基底对亚波长金属双环结构太赫兹透射性质的影响

刘建丰; 周庆莉; 施宇蕾; 李磊; 赵冬梅; 张存林

doi:10.7498/aps.61.048101

摘要

太赫兹波通过人工金属亚波长结构开口共振环(SRRs)可以产生共振吸收, 目前普遍采用LC振荡电路和线性振子模型来解释. 利用太赫兹时域光谱系统测得并无开口的亚波长金属双环和反双环结构阵列透射的太赫兹波, 结果仍然观察到在太赫兹透射谱中存在吸收峰. 分析得出此吸收峰的出现可以用线性振子模型解释. 此外, 研究发现若将此结构制作到石英基底上, 当以样品表面法线方向为轴旋转样品时其太赫兹透射时域波形和频谱均会随旋转角度出现明显的周期性变化, 而以硅为基底并不出现此现象. 本文将其原因归结为石英基底的双折射效应对亚波长金属双环结构太赫兹透射性质的影响. 本文主要目的是分析造成这种影响的物理过程.

关键词:

双环 /
太赫兹 /
特异材料 /
基底

Abstract

Terahertz waves through a split-ring resonator (SRR) can induce the resonant absorption, and this can be explained by using the theory of LC resonant circuit and the model of half wave resonance. However, in the dual-ring structure without the split gap, we still observe the resonant absorption in the THz frequency range. By analyzing the phenomenon, we think that it can be explained by using a the model of half wave resonance. Furthermore, it is found that if the structure is fabricated on quartz crystal substrate, we can obtain the angle-dependent terahertz waveforms using terahertz time-domain spectroscopy (TDS) when the sample is rotated in plane, as well as the frequency domain spectra. But this phenomenon does not exist in the silicon-based structure, which may be attributed to the birefringence effect of the quartz crystal substrate on the subwavelength metal dual-ring structure. The main purpose of this article is to explain the physical process of the effect.

Keywords:

dual ring /
terahertz /
metamaterial /
substrate

作者及机构信息

1.
太赫兹光电子学省部共建教育部重点实验室, 北京市太赫兹波谱与成像重点实验室, 中关村开放实验室, 首都师范大学物理系, 北京 100048

基金项目: 国家重点基础研究发展计划(批准号: 2007CB310408, 2006CB302901), 国家自然科学基金(批准号: 10804077, 11011120242, 10904098), 北京市教委项目(批准号: KM200910028006, KM201110028004), 北京市科技新星, 北京市属市管高校人才强教计划资助项目, 国家信息功能材料重点实验室, 中国科学院上海微系统与信息技术研究所资助的课题.

Authors and contacts

1.
Beijing Key Laboratory for Terahertz Spectroscopy and Imaging, Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics, Ministry of Education, Department of Physics, Capital Normal University, Beijing 100048, China

Funds: Project supported by the National Basic Research Program of China (Grant Nos. 2007CB310408, 2006CB302901), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 10804077, 11011120242, 10904098), the Beijing Municipal Commission of Education (Grant Nos. KM200910028006, KM201110028004), the Funding Project for Academic Human Resources Development in Institutions of Higher Learning under the Jurisdiction of Beijing Municipality, the State Key Laboratory of Functional Materials for Informatics, and the Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences.

参考文献

[1]	Xu J Z, Zhang X C 2007 Terahertz Science Technology and Application (Beijing: Beijing University Press) p69 (in Chinese) [许景周, 张希成 2007 太赫兹科学技术和应用 (北京: 北京大学出版社) 第69页]
[2]	Zhang C L 2008 Terahertz Sensing and Imaging (Beijing: National Defence Industry Press) p69 (in Chinese) [张存林 2008 太赫兹感测与成像 (北京: 国防工业出版社) 第64页]
[3]	BeardMC, Turner G M, Schmuttenmaer C A 2002 J. Phys. Chem. B 106 7146
[4]	Pendry J B, Holden A J, Robbins D J, Stewart W J 1999 IEEE Trans. Microwave Theor Techniq. 47 2075
[5]	Gu B Y 2007 Phys. 36 280 (in Chinese) [顾本源 2007 物理 36 280]
[6]	Veselago V G 1968 Sov. Phys. Usp. 10 509
[7]	Li L, Zhou Q L, Shi Y L, Zhao D M, Zhang C L, Zhao K, Tian L, Zhao H, Bao R M, Zhao S Q 2011 Acta Phys. Sin. 60 019503 (in Chinese) [李磊, 周庆莉, 施宇蕾, 赵冬梅, 张存林, 赵昆, 田璐, 赵卉, 宝日玛, 赵嵩卿 2011 物理学报 60 019503]
[8]	Katsarakis N, Koschny T, Kafesaki M, Economou E N, Soukoulis C M 2004 Appl. Phys. Lett. 84 2943
[9]	Schurig D, Mock J J, Smith D R 2006 Appl. Phys. Lett. 88 041109
[10]	Withayachumnankul W, Abbott D 2009 IEEE Photonics Journal 1 99
[11]	Padilla W J, Taylor A J, Highstrete C, Lee M, Averitt R D 2006 Phys. Rev. Lett. 96 107401
[12]	Zhao M D, Shi Y L, Zhou Q L, Li L, Sun H J, Zhang C L 2011 Acta Phys. Sin. 60 093301 (in Chinese) [赵冬梅, 施宇蕾, 周庆莉, 李磊, 孙会娟, 张存林 2011 物理学报 60 093301]
[13]	Zhou J 2004 Journal of Functional Materials 35 125 (in Chinese) [周济 2004 功能材料 2004 年增刊 35 125]
[14]	Grischkowsky D, Keiding S, Exter M, Fattinger C 1990 J. Opt. Soc. Am. B 7 2006
[15]	Wu Q, Litz M, Zhang X C 1996 Appl. Phys. Lett. 68 2924
[16]	Cha H J, Jeong Y U, Park S H, Lee B C 2006 Journal of the Korean Phys. Soc. 49 354
[17]	Gu C, Qu S B, Pei Z B, Xu Z, Liu J, Gu W 2011 Chin. Phys. B 20 017801
[18]	Yang C Y, Xu X M, Ye T, Miao L P 2011 Acta Phys. Sin. 60 017807 (in Chinese) [杨春云, 徐旭明, 叶涛, 缪路平 2011 物理学报 60 017807]

施引文献

[1]	Xu J Z, Zhang X C 2007 Terahertz Science Technology and Application (Beijing: Beijing University Press) p69 (in Chinese) [许景周, 张希成 2007 太赫兹科学技术和应用 (北京: 北京大学出版社) 第69页]
[2]	Zhang C L 2008 Terahertz Sensing and Imaging (Beijing: National Defence Industry Press) p69 (in Chinese) [张存林 2008 太赫兹感测与成像 (北京: 国防工业出版社) 第64页]
[3]	BeardMC, Turner G M, Schmuttenmaer C A 2002 J. Phys. Chem. B 106 7146
[4]	Pendry J B, Holden A J, Robbins D J, Stewart W J 1999 IEEE Trans. Microwave Theor Techniq. 47 2075
[5]	Gu B Y 2007 Phys. 36 280 (in Chinese) [顾本源 2007 物理 36 280]
[6]	Veselago V G 1968 Sov. Phys. Usp. 10 509
[7]	Li L, Zhou Q L, Shi Y L, Zhao D M, Zhang C L, Zhao K, Tian L, Zhao H, Bao R M, Zhao S Q 2011 Acta Phys. Sin. 60 019503 (in Chinese) [李磊, 周庆莉, 施宇蕾, 赵冬梅, 张存林, 赵昆, 田璐, 赵卉, 宝日玛, 赵嵩卿 2011 物理学报 60 019503]
[8]	Katsarakis N, Koschny T, Kafesaki M, Economou E N, Soukoulis C M 2004 Appl. Phys. Lett. 84 2943
[9]	Schurig D, Mock J J, Smith D R 2006 Appl. Phys. Lett. 88 041109
[10]	Withayachumnankul W, Abbott D 2009 IEEE Photonics Journal 1 99
[11]	Padilla W J, Taylor A J, Highstrete C, Lee M, Averitt R D 2006 Phys. Rev. Lett. 96 107401
[12]	Zhao M D, Shi Y L, Zhou Q L, Li L, Sun H J, Zhang C L 2011 Acta Phys. Sin. 60 093301 (in Chinese) [赵冬梅, 施宇蕾, 周庆莉, 李磊, 孙会娟, 张存林 2011 物理学报 60 093301]
[13]	Zhou J 2004 Journal of Functional Materials 35 125 (in Chinese) [周济 2004 功能材料 2004 年增刊 35 125]
[14]	Grischkowsky D, Keiding S, Exter M, Fattinger C 1990 J. Opt. Soc. Am. B 7 2006
[15]	Wu Q, Litz M, Zhang X C 1996 Appl. Phys. Lett. 68 2924
[16]	Cha H J, Jeong Y U, Park S H, Lee B C 2006 Journal of the Korean Phys. Soc. 49 354
[17]	Gu C, Qu S B, Pei Z B, Xu Z, Liu J, Gu W 2011 Chin. Phys. B 20 017801
[18]	Yang C Y, Xu X M, Ye T, Miao L P 2011 Acta Phys. Sin. 60 017807 (in Chinese) [杨春云, 徐旭明, 叶涛, 缪路平 2011 物理学报 60 017807]

[1]	金嘉升, 马成举, 张垚, 张跃斌, 鲍士仟, 李咪, 李东明, 刘洺, 刘芊震, 张贻歆. 基于相变材料的慢光和吸收可切换多功能太赫兹超材料. 物理学报, 2023, 72(8): 084202. doi: 10.7498/aps.72.20222336
[2]	杨东如, 程用志, 罗辉, 陈浮, 李享成. 基于双开缝环结构的半反射和半透射超宽带超薄双偏振太赫兹超表面. 物理学报, 2023, 72(15): 158701. doi: 10.7498/aps.72.20230471
[3]	惠战强, 高黎明, 刘瑞华, 韩冬冬, 汪伟. 低损耗大带宽双芯负曲率太赫兹光纤偏振分束器. 物理学报, 2022, 71(4): 048702. doi: 10.7498/aps.71.20211650
[4]	陈闻博, 陈鹤鸣. 基于超材料复合结构的太赫兹液晶移相器. 物理学报, 2022, 71(17): 178701. doi: 10.7498/aps.71.20212400
[5]	葛宏义, 李丽, 蒋玉英, 李广明, 王飞, 吕明, 张元, 李智. 基于双开口金属环的太赫兹超材料吸波体传感器. 物理学报, 2022, 71(10): 108701. doi: 10.7498/aps.71.20212303
[6]	惠战强. 低损耗大带宽双芯负曲率太赫兹光纤偏振分束器. 物理学报, 2021, (): . doi: 10.7498/aps.70.20211650
[7]	龙洁, 李九生. 相变材料与超表面复合结构太赫兹移相器. 物理学报, 2021, 70(7): 074201. doi: 10.7498/aps.70.20201495
[8]	张尧, 孙帅, 闫忠宝, 张果, 史伟, 盛泉, 房强, 张钧翔, 史朝督, 张贵忠, 姚建铨. 太赫兹双芯反谐振光纤的设计及其耦合特性. 物理学报, 2020, 69(20): 208703. doi: 10.7498/aps.69.20200662
[9]	周璐, 赵国忠, 李晓楠. 基于双开口谐振环超表面的宽带太赫兹涡旋光束产生. 物理学报, 2019, 68(10): 108701. doi: 10.7498/aps.68.20182147
[10]	阎昊岚, 程雅青, 王凯礼, 王雅昕, 陈洋玮, 袁秋林, 马恒. 烷基环己苯异硫氰酸液晶材料太赫兹波吸收. 物理学报, 2019, 68(11): 116102. doi: 10.7498/aps.68.20190209
[11]	汪静丽, 刘洋, 钟凯. 基于领结型多孔光纤的双芯太赫兹偏振分束器. 物理学报, 2017, 66(2): 024209. doi: 10.7498/aps.66.024209
[12]	付亚男, 张新群, 赵国忠, 李永花, 于佳怡. 基于谐振环的太赫兹宽带偏振转换器件研究. 物理学报, 2017, 66(18): 180701. doi: 10.7498/aps.66.180701
[13]	龚健, 张利伟, 陈亮, 乔文涛, 汪舰. 石墨烯基双曲色散特异材料的负折射与体等离子体性质. 物理学报, 2015, 64(6): 067301. doi: 10.7498/aps.64.067301
[14]	李珊珊, 常胜江, 张昊, 白晋军, 刘伟伟. 基于悬浮式双芯多孔光纤的太赫兹偏振分离器. 物理学报, 2014, 63(11): 110706. doi: 10.7498/aps.63.110706
[15]	姜子伟, 白晋军, 侯宇, 王湘晖, 常胜江. 太赫兹双空芯光纤定向耦合器. 物理学报, 2013, 62(2): 028702. doi: 10.7498/aps.62.028702
[16]	戴雨涵, 陈小浪, 赵强, 张继华, 陈宏伟, 杨传仁. 太赫兹波段谐振频率可调的开口谐振环结构. 物理学报, 2013, 62(6): 064101. doi: 10.7498/aps.62.064101
[17]	白晋军, 王昌辉, 侯宇, 范飞, 常胜江. 太赫兹双芯光子带隙光纤定向耦合器. 物理学报, 2012, 61(10): 108701. doi: 10.7498/aps.61.108701
[18]	李磊, 周庆莉, 施宇蕾, 赵冬梅, 张存林, 赵昆, 田璐, 赵卉, 宝日玛, 赵嵩卿. 在太赫兹波段的开口共振环的不同开口形状对透过率频谱的影响. 物理学报, 2011, 60(1): 019503. doi: 10.7498/aps.60.019503
[19]	赵冬梅, 施宇蕾, 周庆莉, 李磊, 孙会娟, 张存林. 基于人工复合材料的太赫兹波双波段滤波. 物理学报, 2011, 60(9): 093301. doi: 10.7498/aps.60.093301
[20]	常俊, 黎华, 韩英军, 谭智勇, 曹俊诚. 太赫兹量子级联激光器材料生长及表征. 物理学报, 2009, 58(10): 7083-7087. doi: 10.7498/aps.58.7083

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