羅從文,趙振宇,宋志強(qiáng),趙紅衛(wèi),何曉勇,石旺舟,陳之戰(zhàn)

(1.上海師范大學(xué)物理系,上海200234; 2.中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所,上海201800)

柔性C 形開口諧振環(huán)的太赫茲異常透射研究

羅從文1,趙振宇1,宋志強(qiáng)1,趙紅衛(wèi)2,何曉勇1,石旺舟1,陳之戰(zhàn)1

(1.上海師范大學(xué)物理系,上海200234; 2.中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所,上海201800)

利用太赫茲時(shí)域光譜儀測(cè)試系統(tǒng),研究了聚酰亞胺襯底上的C形開口環(huán)周期性結(jié)構(gòu)在太赫茲波段的異常透射特性.結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)入射太赫茲波的電場(chǎng)偏振方向垂直于金屬開口時(shí),變化的電場(chǎng)引起電感-電容(LC)共振,使其透射光譜呈現(xiàn)單峰特性;然而,當(dāng)入射電場(chǎng)偏振方向平行于金屬開口時(shí),其透射光譜呈現(xiàn)出多峰性和周期性.通過對(duì)其電場(chǎng)能量分布和表面電流的分析發(fā)現(xiàn),這種反常透射特性是由法布里-波羅腔效應(yīng)和偶極子共振共同作用產(chǎn)生的.

太赫茲;異常透射;電感-電容共振;法布里-波羅腔效應(yīng);偶極子共振

0 引言

目前,利用亞波長(zhǎng)周期性結(jié)構(gòu)方法制備太赫茲生物傳感器和近紅外探測(cè)器引起了人們的廣泛關(guān)注［1-3］.其中,亞波長(zhǎng)等離子體小孔陣列是一種常用的方法.它可以在金屬薄膜層與介電襯底上形成表面等離子體,從而引起結(jié)構(gòu)的異常透射特性［4-6］;當(dāng)周期性結(jié)構(gòu)的單元尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí),能在其表面形成表面等離子體,包括光學(xué)波段［7-8］、紅外波段［9-10］.然而,以往的研究發(fā)現(xiàn),在太赫茲波段,激發(fā)產(chǎn)生等離子體受制于金屬的介電響應(yīng)特性［11］,金屬介電特性必須滿足-εr/εi＜1.最近研究發(fā)現(xiàn),在亞波長(zhǎng)周期性結(jié)構(gòu)中,同樣可以在太赫茲波段觀測(cè)到表面等離子體［12］.與此同時(shí),另一種引起異常透射的方法是利用開口環(huán)結(jié)構(gòu)［13-14］:當(dāng)電場(chǎng)偏振方向垂直于開口時(shí),開口環(huán)結(jié)構(gòu)能夠在金屬表面引起感應(yīng)環(huán)流,從而引起載流子分布不均,這種共振被稱為L(zhǎng)C共振;當(dāng)電場(chǎng)偏振方向垂直于開口時(shí),同時(shí)會(huì)激發(fā)偶極子共振.在介電特性方面,由于LC共振的存在,材料的介電可以等效為負(fù)值,這一特性可以被應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)電磁波隱形衣.上述兩種方法中,單元結(jié)構(gòu)的尺寸、襯底的介電環(huán)境、金屬的性質(zhì)以及金屬層的厚度等,都影響其電磁響應(yīng)特性.傳統(tǒng)的亞波長(zhǎng)周期性結(jié)構(gòu)都是中心對(duì)稱圖形,比如圓孔、橢圓孔和方形孔等［12］.對(duì)于非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu),其太赫茲響應(yīng)原理更加復(fù)雜;并且,絕大多數(shù)的周期性結(jié)構(gòu)都是建立在相對(duì)介電常數(shù)εr在8-15的半導(dǎo)體襯底上［14］.近些年,柔性襯底因其介電常數(shù)更小(εr＜4)、損耗更低、制備成本更低廉而引起廣泛關(guān)注［15-17］.

在本文工作中,我們通過光刻剝離工藝,在柔性襯底聚酰亞胺上鍍上一層105 nm厚的C形開口環(huán)金屬銅薄膜;利用太赫茲時(shí)域光譜儀測(cè)試了其太赫茲波段的透射特性,并利用有限差分法模擬了這種結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)能量分布和表面電流.

1 實(shí)驗(yàn)

本文實(shí)驗(yàn)中襯底選用杜邦公司型號(hào)為Kap ton@500HN的聚酰亞胺襯底,厚度為125μm.首先,聚酰亞胺襯底在丙酮中超聲清洗30m in,然后經(jīng)過去離子水沖洗;清洗后的襯底通過正膠光刻,在聚酰亞胺襯底上形成一層C形開口環(huán)結(jié)構(gòu);然后,通過熱蒸發(fā)鍍膜,在光刻區(qū)鍍上厚度為105 nm的金屬銅;再經(jīng)過剝離過程,在聚酰亞胺襯底上形成一層C形開口環(huán)金屬銅膜,如圖1(a)所示.C形開口環(huán)結(jié)構(gòu)中單元之間的周期為40μm,在每個(gè)單元中,外環(huán)的半徑為16μm,內(nèi)環(huán)半徑為12μm,環(huán)內(nèi)部與環(huán)外部由金屬開口連接,開口寬度為4μm.金屬開口等同于傳統(tǒng)開口環(huán)中的開口,但在本次實(shí)驗(yàn)中,開口處為金屬,環(huán)為鏤空,如圖1(b)所示.

通過太赫茲時(shí)域光譜儀可以測(cè)試C形開口環(huán)的太赫茲電磁響應(yīng)特性.本文中,太赫茲時(shí)域光譜儀系統(tǒng)的泵浦光源為由鈦寶石激光器(M ai Tai,Spectra Physics),其脈沖寬度為100 fs,中心波長(zhǎng)為800 nm,重復(fù)率為82 MHz.發(fā)射和接收為低溫條件下砷化鎵光電導(dǎo)天線.太赫茲發(fā)射器施加一個(gè)調(diào)制頻率為370 Hz、電壓為70 V的偏壓.激發(fā)產(chǎn)生的太赫茲波經(jīng)過一組鍍金離軸拋物面鏡垂直入射到樣品,在樣品上形成一個(gè)直徑為50.8mm的焦斑,聚焦長(zhǎng)度為12.5 mm.為了研究金屬開口方向與入射太赫茲波電場(chǎng)偏振方向的關(guān)系,本文做了兩組測(cè)試:①垂直偏振.入射太赫茲波電場(chǎng)偏振方向垂直于金屬開口環(huán).②平行偏振.入射太赫茲波電場(chǎng)偏振方向平行于金屬開口.為了避免空氣中氫氣對(duì)太赫茲吸收作用的影響,整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程都是在純氮?dú)猸h(huán)境中完成,太赫茲信號(hào)時(shí)域窗口為25 ps.

圖1 (a)C形開口環(huán)樣品;(b)樣品微觀諧振單元結(jié)構(gòu);(c)諧振環(huán)宇入射電場(chǎng)的偏振關(guān)系Fig.1(a)The image of C-shape SRR;(b)The microscopic image of C-shape SRR unit cells; (c)Schematic diagram of incident THz wave and polarization of C-shape SRR

圖2 C形開口環(huán)的THz響應(yīng)信號(hào)(a)垂直偏振;(b)平行偏振;(c)聚酰亞胺襯底參考信號(hào);(d-f)分別為對(duì)應(yīng)的頻譜信號(hào)Fig.2 The transmitted THz signals of C-shape SRR(a)Perpendicular polarization;(b)Parallel polarization;(c)The reference signal of polyimide substrate;(d-f)The frequency spectra corresponds to the THz signal in time domain, respectively

2 結(jié)果與討論

圖2(a)和圖2(b)為兩種測(cè)試方案中太赫茲波的時(shí)域信號(hào).與聚酰亞胺襯底上的參考波形相比,兩組測(cè)試中,可以明顯地觀測(cè)到,太赫茲時(shí)域信號(hào)在其主振蕩后面都伴有小振蕩;然而,兩組測(cè)試中產(chǎn)生的伴隨振蕩在時(shí)域和振幅上存在差別.圖2(d)和圖2(e)為透射的太赫茲頻域光譜,頻域頻譜的寬度為2.5 THz.不難看出,在透射頻譜中,兩組測(cè)試中第一個(gè)峰都在0.92 THz處.在垂直偏振情況中,第二個(gè)峰的位置出現(xiàn)在1.25 THz;平行偏振情況下,第二個(gè)峰的位置在1.55 THz.由此可以看出,樣品的太赫茲電磁響應(yīng)是與入射電場(chǎng)與開口方向有關(guān)的.但樣品的具體透射特性需要進(jìn)一步計(jì)算獲得,可以根據(jù)公式T=TSam/TRef計(jì)算.

如圖3所示,圖中黑色曲線為實(shí)驗(yàn)測(cè)量值,紅色曲線為數(shù)值模擬值,透射強(qiáng)度采用相對(duì)強(qiáng)度(Arbitary Unit,arb.unit).表1中為兩組樣品的透射共振峰.對(duì)于垂直偏振,測(cè)試所得的透射最大值f0在1.25 THz,而數(shù)值模擬得到的透射最大值在1.12 THz.同時(shí),在 0.92 THz處有一個(gè)邊鋒,從而使得共振峰變成寬帶寬.在平行偏振中,卻出現(xiàn)了呈周期性的多峰性的頻譜特性,峰間周期為0.62 THz.通常,在亞波長(zhǎng)周期性結(jié)構(gòu)中可以觀測(cè)到由表面等離子體引起的多峰現(xiàn)象,且共振峰位滿足公式［18］

其中L代表單元周期,εs代表襯底的介電常數(shù),m和n代表表面等離子體的模式(m,n= 0,±1,±2,···),c為真空中光的速度.從公式(1)中可以看出,在頻域中表面等離子體模式的共振峰位沒有周期性,這與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不匹配.因此,圖3(b)中的多峰性不是由表面等離子體引起的.

表1 樣品透射特性具體數(shù)據(jù)Tab.1 The resonance frequency of I-SRR sample

與此同時(shí),我們注意到,法布里-波羅腔效應(yīng)可以引起周期性多峰特性,峰位位置可以根據(jù)公式［19］

計(jì)算.公式(2)中n代表聚酰亞胺的折射率,l=125μm是聚酰亞胺襯底的厚度,θ是太赫茲波的入射角度,本文中太赫茲波的入射角度為0°.實(shí)驗(yàn)得到的峰與峰之間的周期為0.62 THz,這與公式(2)計(jì)算所得的一致.為了進(jìn)一步驗(yàn)證推測(cè),本文數(shù)值模擬了一邊鍍有銅膜(105 nm)一邊為空氣的聚酰亞胺腔體,聚酰亞胺腔體的長(zhǎng)度與實(shí)驗(yàn)中襯底厚度一致為125μm.模擬結(jié)果在圖3(c)中顯示出.我們很容易從模擬結(jié)果中看到它的透射頻譜中存在3個(gè)微弱的共振最大值,并且峰位位置與圖3(b)中的峰位位置一致.事實(shí)上,這些共振峰在垂直測(cè)試和平行測(cè)試兩種情況中都可以觀測(cè)到,只是在垂直測(cè)試情況中,法布里-波羅腔效應(yīng)的表現(xiàn)沒有平行測(cè)試中的明顯.

在圖3中可以看出,只有在垂直偏振中才觀測(cè)到f0峰位.為了解釋這個(gè)峰的形成原因,我們模擬了C形開口環(huán)的電場(chǎng)能量分布和表面電流,結(jié)果如圖4所示.彩圖表示單個(gè)單元中的電場(chǎng)能量分布.在圖4(a)垂直測(cè)試的樣品中可以看出,載流子主要累積在金屬開口的另一端的空環(huán)兩側(cè).這是由于在入射電場(chǎng)偏振方向上,金屬開口破壞了開口環(huán)的對(duì)稱性,入射的變化電場(chǎng)在金屬薄膜表面形成磁場(chǎng)極化,引起金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)環(huán)流,從而引起電場(chǎng)能量在空環(huán)處得到累積.與傳統(tǒng)的開口環(huán)相比,C形開口環(huán)的空環(huán)相當(dāng)于電感,而金屬開口相當(dāng)于電感.圖4(c)展現(xiàn)了由時(shí)域變化的電場(chǎng)引起的感生電流.因此,在垂直偏振情況下,其透射最大值是由LC共振引起的.實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的f0與模擬獲得的存在誤差,這是由于實(shí)驗(yàn)中C形開口環(huán)的單元結(jié)構(gòu)上存在一定的誤差,這些誤差對(duì)于LC共振峰位的影響比較大.然而,在圖4(b)中可以看到,在平行偏振情況下,電場(chǎng)能量成對(duì)稱性地分布在環(huán)的兩側(cè).這種電場(chǎng)分布是其在環(huán)的內(nèi)部形成一個(gè)電場(chǎng)偶極子,并且,電場(chǎng)能量密度遠(yuǎn)小于圖4(a)中的電場(chǎng)能量密度,它同樣是由入射電場(chǎng)所引起的.圖4(d)顯示了入射太赫茲波引起的表面環(huán)流.如圖中所示,表面形成的流向相反的感生環(huán)流抵消了磁偶極子的產(chǎn)生,從而使得電感效應(yīng)可以忽略不計(jì).

圖3 歸一化后的樣品透射特性(a)垂直偏振;(b)平行偏振;(c)單面鍍有銅膜的聚酰亞胺法布里-波羅腔,腔長(zhǎng)等于襯底厚度注:黑色實(shí)線為測(cè)量值;紅色實(shí)線為模擬值Fig.3 The normalized THz transmittance of C-shape SRR unit cells(a)Perpendicular polarization;(b)Parallel polarization;(c)The simulated THz transmittance of asymmetric Fabry-Perot cavity based on metal/polyimide/air structure,of which the thickness is the same as our C-shape SRR unit cell Black solid-line:experimental measurement;Red solid-line:numerical simulation

圖4 樣品的電場(chǎng)能量分布和表面電流(a)和(c)垂直偏振;(b)和(d)平行偏振Fig.4 The electric energy density distribution of single C-shape SRR(a)and(c)Perpendicular polarization;(b)and(d)Parallel polarization

3 結(jié)論

本文研究了C形開口環(huán)周期性結(jié)構(gòu)的太赫茲異常透射特性.結(jié)果表明,當(dāng)入射電場(chǎng)偏振方向與金屬開口垂直時(shí),會(huì)形成LC振蕩,使其透射頻譜出現(xiàn)單峰特性;而當(dāng)入射電場(chǎng)偏振方向平行于金屬開口時(shí),會(huì)出現(xiàn)寬帶寬的、等間距的周期性多峰現(xiàn)象,這是由偶極子共振和襯底上法布里-波羅腔效應(yīng)共同作用形成的.

［1］JOHNSTON M B. plasmonics: Superfocusing of terahertz waves ［J］. Nature photonics, 2007(1): 14-15.

［2］WILLIAMS C R, ANDREWS S R, MAIER S A, et al. Highly confined guiding of terahertz surface plasmonpolaritons on structured metal surfaces ［J］. Nature photonics, 2008(2): 175-179.

［3］CAO W, SONG C Y, LANIER T E, et al. Tailorig terahertz plasmons with silver nanorod arrays ［J］. Scientific Reports, 2013(3): 1766.

［4］MASSON J B, G. GALLOT. Coupling between surface plasmons in subwavelength hole arrays ［J］. physics Review B, 2006, 73: 121401.

［5］CHEN H T, LU H, AZAD A K, et al. Electronic control of extraordinary terahertz transmission through subwavelength metal hole arrays ［J］. Optics Express, 2008, 16: 7641-7648.

［6］LI G F, JIN Z M, XUE X, et al. Terahertz coherence control of surface plasmon polariton propagation in subwavelength metallic hole arrays ［J］. Applied physics Letters, 2012, 100: 191115.

［7］EBESEN T W, LEZEC H J, GHAEMI H F, et al. Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays ［J］. Nature, 1998, 391: 667-669.

［8］GORDON R, BROLO A G, MCKINNON A, et al. Strong polarization in the optical transmission through Elliptical nanohole arrays ［J］. physics Review Letters, 2004, 92: 037401.

［9］CAO Q, LALANNE p. Negative role of surface plasmons in the transmission of metallic gratings with very narrow slits ［J］. physics Review Letters, 2002, 88: 057403.

［10］YE Y H, ZHANG J Y. Middle-infrared transmission enhancement through periodically perforated metal films［J］. Applied physics Letters, 2007, 84: 2977-2979.

［11］ORDAL M A, LONG L L, BELL R J, et al. Optical properties of the metals Al, Co, Cu, Au, Fe, pb, Ni, pd,pt, Ag, Ti, and W in the infrared and far infrared ［J］. Applied Optics, 1983, 22: 1099-1120.

［12］ZHANG W. Resonant terahertz transmission in plasmonic arrays of subwavelength holes ［J］. The European physical Journal Applied physics, 2008, 43: 1-18.

［13］PADILLA W J, TAYLOR A J, HIGHSTRETE C, et al. Dynamical electric and magnetic metamaterial response at terahertz frequencies ［J］. physics Review Letters, 2006, 96: 107401.

［14］CHEN H T, O’HARA J F, TAYLOR A J, et al. Complementary planar terahertz metamaterials ［J］. Optics Express, 2007, 15: 1084-1095.

［15］KHODASEVYCH I E, SHAH C M, SRIRAM S, et al. Elastomeric silicone substrates for terahertz fishnet metamaterials ［J］. Applied physics Letters, 2012, 100: 061101.

［16］TAO H, STRIKWERDA A C, FAN K, et al. Terahertz metamaterials on free-standing highly-flexible polyimide substrates ［J］. Journal of physics D: Applied physics, 2008, 41: 232004.

［17］MIYAMARU F, TAKEDA M W, TAIMA K. Characterization of terahertz metamaterials fabricated on flexible plastic films: Toward fabrication of bulk metamaterials in terahertz region ［J］. Applied physics Express, 2009(2):042001.

［18］AZAD A K, CHEN H T, KASARLA S R, et al. Ultrafast optical control of terahertz surface plasmons in subwavelength hole arrays at room temperature ［J］. Applied physics Letters, 2009, 95: 011105.

［19］BASS M. Handbook of Optics ［M］. 3rd ed. New York: McGraw-Hill, 2010.

(責(zé)任編輯李藝)

Terahertz extraordinary transmission from flexible C-shape split-ring resonators

LUO Cong-wen1,ZHAO Zhen-yu1,SONG Zhi-qiang1, ZHAO Hong-wei2,HE Xiao-yong1,SHIWang-Zhou1,CHEN Zhi-zhan1
(1.Department of Physics,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China; 2.Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201800,China)

Polarization dependence of terahertz(THz)extraordinary transmission from a flexible C-shape split-ring resonance(C-shape SRR)is investigated.W hen the THz polarization is perpendicular to the gap of C-shape SRR,a single-peak resonance is observed owing to the inductive-capacitive(LC)resonance.When the THz polarization is parallel to the gap of C-shape SRR,a periodic multiple resonances phenomenon is observed.The simulation of the electric density distribution and surface current indicate that the asymmetric Fabry-Perot effect of the C-shape SRR attributes to the periodic resonances.

terahertz;extraordinary transmission;inductive-capacitive resonance;Fabry-Perot effect;dipole resonance

O 0441.3

A

10.3969/j.issn.1000-5641.2016.01.014

1000-5641(2016)01-0107-06

2014-12

國(guó)家自然科學(xué)基金(61307130,11174304);上海市教委創(chuàng)新項(xiàng)目(14YZ077);教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金;上海市科委浦江人才計(jì)劃(15PJ14D 650)

羅從文,男,碩士研究生,研究方向?yàn)樘掌澠骷碾姶挪M.E-m ail:lcw1523@163.com.

趙振宇,男,副研究員,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)樘掌澕夹g(shù)與應(yīng)用. E-mail:zyzhao@shnu.edu.cn.