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1、十字形结构在太赫兹波段的无偏窄带滤波特性研究* 国家自然科学基金（批准号： ）通讯联系人E-mail: guozhong-魏波 赵国忠 刘立明 张盛博 张杲辉（太赫兹光电子学教育部重点实验室，北京市太赫兹波谱与成像重点实验室，首都师范大学物理系,北京，100048）摘要：本文从数值模拟和实验两方面对十字形阵列结构进行了研究，证实了该结构在太赫兹波段具有窄带无偏带阻滤波特性.研究表明：当十字形结构尺度一定时，能通过大多数频率段的太赫兹光，但将某些范围的频率衰减到极低，且随着偏振角度的改变时透射凹陷所在的频率位置几乎不发生改变，证明该结构在太赫兹波段是一种很好的透射式无偏器件，理论模拟和实验得到了
2、很好的吻合.理论模拟的计算是基于有限元方法，给出了结构内部的透射机理.这对太赫兹波段亚波长光学滤波器件的研究具有很好的理论指导意义。关键词：太赫兹光，透射特性，十字形阵列结构PACS: 95.85.Fm, 81.05.Bx, 87.50.U_ ,76.70.Hb 1.引 言太赫兹（THz）波是指频率在0.110THz（波长为30um3mm）范围内的电磁波它在长波段与亚毫米波相重合，短波段与红外线相重合，在电磁波频谱中占有很特殊的位置，使得THz波具有很多优越的特性，如穿透能力、识别物质的能力及成像能力等这些特性使得THz波具有非常重要的学术和应用价值，它已经受到人们的广泛关注1-3太赫兹波还是
3、一种大容量、高保密的带宽信息载体，具有非常独特的透射性质，我们可以通过分析材料的透射光谱来获得它的物理性质以及组成成分等同时随着光通信领域的发展，太赫兹波段的光子器件向小型化的趋势发展，亚波长阵列结构已经引起了大家的关注4,5，6，如滤波器7，8、偏振器9,10和偏振补偿器11等本文主要研究亚波长十字形阵列结构的透射特性，并根据理论计算值加工样品，然后利用太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）测量，从理论和实验两方面分析该现象。2.样品结构及制备本文首先通过理论模拟计算选取了两组具有较窄带宽的十字形结构，分别为1号：L=l20um、W=5um、G=10um、T=130um；2号：L=l20um、
4、W=5um、G=80um、T=200um然后用L-edit软件画出设计好的样品图形，在中国科学院电工研究所微纳加工技术研究部制备模板，最后在中国科学院半导体研究所进行光刻，光刻是利用光刻胶的感光性和耐腐蚀性，在材料上复印并刻蚀出与光刻模版完全对应的几何图形，最后通过金属化、剥离及刻蚀去胶工艺将所要的图形转移到衬底上.我们的样品是以厚度约为1mm的高阻硅作为衬底，然后在上面镀有200nm厚的十字形金膜.样品的尺度是一个50um50um的阵列,其单元包的周期为200um，如图1（b）为所示，灰黑色部分表示硅，金色部分表示在Si衬底上镀的十字形金膜，T为十字形金属网格的周期，L为十字形的长度，W为线
5、宽，十字形间的缝隙为G图1（a）为THz波沿Z方向垂直入射到样品的三维示意图，图1（b）为十字形阵列结构的样品示意图3.实验测量及理论模拟分析本文所作的三维模拟是采用笛卡尔坐标系，如上图1（a）所示，THz波沿Z方向垂直入射到十字形表面，其偏振方向为水平偏振即沿X方向.模拟时采用周期边界条件，即样品在xy平面内为无限延伸的周期结构,理论接近实际，然后利用有限元方法进行模拟，它能通过大多数频率分量、但将某些范围的频率分量衰减到极低水平，具有带阻滤波器的特性，与带通滤波器的概念相对.在太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）中进行测量时，为了减小水蒸汽对太赫兹波吸收的影响，用氮气充满整个装置所在的箱子
6、，使相对湿度保持在3.6%的动态平衡，温度为293.8K左右的实验环境下，然后使THz光垂直照射到被测样品上，THz光斑大约覆盖100个十字形结构单元包当THz光透过样品时便会携带样品的光学信息，通过电光取样相干探测，即可获得样品的透射信息下图为两种不同尺度十字形阵列结构在不同偏振角度下的透射谱，太赫兹偏振方向与该结构一边从0到90每隔10旋转一次，其结果如下图所示：图2为1号样品在不同偏振角度下的透射谱（a）为模拟所得的透射谱，（b）为实验所得的透射谱图3为2号样品在不同偏振角度下的透射谱（a）模拟所得的透射谱，（b）实验所得的透射谱从图2、图3中可以清楚地看到当结构尺寸一定时，实验与模拟都
7、显示不同偏振角度下的透射谱，能通过大多数频率分量、但将某些范围的频率分量衰减到极低，且随着偏振角度从0到90依次改变时，其透射凹陷所在的位置不发生变化，理论计算对实验有很好的预期.从实验测得的图2（b）、图3（b），可以看到1号样品的透射凹陷位置均在0.463THz处，2号样品的透射凹陷位置在0.439THz处，透射凹陷的位置并不随着偏振角度的改变而发生改变，说明十字形结构在太赫兹波段具有很好的无偏带阻特性.模拟与实验测得的透射凹陷位置不一致，主要是由于模拟样品是在真空中进行的，而实验样品是附予高阻硅基底上测的，导致透射凹陷所在的位置发生偏移，但并不影响我们的研究.下图给出1号、2号样品的带宽
8、：图4为透射谱图和相位 (a),(b)分别为1号、2号样品的透射谱图，(c),(d)为1号、2号样品相应的相位图透射谱的带宽用半极大全宽表示，即透射谱分布曲线上的两个最大强度点之间的频率宽度，如图4（a）可以得到1号样品透射谱的半极大全宽约为0.097THz,图4(b)得到2号样品半极大全宽约为0.03THz,说明不同的尺度可以得到不同带宽的透射谱，十字形结构在太赫兹波段可以起到很好的窄带无偏滤波特性.图4(c)、图4(d)为相应透射谱对应的相位图，图4(c)得到1号样品的相位改变约为1.12rad，图4(d) 得到2号样品的相位改变约为0.72rad，不同透射谱同样显示他们的相位调制也不同，
9、理论符合实际4.分析该现象的内部机理根据微波和红外频段的带隙特性研究所得的一系列研究结果如文献12-14，表明在共振频率处，电磁场会在金属结构线上激发出瞬态电流，此时电流振幅达到最大我们知道特定的结构都有其固有频率，当入射电磁波的频率接近此固有频率时，就会引起共振，这时与入射波相对应的电流位相就会发生的跃变，便会引起谐振此时对应的频率即为共振频率图5（a）、(b)为1号样品在1.15THz处交替变换的电场分布图，从图5我们得到平行于y轴方向的矩形条末端电场很强，电场方向相反；靠近中心部分电场较弱，几乎可以忽略，平行于x轴方向的矩形条电场同样很弱。这是透射谱中透过率最低的频率处所对应的电场分布图
10、。图5 为1号样品在1.15THz处交替变换的电场分布图图6 为1号样品在2.0THz处交替变换的电场分布图图6（a）、(b)为1号样品在2.0THz处交替变换的电场分布图，这是透射谱中透过率最高的频率处所对应的电场分布图。从图6我们得到与图5完全不同，平行于y轴方向矩形条、平行于x轴方向的矩形条，末端电场都很强且强弱相同、方向相同；十字形结构的中心部分也存在电场，且变化相同.图5、图6直观的给出了亚波长十字形阵列结构在THz透射谱中，选择性的阻止不同频率THz波的内部电场分布图，这对我们分析亚波长结构的滤波机理具有很大的指导意义。在频率为1.15THz的THz光照射到金属线上，相当于电磁场作
11、用在金属线上，如图5所示，只在垂直于电场方向的矩形金属线上激发出瞬态电流，这主要是由于入射电场相当于TE偏振模式，平行于该偏振模式（如x轴方向的矩形金属线）几乎不会引起电子运动的共振，导致电场强度很弱，相应在该频率处的透过率很低；在2.0THz处，如图6所示，在垂直于电场方向、平行于电场方向的矩形金属线中均有电子运动，这很好地解释了该结构在该频率处透过率最大，这说明了亚波长阵列结构的透射增强是由入射光的频率与金属薄膜前后表面激发的表面等离子体的共振耦合共同决定。在频率2.0THz的入射电磁波接近这种特定尺度的固有频率，这时便会便会引起谐振，使电场分布在整个十字形结构中，导致该频率处的THz透过
12、率很高.理论模拟为我们很好地理解透射特性提供了依据.5.总 结本文通过数值模拟和实验两方面，研究了十字形阵列结构的太赫兹透射光谱特性.当十字形阵列结构的尺度一定时，随着偏振角度的改变，透射凹陷所在的频率位置几乎不发生改变，文中给出了透射谱的相位调制图，有组于我们更好的理解透射谱的机理.在研究过程中理论模拟为实验提供了很好的指导价值，我们给出了透射凹陷所在频率1.15THz处及最大透过率2.0THz的电场分布图很好的说明了，入射光的频率与金属薄膜前后表面激发的表面等离子体的共振耦合共同决定了该结构在不同偏振角度下透过率的大小.理论模拟和实验得到了很好的吻合，这为太赫兹波段亚波长光学滤波器件的进一
13、步研究提供很好的理论指导意义. 参考文献1C.A. Schmuttenmaer 2004 Chemical Reviews 104 1779 2 Huang S.Y., Ashworth P.C., Kan K.W.C. et al. 2009 Optics Express 17 38543 Chen H.T., Padilla W.J., Zide J.M.O.2006 Nature 444 600 4 Meng T H, Zhang G Z, Zhang C L 2008 Acta Phys. Sin. 57 3852 (in Chinese) 孟田华、赵国忠、张存林 2008 物理学报 57 38525Wang Y Y, Zhang C H, Ma J L,Jin B B,Xu W W,Kang L,Chen J,Wu P H 2009 Acta Phys. Sin. 58 6888 (in Chinese) 王媛媛、张彩虹、马金龙、金飙兵、许伟伟、康琳、陈健、吴培亨 2009 物理学报 58 68886Li L, Zhou Q L, Zhang C L ,Zhao D M,Shi Y L 2011 Acta Phys. Sin. 60 019503-4 (in Chinese) 李磊、周庆莉、张存林、赵冬梅、施宇蕾 2011 物理学报 60 019503-4
