감지 애플리케이션을 위한 천공된 직사각형 공진기를 사용한 쿼드 밴드 테라헤르츠 메타물질 흡수체의 설계

결과 및 토론

그림 2a는 제시된 쿼드 밴드 테라헤르츠 메타물질 흡수체의 흡수 성능을 보여줍니다. 밝혀진 바와 같이, 제안된 단순한 크기의 구조는 4개의 피크를 가질 수 있으며, 이들의 주파수는 포인트 A에서 각각 0.84THz입니다. , B 지점에서 1.77THz , C 지점에서 2.63THz 및 포인트 D에서 2.95THz . 처음 세 개의 주파수 포인트(A , B , 및 C ) 97.80%의 큰 평균 흡수율을 가지며 주파수 점 D의 흡수 약 60.86%입니다. 주파수 포인트 A의 대역폭(최대 절반의 전체 너비, FWHM으로 약칭) , B , C , 및 D 각각 0.13, 0.13, 0.10, 0.03THz입니다. 일반적으로 Q (또는 품질 요소 및 Q의 정의 공진 주파수 점을 대역폭으로 나눈 값) 값은 공진 모드의 성능을 판단하는 매우 중요한 지표입니다. 이는 공진 모드가 감지 애플리케이션에서 사용될 수 있는지 여부를 직접 반영할 수 있습니다. Q가 높을수록 값이 높을수록 감지 성능이 더 좋습니다. Q의 정의에 따르면 값, Q 주파수 포인트 D의 값 주파수 포인트 A보다 훨씬 큰 98.33까지 가능 Q와 함께 6.46의 B Q와 함께 13.62 및 C Q와 함께 26.32의. 큰 Q 주파수 포인트 D의 값 센서 관련 분야에서 잠재적인 응용이 있습니다. 이에 대한 자세한 설명은 아래의 그림 5 및 해당 텍스트 지침을 참조하세요.

아 는 제시된 쿼드 밴드 광 흡수체의 흡수 성능입니다. ㄴ 확장된 주파수 범위에 대한 흡수 성능의 의존성을 보여줍니다.

쿼드 밴드 광 흡수기의 물리적 메커니즘에 대한 통찰력을 얻기 위해 천공된 직사각형 공진기(즉, 그림 1에서 제안된 구조)와 천공되지 않은 직사각형 공진기(즉, 직사각형에 공기 구멍이 없는 경우)의 흡수 성능을 비교합니다. 공진기), 그림 3a, b. 두 종류의 흡수체의 기하학적 매개변수는 천공되지 않은 직사각형 공진기에 대한 공기 구멍이 없는 것을 제외하고는 동일합니다. 그림 3a의 천공되지 않은 직사각형 공진기의 흡수 성능에 대해 두 개의 명확한 흡수 피크(모드 E로 표시됨) 및 F )가 달성되면 두 주파수 지점의 흡수율은 각각 93.95 및 82.08%입니다. 그림 3a, b의 흡수 성능을 비교하여 첫 번째(A ) 및 세 번째(C ) 그림 3b의 쿼드 밴드 광 흡수기의 주파수 지점은 주파수 지점 E에 매우 가깝습니다. 및 F 그림 3a의 천공되지 않은 직사각형 공진기의 이러한 특성은 주파수 지점 A의 흡수 메커니즘이 및 C 천공된 직사각형 공진기의 주파수 포인트 E의 메커니즘과 각각 일치해야 합니다. 및 F 천공되지 않은 직사각형 공진기. 약간의 주파수 차이는 직사각형 공진기의 공기 구멍 도입으로 인한 것입니다.

아 그리고 b 각각 비천공 및 천공 직사각형 광흡수체의 흡수 성능

주파수 포인트 E의 흡수 메커니즘을 밝히기 위해 및 F 천공되지 않은 직사각형 공진기의 경우 전기(|E |) 및 자기(|H y|) 두 점 E의 필드 분포 및 F , 그림 4a–d와 같이 그림 4b, d에서 |H 와| 주파수 포인트 E의 필드 분포 및 F 둘 다 주로 손실 유전층에 집중되어 있습니다. 이러한 분포 특성은 주파수 포인트 E가 및 F 천공되지 않은 직사각형 공진기의 국부적 응답입니다. 유전체 층의 자기장 분포는 천공되지 않은 직사각형 공진기의 가장자리에 전하(또는 전기장)의 축적으로 이어질 수 있습니다[28, 39]. |E | 그림 4a, c에 표시된 필드는 천공되지 않은 직사각형 공진기의 가장자리에서 전기장의 여기를 명확하게 보여줍니다. 또한 주파수 포인트 E의 경우 그림 4b에서 손실 유전체 층에는 단 하나의 강한 필드 축적 영역이 있습니다. 이는 주파수 포인트 E가 는 천공되지 않은 직사각형 공진기의 1차 국부 공진[40, 41]입니다. 그림 4b의 경우와 달리 주파수 포인트 F에 대해 3개의 필드 누적 영역이 관찰됩니다. 그림 4d에서. 결과적으로 주파수 포인트 F 천공되지 않은 직사각형 공진기의 3차 국부 응답이어야 합니다[40,41,42,43]. 이전 단락의 끝에서 언급했듯이 주파수 포인트 A 및 C 천공된 직사각형 공진기에서 주파수 포인트 E의 공진기와 동일해야 합니다. 및 F 천공되지 않은 직사각형 공진기에서 각각. 따라서 우리는 주파수 포인트 A가 및 C 각각 천공된 직사각형 공진기의 1차 및 3차 응답이어야 합니다. 충분한 증거를 제공하려면 필드 분포를 분석해야 합니다.

아 및 c |E| 표시 주파수 포인트 E의 필드 분포 및 F 천공되지 않은 직사각형 공진기의 ㄴ 그리고 d |H 제공 와| 주파수 포인트 E의 필드 분포 및 F 천공되지 않은 직사각형 공진기의 각각. 이 , 지 , 나 , 및 (k ) 표시 |E| 주파수 포인트 A의 필드 분포 , B , C , 및 D 천공된 직사각형 공진기의 각각. 에 , h , j , 및 l |안녕하세요 와| 주파수 포인트 A의 필드 분포 , B , C , 및 D 각각 천공된 직사각형 공진기의

이제 주파수 포인트 A의 근거리 분포를 제공합니다. , B , C , 및 D 그림 4e–l과 같이 쿼드 밴드 광 흡수체의 물리적 메커니즘을 나타내기 위해 천공된 직사각형 공진기의 주파수 포인트 A의 그림 f에서 볼 수 있습니다. 제안된 쿼드 밴드 흡수 장치의 유전층에는 강한 자기장 분포 영역이 하나뿐입니다. 그림 4j에서 3개의 축적 영역(2개는 강함 및 약함)은 주파수 지점 C에 대한 쿼드 밴드 흡수 장치의 손실 유전층에서 발견됩니다. . 한편 |E | 주파수 포인트 A의 필드 분포 그림 4e 및 C 그림 4i에서 둘 다 주로 천공된 직사각형 공진기의 가장자리에 초점을 맞춥니다. 따라서 주파수 포인트 A 및 C 그림 2a 또는 그림 3b에서 각각 천공된 직사각형 공진기의 1차 및 3차 국부 응답이어야 합니다[40, 41]. 이러한 필드 분포는 주파수 포인트 A의 물리적 메커니즘이 및 C 무화과에서. 2a 또는 3b는 주파수 포인트 E와 일치합니다. 및 F 각각 그림 3a에 나와 있습니다.

주파수 포인트 B의 경우 그림 4h에서 손실 유전체 층의 오른쪽과 |E에서 매우 강한 필드 분포가 하나만 관찰됩니다. | 그림 4g의 흡수 모드 필드는 주로 천공된 직사각형 공진기의 오른쪽 단면 양쪽 가장자리에 모여 있습니다. 결과적으로 주파수 포인트 B 천공된 직사각형 공진기의 오른쪽 섹션의 1차 국부 응답이어야 합니다. 주파수 포인트 D의 경우 , 우리는 |Hy | 전계 분포는 주로 손실 유전체 층의 왼쪽에 초점을 맞추며(그림 4l 참조), 이 모드가 천공된 직사각형 공진기의 왼쪽 섹션의 1차 국부 응답에 기인해야 함을 나타냅니다. 위의 분석을 바탕으로 직사각형 공진기에 공기 구멍을 도입하는 것은 실제로 근거리 패턴의 재분배에 중요한 역할을 할 수 있습니다. 재분배된 근거리장 분포는 두 가지 새로운 흡수 모드인 주파수 지점 B가 됩니다. 그리고 디 . 결과적으로 이 약간 변형된 직사각형 공진기에서 쿼드 밴드 광 흡수 장치를 구현할 수 있습니다. 다중 대역 흡수[22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38]를 얻기 위한 기존 설계 방법과 비교하여, 디자인의 개념은 단순화된 구조 디자인, 저렴하고 쉬운 제작 단계 등과 같은 명백한 이점을 가지고 있습니다.

이 원고에서 우리는 다중 대역 흡수 응답을 얻기 위해 공진기의 1차 및 3차 공진의 개념을 활용합니다. 그러나 일반적으로 모든 공진기는 1차 응답(또는 기본 모드 공진) 외에 고차 모드를 가지므로 이론상 특정 주파수 범위 내에서 높은 흡수 계수를 갖는 여러 흡수 대역을 나타낼 수 있습니다. 시뮬레이션 된 주파수 범위가 더 높은 주파수로 확장되면 다른 고차 모드를 찾을 수 있으며 흡수 계수가 높은 흡수 대역의 수는 이상적으로 무한해야합니다. 그러나 실제 상황은 이러한 예측을 기반으로 하지 않습니다. 주파수 범위가 더 높은 주파수로 확장되더라도 높은 흡수 계수를 갖는 많은(심지어 무한한) 공진 대역을 얻는 것은 상당히 어렵습니다. 일반적으로 최대 2개의 고차 공진 모드와 기본 모드 공진만 달성할 수 있습니다[40, 41, 47,48,49]. 두 가지 종류의 이유가 이 현상을 설명할 수 있습니다. 첫째, 서로 다른 공진 모드에 필요한 최적의 유전체 두께가 다르기 때문에 여러 주파수 대역(> 3)에서 거의 완벽한 흡수를 동시에 달성하기 어렵습니다. 즉, 기본 모드와 여러(무한) 고차 모드의 중첩을 기반으로 하는 다중 대역 피크의 우수한 흡수(동시> 90%)를 실현하는 것은 불가능합니다[40, 41, 46,47 ,48]. 둘째, 공명 구조의 회절 효과는 기본 모드 및 고차 응답에서 공명 피크의 흡수 계수에 상당한 영향을 미칠 수 있으므로 회절 효과가 흡수에 큰 영향을 미치지 않도록 고차 모드에 대한 특정 수치 조사 성능 [47,48,49]. 주파수 범위를 더 높은 주파수로 확장하더라도 무한에 가까운 완벽한 흡수 피크를 얻을 수 없는 주된 이유는 두 가지입니다. 또한 입사광의 전기장은 입사면에서 수직 성분을 가져야 하기 때문에 정상적인 조건(예:수직으로 조사된 전자파)에서 짝수차 공진 모드를 얻는 것이 극히 어렵다는 점에 유의해야 합니다. [49].

직관적인 설명을 제공하기 위해 공명 장치의 확장된 주파수 범위에 대한 흡수 스펙트럼의 의존성이 그림 2b에 나와 있습니다. 그림과 같이 명확한 공진 모드는 4개뿐입니다(즉, 원래 주파수 포인트 A , B , C , 및 D ) 주파수 범위가 4THz, 6THz, 심지어 8THz까지 확장될 때 높은 흡수 계수를 갖습니다. (3~6) THz 및 (3~8) THz의 주파수 범위에서 일부 낮은 흡수율과 예측할 수 없는 공진 모드가 발견될 수 있습니다. 이러한 종류의 기능은 주파수 범위가 더 높은 주파수로 확장될 때 높은 흡수 계수와 예상 주파수로 더 많은 공진 모드를 얻을 수 없음을 나타냅니다. 즉, 주파수 범위가 더 높은 주파수로 확장될 때 높은 흡수 계수로 흡수 대역의 수는 더 이상(이상적으로는 무한대) 증가할 수 없으며, 이는 앞 단락에 대한 두 가지 이유에 기인할 수 있습니다.

또한, 우리는 주파수 범위가 더 높은 주파수로 확장될 때 이러한 주파수 지점의 흡수 계수가 크게 영향을 받을 수 있음을 발견했습니다. 그림 2b의 짙은 노란색, 파란색, 빨간색 곡선을 보면 주파수 범위가 확장됨에 따라 처음 세 개의 주파수 지점의 흡수 계수가 크게 감소함을 알 수 있습니다. 특히, 주파수 범위가 8THz로 확장될 때 두 번째 주파수 지점의 흡수는 67.69%입니다. 동시에 처음 세 주파수 포인트 A의 평균 흡수 , B , 및 C 원래(0.2~3) THz의 주파수 범위에서 처음 세 주파수 지점의 거의 완벽한(또는 100%) 흡수보다 훨씬 낮은 약 77.56%에 불과합니다. 따라서 이 원고에서는 공명 피크(즉, 모드 A , B , C , 및 D ) (3~6) THz 및 (3~8) THz의 주파수 범위에서 모드의 예측할 수 없는 주파수 및 낮은 흡수 계수의 경우를 고려하지 않고 (0.2~3) THz 주파수 범위의 높은 흡수 계수 .

다음으로 설계된 쿼드 밴드 광 흡수 장치를 센서에 통합하여 금속 공진기 위에 덮인 주변의 굴절률(RI) 변화를 감지하거나 모니터링할 수 있는지 조사합니다. 그림 5a는 커버 재료의 RI 변화에 대한 흡수 스펙트럼의 의존성을 보여줍니다. 주파수 포인트 A 그리고 B RI가 진공 n에서 변경될 때 거의 존재하지 않습니다(0.01THz만). =1.00 ~ n =1.04, 0.01 간격으로 주파수 포인트 C의 주파수 변화 그리고 디 상당히 주목할 만하다. 주파수 포인트 C의 주파수 변화 약 0.046THz이고 주파수 포인트 D에 대한 주파수 이동 최대 0.122THz일 수 있습니다. 사실, 벌크 굴절률 감도(S )는 공진 구조의 센싱 성능을 설명하는 직관적인 요소이며, 감도 S [44, 45]로 정의할 수 있습니다. S =Δf /Δn , 여기서 Δf 공진 주파수의 변화이며 Δn RI의 변화입니다. 정의에 따르면 S 주파수 포인트 A의 값 , B , C , 및 D 각각 0.25, 0.25, 1.15 및 3.05THz/RIU입니다. S와 비교 주파수 포인트 A의 값 , B , 및 C , S 주파수 포인트 D에 대한 향상 요소 최대 12.2, 12.2 및 2.65가 될 수 있습니다. 큰 S 주파수 포인트 D의 값 센서 관련 분야에서 잠재적인 응용 프로그램이 있습니다.

아 굴절률(n)의 변화에 ​​대한 쿼드 밴드 광 흡수체의 흡수 성능 의존성을 보여줍니다. ) 주변. ㄴ ₁ 그리고 b ₂ 각각 모드 C의 공진 주파수입니다. 그리고 디 굴절률 n의 함수로

감지 감도 외에 S , FOM(성능 지수)은 센서 품질을 평가하는 더 중요한 요소이며 서로 다른 센서 간의 감지 성능을 직접 비교할 수 있습니다. FOM의 정의는 [44, 45]:FOM =Δf /(Δn × FWHM) =S/ FWHM, 여기서 S 및 FWHM은 각각 공진 모드의 감지 감도 및 반값 전체 폭입니다. S 기준 4가지 공진 모드의 값 및 FWHM, 주파수 포인트 A의 FOM , B , C , 및 D 각각 1.92, 1.92, 11.5 및 101.67입니다. 주파수 포인트 D의 FOM 주파수 포인트 A보다 약 52.95, 52.95, 8.84배 더 큽니다. , B , 및 C , 각각. 더 중요한 것은 주파수 포인트 D의 FOM 5 이하의 값을 갖는 테라헤르츠 주파수 범위에서 동작하는 이전 작업보다 훨씬 크다[18, 48,49,50,51]. 이러한 우수한 특성으로 인해 다중 대역 광 흡수체의 설계는 센서 관련 분야에서 유망합니다.