Diseño de distancias discretas estrechas de absorbedores de metamateriales de terahercios de banda doble / triple

Resultados y discusión

La curva de absorción de MPA de banda única bajo irradiación de onda plana se muestra en la Fig. 2a; Se obtiene ~ 100% de absorción de un solo pico de resonancia a una frecuencia de 2,25 THz. El ancho de banda del dispositivo es 0.06 THz, que es solo el 2.67% de la frecuencia de resonancia central y es aproximadamente 1/8 de un MPA de banda única anterior [1,2,3,4,5,6,7,8,9 , 10, 11, 12, 13]. Además, el Q (definido como la frecuencia de resonancia dividida por el ancho de banda) el valor del dispositivo puede ser de hasta 37,50. El ancho de banda ultra estrecho (o alto Q value) de MPA no solo contribuye a las aplicaciones del dispositivo en sí, sino que también ayuda al diseño de un valor △ bajo de MPA de bandas múltiples. Las figuras 2b, cyd proporcionan las distribuciones de campo del pico de resonancia. Como se muestra, su campo magnético (| H y |) en la Fig. 2b se concentra principalmente en una capa dieléctrica de aislamiento de MPA, y se puede observar una fuerte mejora del campo eléctrico en ambos lados del resonador de Au a lo largo del eje largo (ver Fig. 2c, d). Estas características de distribución de campo indican que la gran absorción de luz del ancho de banda estrecho de MPA se debe a la resonancia magnética [1, 2, 3, 4].

La curva de absorción del MPA de banda única bajo irradiación de onda plana se proporciona en a ; b , c y d dar las distribuciones de campo de | H y |, | E | y E z en un pico de 2,25 THz, respectivamente

A continuación, exploramos si la combinación de estos anchos de banda estrechos de las AMP tiene la capacidad de realizar el bajo valor △ de las AMP de múltiples bandas. Se emplea un concepto de diseño apilado verticalmente, como una especie de método de uso frecuente, para obtener las AMP de múltiples bandas. Un ejemplo del tipo más simple es el caso de la absorción de doble banda. La figura 1c muestra una vista lateral del modelo de estructura de la absorción de doble banda. Como se muestra, dos capas de resonadores de tiras metálicas y losas dieléctricas de aislamiento se apilan alternativamente en un plano de tierra metálico. Las longitudes de dos tiras de Au son respectivamente l ₁ =36 μm y l ₂ =39 µm; los anchos de ellos se fijan como w =8 micras. Los espesores de las losas dieléctricas son t ₁ =1,4 μm y t ₂ =2 μm. Otros parámetros del MPA de doble banda, incluido el período unitario, la constante dieléctrica de la losa, el espesor y la conductividad de las tiras de Au, son los mismos que los del MPA de una sola banda.

La curva de absorción del MPA de banda dual bajo irradiación de onda plana se ilustra en la Fig. 3a. A diferencia del caso del MPA de banda única en la Fig. 2a, se logran dos picos de resonancia con tasas de absorción de ~ 100% a frecuencias de 2.10 THz y 2.40 THz. Los anchos de banda de los dos picos son respectivamente 0,05 THz y 0,09 THz, que son sólo el 2,00% y el 3,75% de las frecuencias de resonancia correspondientes, respectivamente. El Q los valores de los dos picos son 42,00 y 26,67, respectivamente. Además, la absorción fuera de resonancia de los dos picos es muy baja, menos del 12%. Estas características muestran que los dos picos que tienen anchos de banda estrechos se pueden distinguir claramente. Es importante que la distancia discreta de los dos picos sea solo 0.30 THz, y su △ es 13.33%, que es menor que la de trabajos anteriores [19,20,21,22,23,24,25,26,27, 28,29,30]. El bajo valor de △ del MPA de doble banda es prometedor en muchas áreas de la ingeniería y la tecnología. Los mecanismos de resonancia de los dos picos de absorción se pueden obtener analizando sus campos magnéticos | H y |. El campo | H y | porque el primer pico se centra principalmente en la segunda placa dieléctrica del MPA de banda dual, mientras que el campo en la primera capa dieléctrica tiene un porcentaje muy pequeño (ver Fig. 3b). Las características de la distribución del campo demuestran que el primer modo de absorción se atribuye a la resonancia magnética de la segunda capa dieléctrica, o que el primer pico de frecuencia se debe a la longitud de la tira metálica l ₂ (ver Fig. 3e). A diferencia del caso del primer modo de resonancia, el | H y | El campo del segundo modo se distribuye principalmente en la primera capa de placa dieléctrica (ver Fig.3c), lo que indica que este modo se deriva de la resonancia magnética de la primera placa dieléctrica, o su frecuencia de resonancia se puede sintonizar variando el tamaño de longitud de la tira l ₁ (ver Fig. 3d), y así sintonizar el valor △ del MPA de doble banda.

La curva de absorción de MPA de banda dual bajo irradiación de onda plana se presenta en a ; b y c proporcionar el | H y | distribuciones de campo del primer y segundo modo de MPA de doble banda, respectivamente. Curvas de absorción de MPA de doble banda en diferentes longitudes de l ₁ y l ₂ se muestran en d y e , respectivamente

Los valores de △ del MPA de doble banda se pueden ajustar cambiando los tamaños de las tiras de Au porque las frecuencias de los dos modos dependen principalmente de los tamaños correspondientes de las tiras. Por ejemplo, para la longitud l ₁ cambio de la primera capa de la tira de Au (ver Fig. 3d), la frecuencia del segundo modo disminuye gradualmente con el aumento de l ₁ , mientras que el cambio de frecuencia del primer modo puede despreciarse porque su tamaño es fijo. Las distancias discretas de los dos picos varían debido al cambio de frecuencia del segundo modo. Más concretamente, las distancias discretas se pueden reducir de 0,41 THz en l ₁ =33 μm a 0,30 THz en l ₁ =36 μm y 0,23 THz en l ₁ =39 μm. Los valores de △ del MPA de doble banda también se pueden reducir del 17,41% en l ₁ =33 μm a 13,33% en l ₁ =36 μm y 10,38% en l ₁ =39 μm. Es decir, la longitud de la tira l ₁ el cambio puede disminuir las distancias discretas y los valores de △. Del mismo modo, la longitud de la tira l ₂ El cambio solo afecta su frecuencia de resonancia correspondiente, es decir, el primer modo de resonancia, ver Fig. 3e. Las distancias discretas y los valores △ del MPA de doble banda se reducen con l ₂ disminuir porque la frecuencia del primer modo con la disminución de l ₂ está gradualmente cerca de los segundos picos de absorción, como se muestra en la Fig. 3e. Cuando l ₂ =36 μm, la distancia discreta tiene el valor más pequeño, que es 0,15 THz. En este momento, su valor △ es solo 6.45%, que es menor que el de informes anteriores. Estos resultados demuestran que las distancias discretas (o valores △) de MPA de doble banda se pueden controlar para cumplir con los requisitos de diferentes aplicaciones mediante el ajuste de los tamaños de las tiras de Au.

Investigamos más a fondo si la pila de una tira de Au más (es decir, estructura de triple capa) puede lograr dos valores △ bajos de AMP de triple banda. La Figura 1d presenta una vista lateral de un modelo de estructura de triple capa de MPA, que consta de tres pares de tiras de Au / placa dieléctrica sobre un espejo de Au. Las tiras de Au tienen longitudes de l ₁ =34 micras, l ₂ =36 μm y l ₃ =39 μm. Las losas dieléctricas tienen espesores de t ₁ =1,2 μm, t ₂ =1,4 μm y t ₃ =2,8 μm, respectivamente. Los anchos de las tiras de Au son todos w =8 micras. Otros parámetros del MPA de triple capa son los mismos que los diseñados anteriormente. La curva de absorción del MPA de triple capa bajo irradiación de onda plana se muestra en la Fig. 4a. Se pueden encontrar tres picos discretos que tienen tasas de absorción de ~ 100% a frecuencias de 2.06 THz, 2.27 THz y 2.51 THz. Las distancias discretas de los picos adyacentes en los modos de resonancia de los dos primeros y los dos últimos son respectivamente 0,21 THz y 0,24 THz. Los valores de △ de las modas de los dos primeros y los dos últimos son 9,70% y 10,04%, respectivamente, ambos menores que los valores de AMP de bandas múltiples. Además de las distancias discretas estrechas, las tasas de absorción en las áreas fuera de resonancia del MPA de triple banda son relativamente bajas, no más del 32% (ver Fig. 4a). Se muestra que los tres picos muy cercanos se pueden identificar claramente y se pueden utilizar para la detección, detección, formación de imágenes y aplicación a otras tareas. El | H y | Se proporcionan distribuciones de campo de los tres picos de absorción para analizar el mecanismo de resonancia del MPA de triple banda. Como se muestra en la Fig.4, el | H y | Las distribuciones de campo del primer, segundo y tercer modo del MPA de triple banda se pueden encontrar principalmente en las capas dieléctricas de t ₃ , t ₂ y t ₁ , respectivamente, mientras que los campos en otras capas dieléctricas son despreciables. Por ejemplo, para el primer modo en la Fig. 4b, los campos en las capas dieléctricas de t ₂ y t ₁ pueden despreciarse, y los campos en las capas dieléctricas de t ₂ y t ₃ son insignificantes para el tercer modo de la figura 4d. Estas características de distribución establecen claramente que los tres picos de absorción son causados ​​por resonancias magnéticas. Más específicamente, el primer, segundo y tercer modo se atribuyen a las resonancias magnéticas de la tercera capa dieléctrica t ₃ , la segunda capa dieléctrica t ₂ , y la primera capa dieléctrica t ₁ , respectivamente, o las frecuencias del primer, segundo y tercer modo dependen de longitudes de tira de Au de l ₃ , l ₂ y l ₁ , respectivamente.

La curva de absorción de MPA de triple banda bajo irradiación de onda plana se da en a ; b , c y d muestra el | H y | distribuciones de campo del primer, segundo y tercer modo del MPA de triple banda, respectivamente. Curvas de absorción del MPA de triple banda en diferentes longitudes de l ₁ , l ₂ y l ₃ se muestran en e , f y g , respectivamente

Los valores de △ del MPA de triple banda se pueden controlar ajustando las longitudes de las tiras de Au. La figura 4e muestra las curvas de absorción del MPA de triple banda en diferentes casos de longitud l ₁ . Como puede ver, el l ₁ El cambio afecta principalmente a la frecuencia del tercer modo, mientras que los cambios de frecuencia de los dos primeros modos son insignificantes, lo que es consistente con la predicción teórica. Debido a la variación de frecuencia del tercer modo, podemos sintonizar el valor △ de los dos últimos modos del MPA de triple banda. Los valores △ de los dos últimos modos se pueden ajustar desde 12,66% en l ₁ =33 μm a 10,04% en l ₁ =34 μm y 7,22% en l ₁ =35 micras. El valor △ de los dos primeros modos también se puede controlar ajustando la longitud l ₃ (ver Fig. 4g). La distancia discreta mínima de los dos primeros modos es 0,16 THz para l ₃ =38 μm, y su valor △ es 7.31%. Además, podemos ajustar los valores △ de los dos primeros y dos últimos modos escalando la longitud l ₂ , es decir, la frecuencia del segundo modo (ver Fig. 4f). Sorprendentemente, los cambios en el valor △ de los dos primeros y dos últimos modos son una restricción mutua porque solo cambiamos la frecuencia del segundo modo. Por ejemplo, para l ₁ =37 μm (ver la línea azul en la Fig. 4f), la distancia discreta de los dos primeros modos tiene el valor mínimo de 0.16 THz, mientras que se puede obtener un valor máximo de 0.29 THz para los dos últimos modos.