미러링된 분할 배열에서 다중 Fano 공진에 대한 실험적 시연

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 15846(2022) 이 기사 인용

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이 연구는 저손실 및 저굴절률 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 기판에 증착된 거울 대칭 분할 링 공진기 배열을 기반으로 하는 시스템에서 테라헤르츠 범위의 다중 Fano 공진에 대한 최초의 실험적 관찰을 보여줍니다. 처음으로 레이저 기술에 의해 유도된 선택적 표면 활성화가 메타표면 제조를 위한 표준 마스크 리소그래피를 추가로 적용하여 PTFE 기판에 구리 층을 증착하는 데 사용되었습니다.

파노형 공진은 분할 링 공진기(SRR)로 만들어진 메타표면에서 관찰됩니다. 이를 얻기 위해 SRR에 추가적인 비대칭성이 도입됩니다. 일반적으로 링은 소위 "암흑 모드"가 활성화되는 서로 다른 길이의 두 부분으로 분할되어 Fano 공명1이 발생합니다. 외부 전기장과 다크 모드의 약한 결합으로 인해 Fano 공진은 높은 공명 품질을 보여줍니다. 따라서 이러한 메타물질은 다양한 센서 개발에 응용될 수 있을 것으로 기대됩니다.

다양한 응용 요구 사항으로 인해 Fano 공진 분야에 대한 연구 관심이 단일 Fano 공명에서 다중 Fano 공명으로 확산되었습니다. 다중 스펙트럼 Fano 공명은 다중 채널 생화학 감지3, 다중 대역 2차 고조파 생성4 및 다중 대역 흡수체/방출체5에서 유망합니다. 단일 Fano 공명은 하나의 밝은 모드와 하나의 어두운 모드를 결합하여 발생하지만 밝은 모드와 여러 어두운 모드를 결합하면 여러 Fano 공명이 발생할 수 있습니다. 다중 Fano 공명은 표면 플라즈몬-폴라리톤 모드와 다차 평면 도파관 모드 사이의 결합을 통해 두 개의 서로 다른 메타물질 공진기로 구성된 메타분자 격자의 집합적 여기인 평면 주기 구조에 새로운 비대칭성을 도입하여 생성됩니다. 서로 다른 모양의 공동9을 갖는 금속-절연체-금속 도파관 구조의 다중 Fano 공명은 통합 용이성과 가시광선 및 근적외선 파장에서 빛의 깊은 하위 파장 제한을 포함한 뛰어난 기능으로 인해 많은 연구자들의 관심을 끌었습니다. 어두운 준 유도 및 밝은 플라즈몬 모드의 상쇄 간섭으로 인해 발생하는 다중 Fano 피크를 설정하기 위해 하이브리드 메타물질 도파관(HMW) 구조가 제안되었습니다. 이론적 고려 사항에 따르면 슬래브 도파관의 다중 모드 특성으로 인해 HMW 설계는 원적외선 및 테라헤르츠 스펙트럼 범위에서 작동하는 간단한 금속 공진기에서 다중 Fano 공진을 실현하는 쉬운 방법을 제공할 수 있습니다. 최근 GHz 주파수 범위에서 이중층 메타표면을 사용한 다중 전자기 유도 투명도와 다중 Fano 공진을 사용한 초광대역 편광 변환 확장이 실험적으로 입증되었습니다. 두 경우 모두 다중 공명을 달성하기 위해 제안된 메타표면의 단위 셀은 다소 복잡했습니다.

이 연구에서는 거울 대칭 분할 링 공진기 배열을 기반으로 하는 HMW 시스템의 테라헤르츠 범위에서 다중 Fano 공진에 대한 최초의 실험적 관찰을 제시합니다. 우리는 저손실 및 저굴절률 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 기판에 증착된 SRR의 거울 대칭 배열에 나타나는 유전체 도파관 모드와 플라즈몬 모드의 상호 작용을 통해 다중 Fano 공명 관찰을 위한 방식을 제안합니다. 기판의 두께를 증가시키면 더 높은 도파관 모드가 활성화됩니다. 결과적으로 그들은 플라즈몬 모드와 상호 작용하고 다중 Fano 공명이 나타납니다. Fano 공진 수와 그 특성 주파수는 기판의 두께를 변경하여 간단히 조정할 수 있습니다. 놀랍게도, 우리의 디자인은 다중 파장 바이오 센서, 굴절률 센서 및 필터를 설계할 수 있는 큰 잠재력을 갖춘 개방형(클래딩이 없는) 도파관을 제공합니다.

100 μm, the effective dielectric permittivity of the interface can be expressed as the average of the dielectric permittivities on either side of the interface \({\varepsilon }^{*}=(\varepsilon +1)/2,\) where ε is the permittivity of the dielectric substrate, and unity corresponds to the relative dielectric permittivity of free space. Considering plasmonic resonance as the resonance of the LC circuit, it is clear that by increasing d we are changing the capacitance of the equivalent circuit, whereas inductance remains unchanged. Therefore, formally the dependence of plasmonic resonance frequency on ε* can be expressed \({f}_{pl}=1/\left(2\pi \sqrt{LC}\right)\sim \frac{1}{\sqrt{{\varepsilon }^{*}}}\). Having in mind that ε = 2, one can get that the resonance frequency should decrease by a factor of 1.225 when d is increasing. Surprisingly, this is precisely the same as the ratio obtained from the simulation results: fpl(d = 0)/ fpl(d > 100 μm) = 82/67 = 1.224./p>

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