THz波段亞波長(zhǎng)金屬光柵的偏振特性和慢光效應(yīng)研究.pdf

1、本文主要在理論上研究了THz波段亞波長(zhǎng)金屬光柵的偏振特性和慢光效應(yīng),實(shí)驗(yàn)上使用全息光刻方法成功制作亞波長(zhǎng)Al金屬光柵偏振器,并對(duì)其偏振性能進(jìn)行了測(cè)試。論文的主要工作如下:
　　首先,研究THz波段亞波長(zhǎng)金屬光柵的偏振特性。利用等效介質(zhì)理論定性的分析了光柵的偏振特性,在TM偏振入射時(shí)光柵等效于一層電介質(zhì)層,在TE偏振入射時(shí)等效于一層金屬膜。使用RCWA方法嚴(yán)格分析了光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)、光柵材料、基底材料和介質(zhì)層對(duì)金屬光柵偏振特性的影響,得

2、到了較好的結(jié)構(gòu)參數(shù)。當(dāng)以SiO2為基底的亞波長(zhǎng)Al金屬光柵的周期為2μm、深度為2μm、占空比為0.4時(shí),它在1-10THz頻段的TM透射率達(dá)到了82％,消光比達(dá)到了62dB,偏振性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)偏振器件。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種雙層Al金屬光柵,它在1-10THz頻段有著不錯(cuò)的TM透射率,而消光比相比單層金屬光柵提高很多達(dá)到了132dB。
　　接著,在實(shí)驗(yàn)上搭設(shè)雙光束干涉光路,使用全息光刻方法成功制作了亞波長(zhǎng)Al金屬光柵,使用光學(xué)顯

3、微鏡和原子力顯微鏡對(duì)其進(jìn)行表征,光柵的周期為1.85μm,厚度為120nm,占空比約為0.5。并使用THz激光器搭設(shè)測(cè)試光路,對(duì)光柵偏振性能進(jìn)行了測(cè)試,得到垂直入射時(shí)不同偏振角度下的透射率,與理論模擬符合較好,表明所制作的亞波長(zhǎng)Al金屬光柵在THz波段有著不錯(cuò)的偏振性能。
　　最后,研究THz波段亞波長(zhǎng)金屬光柵表面等離子體慢光效應(yīng)。首先,通過在光柵槽里完全填充介質(zhì)降低了光柵偽表面等離子體(SpoofSPPs)的色散曲線,使用FDT

4、D模擬了完全填充Si介質(zhì)時(shí)光柵的慢光效應(yīng),獲得了群速度僅為0.035c(c是真空中的光速)的光傳輸過程。接著,在光柵槽里填充一定厚度的介質(zhì),隨著厚度的增大SpoofSPPs色散曲線降低,對(duì)應(yīng)的截止頻率減小,在完全填充時(shí)達(dá)到最小。計(jì)算了填充不同厚度Si介質(zhì)時(shí)金屬光柵的場(chǎng)衰減長(zhǎng)度和傳播長(zhǎng)度,當(dāng)填充厚度增大場(chǎng)衰減長(zhǎng)度減小,光柵表面對(duì)光的約束作用增強(qiáng),考慮實(shí)際金屬為Al時(shí)其損耗很大,傳播長(zhǎng)度減小。利用填充介質(zhì)厚度對(duì)色散關(guān)系的影響,設(shè)計(jì)一種Si介

5、質(zhì)填充厚度漸變光柵,實(shí)現(xiàn)了寬頻段的慢光效應(yīng)。然后,研究得到在完全填充介質(zhì)的光柵上,添加不同厚度的介質(zhì)膜也會(huì)影響SpoofSPPs色散關(guān)系,隨著厚度的增大色散曲線下降,光柵表面對(duì)光的約束增強(qiáng),場(chǎng)衰減距離和傳播長(zhǎng)度也都相應(yīng)減小。利用介質(zhì)膜厚度的影響設(shè)計(jì)了一種表面介質(zhì)膜厚度漸變光柵,在THz波段實(shí)現(xiàn)了“rainbowtrapping”。最后,簡(jiǎn)單介紹了無基底金屬光柵的慢光效應(yīng),基于慢光效應(yīng)的研究思路設(shè)計(jì)了一種多層金屬光柵,它在THz波段有著不