亚波长孔阵列的太赫兹波异常透射研究(完整版)实用资料.doc

亚波长孔阵列的太赫兹波异常透射研究（完整版）实用资料
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亚波长孔阵列的太赫兹波异常透射研究
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王媛媛张彩虹马金龙金飙兵许伟伟康琳陈健
吴培亨
(南京大学超导电子学研究所,南京210093(2021年2月5日收到;2021年2月12日收到修改稿
利用太赫兹时域光谱(THz2TDS系统,在5—300K温区下测量了在厚度约200nm的金属Nb薄膜刻蚀的亚波长圆孔阵列的异常THz波透射情况.实验结果表明,在013—2THz波段,具有亚波长孔阵结构的金属Nb薄膜的异常透射现象波谱的峰位置与CST(computersimulationtechnology软件仿真模拟的结果一致,峰值随温度降低有逐渐增强的趋势.
关键词:亚波长孔阵列,THz时域光谱技术,异常透射
PACC:3220F,7430G,7490
3国家自然科学基金(批准号:10778602,60721063、国家重点基础研究发展计划(批准号:2006CB601006和江苏省高校自然科学基金(批准号:BK2007713资助的课题.
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11引言
金属薄膜上的亚波长孔阵的异常光透射现象在近年来引起了人们的广泛关注.这些出现透射增强的波长是由金属材料的参数、小洞的几何形状和排列的周期控制的.这一现象最初被归因于由于入射光和金属表面的自由电子集体震荡之间的相互作用而在金属表面产生的电荷密度波,也就是表面等离
激元(SPP[1—14]
.
另一方面,太赫兹(THz波的特殊电磁学性质也是学术界研究的焦点.近年来,超快激光技术
[15]
的发展,为脉冲THz波的产生和探测提供了稳定、可靠的激发光源,并且可以使用THz时域光谱(TDS技术方便地检测物质的频谱和相位延迟特性.这在很多方面弥补了傅里叶变换红外光谱技术和X射线技术的频宽缺陷[16—22]
.近年来,亚波长结
构在太赫兹波段的性质也引起了各方面的广泛关
注
[23,24]
.
本文利用THz2TDS测量系统,在5—300K温度区域,对具有周期圆孔阵列的金属Nb薄膜的THz波段透射情况进行测量和分析.结果表明,亚波长小孔阵列的异常透射情况与理论计算相符合,Nb薄膜在低温下由于导电率增大,THz波激发的表面电流
增大,使得THz.
21实
验
本实验使用的是立陶宛Ekspla公司生产的传输
型TDS系统,系统构成如图1所示.激光器是Coherent公司生产的锁模钛蓝宝石激光器,中心波长800nm,脉冲宽度小于100fs,重复频率为82MHz.THz发射器和探测器都是安装在高阻硅半

图1低温THz2TDS系统框图
第58卷第10期2021年10月100023290Π2021Π58(10Π6884205
物理学报
ACTAPHYSICASINICA
Vol.58,No.10,October,2021
ν2021Chin.Phys.Soc.

球透镜上的GaAs光电导天线.飞秒激光在光路中被分为两路,一路作为抽运光通过时间延迟装置射向发射光导天线激发THz波,另一路作为探测光与THz波同时到达探测光导天线,经过锁相放大,获得较大的输出信号.样品放置在牛津仪器公司生产的光学低温杜瓦中,温度控制范围为5—300K.系统的有效带宽为012—3THz,信噪比大于1000.
因为空气中的水蒸气对THz波有强烈的吸收,为了避免这一影响,本实验中将THz光路置于基本密闭的有机玻璃罩中(见图1,并向罩中连续充入无水纯氮气,使相对湿度保持在3%以下.测量时,
样品置于两聚焦抛物镜之间的中心处,并尽可能与入射光垂直.
样品制备:用微加工技术制备了由圆孔阵列(见图2构成的样品.首先,在500μm厚度的高阻硅(Si基片上溅射约200nm厚度的Nb薄膜.样品的基底选择高阻Si基片是因为硅在整个THz波段具有良好的透射特性.然后,利用光刻机在其表面刻蚀小孔,并用反应离子刻蚀技术刻蚀出具有周期结构的圆孔.图2中的两个样品小孔的半径分别为15和20μm,孔阵列的晶格常数分别为60和80μm,样品制备完成后大小约为10mm×10

mm.
图2样品的显微镜照片(a样品1,(b样品2
31数据处理及结果讨论
在测量时,首先在低温系统中测量没有金属结
构的Si基片作为参考信号Er(t,然后再置入待测样品,获得的信号为样品信号Es(t.参考信号和样品信号分别进行快速傅里叶变换(FFT获得相应的
传输系数频域谱^H(ω
[1]
^H(ω=
Es(ω
Er(ω
.(1
由于THz波在低温杜瓦的窗口之间存在反射,
加之参考信号测量时由于Si基片两表面内部的Fabry2Perot反射产生的低频振荡,在时域信号主脉冲后面会出现明显的回波,如图3所示,因此不可避免地使得测量结果的频谱在低频部分