实验25亚波长金属光栅透射光谱的测量

实验三十 亚波长金属光栅透射光谱的测量

一、 实验内容与目的

1. 了解亚波长金属结构中等离激元激发原理和透射增强现象。

2. 了解和掌握光栅光谱仪的测量原理和应用。

3. 掌握针对微区样品的透射光谱测量技术。

二、 实验原理概述

（一）亚波长金属孔阵列的等离激元激发

金属可以看成由固定的正电荷离子实以及在正电荷背景下运动的自由电子所组成的等离子体系统。这些自由电子的浓度很高，通常为1023个/cm3。在外部交变电场作用下，自由电子的局域密度会发生起伏变化，形成电子密度振荡。这种电荷振荡与外界的入射的电磁场耦合，可以激发出一种的特殊的表面电磁模式。用固体物理中的元激发概念或者准粒子来描述，这就是表面等离极化激元（surface plasmon polariton，SPP） [1]。其电场分布Ez和沿表面向两侧介质中（金属中距离m，介质中距离d）衰减特性如图3.25所示。

图3.25 等离激元的电场形式

作为一种表面电磁模，SPP具有比介质中光波更大的波失

02ABxABk （3.12）

式中，A和B分别代表金属和介质的介电常数。因此，想要通过入射光来激发SPP表面模，需要一些特殊的结构设计。亚波长周期金属孔阵就是其中一种，它通过周期结构在倒空间提供的倒格矢可以补偿自由空间光波lightk与SPP的波失SPPk之差，从而实现两者的耦合（图3.26）。

图3.26 用周期产生倒格矢补偿来实现空间光与表面等离激元模的耦合

直线1/21=/(1)p表示表面等离激元振荡频率，虚线1/21/ck表示自由空间光的色散曲线，1表示自由空间介电常数，p表示等离子体频率

周期孔阵结构通常还可以看成是一种二维振幅型光栅。但是，普通的用于分光的衍射光栅需满足两个条件：第一，光能够自由通过光栅空洞（针对二维孔洞结构而言）；第二，满足光栅方程sindk（0,1,2,k）。而这里我们所研究的二维金属光栅（即小孔阵列）所要考察的透射光谱的特性将有大部分的波段不满足普通振幅型光栅所满足的条件。这是因为在金属结构中，光的衍射干涉等现象将不再是由纯粹光波本身产生，还与光与金属微纳结构的相互作用有关。这里主要是与金属中的表面模式SPP的激发有关。

（二）异常光学透射现象

1944年，Bathe对具有单个孔洞的金属薄膜做了理论研究，他发现通过亚波长的小孔的透射效率是4(/)r量级，r是小孔半径。例如，对一个半径为150nm的小孔来说，可见光部分的透射效率都在10-3量级。但是，1998年，法国科学家T.W.Ebbesen等在研究具有周期孔阵结构的金属膜时，发现光的透射系数远大于Bathe的预测值[2]。而且，这时的透射率随波长的变化呈现规律性的起伏，显示出对小孔周期的强烈依赖性，详见图3.27。Ebbesen当时认为这是由金属膜表面激发的SPP导致了增强透射现象。该现象引起了人们对SPP和异常光学透射现象的浓厚兴趣。

然而，Ebbesen给出的SPP激发的波长条件与实验得出的增强衍射峰的位置总是有一定的偏差。因此在随后的研究中陆续有新的物理机制被提出用于解释这一现象。如后来Thio等提出的消逝波复合衍射理论，Treacy提出的衍射动力学理论。其争论的核心都是SPP的激发在异常透射现象中扮演的角色问题。直到2006~2008年法国的Lalanne组提出了双波模型来解释这一现象[3]，这方面的争论才告一段落。他们系统地考察了这个体系，认为SPP并非是唯一的表面波形式，还有一种有散射效应形成的柱面波的存在。它和SPP具有不同的波形形式，都对异常光学透射有贡献。只不过在不同的波段他们的贡献大小不一样。在可见光波段，SPP的贡献还是主要的。

根据前人的研究，我们可以看到不管持何种解释，SPP在异常透射现象中的贡献是不容置疑。因此了解SPP的激发性质对于理解异常透射现象有很大帮助。

图3.27Ebbesen等报道的金属孔阵结构和异常光学透射现象

（三）光栅光谱仪的工作原理

异常透射现象的研究的基本实验手段就是光谱测量，其中光谱仪是必不可少的实验设备。本实验说要用到的是日本产的ANDO AQ-6315A光栅光谱仪。下面就光栅光谱仪的工作原理做一些简要介绍。

光谱仪是光谱分析方法的关键设备，它是通过光栅分光来获取单色波长光信号的。当一束复合光线进入光谱仪的入射狭缝，首先由光学准直镜准直成平行光，再通过衍射光栅色散为分开的波长（颜色）。利用不同波长离开光栅的角度不同，由聚焦反射镜再成像于出射狭缝。通过电脑控制可精确地改变出射波长。

光栅作为重要的分光器件，它的选择与性能直接影响整个系统的性能。光栅分为刻划光栅、复制光栅、全息光栅等。刻划光栅使用钻石刻刀在途有金属的表面上机械刻划而成；复制光栅是用母光栅复制而成。典型的刻划光栅和复制光栅的刻槽是三角形。全息光栅是由激光干涉条纹光刻而成，通常包括正弦刻槽。刻划光栅具有衍射效率高的特点，全息光栅光谱范围广，杂散光低，且可做到高光谱分辨率。

反射式衍射光栅是在衬底上周期地刻划很多微细的刻槽，一系列平行刻槽的间隔与波长相当，光栅表面涂上一层高反射率金属膜。光栅沟槽表面反射的辐射相互作用产生衍射和干涉。对某波长，在大多数方向消失，只在一定的有限方向出现，这些方向确定了衍射级次。当光栅刻槽垂直辐射入射平面，辐射与光栅法线入射角为，衍射角为，衍射级次为m，d为刻槽间距，在下述条件下得到干涉的极大值：(sinsin)md。 定义为入射光线与衍射光线夹角的一半，即()/2；为相对与零级光谱位置的光栅角，即()/2，得到更方便的光栅方程：

2cossinmd （3.13）

从该光栅方程可看出：对一给定方向，可以有几个波长与级次m相对应的满足光栅方程。例如，600nm的一级辐射和300nm的二级辐射、200nm的三级辐射有相同的衍射角。衍射级次m可正可负。对相同级次的多波长在不同的分布开。含多波长的辐射方向固定，旋转光栅，改变，则在不变的方向得到不同的波长。

（四）样品制备和测量系统

由于微纳加工技术制备的样品区域非常小，通常在几十微米，这要求光学测量系统能够准确定位，并消除杂散信号的干扰。同时，这也要求样品本身需要一些特殊处理。图3.28是实验所用的带掩膜衬底的设计示意图。我们采用石英衬底上覆有Al掩膜的片子作为样品制备的基底。图中有大小两类空白区域，小孔区域尺寸在10μm见方，为加工样品用；大孔尺寸在500μm见方，主要是测量时定位用。

样品制备：利用离子束溅射沉积一层120nm的Au膜，然后在相应的留空区域内利用聚焦离子束刻蚀（FIB）加工周期孔阵样品。考虑到光谱仪的探测范围，样品的小孔直径通常为150nm~350nm，周期通常为500~1000nm。本实验所研究的样品以正方点阵为主，适当会有长方形点阵或六角点阵。

图3.29是针对本实验样品的透射光谱测试光路示意图。所用光源为75W的卤素灯白光光源，由光纤引出，经光纤耦合器形成平行光束，然后由长焦透镜汇聚至样品区域（长焦是为了保证最终聚焦光束的数值孔径较小，从而可以认为入射光为近准直光）。然后由另一透镜汇聚透射光束，再通过光纤耦合至光纤光谱仪。图3.29中还给出两个格兰-汤姆孙棱镜用于偏振测量使用，入射端的是起偏器，透射端的是检偏器。另外，考虑到对微区样品位置的精确调节，我们这里设计采用xyz的四维样品调节台，用于安置样品。

三、 实验方法与步骤

（一）实验仪器与材料

蔡司显微镜：1台

光栅光谱仪（AQ-6315A,FC接头）：1台

卤钨灯光源（FC接头）：1台

石英光纤（FC，SMA转换）：若干

Xyz四维光精度调节台：1套

f15、f10双凸透镜：各一个

光纤耦合器：2套

格兰-汤姆孙棱镜：2个

微型计算机：1台

已经制备好的微区样品：若干

（二）实验方法与操作步骤

1. 测试系统的连接与调整

（1） 检查整条测试光路是否完整。如不完整，请进行连接。

（2） 开启卤钨灯光源。开启光栅光谱仪。检查光束情况和聚焦光斑大小和位置。现系统标准的聚焦光斑直径约为600μm，若发现光斑明显大于此值应及时汇报，由老师协助调整光纤耦合设备和相关光路。如果观察到聚焦光斑过弱，也说明光纤耦合有问题，也应报告老师进行光路调整。

（3） 开启光栅光谱仪，检查光谱仪工作状态。通常在能量指示显示，如果不是需加以调整。

（4） 背景光源光谱测量。设置光谱的相关参数，分辨率（R=10nm），灵敏度（High1，Scan

time=1），波长范围（500~1700nm）；然后进行光谱扫描。观察光谱最强值是否达到标准（实验记录本有标准值）。 2. 样品位置的调节

（1） 开启蔡司显微镜，调节显微镜的倍率，观察所要测量的样品位置，并在记录本上做好标记。

（2） 按照显微镜所观察的位置，将样品粗调至聚焦光斑处。再将光谱设定值连续扫描状态，然后手动调节四维调节台的x轴和z轴，边调边观察光谱信号，直至光谱峰值调为最大停止。

3. 微区样品的透射光谱的测量

（1） 开启计算机，启动控制软件。按照软件操作流程重新设置光谱仪。然后进行光谱测量，并记录光谱数据。

（2） 计算样品实际面积与聚焦光斑的比值，根据下式计算样品的透射谱。

透射率=（样品信号强度/光源背景强度）/比值

（3） 重回实验方法与操作步骤，进行下一个样品的测量。

四、 思考与讨论

1. 通过系列样品透射谱的测量，讨论透射峰的位置和形状与样品结构参数的依赖关系

2. 通过实验结果的分析，阐述该金属孔阵列结构被称为亚波长光栅的含义

3. 试探讨此类亚波长金属光栅在科学研究和工程上应用的可能性。

参考文献

[1] Maier S. Plasmonic: Fundamental and Application. New York: Springer, 2007

[2] Ebbesen T W, Lezee HJ, Ghaemi HF, et al. Extraordinary optical transmission through

sub-wavelength hole arrays. Nature, 1998, 391(6668): 667-669

[3] Liu H T, Lalanne P. Microscopic theory of the extraordinary optical transmission. Nature, 2008,

452 (6762): 728-731