Conception de distances discrètes étroites d'absorbeurs de métamatériaux térahertz double ou triple bande

Introduction

Les absorbeurs parfaits de métamatériaux (en abrégé MPA) en tant que partie importante des dispositifs d'absorption optique ont attiré des activités de recherche considérables car ils possèdent de nombreux avantages par rapport aux autres, tels qu'une absorption d'environ ~ 100 %, une épaisseur ultra-mince de la couche diélectrique, une bande passante d'absorption étroite et la liberté conception de la structure du modèle [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]. Le premier concept de conception de MPA [13], composé d'une structure sandwich d'un résonateur à anneau électrique, d'une couche diélectrique isolante et d'une bande métallique, a été présenté par un groupe de recherche du Boston College en 2008. Un pic de résonance avec un un taux d'absorption supérieur à 88 % à une fréquence de 11,5 GHz peut être obtenu expérimentalement. L'épaisseur diélectrique du dispositif n'est que d'environ 1/35 de la longueur d'onde d'absorption, ce qui est bien inférieur aux dispositifs d'absorption précédents. Le MPA avec ces caractéristiques peut être potentiellement utilisé dans le bolomètre, la détection, la détection et l'imagerie. Cependant, un angle d'acceptation étroit, une sensibilité de polarisation et une réponse d'absorption à bande unique sont les inconvénients des AMP présentées.

Pour surmonter ces problèmes [14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24], de nombreux travaux ont été suggérés pour développer le grand angle, insensible à la polarisation, multibande et même large bande AMP grâce à une optimisation raisonnable des conceptions des structures. Par exemple, un MPA optique grand angle basé sur un réseau d'empilement à une dimension d'une structure de résonance a été suggéré dans la réf. [18]. Il a été démontré que les résonateurs à anneau métallique imbriqué obtiennent l'absorption de résonance à plusieurs bandes [19,20,21,22,23]. Dans le processus de développement et de recherche des dispositifs d'absorption, les AMP à bandes multiples, qui peuvent être utilisées pour la détection de certaines marchandises dangereuses (dynamite, détonateur et alcool), l'imagerie spectroscopique (divers types de couteaux contrôlés), la détection et le bolomètre sélectif, ont reçu une attention considérable [19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30].

D'une manière générale, trois types de méthodes peuvent être utilisées pour réaliser les AMP multibandes. La première méthode, communément appelée méthode de construction coplanaire, est formée de plusieurs tailles différentes de résonateurs dans une structure de super-unité [19,20,21,22,23,24,25,26]. La seconde s'appelle la méthode de l'empilement vertical, composée d'empilements alternés de plusieurs dimensions discrètes d'éléments [27,28,29,30]. La troisième est la combinaison des deux premières méthodes [31, 32]. Bien que ces approches puissent prospérer et développer les AMP à bandes multiples, les distances discrètes des fréquences de résonance des pics d'absorption adjacents sont assez grandes. Une grande distance discrète dans deux fréquences adjacentes négligera inévitablement beaucoup d'informations cachées dans les zones hors résonance, c'est-à-dire les zones discrètes. Afin d'éviter la perte d'informations, par conséquent, la grande distance discrète des AMP à bandes multiples doit être surmontée. Bien que les distances discrètes des AMP à bandes multiples puissent être réduites via une optimisation de structure appropriée, leurs zones d'absorption hors résonance sont relativement grandes (supérieures à 60%), elles devraient être appelées AMP à large bande [33,34,35,36 ,37,38,39,40], pas les AMP multibandes. Comme tout le monde le sait, les AMP multibandes et large bande sont essentiellement différentes dans leurs applications. Par conséquent, il est nécessaire d'assurer de faibles taux d'absorption (inférieurs à 60%) des zones hors résonance dans l'optimisation pour la réduction des distances discrètes.

En fait, une distance discrète relative devrait être plus significative qu'une distance discrète car elle peut refléter la véritable information de deux fréquences adjacentes. La distance relative discrète (△) de deux pics adjacents peut être définie comme △ = 2(f ₂ − f ₁ )/(f ₁ + f ₂ ), où f ₁ et f ₂ sont les fréquences de deux pics voisins. Pour garantir △ > 0, la fréquence de f ₂ devrait être supérieur à celui de f ₁ . Selon cette définition, les valeurs △ minimales des AMP multibandes précédentes ne sont généralement pas inférieures à 50 % [19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30], qui sont loin d'être satisfaisant pour explorer et enquêter sur les messages cachés dans les zones de fréquences adjacentes. Il est donc très raisonnable de développer des AMP multibandes avec des fréquences très proches ou de faibles valeurs de .

Dans cet article, nous présentons la faible valeur △ du MPA térahertz double bande formé par un empilement double couche de bandes Au et de couches diélectriques isolantes soutenues par un plan Au continu. Deux pics d'absorption presque parfaits avec une distance discrète de seulement 0,30 THz sont obtenus. La valeur △ de l'appareil est de 13,33%, ce qui n'est que 1/4 de la valeur minimale précédente des AMP, et la valeur peut être ajustée par le changement de dimension des bandes Au. Sa valeur △ peut être réduite à seulement 6,45 %, ce qui est bien inférieur à celui des AMP précédentes. Une distance discrète étroite ou une faible valeur du MPA double bande est causée par la bande passante ultra-étroite de chaque bande de résonance. Nous présentons en outre deux faibles valeurs △ de l'AMP triple bande en empilant une bande d'Au supplémentaire. Deux distances discrètes étroites de seulement 0,14 THz et 0,17 THz dans trois pics d'absorption presque parfaits peuvent être réalisées ; les valeurs des fréquences adjacentes des AMP triple bande sont respectivement de 6,57 % et de 7,22 %, toutes deux inférieures à celle des travaux antérieurs. Les faibles valeurs △ de ces AMP peuvent trouver un certain nombre d'applications dans l'étude de certaines informations implicites dans les domaines de l'absorption hors résonance.

Méthodes/Expérimental

En général, la bande passante (fait référence à FWHM, pleine onde à mi-hauteur) du MPA monobande est relativement large, pouvant atteindre 20% de la fréquence de résonance centrale, en raison de la forte réponse de résonance des métamatériaux. La combinaison de ces pics à bande unique pour former des AMP à bandes multiples possède inévitablement de grandes valeurs de distance discrète ou . C'est pourquoi les AMP multi-bandes précédentes ont de grandes valeurs de . La clé pour obtenir les faibles valeurs de est de concevoir la bande passante étroite des AMP à bande unique. Ici, nous concevons d'abord ce type de MPA monobande. Une structure sandwich commune formée par un résonateur Au et une certaine épaisseur de matériau diélectrique soutenu par un miroir Au est utilisée pour réaliser l'absorption à bande unique, comme illustré sur la figure 1a. Le résonateur Au est une structure en bande rectangulaire, voir Fig. 1b. Il a la longueur de l = 39 μm, largeur de w = 8 μm, épaisseur de 0,4 μm et conductivité de 4,09 × 10 ⁷ S/m. L'AMP a une période unitaire de P = 60 μm. La dalle diélectrique a une épaisseur de t = 2 μm et constante diélectrique de 3(1 + i 0,001).

Les vues latérales des AMP à bande unique, double bande et triple bande sont respectivement présentées dans a , c , et d; b donne la vue de dessus du résonateur Au Strip

Pour présenter les performances de résonance du dispositif suggéré et expliquer le mécanisme physique impliqué, nous avons effectué des calculs numériques à l'aide du logiciel de simulation commercial, FDTD Solutions, qui est basé sur l'algorithme du domaine temporel aux différences finies. Dans le processus de calcul, des conditions aux limites périodiques sont utilisées dans les deux sens de x - et y -axes pour caractériser l'arrangement périodique de la maille élémentaire, tandis que des couches parfaitement appariées sont utilisées le long de la direction du z -axe (c'est-à-dire la direction de propagation de la lumière) pour éliminer la diffusion inutile. L'absorption (A ) de l'appareil peut être donné par A = 1 – T − R , où T et R sont respectivement la transmission et la réflexion du métamatériau absorbant. Étant donné que l'épaisseur du film métallique inférieur est supérieure à la profondeur de peau de la lumière incidente, la transmission T du métamatériau absorbant est égal à zéro. En conséquence, l'absorption A peut être simplifié en A = 1 − R . L'appareil suggéré peut avoir une absorption de 100 % lorsque la réflexion R est complètement supprimé.

Résultats et discussion

La courbe d'absorption du MPA monobande sous irradiation par ondes planes est illustrée sur la figure 2a ; ~ 100 % d'absorption d'un seul pic de résonance à une fréquence de 2,25 THz est obtenu. La bande passante de l'appareil est de 0,06 THz, ce qui représente seulement 2,67 % de la fréquence de résonance centrale et représente environ 1/8 d'un précédent MPA monobande [1,2,3,4,5,6,7,8,9 ,10,11,12,13]. De plus, le Q (définie comme la fréquence de résonance divisée par la bande passante) la valeur de l'appareil peut aller jusqu'à 37,50. La bande passante ultra-étroite (ou élevée Q valeur) de l'AMP contribue non seulement aux applications de l'appareil lui-même, mais aide également à la conception d'une faible valeur des AMP à bandes multiples. Les figures 2b, c et d fournissent les distributions de champ du pic de résonance. Comme indiqué, son champ magnétique (|H y|) sur la figure 2b est principalement concentré dans une couche diélectrique isolante de MPA, et une forte augmentation du champ électrique peut être observée des deux côtés du résonateur Au le long de l'axe long (voir Fig. 2c, d). Ces caractéristiques de distribution de champ indiquent que la grande absorption lumineuse de la bande passante étroite du MPA est due à la résonance magnétique [1,2,3,4].

La courbe d'absorption du MPA monobande sous irradiation par ondes planes est fournie en a; b , c , et d donner les distributions de champ des |H y|, |E |, et E z à un pic de 2,25 THz, respectivement

Nous explorons ensuite si la combinaison de ces bandes passantes étroites d'AMP a la capacité de réaliser la faible valeur △ des AMP à bandes multiples. Un concept de conception empilé verticalement, comme une sorte de méthode fréquemment utilisée, est utilisé pour obtenir les AMP à bandes multiples. Un exemple du type le plus simple est le cas de l'absorption à double bande. La figure 1c donne la vue latérale du modèle de structure de l'absorption bi-bande. Comme illustré, deux couches de résonateurs à bande métallique et de plaques diélectriques isolantes sont empilées en alternance sur un plan de masse métallique. Les longueurs de deux bandes d'Au sont respectivement l ₁ = 36 μm et l ₂ = 39 μm ; leurs largeurs sont fixées comme w = 8 μm. Les épaisseurs des dalles diélectriques sont t ₁ = 1.4 μm et t ₂ = 2 μm. Les autres paramètres de l'AMP bibande, y compris la période unitaire, la constante diélectrique de la dalle, l'épaisseur et la conductivité des bandes d'Au, sont les mêmes que ceux de l'AMP monobande.

La courbe d'absorption du MPA double bande sous irradiation par ondes planes est illustrée sur la figure 3a. Différent du cas de l'AMP monobande de la figure 2a, deux pics de résonance avec des taux d'absorption d'environ ~ 100 % aux fréquences de 2,10 THz et 2,40 THz sont atteints. Les bandes passantes des deux pics sont respectivement de 0,05 THz et 0,09 THz, qui ne représentent respectivement que 2,00 % et 3,75 % des fréquences de résonance correspondantes. Le Q les valeurs des deux pics sont respectivement de 42,00 et 26,67. De plus, l'absorption hors résonance des deux pics est très faible, inférieure à 12%. Ces caractéristiques montrent que les deux pics ayant des bandes passantes étroites peuvent être clairement distingués. Il est important que la distance discrète des deux pics ne soit que de 0,30 THz, et que son soit de 13,33%, ce qui est inférieur à celui des travaux précédents [19,20,21,22,23,24,25,26,27, 28,29,30]. La faible valeur △ du MPA double bande est prometteuse dans de nombreux domaines de l'ingénierie et de la technologie. Les mécanismes de résonance des deux pics d'absorption peuvent être obtenus en analysant leurs champs magnétiques |H y|. Le champ |H y| car le premier pic est principalement concentré sur la deuxième plaque diélectrique du MPA double bande, tandis que le champ dans la première couche diélectrique a un très faible pourcentage (voir Fig. 3b). Les caractéristiques de la distribution du champ prouvent que le premier mode d'absorption est attribué à la résonance magnétique de la deuxième couche diélectrique, ou que la première fréquence de crête est causée par la longueur de la bande métallique l ₂ (voir la figure 3e). Différent du cas du premier mode de résonance, le |H y| champ du deuxième mode est principalement distribué dans la première couche de plaque diélectrique (voir Fig. 3c), ce qui indique que ce mode est dérivé de la résonance magnétique de la première plaque diélectrique, ou sa fréquence de résonance peut être réglée en faisant varier la taille de longueur de bande l ₁ (voir Fig. 3d), et ainsi régler la valeur du MPA bi-bande.

La courbe d'absorption du MPA double bande sous irradiation par ondes planes est présentée en a; b et c fournir le |H y| distributions de champ des premier et deuxième modes de MPA double bande, respectivement. Courbes d'absorption du MPA bi-bande sous différentes longueurs de l ₁ et l ₂ sont démontrés dans d et e , respectivement

Les valeurs du MPA double bande peuvent être ajustées en modifiant les tailles des bandes Au car les fréquences des deux modes dépendent principalement des tailles correspondantes des bandes. Par exemple, pour la longueur l ₁ changement de la première couche de bande d'Au (voir Fig. 3d), la fréquence du deuxième mode diminue progressivement avec l'augmentation de l ₁ , tandis que le décalage de fréquence du premier mode peut être négligé car sa taille est fixe. Les distances discrètes des deux pics varient en raison du décalage de fréquence du second mode. Plus concrètement, les distances discrètes peuvent être diminuées de 0,41 THz en l ₁ = 33 μm à 0,30 THz en l ₁ = 36 μm et 0.23 THz en l ₁ = 39 μm. Les valeurs △ du MPA double bande peuvent également être diminuées de 17,41 % en l ₁ = 33 μm à 13,33% en l ₁ = 36 μm et 10,38% en l ₁ = 39 μm. C'est-à-dire la longueur de la bande l ₁ le changement peut diminuer les distances discrètes et les valeurs de . De même, la longueur de bande l ₂ le changement n'affecte que sa fréquence de résonance correspondante, c'est-à-dire le premier mode de résonance, voir Fig. 3e. Les distances discrètes et les valeurs △ de l'AMP bi-bande sont toutes deux diminuées avec l ₂ diminuer car la fréquence du premier mode avec la diminution de l ₂ se rapproche progressivement des deuxièmes pics d'absorption, comme le montre la figure 3e. Quand l ₂ = 36 μm, la distance discrète a la valeur la plus petite, qui est de 0,15 THz. À l'heure actuelle, sa valeur △ n'est que de 6,45 %, ce qui est inférieur à celui des rapports précédents. Ces résultats prouvent que les distances discrètes (ou valeurs ) du MPA double bande peuvent être contrôlées pour répondre aux exigences de différentes applications en ajustant la taille des bandes Au.

Nous étudions en outre si l'empilement d'une autre bande d'Au (c'est-à-dire une structure à trois couches) peut atteindre deux faibles valeurs de △ des AMP à trois bandes. La figure 1d présente une vue latérale d'un modèle de structure à trois couches de MPA, qui est composé de trois paires de bande Au/dalle diélectrique au-dessus d'un miroir Au. Les bandes Au ont des longueurs de l ₁ = 34 μm, l ₂ = 36 μm, et l ₃ = 39 μm. Les dalles diélectriques ont des épaisseurs de t ₁ = 1.2 μm, t ₂ = 1.4 μm, et t ₃ = 2.8 μm, respectivement. Les largeurs des bandes Au sont toutes w = 8 μm. Les autres paramètres du MPA triple couche sont les mêmes que ceux conçus ci-dessus. La courbe d'absorption du MPA triple couche sous irradiation par ondes planes est représentée sur la figure 4a. Trois pics discrets ayant des taux d'absorption d'environ ~ 100 % à des fréquences de 2,06 THz, 2,27 THz et 2,51 THz peuvent être trouvés. Les distances discrètes des pics adjacents dans les modes de résonance des deux premiers et des deux derniers sont respectivement de 0,21 THz et 0,24 THz. Les valeurs des modes des deux premiers et des deux derniers sont respectivement de 9,70 % et 10,04 %, qui sont toutes deux inférieures aux valeurs des AMP multibandes. En plus des distances discrètes étroites, les taux d'absorption dans les zones hors résonance de l'AMP triple bande sont relativement faibles, pas plus de 32 % (voir Fig. 4a). Il est montré que les trois pics très proches peuvent être clairement identifiés et peuvent être utilisés pour la détection, la détection, l'imagerie et l'application à d'autres tâches. Le |H y| les distributions de champ des trois pics d'absorption sont fournies pour analyser le mécanisme de résonance de l'AMP triple bande. Comme le montre la figure 4, le |H y| les distributions de champ du premier, du deuxième et du troisième mode de l'AMP à trois bandes se trouvent principalement dans les couches diélectriques de t ₃ , t ₂ , et t ₁ , respectivement, tandis que les champs dans les autres couches diélectriques sont négligeables. Par exemple, pour le premier mode de la figure 4b, les champs dans les couches diélectriques de t ₂ et t ₁ peuvent être négligés, et les champs dans les couches diélectriques de t ₂ et t ₃ sont négligeables pour le troisième mode de la figure 4d. Ces caractéristiques de distribution indiquent clairement que les trois pics d'absorption sont tous causés par des résonances magnétiques. Plus précisément, le premier, le deuxième et le troisième modes sont attribués aux résonances magnétiques de la troisième couche diélectrique t ₃ , la deuxième couche diélectrique t ₂ , et la première couche diélectrique t ₁ , respectivement, ou les fréquences du premier, du deuxième et du troisième mode dépendent des longueurs de bande Au de l ₃ , l ₂ , et l ₁ , respectivement.

La courbe d'absorption du MPA triple bande sous irradiation par ondes planes est donnée en a; b , c , et d montrer le |H y| distributions de champ des premier, deuxième et troisième modes de l'AMP à trois bandes, respectivement. Courbes d'absorption du MPA triple bande sous différentes longueurs de l ₁ , l ₂ , et l ₃ sont démontrés dans e , f , et g , respectivement

Les valeurs du MPA triple bande peuvent être contrôlées en ajustant les longueurs de bande Au. La figure 4e donne les courbes d'absorption de l'AMP triple bande dans différents cas de longueur l ₁ . Comme vous pouvez le voir, le l ₁ le changement affecte principalement la fréquence du troisième mode, tandis que les décalages de fréquence des deux premiers modes sont négligeables, ce qui est cohérent avec la prédiction théorique. En raison de la variation de fréquence du troisième mode, nous pouvons régler la valeur des deux derniers modes du MPA triple bande. Les valeurs △ des deux derniers modes peuvent être réglées à partir de 12,66 % en l ₁ = 33 μm à 10,04 % en l ₁ = 34 μm, et 7,22 % en l ₁ = 35 μm. La valeur △ des deux premiers modes peut également être contrôlée en ajustant la longueur l ₃ (voir la figure 4g). La distance discrète minimale des deux premiers modes est de 0,16 THz pour l ₃ = 38 μm, et sa valeur est de 7,31 %. De plus, nous pouvons ajuster les valeurs des deux premiers et des deux derniers modes en mettant à l'échelle la longueur l ₂ , c'est-à-dire la fréquence du deuxième mode (voir Fig. 4f). Remarquablement, les changements de valeur des deux premiers et des deux derniers modes sont une restriction mutuelle car nous ne changeons que la fréquence du deuxième mode. Par exemple, pour l ₁ = 37 μm (voir la ligne bleue sur la Fig. 4f), la distance discrète des deux premiers modes a la valeur minimale de 0,16 THz, tandis qu'une valeur maximale de 0,29 THz pour les deux derniers modes peut être obtenue.

Conclusion

En conclusion, une distance discrète étroite de l'AMP térahertz double bande composée de deux paires de bande d'Au/plaque diélectrique soutenue par un film d'Au est présentée. Deux taux d'absorption ~ ~ 100 % des pics de résonance ayant une distance discrète de 0,30 THz sont réalisés, et le du MPA double bande est de 13,33 %. Le mécanisme d'absorption à double bande est causé par des effets de superposition de deux fréquences différentes de résonances magnétiques. Nous pouvons en outre ajuster les valeurs du MPA double bande en utilisant différentes longueurs de bandes d'Au. La valeur peut être réduite à seulement 6,45 %, ce qui est bien inférieur à celui des résultats précédents. De plus, deux distances discrètes étroites du MPA triple bande sont démontrées en empilant une paire supplémentaire de bande/diélectrique. Trois absorptivités ~ 100 % des pics de résonance avec des distances discrètes de 0,21 THz et 0,24 THz sont obtenues. Les valeurs de deux fréquences adjacentes (qui sont les modes des deux premières et des deux dernières) sont respectivement de 9,70 % et 10,04 %. Semblable au cas de l'absorption double bande, le MPA triple bande a également la capacité de régler la valeur des fréquences adjacentes en contrôlant les longueurs des bandes d'Au. Les distances discrètes étroites ou les faibles valeurs △ des AMP à bandes multiples sont prometteuses dans de nombreux domaines, comme l'étude de certaines informations implicites sur deux fréquences très proches.

Abréviations

FWHM :

Pleine vague à mi-hauteur

AMP :

Absorbeurs parfaits en métamatériaux

Q :

Facteur de qualité