华中科技大学 硕士学位论文 基于表面电磁波激发的表面光栅热辐射技术研究 姓名：于克东 申请学位级别：硕士 专业：物理电子学 指导教师：赖建军 20070525 I 摘 要 表面电磁波( Surface Electromagnetic Wave)是电磁波与固体表面的集体振荡波如晶 格振动波或自由电子振荡波的耦合激发， 对应的场量子称为表面声子极化激元 （Surface Phonon Polariton）或表面等离极化激元（Surface Plasmon Polariton） 基于表面等离极 化激元的表面等离子体共振（SPR）技术已经在生物、化学等领域大放异彩，SPR 传感 器成为实验研究的重要科学仪器近年来由于近场光学的发展和微纳制造技术的进步， 表面电磁波在微纳光学器件中的应用也日益受到重视，并取得了一些令人瞩目的成果 如突破光学衍射极限的金属表面电磁波波导器件、基于表面电磁波的反常透射光学元 件等更令人瞩目的是在红外波段表面声子极化激元对红外发射调制可以获得相干热 辐射源，这种新型红外发射源在红外气体传感、频谱检测、红外加密及红外隐身等领 域都有重要的用途 本文以表面声子极化激元为研究重点，设计和制作了表面光栅调制的红外热辐射 器件。
对支持表面波的极性材料 SiC、SiO2和 Au 表面光栅的制作工艺进行了详细的研 究，并通过反射谱的测量证实了表面电磁波的存在开展的主要工作和取得的主要结 果有： （1）分析表面电磁波及其与棱镜、表面光栅耦合的理论，通过 Matlab 编程模拟 表面电磁波和光波的色散关系曲线图，得出表面电磁波和光波的共振耦合波长，用此 指导后面表面光栅图形的设计 （2）设计了一维及二维表面光栅结构，并制作了 SiC、SiO2二维表面光栅提出 了一种使用双层掩膜刻蚀 SiC 的方法，对磁增强反应离子刻蚀（MERIE）SiC 的工艺 进行了详细研究，得到了刻蚀的优化参数，为 SiC 热辐射器件的制作打下基础 （3）为减小测试时的噪声干扰，设计并制作了微加热器用于和热辐射单元集成 同时用 Ansys 有限元分析软件对微加热器的温度分布场进行了模拟分析，结果表明此 微加热器满足红外热辐射系统的测试要求 （4）研究了红外反射谱和发射谱的测试方案，并对各种测试方案进行了可行性分 析和实验研究利用傅立叶红外光谱仪（FTIR）和红外显微系统测试了 SiC 表面光栅 II 和 SiO2表面光栅的红外反射谱，证明了表面声子波的存在。
提出了两种测试发射谱的 方案，并进行了初步调试验证，但限于条件没有得到红外发射谱的测试数据 关键词：关键词：表面电磁波 表面声子极化激元 红外热辐射 表面光栅 微加热 III Abstract Surface Electromagnetic Wave (SEW) is a coupling wave field between the electromagnetic wave and the collective vibration wave such as lattice vibration wave or electron gas wave on surface of some solid state materials. Their corresponding coupling-field quantum are surface phonon polariton or surface plasmon polariton, Surface plasmon resonance (SPR) technology, which is based on the surface plasmon polariton excitation, is successfully applied in the Biology, Chemistry and other fields and the SPR sensors became the important scientific instrument in the experimental research. In recent years, because of the advances in the field of near-field optics and micro-nano manufacturing technology, surface electromagnetic wave have gained growing attentions and achieved some remarkable fruits in micro-nano optics. Recent developments show that based on surface electromagnetic wave excitation, infrared heat radiation source with specific surface grating can achieve highly coherent emission and behavior like antennas. This new source of the infrared emission has important applications in the areas of the infrared gas sensing, frequency spectrum detection, infrared encryption, space stealth and so on. In this paper, we researched the design and the fabrication of the SEW thermal radiation modulate devices, which are mainly based on surface phonon polariton excited by the surface grating coupling. We also researched the detailed fabrication processing of SiC and SiO2 gratings, and experimental measurement methods. The main works and the obtained results are as follows: (1) Analyze the theory of surface electromagnetic wave coupling with prism and grating. We got the dispersion relation of SEW coupling with SiC grating and obtain the coupling resonance wavelength of SEW, which guided the subsequent design work. (2) Design and fabricate several kinds of one-and two-dimensional grating structure on SiC substrate as well as on silicon substrate with SiO2 film. A bi-layer mask process is IV proposed and the technique of magnetic enhanced reactive ion etching (MERIE) of SiC was studied to determine the optimal processing parameters. (3) Design and fabricate micro-heating system for thermal radiation devices measurement. Finite Element Analysis (FEA) of the temperature field for the micro-heating devices is achieved and the results show that the devices can meet the demand of thermal radiation devices measurement. (4) Design a variety of testing schemes, whose feasibility analysis and experimental research were executed. We tested SiC and SiO2 infrared reflectance spectrum by the use of Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR) which proved the existence of surface phonon on SiC. Keywords: Surface electromagnetic wave (SEW), Surface phonon polariton, Infrared thermal radiation, Surface grating, Micro-heater. 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。
尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体，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： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密□， 在 年解密后适用本授权书 不保密□ （请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 本论文属于 1 1 绪 论 1.1 表面电磁波的概念 表面电磁波(SEW, Surface Electromagnetic Wave)是指在两个介质分界面传播的电 磁波，并且在偏离分界面时，其振幅呈指数衰减，有时，它们也被称作表面极化声子。
早在 1909 年 Sommerfeld 预言了表面波的存在[1]，他们在各种情况下出现，在地球 表面的地震波就是一例声学领域对于表面波的研究己得到广泛的发展和完善近几 十年在光学领域对表面波的研究也得到逐步发展，并拓展到非线性光学领域利用表 面等离子体波（表面电磁波的一种）和光波的共振耦合已经在生化分析领域得到了广 泛的应用近些年利用表面声子波和表面光栅的耦合作用在红外辐射领域抛起热潮 表面电磁波产生并且传播于两个介质的“分界面处” ，一般情况下，它的产生和传 播需要一个必要条件，那就是形成表面电磁波的两个介质之一必须有负介电常数[2][3] 对于此条件的必要性，文中下一章节有解释 通常，表面电磁波使人联想到定域在表面或局限于表面附近区域的能量的流动， 所以表面电磁波可以汇聚比较高的能量，这种认识对于表面声波或特定。