Проектирование узких дискретных расстояний двух- / трехдиапазонных поглотителей терагерцового метаматериала

Введение

Совершенные поглотители из метаматериалов (сокращенно MPA), являющиеся важной частью оптических абсорбционных устройств, привлекли значительную исследовательскую деятельность, поскольку они обладают многими преимуществами по сравнению с другими, такими как поглощение ~ 100%, сверхтонкая толщина диэлектрического слоя, узкая полоса поглощения и свобода разработка структуры рисунка [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]. Первая концепция конструкции MPA [13], состоящая из многослойной структуры из электрического кольцевого резонатора, изоляционного диэлектрического слоя и металлической полосы, была представлена ​​исследовательской группой из Бостонского колледжа в 2008 году. степень поглощения более 88% на частоте 11,5 ГГц может быть получена экспериментально. Толщина диэлектрика устройства составляет всего около 1/35 длины волны поглощения, что намного меньше, чем у предыдущих устройств поглощения. MPA с этими функциями потенциально может использоваться в болометре, зондировании, обнаружении и визуализации. Однако узкий угол приема, поляризационная чувствительность и характеристика однополосного поглощения являются недостатками представленных MPA.

Чтобы преодолеть эти проблемы [14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24], было предложено множество работ по разработке широкоугольных, нечувствительных к поляризации, многополосных и даже широкополосных MPA за счет разумной оптимизации конструкции конструкций. Например, широкоугольный оптический MPA на основе одномерного стека резонансной структуры был предложен в [3]. [18]. Были продемонстрированы вложенные металлические кольцевые резонаторы для получения многозонного резонансного поглощения [19,20,21,22,23]. В процессе разработки и исследования абсорбционных устройств, многодиапазонных MPA, которые могут быть использованы для обнаружения некоторых опасных грузов (динамит, детонатор и алкоголь), спектроскопической визуализации (различные типы контролируемых ножей), зондирования и селективного болометра, получили огромное внимание [19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30].

Вообще говоря, для создания многополосных MPA можно использовать три вида методов. Первый метод, обычно называемый методом компланарной конструкции, состоит из нескольких резонаторов разного размера в суперблочной структуре [19,20,21,22,23,24,25,26]. Второй метод называется вертикальным штабелированием, состоящий из чередующихся стопок элементов нескольких дискретных размеров [27,28,29,30]. Третий - комбинация первых двух методов [31, 32]. Хотя эти подходы могут процветать и развивать многополосные MPA, дискретные расстояния резонансных частот соседних пиков поглощения довольно велики. Большое дискретное расстояние в двух соседних частотах неизбежно приведет к упущению большого количества информации, скрытой в нерезонансных областях, то есть в дискретных областях. Следовательно, чтобы избежать потери информации, необходимо преодолеть большое дискретное расстояние многополосных MPA. Хотя дискретные расстояния многополосных MPA могут быть уменьшены путем соответствующей оптимизации структуры, внерезонансные области их поглощения относительно велики (более 60%), их следует называть широкополосными MPA [33,34,35,36 , 37,38,39,40], а не многодиапазонных MPA. Как всем известно, многополосные и широкополосные MPA существенно различаются в своих приложениях. Следовательно, необходимо обеспечить низкие коэффициенты поглощения (менее 60%) внерезонансных областей при оптимизации для уменьшения дискретных расстояний.

Фактически, относительное дискретное расстояние должно быть более значимым, чем дискретное расстояние, потому что оно может отражать истинную информацию о двух соседних частотах. Относительное дискретное расстояние (△) двух соседних пиков можно определить как =2 ( f ₂ - е ₁ ) / ( f ₁ + f ₂ ), где f ₁ и f ₂ - частоты двух соседних пиков. Чтобы гарантировать △> 0, частота f ₂ должно быть выше, чем у f ₁ . Согласно этому определению минимальные значения △ предыдущих многодиапазонных MPA обычно составляют не менее 50% [19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30], которые являются далеко не удовлетворительно исследовать и исследовать скрытые сообщения в областях соседних частот. Поэтому очень разумно разработать многополосные MPA с очень близкими частотами или низкими значениями △.

В этой статье мы представляем низкое значение двухдиапазонного терагерцового MPA, образованного двухслойным набором полосок Au и изоляционных диэлектрических слоев, поддерживаемых сплошной плоскостью Au. Получены два почти идеальных пика поглощения с дискретным расстоянием всего 0,30 ТГц. Значение устройства составляет 13,33%, что составляет лишь 1/4 от предыдущего минимального значения MPA, а значение можно настроить путем изменения размеров полосок золота. Его значение △ может быть уменьшено до 6,45%, что намного меньше, чем у предыдущих МОР. Узкое дискретное расстояние или низкое значение △ двухдиапазонного MPA вызвано сверхузкой полосой пропускания каждой резонансной полосы. Кроме того, мы представляем два низких значения △ трехзонного MPA путем наложения еще одной полосы Au. Могут быть реализованы два узких дискретных расстояния всего 0,14 ТГц и 0,17 ТГц в трех почти идеальных пиках поглощения; значения △ соседних частот трехдиапазонных MPA составляют соответственно 6.57% и 7.22%, что меньше, чем в предыдущих работах. Низкие значения △ этих MPA могут найти ряд применений при исследовании некоторой неявной информации в областях внерезонансного поглощения.

Методы / экспериментальные

В общем, ширина полосы (относится к FWHM, полная волна на половине максимума) однополосного MPA относительно велика, которая может достигать 20% центральной резонансной частоты из-за сильного резонансного отклика метаматериалов. Комбинация этих однополосных пиков с образованием многополосных MPA неизбежно имеет большие значения дискретного расстояния или. Вот почему предыдущие многодиапазонные MPA имели большие значения. Ключом к получению низких значений является разработка узкой полосы пропускания однодиапазонных MPA. Здесь мы сначала проектируем такой однодиапазонный MPA. Обычная многослойная структура, образованная резонатором из золота и диэлектрическим материалом определенной толщины, поддерживаемым зеркалом из золота, используется для достижения однополосного поглощения, как показано на рис. 1а. Резонатор Au представляет собой прямоугольную полосовую структуру, см. Рис. 1б. Имеет длину l =39 мкм, ширина w =8 мкм, толщина 0,4 мкм, проводимость 4,09 × 10 ⁷ См / м. MPA имеет единичный период P =60 мкм. Толщина диэлектрической плиты t =2 мкм и диэлектрическая проницаемость 3 (1 + i 0,001).

Виды сбоку на однодиапазонный, двухдиапазонный и трехдиапазонный MPA соответственно представлены на a . , c , и d ; б показывает вид сверху на полосовой Au-резонатор

Чтобы представить резонансные характеристики предлагаемого устройства и объяснить задействованный физический механизм, мы выполнили численные расчеты с использованием коммерческого программного обеспечения для моделирования FDTD Solutions, которое основано на конечно-разностном алгоритме во временной области. В вычислительном процессе используются периодические граничные условия в обоих направлениях x - и y -оси для характеристики периодического расположения элементарной ячейки, в то время как идеально согласованные слои используются вдоль направления z -ось (то есть направление распространения света), чтобы исключить ненужное рассеяние. Поглощение ( A ) устройства может быть задано как A =1 - T - R , где T и R - пропускание и отражение поглотителя из метаматериала соответственно. Поскольку толщина нижней металлической пленки больше, чем толщина падающего света, коэффициент пропускания T поглотителя из метаматериала равна нулю. В результате поглощение A можно упростить до A =1 - R . Предлагаемое устройство может иметь 100% поглощение при отражении R полностью подавлен.

Результаты и обсуждение

Кривая поглощения однозонного МПА при облучении плоской волной представлена ​​на рис. 2а; Получено ~ 100% поглощение одиночного резонансного пика на частоте 2,25 ТГц. Полоса пропускания устройства составляет 0,06 ТГц, что составляет всего 2,67% от центральной резонансной частоты и составляет примерно 1/8 от предыдущего однодиапазонного MPA [1,2,3,4,5,6,7,8,9 , 10,11,12,13]. Кроме того, Q (определяется как резонансная частота, разделенная на полосу пропускания) значение устройства может достигать 37,50. Сверхузкая полоса пропускания (или высокий Q value) MPA не только способствует применению самого устройства, но также помогает при разработке многополосных MPA с низким значением △. На рис. 2b, c и d представлены распределения поля резонансного пика. Как показано, его магнитное поле (| H y |) на рис. 2b в основном сосредоточен в изоляционном диэлектрическом слое MPA, и сильное усиление электрического поля можно наблюдать с обеих сторон Au-резонатора вдоль длинной оси (см. рис. 2c, d). Эти особенности распределения поля указывают на то, что большое поглощение света в узкой полосе пропускания MPA связано с магнитным резонансом [1,2,3,4].

Кривая поглощения однодиапазонного МПА при облучении плоской волной представлена ​​в а .; б , c , и d дают распределения полей | H у |, | E | и E z на пике 2,25 ТГц соответственно

Затем мы исследуем, имеет ли комбинация этих узких полос пропускания MPA возможность реализовать низкую ценность многополосных MPA. Для получения многополосных MPA используется концепция вертикального стека как разновидность часто используемого метода. Примером простейшего типа является случай двухзонного поглощения. На рис. 1в представлена ​​структурная модель двухзонного поглощения, вид сбоку. Как показано, два слоя металлических полосовых резонаторов и изоляционные диэлектрические плиты поочередно уложены друг на друга на металлической заземляющей поверхности. Длины двух полосок Au соответственно равны l . ₁ =36 мкм и l ₂ =39 мкм; ширина их фиксирована как w =8 мкм. Толщина диэлектрических плит t ₁ =1,4 мкм и t ₂ =2 мкм. Другие параметры двухдиапазонного MPA, включая единичный период, диэлектрическую проницаемость пластины, толщину и проводимость лент Au, такие же, как и у однополосного MPA.

Кривая поглощения двухзонного МПА при облучении плоской волной представлена ​​на рис. 3а. В отличие от случая однодиапазонного MPA на рис. 2а, достигаются два резонансных пика со скоростью поглощения ~ 100% на частотах 2,10 ТГц и 2,40 ТГц. Ширина полосы двух пиков составляет соответственно 0,05 ТГц и 0,09 ТГц, что составляет лишь 2,00% и 3,75% соответствующих резонансных частот соответственно. Q значения двух пиков составляют 42,00 и 26,67 соответственно. Кроме того, нерезонансное поглощение двух пиков очень низкое, менее 12%. Эти особенности показывают, что можно четко различить два пика с узкой полосой пропускания. Важно, что дискретное расстояние между двумя пиками составляет всего 0,30 ТГц, а его составляет 13,33%, что меньше, чем в предыдущих работах [19,20,21,22,23,24,25,26,27, 28,29,30]. Низкое значение △ двухдиапазонного MPA многообещающе во многих областях техники и технологий. Резонансные механизмы двух пиков поглощения могут быть выяснены путем анализа их магнитных полей | H у |. Поле | H y | первый пик в основном сосредоточен на второй диэлектрической пластине двухдиапазонного MPA, в то время как поле в первом диэлектрическом слое имеет очень небольшой процент (см. рис. 3b). Характеристики распределения поля доказывают, что первая мода поглощения связана с магнитным резонансом второго диэлектрического слоя или первая пиковая частота вызвана длиной металлической полосы l ₂ (см. рис. 3e). В отличие от случая первой резонансной моды, | H y | поле второй моды в первую очередь распределяется в первом слое диэлектрической пластины (см. рис. 3c), что указывает на то, что эта мода является производной от магнитного резонанса первой диэлектрической пластины, или ее резонансная частота может быть настроена путем изменения размера длина полосы l ₁ (см. рис. 3d) и, таким образом, настройте значение △ двухдиапазонного MPA.

Кривая поглощения двухдиапазонного МПА при облучении плоской волной представлена ​​на а .; б и c укажите | H y | распределения поля первого и второго режимов двухдиапазонного МПА соответственно. Кривые поглощения двухдиапазонного MPA при разной длине l ₁ и l ₂ показаны в d и е соответственно

Значения △ двухдиапазонного MPA можно регулировать путем изменения размеров полосок Au, поскольку частоты двух мод в основном зависят от соответствующих размеров полос. Например, для длины l ₁ изменение первого слоя полосы Au (см. рис. 3d), частота второй моды постепенно уменьшается с увеличением l ₁ , а сдвигом частоты первой моды можно пренебречь, поскольку ее размер фиксирован. Дискретные расстояния между двумя пиками меняются из-за сдвига частоты второй моды. Более конкретно, дискретные расстояния могут быть уменьшены с 0,41 ТГц за л ₁ =От 33 мкм до 0,30 ТГц в л ₁ =36 мкм и 0,23 ТГц в л ₁ =39 мкм. Значения △ двухдиапазонного MPA также могут быть уменьшены с 17,41% в l ₁ =33 мкм до 13,33% дюйм l ₁ =36 мкм и 10,38% в l ₁ =39 мкм. То есть длина полосы l ₁ изменение может уменьшить дискретные расстояния и значения △. Аналогично длина полосы l ₂ изменение влияет только на соответствующую ему резонансную частоту, т. е. на первую резонансную моду, см. рис. 3e. Дискретные расстояния и значения △ двухдиапазонного MPA уменьшаются на l ₂ уменьшаются, потому что частота первой моды с уменьшением l ₂ постепенно приближается ко вторым пикам поглощения, как показано на рис. 3д. Когда l ₂ =36 мкм дискретное расстояние имеет наименьшее значение, которое составляет 0,15 ТГц. На данный момент его значение △ составляет всего 6,45%, что меньше, чем в предыдущих отчетах. Эти результаты доказывают, что дискретными расстояниями (или значениями) двухдиапазонного MPA можно управлять в соответствии с требованиями различных приложений путем настройки размеров полосок из золота.

Далее мы исследуем, может ли стопка из еще одной полосы Au (т. Е. Трехслойная структура) достичь двух низких значений △ трехзонного MPA. На рис. 1d представлен вид сбоку модели трехслойной структуры MPA, которая состоит из трех пар Au полоса / диэлектрическая пластина на вершине Au зеркала. Полосы Au имеют длину l . ₁ =34 мкм, l ₂ =36 мкм, и l ₃ =39 мкм. Толщина диэлектрических плит t ₁ =1,2 мкм, t ₂ =1,4 мкм, и t ₃ =2,8 мкм соответственно. Все полосы Au имеют ширину w . =8 мкм. Остальные параметры трехслойного MPA такие же, как и рассчитанные выше. Кривая поглощения трехслойного МПА при облучении плоской волной представлена ​​на рис. 4а. Можно обнаружить три дискретных пика со скоростью поглощения ~ 100% на частотах 2,06 ТГц, 2,27 ТГц и 2,51 ТГц. Дискретные расстояния соседних пиков в резонансных режимах первых двух и двух последних составляют соответственно 0,21 ТГц и 0,24 ТГц. Значения △ для режимов первых двух и двух последних составляют 9,70% и 10,04% соответственно, что меньше, чем значения для многополосных MPA. Помимо малых дискретных расстояний, скорости поглощения в нерезонансных областях трехзонного MPA относительно невелики, не более 32% (см. Рис. 4а). Показано, что три очень близких пика могут быть четко идентифицированы и могут использоваться для зондирования, обнаружения, построения изображений и применения в других задачах. | H y | Полевые распределения трех пиков поглощения представлены для анализа резонансного механизма трехзонного MPA. Как показано на рис. 4, | H y | Распределения поля первой, второй и третьей моды трехзонного MPA в основном можно найти в диэлектрических слоях t ₃ , t ₂ , и t ₁ соответственно, а поля в других слоях диэлектрика пренебрежимо малы. Например, для первой моды на рис. 4б поля в диэлектрических слоях t ₂ и t ₁ можно пренебречь, а поля в диэлектрических слоях t ₂ и t ₃ для третьей моды на рис. 4г пренебрежимо малы. Эти особенности распределения ясно показывают, что все три пика поглощения вызваны магнитным резонансом. Более конкретно, первая, вторая и третья моды связаны с магнитными резонансами третьего диэлектрического слоя t ₃ , второй диэлектрический слой t ₂ , а первый слой диэлектрика t ₁ соответственно, или частоты первой, второй и третьей моды зависят от длины полосы Au l ₃ , l ₂ , и l ₁ соответственно.

Кривая поглощения трехзонного МПА при облучении плоской волной приведена в а .; б , c , и d показать | H y | распределения поля первой, второй и третьей мод трехдиапазонного МПА соответственно. Кривые поглощения трехзонного MPA при разной длине l ₁ , l ₂ , и l ₃ демонстрируются на e , f , и g соответственно

Значениями △ трехдиапазонного MPA можно управлять, регулируя длину полосы Au. На рис. 4д представлены кривые поглощения трехзонного МПА для различных случаев длины l . ₁ . Как видите, l ₁ изменение в основном влияет на частоту третьей моды, в то время как сдвиги частоты первых двух мод незначительны, что согласуется с теоретическим предсказанием. Из-за изменения частоты третьего режима мы можем настроить значение △ последних двух режимов трехдиапазонного MPA. Значения △ последних двух режимов можно настроить от 12,66% в l ₁ =От 33 мкм до 10,04% дюйм l ₁ =34 мкм и 7,22% в l ₁ =35 мкм. Значением △ первых двух режимов также можно управлять, регулируя длину l ₃ (см. рис. 4g). Минимальное дискретное расстояние первых двух режимов составляет 0,16 ТГц для l ₃ =38 мкм, а его значение △ составляет 7,31%. Кроме того, мы можем настроить значения △ первых двух и последних двух режимов, масштабируя длину l ₂ , т.е. частота второй моды (см. рис. 4е). Примечательно, что изменение значения △ первых двух и последних двух режимов является взаимным ограничением, потому что мы изменяем только частоту второго режима. Например, для l ₁ =37 мкм (см. Синюю линию на рис. 4f), дискретное расстояние первых двух режимов имеет минимальное значение 0,16 ТГц, в то время как максимальное значение 0,29 ТГц для последних двух режимов может быть получено.

Заключение

В заключение представлено небольшое дискретное расстояние двухдиапазонного терагерцового MPA, состоящего из двух пар Au полоса / диэлектрическая пластина, поддерживаемых пленкой Au. Реализованы две ~ 100% скорости поглощения резонансных пиков с дискретным расстоянием 0,30 ТГц, а двухдиапазонного MPA составляет 13,33%. Механизм двухполосного поглощения вызван эффектами суперпозиции двух разных частот магнитных резонансов. Мы можем дополнительно отрегулировать △ значения двухдиапазонного MPA, используя полосы Au разной длины. Значение △ можно уменьшить только до 6,45%, что намного ниже, чем у предыдущих результатов. Более того, два узких дискретных расстояния трехзонного MPA демонстрируются путем наложения еще одной пары полоска / диэлектрик. Достигнуты три ~ 100% поглощения резонансных пиков с дискретными расстояниями 0,21 ТГц и 0,24 ТГц. Значения △ двух соседних частот (которые являются режимами первых двух и двух последних) составляют соответственно 9,70% и 10,04%. Подобно случаю двухполосного поглощения, трехдиапазонный MPA также имеет возможность настраивать значение △ соседних частот, контролируя длину полосок из золота. Узкие дискретные расстояния или низкие значения △ многополосных МОР являются многообещающими во многих областях, таких как исследование некоторой неявной информации на двух очень близких частотах.

Сокращения

FWHM:

Полная волна на половине максимума

MPA:

Метаматериал совершенные поглотители

Вопрос:

Фактор качества