高效宽频太赫兹波段减反膜

在光谱学中降低反射率对于减少干涉和增大输出具有重要意义。减反射(Anti-reflection)技术在可见光范围内的发展已进入十分成熟的阶段,然而在太赫兹(THz)波段,缺乏合适的材料是该技术研究中亟需解决的一个重要问题。因为其在0.5-4.5 THz波段拥有高透过率和低色散的优点,高阻硅这种材料被广泛应用于制作太赫兹光学器件上。但是其高达3.42的相对折射率所引起的阻抗失配严重影响了太赫兹系统的性能, 因此研究人员尝试了各种各样的方式在高阻硅表面镀上有效的减反射膜。常用的技术包括以下几种:一是四分之一波长匹配的多层聚合物干涉设计,总体透射率能提高到90%以上,而带宽却被限制小于1 THz。二是通过切割或刻蚀高阻硅表面来实现亚波长的表面浮雕设计,虽然能够把带宽提高到1-2 THz,但是工艺要求颇高而且过程复杂。三是超薄金属膜阻抗匹配设计,利用纳米级厚度的金属膜来吸收反射波,匹配空气和高阻硅的阻抗差。这种方法受惠于金属材料在太赫兹波段的低色散特性,因而能够完全配合高阻硅的带宽。然而,透射波也会同时被吸收,从而要以牺牲系统光强为代价来提高光谱分辨率。更关键的是,纳米级厚度的金属膜正处于刚刚成膜阶段,它的质量很难精确控制,因此其光电特性浮动较大,直接影响阻抗匹配以及减反效果。近年来,超材料(Metamaterials)也被运用到减反膜设计上,工艺复杂且主要针对单一波长。

新加坡材料研究工程研究所(Institute of Materials Research and Engineering)的滕京华博士及其研究团队结合超薄金属膜和超材料的概念,设计出一种工艺简单,高性能的一维深亚波长金属光栅来实现宽频太赫兹波段减反射膜。这种设计克服了超薄金属膜对材料本身的依赖,转而从超材料结构上调节阻抗匹配条件,并且减少了对透射波的吸收。这种方法在不增加工艺复杂度的条件下提高设设计上的灵活性。它不仅能够用于包括硅的多种基板材料上,而且可以广泛应用于其他不同的波段。