デュアル/トリプルバンドテラヘルツメタマテリアル吸収体の狭い離散距離の設計

はじめに

光吸収デバイスの重要な部分としてのメタマテリアル完全吸収体（MPAと略記）は、約100％の吸収、誘電体層の極薄厚さ、狭い吸収帯域幅、自由度など、他のデバイスに比べて多くの利点があるため、かなりの研究活動を集めています。パターン構造の設計[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。 MPAの最初の設計コンセプト[13]は、電気リング共振器、絶縁誘電体層、および金属ストリップのサンドイッチ構造で構成され、2008年にボストン大学の研究グループによって発表されました。 11.5 GHzの周波数で88％を超える吸収率を実験的に得ることができます。デバイスの誘電体の厚さは、吸収波長の約1/35であり、以前の吸収デバイスよりもはるかに薄いです。これらの機能を備えたMPAは、ボロメータ、センシング、検出、およびイメージングで使用できる可能性があります。ただし、狭い許容角度、偏光感度、およびシングルバンド吸収応答は、提示されたMPAの欠点です。

これらの問題を克服するために[14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24]、広角で偏波に影響されないマルチバンド、さらにはブロードバンドを開発するための多くの研究が提案されています。構造設計の合理的な最適化によるMPA。たとえば、共鳴構造の1次元スタックアレイに基づく広角光MPAは、参考文献で提案されています。 [18]。ネストされた金属リング共振器は、マルチバンド共鳴吸収を得ることが実証されました[19、20、21、22、23]。吸収装置の開発と研究の過程で、危険物（ダイナマイト、起爆装置、アルコール）の検出、分光イメージング（さまざまな種類の制御されたナイフ）、センシング、および選択的ボロメータに使用できるマルチバンドMPA、多大な注目を集めています[19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30]。

一般的に、マルチバンドMPAを実現するには、3種類の方法を使用できます。一般にコプレーナ構築法と呼ばれる最初の方法は、スーパーユニット構造の複数の異なるサイズの共振器によって形成されます[19、20、21、22、23、24、25、26]。 2つ目は、垂直スタック方式と呼ばれ、要素の複数の個別の次元の代替スタックで構成されています[27、28、29、30]。 3つ目は、最初の2つの方法の組み合わせです[31、32]。これらのアプローチは繁栄し、マルチバンドMPAを開発することができますが、隣接する吸収ピークの共振周波数の離散距離は非常に大きくなります。 2つの隣接する周波数の大きな離散距離は、必然的に、非共振領域、つまり離散領域に隠された多くの情報を見落とします。したがって、情報の損失を回避するために、マルチバンドMPAの大きな離散距離を克服する必要があります。マルチバンドMPAの離散距離は、適切な構造最適化によって短縮できますが、それらのオフレゾナンス吸収領域は比較的大きく（60％以上）、ブロードバンドMPAと呼ばれる必要があります[33、34、35、36 、37、38、39、40]、マルチバンドMPAではありません。誰もが知っているように、マルチバンドMPAとブロードバンドMPAは、アプリケーションが本質的に異なります。したがって、離散距離を短縮するための最適化では、オフレゾナンス領域の吸収率を低く（60％未満）確保する必要があります。

実際、相対的な離散距離は、2つの隣接する周波数の真の情報を反映できるため、離散距離よりも意味があります。 2つの隣接するピークの相対離散距離（△）は、△=2（ f として定義できます。 ₂ − f ₁ ）/（ f ₁ + f ₂ ）、ここで f ₁ および f ₂ は2つの隣接するピークの周波数です。 △> 0を保証するために、 f の頻度 ₂ f よりも高くする必要があります ₁ 。この定義によれば、以前のマルチバンドMPAの最小△値は通常50％以上です[19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30]。隣接する周波数の領域に隠されたメッセージを調査および調査するのに十分とは言えません。したがって、非常に近い周波数または低い値の△を持つマルチバンドMPAを開発することは非常に合理的です。

この論文では、Auストリップの2層スタックと連続Au面に裏打ちされた絶縁誘電体層によって形成されたデュアルバンドテラヘルツMPAの低い△値を示します。わずか0.30THzの離散距離を持つ2つのほぼ完全な吸収ピークが得られます。デバイスの△値は13.33％で、これは以前のMPAの最小値のわずか1/4であり、△値はAuストリップの寸法変更によって調整できます。その△値は、以前のMPAよりもはるかに少ない6.45％にしか減らすことができません。デュアルバンドMPAの離散距離が狭い、または△値が低いのは、各共振帯域の帯域幅が非常に狭いためです。さらに、もう1つのAuストリップを積み重ねることにより、トリプルバンドMPAの2つの低い△値を示します。 3つのほぼ完全な吸収ピークでわずか0.14THzと0.17THzの2つの狭い離散距離を実現できます。トリプルバンドMPAの隣接周波数の△値はそれぞれ6.57％と7.22％であり、どちらも前作よりも小さい。これらのMPAの低い△値は、オフレゾナンス吸収の領域におけるいくつかの暗黙の情報の研究に多くのアプリケーションを見つけることができます。

メソッド/実験

一般に、シングルバンドMPAの帯域幅（FWHM、半値全幅を参照）は比較的広く、メタマテリアルの強い共振応答のために、中心共振周波数の20％に達する可能性があります。マルチバンドMPAを形成するためのこれらのシングルバンドピークの組み合わせは、必然的に離散距離または△の大きな値を持ちます。これが、以前のマルチバンドMPAの△値が大きい理由です。 △の低い値を得るための鍵は、シングルバンドMPAの狭い帯域幅を設計することです。ここでは、まずこの種のシングルバンドMPAを設計します。図1aに示すように、Au共振器と、Auミラーで裏打ちされた特定の厚さの誘電体材料で形成された一般的なサンドイッチ構造を使用して、シングルバンド吸収を実現します。 Au共振器は長方形のストリップ構造です。図1bを参照してください。 l の長さです =39μm、 w の幅 =8μm、厚さ0.4μm、導電率4.09×10 ⁷ S / m。 MPAの単位期間は P です。 =60μm。誘電体スラブの厚さは t =2μmおよび誘電率3（1 + i 0.001）。

シングルバンド、デュアルバンド、トリプルバンドのMPAの側面図は、それぞれ a に示されています。 、 c 、および d ; b Auストリップ共振器の上面図を示します

提案されたデバイスの共振性能を示し、関連する物理的メカニズムを説明するために、有限差分時間領域アルゴリズムに基づく市販のシミュレーションソフトウェアであるFDTDソリューションを使用して数値計算を実行しました。計算プロセスでは、周期境界条件が x の両方向で利用されます。 -および y - z の方向に沿って完全に一致した層が採用されている間、ユニットセルの周期的な配置を特徴付ける軸 -軸（つまり、光の伝播方向）により、不要な散乱を排除します。吸収（ A ）デバイスの A で指定できます =1 – T − R 、ここで T および R それぞれ、メタマテリアル吸収体の透過と反射です。下部の金属膜の厚さは入射光の表皮深さよりも厚いため、透過率 T メタマテリアル吸収体のはゼロに等しい。その結果、吸収 A A に簡略化できます =1 − R 。提案されたデバイスは、反射 R のときに100％の吸収を持つことができます 完全に抑制されます。

結果と考察

平面波照射下でのシングルバンドMPAの吸収曲線を図2aに示します。 2.25 THzの周波数で単一の共鳴ピークの〜​​100％の吸収が得られます。デバイスの帯域幅は0.06THzで、これは中心共振周波数の2.67％にすぎず、以前のシングルバンドMPAの約1/8です[1,2,3,4,5,6,7,8,9 、10、11、12、13]。さらに、 Q （共振周波数を帯域幅で割ったものとして定義されます）デバイスの値は最大37.50です。超狭帯域幅（または高い Q MPAの値）は、デバイス自体のアプリケーションに貢献するだけでなく、マルチバンドMPAの低い△値の設計にも役立ちます。図2b、c、およびdは、共鳴ピークの電界分布を示しています。示されているように、その磁場（| H 図2bのy |）は、主にMPAの絶縁誘電体層に集中しており、長軸に沿ったAu共振器の両側で強い電界増強が観察されます（図2c、dを参照）。これらの磁場分布の特徴は、MPAの狭い帯域幅の大きな光吸収が磁気共鳴によるものであることを示しています[1,2,3,4]。

平面波照射下でのシングルバンドMPAの吸収曲線を a に示します。; b 、 c 、および d | H のフィールド分布を与える y |、| E |、および E それぞれ2.25THzのピークでのz

次に、これらの狭い帯域幅のMPAの組み合わせが、マルチバンドMPAの低い△値を実現できるかどうかを調べます。マルチバンドMPAを取得するために、頻繁に使用される方法の一種として、垂直に積み重ねられた設計コンセプトが採用されています。最も単純な種類の例は、デュアルバンド吸収の場合です。図1cは、デュアルバンド吸収の構造モデルの側面図を示しています。示されているように、2層の金属ストリップ共振器と絶縁誘電体スラブが金属グランドプレーン上に交互に積み重ねられています。 2つのAuストリップの長さはそれぞれ l ₁ =36μmおよび l ₂ =39μm;それらの幅は w として固定されています =8μm。誘電体スラブの厚さは t です。 ₁ =1.4μmおよび t ₂ =2μm。単位周期、スラブの誘電率、厚さ、Auストリップの導電率など、デュアルバンドMPAの他のパラメーターは、シングルバンドMPAのパラメーターと同じです。

平面波照射下でのデュアルバンドMPAの吸収曲線を図3aに示します。図2aのシングルバンドMPAの場合とは異なり、2.10THzと2.40THzの周波数で約100％の吸収率を持つ2つの共振ピークが達成されます。 2つのピークの帯域幅はそれぞれ0.05THzと0.09THzであり、それぞれ対応する共振周波数の2.00％と3.75％にすぎません。 Q 2つのピークの値はそれぞれ42.00と26.67です。さらに、2つのピークのオフレゾナンス吸収は非常に低く、12％未満です。これらの機能は、帯域幅が狭い2つのピークを明確に区別できることを示しています。 2つのピークの離散距離がわずか0.30THzであり、その△が13.33％であることが重要です。これは、以前の作品[19,20,21,22,23,24,25,26,27、 28,29,30]。デュアルバンドMPAの低い△値は、エンジニアリングとテクノロジーの多くの分野で有望です。 2つの吸収ピークの共鳴メカニズムは、それらの磁場を分析することによって得ることができます| H y |。フィールド| H y |最初のピークは、主にデュアルバンドMPAの2番目の誘電体スラブに焦点を合わせていますが、最初の誘電体層の電界の割合は非常に小さいです（図3bを参照）。電界分布の特性は、最初の吸収モードが2番目の誘電体層の磁気共鳴に起因するか、最初のピーク周波数が金属ストリップの長さ l によって引き起こされることを証明しています。 ₂ （図3eを参照）。最初の共振モードの場合とは異なり、| H y |第2モードの電界は、主に誘電体スラブの第1層に分布します（図3cを参照）。これは、このモードが第1誘電体スラブの磁気共鳴に由来するか、その共振周波数をストリップの長さ l ₁ （図3dを参照）、したがって、デュアルバンドMPAの△値を調整します。

平面波照射下でのデュアルバンドMPAの吸収曲線を a に示します。; b および c | H を提供します y |それぞれ、デュアルバンドMPAの第1モードと第2モードのフィールド分布。さまざまな長さの l でのデュアルバンドMPAの吸収曲線 ₁ および l ₂ d で示されています および e 、それぞれ

2つのモードの周波数は主に対応するストリップのサイズに依存するため、デュアルバンドMPAの△値はAuストリップのサイズを変更することで調整できます。たとえば、長さ l の場合 ₁ Auストリップの第1層が変化すると（図3dを参照）、第2モードの周波数は l の増加とともに徐々に減少します。 ₁ 、一方、最初のモードの周波数シフトは、そのサイズが固定されているため無視できます。 2番目のモードの周波数シフトにより、2つのピークの離散距離が変化します。より具体的には、離散距離を l の0.41THzから減らすことができます。 ₁ =33μmから l で0.30THz ₁ =36μmおよび l で0.23THz ₁ =39μm。デュアルバンドMPAの△値も l の17.41％から減らすことができます ₁ =33μmから l で13.33％ ₁ =36μmおよび l で10.38％ ₁ =39μm。つまり、ストリップの長さ l ₁ 変更すると、離散距離と△値が減少する可能性があります。同様に、ストリップの長さ l ₂ 変化は、対応する共振周波数、つまり最初の共振モードにのみ影響します。図3eを参照してください。デュアルバンドMPAの離散距離と△値は両方とも l で減少します ₂ l の減少に伴う第1モード周波数のため、減少します。 ₂ 図3eに示すように、は2番目の吸収ピークに徐々に近づきます。 l の場合 ₂ =36μmの場合、離散距離の最小値は0.15THzです。現時点では、その△値は6.45％に過ぎず、以前のレポートよりも小さくなっています。これらの結果は、デュアルバンドMPAの離散距離（または△値）を制御して、Auストリップのサイズを調整することでさまざまなアプリケーションの要件を満たすことができることを証明しています。

さらに、もう1つのAuストリップのスタック（つまり、3層構造）がトリプルバンドMPAの2つの低い△値を達成できるかどうかを調査します。図1dは、MPAの3層構造モデルの側面図を示しています。これは、Auミラーの上部にある3対のAuストリップ/誘電体スラブで構成されています。 Auストリップの長さは l ₁ =34μm、 l ₂ =36μm、および l ₃ =39μm。誘電体スラブの厚さは t ₁ =1.2μm、 t ₂ =1.4μm、および t ₃ それぞれ=2.8μm。 Auストリップの幅はすべて w =8μm。三重層MPAの他のパラメーターは、上記で設計されたものと同じです。平面波照射下での3層MPAの吸収曲線を図4aに示します。 2.06 THz、2.27 THz、および2.51 THzの周波数で約100％の吸収率を持つ3つの個別のピークを見つけることができます。最初の2つと最後の2つの共振モードでの隣接するピークの離散距離は、それぞれ0.21THzと0.24THzです。最初の2つと最後の2つのモードの△値はそれぞれ9.70％と10.04％であり、どちらもマルチバンドMPAの値よりも小さくなっています。狭い離散距離に加えて、トリプルバンドMPAのオフレゾナンス領域での吸収率は比較的低く、32％以下です（図4aを参照）。 3つの非常に近いピークを明確に識別でき、センシング、検出、イメージング、および他のタスクへの適用に使用できることが示されています。 | H y |トリプルバンドMPAの共鳴メカニズムを分析するために、3つの吸収ピークの電界分布が提供されています。図4に示すように、| H y |トリプルバンドMPAの第1、第2、および第3モードの電界分布は、主に t の誘電体層に見られます。 ₃ 、 t ₂ 、および t ₁ 、それぞれ、他の誘電体層の電界は無視できます。たとえば、図4bの最初のモードの場合、 t の誘電体層の電界 ₂ および t ₁ 無視することができ、 t の誘電体層の電界 ₂ および t ₃ 図4dの3番目のモードでは無視できます。これらの分布の特徴は、3つの吸収ピークがすべて磁気共鳴によって引き起こされていることを明確に示しています。より具体的には、第1、第2、および第3のモードは、第3の誘電体層の磁気共鳴に起因します t ₃ 、2番目の誘電体層 t ₂ 、および最初の誘電体層 t ₁ それぞれ、または第1、第2、および第3モードの周波数は、 l のAuストリップの長さに依存します。 ₃ 、 l ₂ 、および l ₁ それぞれ。

平面波照射下でのトリプルバンドMPAの吸収曲線は a で与えられます。; b 、 c 、および d | H を表示します y |トリプルバンドMPAの第1、第2、および第3モードのフィールド分布。さまざまな長さの l でのトリプルバンドMPAの吸収曲線 ₁ 、 l ₂ 、および l ₃ e で示されています 、 f 、および g 、それぞれ

トリプルバンドMPAの△値は、Auストリップの長さを調整することで制御できます。図4eは、長さ l のさまざまなケースでのトリプルバンドMPAの吸収曲線を示しています。 ₁ 。ご覧のとおり、 l ₁ 変化は主に第3モードの周波数に影響しますが、最初の2つのモードの周波数シフトはごくわずかであり、理論上の予測と一致しています。 3番目のモードの周波数変動により、トリプルバンドMPAの最後の2つのモードの△値を調整できます。最後の2つのモードの△値は、 l で12.66％から調整できます。 ₁ =33μmから l で10.04％ ₁ =34μm、 l で7.22％ ₁ =35μm。最初の2つのモードの△値は、長さ l を調整することによっても制御できます。 ₃ （図4gを参照）。最初の2つのモードの最小離散距離は l で0.16THzです。 ₃ =38μm、その△値は7.31％です。さらに、長さ l をスケーリングすることにより、最初の2つのモードと最後の2つのモードの△値を調整できます。 ₂ つまり、2番目のモードの周波数です（図4fを参照）。注目すべきことに、最初の2つのモードと最後の2つのモードの△値の変更は、2番目のモードの周波数のみを変更するため、相互に制限されます。たとえば、 l の場合 ₁ =37μm（図4fの青い線を参照）、最初の2つのモードの離散距離の最小値は0.16 THzで、最後の2つのモードの最大値は0.29THzです。

結論

結論として、Auフィルムで裏打ちされた2対のAuストリップ/誘電体スラブで構成されるデュアルバンドテラヘルツMPAの狭い離散距離が提示されます。離散距離0.30THzの共鳴ピークの2つの〜100％吸収率が実現され、デュアルバンドMPAの△は13.33％です。デュアルバンド吸収のメカニズムは、磁気共鳴の2つの異なる周波数の重ね合わせ効果によって引き起こされます。異なる長さのAuストリップを使用することで、デュアルバンドMPAの△値をさらに調整できます。 △値は6.45％までしか下げることができず、これは以前の結果よりもはるかに低い値です。さらに、トリプルバンドMPAの2つの狭い離散距離は、ストリップ/誘電体のもう1つのペアを積み重ねることによって示されます。 0.21THzと0.24THzの離散距離を持つ共鳴ピークの3つの〜100％吸収率が達成されます。 2つの隣接する周波数（最初の2つと最後の2つのモード）の△値は、それぞれ9.70％と10.04％です。デュアルバンド吸収の場合と同様に、トリプルバンドMPAには、Auストリップの長さを制御することにより、隣接する周波数の△値を調整する機能もあります。マルチバンドMPAの狭い離散距離または低い△値は、2つの非常に近い周波数での暗黙の情報の調査など、多くの分野で有望です。

略語

FWHM：

最大値の半分で全波

MPA：

メタマテリアルの完全な吸収体

Q：

品質係数