Phys Lett 332 389 2000 视紫红质视紫红质Retinal分子的构像分析分子的构像分析 a Benzoic acid b 2 hydroxybenzoic acid c 3 hydroxybenzoic acid d 4 hydroxybenzoic acid 识别结构相近的不同生物大分子识别结构相近的不同生物大分子 M Walther et al Biopolymers Biospectrosopy 67 310 2002 样品 样品 vector pcDNA3 HFE DNA oligos 应用于无标记基因诊断应用于无标记基因诊断 可分辨单个碱基对的改变 可对10 15 mol的样品进行检测 肿瘤组织的肿瘤组织的THz成象成象 我们在我们在THz研究领域的部分工作研究领域的部分工作 THz辐射和凝聚态体系 生物体系的相互辐射和凝聚态体系 生物体系的相互 作用作用 亚波长空间调制结构材料中太赫兹电磁振亚波长空间调制结构材料中太赫兹电磁振 荡的激发和传播 以及在传感测量等领域荡的激发和传播 以及在传感测量等领域 的应用的应用 THz TDS测量系统测量系统 物理所物理所 1 单壁碳纳米管的光感生透明现象单壁碳纳米管的光感生透明现象 123 2 0 2 123 0 10 20 30 Amplitude a u THz Signal a u Frequency THz Time ps Ref Pump Ref Pump 0 51 01 52 02 53 0 0 6 0 8 1 0 1 2 tpump tref Frequency THz X L Xu Li Wang et al Chem Phys Lett 410 298 2005 这种碳管薄膜的介电性质可以由一个二元模型来描述 这种碳管薄膜的介电性质可以由一个二元模型来描述 在光学激发下 电子密度和洛仑兹振子强度的增加和两者对在光学激发下 电子密度和洛仑兹振子强度的增加和两者对 介电函数贡献的反号 导致了所观察到的结果 介电函数贡献的反号 导致了所观察到的结果 060120180240300360 0 4 0 6 0 8 1 0 H G F E D C B Signal nA Degree rad A 0 3 0 6 0 9 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 3 0 6 0 9 Parallel Left 15 o Rotation Right 15 o Rotation sin 2 SR Y 单壁碳纳米管的各向异性响应单壁碳纳米管的各向异性响应 这一现象 可能与纳米碳管薄膜中存在的应力有关 单壁碳纳米管的调制响应单壁碳纳米管的调制响应 Enhancement of the modulation by Pulling 060120180240300360 1 0 0 5 0 0 0 5 1 0 1 5 Normalized Signal a u Degree rad 060120180240300360 0 4 0 0 0 4 0 8 Amplitude a u Angle deg 0 W 0 05 W 0 10 W 0 20 W Enhancement of the modulation by Pumping 这些实验结果 支持纳米碳管薄膜中由texturing产生应力的假设 2 GaAs表面和界面的载流子超快过程研究表面和界面的载流子超快过程研究 利用泵浦 探测方法 研究光学激发下半导体表面 界面 的电子激发 驰豫 和耗尽层中电场的超快过程 01234 4 0 4 8 20020406080100120 3 4 5 6 7 8 Peak Amplitude a u Delay Time ps THz Field a u Time ps T 0 ps T 0 8 ps T 2 5 ps T 4 0 ps T 7 0 ps T 30 ps T 120 ps SI GaAs在光泵浦下的在光泵浦下的THz辐射增强辐射增强 20 ps 020406080 4 6 8 Peak Amplitude After Pump a u Absorbed Pump Power mW THz辐射信号和泵浦光强的关系辐射信号和泵浦光强的关系 T 120 ps A carrier trapping mechanism by deep levels in SI GaAs is proposed based on which two independent fitting calculations from pump probe time delay and pump power dependence data respectively produce the same trapping time of about 20 ps Shi YL Wang L et al Appl Phys Lett 89 81129 2006 Yulei Shi Li Wang et al Appl Phys Lett 88 161109 2006 对半绝缘对半绝缘GaAs及及Au GaAs 界面在近红外激发下的载界面在近红外激发下的载 流子动力学过程开展了泵流子动力学过程开展了泵 浦浦 探测实验研究 阐明了探测实验研究 阐明了 界面电场快速重新分布对界面电场快速重新分布对 THz辐射过程产生的影响 辐射过程产生的影响 GaAs Au界面的超快电场反转界面的超快电场反转 3 3 一种一种THz近场测量设计近场测量设计 阿贝衍射理论阿贝衍射理论决定的分辨率极限决定的分辨率极限 瑞利判据瑞利判据 0 61 sin n 成像光源波长成像光源波长 n 成像介质折射率成像介质折射率 显微物镜的半孔径角显微物镜的半孔径角 min 2 THz辐射的典型波长 辐射的典型波长 1 THz 300 m mm 基于标量衍射理论的分析基于标量衍射理论的分析 yxyxyxyx dkdkykxkizkkikkkEzyxE 2exp 1exp 0 222 把成像面把成像面 z 0 发出的电磁波用平面波展开 发出的电磁波用平面波展开 1 222 yx kk 远场辐射远场辐射 不包含亚波长细节不包含亚波长细节 1 222 yx kk 局域隐失波场局域隐失波场 反映精细结构反映精细结构 样品的亚波长结构信息 只存在于隐失波场样品的亚波长结构信息 只存在于隐失波场中 中 倏逝波和传播场的比例取决于成像物中亚波长倏逝波和传播场的比例取决于成像物中亚波长 细节的多少 细节的多少 现有现有SNOM系统的各种工作模式系统的各种工作模式 AFM 探针 abcd efg h ijkl AFM 探针 m AFM 探针 n 基本特点 基本特点 利用小孔或针尖利用小孔或针尖 确定测量区域确定测量区域 并决定分辨率 并决定分辨率 实际的测量点在实际的测量点在 远场区域 远场区域 Low Throughput 空间分辨率和测量空间分辨率和测量 灵敏度不可兼得 灵敏度不可兼得 一种近场测量结构一种近场测量结构 1 区域区域 III 的介电性质如何影响区域的介电性质如何影响区域 I 的电场 的电场 2 确定区域确定区域 I 中的电场空间分布 中的电场空间分布 3 对于激光焦点处的偶极振子对于激光焦点处的偶极振子P 解电场的边值问题 解电场的边值问题 e s g THz辐射的近场区辐射的近场区 I II III THz电场测量区域电场测量区域 以以THz频率振荡的极化频率振荡的极化 泵浦光泵浦光 探测光探测光 近场信号的光谱分布和空间测量分辨率近场信号的光谱分布和空间测量分辨率 近场区 123 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 Amplititude a u Time ps far field near field 0 00 51 01 52 02 53 03 5 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 A normalized frequency THz far field near field a b 0 3 0 2 0 10 00 10 20 3 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 1 1 THz Indensity a u a horizontal distance mm f 40mm f 10mm 0 2 0 10 00 10 2 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 1 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 1 1 THz Indensity a u b vertical distance mm f 40mm f 10mm 近场测量区域的电场分布模拟计算近场测量区域的电场分布模拟计算 测量层中的场分布和测量层中的场分布和THz辐射源尺寸的关系辐射源尺寸的关系 所得到的结果还包括 所得到的结果还包括 THz电场分布对样品材料介电性质变化的敏感度电场分布对样品材料介电性质变化的敏感度 以及样品厚度对场分布的影响以及样品厚度对场分布的影响 以及如何设置器件参数以避免测量结以及如何设置器件参数以避免测量结 果的非唯一性问题等果的非唯一性问题等 还解释了在通常的还解释了在通常的THz时域光谱测量中时域光谱测量中 信号源信号源 尺寸与尺寸与THz辐射场强度之间的关系辐射场强度之间的关系 测量电场和样品层参数的关系测量电场和样品层参数的关系 随样品层厚度随样品层厚度 左左 和样品介电常数的关系和样品介电常数的关系 右右 总电场存在的振荡 可以通过行波电光取样测量加以总电场存在的振荡 可以通过行波电光取样测量加以 消除 消除 Wei Yan Li Wang et al Phys Rev B75 085323 2007 单个微小物体产生的场分布单个微小物体产生的场分布 和 和 甘氨酸的 甘氨酸的THz吸收光谱吸收光谱 左左 和和Raman光谱光谱 右右 我们利用我们利用THz时域光谱技术研究了氨基酸在不同晶相下的时域光谱技术研究了氨基酸在不同晶相下的THz吸收特吸收特 征征 发现很小的分子结构差别可以导致非常不同的光谱响应发现很小的分子结构差别可以导致非常不同的光谱响应 对不对不 同构象甘氨酸的同构象甘氨酸的THz吸收谱和喇曼光谱分析进一步证明吸收谱和喇曼光谱分析进一步证明 这些观察到这些观察到 的低频集体振动模并非源自分子内部的低频集体振动模并非源自分子内部 而主要来自分子间的氢键相而主要来自分子间的氢键相 互作用互作用 Yulei Shi and Li Wang J Phys D 38 3741 2005 4 4 不同晶相氨基酸的不同晶相氨基酸的THz频率响应频率响应 0 51 01 52 02 53 0 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 Y Axis Title X Axis Title disposed cp43 disposed cp47 disposed ps2 ref 0 20 40 60 81 01 21 41 61 82 02 22 42 6 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 Absorbance A U Frequency THz Denatured CP43 Denatured CP47 Denatured PSII PS II CP43和和CP47的的THz电场透射振幅和透过率谱分布 电场透射振幅和透过率谱分布 对光合作用系统中对光合作用系统中CP43 CP47蛋白和蛋白和PSII颗粒在蛋白变性剂盐酸胍作用下颗粒在蛋白变性剂盐酸胍作用下 以以 及不同温度和光照作用下的结构变化进行了研究及不同温度和光照作用下的结构变化进行了研究 所得到的结果表明所得到的结果表明 利用利用THz 时域光谱分析方法时域光谱分析方法 可以非常明确地得到蛋白的构像变化信息可以非常明确地得到蛋白的构像变化信息 甚至某些更一般甚至某些更一般 的结构信息的结构信息 如蛋白在其生理组织中的相对位置等如蛋白在其生理组织中的相对位置等 5 光合蛋白的结构变化探测光合蛋白的结构变化探测 THz 2 Hua Chen L Wang et al J Appl Phys 102 074701 2007 Biochim Biophys Acta 1774 1614 2007 6 抗癌药物与抗癌药物与DNA的动态反应监测的动态反应监测 X J Wu Y W E X L Xu L Wang Appl Phys Lett 101 033704 2012 7 乳糖颗粒水合过程的太赫兹响应乳糖颗粒水合过程的太赫兹响应 乳糖颗粒吸收水份前乳糖颗粒吸收水份前 红红 后后 蓝蓝 青青 的太赫兹透射时的太赫兹透射时 域波形域波形 透射信号在样品吸收水份的初期明显增强透射信号在样品吸收水份的初期明显增强 当水含量高于当水含量高于4 以后才单调减小以后才单调减小 样品表面形成水合层前后的太赫兹电场振幅透过率样品表面形成水合层前后的太赫兹电场振幅透过率 根据实验数据提取的根据实验数据提取的 表观表观 折射率和吸收系数在样折射率和吸收系数在样 品吸收了少量水份以后品吸收了少量水份以后 均比未吸水时减小均比未吸水时减小 颗粒直径 d 50mm 1 THz 300 mm 已有的各种等效介质模型不能解释所观察到的水合层导致的透射增强已有的各种等效介质模型不能解释所观察到的水合层导致的透射增强 单粒子的单粒子的Mie散射计算也不能给出所观察到的结果散射计算也不能给出所观察到的结果 可能的机制 亚波长随机颗粒体系的近场耦合效应可能的机制 亚波长随机颗粒体系的近场耦合效应 类似于多重散射的过程类似于多重散射的过程 8 8 亚亚 单分子层生物分子的探测单分子层生物分子的探测 硫醇硫醇 Biotin吸附到吸附到SRR金属表面以后 可以选择性地金属表面以后 可以选择性地 吸附其它分子 这里的目标分子是琼脂醣吸附其它分子 这里的目标分子是琼脂醣 SA 上左 上左 图是图是SA吸附前后的吸附前后的SRR电镜照片 上右图为电镜照片 上右图为SA吸附吸附 前后的太赫兹透射谱 以及差分谱 右图为前后的太赫兹透射谱 以及差分谱 右图为SA不同吸不同吸 附量下的两个共振频率的移动 附量下的两个共振频率的移动 Xiaojun Wu et al Biosensors and Bioelectronics 42 626 631 2013 亚波长空间调制结构材料中亚波长空间调制结构材料中 表面等离子体波表面等离子体波 SPP 的激发和传播的激发和传播 基本问题 基本问题 在具有亚波长空间结构的材料中 表面积在具有亚波长空间结构的材料中 表面积 体积体积 比巨大 表面波的作用占支配地位 通常的标比巨大 表面波的作用占支配地位 通常的标 量场理论基本失效 而矢量量场理论基本失效 而矢量Maxwell方程的精方程的精 确求解存在一定困难 确求解存在一定困难 现状 现状 丰富的实验观察丰富的实验观察 vs 有限深度的物理理解有限深度的物理理解 0 00 51 01 52 0 0 5 1 0 Frequency THz Transmission a u 0 30 60 90 1 SRR阵列在阵列在THz频率的透射特性频率的透射特性 这种所谓的劈裂共振环 SRR 是组成一种 左手材料 的基本 单元 这种阵列的光谱响应可以归结为等效的磁共振和电共 振机制 用等效介电常数和磁导率的双各向异性模型描述 SRR的电镜照片 左 和THz透射谱的计算结果 右 实验测量结果实验测量结果 0120240360 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 51 01 52 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 Transmission a u Amplitude a u Angle deg a b Frequency THz 0 30 60 90 Xin long Xu Li Wang et al J Opt Soc Am B23 1174 2006 BG Quan L Wang et al Appl Phys Lett 89 41101 2006 纳米厚度液体膜的调制效应纳米厚度液体膜的调制效应 0 51 01 52 02 5 0 2 0 4 0 6 0 8 Transmission Frequency THz SRR w water w ethanol w CHCl3 0 51 01 52 02 5 0 5 1 0 1 5 2 0 Transmission Ratio Frequency THz w water w ethanol w CHCl3 12 012 513 013 5 0 0 0 5 1 0 Im Re SRR w water w ethanol w CHCl3 Yimin Sun Li Wang et al Appl Phys Lett 92 221101 2008 在硅基底加上一层在硅基底加上一层50纳米厚度的液体膜纳米厚度的液体膜 水 水 乙醇 氯仿乙醇 氯仿 以后 产生的巨大的调制效应 以后 产生的巨大的调制效应 说明这种由表面波决定其太赫兹响应的器件 说明这种由表面波决定其太赫兹响应的器件 有可能应用于高灵敏度探测 有可能应用于高灵敏度探测 2 金属小球阵列对金属小球阵列对THz波的响应波的响应 体系的基本特点 小球的尺寸和间隔均小于入射体系的基本特点 小球的尺寸和间隔均小于入射THz场的场的 波长 这时 小球之间通过近场耦合形成稳态的相干极化 波长 这时 小球之间通过近场耦合形成稳态的相干极化 其二次辐射场使空间电场重新分布 导致依赖于入射场偏其二次辐射场使空间电场重新分布 导致依赖于入射场偏 振和系统几何结构的光谱响应 振和系统几何结构的光谱响应 THz波的消光谱波的消光谱 偏振依赖性偏振依赖性 利用模式展开的方法 把入射场和散射场用球谐函数展开 根据小球表面处Maxwell方程的边界条件求解 这里的结果表明了小球间的相互作用存在有限的空间范围 THz波的消光谱波的消光谱 几何结构依赖性几何结构依赖性 3 金属小球阵列中金属小球阵列中THz场的传播场的传播 选择激发一个金属小球 研究THz电磁场的空间传播行为 在此类体系中 表面等离子体波的激发 是目前的一种流 行解释 但是 仍有许多问题需要澄清 THz电场沿着小球链的传播电场沿着小球链的传播 在小球阵列的空间倒格矢决定的频率附近 存在共振结 构 以及低损耗的传播模式 共振传播模式的空间电场和小球极化共振传播模式的空间电场和小球极化 4 亚波长金属光栅中的表面波效应 亚波长金属光栅中的表面波效应 Mode expansion method was used for calculations The resulte are also chacked by FDTD 几何尺寸的影响几何尺寸的影响 a Grating period dependence b Fabry Perot like resonances 周边介电环境的作用周边介电环境的作用 1 空隙处和空隙处和 2 出射面介电性质的影响 出射面介电性质的影响 类类Fabry Perot效应 修正的效应 修正的SPP共振共振 58 5 Surface plasmon resonator Upper Excitation of surface plasmon with a prism coulper Right Reflectivity as a function of incidence angle in the opti cal wavelength 800 nm and terahertz frequency 1 THz frequency A very sharp resonant peak in a well defined angle related to t he refraction index n d is expected for THz operation rather than a dip in the optical fre quency d p n sin n 59 Robust resonant angle Reflectivity as a function of incidence angle with different metals at terahertz frequency np 3 0 nd 2 0 metal film thickness q 15 nm Reflectivity as a function of incidence angle with different metal film thicknesses at terahertz frequency np 3 0 chromium film nd 2 0 The resonant reflection angle is independent to the metal film kind and the thickness 60 Sensitivity of index measurement Left Reflectivity as a function of incident angle with samples of different refractive indices at terahertz frequency np 3 0 chromium film q 12 nm Right Refractive index of the samples as a function of the peak angle 6 6 亚波长金属丝阵列近场波的激发和传播亚波长金属丝阵列近场波的激发和传播 观察到两个低传输损耗的观察到两个低传输损耗的 频率和金属丝空间排列周期关联频率和金属丝空间排列周期关联 的的 表面等离激元表面等离激元 模式模式 这两个模式的传播损耗分别为这两个模式的传播损耗分别为 0 16 dB wire and 0 71 dB wire Hui Feng Li Wang Terahertz Science Li Wang THz Bio 2011 Seoul Jan 19 20 Data acquisited at different angles 024681012 1 0 1 2 3 4 5 6 i 700 i 600 i 500 i 400 Amplitude a u Time Delay ps i 300 a 0 00 51 01 52 02 53 0 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 Amplitude a u Frequency THz i 300 i