Конструкция четырехдиапазонного терагерцового поглотителя из метаматериала с использованием перфорированного прямоугольного резонатора для приложений обнаружения

Результаты и обсуждение

На рис. 2а показаны характеристики поглощения представленного четырехдиапазонного поглотителя из метаматериала терагерцового диапазона. Как выяснилось, предлагаемая структура простого размера может иметь четыре пика, их частоты соответственно 0,84 ТГц в точке A . , 1,77 ТГц в точке B , 2,63 ТГц в точке C , и 2,95 ТГц в точке D . Первые три частотных точки ( A , B , и C ) имеют большие средние показатели поглощения 97,80%, а поглощение частотной точки D составляет около 60,86%. Полоса пропускания (полная ширина на половине максимума, сокращенно FWHM) частотных точек A , B , C , и D равны 0,13, 0,13, 0,10 и 0,03 ТГц соответственно. В общем, Q (или коэффициент качества, и определение Q - точка резонансной частоты, деленная на ее полосу пропускания) значение является очень важным показателем при оценке характеристик резонансного режима. Он может напрямую отражать возможность использования резонансного режима в измерительных приложениях. Чем выше Q значение, тем лучше чувствительность. Согласно определению Q значение, Q значение частотной точки D может быть до 98,33, что намного больше, чем у частотных точек A с Q из 6.46, B с Q из 13,62 и C с Q из 26.32. Большой Q значение частотной точки D имеет потенциальное применение в областях, связанных с датчиками. Для подробного обсуждения этого, пожалуйста, см. Рис. 5 ниже и его текстовые инструкции.

а - характеристики поглощения представленного четырехдиапазонного поглотителя света. б показывает зависимость характеристик поглощения от расширенных диапазонов частот

Чтобы понять физический механизм четырехполосного поглотителя света, мы сравним характеристики поглощения перфорированного прямоугольного резонатора (т. Е. Предлагаемой конструкции на рис. 1) и прямоугольного резонатора без перфорации (т. Е. Без отверстия для воздуха на прямоугольном резонаторе). резонатор), как показано на рис. 3а, б. Следует отметить, что геометрические параметры этих двух типов поглотителей одинаковы, за исключением отсутствия воздушного отверстия для прямоугольного резонатора без отверстий. Для характеристик поглощения неперфорированного прямоугольного резонатора на рис. 3а два четких пика поглощения (отмечены как моды E и F ), коэффициенты поглощения двух частотных точек составляют 93,95 и 82,08% соответственно. Сравнивая характеристики поглощения на рис. 3a, b, мы заметили, что первый ( A ) и третий ( C ) частотные точки четырехдиапазонного поглотителя света на рис. 3б очень близки к частотным точкам E и F прямоугольного резонатора без перфорации на рис. 3а. Эти характеристики показывают, что механизмы поглощения частотных точек A и C перфорированного прямоугольного резонатора должны быть соответственно согласованы с механизмами частотных точек E и F прямоугольного резонатора без перфорации. Небольшие перепады частот должны быть связаны с введением воздушного отверстия в прямоугольном резонаторе.

а и b являются соответственно характеристиками поглощения неперфорированного и перфорированного прямоугольных поглотителей света

Выявить механизм поглощения частотных точек E и F прямоугольного резонатора без перфорации зададим электрическую (| E |) и магнитные (| H y |) распределения полей двух точек E и F , как показано на рис. 4a – d. Из рис. 4b, d видно, что | H y | поля распределения частотных точек E и F оба в основном сконцентрированы на диэлектрическом слое с потерями. Эти особенности распределения показывают, что частотные точки E и F - локализованные отклики прямоугольного резонатора без перфорации. Распределение магнитного поля в диэлектрическом слое может приводить к накоплению заряда (или электрического поля) на краях неперфорированного прямоугольного резонатора [28, 39]. | E | поля, представленные на рис. 4а, в, наглядно демонстрируют возбуждение электрического поля на краях неперфорированного прямоугольного резонатора. Кроме того, для частотной точки E на рис. 4b имеется только одна область накопления сильного поля в диэлектрическом слое с потерями, что означает, что частотная точка E является локализованным резонансом первого порядка неперфорированного прямоугольного резонатора [40, 41]. В отличие от случая на рис. 4b, для частотной точки F наблюдаются три области накопления поля. на рис. 4г. В результате частотная точка F должен быть локализованным откликом третьего порядка неперфорированного прямоугольного резонатора [40,41,42,43]. Как упоминалось в конце предыдущего абзаца, механизм частотных точек A и C в перфорированном прямоугольном резонаторе должна быть такая же, как и в частотных точках E и F в прямоугольном резонаторе без перфорации соответственно. Следовательно, у нас есть основания полагать, что частота точек A и C должны быть соответственно первым и третьим порядками откликов перфорированного прямоугольного резонатора. Чтобы получить достаточные доказательства, нам необходимо проанализировать распределение их полей.

а и c показать | E | поля распределения частотных точек E и F прямоугольного резонатора без перфорации соответственно. б и d укажите | H у | поля распределения частотных точек E и F прямоугольного резонатора без перфорации соответственно. е , г , я , и ( k ) показать | E | полевые распределения частотных точек A , B , C , и D перфорированного прямоугольного резонатора соответственно. е , ч , j , и l поставить | H у | полевые распределения частотных точек A , B , C , и D перфорированного прямоугольного резонатора соответственно

Теперь мы предоставляем распределения частотных точек A в ближней зоне. , B , C , и D перфорированного прямоугольного резонатора, чтобы показать физические механизмы четырехзонного поглотителя света, как показано на рис. 4e – l. Это видно из рис. 4е частотной точки A . что в диэлектрическом слое предлагаемого четырехполосного поглотителя имеется только одна зона распределения сильного магнитного поля. Три области накопления (две сильные и слабая) на рис. 4j находятся в диэлектрическом слое с потерями четырехполосного абсорбционного устройства для частотной точки C . Между тем, | E | поля распределения частотных точек A на рис. 4e и C на рис. 4i оба в основном сфокусированы на краях перфорированного прямоугольного резонатора. Следовательно, частота точек A и C на рис. 2а или рис. 3б должны быть локализованные отклики первого и третьего порядка перфорированного прямоугольного резонатора соответственно [40, 41]. Эти распределения поля предоставляют достаточные доказательства, чтобы показать, что физические механизмы частотных точек A и C на фиг. 2a или 3b соответствуют точкам частоты E и F на рис. 3а соответственно.

Для частотной точки B на рис. 4h, только одно очень сильное распределение поля наблюдается в правой части диэлектрического слоя с потерями и | E | Поле моды поглощения на рис. 4ж в основном собирается на обоих краях правой боковой части перфорированного прямоугольного резонатора. В результате частотная точка B должен быть локализованным откликом первого порядка правой боковой части перфорированного прямоугольного резонатора. Для частотной точки D , мы заметили, что его | Hy | Распределение поля в основном сосредоточено на левой стороне диэлектрического слоя с потерями (см. рис. 4l), что указывает на то, что эта мода должна быть отнесена к локализованному отклику первого порядка левой боковой секции перфорированного прямоугольного резонатора. Основываясь на приведенном выше анализе, введение воздушного отверстия на прямоугольном резонаторе действительно может сыграть важную роль в перераспределении диаграмм ближнего поля. Перераспределенные распределения ближнего поля представляют собой две новые моды поглощения, частотные точки B и D . В результате в этом слегка деформированном прямоугольном резонаторе может быть реализовано четырехполосное устройство поглощения света. По сравнению с традиционными методами проектирования для получения многополосного поглощения [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38], концепция дизайна обладает очевидными преимуществами, такими как упрощенная конструкция конструкции, дешевизна и легкость изготовления и т. д.

В этой рукописи мы используем концепцию резонансов первого и третьего порядков резонатора для получения характеристики многополосного поглощения. Вообще говоря, однако, любой резонатор обладает модами высокого порядка в дополнение к отклику первого порядка (или резонансу основной моды), поэтому, исходя из теории, он может иметь несколько полос поглощения с высокими коэффициентами поглощения в определенном диапазоне частот. Если смоделированные диапазоны частот расширить до более высоких частот, можно будет найти другие моды высокого порядка, и количество полос поглощения с высокими коэффициентами поглощения должно быть в идеале бесконечным. Однако реальная ситуация не основана на этом прогнозе. Даже если частотные диапазоны расширены до более высоких частот, довольно сложно получить много (и даже бесконечное количество) резонансных полос, имеющих высокие коэффициенты поглощения, и, как правило, только максимум две резонансные моды высокого порядка и резонанс основной моды. может быть достигнуто [40, 41, 47,48,49]. Это явление можно объяснить двумя причинами. Во-первых, трудно одновременно достичь почти идеального поглощения в нескольких различных частотных диапазонах (> 3) из-за различной оптимальной толщины диэлектрика, необходимой для разных резонансных мод. Другими словами, невозможно реализовать превосходное поглощение (одновременное> 90%) многополосных пиков на основе суперпозиции основной моды и нескольких (даже бесконечных) мод высокого порядка [40, 41, 46, 47 , 48]. Во-вторых, дифракционные эффекты резонансной структуры также могут значительно влиять на коэффициенты поглощения резонансных пиков в основной моде и откликах высокого порядка и, таким образом, на конкретное численное исследование мод высокого порядка, чтобы гарантировать, что дифракционные эффекты не оказывают значительного влияния на их поглощение. производительность [47,48,49]. Эти два момента являются основными причинами невозможности получения бесконечных почти идеальных пиков поглощения, даже если частотные диапазоны расширены до более высоких частот. Кроме того, важно отметить, что чрезвычайно трудно получить резонансные моды четного порядка при нормальных условиях (таких как вертикально излучаемые электромагнитные волны), потому что электрическое поле падающего света должно иметь вертикальные компоненты в плоскости падения. [49].

Для наглядной демонстрации на рис. 2b представлена ​​зависимость спектров поглощения от расширенных частотных диапазонов резонансного устройства. Как показано, имеется только четыре явных резонансных режима (то есть исходная частота указывает на A , B , C , и D ) с высокими коэффициентами поглощения при расширении частотных диапазонов до 4 ТГц, до 6 ТГц и даже до 8 ТГц. В частотных диапазонах (3 ~ 6) ТГц и (3 ~ 8) ТГц могут быть обнаружены некоторые низкие скорости поглощения и непредсказуемые резонансные режимы. Такая особенность указывает на то, что мы не можем получить больше резонансных мод с высокими коэффициентами поглощения и ожидаемыми частотами, когда частотные диапазоны расширены до более высоких частот. Другими словами, количество полос поглощения не может увеличиваться дальше (и даже в идеале бесконечно) с высокими коэффициентами поглощения, когда частотные диапазоны расширяются до более высоких частот, что можно объяснить двумя причинами предыдущего абзаца.

Кроме того, мы обнаружили, что коэффициенты поглощения этих частотных точек могут значительно измениться, если частотные диапазоны расширены до более высоких частот. Из кривых темно-желтого, синего и красного цветов на рис. 2б видно, что коэффициенты поглощения первых трех частотных точек значительно уменьшаются с расширением частотных диапазонов. В частности, когда частотный диапазон расширен до 8 ТГц, поглощение во второй частотной точке составляет 67,69%; при этом среднее поглощение первых трех частотных точек A , B , и C составляет всего около 77,56%, что намного ниже, чем почти идеальное (или 100%) поглощение первых трех частотных точек в частотном диапазоне исходного (0,2 ~ 3) ТГц. Поэтому в этой рукописи мы обсуждаем только резонансные пики (т.е. режимы A , B , C , и D ) с высокими коэффициентами поглощения в диапазоне частот (0,2 ~ 3) ТГц без учета случаев низких коэффициентов поглощения и непредсказуемых частот мод в диапазонах частот (3 ~ 6) ТГц и (3 ~ 8) ТГц. .

Затем мы исследуем, может ли разработанный четырехдиапазонный поглотитель света быть встроен в датчик для обнаружения или отслеживания изменения показателя преломления (ПП) окружающей среды, которая покрыта металлическим резонатором. На рис. 5а представлена ​​зависимость спектров поглощения от изменения ПП материалов покрытия. Видно, что частотные сдвиги частотных точек A и B практически отсутствуют (всего 0,01 ТГц) при изменении RI с вакуума n =От 1,00 до n =1,04 с интервалом 0,01, при этом частота изменения частот точек C и D весьма примечательны. Частота изменения частотной точки C составляет около 0,046 ТГц, а сдвиг частоты для частотной точки D может составлять до 0,122 ТГц. Фактически, чувствительность к показателю объемного преломления ( S ) является интуитивным фактором для описания чувствительности резонансной структуры, а чувствительность S можно определить как [44, 45]: S =Δ f / Δ п , где Δ f - изменение резонансной частоты и Δ n это изменение RI. Согласно определению, S значения частотных точек A , B , C , и D составляют соответственно 0,25, 0,25, 1,15 и 3,05 ТГц / RIU. По сравнению с S значения частотных точек A , B , и C , S коэффициенты усиления для частотной точки D может достигать 12,2, 12,2 и 2,65 соответственно. Большой S значение частотной точки D имеет потенциальное применение в областях, связанных с датчиками.

а показывает зависимость характеристик поглощения четырехдиапазонного поглотителя света от изменения показателя преломления ( n ) окружения. б ₁ и b ₂ - соответственно резонансные частоты мод C и D как функция показателя преломления n

Помимо чувствительности чувствительности S , FOM (добротность) является более важным фактором для оценки качества сенсора и позволяет напрямую сравнивать характеристики срабатывания различных сенсоров. Определение FOM [44, 45]:FOM =Δ f / (Δ n × FWHM) =S / FWHM, где S и FWHM - чувствительность восприятия и полная ширина на половине максимума резонансной моды, соответственно. На основе S значений и FWHM четырех резонансных мод, FOM частотных точек A , B , C , и D равны 1,92, 1,92, 11,5 и 101,67 соответственно. ФОМ частотной точки D примерно в 52,95, 52,95 и 8,84 раза больше, чем частота точек A , B , и C , соответственно. Что еще более важно, FOM частотной точки D намного больше, чем предыдущие работы, работавшие в терагерцовом диапазоне частот со значениями не более 5 [18, 48,49,50,51]. Благодаря этим превосходным характеристикам конструкция многополосного поглотителя света является многообещающей в областях, связанных с датчиками.

Выводы

В заключение демонстрируется одномерный четырехдиапазонный поглотитель из метаматериала терагерцового диапазона, который выполнен в виде перфорированного прямоугольного резонатора на диэлектрическом слое с потерями, размещенном на золотой плате. Четыре дискретных узкополосных резонансных полосы достигаются в резонаторе одного размера, из которых первые три полосы имеют большие средние скорости поглощения 97,80%, а четвертая полоса - высокий Q значение 98,33. Исследуются физические изображения сконструированного устройства; Обнаружено, что соответствующие распределения четырех полос в ближней зоне различны. Кроме того, исследуется зависимость поглощения от изменения показателя преломления в окружающей среде (которая закрыта над резонатором одного размера) для изучения характеристик чувствительности устройства. FOM четвертой полосы может достигать 101,67, что намного больше, чем у первых трех мод и даже предыдущих работ [18, 50, 51, 52, 53]. Эти превосходные функции, в том числе высокий Q ценность и большой FOM, будут полезны для проектирования и разработки простых датчиков для обнаружения и мониторинга газа, обнаружения материалов и биомедицинской диагностики.

Сокращения

EM:

Электромагнитный

FOM:

Достоинства

Q :

Фактор качества

S :

Чувствительность обнаружения