2.2　微结构中的异常辐射现象

由于表面微结构的尺寸效应，其会与入射电磁波发生一些耦合作用，产生异常的辐射现象。常见的异常辐射现象主要有表面等离子体激元、伍德异常和空腔谐振效应。

2.2.1　表面等离子体激元

等离子体激元是和等离子体振荡相关的准粒子，是带电粒子的集合［50］。等离子体激元既可以出现在物体表面，也能出现在物体内部，其呈现纵向激励的形式。表面等离子体的电磁场局限在表面附近，并且其振幅沿远离表面方向衰减。当入射电磁波的频率与物体等离子体频率相近时，就会激发表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons，SPPs）。

要激发表面等离子体激元，必须要满足下述的色散关系［51］：

对TM波，有

对TE波，有

式（2-34）表明，只有界面两侧的两种介质呈现正负号不同的介电常数时，TM波才能激发表面等离子体激元。也就是说，一种介质的介电常数为正数，而另一种介质的介电常数为负数，满足这个条件时，物体才能在TM波入射下激发表面等离子体激元。金属材料以及一些电介质材料如SiC和SiO2能在某些波段呈现负的介电常数。同样，式（2-35）表明，只有界面两侧的两种介质呈现正负号不同的磁导率时，TE波才能激发表面等离子体激元。也就是说，一种介质的磁导率为正数，而另一种介质的磁导率为负数，满足这个条件时，物体才能在TE波入射下激发表面等离子体激元。自然界中磁导率为负的材料非常罕见，但是可以通过构造超级材料以及负折射率材料来呈现负磁导率。

图2-5所示为金属一空气界面的表面等离子体激元示意图。图2-5中空气的介电常数为正，金属的介电常数为负；因此在TM波入射时，在金属—空气界面上能激发表面等离子体激元。对上述情况，可以通过下面的公式来预测表面等离子体激元出现的位置［52-53］：

式中：nd为空气的折射率（此处为1）；θ为入射角；j为衍射级次；λ为出现表面等离子体激元的波长；Λ为金属介质的周期；εm为金属介质的介电常数。

本文研究的周期性光栅结构的材料均为晶体硅，其介电常数和磁导率均为正数，所以不能激发表面等离子体激元。

2.2.2　伍德异常

图2-6所示为伍德异常（Wood's Anomaly，WA）现象的光谱图。1902年，伍德用一束光谱强度变化很小的光源照射一个光栅结构，发现如图2-6所示的现象：在一个很窄的波段，电磁波的振幅发生快速变化，谱带中出现明显的明暗条纹。这个现象就称为伍德异常［54］。

当有一个衍射级在掠射角处出现或消失时，就会产生伍德异常现象。伍德异常能引起反射光谱、透射光谱以及吸收光谱的突然变化，所以伍德异常能对物体的辐射特性产生极大的影响［54］。由于伍德异常的产生取决于衍射，所以TM波和TE波均能产生伍德异常。

伍德异常出现的位置可以通过下述公式来预测［11，55］：对一维光栅，有

对二维光栅，有

式中：λ为伍德异常出现的波长；Λ为光栅结构的周期；θ为入射角；φ为入射光的方位角；j、m和n为衍射级。

从式（2-37）和式（2-38）可以发现，伍德异常的激发只取决于物体的结构和入射光的方向。

2.2.3　空腔谐振效应

当空腔谐振效应（Cavity Resonance，CR）发生时，由于腔体中各个面的反射作用，入射电磁波能够和被反射的电磁波产生耦合作用，在一维光栅结构的狭缝中或者二维光栅结构的空腔中形成导波［56-58］，并且会产生很强的电磁场，此局部增强的电磁场会引起光栅吸收率的突然增加［50］。空腔谐振效应的激发取决于边界条件以及光栅结构。

一维光栅结构的狭缝中或者二维光栅结构的空腔中的空腔谐振效应能引起吸收光谱的增大，其峰值的位置可以通过下述公式来预测［22］：对一维光栅，有

对二维光栅，有

式中：a、b和c为正数（a和b=0、1、2…；c=0、1、3、5...）；Lx、Ly和Lz为狭缝或空腔的特征尺寸。

近年来，Zhang等人［50］对式（2-39）和式（2-40）的准确性提出了质疑，但至今仍未有明确的结论，关于空腔谐振效应的机理还未完善，有待进一步探索。

针对本文研究的结构、材料以及入射光的波段，空腔谐振效应是最有可能被激发以提高物体吸收特性的异常辐射现象。