Metasurface-kleurenfilters met aluminium- en lithiumniobaatconfiguraties

Resultaten en discussies

Om de flexibiliteit en toepasbaarheid van het voorgestelde apparaat te vergroten, is het meta-oppervlak ontworpen om te worden opgehangen om een ​​opening te laten tussen zichzelf en de onderste spiegellaag om een ​​FP-resonator te vormen, waardoor het invallende licht hierin wordt gevangen. opening en vervolgens geabsorbeerd door het apparaat. Met betrekking tot de D _j en g waarden zijn de belangrijkste factoren die bijdragen aan de verschuiving van de resonantiegolflengte, bijna perfecte absorptie van TAM kan worden afgestemd in het hele zichtbare spectrale bereik door D te koppelen _j en g-waarden zoals getoond in figuur 2a. Vier paar D _j en g waarden worden gekozen om de afstembaarheid van TAM te onderzoeken. Het zijn (D _j , g ) =(160 nm, 355 nm), (200 nm, 450 nm), (240 nm, 540 nm), (280 nm, 645 nm), respectievelijk. Door het samenstellen van D _j en g waarden kan de perfecte absorptie worden gerealiseerd bij verschillende golflengten van 433,9 nm, 533,5 nm, 629,8 nm en 740,9 nm. De ingevoegde kleurenafbeeldingen van figuur 2a zijn de overeenkomstige zichtbare kleuren van reflectiespectra voor menselijke ogen, berekend met behulp van CIE RGB-afstemmingsfuncties om de echte kleuren op apparaatoppervlakken te imiteren. De relatie tussen resonanties en D _j waarden zijn samengevat en uitgezet in figuur 2b. De resonanties worden lineair rood verschoven over het hele zichtbare spectrale bereik door D . te vergroten _j waarden van 150 nm tot 290 nm. De bijbehorende correctiecoëfficiënt is 0,99401. Het toont een grote afstembaarheid voor het voorgestelde TAM-apparaat. De resonantiefrequentie van een FP-resonator kan worden bepaald door [46]

een Reflectiespectra van TAM met verschillende D _j en g waarden. b De relatie tussen resonanties en D _j waarden

waar q is modusindex, g is de lengte van F-P holte, en c =c ₀ /n , waar c ₀ is de lichtsnelheid in vacuüm en n is de brekingsindex van het medium. Dit geeft aan dat de resonantiefrequentie kan worden afgestemd door het opgehangen meta-oppervlak verticaal te verplaatsen in dit voorgestelde ontwerp, d.w.z. de g te veranderen waarde.

Figuur 3 toont de reflectiespectra van TAM met verschillende g waarden onder de voorwaarden van D _j =200 nm (Fig. 3a) en D _j =250 nm (Fig. 3b), respectievelijk. In Fig. 3a zijn de resonanties in het rood verschoven van de golflengte van 490 nm naar 590 nm door g te veranderen waarden van 410 nm tot 510 nm. Het afstembereik is 100 nm. De smalste volledige breedte bij half maximum (FWHM) van resonantie is 29,9 nm voor g =470nm. In Fig. 3b zijn de resonanties in het rood verschoven van de golflengte van 580 nm naar 691 nm door g te veranderen waarden van 490 nm tot 610 nm. Het afstembereik is 111 nm. De smalste FWHM van resonantie is 31,8 nm voor g =530 nm. Het afstembereik is 2-voudig vergeleken met dat gerapporteerd in de referentie [39] en beter dan die gerapporteerd in de referenties eerder [37, 38, 40]. Figuur 3c, d toont de corresponderende relaties van resonanties en g waarden van respectievelijk Fig. 3a, b. De resonanties worden lineair rood verschoven met 9,2 nm per 10 nm toename van g waarde zoals weergegeven in Fig. 3c, en met 9,0 nm per 10 nm toename van g waarde zoals getoond in Fig. 3d. De afstembereiken zijn respectievelijk 90,5 nm en 110,7 nm. Alle reflectiespectra zijn bijna perfecte absorpties. De bijbehorende correctiecoëfficiënten zijn respectievelijk 0,99950 en 0,99969. Dergelijke ontwerpen van voorgestelde TAM kunnen dienen als een ultragevoelig kleurenfilter of worden gebruikt in verschillende detectietoepassingen.

Reflectiespectra van TAM met verschillende g waarden onder de voorwaarden van a D _j =200 nm, b D _j =250 nm. c, d De relaties van resonanties en g waarden van a en b , respectievelijk

Om de prestaties van TAM in termen van FWHM en het afstemmingsgolflengtebereik te verbeteren terwijl de bijna perfecte absorptie behouden blijft, wordt TLNM voorgesteld en gepresenteerd zoals weergegeven in figuur 1a. Het is omdat de patroonvorming van nanostructuren altijd te lijden heeft onder het hoekeffect en de fabricageafwijking dat het geometrische patroon is ontworpen als een elliptisch gat. De parameters van D _x en D _j vertegenwoordigen de lengtes van de macro-as en secundaire as langs x- en y -richtingen, respectievelijk, terwijl K _x en K _j parameters worden constant gehouden als 1.2 en D _x waarde is 110nm. Figuur 4a toont de reflectiespectra van TLNM met vier combinaties van D _j en g waarden. t waarde wordt zo constant gehouden als 200 nm. TLNM vertoont het kenmerk van perfecte absorptie met een ultrasmalle bandbreedte die het hele zichtbare spectrale bereik overspant. De FWHM-waarden van reflectiespectra zijn 3 nm. Een dergelijke ultrasmalle FWHM wordt bijgedragen door de F-P-resonantie, die kan worden bepaald door

een Reflectiespectra van TLNM met verschillende D _j en g waarden. b De relatie tussen resonanties en D _j waarden

waar λ _q is de resonantiegolflengte, het subscript q is de modusindex, g is de lengte van F-P holte, en R is de reflectie van FP-resonatoroppervlakken tussen het onderste Al-meta-oppervlak en het Al/LN-meta-oppervlak bovenaan. De FWHM-waarde kan worden verlaagd als gevolg van een hogere reflectie-intensiteit van TLNM, wat betekent dat de optische prestaties aanzienlijk kunnen worden verbeterd door het gebruik van LN-materiaal. De relatie tussen resonanties en D _j waarden in figuur 4a zijn samengevat zoals getoond in figuur 4b. De resonanties worden lineair rood verschoven van 427 nm tot 673 nm door D te vergroten _j waarden van 250 nm tot 500 nm, en de bijbehorende correctiecoëfficiënt is 0,97815. Daarom demonstreert het een lineaire afstembaarheid van het voorgestelde apparaat.

Het hangende elliptische LN-meta-oppervlak is beweegbaar, wat direct kan worden aangepast om optische afstembaarheid te bereiken met behulp van MEMS-technologie. Figuur 5a, b toont de reflectiespectra van TLNM met verschillende g waarden onder twee voorwaarden van D _j =350 nm, t =210 nm, en D _j =450 nm, t =280 nm, respectievelijk. In Fig. 5a, door g . te verhogen waarden van 390 nm tot 570 nm, zijn de resonanties in het rood verschoven van 465,9 nm naar 553,5 nm. In Fig. 5b, door g . te verhogen waarden van 540 nm tot 780 nm, zijn de resonanties in het rood verschoven van 613,6 nm naar 731,2 nm. Figuur 5c, d toont de corresponderende relaties van resonanties, g waarden, en de overeenkomstige FWHM-waarden van respectievelijk Fig. 5a, b. De resonanties zijn vrij lineair rood verschoven. De corresponderende correctiecoëfficiënten zijn respectievelijk 0,99864 en 0,99950 voor twee gevallen. Voor het geval van D _j =350 nm, t =210 nm, het afstembereik is 87,6 nm en de gemiddelde FWHM-waarde is 3 nm zoals weergegeven in Fig. 5c. Terwijl voor het geval van D _j =450 nm, t =280 nm, het afstembereik is 117,6 nm en de gemiddelde FWHM-waarde is 4 nm, zoals weergegeven in figuur 5d. Het kan worden gezien dat de smalste FWHM-waarde 1,5 nm is bij de golflengte van 466 nm zoals weergegeven in figuur 5a en dat is 3,2 nm bij de golflengte van 615 nm zoals weergegeven in figuur 5b. Ze worden vergeleken met de resultaten van voorgestelde TAM-ontwerpen, de FWHM-waarden van TLNM zijn 10 keer verbeterd, zodat de perfecte absorptie op zijn minst behouden blijft. Het is een grote verbetering van de optische prestaties door het gebruik van LN-metasurface. Deze resultaten geven aan dat TLNM potentieel kan worden gebruikt in veel toepassingen, zoals ultragevoelige kleurenfilters, absorbers, detectoren en sensoren volgens deze buitengewone eigenschappen van ultra-smalband, perfecte absorptie en groot afstembereik.

Reflectiespectra van TLNM. Parameters zijn geoptimaliseerd voor het maximale afstembare bereik onder de omstandigheden van a D _j =350 nm, t =210 nm, b D _j =450 nm, t =280 nm. c , d De relaties van resonanties, g waarden en bijbehorende FWHM-waarden van a en b , respectievelijk

Om verder te onderzoeken of TAM- en TLNM-apparaten kunnen worden geïmplanteerd in praktische toepassingen, bijvoorbeeld omgevingssensoren, worden ze in de omgeving blootgesteld met verschillende omgevingsbrekingsindexen (n ). Figuur 6 toont de reflectiespectra van TAM blootgesteld in een omgeving met verschillende brekingsindexen van 1,0 tot 1,3. De geometrische afmetingen van TAM worden zo constant gehouden als D _x =110 nm, D _j =200 nm, en g =450nm. Er zijn twee rood verschoven resonanties met een afstembereik van 84,6 nm (ω ₁ ) en 172,1 nm (ω ₂ ). De relaties van resonanties en n waarden zijn samengevat in figuur 6b. De gevoeligheden worden berekend als 246,7 nm/RIU en 481,5 nm/RIU, en de overeenkomstige 'figure-of-merits' (FOM's) zijn 11 en 14 voor de eerste resonantie (ω ₁ ) en tweede resonantie (ω ₂ ), respectievelijk. Deze hogere gevoeligheden worden veroorzaakt door de smalle FWHM van resonanties, die 21,6 nm zijn (ω ₁ ) en 34 nm (ω ₂ ). Deze kenmerken zijn zeer geschikt voor pragmatische detectietoepassingen.

een Reflectiespectra van TAM blootgesteld in een omgeving met verschillende brekingsindexen (n ). b De relatie tussen resonanties en n waarden

Het nadeel is echter dat de reflectie-intensiteit van ω ₁ relatief hoog is en die van ω ₂ neemt toe tot meer dan 20% als n stijgt naar 1,3. Om deze beperking te overwinnen, is TLNM ontworpen om de stabiele optische eigenschappen te bezitten vanwege de karakteriseringen van LN-metasurface. Afbeelding 7 toont de reflectiespectra van TLNM blootgesteld in een omgeving met verschillende n waarden onder de voorwaarden van D _j =350 nm, t =210 nm, g =490 nm, en D _j =450 nm, t =280 nm, g =580 nm zoals weergegeven in respectievelijk Fig. 7a, b. In Fig. 7a, de resonanties van TLNM met D _j =350 nm, t =210 nm, g =490 nm worden rood verschoven met een afstembereik van 58,4 nm door n . te vergroten waarden van 1,0 tot 1,2. Terwijl de resonanties van TLNM onder de omstandigheden van D _j =450 nm, t =280 nm, g =580 nm worden rood verschoven met een afstembereik van 78,2 nm door n . te vergroten waarden van 1,0 tot 1,2. Binnen deze twee gevallen vertoont TLNM een bijna perfecte absorptie, waarbij de fluctuatie van de reflectie-intensiteit minder dan 5% is. De reflectiespectra zijn stabieler dan die van TAM. De relaties van resonanties en n waarden zijn uitgezet in Fig. 7c, d voor respectievelijk de twee gevallen. Voor de conditie van TLNM met D _j =350 nm, t =210 nm, g =490 nm, de gevoeligheid en de gemiddelde FWHM-waarde zijn respectievelijk 291,4 nm/RIU en 3 nm. De overeenkomstige FOM wordt berekend als 97 zoals weergegeven in figuur 7c. Voor de conditie van TLNM met D _j =450 nm, t =280 nm, g =580 nm, de gevoeligheid en de gemiddelde FWHM-waarde zijn respectievelijk 390,3 nm/RIU en 4 nm. De corresponderende FOM wordt berekend als 97,5 zoals getoond in Fig. 7d, die 7-voudig is verbeterd in vergelijking met die van TAM getoond in Fig. 6. Dit betekent dat TLNM betere detectieprestaties laat zien voor gebruik in de omgevingssensortoepassingen.

Reflectiespectra van TLNM blootgesteld in een omgeving met verschillende brekingsindexen (n ) onder de voorwaarden van a D _j =350 nm, t =210 nm, g =490 nm, b D _j =450 nm, t =280 nm, g =580 nm. c , d De relaties van resonanties, n waarden en bijbehorende FWHM-waarden, respectievelijk