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Conception d'un absorbeur de métamatériau quadribande térahertz utilisant un résonateur rectangulaire perforé pour les applications de détection

Résumé

L'absorbeur térahertz quadribande avec une conception de métamatériau de taille unique formé par un résonateur rectangulaire perforé sur un substrat d'or avec un espace diélectrique entre les deux est étudié. La structure du métamatériau conçue permet quatre pics d'absorption, dont les trois premiers pics ont un coefficient d'absorption élevé tandis que le dernier pic possède un Q élevé (facteur de qualité) valeur de 98,33. Les mécanismes physiques sous-jacents de ces pics sont explorés; on constate que leurs distributions en champ proche sont différentes. De plus, le facteur de mérite (FOM) du dernier pic d'absorption peut atteindre 101,67, ce qui est bien supérieur à celui des trois premiers modes d'absorption et même des bandes d'absorption d'autres ouvrages exploités dans la fréquence térahertz. Le dispositif conçu avec une absorption multibande et un FOM élevé pourrait fournir de nombreuses applications potentielles dans les domaines liés à la technologie térahertz.

Contexte

Les métamatériaux avec une taille de structure inférieure ou inférieure à la longueur d'onde ont reçu de plus en plus d'attention car il a été prouvé qu'ils présentent des propriétés électromagnétiques (EM) exotiques [1,2,3] qui ne peuvent pas être directement obtenues dans des conditions naturelles. En plus de ces effets fascinants, les métamatériaux ont également une grande variété d'applications dans les dispositifs fonctionnels [4,5,6,7,8,9,10]. Les absorbeurs de métamatériaux, en tant que branche spéciale des dispositifs de métamatériaux, ont suscité un grand intérêt des chercheurs car ils peuvent être utilisés pour obtenir une absorption lumineuse importante [6, 11,12,13,14,15,16,17,18,19,20 ,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38].

En 2008, un groupe de recherche du Boston College a conçu pour la première fois l'absorbeur de métamatériau dans la région des micro-ondes en exploitant pleinement les pertes de dissipation de la structure sandwich composée d'un résonateur en anneau électrique, d'une couche diélectrique à pertes et du fil métallique coupé [6 ]. Par la suite, divers types d'investigations ont été prouvés sur la base de différentes formes ou tailles de résonateurs métalliques. Par exemple, Yao et al. ont présenté un absorbeur de métamatériau miniaturisé en utilisant une structure en ligne pliée [17]. L'absorbeur térahertz en forme de croix a été démontré dans la réf. [18]. Malheureusement, ces absorbeurs de métamatériaux démontrés sont limités à l'absorption à bande unique, ce qui peut grandement restreindre leurs applications pratiques. Pour résoudre le problème de l'absorption à bande unique, la conception et le développement d'absorbeurs de lumière à bandes multiples et même à large bande sont nécessaires.

Les résultats démontrent que le mélange de plusieurs résonateurs pour former des structures coplanaires ou en couches peut avoir la capacité d'obtenir une absorption parfaite dans plusieurs bandes de fréquences (c'est-à-dire l'absorption à plusieurs bandes) [22,23,24,25,26,27,28 ,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38]. Par exemple, les structures coplanaires se composaient de plusieurs tailles différentes de résonateurs à anneau fermé [22,23,24,25,26,27], de plaques carrées [28, 29] et de résonateurs à anneau électrique [30,31,32,33] ont été présentés pour réaliser une absorption double et triple bande. Des conceptions de structure en couches ont été suggérées pour obtenir également les dispositifs d'absorption à bandes multiples [34,35,36,37,38]. Dans ces suggestions, chaque résonateur métallique n'a qu'un seul mode d'absorption et, par conséquent, la conception des dispositifs d'absorption à bandes multiples nécessite au moins autant de résonateurs que de pics d'absorption. Dans Réf. [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38], nous avons clairement trouvé que la double bande, la triple bande et même les absorbeurs de métamatériaux à quatre bandes ont en effet besoin d'au moins deux, trois et quatre résonateurs métalliques dans une cellule unitaire, respectivement. C'est-à-dire que les études précédentes se sont principalement concentrées sur la façon d'obtenir une absorption multibande en utilisant plusieurs tailles différentes de résonateurs. P>

Dans cet article, nous démontrons qu'un résonateur métallique de taille unique permet une absorption quadribande, ce qui est différent des concepts de conception précédents selon lesquels plusieurs résonateurs de tailles différentes sont nécessaires. La conception de l'absorbeur de lumière quadribande est composée d'un résonateur rectangulaire perforé sur un miroir en or avec une couche diélectrique à pertes entre les deux. Les résultats numériques indiquent clairement que la structure du métamatériau conçue possède quatre pics d'absorption à bande étroite, dont les trois premiers pics ont une forte absorption de 97,80% en moyenne tandis que le quatrième pic a Q valeur de 98,33. A l'aide des distributions en champ proche, les images physiques sous-jacentes de l'absorption quadribande sont analysées. Les performances de détection du dispositif d'absorption de lumière suggéré sont également discutées; les résultats prouvent que la sensibilité de détection (S ) de l'appareil, en particulier du S du quatrième pic d'absorption, peut atteindre 3,05 THz par indice de réfraction ; et la figure de mérite (FOM ; la définition du FOM est la sensibilité de détection S divisé par sa bande passante d'absorption [44, 45]) de ce mode peut aller jusqu'à 101,67. Le grand S et le FOM élevé du dispositif d'absorption de lumière conçu sont prometteurs dans les domaines liés aux capteurs.

Méthodes

La figure 1a montre la vue latérale de l'absorbeur de lumière quadribande conçu, il est composé d'un résonateur rectangulaire perforé (voir la figure 1b) et d'une plaque métallique et d'une couche diélectrique à pertes les séparant. Les couches métalliques de l'absorbeur de lumière sont en or 0,4 μm et sa conductivité est de σ = 4.09 × 10 7 S/m. La couche à séparation diélectrique avec perte a l'épaisseur de t = 9 μm et la constante diélectrique avec pertes de 3(1 + i 0,05), et ce type de matériau diélectrique à pertes est largement utilisé dans le domaine des métamatériaux [46]. La vue de dessus du résonateur rectangulaire perforé est représentée sur la Fig. 1b, et ses paramètres géométriques sont les suivants :la longueur et la largeur du résonateur rectangulaire sont l = 80 μm et w = 40 μm, respectivement. La longueur et la largeur du trou d'air perforé sont l 1 = 25 μm et l 2 = 35 μm, respectivement. La valeur de déviation du trou d'air perforé est δ = 18 μm. Les périodes en P x et P y sont respectivement de 100 et 60 μm.

un et b sont respectivement la vue latérale et la vue de dessus de l'absorbeur de métamatériau térahertz quadribande présenté

Ici, nous aimerions présenter brièvement les règles de conception de la métasurface, c'est-à-dire le résonateur rectangulaire perforé de taille unique. En général, le résonateur métallique traditionnel de taille unique (par exemple, résonateur à anneau fermé, patch carré et résonateur rectangulaire) n'a qu'un seul pic d'absorption de résonance, et la conception des dispositifs d'absorption de lumière à bandes multiples nécessite au moins autant de résonateurs sous forme de pics d'absorption. Comme donné et rapporté dans les Réfs. [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38], le bi-bande, triple-bande et même quadri-bande les dispositifs d'absorption de lumière ont en effet besoin d'au moins deux, trois et quatre résonateurs métalliques dans une cellule unitaire, respectivement. En d'autres termes, les travaux antérieurs se sont principalement concentrés sur la façon de réaliser des dispositifs d'absorption de lumière à bandes multiples en utilisant plusieurs tailles (ou formes) différentes des résonateurs métalliques traditionnels, peu d'entre eux sont étudiés pour savoir si le résonateur de taille unique avec la légère déformation de la structure a la capacité d'obtenir une absorption multibande. Ici, nous essayons d'obtenir l'absorption multibande en introduisant la brèche (c'est-à-dire le trou d'air) sur le résonateur métallique rectangulaire traditionnel. Il est prévisible que l'introduction du trou d'air sur le résonateur rectangulaire traditionnel peut casser la symétrie du résonateur métallique rectangulaire d'origine et peut casser les distributions de champ proche d'origine (ou le réarrangement des distributions de champ proche dans le résonateur rectangulaire perforé) , introduisant (ou générant) ainsi de nouveaux modes d'absorption de résonance. Comme mentionné dans la figure 4, l'introduction de la brèche (ou du trou d'air) sur le résonateur rectangulaire traditionnel peut en effet réorganiser les distributions en champ proche, entraînant de nouveaux pics d'absorption de résonance. Par conséquent, nous pensons que la légère déformation de la structure du résonateur métallique traditionnel est un moyen efficace d'obtenir l'absorption multibande ; ce type de méthode de conception a forcément des avantages évidents par rapport aux approches de conception précédentes utilisant plusieurs résonateurs de tailles différentes [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34, 35,36,37,38]. De plus, pour l'absorbeur en métamatériau, son absorption à 100 % peut être principalement dérivée de deux aspects, la perte ohmique dans les couches métalliques et l'absorption dans la dalle diélectrique utilisant le diélectrique à pertes. Dans les bandes de fréquences térahertz et micro-ondes [6, 18, 23, 24, 25, 39, 50], la perte ohmique dans les couches métalliques est généralement inférieure à l'absorption dans la couche diélectrique. C'est-à-dire qu'il est impossible d'utiliser simplement la perte ohmique pour atteindre l'absorption de 100 %. Par conséquent, il est généralement nécessaire d'utiliser le diélectrique à pertes comme plaque diélectrique des absorbeurs de métamatériaux [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36, 37].

L'absorbeur de métamatériau quadribande est simulé en utilisant le logiciel commercial, FDTD Solutions, qui est basé sur la méthode du domaine temporel des différences finies. Dans le calcul, une onde électromagnétique plane avec le champ électrique suivant la direction de x -axe est utilisé comme source de lumière, qui est irradiée perpendiculairement à la structure de résonance (du résonateur perforé à la couche diélectrique à pertes et au miroir d'or) le long de la direction du z -axe (voir Fig. 1). La source lumineuse a une plage de fréquences de (0,2 ~ 3,0) THz. Pour assurer la précision des résultats de calcul, la taille de la source lumineuse doit être légèrement supérieure à celle de la période répétée de la structure, à la fois suffisamment de temps de simulation et les limites appropriées (limites périodiques dans les directions de x - et y -axe et couches parfaitement appariées dans la direction de z -axis) doit être utilisé.

Résultats et discussion

La figure 2a donne les performances d'absorption de l'absorbeur de métamatériau térahertz quadribande présenté. Comme révélé, la structure de taille simple suggérée peut avoir quatre pics, leurs fréquences sont respectivement de 0,84 THz au point A , 1,77 THz au point B , 2,63 THz au point C , et 2,95 THz au point D . Les trois premiers points de fréquence (A , B , et C ) ont les taux d'absorption moyens élevés de 97,80 % et l'absorption du point de fréquence D est d'environ 60,86%. Les bandes passantes (pleine largeur à mi-hauteur, en abrégé FWHM) des points de fréquence A , B , C , et D sont respectivement de 0,13, 0,13, 0,10 et 0,03 THz. En général, le Q (ou facteur de qualité, et la définition du Q est le point de fréquence de résonance divisé par sa largeur de bande) est un indicateur très important pour juger de la performance du mode de résonance. Il peut refléter directement si le mode de résonance peut être utilisé dans des applications de détection. Plus le Q est élevé valeur, meilleure est la performance de détection. Selon la définition du Q valeur, le Q valeur du point de fréquence D peut aller jusqu'à 98,33, ce qui est beaucoup plus grand que celui des points de fréquence A avec Q de 6.46, B avec Q de 13.62, et C avec Q du 26.32. Le grand Q valeur du point de fréquence D a des applications potentielles dans les domaines liés aux capteurs. Pour une discussion détaillée à ce sujet, veuillez consulter la figure 5 ci-dessous et ses instructions textuelles.

un est la performance d'absorption de l'absorbeur de lumière quadribande présenté. b montre la dépendance de la performance d'absorption sur les gammes de fréquences étendues

Pour mieux comprendre le mécanisme physique de l'absorbeur de lumière quadribande, nous comparons les performances d'absorption du résonateur rectangulaire perforé (c'est-à-dire la structure suggérée sur la Fig. 1) et du résonateur rectangulaire non perforé (c'est-à-dire sans le trou d'air sur le rectangle résonateur), comme le montre la Fig. 3a, b. Il est à noter que les paramètres géométriques de ces deux types d'absorbeurs sont les mêmes, sauf sans le trou d'air pour le résonateur rectangulaire non perforé. Pour les performances d'absorption du résonateur rectangulaire non perforé de la Fig. 3a, deux pics d'absorption clairs (marqués comme modes E et F ) sont atteints, les taux d'absorption des deux points de fréquence sont respectivement de 93,95 et 82,08 %. En comparant les performances d'absorption de la Fig. 3a, b, nous avons observé que le premier (A ) et le troisième (C ) les points de fréquence de l'absorbeur de lumière quadribande de la Fig. 3b sont très proches des points de fréquence E et F du résonateur rectangulaire non perforé de la Fig. 3a. Ces caractéristiques montrent que les mécanismes d'absorption des points de fréquence A et C du résonateur rectangulaire perforé doit être respectivement cohérent avec les mécanismes des points de fréquence E et F du résonateur rectangulaire non perforé. Les légères différences de fréquence devraient être dues à l'introduction du trou d'air dans le résonateur rectangulaire.

un et b sont respectivement les performances d'absorption des absorbeurs de lumière rectangulaires non perforés et perforés

Pour révéler le mécanisme d'absorption des points de fréquence E et F du résonateur rectangulaire non perforé, nous donnons le (|E |) et magnétique (|H y|) distributions de champ des deux points E et F , comme le montre la Fig. 4a–d. On peut voir sur la Fig. 4b, d que le |H y| distributions de champ des points de fréquence E et F sont tous deux principalement concentrés sur la couche diélectrique à pertes. Ces caractéristiques de distribution montrent que les points de fréquence E et F sont les réponses localisées du résonateur rectangulaire non perforé. La répartition du champ magnétique dans la couche diélectrique peut conduire à l'accumulation de charge (ou champ électrique) dans les bords du résonateur rectangulaire non perforé [28, 39]. Le |E | les champs montrés dans la Fig. 4a, c démontrent clairement l'excitation du champ électrique dans les bords du résonateur rectangulaire non perforé. De plus, pour le point de fréquence E sur la figure 4b, il n'y a qu'une seule zone d'accumulation de champ fort dans la couche diélectrique à pertes, ce qui signifie que le point de fréquence E est la résonance localisée du premier ordre du résonateur rectangulaire non perforé [40, 41]. Différent du cas de la Fig. 4b, trois zones d'accumulation de champ sont observées pour le point de fréquence F dans la figure 4d. En conséquence, le point de fréquence F devrait être la réponse localisée de troisième ordre du résonateur rectangulaire non perforé [40,41,42,43]. Comme mentionné à la fin du paragraphe précédent, le mécanisme des points de fréquence A et C dans le résonateur rectangulaire perforé doit être le même que celui des points de fréquence E et F dans le résonateur rectangulaire non perforé, respectivement. Par conséquent, nous avons des raisons de croire que les points de fréquence A et C devraient être respectivement les réponses du premier ordre et du troisième ordre du résonateur rectangulaire perforé. Afin de fournir des preuves suffisantes, nous devons analyser leurs distributions sur le terrain.

un et c montrer le |E| distributions de champ des points de fréquence E et F du résonateur rectangulaire non perforé, respectivement. b et d fournir le |H y| distributions de champ des points de fréquence E et F du résonateur rectangulaire non perforé, respectivement. e , g , je , et (k ) montre le |E| distributions de champ des points de fréquence A , B , C , et D du résonateur rectangulaire perforé, respectivement. f , h , j , et l donner le |H y| distributions de champ des points de fréquence A , B , C , et D du résonateur rectangulaire perforé, respectivement

Nous fournissons maintenant les distributions en champ proche des points de fréquence A , B , C , et D du résonateur rectangulaire perforé pour révéler les mécanismes physiques de l'absorbeur de lumière quadribande, comme le montre la Fig. 4e–l. On peut le voir sur la Fig. 4f du point de fréquence A qu'il n'y a qu'une seule zone de distribution de champ magnétique intense dans la couche diélectrique du dispositif absorbeur quadribande suggéré. Trois zones d'accumulation (deux fortes et une faible) sur la figure 4j se trouvent dans la couche diélectrique à pertes du dispositif d'absorption quadribande pour le point de fréquence C . Pendant ce temps, le |E | distributions de champ des points de fréquence A dans la Fig. 4e et C dans la Fig. 4i sont tous deux principalement concentrés sur les bords du résonateur rectangulaire perforé. Par conséquent, les points de fréquence A et C dans la Fig. 2a ou la Fig. 3b devraient être les réponses localisées du premier et du troisième ordre du résonateur rectangulaire perforé, respectivement [40, 41]. Ces distributions de champ fournissent la preuve suffisante pour montrer que les mécanismes physiques des points de fréquence A et C dans les Fig. 2a ou 3b sont cohérents avec les points de fréquence E et F dans la Fig. 3a, respectivement.

Pour le point de fréquence B sur la figure 4h, une seule distribution de champ très forte est observée dans le côté droit de la couche diélectrique à pertes et le |E | le champ du mode d'absorption de la figure 4g est principalement rassemblé dans les deux bords de la section latérale droite du résonateur rectangulaire perforé. En conséquence, le point de fréquence B devrait être la réponse localisée du premier ordre de la section latérale droite du résonateur rectangulaire perforé. Pour le point de fréquence D , nous avons observé que son |Hy | la distribution du champ est principalement concentrée sur le côté gauche de la couche diélectrique à pertes (voir Fig. 4l), ce qui indique que ce mode doit être attribué à la réponse localisée de premier ordre de la section gauche du résonateur rectangulaire perforé. Sur la base de l'analyse ci-dessus, l'introduction du trou d'air sur le résonateur rectangulaire peut en effet jouer un rôle important dans la redistribution des motifs en champ proche. Les distributions redistribuées en champ proche donnent naissance à deux nouveaux modes d'absorption, les points de fréquence B et D . En conséquence, un dispositif d'absorption de lumière à quatre bandes peut être réalisé dans ce résonateur rectangulaire légèrement déformé. Par rapport aux méthodes de conception traditionnelles pour obtenir l'absorption multibande [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38], le Le concept de la conception possède des avantages évidents, tels que la conception simplifiée de la structure, des étapes de fabrication faciles et peu coûteuses, etc.

Dans ce manuscrit, nous utilisons le concept des résonances de premier et de troisième ordre du résonateur pour obtenir la réponse d'absorption à bandes multiples. De manière générale, cependant, tout résonateur possède des modes d'ordre élevé en plus de la réponse de premier ordre (ou résonance de mode fondamental), donc d'après la théorie, il peut présenter plusieurs bandes d'absorption avec des coefficients d'absorption élevés dans une certaine plage de fréquences. Si les gammes de fréquences simulées sont étendues aux fréquences plus élevées, on peut trouver les autres modes d'ordre élevé, et le nombre de bandes d'absorption avec des coefficients d'absorption élevés devrait être idéalement infini. Cependant, la situation réelle n'est pas basée sur cette prédiction. Même si les gammes de fréquences sont étendues à des fréquences plus élevées, il est assez difficile d'obtenir un grand nombre (et même une infinité) de bandes de résonance ayant des coefficients d'absorption élevés, et généralement seulement un maximum de deux modes de résonance d'ordre élevé et un mode de résonance fondamental. peut être atteint [40, 41, 47, 48, 49]. Deux sortes de raisons peuvent expliquer ce phénomène. Premièrement, il est difficile d'obtenir simultanément une absorption presque parfaite à plusieurs bandes de fréquences différentes (> 3) en raison des différentes épaisseurs diélectriques optimales requises pour les différents modes de résonance. En d'autres termes, il est impossible de réaliser l'excellente absorption (simultanée> 90%) des pics multibandes basée sur la superposition du mode fondamental et de plusieurs modes d'ordre élevé (voire infinis) [40, 41, 46,47 ,48]. Deuxièmement, les effets de diffraction de la structure de résonance peuvent également affecter considérablement les coefficients d'absorption des pics de résonance en mode fondamental et les réponses d'ordre élevé et donc une étude numérique spécifique des modes d'ordre élevé pour s'assurer que les effets de diffraction n'influencent pas significativement leur absorption. performances [47,48,49]. Les deux points sont les principales raisons de ne pas pouvoir obtenir des pics d'absorption infinis presque parfaits même si les gammes de fréquences sont étendues à des fréquences plus élevées. De plus, il est important de noter qu'il est extrêmement difficile d'obtenir les modes de résonance d'ordre pair dans les conditions normales (telles que les ondes électromagnétiques irradiées verticalement) car le champ électrique de la lumière incidente doit posséder des composantes verticales dans le plan d'incidence. [49].

Pour donner une démonstration intuitive, la dépendance des spectres d'absorption sur les gammes de fréquences étendues du dispositif de résonance est fournie sur la figure 2b. Comme indiqué, il n'y a que quatre modes de résonance clairs (c'est-à-dire les points de fréquence d'origine A , B , C , et D ) avec des coefficients d'absorption élevés lorsque les gammes de fréquences sont étendues à 4 THz, à 6 THz, et même à 8 THz. Dans les gammes de fréquences (3~6) THz et (3~8) THz, des taux d'absorption faibles et des modes de résonance imprévisibles peuvent être trouvés. Ce genre de caractéristique indique qu'on ne peut pas obtenir plus de modes de résonance avec des coefficients d'absorption élevés et les fréquences attendues lorsque les gammes de fréquences sont étendues à des fréquences plus élevées. C'est-à-dire que le nombre de bandes d'absorption ne peut pas augmenter davantage (et même idéalement infini) avec des coefficients d'absorption élevés lorsque les gammes de fréquences sont étendues à des fréquences plus élevées, ce qui peut être attribué à deux raisons pour le paragraphe précédent.

De plus, nous avons constaté que les coefficients d'absorption de ces points de fréquence peuvent être significativement affectés lorsque les gammes de fréquences sont étendues à des fréquences plus élevées. On peut voir sur les courbes jaune foncé, bleu et rouge de la figure 2b que les coefficients d'absorption des trois premiers points de fréquence diminuent de manière significative avec l'extension des gammes de fréquences. En particulier, lorsque la gamme de fréquences est étendue à 8 THz, l'absorption du deuxième point de fréquence est de 67,69 % ; en même temps, l'absorption moyenne des trois premiers points de fréquence A , B , et C n'est que d'environ 77,56 %, ce qui est bien inférieur à l'absorption presque parfaite (ou 100 %) des trois premiers points de fréquence dans la plage de fréquences du THz d'origine (0,2 ~ 3). Par conséquent, dans ce manuscrit, nous discutons uniquement des pics de résonance (c'est-à-dire les modes A , B , C , et D ) avec des coefficients d'absorption élevés de la gamme de fréquences (0,2~3) THz sans tenir compte des cas des faibles coefficients d'absorption et des fréquences imprévisibles des modes dans les gammes de fréquences (3~6) THz et (3~8) THz .

Nous étudions ensuite si l'absorbeur de lumière quadribande conçu peut être incorporé dans un capteur pour détecter ou surveiller le changement de l'indice de réfraction (IR) de l'environnement, qui est couvert au-dessus du résonateur métallique. La figure 5a montre la dépendance des spectres d'absorption sur le changement de l'IR des matériaux de couverture. On peut voir que les décalages de fréquence des points de fréquence A et B sont presque absents (seulement 0,01 THz) lorsque le RI passe du vide n = 1.00 à n = 1.04 dans des intervalles de 0.01, tandis que les changements de fréquence des points de fréquence C et D sont assez remarquables. Le changement de fréquence du point de fréquence C est d'environ 0,046 THz, et le décalage de la fréquence pour le point de fréquence D peut aller jusqu'à 0,122 THz. En fait, la sensibilité de l'indice de réfraction en vrac (S ) est un facteur intuitif pour décrire les performances de détection de la structure de résonance et la sensibilité S peut être défini comme [44, 45] :S = Δfn , où f est le changement de la fréquence de résonance et Δn est le changement du RI. Selon la définition, le S valeurs des points de fréquence A , B , C , et D sont respectivement de 0,25, 0,25, 1,15 et 3,05 THz/RIU. Par rapport au S valeurs des points de fréquence A , B , et C , le S facteurs d'amélioration pour le point de fréquence D peut atteindre 12,2, 12,2 et 2,65, respectivement. Le grand S valeur du point de fréquence D a des applications potentielles dans les domaines liés aux capteurs.

un montre la dépendance de la performance d'absorption de l'absorbeur de lumière quadribande sur le changement de l'indice de réfraction (n ) des environs. b 1 et b 2 sont respectivement les fréquences de résonance des modes C et D en fonction de l'indice de réfraction n

Outre la sensibilité de détection S , le FOM (figure de mérite) est un facteur plus important pour estimer la qualité du capteur et permet une comparaison directe des performances de détection entre différents capteurs. La définition du FOM est [44, 45] :FOM = Δf /(Δn × FWHM) = S/ FWHM, où S et FWHM sont respectivement la sensibilité de détection et la pleine largeur à mi-hauteur du mode de résonance. Basé sur le S valeurs et la FWHM des quatre modes de résonance, les FOM des points de fréquence A , B , C , et D sont respectivement de 1,92, 1,92, 11,5 et 101,67. Le FOM du point de fréquence D est environ 52,95, 52,95 et 8,84 fois plus grand que celui des points de fréquence A , B , et C , respectivement. Plus important encore, le FOM du point de fréquence D est beaucoup plus grande que les travaux antérieurs exploités à la gamme de fréquences térahertz ayant des valeurs ne dépassant pas 5 [18, 48, 49, 50, 51]. En raison de ces excellentes caractéristiques, la conception de l'absorbeur de lumière multibande est prometteuse dans les domaines liés aux capteurs.

Conclusions

En conclusion, un absorbeur de métamatériau térahertz quadribande de taille unique est démontré, qui est conçu par un résonateur rectangulaire perforé sur une couche diélectrique à pertes placée sur une plaque d'or. Quatre bandes de résonance discrètes et à bande étroite sont obtenues dans le résonateur de taille unique, dont les trois premières bandes ont des taux d'absorption moyens élevés de 97,80 % et la quatrième bande a un Q élevé. valeur de 98,33. Les images physiques de l'appareil conçu sont explorées ; on constate que les distributions correspondantes en champ proche des quatre bandes sont différentes. De plus, la dépendance de l'absorption sur le changement d'indice de réfraction de l'environnement (qui est couvert au-dessus du résonateur de taille unique) est étudiée pour explorer les performances de détection du dispositif. Le FOM de la quatrième bande peut atteindre 101,67, ce qui est bien supérieur à celui des trois premiers modes et même des travaux antérieurs [18, 50, 51, 52, 53]. Ces fonctionnalités supérieures, y compris un Q élevé valeur et grand FOM, sera bénéfique pour la conception et le développement de capteurs simples pour la détection et la surveillance des gaz, la détection des matériaux et les diagnostics biomédicaux.

Abréviations

EM :

Électromagnétique

FOM :

Figure de mérite

Q :

Facteur de qualité

S :

Sensibilité de détection


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