2.2　微結構中的異常輻射現象

由于表面微結構的尺寸效應，其會與入射電磁波發生一些耦合作用，產生異常的輻射現象。常見的異常輻射現象主要有表面等離子體激元、伍德異常和空腔諧振效應。

2.2.1　表面等離子體激元

等離子體激元是和等離子體振蕩相關的準粒子，是帶電粒子的集合［50］。等離子體激元既可以出現在物體表面，也能出現在物體內部，其呈現縱向激勵的形式。表面等離子體的電磁場局限在表面附近，并且其振幅沿遠離表面方向衰減。當入射電磁波的頻率與物體等離子體頻率相近時，就會激發表面等離子體激元（Surface Plasmon Polaritons，SPPs）。

要激發表面等離子體激元，必須要滿足下述的色散關系［51］：

對TM波，有

對TE波，有

式（2-34）表明，只有界面兩側的兩種介質呈現正負號不同的介電常數時，TM波才能激發表面等離子體激元。也就是說，一種介質的介電常數為正數，而另一種介質的介電常數為負數，滿足這個條件時，物體才能在TM波入射下激發表面等離子體激元。金屬材料以及一些電介質材料如SiC和SiO2能在某些波段呈現負的介電常數。同樣，式（2-35）表明，只有界面兩側的兩種介質呈現正負號不同的磁導率時，TE波才能激發表面等離子體激元。也就是說，一種介質的磁導率為正數，而另一種介質的磁導率為負數，滿足這個條件時，物體才能在TE波入射下激發表面等離子體激元。自然界中磁導率為負的材料非常罕見，但是可以通過構造超級材料以及負折射率材料來呈現負磁導率。

圖2-5所示為金屬一空氣界面的表面等離子體激元示意圖。圖2-5中空氣的介電常數為正，金屬的介電常數為負；因此在TM波入射時，在金屬—空氣界面上能激發表面等離子體激元。對上述情況，可以通過下面的公式來預測表面等離子體激元出現的位置［52-53］：

式中：nd為空氣的折射率（此處為1）；θ為入射角；j為衍射級次；λ為出現表面等離子體激元的波長；Λ為金屬介質的周期；εm為金屬介質的介電常數。

本文研究的周期性光柵結構的材料均為晶體硅，其介電常數和磁導率均為正數，所以不能激發表面等離子體激元。

2.2.2　伍德異常

圖2-6所示為伍德異常（Wood's Anomaly，WA）現象的光譜圖。1902年，伍德用一束光譜強度變化很小的光源照射一個光柵結構，發現如圖2-6所示的現象：在一個很窄的波段，電磁波的振幅發生快速變化，譜帶中出現明顯的明暗條紋。這個現象就稱為伍德異常［54］。

當有一個衍射級在掠射角處出現或消失時，就會產生伍德異常現象。伍德異常能引起反射光譜、透射光譜以及吸收光譜的突然變化，所以伍德異常能對物體的輻射特性產生極大的影響［54］。由于伍德異常的產生取決于衍射，所以TM波和TE波均能產生伍德異常。

伍德異常出現的位置可以通過下述公式來預測［11，55］：對一維光柵，有

對二維光柵，有

式中：λ為伍德異常出現的波長；Λ為光柵結構的周期；θ為入射角；φ為入射光的方位角；j、m和n為衍射級。

從式（2-37）和式（2-38）可以發現，伍德異常的激發只取決于物體的結構和入射光的方向。

2.2.3　空腔諧振效應

當空腔諧振效應（Cavity Resonance，CR）發生時，由于腔體中各個面的反射作用，入射電磁波能夠和被反射的電磁波產生耦合作用，在一維光柵結構的狹縫中或者二維光柵結構的空腔中形成導波［56-58］，并且會產生很強的電磁場，此局部增強的電磁場會引起光柵吸收率的突然增加［50］。空腔諧振效應的激發取決于邊界條件以及光柵結構。

一維光柵結構的狹縫中或者二維光柵結構的空腔中的空腔諧振效應能引起吸收光譜的增大，其峰值的位置可以通過下述公式來預測［22］：對一維光柵，有

對二維光柵，有

式中：a、b和c為正數（a和b=0、1、2…；c=0、1、3、5...）；Lx、Ly和Lz為狹縫或空腔的特征尺寸。

近年來，Zhang等人［50］對式（2-39）和式（2-40）的準確性提出了質疑，但至今仍未有明確的結論，關于空腔諧振效應的機理還未完善，有待進一步探索。

針對本文研究的結構、材料以及入射光的波段，空腔諧振效應是最有可能被激發以提高物體吸收特性的異常輻射現象。