分数型表面等离子体共振结构在太赫兹波段的光学特性研究

分数型表面等离子体（FSP）共振是利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术发现的一种新型透射增强效应，其超强的窄带透射特征为开发高精度的THz 带通滤波器提供了有效途径。但是，关于FSP透射增强的许多物理现象、性能响应和产生机制还需大量的理论与实验工作去探索。本项目拟利用THz-TDS 的时间分辨特征和位相敏感特性，从设计金属亚波长周期孔阵列的微结构和改变微结构材料出发，测试一系列尖锐的、高分辨的FSP超强透射峰在THz波段的电磁响应，进而得到决定其性能的各种参数优化条件，最终建立较为完整的理论模型对FSP进行分析，揭示FSP的物理机理。并基于FSP研制灵敏度高、频谱响应范围精确、价格相对较低的THz亚波长光学器件，对推动THz技术的发展具有重要意义。

基于高分辨太赫兹时域光谱系统和光学接触（Optical Contact）技术，对分数型表面等离子体相关的现象进行了系统观测，对其形成机理进行深入研究。取得的研究成果如下：（1）实验发现当金属亚波长周期孔阵列基底与厚的高阻硅板完美接触（Perfect Optical Contact）时，FSP 现象消失。因此得出FSP效应是由太赫兹波经金属孔阵列的一级衍射在1微米空气层界面处的反射造成的，我们综合考虑界面全反射、法布里-珀罗（F-P）效应及其传输函数（H Function），系统分析FSP 的形成机理和FSP 的透射性能；（2）提出了一个新的与FSP现象相关的四步（反射—衍射—全反射—衍射）传输过程， 并结合线性传输函数、傅里叶与反傅里叶变换，模拟得出与实验观察一致的四步脉冲，进一步验证FSP 的形成机理；（3）实现了迄今为止精度最好的金属孔阵列的透射和反射测量，首次在太赫兹波段得到了亚波长金属孔阵列的反射系数振幅谱及其相位谱，我们结合时域波形的极性翻转现象、伍德异常的传输规律，对以上实验现象的形成机理给出了完满的解释；（4）设计了一组dipole-bowtie形状的天线阵列和孔阵列，研究了其表面等离子体共振特征及其透射增强效应，并探讨天线形状和加工基底对其SP传输特性的影响；（5）首次利用飞秒激光直写技术成功制备一维光栅硅基超材料并在太赫兹波段进行表征，得到高Q因子的电磁耦合共振（米谐振），并利用一维光栅结构实现对不同折射率、不同吸收系数的溶液进行灵敏探测和鉴别；等等。本项目组成员在Opt.Lett., IEEE Trans. Terahertz Science and Technology，Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis， Appl. Phys. Lett., Chin. Phys. B等学术刊物上共发表论文21篇，其中SCI收录15篇，EI收录5篇。