金属亚波长结构的制备与太赫兹波传播特性的分析

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1、卜海人学硕十学位论文宽带通讯、高速光电子器件、材料表征、生物：芯片、医学诊断等b蚓，由此带动的交叉研究将会有力地推动和促进这些相关学科的进一步发展。与其他波段的电磁波相比，太赫兹波具有以下重要特征：(1)瞬态性THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地对各种材料(包括液体、半导体、超导体、生物样品等)进行时间分辨的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰。目前，其辐射强度测量的信噪比可以大于1010阳1，远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且稳定性更好。(2)宽带性THz脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲

2、的频带可覆盖从GHz到几十THz的范围，有利于在大的范围里分析物质的光谱性质。由于太赫兹波的频带宽，是微波的1000倍，有望利用太赫兹波进行无线电通信，使无线移动高速信息网络成为现实。(3)相干性由相干电流驱动的偶极予振荡产生或由相干的光脉冲通过非线性光学差频产生的THz波具有的时问、空间相干性，THz波的相干测量技术能够直接测量电场振幅和相位，无需使用Kramers．Krong色散关系就可以得到介电常数的实部和虚部信息，能够精确获得样品折射率和吸收系数n叫等。这一特点在研究材料的瞬态相干动力学问题时具有极大的优势。(4)低能性THz光子

3、有较低的能量(4meV／lTHz，比X射线的光子弱近百倍)，不会在生物组织中引起光损伤及光致电离⋯1。适合于对生物组织进行活体检查。(5)THz辐射具有很好的穿透性n刳。它能以很小的衰减穿透物质如烟尘、墙壁、碳板、布料及陶瓷等，在环境控制与国家安全方面能有效发挥作用。(6)“指纹”征性。大多数分子均有相应的THz波段的“指纹”特征谱，特别是许多有机分子在THz波段呈现出强烈的吸收和色散特性，这是与分子的振动和转动能级有关的偶极跃迁相联系的。分子的偶极跃迁犹如人的指纹是千差万别的，研究材料在这一波段的光谱对于揭示物质的结构及性质有重要意义。

4、2卜．海人学硕士学位论文(7)凝聚念体系的声子吸收很多位于THz波段n引，自由电子对THz波也有很强的吸收和散射，THz技术必将成为一个很好的研究凝聚态材料中物理过程的工具。(8)另外，它还有对黑体辐射或热背景小敏感的优点。上述这些特点决定了THz技术在很多基础研究领域、工业应用领域、医学领域、军事领域及生物领域中有重要的应用前景。1．2亚波长微结构透射增强现象的研究现状在光学元器件的制作方面，除了衍射引起的光斑尺寸随着传播距离的增加而迅速增长以外，光的透射效率也是一个重要的问题(即要求孔要小、光要强)。就一般的情况而言，当器件孔径远大于

5、光的波长时，光透射率可以通过夫琅和费衍射理论计算得到，光斑是Airy斑且透射效率近似于1【l41。但是当器件的尺寸接近或小于光的波长时这种情况比较复杂，Bethe理论的计算【”1表明其透射率为：弘(64,,r2／27)㈡㈢1)其中，a为小孔的直径，五为入射波的波长。可见，透射率与a／A的四次方成正比；当a／2,<1时，透射率将趋于零。不仅如此，当薄膜的厚度为有限厚时，透射率还将进一步随着厚度的增加而呈指数规律衰减n引。如此低的透射效率为可能的实际应用设置了巨大的障碍。然而，Ebbesen等人测量金属亚波长孔阵时发现测量的结果与Bethe理

6、论比较要大一到两个量级n别。该现象引起很多人的兴趣：一、增强透射效应可以使亚波长光源变为现实。二、透射率异常高的实验报道是对传统理论直接而有力的挑战。由于增强效应的存在使得人们看到亚波长金属薄膜微结构存在很多潜在的应用价值。例如利用透射增强的现象和波长存在依赖关系可制作新型的滤波器件、增透器件等n"；周期性孔结构或线栅对透射的偏振有影响，因此又为新型偏振器件的制作提供了可能n引；而且进一步的研究发现这种透射效应还可能在半导体集成电路的光刻工艺、非线性光学等方面获得应用。值得一提的是，人3卜海人学硕士学位论文们已经通过透射增强效应发明了一种

7、光子学微结构：金属薄膜的中心是一个Ⅱ波长的小孔，而周罔则是一系列同一t7圆环¨⋯。这种结构既能增强光的透射又能有效地抑制出射光的衍射效应。这就意味着通过增强透射效应的研究，可能解决一直困扰光学进一步应用的巨大问题——小尺寸器件中光的衍射问题。；为了进一步使得透射增强的效应得到更为广泛的应用，科研工作者开始以极大的热情研究其理论米源。首先由实验现象可以看出Bethe理论存在一定的缺陷——不适用于金属亚波长微结构透射。在1998发现透射增强的文章中，作者Ebbesen等人认为入射光照射到金属表面时，⋯于亚波长小孔的散射以及波的干涉效应，衍射波

8、得以有效地产生。其巾一部分可以传播并离开表而，而余下的则为消逝波，束缚于界面附近。当Rayleigh异常㈣发牛时，某一阶衍射波刚好与金属表面相切【2¨，从而导致透射极小。此时，正入射有G。=2