センシングアプリケーション用の穴あき長方形共振器を使用したクワッドバンドテラヘルツメタマテリアル吸収体の設計

結果と考察

図2aは、提示されたクアッドバンドテラヘルツメタマテリアル吸収体の吸収性能を示しています。明らかにされたように、提案された単純なサイズの構造には4つのピークがあり、それらの周波数はそれぞれポイント A で0.84THzです。 、ポイント B で1.77THz 、ポイント C で2.63THz 、およびポイント D で2.95THz 。最初の3つの周波数ポイント（ A 、 B 、および C ）平均吸収率が97.80％と大きく、周波数点 D の吸収率が高い 約60.86％です。周波数ポイント A の帯域幅（半値全幅、FWHMと略記） 、 B 、 C 、および D それぞれ0.13、0.13、0.10、0.03THzです。一般的に、 Q （または品質係数、および Q の定義 は共振周波数ポイントをその帯域幅で割った値です）値は、共振モードのパフォーマンスを判断する上で非常に重要な指標です。これは、共振モードがセンシングアプリケーションで使用できるかどうかを直接反映できます。 Q が高い 値が大きいほど、センシング性能が向上します。 Q の定義によると 値、 Q 周波数ポイントの値 D 最大98.33になる可能性があります。これは、周波数ポイント A の値よりもはるかに大きくなります。 Q で 6.46の B Q で 13.62の、および C Q で 26.32の。大きな Q 周波数ポイントの値 D センサー関連の分野での潜在的なアプリケーションがあります。詳細については、以下の図5とそのテキストによる説明をご覧ください。

a 提示されたクアッドバンド光吸収体の吸収性能です。 b 吸収性能の拡張周波数範囲への依存性を示しています

クアッドバンド光吸収体の物理的メカニズムを理解するために、穴の開いた長方形の共振器（つまり、図1で提案されている構造）と穴の開いていない長方形の共振器（つまり、長方形に空気穴がない）の吸収性能を比較します。共振器）、図3a、bに示すように。これらの2種類の吸収体の幾何学的パラメータは、穴の開いていない長方形の共振器用の空気穴がないことを除いて、同じであることに注意してください。図3aの穴のない長方形共振器の吸収性能については、2つの明確な吸収ピーク（モード E としてマーク） および F ）が達成されると、2つの周波数ポイントの吸収率はそれぞれ93.95％と82.08％になります。図3a、bの吸収性能を比較することにより、最初の（ A ）と3番目（ C ）図3bのクアッドバンド光吸収体の周波数ポイントは、周波数ポイント E に非常に近いです。 および F 図3aの穴の開いていない長方形の共振器の例。これらの特性は、周波数点 A の吸収メカニズムを示しています。 および C 穴あき長方形共振器の周波数は、周波数ポイント E のメカニズムとそれぞれ一致している必要があります。 および F 穴の開いていない長方形の共振器の。わずかな周波数の違いは、長方形の共振器に空気穴が導入されているためです。

a および b それぞれ、穴の開いていない長方形の光吸収体と穴の開いた長方形の光吸収体の吸収性能です

周波数点の吸収メカニズムを明らかにする E および F 穴の開いていない長方形の共振器の電気（| E |）および磁気（| H y |）2点のフィールド分布 E および F 、図4a〜dに示すように。図4b、dから、| H y |周波数ポイントのフィールド分布 E および F どちらも主に損失のある誘電体層に集中しています。これらの分布機能は、周波数ポイント E および F 穴の開いていない長方形の共振器の局所的な応答です。誘電体層内の磁場の分布は、穴の開いていない長方形の共振器のエッジに電荷（または電場）を蓄積させる可能性があります[28、39]。 | E |図4a、cに示されている電界は、穴の開いていない長方形の共振器のエッジでの電界の励起を明確に示しています。さらに、周波数ポイント E の場合 図4bでは、損失のある誘電体層に強い電界蓄積領域が1つだけあります。これは、周波数ポイント E を意味します。 は、穴の開いていない長方形の共振器の1次局所共振です[40、41]。図4bの場合とは異なり、周波数ポイント F では3つのフィールド蓄積領域が観察されます。 図4d。その結果、周波数ポイント F 穴の開いていない長方形の共振器の3次局所応答である必要があります[40、41、42、43]。前の段落の最後で述べたように、周波数ポイントのメカニズム A および C 穴あき長方形共振器の周波数ポイント E のそれと同じである必要があります および F それぞれ、穴の開いていない長方形の共振器にあります。したがって、周波数ポイント A を信じる理由があります。 および C それぞれ、穴あき長方形共振器の1次応答と3次応答である必要があります。十分な証拠を提供するために、それらのフィールド分布を分析する必要があります。

a および c | E | を表示します 周波数ポイントのフィールド分布 E および F それぞれ、穴の開いていない長方形の共振器の。 b および d | H を提供します y | 周波数ポイントのフィールド分布 E および F それぞれ、穴の開いていない長方形の共振器の。 e 、 g 、 i 、および（ k ）| E | を表示します 周波数ポイントのフィールド分布 A 、 B 、 C 、および D それぞれ、穴あき長方形共振器の。 f 、 h 、 j 、および l | H を与える y | 周波数ポイントのフィールド分布 A 、 B 、 C 、および D それぞれ、穴あき長方形共振器の

ここで、周波数ポイント A の近接場分布を提供します。 、 B 、 C 、および D 図4e–lに示すように、クワッドバンド光吸収体の物理的メカニズムを明らかにするための穴あき長方形共振器の図。周波数ポイント A の図4fからわかります。 提案されたクアッドバンド吸収体デバイスの誘電体層には、強力な磁場分布領域が1つしかないこと。図4jの3つの蓄積領域（2つは強いものと弱いもの）は、周波数ポイント C のクアッドバンド吸収デバイスの損失のある誘電体層にあります。 。一方、| E |周波数ポイントのフィールド分布 A 図4eおよび C 図4iでは、どちらも主に穴あき長方形共振器のエッジに焦点を合わせています。したがって、周波数ポイント A および C 図2aまたは図3bは、それぞれ、穴あき長方形共振器の1次および3次の局所応答である必要があります[40、41]。これらのフィールド分布は、周波数ポイント A の物理的メカニズムを示すのに十分な証拠を提供します。 および C 図1および2 2aまたは3bは、周波数ポイント E と一致しています。 および F それぞれ図3aにあります。

周波数ポイント B の場合 図4hでは、損失のある誘電体層と| E の右側に非常に強い電界分布が1つだけ観察されています。 |図4gの吸収モードのフィールドは、主に、穴の開いた長方形の共振器の右側のセクションの両端に集まっています。その結果、周波数ポイント B 穴あき長方形共振器の右側部分の1次局所応答である必要があります。周波数ポイント D の場合 、その| Hy |電界分布は主に損失のある誘電体層の左側に集中しており（図4lを参照）、このモードは、穴あき長方形共振器の左側部分の1次局所応答に起因する必要があることを示しています。上記の分析に基づいて、長方形の共振器に空気穴を導入することは、近接場パターンの再分布において実際に重要な役割を果たすことができます。再分配された近接場分布は、周波数点 B という2つの新しい吸収モードになります。 および D 。その結果、このわずかに変形した長方形の共振器でクワッドバンド光吸収デバイスを実現することができます。マルチバンド吸収を取得するための従来の設計方法[22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38]と比較して、設計の概念には、構造設計の簡素化、低コストで製造手順の容易さなど、明らかな利点があります。

この原稿では、共振器の1次および3次共振の概念を利用して、マルチバンド吸収応答を取得します。しかし、一般的に言えば、どの共振器も一次応答（または基本モード共振）に加えて高次モードを持っているため、理論から、特定の周波数範囲内で高い吸収係数を持ついくつかの吸収帯を示すことができます。シミュレートされた周波数範囲がより高い周波数に拡張される場合、他の高次モードを見つけることができ、高い吸収係数を持つ吸収帯の数は理想的には無限であるはずです。ただし、実際の状況はこの予測に基づくものではありません。周波数範囲をより高い周波数に拡張したとしても、吸収係数が高く、通常は最大2つの高次共振モードと基本モード共振のみを持つ多くの（さらには無限の）共振帯域を取得することは非常に困難です。達成することができます[40、41、47、48、49]。この現象には2種類の理由が考えられます。第一に、異なる共振モードに必要な異なる最適な誘電体の厚さのために、複数の異なる周波数帯域（> 3）でほぼ完全な吸収を同時に達成することは困難です。言い換えれば、基本モードといくつかの（無限の）高次モードの重ね合わせに基づいて、マルチバンドピークの優れた吸収（同時> 90％）を実現することは不可能です[40、41、46、47 、48]。第二に、共鳴構造の回折効果は、基本モードおよび高次応答における共鳴ピークの吸収係数にもかなり影響を与える可能性があり、したがって、回折効果がそれらの吸収に有意に影響しないことを保証するための高次モードの特定の数値調査。パフォーマンス[47,48,49]。周波数範囲をより高い周波数に拡張しても、ほぼ完全な吸収ピークを無限に得ることができない主な理由は、この2つの点です。さらに、入射光の電界は入射面に垂直成分を持たなければならないため、通常の状態（垂直に照射された電磁波など）で偶数次の共振モードを取得することは非常に困難であることに注意することが重要です。 [49]。

直感的なデモンストレーションを行うために、共鳴デバイスの拡張周波数範囲への吸収スペクトルの依存性を図2bに示します。示されているように、明確な共振モードは4つだけです（つまり、元の周波数ポイント A 、 B 、 C 、および D ）周波数範囲を4 THz、6 THz、さらには8 THzに拡張すると、吸収係数が高くなります。 （3〜6）THzおよび（3〜8）THzの周波数範囲では、いくつかの低い吸収率と予測できない共振モードが見られます。この種の特徴は、周波数範囲がより高い周波数に拡張された場合、高い吸収係数と期待される周波数でより多くの共振モードを取得できないことを示しています。つまり、周波数範囲をより高い周波数に拡張すると、吸収係数が高くなると吸収帯の数をさらに増やすことはできません（理想的には無限になります）。これは、前の段落の2つの理由に起因する可能性があります。

さらに、周波数範囲をより高い周波数に拡張すると、これらの周波数ポイントの吸収係数が大きく影響を受ける可能性があることがわかりました。図2bの濃い黄色、青、赤の曲線から、最初の3つの周波数ポイントの吸収係数は、周波数範囲の拡大に伴って大幅に減少していることがわかります。特に、周波数範囲を8 THzに拡張すると、2番目の周波数ポイントの吸収は67.69％になります。同時に、最初の3つの周波数ポイントの平均吸収 A 、 B 、および C はわずか約77.56％であり、元の（0.2〜3）THzの周波数範囲の最初の3つの周波数ポイントのほぼ完全な（または100％）吸収よりもはるかに低くなっています。したがって、この原稿では、共振ピーク（つまり、モード A ）についてのみ説明します。 、 B 、 C 、および D ）（0.2〜3）THzの周波数範囲の高い吸収係数で、（3〜6）THzおよび（3〜8）THzの周波数範囲のモードの低い吸収係数および予測できない周波数の場合を考慮せずに。

次に、設計されたクアッドバンド光吸収体をセンサーに組み込んで、金属共振器の上に覆われている周囲の屈折率（RI）の変化を検出または監視できるかどうかを調査します。図5aは、カバー材料のRIの変化に対する吸収スペクトルの依存性を示しています。周波数点 A の周波数シフトがわかります。 および B RIが真空から変更された場合はほとんど存在しません（0.01 THzのみ） n =1.00から n =0.01の間隔で1.04、周波数ポイントの周波数変化 C および D 非常に注目に値します。周波数ポイント C の周波数変化 は約0.046THzであり、周波数ポイント D の周波数のシフト 最大0.122THzまで可能です。実際、バルク屈折率感度（ S ）は、共振構造のセンシング性能と感度 S を説明する直感的な要素です。 [44、45]として定義できます： S =Δ f /Δ n 、ここで、Δ f は共振周波数とΔ n の変化です RIの変更です。定義によれば、 S 周波数ポイントの値 A 、 B 、 C 、および D それぞれ0.25、0.25、1.15、および3.05 THz / RIUです。 S との比較 周波数ポイントの値 A 、 B 、および C 、 S 周波数ポイント D のエンハンスメントファクター それぞれ12.2、12.2、および2.65まで高くすることができます。大きな S 周波数ポイントの値 D センサー関連の分野での潜在的なアプリケーションがあります。

a は、クワッドバンド光吸収体の吸収性能の屈折率（ n ）の変化への依存性を示しています。 ）周囲の。 b ₁ および b ₂ それぞれ、モード C の共振周波数です。 および D 屈折率の関数として n

センシング感度に加えて S 、FOM（性能指数）は、センサーの品質を推定するためのより重要な要素であり、さまざまなセンサー間のセンシングパフォーマンスを直接比較できます。 FOMの定義は[44、45]です。FOM=Δ f /（Δ n× FWHM） =S / FWHM、ここで S とFWHMは、それぞれ共振モードの検出感度と半値全幅です。 S に基づく 4つの共振モードの値とFWHM、周波数ポイントのFOM A 、 B 、 C 、および D それぞれ1.92、1.92、11.5、および101.67です。周波数ポイント D のFOM 周波数ポイント A の約52.95、52.95、および8.84倍です。 、 B 、および C 、 それぞれ。さらに重要なのは、周波数ポイント D のFOMです。 5を超えないテラヘルツ周波数範囲で動作する以前の作品よりもはるかに大きい[18、48、49、50、51]。これらの優れた特性により、マルチバンド光吸収体の設計はセンサー関連の分野で有望です。

結論

結論として、シングルサイズのクアッドバンドテラヘルツメタマテリアルアブソーバーが示されています。これは、金のボード上に配置された損失のある誘電体層上の穴あき長方形共振器によって設計されています。シングルサイズの共振器では、4つの離散的で狭帯域の共振帯域が実現されます。最初の3つの帯域は、97.80％の大きな平均吸収率を持ち、4番目の帯域は高い Q を持ちます。 98.33の値。設計されたデバイスの物理的な写真が調査されます。 4つのバンドの対応する近接場分布が異なることがわかります。さらに、周囲の屈折率変化（単一サイズの共振器の上に覆われている）への吸収の依存性を調査して、デバイスの検出性能を調査します。 4番目のバンドのFOMは101.67に達する可能性があり、これは最初の3つのモードや以前の作品[18、50、51、52、53]よりもはるかに大きくなっています。高い Q を含むこれらの優れた機能 価値と大きなFOMは、ガスの検知と監視、材料の検出、および生物医学的診断のためのシンプルなセンサーの設計と開発に役立ちます。

略語

EM：

電磁気

FOM：

性能指数

Q ：

品質係数

S ：

センシング感度