Summary

סימולציה, ייצור ואפיון של בולמי metamaterial THz

Published: December 27, 2012
doi:

Summary

פרוטוקול זה מתאר את הסימולציה, הייצור והאפיון של בולמי metamaterial THz. בולמים כאלה, כאשר יחד עם חיישן מתאים, יש יישומים בTHz הדמיה וספקטרוסקופיה.

Abstract

Metamaterials (MM), חומרים מלאכותיים מהונדסים בעלי תכונות שלא ניתן למצוא בטבע, נחקרו באופן נרחב מאז הפגנת 1 התיאורטית והניסיונית הראשונה 2 מתוך המאפיינים הייחודיים שלהם. MMS יכול לתת מענה לשליטה אלקטרומגנטית מאוד, ועד כה הוכח בכל מגוון טכנולוגיות רלוונטי רפאים כוללים 3 האופטיים, ליד IR 4, 5 אמצע IR, THz 6, מ"מ גל 7, 8 ו 9 מיקרוגל להקות רדיו. יישומים כוללים עדשות מושלמות 10, 11, 12 חיישני תקשורת, גלימות היעלמות 13 ומסננים 14,15. פתחנו לאחרונה להקה אחת 16, להקה כפולה 17 ומכשירי פס רחב 18 THz metamaterial בולם מסוגלים קליטה יותר מ 80% בשיא התהודה. הרעיון של בולם MM הוא especially חשוב בתדרי THz בם קשה למצוא בולמי THz סלקטיבית חזקים בתדר 19. בבולם MM THz הקרינה נספגה בעובי ~ λ/20, התגברות על מגבלת העובי של בולמי גל רבעון מסורתיים. בולמי MM להשאיל את עצמם באופן טבעי ליישומי זיהוי THz, כגון חיישנים תרמיים, ואם משולבים עם מקורות THz מתאימים (QCLs למשל), עלול להוביל למחיר קומפקטי, רגיש מאוד, נמוך, מערכות זמן אמת THz הדמיה.

Introduction

פרוטוקול זה מתאר את הסימולציה, הייצור והאפיון של להקה אחת ובולמי MM THz פס רחב. המכשיר, המוצג באיור 1, מורכב מצלב מתכת ושכבת דיאלקטרי על גבי מטוס קרקע מתכת. המבנה בצורת צלב הוא דוגמה לטבעת מהוד חשמלית (ERR) 20,21 וזוגות חזקים לשדות חשמליים אחידים, אבל זניחה לשדה מגנטי. על ידי זיווג ERR עם מטוס לקרקע, הרכיב המגנטי של גל THz האירוע גורם נוכחי בסעיפים של ERR שמקבילים לכיוון של ה E-השדה. התגובה החשמלית ומגנטית אז יכולה להיות מכוונת באופן עצמאי והעכבה של המבנה להתאמה לשטח פנוי על ידי שינוי הגיאומטריה של ERR והמרחק בין שני יסודות המתכתיים. כפי שמוצג באיור 1 (ד), את הסימטריה של מבנה התוצאות בתגובת קליטת קיטוב חסרת רגישות.

Protocol

<p class="jove_title"> 1. סימולציה של בולם יחיד נד THz metamaterial</p><p class="jove_content"> תצוגת 3D של הגדרת הסימולציה מוצגת ב<strong> איור 2</strong>.</p><ol><li> Lumerical FDTD משמש כדי לייעל את מאפייני שידור, השתקפות וספיגה של בולם metamaterial THz. כל היחידות הניתנות במיקרומטר.</li><li> הגדרת THz polyimide תכונות חומר על ידי לחיצה שמאלית<em> חומרים…

Representative Results

איור 5 (א) מראה שהושג בניסוי ומדומה ספקטרום הקליטה לבולם מ"מ עם 3.1 מיקרומטר עבה polyimide spacer דיאלקטרי. מבנה MM זה יש לחזור על תקופה של 27 מיקרומטר וממדי K = 26 מיקרומטר, L = 20 מיקרומטר, מ = 10 מיקרומטר ומיקרומטר N = 5. מדידות ניסיוניות בוצעו גם על דגימות ללא ERR שכבה כדי לאשר …

Discussion

פרוטוקול זה מתאר את הסימולציה, הייצור והאפיון של בולמי metamaterial THz. זה מבנים תת גל כאלה הם חיוניים במדויק מדומים לפני כל מאמץ מחויב לנהלי ייצור יקרים. סימולציות FDTD Lumerical לספק מידע לא רק על ספקטרום ספיגת MM אלא גם את המיקום של הקליטה, ידע חיוני כדי לסייע למיקום של מתמר ולקבל…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכת על ידי מספר מדעים הפיזיקליים מועצה למחקר מענק EP/I017461/1 הנדסה ו. אנו מבקשים גם להודות על התרומה בגילומו של צוות הטכני של מרכז Nanofabrication ואט ג'יימס.

Materials

Name of Reagent/Material Company Catalogue Number Comments
Lumerical FDTD Lumerical
Silicon wafer IDB technologies Single sided polished
Plassys 450 MEB evaporator Plassys Bestek
VM651 Primer Dupont
PI2545 Dupont
Methyl Isobutyl Ketone Sigma-Aldrich
Isopropanol Sigma-Aldrich
Plasmaprep5 barrel Asher Gala Instrumente
VB6 UHR EWF electron beam writer Vistec
Tanner L-Edit Tanner Inc.
Layout Beamer GenISys Inc.
Polymethyl methacrylate (PMMA) Sigma-Aldrich 293261 Sigma-Aldrich
IFV 66v/s FTIR Bruker
Pike 30spec reflection unit Pike Technologies
Hg arc lamp Bruker
Au mirror Thor Labs PF05-03-M01
Leica INM20 Optical Microscope Leica microsystems
6 mm Mylar Beamsplitter Bruker

References

  1. Pendry, J. B., Holden, A. J., Robbins, D. J., Stewart, W. J. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena. IEEE Trans. Microw. Theory. 47, 2075-2084 (1999).
  2. Pendry, J. B., Holden, A. J., Robbins, D. J., Stewart, W. J. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena. IEEE Microw Theory. 47, 2075-2084 (1999).
  3. Smith, D. R., Padilla, W. J., Vier, D. C., Nemat-Nasser, S. C., Schultz, S. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity. Phys. Rev. Lett. 84, 4184-4187 (2000).
  4. Dolling, G., Wegener, M., Linden, S. Realization of a three-functional-layer negative-index photonic metamaterial. Opt. Lett. 32, 551-553 (2007).
  5. Zhang, S., et al. Experimental demonstration of near-infrared negative-index metamaterials. Phys. Rev. Lett. 95, 137404 (2005).
  6. Linden, S., et al. Magnetic response of metamaterials at 100 terahertz. Science. 306, 1351-1353 (2004).
  7. Landy, N. I., et al. Design, theory, and measurement of a polarization-insensitive absorber for terahertz imaging. Phys. Rev. B. 79, 125104-12 (2009).
  8. Gokkavas, M., et al. Experimental demonstration of a left-handed metamaterial operating at 100 GHz. Phys. Rev. B. 73, 193103 (2006).
  9. Smith, D. R., Kroll, N. Negative refractive index in left-handed materials. Phys. Rev. Lett. 85, 2933-2936 (2000).
  10. Wiltshire, M. C. K., et al. Microstructured magnetic materials for RF flux guides in magnetic resonance imaging. Science. 291, 849-851 (2001).
  11. Pendry, J. B. Negative refraction makes a perfect lens. Phys. Rev. Lett. 85, 3966-3969 (2000).
  12. Kabashin, A. V., et al. Plasmonic nanorod metamaterials for biosensing. Nat. Mater. 8, 867-871 (2009).
  13. Dolling, G., Enkrich, C., Wegener, M., Soukoulis, C. M., Linden, S. Low-loss negative-index metamaterial at telecommunication wavelengths. Opt. Lett. 31, 1800-1802 (2006).
  14. Schurig, D., et al. Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies. Science. 314, 977-980 (2006).
  15. Chen, H. T., et al. Experimental demonstration of frequency-agile terahertz metamaterials. Nat. Photonics. 2, 295-298 (2008).
  16. Ma, Y., Khalid, A., Saha, S. C., Grant, J. P., Cumming, D. R. S. THz band pass filter on plastic substrates and its application on biological sensing. IEEE Photonics Society Winter Topicals Meeting Series. , 50-51 (2010).
  17. Grant, J., et al. Polarization insensitive terahertz metamaterial absorber. Opt. Lett. 36, 1524-1526 (2011).
  18. Ma, Y., et al. A terahertz polarization insensitive dual band metamaterial absorber. Opt. Lett. 36, 945-947 (2011).
  19. Grant, J., Ma, Y., Saha, S., Khalid, A., Cumming, D. R. S. Polarization insensitive, broadband terahertz metamaterial absorber. Opt. Lett. 36, 3476-3478 (2011).
  20. Tonouchi, M. Cutting-edge terahertz technology. Nat. Photon. 1, 97-105 (2007).
  21. D. Schurig, J. J. M., Justice, B. J., Cummer, S. A., Pendry, J. B., Starr, A. F., Smith, D. R. Microwave Cloaking Realized. Science. 314, 889 (2006).
  22. Padilla, W. J., et al. Electrically resonant terahertz metamaterials: Theoretical and experimental investigations. Phys. Rev. B. 75, 041102 (2007).
  23. Smith, D. R., Vier, D. C., Koschny, T., Soukoulis, C. M. Electromagnetic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials. Phys. Rev. E. 71, (2005).
  24. Landy, N. I., Sajuyigbe, S., Mock, J. J., Smith, D. R., Padilla, W. J. Perfect metamaterial absorber. Phys. Rev. Lett. 100, 207402 (2008).
  25. Hao, J. M., et al. High performance optical absorber based on a plasmonic metamaterial. Appl. Phys. Lett. 96, 251104 (2010).
  26. Chen, H. T. Interference theory of metamaterial perfect absorbers. Opt. Express. 20, 7165-7172 (2012).
  27. Lee, A. W. M., Hu, Q. Real-time, continuous-wave terahertz imaging by use of a microbolometer focal-plane array. Optics Letters. 30, 2563-2565 (2005).
  28. Thermo Nicolet Corporation. . An Introduction to Fourier Transform Infared Spectroscopy. , (2001).

Play Video

Cite This Article
Grant, J. P., McCrindle, I. J., Cumming, D. R. Simulation, Fabrication and Characterization of THz Metamaterial Absorbers. J. Vis. Exp. (70), e50114, doi:10.3791/50114 (2012).

View Video