第四章 實驗數據與分析
Part 3- 2.1：旋轉孔洞陣列
現在，我們將旋轉兩個不同長寬比的矩形孔洞，其中a矩形孔洞之長寬分別為 360 x 160μm2；b矩形孔洞之長寬分別為 800 x 160μm2。
參考 Fig4-17，我們旋轉 a 矩形孔洞陣列，而其中旋轉軸是垂直兆赫波的極化方 向(垂直旋轉)，從圖中，我們可以看出穿透率峰值持續的往低頻偏移，而穿透峰 值也一直下降。當旋轉軸平行兆赫波的極化方向時(平行旋轉)，雖然穿透峰值也 會往低頻偏移，但是偏移的量並沒有如此明顯，而且對於其它角度的穿透特性，
似乎是延著 0 度角的穿透率波包而變化(參考 Fig4-18)，這是在垂直旋轉中無法看 到的
接著旋轉 b 矩形孔洞陣列，我們觀察到非常特殊的現象。不論角度如何旋轉，其 穿透峰值的位置幾乎是持續不變(參考 Fig4-19，Fig4-20)，這是在 a 矩形孔洞無 法觀察到的。雖然對於 b 矩形孔洞而言，垂直旋轉和平行旋轉還是具有差異性，
但是其結果還是令人非常的訝異。
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0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Transmittance
Frequency (THz) 0o
6o 12o 18o
Fig4-17：垂直旋轉 a 矩形孔洞陣列後，穿透率對角度變化之作圖。其中孔洞的邊長為 360 x 160 μm，孔洞週期為 795 μm，厚度為 200 μm
0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Transmittance
Frequency (THz) 0o
6o 12o 18o
Fig4-18：平行旋轉 a 矩形孔洞陣列後，穿透率對角度變化之作圖。其中孔洞的邊長為 360 x 160 μm，孔洞週期為 795 μm，厚度為 200 μm
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0.1 0.2 0.3 0.4 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0.5
0o 6o 12o 18o
Transmittance
Freq (THz)
Fig4-19 垂直旋轉 b 矩形孔洞陣列，量測其穿透率特性。其中孔洞的邊長為 827 x 186 μm，孔洞 週期為 1012 μm，厚度為 200 μm。
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Transmittance
Freq (THz)
0o 6o 12o 18o
Fig4-20：平行旋轉 b 孔洞陣列，量測其穿透率特性。其中孔洞的邊長為 827 x 186 μm，孔洞週期 為 1012 μm，厚度為 200 μm。插圖顯示的為旋轉軸平行 THz 的極化方向。而 THz 的極化方向平
行矩形的短邊。
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為了可以明顯的比較出兩者的差異，我們將 a 矩形孔洞與 b 矩形孔洞之陣列穿透 率峰值頻率和穿透率做圖比較。根據上述，我們發現對於 a 矩形孔洞陣列，其穿 透峰值頻率變化與表面電漿模態的趨勢非常的吻合，雖然在數值上是有一些差距
(參考 Fig4-21(a))。但是，從這邊我們可以看到若是波導共振態和表面電漿態的 頻率互相接近時，可以很明顯的觀察到兩個模態的耦合現象。反之，當兩者的頻 率互相遠離時，兩者的耦合現象無法觀察到，於是穿透率峰值頻率對於角度的變 化 並 不 會 有 太 明 顯 的 差 別 ( 參 考 Fig4-22(a)) 。 再 比 較 穿 透 率 的 變 化 ( 參 考
Fig4-21(b)，Fig4-22(b))，我們知道若是表面電漿態和波導共振態沒有互相耦合 時，其穿透率峰值的變化並不明顯，而這有趣的現象對於我們未來要應用在兆赫 波的濾波器上是一項非常重要的資訊，尤其是矩形的孔洞具有極化選擇性，相信 在應用上是有很大的潛力。
(a) (b)
0 4 8 12 16 20
0.32 0.34 0.36 0.38 0.40 0.42 0.44
Peak frequency (THz)
Angle ( o ) Vertical Rotation SPP for Ver. Rot.
Parallel Rotation SPP for Par. Rot.
0 4 8 12 16 20
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Peak Value
Angle ( o )
vertical rotation parallel rotation
Fig4-21(a)：旋轉 a 樣品後，量測穿透率峰值頻率隨著角度變化的數據；(b)：穿透率峰值對角度 變化之作圖
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(a) (b)
0 4 8 12 16 20
0.12 0.15 0.18 0.21 0.24 0.27 0.30
Peak Freq. (THz)
Angle (Degree) vertical rotation
SPP fro Ver. Rot.
parallel rotation SPP for Para. Rot.
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
PeakValue
Angle (Degree) vertical rotation parallel rotation
Fig4-22(a)：旋轉 b 樣品後，量測穿透率峰值隨著角度變化的數據；(b)：穿透率峰值對角度變化
Part 5：薄樣品(thin film)
參考 Fig4-23，我們改變樣品厚度，得到
之作圖
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Transmittance
Frequency (THz)
Fig4-23：量測孔洞陣列的穿透率。其中孔洞直徑為 104 μm，週期為 292.6 μm，厚度為 0.15 μm。
的實驗數據，我們確實看到在厚度很薄的條件下，其穿透率與厚度較 厚的樣品有明顯的不同。但是因為基板不夠厚，導致時域上的二次反射訊號沒有 辦法扣除。這二次反射的訊號在頻域上的反應就造成 Fabry-Perot effect，故我們 綜合 part5
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可以在穿透率的特性上看到許多穿透峰值。現在，我們再透過單一圓形孔洞其穿 透率的變化觀察薄樣品孔洞陣列的特性。透過 Fig4-24，我們發現穿透率的趨勢 大致符合單一孔洞的結果。但是實驗數據在 0.3THz 具有較高的穿透率，我們初 步猜測這結果是來自於兆赫波和金屬孔洞陣列耦合的表面電漿態使得有更多能 量的兆赫波可以通過孔洞陣列。
0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Transmittance
Frequency (THz)
Fig4-24：單一圓形孔洞之穿透率(理論計算)。其中孔洞直徑為 104μm，厚度為 150nm
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第五章 結論
經由上述的實驗，我們發現當金屬孔洞陣列的厚度與兆赫波之波長相近時，由於 兆赫波段之金屬幾乎是趨近於完美導體，所以對於其穿透率的特性不能只單純的 考慮表面電漿所造成的影響，還必需考慮波導共振態的效應。透過改變金屬孔洞 形狀和陣列週期的實驗，我們觀察到金屬孔洞陣列的穿透特性有主要的兩個來 源，第一個是源自於波導共振態的影響，另一個是週期性結構所耦合出的表面波 態。藉由改變孔洞的形狀，我們可以知道波導共振態對於矩形結構具有最好的增 強效應。這現象與理論的假設是非常吻合。而對於不同形狀的孔洞，透過改變週 期，我們觀察到波導共振態與表面電漿態的互相耦合。當孔洞的截止頻率大於表 面電漿耦合頻率時，隨著差距越大，除了穿透峰值會越來越小之外，穿透率的頻 寬也大致為定值；反之當孔洞的截止頻率小於表面電漿耦合頻率時，穿透峰值會 呈現持平的狀態，而頻寬也隨著週期的遞減而增加。但是當兩個模態的頻率互相 遠離至無法耦合時，我們可以從旋轉角度的實驗中觀察到彼此之間就好像是個獨 立的模態而對穿透率的特性並不會有耦合的現象。最後，我們觀察厚度為 150 奈米的金屬孔洞陣列時，發現其穿透頻率遠遠的低於孔洞的截止頻率。若是考慮 在兆赫波範圍以及波導共振態理論時，這是一件非常有趣的現象。在厚度為 150 奈米的金屬孔洞陣列中，表面電漿態的耦合效率也因為樣品厚度的減少而更容易 被我們觀察到。
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