Ontwerp van smalle discrete afstanden van Dual-/Triple-Band Terahertz Metamaterial Absorbers

Resultaten en discussie

De absorptiecurve van enkelbands MPA onder bestraling met vlakke golven wordt getoond in figuur 2a; ~ 100% absorptie van een enkele resonantiepiek bij een frequentie van 2,25 THz wordt verkregen. De bandbreedte van het apparaat is 0,06 THz, wat slechts 2,67% is van de centrale resonantiefrequentie en ongeveer 1/8 van een eerdere single-band MPA [1,2,3,4,5,6,7,8,9 ,10,11,12,13]. Bovendien is de Q (gedefinieerd als resonantiefrequentie gedeeld door bandbreedte) waarde van het apparaat kan oplopen tot 37,50. De ultrasmalle bandbreedte (of hoge Q waarde) van MPA draagt ​​niet alleen bij aan de toepassingen van het apparaat zelf, maar helpt ook bij het ontwerpen van een lage △-waarde van meerbands MPA's. Figuur 2b, c en d geven de veldverdelingen van de resonantiepiek. Zoals getoond, is het magnetische veld (|H y |) in Fig. 2b is meestal geconcentreerd in een diëlektrische isolatielaag van MPA, en sterke elektrische veldversterking kan worden waargenomen aan beide zijden van de Au-resonator langs de lange as (zie Fig. 2c, d). Deze velddistributiekenmerken geven aan dat de grote lichtabsorptie van de smalle bandbreedte van MPA te wijten is aan de magnetische resonantie [1,2,3,4].

Absorptiecurve van de enkelbands MPA onder bestraling met vlakke golven wordt gegeven in a; b , c , en d geef de veldverdelingen van de |H y|, |E |, en E z bij een piek van respectievelijk 2,25 THz

Vervolgens onderzoeken we of de combinatie van deze smalle bandbreedte van MPA's het vermogen heeft om de lage △-waarde van MPA's met meerdere banden te realiseren. Een verticaal gestapeld ontwerpconcept, als een soort veelgebruikte methode, wordt gebruikt om de meerbands-MPA's te verkrijgen. Een voorbeeld van de eenvoudigste soort is het geval van dual-band absorptie. Figuur 1c geeft het zijaanzicht van het structuurmodel van de dual-band absorptie. Zoals weergegeven, zijn twee lagen metalen stripresonatoren en diëlektrische isolatieplaten afwisselend gestapeld op een metalen grondvlak. De lengtes van twee Au-strips zijn respectievelijk l ₁ = 36 μm en l ₂ = 39 μm; de breedte ervan is vastgelegd als w = 8 μm. De diktes van diëlektrische platen zijn t ₁ = 1.4 μm en t ₂ = 2 μm. Andere parameters van de dual-band MPA, inclusief eenheidsperiode, diëlektrische constante van de plaat, dikte en geleidbaarheid van Au-strips, zijn dezelfde als die van de single-band MPA.

De absorptiecurve van de dual-band MPA onder bestraling met vlakke golven wordt geïllustreerd in figuur 3a. Anders dan in het geval van de enkelbands MPA in figuur 2a, worden twee resonantiepieken met ~~100% absorptiesnelheden bij frequenties van 2,10 THz en 2,40 THz bereikt. De bandbreedtes van de twee pieken zijn respectievelijk 0,05 THz en 0,09 THz, die respectievelijk slechts 2,00% en 3,75% van de overeenkomstige resonantiefrequenties zijn. De Q waarden van de twee pieken zijn respectievelijk 42,00 en 26,67. Bovendien is de off-resonantie-absorptie van de twee pieken erg laag, minder dan 12%. Deze kenmerken laten zien dat de twee pieken met smalle bandbreedten duidelijk te onderscheiden zijn. Het is belangrijk dat de discrete afstand van de twee pieken slechts 0,30 THz is en dat de △ 13,33% is, wat kleiner is dan die van eerdere werken [19,20,21,22,23,24,25,26,27, 28,29,30]. De lage △-waarde van dual-band MPA is veelbelovend op veel gebieden van techniek en technologie. De resonantiemechanismen van de twee absorptiepieken kunnen worden verkregen door hun magnetische velden te analyseren |H jij|. Het veld |H jij| want de eerste piek is meestal gericht op de tweede diëlektrische plaat van de dual-band MPA, terwijl het veld in de eerste diëlektrische laag een zeer klein percentage heeft (zie figuur 3b). De kenmerken van veldverdeling bewijzen dat de eerste absorptiemodus wordt toegeschreven aan magnetische resonantie van de tweede diëlektrische laag, of dat de eerste piekfrequentie wordt veroorzaakt door de lengte van de metalen strip l ₂ (zie afb. 3e). Anders dan in het geval van de eerste resonantiemodus, is de |H jij| veld van de tweede modus is voornamelijk verdeeld in de eerste laag van de diëlektrische plaat (zie figuur 3c), wat aangeeft dat deze modus is afgeleid van magnetische resonantie van de eerste diëlektrische plaat, of de resonantiefrequentie ervan kan worden afgestemd door de grootte van de plaat te variëren. strooklengte l ₁ (zie Fig. 3d), en stem zo de △-waarde van de dual-band MPA af.

Absorptiecurve van dual-band MPA onder bestraling met vlakke golven wordt weergegeven in a; b en c geef de |H jij| veldverdelingen van respectievelijk de eerste en de tweede modus van dual-band MPA. Absorptiecurves van dual-band MPA onder verschillende lengtes van l ₁ en l ₂ worden gedemonstreerd in d en e , respectievelijk

De △-waarden van de dual-band MPA kunnen worden aangepast door de grootte van Au-strips te wijzigen, omdat de frequenties van de twee modi voornamelijk afhangen van de overeenkomstige stripgroottes. Bijvoorbeeld voor lengte l ₁ verandering van de eerste laag Au-strip (zie Fig. 3d), de frequentie van de tweede modus neemt geleidelijk af met de toename van l ₁ , terwijl de frequentieverschuiving van de eerste modus kan worden verwaarloosd omdat de grootte vast is. De discrete afstanden van de twee pieken worden gevarieerd vanwege de frequentieverschuiving van de tweede modus. Concreet kunnen de discrete afstanden worden verminderd van 0,41 THz in l ₁ = 33 μm tot 0,30 THz in l ₁ = 36 μm en 0,23 THz in l ₁ = 39 μm. De △-waarden van de dual-band MPA kunnen ook worden verlaagd van 17,41% in l ₁ = 33 μm tot 13,33% in l ₁ = 36 μm en 10,38% in l ₁ = 39 μm. Dat wil zeggen, de strooklengte l ₁ verandering kan de discrete afstanden en de △-waarden verkleinen. Evenzo is de striplengte l ₂ verandering heeft alleen invloed op de bijbehorende resonantiefrequentie, d.w.z. de eerste resonantiemodus, zie Fig. 3e. De discrete afstanden en △-waarden van dual-band MPA worden beide verminderd met l ₂ afnemen omdat de frequentie van de eerste modus met de afname van l ₂ is geleidelijk dicht bij de tweede absorptiepieken, zoals weergegeven in figuur 3e. Wanneer l ₂ = 36 μm, de discrete afstand heeft de kleinste waarde, namelijk 0,15 THz. Op dit moment is de △-waarde slechts 6,45%, wat kleiner is dan die van eerdere rapporten. Deze resultaten bewijzen dat de discrete afstanden (of △-waarden) van dual-band MPA kunnen worden gecontroleerd om aan de vereisten van verschillende toepassingen te voldoen door de afmetingen van Au-strips af te stemmen.

We onderzoeken verder of de stapel van nog een Au-strip (d.w.z. drielaagse structuur) twee lage △-waarden van triple-band MPA's kan bereiken. Figuur 1d geeft een zijaanzicht weer van een drielaags structuurmodel van MPA, dat bestaat uit drie paar Au-strip / diëlektrische plaat bovenop een Au-spiegel. De Au-strips hebben een lengte van l ₁ = 34 μm, l ₂ = 36 μm, en l ₃ = 39 μm. De diëlektrische platen hebben een dikte van t ₁ = 1.2 μm, t ₂ = 1.4 μm, en t ₃ =2.8 μm, respectievelijk. De breedtes van Au-strips zijn allemaal w = 8 μm. Andere parameters van de drielaagse MPA zijn dezelfde als hierboven ontworpen. De absorptiecurve van de drielaagse MPA onder bestraling met vlakke golven wordt getoond in figuur 4a. Er zijn drie discrete pieken met een absorptiesnelheid van ~ 100% bij frequenties van 2,06 THz, 2,27 THz en 2,51 THz. De discrete afstanden van aangrenzende pieken in resonantiemodi van de eerste twee en de laatste twee zijn respectievelijk 0,21 THz en 0,24 THz. De △-waarden van de modi van de eerste twee en de laatste twee zijn respectievelijk 9,70% en 10,04%, die beide lager zijn dan de waarden van MPA's met meerdere banden. Naast smalle discrete afstanden zijn de absorptiesnelheden in off-resonantiegebieden van de triple-band MPA relatief laag, niet meer dan 32% (zie figuur 4a). Er wordt aangetoond dat de drie zeer nabije pieken duidelijk kunnen worden geïdentificeerd en kunnen worden gebruikt voor detectie, detectie, beeldvorming en toepassing bij andere taken. De |H jij| veldverdelingen van de drie absorptiepieken worden verschaft om het resonantiemechanisme van de driebands MPA te analyseren. Zoals getoond in Fig. 4, is de |H jij| veldverdelingen van de eerste, de tweede en de derde modus van de triple-band MPA zijn voornamelijk te vinden in de diëlektrische lagen van t ₃ , t ₂ , en t ₁ respectievelijk, terwijl de velden in andere diëlektrische lagen verwaarloosbaar zijn. Voor de eerste modus in Fig. 4b bijvoorbeeld, de velden in diëlektrische lagen van t ₂ en t ₁ kan worden verwaarloosd, en de velden in diëlektrische lagen van t ₂ en t ₃ zijn verwaarloosbaar voor de derde modus in figuur 4d. Deze distributiekenmerken geven duidelijk aan dat de drie absorptiepieken allemaal worden veroorzaakt door magnetische resonanties. Meer specifiek worden de eerste, de tweede en de derde modus toegeschreven aan magnetische resonanties van de derde diëlektrische laag t ₃ , de tweede diëlektrische laag t ₂ , en de eerste diëlektrische laag t ₁ , respectievelijk, of de frequenties van de eerste, de tweede en de derde modus zijn afhankelijk van Au-striplengtes van l ₃ , l ₂ , en l ₁ , respectievelijk.

Absorptiecurve van triple-band MPA onder bestraling met vlakke golven wordt gegeven in a; b , c , en d toon de |H jij| veldverdelingen van respectievelijk de eerste, de tweede en de derde modus van de triple-band MPA. Absorptiecurven van de triple-band MPA onder verschillende lengtes van l ₁ , l ₂ , en l ₃ worden gedemonstreerd in e , v , en g , respectievelijk

De △-waarden van de triple-band MPA kunnen worden geregeld door de Au-striplengtes aan te passen. Figuur 4e geeft de absorptiecurves van de triple-band MPA in verschillende gevallen van lengte l ₁ . Zoals je kunt zien, is de l ₁ verandering heeft voornamelijk invloed op de frequentie van de derde modus, terwijl de frequentieverschuivingen van de eerste twee modi verwaarloosbaar zijn, wat consistent is met de theoretische voorspelling. Vanwege de frequentievariatie van de derde modus kunnen we de △-waarde van de laatste twee modi van de triple-band MPA afstemmen. De △-waarden van de laatste twee modi kunnen worden afgesteld vanaf 12,66% in l ₁ = 33 μm tot 10,04% in l ₁ = 34 μm, en 7,22% in l ₁ = 35 μm. De △-waarde van de eerste twee modi kan ook worden geregeld door de lengte l . aan te passen ₃ (zie afb. 4g). De minimale discrete afstand van de eerste twee modi is 0,16 THz voor l ₃ = 38 μm, en de △-waarde is 7,31%. Verder kunnen we de △-waarden van de eerste twee en de laatste twee modi afstemmen door de lengte l te schalen ₂ , d.w.z. de frequentie van de tweede modus (zie figuur 4f). Opmerkelijk is dat de △-waardeveranderingen van de eerste twee en de laatste twee modi wederzijdse beperking zijn omdat we alleen de frequentie van de tweede modus veranderen. Bijvoorbeeld voor l ₁ = 37 μm (zie de blauwe lijn in Fig. 4f), de discrete afstand van de eerste twee modi heeft de minimumwaarde van 0,16 THz, terwijl de maximale waarde van 0,29 THz voor de laatste twee modi kan worden verkregen.