使用穿孔矩形谐振器的四波段太赫兹超材料吸收器设计用于传感应用

结果与讨论

图 2a 给出了所呈现的四波段太赫兹超材料吸收器的吸收性能。正如所揭示的，建议的简单尺寸结构可以有四个峰值，它们在A点的频率分别为0.84 THz ，B 点为 1.77 THz , C 中的 2.63 THz 和 D 点中的 2.95 THz .前三个频点（A , B , 和 C ) 具有 97.80% 的大平均吸收率，以及频率点 D 的吸收 约为 60.86%。频点A的带宽（半高宽，简称FWHM） , B , C , 和 D 分别为 0.13、0.13、0.10 和 0.03 THz。一般来说，Q （或品质因数，以及 Q 的定义 是谐振频率点除以其带宽）值是判断谐振模式性能的一个非常重要的指标。它可以直接反映共振模式是否可以用于传感应用。 Q 越高 值，传感性能越好。根据Q的定义 值，Q 频率点D的值 最高可达98.33，远大于A频点 Q 6.46，B Q 13.62 和 C Q 26.32。大 Q 频率点D的值 在传感器相关领域具有潜在的应用。关于它的详细讨论，请参见下面的图 5 及其文字说明。

一 是所提出的四波段光吸收器的吸收性能。 b 显示吸收性能对扩展频率范围的依赖性

为了深入了解四波段光吸收器的物理机制，我们比较了穿孔矩形谐振器（即图 1 中的建议结构）和未穿孔矩形谐振器（即矩形上没有气孔）的吸收性能谐振器），如图 3a、b 所示。需要说明的是，这两种吸波器的几何参数是相同的，只是无孔矩形谐振器没有气孔。对于图 3a 中未穿孔矩形谐振器的吸收性能，两个清晰的吸收峰（标记为模式 E 和 F )，两个频点的吸收率分别为93.95%和82.08%。通过比较图 3a、b 的吸收性能，我们观察到第一个 (A ) 和第三个 (C ) 图 3b 中四波段光吸收器的频率点非常接近频率点 E 和 F 图 3a 中未穿孔的矩形谐振器。这些特征表明A频率点的吸收机制 和 C 穿孔矩形谐振器的频率应分别与频率点E的机制一致 和 F 无孔矩形谐振器。轻微的频率差异应该是由于矩形谐振器中引入了气孔。

一 和 b 分别为无孔和有孔矩形吸光体的吸收性能

揭示频率点E的吸收机制 和 F 对于无孔矩形谐振器，我们给出电 (|E |) 和磁性 (|H y|) 两点 E 的场分布 和 F ，如图 4a-d 所示。从图 4b、d 可以看出 |H 是|频点E的场分布 和 F 两者都主要集中在有损介电层上。这些分布特征表明频率点E 和 F 是未穿孔矩形谐振器的局部响应。介电层中磁场的分布会导致电荷（或电场）在无孔矩形谐振器的边缘累积[28, 39]。 |E |图 4a、c 中所示的场清楚地证明了未穿孔矩形谐振器边缘的电场激发。此外，对于频率点E 在图 4b 中，有损介质层中只有一个强场积累区域，这意味着频率点 E 是无孔矩形谐振器的一阶局部谐振 [40, 41]。与图 4b 的情况不同，对于频率点 F 观察到三个场积累区域 在图 4d 中。结果，频率点F 应该是无孔矩形谐振器的三阶局部响应 [40,41,42,43]。如上一段末尾所述，频率点A的机制 和 C 在穿孔矩形谐振器中应与频率点 E 相同 和 F 分别在无孔矩形谐振器中。因此，我们有理由相信频率点A 和 C 应分别为穿孔矩形谐振器的一阶和三阶响应。为了提供足够的证据，我们需要分析它们的场分布。

一 和 c 显示 |E| 频点E的场分布 和 F 分别为无孔矩形谐振器。 b 和 d 提供 |H y| 频点E的场分布 和 F 分别为无孔矩形谐振器。 e , g , i , 和 (k ) 显示 |E| 频点A的场分布 , B , C , 和 D 分别为穿孔矩形谐振器。 f , h , j , 和 l 给 |H y| 频点A的场分布 , B , C , 和 D 分别为穿孔矩形谐振器

我们现在提供频率点A的近场分布 , B , C , 和 D 穿孔矩形谐振器的结构，以揭示四波段光吸收器的物理机制，如图 4e-l 所示。从频点A的图4f可以看出 在建议的四波段吸收器器件的介电层中只有一个强磁场分布区域。图 4j 中的三个累积区域（两个强和一个弱）位于频率点 C 的四波段吸收装置的有损介电层中 .同时，|E |频点A的场分布 在图 4e 和 C 图 4i 中的两个都主要集中在穿孔矩形谐振器的边缘。因此，频率点A 和 C 在图 2a 或图 3b 中应该分别是穿孔矩形谐振器的一阶和三阶局部响应 [40, 41]。这些场分布提供了充分的证据表明频率点A的物理机制 和 C 在图中。 2a或3b与频率点E一致 和 F 分别在图 3a 中。

对于频率点B 在图 4h 中，在有损介电层和 |E 的右侧仅观察到一个非常强的场分布 |图 4g 中吸收模式的场主要集中在穿孔矩形谐振器的右侧部分的两个边缘。结果，频率点B 应该是穿孔矩形谐振器右侧部分的一阶局部响应。对于频率点D ，我们观察到它的 |Hy |场分布主要集中在有损介电层的左侧（见图 4l），表明该模式应归因于穿孔矩形谐振器左侧部分的一阶局部响应。综上所述，在矩形谐振器上引入气孔确实可以对近场图形的重新分布起到重要作用。重新分布的近场分布形成了两种新的吸收模式，频率点B 和 D .结果，可以在这个稍微变形的矩形谐振器中实现四波段光吸收装置。与传统设计方法获得多波段吸收[22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38]相比，该设计理念具有结构设计简单、成本低、制作步骤简单等明显优势。

在本手稿中，我们利用谐振器的一阶和三阶谐振的概念来获得多波段吸收响应。但是，一般来说，任何谐振器除了具有一阶响应（或基模谐振）之外，还具有高阶模式，因此从理论上讲，它可以在一定频率范围内表现出多个吸收系数高的吸收带。如果将模拟的频率范围扩展到更高的频率，可以找到其他高阶模式，并且高吸收系数的吸收带的数量在理想情况下应该是无限的。但是，实际情况并非基于此预测。即使将频率范围扩展到更高的频率，也很难得到很多（甚至无限）具有高吸收系数的谐振带，通常最多只有两个高阶谐振模式和一个基模谐振可以实现 [40, 41, 47,48,49]。有两种原因可以解释这种现象。首先，由于不同谐振模式所需的最佳介电厚度不同，因此很难在多个不同频段 (> 3) 上同时实现近乎完美的吸收。换句话说，基于基模和多个（甚至无穷大）高阶模[40, 41, 46,47 ,48]。其次，共振结构的衍射效应也会显着影响基模和高阶响应中共振峰的吸收系数，因此对高阶模式进行具体的数值研究，以确保衍射效应不会显着影响其吸收性能 [47,48,49]。这两点是即使将频率范围扩展到更高频率也无法获得无限接近完美的吸收峰的主要原因。另外，需要注意的是，在正常条件下（例如垂直照射的电磁波）获得偶次谐振模式是极其困难的，因为入射光的电场必须在入射平面内具有垂直分量[49].

为了给出直观的演示，图 2b 中提供了吸收光谱对谐振装置扩展频率范围的依赖性。如图所示，只有四种清晰的共振模式（即原始频率点A , B , C , 和 D ) 当频率范围扩展到 4 THz、6 THz 甚至 8 THz 时具有高吸收系数。在 (3~6) THz 和 (3~8) THz 的频率范围内，可以发现一些低吸收率和不可预测的共振模式。这种特征表明，当频率范围扩展到更高频率时，我们无法获得更多具有高吸收系数和预期频率的共振模式。也就是说，当频率范围扩展到更高频率时，吸收带的数量不能进一步增加（甚至理想情况下无限增加），并且吸收系数很高，这可以归因于前一段的两个原因。

此外，我们发现当频率范围扩展到更高频率时，这些频率点的吸收系数会受到显着影响。从图2b的深黄色、蓝色和红色曲线可以看出，随着频率范围的扩大，前三个频点的吸收系数显着降低。特别是当频率范围扩展到8 THz时，第二频点的吸收率为67.69%；同时，前三个频率点A的平均吸收 , B , 和 C 仅约 77.56%，远低于原始（0.2~3）太赫兹频率范围内前三个频点的近乎完美（或 100%）吸收。因此，在本手稿中，我们只讨论共振峰（即模式 A , B , C , 和 D ) 在 (0.2~3) THz 频率范围内具有高吸收系数，而没有考虑 (3~6) THz 和 (3~8) THz 频率范围内吸收系数低和模式频率不可预测的情况.

我们接下来研究设计的四波段光吸收器是否可以合并到传感器中，以检测或监测覆盖在金属谐振器上方的周围环境的折射率 (RI) 的变化。图 5a 显示了吸收光谱对覆盖材料 RI 变化的依赖性。可以看出，频率点A的频移 和 B 当 RI 从真空 n 改变时几乎不存在（仅 0.01 THz） =1.00 到 n =1.04 以 0.01 为间隔，同时频率点 C 的频率变化 和 D 非常了不起。频率点C的频率变化 约为 0.046 THz，频率点 D 的频率偏移 最高可达 0.122 THz。事实上，体折射率敏感性（S ) 是描述共振结构传感性能的直观因素，灵敏度S 可以定义为 [44, 45]:S =Δf /Δn , 其中 Δf 是谐振频率的变化，Δn 是 RI 的变化。根据定义，S 频率点A的值 , B , C , 和 D 分别为 0.25、0.25、1.15 和 3.05 THz/RIU。与S相比 频率点A的值 , B , 和 C ，S 频率点D的增强因子 可分别高达 12.2、12.2 和 2.65。大 S 频率点D的值 在传感器相关领域具有潜在应用。

一 显示了四波段光吸收体的吸收性能对折射率变化的依赖性 (n ) 周围环境。 b 1 和 b 2 分别是模式C的共振频率 和 D 作为折射率 n 的函数

除了传感灵敏度S ，FOM（品质因数）是估计传感器质量的更重要因素，并允许直接比较不同传感器之间的传感性能。 FOM的定义是[44, 45]：FOM =Δf /(Δn × FWHM) =S/ FWHM，其中 S FWHM 和 FWHM 分别是谐振模式的传感灵敏度和半高宽。基于S 四种谐振模式的值和 FWHM，频率点 A 的 FOM , B , C , 和 D 分别为 1.92、1.92、11.5 和 101.67。频率点D的FOM 大约是频率点A的52.95、52.95和8.84倍 , B , 和 C ， 分别。更重要的是频率点D的FOM 比以前在太赫兹频率范围内工作的工作量大得多，其值不超过 5 [18, 48,49,50,51]。由于这些优异的特性，多波段光吸收体的设计在传感器相关领域很有前景。

结论

总之，展示了单尺寸的四波段太赫兹超材料吸收器，它由放置在金板上的有损介电层上的穿孔矩形谐振器设计。在单一尺寸的谐振器中实现了四个离散的窄带谐振带，其中前三个带的平均吸收率高达 97.80%，第四个带具有较高的 Q 值 98.33。探索设计设备的物理图片；发现四个波段对应的近场分布不同。此外，研究了吸收对周围环境（覆盖在单尺寸谐振器上方）的折射率变化的依赖性，以探索器件的传感性能。第四波段的 FOM 可以达到 101.67，远大于前三种模式甚至之前的作品 [18, 50,51,52,53]。这些卓越的功能，包括高Q 价值和大FOM，将有利于气体传感和监测、材料检测和生物医学诊断的简单传感器的设计和开发。

缩写

EM：

电磁

FOM：

品质因数

Q ：

品质因数

S ：

感应灵敏度