柔性C 形开口谐振环的太赫兹异常透射研究

罗从文,赵振宇,宋志强,赵红卫,何晓勇,石旺舟,陈之战

(1.上海师范大学物理系,上海200234; 2.中国科学院上海应用物理研究所,上海201800)

柔性C 形开口谐振环的太赫兹异常透射研究

罗从文1,赵振宇1,宋志强1,赵红卫2,何晓勇1,石旺舟1,陈之战1

(1.上海师范大学物理系,上海200234; 2.中国科学院上海应用物理研究所,上海201800)

利用太赫兹时域光谱仪测试系统,研究了聚酰亚胺衬底上的C形开口环周期性结构在太赫兹波段的异常透射特性.结果发现,当入射太赫兹波的电场偏振方向垂直于金属开口时,变化的电场引起电感-电容(LC)共振,使其透射光谱呈现单峰特性;然而,当入射电场偏振方向平行于金属开口时,其透射光谱呈现出多峰性和周期性.通过对其电场能量分布和表面电流的分析发现,这种反常透射特性是由法布里-波罗腔效应和偶极子共振共同作用产生的.

太赫兹;异常透射;电感-电容共振;法布里-波罗腔效应;偶极子共振

0 引言

目前,利用亚波长周期性结构方法制备太赫兹生物传感器和近红外探测器引起了人们的广泛关注［1-3］.其中,亚波长等离子体小孔阵列是一种常用的方法.它可以在金属薄膜层与介电衬底上形成表面等离子体,从而引起结构的异常透射特性［4-6］;当周期性结构的单元尺寸远小于波长时,能在其表面形成表面等离子体,包括光学波段［7-8］、红外波段［9-10］.然而,以往的研究发现,在太赫兹波段,激发产生等离子体受制于金属的介电响应特性［11］,金属介电特性必须满足-εr/εi＜1.最近研究发现,在亚波长周期性结构中,同样可以在太赫兹波段观测到表面等离子体［12］.与此同时,另一种引起异常透射的方法是利用开口环结构［13-14］:当电场偏振方向垂直于开口时,开口环结构能够在金属表面引起感应环流,从而引起载流子分布不均,这种共振被称为LC共振;当电场偏振方向垂直于开口时,同时会激发偶极子共振.在介电特性方面,由于LC共振的存在,材料的介电可以等效为负值,这一特性可以被应用于实现电磁波隐形衣.上述两种方法中,单元结构的尺寸、衬底的介电环境、金属的性质以及金属层的厚度等,都影响其电磁响应特性.传统的亚波长周期性结构都是中心对称图形,比如圆孔、椭圆孔和方形孔等［12］.对于非中心对称结构,其太赫兹响应原理更加复杂;并且,绝大多数的周期性结构都是建立在相对介电常数εr在8-15的半导体衬底上［14］.近些年,柔性衬底因其介电常数更小(εr＜4)、损耗更低、制备成本更低廉而引起广泛关注［15-17］.

在本文工作中,我们通过光刻剥离工艺,在柔性衬底聚酰亚胺上镀上一层105 nm厚的C形开口环金属铜薄膜;利用太赫兹时域光谱仪测试了其太赫兹波段的透射特性,并利用有限差分法模拟了这种结构的电场能量分布和表面电流.

1 实验

本文实验中衬底选用杜邦公司型号为Kap ton@500HN的聚酰亚胺衬底,厚度为125µm.首先,聚酰亚胺衬底在丙酮中超声清洗30m in,然后经过去离子水冲洗;清洗后的衬底通过正胶光刻,在聚酰亚胺衬底上形成一层C形开口环结构;然后,通过热蒸发镀膜,在光刻区镀上厚度为105 nm的金属铜;再经过剥离过程,在聚酰亚胺衬底上形成一层C形开口环金属铜膜,如图1(a)所示.C形开口环结构中单元之间的周期为40µm,在每个单元中,外环的半径为16µm,内环半径为12µm,环内部与环外部由金属开口连接,开口宽度为4µm.金属开口等同于传统开口环中的开口,但在本次实验中,开口处为金属,环为镂空,如图1(b)所示.

通过太赫兹时域光谱仪可以测试C形开口环的太赫兹电磁响应特性.本文中,太赫兹时域光谱仪系统的泵浦光源为由钛宝石激光器(M ai Tai,Spectra Physics),其脉冲宽度为100 fs,中心波长为800 nm,重复率为82 MHz.发射和接收为低温条件下砷化镓光电导天线.太赫兹发射器施加一个调制频率为370 Hz、电压为70 V的偏压.激发产生的太赫兹波经过一组镀金离轴抛物面镜垂直入射到样品,在样品上形成一个直径为50.8mm的焦斑,聚焦长度为12.5 mm.为了研究金属开口方向与入射太赫兹波电场偏振方向的关系,本文做了两组测试:①垂直偏振.入射太赫兹波电场偏振方向垂直于金属开口环.②平行偏振.入射太赫兹波电场偏振方向平行于金属开口.为了避免空气中氢气对太赫兹吸收作用的影响,整个实验过程都是在纯氮气环境中完成,太赫兹信号时域窗口为25 ps.

图1 (a)C形开口环样品;(b)样品微观谐振单元结构;(c)谐振环宇入射电场的偏振关系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

图2 C形开口环的THz响应信号(a)垂直偏振;(b)平行偏振;(c)聚酰亚胺衬底参考信号;(d-f)分别为对应的频谱信号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 结果与讨论

图2(a)和图2(b)为两种测试方案中太赫兹波的时域信号.与聚酰亚胺衬底上的参考波形相比,两组测试中,可以明显地观测到,太赫兹时域信号在其主振荡后面都伴有小振荡;然而,两组测试中产生的伴随振荡在时域和振幅上存在差别.图2(d)和图2(e)为透射的太赫兹频域光谱,频域频谱的宽度为2.5 THz.不难看出,在透射频谱中,两组测试中第一个峰都在0.92 THz处.在垂直偏振情况中,第二个峰的位置出现在1.25 THz;平行偏振情况下,第二个峰的位置在1.55 THz.由此可以看出,样品的太赫兹电磁响应是与入射电场与开口方向有关的.但样品的具体透射特性需要进一步计算获得,可以根据公式T=TSam/TRef计算.

如图3所示,图中黑色曲线为实验测量值,红色曲线为数值模拟值,透射强度采用相对强度(Arbitary Unit,arb.unit).表1中为两组样品的透射共振峰.对于垂直偏振,测试所得的透射最大值f0在1.25 THz,而数值模拟得到的透射最大值在1.12 THz.同时,在 0.92 THz处有一个边锋,从而使得共振峰变成宽带宽.在平行偏振中,却出现了呈周期性的多峰性的频谱特性,峰间周期为0.62 THz.通常,在亚波长周期性结构中可以观测到由表面等离子体引起的多峰现象,且共振峰位满足公式［18］

其中L代表单元周期,εs代表衬底的介电常数,m和n代表表面等离子体的模式(m,n= 0,±1,±2,···),c为真空中光的速度.从公式(1)中可以看出,在频域中表面等离子体模式的共振峰位没有周期性,这与实验现象不匹配.因此,图3(b)中的多峰性不是由表面等离子体引起的.

表1 样品透射特性具体数据Tab.1 The resonance frequency of I-SRR sample

与此同时,我们注意到,法布里-波罗腔效应可以引起周期性多峰特性,峰位位置可以根据公式［19］

计算.公式(2)中n代表聚酰亚胺的折射率,l=125µm是聚酰亚胺衬底的厚度,θ是太赫兹波的入射角度,本文中太赫兹波的入射角度为0°.实验得到的峰与峰之间的周期为0.62 THz,这与公式(2)计算所得的一致.为了进一步验证推测,本文数值模拟了一边镀有铜膜(105 nm)一边为空气的聚酰亚胺腔体,聚酰亚胺腔体的长度与实验中衬底厚度一致为125µm.模拟结果在图3(c)中显示出.我们很容易从模拟结果中看到它的透射频谱中存在3个微弱的共振最大值,并且峰位位置与图3(b)中的峰位位置一致.事实上,这些共振峰在垂直测试和平行测试两种情况中都可以观测到,只是在垂直测试情况中,法布里-波罗腔效应的表现没有平行测试中的明显.

在图3中可以看出,只有在垂直偏振中才观测到f0峰位.为了解释这个峰的形成原因,我们模拟了C形开口环的电场能量分布和表面电流,结果如图4所示.彩图表示单个单元中的电场能量分布.在图4(a)垂直测试的样品中可以看出,载流子主要累积在金属开口的另一端的空环两侧.这是由于在入射电场偏振方向上,金属开口破坏了开口环的对称性,入射的变化电场在金属薄膜表面形成磁场极化,引起金属表面产生感应环流,从而引起电场能量在空环处得到累积.与传统的开口环相比,C形开口环的空环相当于电感,而金属开口相当于电感.图4(c)展现了由时域变化的电场引起的感生电流.因此,在垂直偏振情况下,其透射最大值是由LC共振引起的.实验中测得的f0与模拟获得的存在误差,这是由于实验中C形开口环的单元结构上存在一定的误差,这些误差对于LC共振峰位的影响比较大.然而,在图4(b)中可以看到,在平行偏振情况下,电场能量成对称性地分布在环的两侧.这种电场分布是其在环的内部形成一个电场偶极子,并且,电场能量密度远小于图4(a)中的电场能量密度,它同样是由入射电场所引起的.图4(d)显示了入射太赫兹波引起的表面环流.如图中所示,表面形成的流向相反的感生环流抵消了磁偶极子的产生,从而使得电感效应可以忽略不计.

图3 归一化后的样品透射特性(a)垂直偏振;(b)平行偏振;(c)单面镀有铜膜的聚酰亚胺法布里-波罗腔,腔长等于衬底厚度注:黑色实线为测量值;红色实线为模拟值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

图4 样品的电场能量分布和表面电流(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 结论

本文研究了C形开口环周期性结构的太赫兹异常透射特性.结果表明,当入射电场偏振方向与金属开口垂直时,会形成LC振荡,使其透射频谱出现单峰特性;而当入射电场偏振方向平行于金属开口时,会出现宽带宽的、等间距的周期性多峰现象,这是由偶极子共振和衬底上法布里-波罗腔效应共同作用形成的.

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(责任编辑李艺)

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

国家自然科学基金(61307130,11174304);上海市教委创新项目(14YZ077);教育部留学回国人员科研启动基金;上海市科委浦江人才计划(15PJ14D 650)

罗从文,男,硕士研究生,研究方向为太赫兹器件的电磁波模拟.E-m ail:lcw1523@163.com.

赵振宇,男,副研究员,硕士生导师,研究方向为太赫兹技术与应用. E-mail:zyzhao@shnu.edu.cn.