Промышленное производство
Промышленный Интернет вещей | Промышленные материалы | Техническое обслуживание и ремонт оборудования | Промышленное программирование |
home  MfgRobots >> Промышленное производство >  >> Industrial materials >> Наноматериалы

Повышенная высокая производительность поляризатора метаповерхности посредством численного анализа характеристик деградации

Аннотация

Настоящая работа посвящена экспериментальным и численным исследованиям характеристик деградации метаповерхностного поляризатора. Метаповерхность имеет сложенную дополнительную структуру, которая демонстрирует высокий коэффициент экстинкции порядка 10 000 в ближней инфракрасной области. Однако его производительность со временем значительно ухудшилась. Чтобы выяснить причину этой деградации, численно исследуются эффекты шероховатости поверхности и потери металла. Деградация в основном объясняется увеличением потерь. Эти численные расчеты также показывают, что коэффициент экстинкции увеличивается за счет регулировки толщины дополнительных структур до различных значений. Это исследование открывает путь к созданию метаповерхностного поляризатора, который имеет низкую чувствительность к временной деградации и высокий коэффициент экстинкции.

Фон

Управление светом на наномасштабе широко исследовалось в нанооптике и нанофотонике. В результате до сих пор были предложены различные типы фотонных наноструктур. Например, нанополости фотонного кристалла (ФК) с ультравысоким коэффициентом качества (Q) [1] могут ограничивать свет в субволновой области. Подобно резонаторам ФК, высокие добротности реализуются за счет микродисковых [2, 3], сферических [4] и троидальных [5] резонаторов. Эти полости с высокой добротностью обычно состоят из прозрачных диэлектрических материалов. В отличие от этих диэлектрических полостей, металлические полости имеют низкую добротность, но могут уменьшать их полные размеры. В частности, плазмонные субволновые резонаторы важны для управления светом в очень малых масштабах [6]. Хотя плазмонные резонаторы имеют низкую добротность, они могут сжимать свет в глубокую субволновую область [7]. Ожидается, что этот чрезвычайно ограниченный свет станет ключом к объединению фотоники и электроники [8].

Помимо вышеупомянутых фотонных наноструктур, в последнее время большое внимание привлекают метаповерхности для создания высокофункциональных и ультратонких оптических устройств. Существуют различные типы метаповерхностей, которые управляют преломлением [9], отражением [10], фотолюминесценцией [11], флуоресценцией [12–14], волновыми пластинами [15] и светоделителями [16]. Состояние поляризации - одно из фундаментальных и важных свойств света, которым можно управлять с помощью метаповерхностей [17–22]. Численные и экспериментальные исследования показали, что метаповерхностный поляризатор с пакетной комплементарной структурой имеет высокий коэффициент экстинкции порядка 10 000 в ближней инфракрасной области [23–26]. Дополнительные структуры имеют резонансы примерно на одной длине волны в соответствии с принципом Бабине [27, 28]. Когда дополнительная структура находится в резонансе, который демонстрирует высокий коэффициент пропускания для определенной поляризации, другая структура находится вне резонанса, которая демонстрирует низкий коэффициент отражения для той же поляризации. В результате вся структура демонстрирует высокий коэффициент пропускания. Для ортогональной поляризации роль электрического и магнитного полей меняется, что приводит к высокому коэффициенту отражения. Таким образом, метаповерхность с дополнительными структурами демонстрирует высокий коэффициент экстинкции. Однако существует глубокая озабоченность по поводу стабильности и надежности этой высокой производительности, поскольку метаповерхность состоит из серебра, которое разлагается в атмосфере. Чтобы обойти эту проблему, альтернативным подходом является использование золота в качестве плазмонного материала, но это снижает производительность поляризатора из-за увеличения металлических потерь. Следовательно, для практических приложений необходимо учитывать стабильность и надежность метаповерхностного поляризатора.

В этой работе мы исследуем характеристики деградации метаповерхностного поляризатора. Мы показываем, что коэффициент экстинкции поляризатора ухудшается во времени. В качестве причины ухудшения качества мы обращаем внимание на влияние морфологии поверхности на высокие характеристики поляризатора. Для описания морфологии мы вводим две модели. Один описывает шероховатость поверхности периодической кривой с гауссовым белым шумом, а другой описывает шероховатость с помощью случайно распределенных наночастиц. Мы также исследовали влияние металлических потерь на высокие характеристики. В ходе этих численных расчетов мы выявили решающий фактор, вызывающий ухудшение характеристик, и предлагаем оптимизированный поляризатор метаповерхности с высоким коэффициентом экстинкции.

Методы / экспериментальные

Схема экспериментальной установки для измерения высокого коэффициента экстинкции показана на рис. 1. В качестве источника света использовался оптический параметрический генератор (OPO), накачиваемый лазером на Nd:YAG (железо-иттриевый гранат) с утроенной частотой (Optolette 355, Opotek). источник. Ширина импульса и частота следования составляли 7 нс и 20 Гц соответственно. Холостой свет от OPO фокусировался на образец линзой и линейно поляризовался призмой Глана-лазера (GLP). Проходящий холостой свет измерялся протяженным фотодетектором InGaAs (Edmund Optics). В этой оптической системе флуктуация интенсивности света от одиночного импульса вызывает плохое отношение сигнал / шум (S / N). Поэтому, чтобы устранить влияние этой флуктуации, мы измерили средний коэффициент пропускания одиночного импульса. Чтобы контролировать интенсивность света одиночного импульса, мы вставили пару пробоотборников пучка между линзой и GLP. Часть холостого света отражалась на втором пробоотборнике пучка (BS2), а затем снова отражалась на отражающем фильтре нейтральной плотности (ND), который регулировал интенсивность отраженного лазера, чтобы не повредить фотодетектор. Настроенный лазер падал на расширенный фотодетектор InGaAs (Edmund Optics) через отверстие, которое блокировало ненужный «фантомный» свет, отраженный от задней поверхности BS2 (см. Вставку на рис. 1). Первый пробоотборник луча служит компенсатором отклонения оптического пути.

Схема экспериментальной установки для измерения коэффициента экстинкции. Зеркало M, точечное отверстие PH, линза L, пробоотборник луча BS, демпфер луча BD, фильтр нейтральной плотности NDF, призма GLP-лазера Глана, детектор D

Используя эту установку, мы оценили коэффициент экстинкции следующим образом. Переданный сигнал рассчитывается как D 1 =(1− R BS2 ) Т GLP Т Образец Я , где R BS2 , Т GLP , Т Образец , и Я - это коэффициент отражения BS2, коэффициент пропускания GLP, коэффициент пропускания образца и интенсивность света перед BS2, соответственно. Расчетная интенсивность сигнала детектора 2 составляет D 2 = R BS2 R NDF Я , где R NDF - коэффициент отражения отражающего нейтрального фильтра. Обратите внимание, что интенсивность света уменьшается настолько, чтобы обнаруженный сигнал был пропорционален интенсивности света. Использование D 1 и D 2 , мы можем вычислить T Образец как

$$ \ begin {array} {@ {} rcl @ {}} T _ {\ text {Sample}} =\ frac {R _ {\ mathrm {BS2}} R _ {\ text {NDF}}} {1-R_ { \ mathrm {BS2}}} \ frac {1} {T _ {\ text {GLP}}} \ frac {D_ {1}} {D_ {2}}. \ end {массив} $$ (1)

Чтобы оценить T Образец , нам также необходимо измерить коэффициент отражения и пропускание оптических элементов, таких как пробоотборник луча. В этом нет необходимости, потому что мы сосредоточены на коэффициенте экстинкции, а именно на коэффициенте пропускания. Поворачивая образец на 90 ° и измеряя коэффициент пропускания на той же установке, мы можем просто получить коэффициент экстинкции η как

$$ \ begin {array} {@ {} rcl @ {}} \ eta =\ frac {T _ {\ text {Sample}} ^ {\ mathrm {H}}} {T _ {\ text {Sample}} ^ { \ mathrm {L}}} =\ frac {(D_ {1} / D_ {2}) ^ {\ mathrm {H}}} {(D_ {1} / D_ {2}) ^ {\ mathrm {L} }}, \ end {array} $$ (2)

где верхние индексы H и L указывают состояния поляризации с высоким и низким коэффициентом пропускания соответственно. В этой статье мы измерили отношение D 1 / D 2 для состояний ортогональной поляризации и оценили коэффициент экстинкции η .

Для подтверждения достоверности измеренных данных мы выполнили численные расчеты на основе строгого анализа связанных волн (RCWA), объединенного с методом матрицы рассеяния [29, 30] и обратным методом Фурье [31]. Диэлектрические проницаемости Ag и кремнезема были получены из [32] и [33] соответственно. Количество векторов обратной решетки, использованных в расчетах, составляло 2601.

Для расчета коэффициента пропускания грубых металлических конструкций использовалась коммерческая программа COMSOL Multiphysics, основанная на методе конечных элементов. В предыдущей работе [34] влияние шероховатости на оптический отклик описывается увеличением мнимой части диэлектрической проницаемости металла. В этой статье, помимо увеличения металлических потерь, мы также рассмотрели прямое влияние структурных изменений, сопровождаемых шероховатостью, на коэффициент пропускания. Мы рассмотрели эти два эффекта по отдельности. При рассмотрении только эффектов структурных изменений мы применили объемную диэлектрическую проницаемость к металлическим структурам с шероховатостями. С другой стороны, рассматривая только эффекты увеличенных потерь, мы применили модифицированную диэлектрическую проницаемость к металлическим структурам без шероховатостей. Мы установили относительный допуск численных расчетов менее 1%.

Результаты и обсуждение

На рис. 2а представлена ​​схема трехслойного метаповерхностного поляризатора. Первый слой имеет структуру, дополняющую третий слой (см. Рис. 2b), причем оба слоя содержат серебро (Ag). Второй слой и подложка содержат кремнезем (SiO 2 ). Как показано на рис. 1c, метаповерхность имеет массив из пары прямоугольных отверстий (150 нм × 540 нм) и имеет период 900 нм в области x и y направления. Толщина металлического и диэлектрического слоев составляет 45 и 200 нм соответственно (см. Рис. 2г). Образец был приготовлен методом наноимпринт-литографии в сочетании с последующими методами сухого травления [35]. Подробности подготовки образцов описаны в [26]. На рисунке 3 показаны изображения подготовленного образца, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ).

Схема метаповерхностного поляризатора ( a ), состоящий из трех слоев ( b ). Метаповерхность имеет массив пар прямоугольных отверстий с периодом 900 нм в x и y направления ( c ). Толщина металлического и диэлектрического слоев составляет 45 и 200 нм соответственно ( d )

SEM-изображение a поляризатор метаповерхности и b увеличенное изображение

Мы использовали спектрофотометр (V-7200, JASCO, Япония) для измерения пропускания образца для x и y поляризации. На рисунке 4 показаны результаты измерений. Синяя и зеленая линии указывают коэффициент пропускания для x и y поляризации соответственно. Синяя линия, соответствующая высокому коэффициенту пропускания, измерена при высоком отношении сигнал / шум. Однако зеленая линия, соответствующая низкому коэффициенту пропускания, страдает от низкого отношения сигнал / шум, что указывает на то, что поляризатор имеет высокий коэффициент ослабления. В частности, зеленая линия имеет отрицательные сигналы на длинах волн более 1350 нм, потому что интенсивность проходящего света ниже уровня шума спектрофотометра. Следовательно, мы использовали оптическую систему, описанную в предыдущем разделе, для измерения высокого коэффициента экстинкции.

Спектры пропускания, измеренные спектрофотометром. Синяя и зеленая линии - это спектры для x и y поляризации соответственно

На рисунке 5a показаны измеренные спектры пропускания для x и y поляризации. Синяя линия, соответствующая высокому коэффициенту пропускания, имеет такой же спектральный профиль, что и коэффициент пропускания, измеренный спектрофотометром. Зеленая линия, соответствующая низкому коэффициенту пропускания, имеет четкий провал около длины волны 1625 нм, который не был измерен спектрофотометром. Разделив коэффициент пропускания на x поляризация для y поляризации, мы оценили спектр отношения экстинкции, показанный на рис. 5б. Спектр коэффициента экстинкции имеет пиковое значение, превышающее 20 000 на длине волны 1640 нм.

а Спектры пропускания для x (синий) и y (зеленый) поляризации, измеренные с помощью установки, показанной на рис. 1. b Спектр отношения экстинкции метаповерхностного поляризатора

Чтобы оценить достоверность измеренных данных, мы сравнили измеренные спектры с результатами численных расчетов. Как показано на рис. 6а, спектр с высоким коэффициентом пропускания соответствовал спектрам, измеренным спектрофотометром. Спектр с низким коэффициентом пропускания, отображаемый в логарифмической шкале, имеет явный провал около длины волны 1640 нм. Эта особенность хорошо согласуется с наблюдаемым спектром. Спектр степени экстинкции, показанный на рис. 6b, имеет пик 15000, что близко к наблюдаемому значению. Таким образом, измеренные спектры коэффициента пропускания и коэффициента экстинкции согласуются с результатами численных расчетов, указывая на то, что мы успешно наблюдали высокий коэффициент экстинкции, превышающий 20 000.

Результаты численного расчета а коэффициент пропускания и b Спектры степени экстинкции. Синие и зеленые линии в a соответствуют x и y поляризации соответственно

После экспериментальной демонстрации метаповерхности с высоким коэффициентом экстинкции, мы сосредоточимся на устойчивости к временной деградации, поскольку метаповерхность содержит Ag, который подвержен деградации в атмосфере. На рис. 7 показано изменение коэффициента экстинкции во времени. Красная, зеленая и синяя линии представляют собой спектры коэффициента экстинкции, наблюдаемые через 6, 7 и 9 дней после осаждения металла соответственно. Красная линия имеет пиковое значение, превышающее 20 000. После одного дня измерения красной линии коэффициент экстинкции ухудшился, но все еще имел пиковое значение, превышающее 10 000. Однако через два дня после измерения зеленой линии коэффициент экстинкции значительно ухудшился и достиг пикового значения 500. Синяя линия имеет расширенную ширину, что указывает на то, что увеличение потерь будет связано с этим ухудшением. Таким образом, коэффициент ослабления резко ухудшился, а характеристики ухудшились на один порядок. Мы также обнаружили смещенные в синий цвет пики спектров коэффициента экстинкции после деградации. Описывается исследование решающего фактора, связанного с ухудшением производительности.

Ухудшение во времени коэффициента экстинкции. Красная, зеленая и синяя линии представляют собой спектры коэффициента экстинкции через 6, 7 и 9 дней после осаждения металла

Деградация происходила быстро, и ширина линий спектров экстинкции расширялась, указывая на то, что в этот процесс деградации будут вовлечены некоторые структурные изменения. Поэтому мы исследуем, каким образом морфология поверхности металлической наноструктуры влияет на характеристики поляризатора. Для описания морфологии мы вводим две модели. Один описывает поверхность периодической кривой с гауссовым белым шумом, а другой - случайно распределенными наночастицами.

Сначала исследуем модель с помощью периодической кривой. На рис. 8а изображена смоделированная поверхность. Мы добавили шероховатость только в нижний металлический слой, чтобы сэкономить время процессора и ресурсы памяти. Из-за шероховатой поверхности эффективная толщина металлического слоя варьируется. Поэтому мы варьировали толщину нижнего слоя, обозначенную зеленой стрелкой на рис. 8б. На рис. 9а, б показаны спектры пропускания и коэффициента экстинкции этой структуры соответственно. Даже при наличии шероховатости поляризатор на метаповерхности имеет высокие коэффициенты экстинкции порядка 10 000, что указывает на то, что шероховатость существенно не ухудшает характеристики. Численные расчеты также показали смещенные в красную область спектры степени экстинкции при уменьшении толщины. Это красное смещение объясняется спектральными особенностями пропускания, показанными на рис. 9а. Высокий коэффициент пропускания имеет очень низкую чувствительность по отношению к изменению толщины металла, в то время как низкий коэффициент пропускания имеет положение провала со смещением в красную область при уменьшении толщины. Положение пика коэффициента экстинкции зависит от падения низкого коэффициента пропускания, что приводит к красному смещению. Красное смещение, появившееся в расчетах, не согласуется с экспериментально наблюдаемой особенностью синего смещения.

а Шероховатая поверхность моделируется с использованием периодической кривой с гауссовым белым шумом. б Толщина основания, указанная зеленой стрелкой, изменяется при расчете

а Коэффициент пропускания и b Спектры коэффициента экстинкции первой модели показаны на рис. 8. Базовая толщина нижнего металлического слоя варьируется от 40 до 55 нм с шагом 5 нм

Во-вторых, мы исследуем модель с помощью наночастиц. На рисунке 10a изображена смоделированная поверхность, где наночастицы с радиусами 15, 20 и 25 нм случайным образом распределены по поверхности нижней металлической структуры, как показано на рисунке 10b. Наночастицы в форме полусферы размещались на поверхности в соответствии с равномерно распределенными случайными числами. При случайном распределении некоторые частицы имеют небольшое пространственное перекрытие, и размер ячейки между частицами становится чрезвычайно требовательным к памяти. В этом случае для экономии памяти мы вручную сдвинули одну из частиц и уменьшили размер сетки. Мы установили толщину нижней структуры 40 нм. На рис. 11а, б показаны спектры пропускания и коэффициента экстинкции этой структуры соответственно. Как и в первой модели, спектр коэффициента экстинкции имеет пиковое значение порядка 10 000 и существенно не ухудшается. Пик с красным смещением также появлялся в присутствии наночастиц. Эти особенности также совпадают с наблюдаемыми в первой модели, но они не согласуются с экспериментальным результатом характеристик деградации и синего сдвига.

а Вид сверху и б вид с высоты птичьего полета на шероховатую поверхность, смоделированную с использованием случайно распределенных наночастиц

а Коэффициент пропускания и b Спектры экстинкции второй модели показаны на рис. 10

На этом этапе мы численно показали, что изменение морфологии поверхности не приводит к значительному ухудшению характеристик поляризатора метаповерхности. Такая устойчивость морфологии объясняется принципом Бабине. Принцип Бабине относится не к морфологии поверхности, а к экранам дополнительных структур. На высокопроизводительный поляризатор, основанный на этом принципе, не сильно влияет морфология, потому что экраны неизменны даже при наличии шероховатости поверхности, что приводит к устойчивости к морфологии. Следовательно, в качестве источника деградации необходимо учитывать еще один эффект морфологии поверхности. Здесь мы сосредотачиваемся на металлических потерях, связанных с морфологией. С увеличением шероховатости поверхности мнимая часть Ag увеличивается из-за поверхностного рассеяния и зернограничных эффектов [36, 37]. Это увеличение потерь объясняется постоянной демпфирования модели Друде, описываемой как γ = ρ нет е 2 / м e , где ρ , n , e , и м e представляют собой соответственно удельное электрическое сопротивление, плотность электронов, заряд электрона и эффективную массу электрона. Удельное сопротивление состоит из двух членов. Один - это объемное удельное сопротивление, а другой - поверхностное. Поверхностное сопротивление ρ s обратно пропорциональна боковой корреляционной длине ξ , а именно ρ s ξ -1 [38]. С увеличением шероховатости длина боковой корреляции ξ уменьшается, что приводит к более высокому удельному сопротивлению поверхности и потерям металла. Этот физический механизм не был включен в расчет, поскольку использовалось периодическое граничное условие и предполагалась грубая периодическая структура. Мы рассматриваем влияние этого увеличения металлических потерь на коэффициент экстинкции и изменяем диэлектрическую проницаемость Ag следующим образом:

$$ \ begin {array} {@ {} rcl @ {}} \ tilde {\ epsilon} _ {\ text {Ag}} =\ text {Re} \ left (\ epsilon _ {\ text {Ag}} \ right ) + C \ times \ text {Im} \ left (\ epsilon _ {\ text {Ag}} \ right) \ mathrm {i}, \ end {array} $$ (3)

где ε Ag - диэлектрическая проницаемость Ag, полученная из [32], C - постоянная, представляющая увеличение металлических потерь, а i обозначает мнимую единицу. Обратите внимание, что действительная часть диэлектрической проницаемости должна быть изменена вслед за увеличением мнимой части, потому что действительная и мнимая части связаны соотношением Крамерса – Кронига. В этом исследовании мы изменили только воображаемую часть для качественного обсуждения. Используя эту модифицированную диэлектрическую проницаемость, мы рассчитываем спектр отношения экстинкции. Этот результат показан на рис. 12, на котором константа C изменяется от 1 до 5. Степень экстинкции резко уменьшается с увеличением металлических потерь. Кроме того, положение пика спектра демонстрирует смещение в синий цвет с увеличением потерь. Эти особенности резкой деградации и синего сдвига хорошо согласуются с экспериментально наблюдаемыми особенностями. Происхождение этого синего сдвига объясняется следующим образом. Значение провала низкого коэффициента пропускания становится все более мелким с увеличением металлических потерь. В результате увеличивается вклад пикового значения высокого коэффициента пропускания в коэффициент экстинкции. Положение пика сильно нечувствительно к металлическим потерям и имеет более короткую длину волны, чем положение провала, что приводит к синему смещению спектра экстинкции. Таким образом, мы обнаружили, что увеличение мнимой части является решающим фактором, ответственным за деградацию.

Зависимость спектров экстинкции от металлических потерь. Черная, красная, синяя, зеленая и пурпурная линии соответствуют случаю C =1,2,3,4 и 5 соответственно

Мы предлагаем увеличить коэффициент экстинкции, варьируя толщину дополнительных металлических слоев. Положение пика высокого коэффициента пропускания находится на более короткой длине волны, чем положение провала низкого коэффициента пропускания. Для увеличения коэффициента экстинкции эти положения пика и провала должны быть близки друг к другу. Согласно принципу Бабине, пик и провал должны быть на одной длине волны. Однако этот принцип предполагает, что дополнительные структуры содержат идеальный электрический проводник бесконечно тонкой толщины, что трудно подтвердить в оптической области даже в приближении. В результате дополнительные структуры имеют разные резонансные длины волн. Для настройки длин волн мы рассматриваем характеристики собственных мод, ответственных за резонансы. На рис. 13a, b показаны картины распределения электрического и магнитного полей в положениях пика и падения коэффициента пропускания, показанных на рис. 6, соответственно. Эти распределения полей изображены в z - x самолет в точке y =0 при интенсивности падающего света 1 Вт. Собственная мода с высоким коэффициентом пропускания имеет характеристику электрического диполя в верхней металлической структуре, а мода с низким коэффициентом пропускания имеет характеристику магнитной петли в нижней структуре. Резонансная длина волны для высокого коэффициента пропускания определяется шириной воздушного отверстия в z - x самолет. Это фиксированный параметр, и его невозможно изменить. С другой стороны, длина волны резонанса для низкого коэффициента пропускания определяется поперечным сечением нижней структуры в z - x самолет. Это регулируется изменением толщины металла. Эти регулировки согласуются с зависимостью пропускания от толщины, при которой положение пика высокого пропускания имеет низкую чувствительность к толщине нижнего металлического слоя, в то время как положение провала при низком пропускании имеет высокую чувствительность. Основываясь на этом анализе, мы регулируем длину волны следующим образом. С увеличением толщины поперечное сечение увеличивается, и резонансная длина волны с низким коэффициентом пропускания смещается в сторону более коротких длин волн. В результате положения пика и падения становятся близкими, а коэффициент экстинкции увеличивается. Для подтверждения этого мы рассчитали зависимость спектров пропускания и экстинкции от толщины. В этом расчете мы зафиксировали толщину верхнего металлического слоя равной 45 нм. На рисунке 14a показаны спектры пропускания для x и y поляризации. С увеличением толщины положение провала с низким коэффициентом пропускания смещается в сторону более коротких волн, а провал становится глубже. С другой стороны, на положение пика высокого коэффициента пропускания не сильно влияет изменение толщины, даже если значение пика уменьшается на ~ 5%. На рис. 14б показаны спектры степени экстинкции. Когда толщина составляет 35 или 40 нм, провал низкого коэффициента пропускания становится меньше, чем угол 45 нм, что приводит к более низкому коэффициенту экстинкции. При толщине 50 или 55 нм улучшения почти нет. Это связано с тем, что усиление за счет регулировки положений пика и падения нивелируется уменьшением пикового значения высокого коэффициента пропускания. Когда толщина составляет 60 или 65 нм, наблюдается явное увеличение коэффициента экстинкции. Это связано с комбинацией более глубокого значения падения и улучшения за счет регулировки положения. Как мы показали численно, дальнейшее увеличение коэффициента экстинкции может быть реализовано путем регулирования толщины дополнительных металлических структур. Такая варьирующаяся толщина может быть реализована путем повторного осаждения металла. Во-первых, наплавка металла толщиной a проводится на узорчатой ​​основе. Затем, протерев чистой тканью, с поверхности подложки удаляется только верхний металлический слой толщиной a . . Впоследствии нанесение металла толщиной b проводится по образцу. В результате толщина верхнего и нижнего слоев становится b и a + b соответственно.

а Схема распределения электрического поля на пике высокого коэффициента пропускания, показанная на фиг. 6. b Картина распределения магнитного поля на провале низкого коэффициента пропускания, показанная на рис. 6. Псевдоцвет указывает на интенсивность векторного поля

а Коэффициент пропускания и b спектры коэффициента экстинкции, когда дополнительные металлические слои имеют разную толщину. Толщина верхнего металлического слоя фиксируется равной 45 нм, а толщина нижнего слоя изменяется от 35 до 65 нм с шагом 5 нм (см. Вставку в b )

Выводы

Мы исследовали характеристики деградации высокоэффективного метаповерхностного поляризатора. Подготовленная метаповерхность показала высокий коэффициент экстинкции порядка 10 000. Мы отметили, что производительность постепенно ухудшалась. Чтобы прояснить происхождение этой деградации, мы исследовали влияние морфологии поверхности на коэффициент экстинкции. Были представлены две модели для описания морфологии поверхности. Один моделирует шероховатую поверхность комбинацией периодической кривой и гауссовского белого шума, а другой моделирует поверхность случайно распределенными наночастицами. Обе модели показали, что высокие характеристики не ухудшаются из-за шероховатости поверхности. Это связано с тем, что высокий коэффициент экстинкции регулируется принципом Бабине, что обеспечивает устойчивость морфологии поверхности. We have also investigated the relation between the extinction ratio and the increase in metallic loss because of the surface roughness, which showed drastic degradation of the extinction ratio. The spectral feature of the blue-shift was also reproduced by the numerical calculation, indicating that the degradation is due to the increase in the metallic loss. From this result, we find that the metal deposition should be conducted to reduce the scattering and grain boundary losses that are related to the roughness. Throughout the numerical calculation, we have found that the low transmittance has a high sensitivity to the surface morphology, while the high transmittance does not have the high sensitivity. By utilizing these findings, we proposed that the extinction ratio can be enhanced by varying the thicknesses of the metallic layers. This study paves a way for the development of a metasurface with a high performance and stability toward time degradation.

Сокращения

BS:

Beam sampler

GLP:

Glan-laser prism

NDF:

Neural density filter

OPO:

Optical parametric oscillator

PhC:

Photonic crystal

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

YAG:

Yttrium iron garnet


Наноматериалы

  1. Основы анализа вибрации
  2. Характеристики стекловолокна
  3. Высокоэффективные пластмассы в полупроводниковой промышленности
  4. Vespel®:аэрокосмический материал
  5. Полностью диэлектрическая фазово-градиентная метаповерхность, обеспечивающая высокоэффективную аномальну…
  6. Высокие фотокаталитические характеристики двух типов композитных фотокатализаторов TiO2, модифицированных г…
  7. Улучшенное фотоэлектрохимическое определение мочевой кислоты на электроде из стеклоуглерода, модифицирова…
  8. ProtoPumpkins сквозь годы
  9. Высокопроизводительная токарная обработка
  10. Важность анализа первопричин