Design eines Quad-Band-Terahertz-Metamaterial-Absorbers unter Verwendung eines perforierten rechteckigen Resonators für Sensoranwendungen

Hintergrund

Metamaterialien mit sub- oder tiefen Subwellenlängen-Strukturgrößen erhalten immer mehr Aufmerksamkeit, weil sie nachweislich exotische elektromagnetische (EM) Eigenschaften aufweisen [1,2,3], die unter natürlichen Bedingungen nicht direkt erhalten werden können. Neben diesen faszinierenden Effekten haben Metamaterialien auch eine Vielzahl von Anwendungen in funktionellen Geräten [4,5,6,7,8,9,10]. Metamaterial-Absorber als Spezialzweig der Metamaterial-Geräte haben großes Interesse in der Forschung geweckt, da sie verwendet werden können, um eine große Lichtabsorption zu erreichen [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].

Im Jahr 2008 entwarf eine Forschergruppe des Boston College erstmals den Metamaterial-Absorber im Mikrowellenbereich, indem sie die Verlustleistung der Sandwichstruktur aus elektrischem Ringresonator, verlustbehafteter dielektrischer Schicht und dem metallischen Schnittdraht voll ausnutzte [6 ]. Danach haben sich verschiedene Arten von Untersuchungen basierend auf verschiedenen Formen oder Größen von metallischen Resonatoren bewährt. Yao et al. präsentierten einen miniaturisierten Metamaterial-Absorber unter Verwendung einer gefalteten Linienstruktur [17]. Ein kreuzförmiger Terahertz-Absorber wurde in Lit. demonstriert. [18]. Leider sind diese demonstrierten Metamaterialabsorber auf die Einzelbandabsorption beschränkt, was ihre praktischen Anwendungen stark einschränken kann. Um das Problem der Einbandabsorption zu lösen, sind das Design und die Entwicklung von Mehrband- und sogar Breitband-Lichtabsorbern erforderlich.

Die Ergebnisse zeigen, dass durch das Mischen mehrerer Resonatoren zu koplanaren oder geschichteten Strukturen die perfekte Absorption in mehreren Frequenzbändern (dh die Mehrbandabsorption) erreicht werden kann [22,23,24,25,26,27,28 ,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38]. Zum Beispiel bestanden koplanare Strukturen aus mehreren unterschiedlichen Größen von Resonatoren mit geschlossenem Ring [22,23,24,25,26,27], quadratischen Patches [28, 29] und elektrischen Ringresonatoren [30,31,32,33] wurden vorgestellt, um eine Dual-Band- und Triple-Band-Absorption zu realisieren. Es wurden geschichtete Strukturdesigns vorgeschlagen, um auch die Mehrband-Absorptionsvorrichtungen zu erhalten [34,35,36,37,38]. Bei diesen Vorschlägen weist jeder metallische Resonator nur einen einzigen Absorptionsmodus auf, und daher erfordert das Design der Mehrband-Absorptionsvorrichtungen mindestens so viele Resonatoren wie Absorptionspeaks. In Ref.-Nr. [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38] haben wir eindeutig festgestellt, dass das Dual-Band, Triple-Band und sogar Quadband-Metamaterial-Absorber benötigen tatsächlich mindestens zwei, drei bzw. vier metallische Resonatoren in einer Elementarzelle. Das heißt, frühere Studien konzentrieren sich hauptsächlich darauf, wie eine Mehrbandabsorption durch Verwendung mehrerer unterschiedlicher Resonatorgrößen erreicht werden kann. Nur wenige von ihnen werden untersucht, ob der Resonator einer einzigen Größe die Fähigkeit hat, Mehrbandabsorptionsreaktionen zu zeigen.

In diesem Papier zeigen wir, dass ein metallischer Resonator einer einzigen Größe eine Quadband-Absorption ermöglicht, was sich von früheren Designkonzepten unterscheidet, bei denen mehrere Resonatoren mit unterschiedlichen Größen benötigt werden. Das Design des Quadband-Lichtabsorbers besteht aus einem perforierten rechteckigen Resonator auf einem Goldspiegel mit einer verlustbehafteten dielektrischen Schicht dazwischen. Numerische Ergebnisse zeigen deutlich, dass die entworfene Metamaterialstruktur vier schmalbandige Absorptionspeaks besitzt, von denen die ersten drei Peaks eine starke Absorption von durchschnittlich 97,80 % aufweisen, während der vierte Peak Q . hat Wert von 98,33. Mit Hilfe der Nahfeldverteilungen werden die zugrundeliegenden physikalischen Bilder der Quadband-Absorption analysiert. Die Erfassungsleistung der vorgeschlagenen Lichtabsorptionsvorrichtung wird ebenfalls diskutiert; Ergebnisse beweisen, dass die Sensibilität (S ) des Gerätes, insbesondere des S des vierten Absorptionspeaks kann 3,05 THz pro Brechungsindex erreichen; und die Gütezahl (FOM; die Definition des FOM ist die Sensibilität S dividiert durch seine Absorptionsbandbreite [44, 45]) dieses Modus kann bis zu 101,67 betragen. Das große S und hohe FOM des entwickelten Lichtabsorptionsgeräts sind vielversprechend in sensorbezogenen Bereichen.

Methoden

Abbildung 1a zeigt die Seitenansicht des konstruierten Quad-Band-Lichtabsorbers, er besteht aus einem perforierten rechteckigen Resonator (siehe Fig. 1b) und einer Metallplatte und einer verlustbehafteten dielektrischen Schicht, die sie trennt. Die metallischen Schichten des Lichtabsorbers bestehen aus 0,4 μm Gold und seine Leitfähigkeit beträgt σ = 4,09 × 10 ⁷ S/m. Die verlustbehaftete, vom Dielektrikum getrennte Schicht hat eine Dicke von t = 9 μm und die verlustbehaftete Dielektrizitätskonstante von 3(1 + i 0,05), und diese Art von verlustbehaftetem dielektrischem Material wird häufig im Bereich der Metamaterialien verwendet [46]. Die Draufsicht des perforierten rechteckigen Resonators ist in Abb. 1b dargestellt und seine geometrischen Parameter sind wie folgt:Länge und Breite des rechteckigen Resonators sind l = 80 μm und w = 40 μm. Die Länge und Breite des perforierten Luftlochs betragen l ₁ = 25 μm und l ₂ = 35 μm. Der Abweichungswert des perforierten Luftlochs beträgt δ = 18 μm. Die Perioden in P x und P y sind 100 bzw. 60 μm.

a und b sind jeweils die Seiten- und Draufsicht des vorgestellten Quad-Band-Terahertz-Metamaterial-Absorbers

Hier möchten wir kurz die Gestaltungsregeln der Metaoberfläche vorstellen, d. h. des perforierten rechteckigen Resonators einer einzigen Größe. Im Allgemeinen hat der herkömmliche metallische Resonator einer einzigen Größe (z. B. geschlossener Ringresonator, quadratischer Patch und rechteckiger Resonator) nur einen Resonanzabsorptionspeak, und das Design der Mehrband-Lichtabsorptionsvorrichtungen erfordert mindestens ebenso viele Resonatoren als Absorptionspeaks. Wie angegeben und berichtet in Refs. [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38], Dual-Band, Triple-Band und sogar Quad-Band Lichtabsorptionsvorrichtungen benötigen tatsächlich mindestens zwei, drei bzw. vier metallische Resonatoren in einer Elementarzelle. Mit anderen Worten, frühere Arbeiten konzentrieren sich hauptsächlich darauf, wie man Mehrband-Lichtabsorptionsvorrichtungen unter Verwendung mehrerer unterschiedlicher Größen (oder Formen) der traditionellen metallischen Resonatoren erreichen kann die Fähigkeit, eine Mehrfachbandabsorption zu erreichen. Hier versuchen wir, die Mehrbandabsorption zu erhalten, indem wir den Bruch (d. h. das Luftloch) in den traditionellen rechteckigen metallischen Resonator einführen. Es ist absehbar, dass die Einführung des Luftlochs in den traditionellen rechteckigen Resonator die Symmetrie des ursprünglichen rechteckigen metallischen Resonators brechen und die ursprünglichen Nahfeldverteilungen brechen kann (oder die Neuordnung der Nahfeldverteilungen im perforierten rechteckigen Resonator). , wodurch einige neue Resonanzabsorptionsmoden eingeführt (oder erzeugt) werden. Wie in Fig. 4 erwähnt, kann die Einführung des Bruchs (oder des Luftlochs) in den herkömmlichen rechteckigen Resonator die Nahfeldverteilungen tatsächlich neu anordnen, was zu einigen neuen Resonanzabsorptionspeaks führt. Daher glauben wir, dass die leichte Strukturverformung des traditionellen metallischen Resonators ein effektiver Weg ist, um die Mehrbandabsorption zu erreichen; Diese Art der Designmethode hat im Vergleich zu den bisherigen Designansätzen mit mehreren unterschiedlich großen Resonatoren offensichtliche Vorteile [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34, 35,36,37,38]. Darüber hinaus kann für den Metamaterial-Absorber seine 100%ige Absorption hauptsächlich aus zwei Aspekten abgeleitet werden, dem ohmschen Verlust in metallischen Schichten und der Absorption in der dielektrischen Platte unter Verwendung des verlustbehafteten Dielektrikums. In den Frequenzbändern von Terahertz und Mikrowelle [6, 18, 23, 24, 25, 39, 50] ist der ohmsche Verlust in metallischen Schichten meist kleiner als die Absorption in der dielektrischen Schicht. Das heißt, es ist unmöglich, nur den ohmschen Verlust zu verwenden, um die 100%ige Absorption zu erreichen. Daher ist es normalerweise notwendig, das verlustbehaftete Dielektrikum als dielektrische Platte der Metamaterial-Absorber zu verwenden [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36, 37].

Der Quadband-Metamaterial-Absorber wird mit der kommerziellen Software FDTD Solutions simuliert, die auf der Finite-Differenz-Zeitbereichsmethode basiert. In der Berechnung wird eine ebene elektromagnetische Welle mit dem elektrischen Feld entlang der Richtung von x -Achse wird als Lichtquelle verwendet, die senkrecht auf die Resonanzstruktur (vom perforierten Resonator zur verlustbehafteten dielektrischen Schicht und dem Goldspiegel) entlang der Richtung des z . eingestrahlt wird -Achse (siehe Abb. 1). Die Lichtquelle hat den Frequenzbereich von (0,2 ~ 3,0) THz. Um die Genauigkeit der Berechnungsergebnisse zu gewährleisten, sollte die Größe der Lichtquelle etwas größer sein als die der wiederholten Periode der Struktur, gleichzeitig genügend Simulationszeiten und die geeigneten Grenzen (periodische Grenzen in Richtungen von x - und y -Achse und perfekt aufeinander abgestimmte Ebenen in Richtung z -Achse) verwendet werden.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 2a zeigt die Absorptionsleistung des vorgestellten Quad-Band-Terahertz-Metamaterial-Absorbers. Wie gezeigt, kann die vorgeschlagene Struktur einfacher Größe vier Peaks haben, deren Frequenzen jeweils 0,84 THz in Punkt A . betragen , 1,77 THz in Punkt B , 2,63 THz in Punkt C , und 2,95 THz in Punkt D . Die ersten drei Frequenzpunkte (A , B , und C ) haben die großen durchschnittlichen Absorptionsraten von 97,80% und die Absorption des Frequenzpunkts D beträgt etwa 60,86 %. Die Bandbreiten (full width at half maximum, abgekürzt als FWHM) der Frequenzpunkte A , B , C , und D sind 0,13, 0,13, 0,10 bzw. 0,03 THz. Im Allgemeinen ist das Q (oder Qualitätsfaktor, und die Definition des Q ist der Resonanzfrequenzpunkt dividiert durch seine Bandbreite) ist ein sehr wichtiger Indikator bei der Beurteilung der Leistung des Resonanzmodus. Es kann direkt widerspiegeln, ob der Resonanzmodus in Sensoranwendungen verwendet werden kann. Je höher das Q Wert, desto besser ist die Erfassungsleistung. Nach der Definition des Q Wert, das Q Wert des Frequenzpunktes D kann bis zu 98,33 betragen, was viel größer ist als die der Frequenzpunkte A mit Q von 6.46, B mit Q von 13,62 und C mit Q vom 26.32. Das große Q Wert des Frequenzpunktes D hat potenzielle Anwendungen in sensorbezogenen Bereichen. Eine ausführliche Erläuterung dazu finden Sie unten in Abb. 5 und in den Textanweisungen.

a ist die Absorptionsleistung des vorgestellten Quadband-Lichtabsorbers. b zeigt die Abhängigkeit der Absorptionsleistung von den erweiterten Frequenzbereichen

Um einen Einblick in den physikalischen Mechanismus des Quadband-Lichtabsorbers zu erhalten, vergleichen wir die Absorptionsleistung des perforierten rechteckigen Resonators (dh der vorgeschlagenen Struktur in Abb. 1) und des nicht perforierten rechteckigen Resonators (dh ohne das Luftloch auf dem rechteckigen Resonator), wie in Abb. 3a, b gezeigt. Es sollte beachtet werden, dass die geometrischen Parameter dieser beiden Arten von Absorbern die gleichen sind, außer ohne das Luftloch für den ungelochten rechteckigen Resonator. Für die Absorptionsleistung des ungelochten rechteckigen Resonators in Abb. 3a, zwei klare Absorptionspeaks (markiert als Moden E und F ) erreicht werden, betragen die Absorptionsraten der beiden Frequenzpunkte 93,95 bzw. 82,08 %. Beim Vergleich der Absorptionsleistung der Abb. 3a, b haben wir festgestellt, dass die erste (A ) und die dritte (C ) Frequenzpunkte des Quadband-Lichtabsorbers in Abb. 3b liegen sehr nahe an den Frequenzpunkten E und F des ungelochten rechteckigen Resonators in Fig. 3a. Diese Eigenschaften zeigen, dass die Absorptionsmechanismen der Frequenzpunkte A und C des perforierten rechteckigen Resonators sollten jeweils mit den Mechanismen der Frequenzpunkte E . übereinstimmen und F des ungelochten rechteckigen Resonators. Die leichten Frequenzunterschiede sollten auf die Einführung des Luftlochs in den rechteckigen Resonator zurückzuführen sein.

a und b sind jeweils die Absorptionsleistungen der ungelochten und gelochten rechteckigen Lichtabsorber

Um den Absorptionsmechanismus der Frequenzpunkte E . aufzudecken und F des ungelochten rechteckigen Resonators geben wir die elektrische (|E |) und magnetisch (|H y|) Feldverteilungen der beiden Punkte E und F , wie in Abb. 4a–d gezeigt. Aus Abb. 4b, d ist ersichtlich, dass |H y| Feldverteilungen der Frequenzpunkte E und F sind beide hauptsächlich auf die verlustbehaftete dielektrische Schicht konzentriert. Diese Verteilungsmerkmale zeigen, dass die Häufigkeitspunkte E und F sind die lokalisierten Antworten des ungelochten rechteckigen Resonators. Die Verteilung des magnetischen Feldes in der dielektrischen Schicht kann zu einer Ansammlung von Ladungen (oder elektrischen Feldern) in den Kanten des ungelochten rechteckigen Resonators führen [28, 39]. Das |E | Die in Fig. 4a, c gezeigten Felder zeigen deutlich die Anregung des elektrischen Felds in den Kanten des ungelochten rechteckigen Resonators. Außerdem für den Frequenzpunkt E in Fig. 4b gibt es nur einen starken Feldakkumulationsbereich in der verlustbehafteten dielektrischen Schicht, was bedeutet, dass der Frequenzpunkt E ist die lokalisierte Resonanz erster Ordnung des ungelochten rechteckigen Resonators [40, 41]. Anders als im Fall von Fig. 4b werden drei Feldakkumulationsbereiche für den Frequenzpunkt F . beobachtet in Abb. 4d. Als Ergebnis ist der Frequenzpunkt F sollte die lokalisierte Reaktion dritter Ordnung des ungelochten rechteckigen Resonators sein [40,41,42,43]. Wie am Ende des vorherigen Absatzes erwähnt, ist der Mechanismus der Frequenzpunkte A und C im perforierten rechteckigen Resonator sollte gleich dem der Frequenzpunkte E . sein und F im ungelochten rechteckigen Resonator. Daher haben wir Grund zu der Annahme, dass die Frequenzpunkte A und C sollten jeweils die Antworten erster und dritter Ordnung des perforierten rechteckigen Resonators sein. Um ausreichende Beweise zu liefern, müssen wir ihre Feldverteilungen analysieren.

a und c zeige das |E| Feldverteilungen der Frequenzpunkte E und F des ungelochten rechteckigen Resonators. b und d das |H . bereitstellen y| Feldverteilungen der Frequenzpunkte E und F des ungelochten rechteckigen Resonators. e , g , ich , und (k ) zeige das |E| Feldverteilungen der Frequenzpunkte A , B , C , und D des perforierten rechteckigen Resonators. f , h , j , und l gib das |H y| Feldverteilungen der Frequenzpunkte A , B , C , und D des perforierten rechteckigen Resonators bzw.

Wir liefern nun die Nahfeldverteilungen der Frequenzpunkte A , B , C , und D des perforierten rechteckigen Resonators, um die physikalischen Mechanismen des Quad-Band-Lichtabsorbers aufzudecken, wie in Abb. 4e–l gezeigt. In Abb. 4f ist der Frequenzpunkt A . zu sehen dass in der dielektrischen Schicht der vorgeschlagenen Quadband-Absorbervorrichtung nur ein starker Magnetfeldverteilungsbereich vorhanden ist. Drei Akkumulationsbereiche (zwei starke und eine schwache) in Abb. 4j befinden sich in der verlustbehafteten dielektrischen Schicht der Quadband-Absorptionsvorrichtung für den Frequenzpunkt C . Inzwischen ist das |E | Feldverteilungen der Häufigkeitspunkte A in Abb. 4e und C in Fig. 4i sind beide hauptsächlich auf die Kanten des perforierten rechteckigen Resonators fokussiert. Daher sind die Frequenzpunkte A und C in Fig. 2a oder Fig. 3b sollten die lokalisierten Antworten erster und dritter Ordnung des perforierten rechteckigen Resonators sein [40, 41]. Diese Feldverteilungen liefern den hinreichenden Beweis dafür, dass die physikalischen Mechanismen der Frequenzpunkte A und C in Abb. 2a oder 3b stimmen mit den Frequenzpunkten E . überein und F in Abb. 3a.

Für Frequenzpunkt B in Abb. 4h wird nur eine sehr starke Feldverteilung auf der rechten Seite der verlustbehafteten dielektrischen Schicht und dem |E . beobachtet | Das Feld des Absorptionsmodus in Fig. 4g wird hauptsächlich an beiden Kanten des rechten Seitenabschnitts des perforierten rechteckigen Resonators gesammelt. Als Ergebnis ist der Frequenzpunkt B sollte die lokalisierte Reaktion erster Ordnung des rechten Seitenabschnitts des perforierten rechteckigen Resonators sein. Für Frequenzpunkt D , haben wir festgestellt, dass es |Hy . ist | Die Feldverteilung konzentriert sich hauptsächlich auf die linke Seite der verlustbehafteten dielektrischen Schicht (siehe Fig. 41), was darauf hindeutet, dass dieser Modus der lokalisierten Reaktion erster Ordnung des linken Seitenabschnitts des perforierten rechteckigen Resonators zugeschrieben werden sollte. Basierend auf der obigen Analyse kann die Einführung des Luftlochs auf dem rechteckigen Resonator tatsächlich eine wichtige Rolle bei der Umverteilung der Nahfeldmuster spielen. Aus den umverteilten Nahfeldverteilungen entstehen zwei neue Absorptionsmodi, die Frequenzpunkte B und D . Als Ergebnis kann in diesem leicht verformten rechteckigen Resonator eine Quadband-Lichtabsorptionsvorrichtung realisiert werden. Im Vergleich zu den traditionellen Designmethoden zur Erzielung der Mehrbandabsorption [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38] Das Designkonzept weist offensichtliche Vorteile auf, wie z. B. vereinfachtes Strukturdesign, kostengünstige und einfache Herstellungsschritte usw.

In diesem Manuskript verwenden wir das Konzept der Resonanzen erster und dritter Ordnung des Resonators, um die Mehrband-Absorptionsantwort zu erhalten. Im Allgemeinen besitzt jedoch jeder Resonator neben der Resonanz erster Ordnung (oder Grundmodenresonanz) auch Moden höherer Ordnung, so dass er theoretisch mehrere Absorptionsbänder mit hohen Absorptionskoeffizienten innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs aufweisen kann. Erweitert man die simulierten Frequenzbereiche auf die höheren Frequenzen, findet man die anderen Moden höherer Ordnung, und die Anzahl der Absorptionsbanden mit hohen Absorptionskoeffizienten sollte idealerweise unendlich sein. Die tatsächliche Situation basiert jedoch nicht auf dieser Vorhersage. Selbst wenn die Frequenzbereiche zu höheren Frequenzen erweitert werden, ist es ziemlich schwierig, viele (und sogar unendliche) Resonanzbänder mit den hohen Absorptionskoeffizienten zu erhalten, und typischerweise nur maximal zwei Resonanzmoden höherer Ordnung und eine Grundmodenresonanz erreicht werden können [40, 41, 47, 48, 49]. Zwei Arten von Gründen können für dieses Phänomen verantwortlich sein. Erstens ist es aufgrund unterschiedlicher optimaler dielektrischer Dicken, die für die verschiedenen Resonanzmoden erforderlich sind, schwierig, gleichzeitig eine nahezu perfekte Absorption bei mehreren unterschiedlichen Frequenzbändern (> 3) zu erreichen. Mit anderen Worten, es ist unmöglich, die ausgezeichnete Absorption (gleichzeitig> 90%) der Mehrband-Peaks basierend auf der Überlagerung der Grundmode und mehrerer (sogar unendlicher) Moden höherer Ordnung zu realisieren [40, 41, 46, 47 ,48]. Zweitens können die Beugungseffekte der Resonanzstruktur auch die Absorptionskoeffizienten der Resonanzpeaks in der Grundmode und im Frequenzgang höherer Ordnung erheblich beeinflussen und damit eine gezielte numerische Untersuchung der Moden höherer Ordnung, um sicherzustellen, dass Beugungseffekte deren Absorption nicht wesentlich beeinflussen Leistung [47,48,49]. Diese beiden Punkte sind die Hauptgründe dafür, dass trotz der Erweiterung der Frequenzbereiche zu höheren Frequenzen keine unendlichen nahezu perfekten Absorptionspeaks erzielt werden können. Außerdem ist es wichtig zu beachten, dass es äußerst schwierig ist, Resonanzmoden gerader Ordnung unter normalen Bedingungen (wie den vertikal eingestrahlten elektromagnetischen Wellen) zu erhalten, da das elektrische Feld des einfallenden Lichts vertikale Komponenten in der Einfallsebene aufweisen muss [49].

Zur intuitiven Demonstration ist die Abhängigkeit der Absorptionsspektren von den erweiterten Frequenzbereichen des Resonanzgeräts in Abb. 2b dargestellt. Wie gezeigt, gibt es nur vier klare Resonanzmodi (d. h. die ursprünglichen Frequenzpunkte A , B , C , und D ) mit hohen Absorptionskoeffizienten, wenn die Frequenzbereiche auf 4 THz, auf 6 THz und sogar auf 8 THz erweitert werden. In den Frequenzbereichen von (3~6) THz und (3~8) THz sind einige niedrige Absorptionsraten und unvorhersehbare Resonanzmoden zu finden. Diese Art von Merkmal weist darauf hin, dass wir nicht mehr Resonanzmoden mit hohen Absorptionskoeffizienten und den erwarteten Frequenzen erhalten können, wenn die Frequenzbereiche auf höhere Frequenzen erweitert werden. Das heißt, die Anzahl der Absorptionsbanden kann bei hohen Absorptionskoeffizienten nicht weiter (und sogar idealerweise unendlich) ansteigen, wenn die Frequenzbereiche zu höheren Frequenzen erweitert werden, was auf zwei Gründe für den vorherigen Absatz zurückgeführt werden kann.

Darüber hinaus haben wir festgestellt, dass die Absorptionskoeffizienten dieser Frequenzpunkte erheblich beeinflusst werden können, wenn die Frequenzbereiche zu höheren Frequenzen erweitert werden. Aus den Kurven von Dunkelgelb, Blau und Rot der Fig. 2b ist ersichtlich, dass die Absorptionskoeffizienten der ersten drei Frequenzpunkte mit der Erweiterung der Frequenzbereiche deutlich verringert werden. Insbesondere wenn der Frequenzbereich auf 8 THz erweitert wird, beträgt die Absorption des zweiten Frequenzpunkts 67,69 %; gleichzeitig die durchschnittliche Absorption der ersten drei Frequenzpunkte A , B , und C beträgt nur etwa 77,56%, was viel niedriger ist als die nahezu perfekte (oder 100%) Absorption der ersten drei Frequenzpunkte im Frequenzbereich des ursprünglichen (0,2~3) THz. Daher diskutieren wir in diesem Manuskript nur die Resonanzpeaks (d. h. die Moden A , B , C , und D ) mit hohen Absorptionskoeffizienten im Frequenzbereich von (0,2~3) THz ohne Berücksichtigung der Fälle der niedrigen Absorptionskoeffizienten und der unvorhersehbaren Frequenzen der Moden in den Frequenzbereichen von (3~6) THz und (3~8) THz .

Als nächstes untersuchen wir, ob der entwickelte Quad-Band-Lichtabsorber in den Sensor integriert werden kann, um die Änderung des Brechungsindex (RI) der Umgebung, die über dem metallischen Resonator bedeckt ist, zu erkennen oder zu überwachen. Abbildung 5a zeigt die Abhängigkeit der Absorptionsspektren von der Änderung des RI der Deckmaterialien. Es ist zu erkennen, dass die Frequenzverschiebungen der Frequenzpunkte A und B sind fast nicht vorhanden (nur 0,01 THz), wenn der RI von Vakuum n . geändert wird = 1.00 bis n = 1,04 in Intervallen von 0,01, während Frequenzänderungen der Frequenzpunkte C und D sind durchaus bemerkenswert. Die Frequenzänderung des Frequenzpunkts C ungefähr 0,046 THz beträgt und die Frequenzverschiebung für den Frequenzpunkt D kann bis zu 0,122 THz betragen. Tatsächlich ist die Bulk-Refraktionsindexempfindlichkeit (S ) ist ein intuitiver Faktor zur Beschreibung der Wahrnehmungsleistung der Resonanzstruktur und der Empfindlichkeit S kann definiert werden als [44, 45]:S = Δf /Δn , wobei Δf ist die Änderung der Resonanzfrequenz und Δn ist die Änderung des RI. Laut Definition ist das S Werte der Frequenzpunkte A , B , C , und D sind 0,25, 0,25, 1,15 bzw. 3,05 THz/RIU. Verglichen mit dem S Werte der Frequenzpunkte A , B , und C , das S Verstärkungsfaktoren für den Frequenzpunkt D kann bis zu 12,2, 12,2 bzw. 2,65 betragen. Das große S Wert des Frequenzpunktes D hat potenzielle Anwendungen in sensorbezogenen Bereichen.

a zeigt die Abhängigkeit der Absorptionsleistung des Quadband-Lichtabsorbers von der Änderung des Brechungsindex (n ) der Umgebung. b ₁ und b ₂ sind jeweils die Resonanzfrequenzen der Moden C und D als Funktion des Brechungsindex n

Neben der Sensibilität S , ist die FOM (Zahl der Güte) ein wichtigerer Faktor zur Einschätzung der Sensorqualität und ermöglicht einen direkten Vergleich der Sensorleistung verschiedener Sensoren. Die Definition des FOM ist [44, 45]:FOM = Δf /(Δn × FWHM) = S/ FWHM, wobei S und FWHM sind die Erfassungsempfindlichkeit bzw. die Halbwertsbreite des Resonanzmodus. Basierend auf dem S Werte und die FWHM der vier Resonanzmoden, die FOMs der Frequenzpunkte A , B , C , und D sind 1,92, 1,92, 11,5 bzw. 101,67. Die FOM des Frequenzpunkts D ist etwa 52,95-, 52,95- und 8,84-mal größer als die der Frequenzpunkte A , B , und C , bzw. Noch wichtiger ist die FOM des Frequenzpunkts D ist viel größer als frühere Arbeiten, die im Terahertz-Frequenzbereich mit Werten von nicht mehr als 5 betrieben wurden [18, 48,49,50,51]. Aufgrund dieser hervorragenden Eigenschaften ist das Design des Mehrband-Lichtabsorbers vielversprechend in sensornahen Bereichen.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wird ein Quadband-Terahertz-Metamaterialabsorber einer einzigen Größe demonstriert, der aus einem perforierten rechteckigen Resonator auf einer verlustbehafteten dielektrischen Schicht auf einer Goldplatine besteht. Vier diskrete und schmalbandige Resonanzbänder werden im Resonator mit einer einzigen Größe erreicht, von denen die ersten drei Bänder die großen durchschnittlichen Absorptionsraten von 97,80 % aufweisen und das vierte Band einen hohen Q . hat Wert von 98,33. Die physischen Bilder des entworfenen Geräts werden untersucht; es zeigt sich, dass die entsprechenden Nahfeldverteilungen der vier Bänder unterschiedlich sind. Darüber hinaus wird die Abhängigkeit der Absorption von der Brechungsindexänderung der Umgebung (die über dem eindimensionalen Resonator bedeckt ist) untersucht, um die Sensorleistung des Geräts zu untersuchen. Das FOM des vierten Bandes kann 101,67 erreichen, was viel größer ist als das der ersten drei Modi und sogar früherer Arbeiten [18, 50,51,52,53]. Diese herausragenden Funktionen, einschließlich des hohen Q Wert und große FOM, werden für das Design und die Entwicklung einfacher Sensoren für die Gasmessung und -überwachung, Materialerkennung und biomedizinische Diagnostik von Vorteil sein.

Abkürzungen

EM:

Elektromagnetisch

FOM:

Verdienstzeichen

Q :

Qualitätsfaktor

S :

Sensibilität