Конвертер терагерцового излучения на основе метаматериала

С начала восьмидесятых годов XX века терагерцовый диапазон (от 0,1 до 10 ТГц) привлекает неослабевающее внимание как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения. Благодаря своим уникальным свойствам терагерцовое излучение используется для решения широкого спектра задач в спектроскопии, дефектоскопии и обеспечения безопасности. Создание эффективных поглотителей и преобразователей терагерцового излучения является сейчас основой для развития терагерцовых технологий. В настоящей работе рассматривается использование частотно-избирательного высокодобротного метаматериала для создания конвертера терагерцового излучения в инфракрасный диапазон длин волн. Предложен конвертер, состоящий из метаматериального поглотителя терагерцового излучения, покрытого микрометровым слоем графита, переизлучающим поглощенную метаматериалом энергию в инфракрасном диапазоне. Произведен численный электродинамический и сопряженный с ним тепловой расчет предлагаемого конвертера излучения. Результаты численного моделирования метаматериала на частоте 96 ГГц (окно прозрачности атмосферы) показали коэффициент поглощения электромагнитного излучения равный 99,998 %, а аналитически рассчитанный коэффициент полезного действия разработанного конвертера составил 93,8 %. Благодаря этому разработанный нами конвертер терагерцового излучения может найти применение в области досмотрового контроля в сфере транспортной безопасности и дефектоскопии.

1. Кульчицкий Н.А., Наумов А.В., Старцев В.В., Демьяненко М.А. Детектирование в терагерцевом диапазоне. Часть 1. Фотоника. 2021; 15(1): 52—69. https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.1.52.68

2. Handbook of terahertz technologies: devices and applications. Song H.D., Nagatsuma T., eds. 1st ed. NY, USA: Jenny Stanford Publishing; 2015. 612 p. https://doi.org/10.1201/b18381

3. Terahertz spectroscopy and imaging. Peiponen K.E., Zeitler J.A., Kuwata-Gonokami M., eds. Springer Berlin, Heidelberg; 2013. 644 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-29564-5

4. Usanov D.D., Romanova N.V., Saldina D.D. Prospects and trends in the development of terahertz technologies: patent landscape. The Economics of Science. 2017; 3(3): 189—202. https://doi.org/10.22394/2410-132X-2017-3-3-189-202

5. Ахманов А.С., Ангелуц А.А., Балакин А.В., Назаров М.М., Ожередов И.А., Сапожников Д.А., Соколов В.И., Хайдуков Е.В., Шкуринов А.П., Панченко В.Я. Терагерцовая оптоэлектроника и ее применения. М.: Интерконтакт Наука; 2014. 785 с.

6. Zimdars D., White J., Stuck G., Sucha G., Fichter G., Williamson S.L. Time domain terahertz imaging of threats in luggage and personnel. International Journal of High Speed Electronics and Systems. 2007; 17(2): 271—287. https://doi.org/10.1142/S0129156407004497

7. Carranza I.E., Grant J., Gough J., Cumming D.R.S. Metamaterial-based terahertz imaging. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2015; 5(6): 892—901. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2015.2463673

8. Advanced millimeter-wave technologies: antennas, packaging and circuits. Liu D., Gaucher B., Pfeiffer U., Grzyb J., eds. John Wiley & Sons, Ltd; 2009. 769 p. https://doi.org/10.1002/9780470742969

9. Terahertz optoelectronics/ Sakai K., ed. Springer Berlin, Heidelberg; 2005. 389 p. https://doi.org/10.1007/b80319

10. Ali A., Mitra A., Aïssa B. Metamaterials and metasurfaces: A review from the perspectives of materials, mechanisms and advanced metadevices. Nanomaterials. 2022; 12(6): 1027—1059. https://doi.org/10.3390/nano12061027

11. Pendry J.B. Negative refraction makes a perfect lens. Physical Review Letters. 2000; 85(18): 3966—3969. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.85.3966

12. Fedotov V.A., Rose M., Prosvirnin S.L., Papasimakis N., Zheludev N.I. Sharp trapped-mode resonances in planar metamaterials with a broken structural symmetry. Physical Review Letters. 2007; 99(14): 147401—147406. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.147401

13. Al-Badri K. Very high Q-factor based on G-shaped resonator type metamaterial absorber. Ibn AL-Haitham Journal For Pure and Applied Science. 2017 (IHSCICONF). 2018: 160—168. https://doi.org/10.30526/2017.IHSCICONF.1788

14. Savinov V., Fedotov V.A., Anlage S.M., de Groot P.A.J., Zheludev N.I. Modulating sub-THz radiation with current in superconducting metamaterial. Physical Review Letters. 2012; 109(24): 243904—243909. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.243904

15. Al-Naib I., Yang Y., Dignam M.M., Zhang W., Singh R. Ultra-high Q even eigenmode resonance in terahertz metamaterials. Applied Physics Letters. 2015; 106(1): 011102—011109. https://doi.org/10.1063/1.4905478

16. Vahala K.J. Optical microcavities. Nature. 2003; 424(6950): 839—846. https://doi.org/10.1038/nature01939

17. Savinov V., Tsiatmas A., Buckingham A.R., Fedotov V.A., de Groot P.A.J., Zheludev N.I. Flux exclusion superconducting quantum metamaterial. Scientific Reports. 2012; 2(1): 450—456. https://doi.org/10.1038/srep00450

18. Liu D., Yan Y. Investigations on a dual-frequency operation terahertz gyrotron. In: OSA Technical Digest (online). The 8th Inter. symp. on ultrafast phenomena and terahertz waves. 10–12 October 2016. Chongqing, China. Washington, DC, USA: Optica Publishing Group; 2016. https://doi.org/10.1364/ISUPTW.2016.IW2A.4

19. Savinov V., Fedotov V.A., Anlage S.M., de Groot P.A.J., Zheludev N.I. Modulating sub-THz radiation with current in superconducting metamaterial. Physical Review Letters. 2012; 109(24): 243904—243909. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.243904

20. Chen H., Padilla W.J., Zide O., Gossard A.C., Taylor A.J., Averitt R.D. Active terahertz metamaterial devices. Nature. 2006; 444: 597—600. https://doi.org/10.1038/nature05343

21. Srivastava Y.K., Manjappa M., Cong L., Krishnamoorthy H.N.S., Savinov V., Pitchappa P., Singh R. A superconducting dual-channel photonic switch. Advanced Materials. 2018; 30(29): e1801257. https://doi.org/1010.1002/adma.201801257

22. Srivastava Y.K., Manjappa M., Krishnamoorthy N.S., Singh R. Accessing the high-Q dark plasmonic fano resonances in superconductor metasurfaces. Advanced Optical Materials. 2016; 4(11): 1875—1881. https://doi.org/10.1002/adom.201600354

23. Wang Y., Han Z., Du Y., Qin J. Ultrasensitive terahertz sensing with high-Q toroidal dipole resonance governed by bound states in the continuum in all-dielectric metasurface. Nanophotonics. 2021; 10(4): 1295—1307. https://doi.org/10.1515/nanoph-2020-0582

24. Strikwerda A., Tao H., Kadlec E.A., Fan K., Padilla W., Zhang X., Shaner E.A., Averitt R. Metamaterial based terahertz detector. In: OSA Technical Digest (online). Conf. on lasers and electro-optics 2011 (CLEO 2011). 1–6 May 2011. Baltimore, MD, USA. Washington, DC, USA: Optica Publishing Group; 2011. https://doi.org/10.1364/QELS.2011.QTuD6

25. Feldman Y., Puzenko A., Ishai P.B., Caduff A., Agranat A.J. Human skin as arrays of helical antennas in the millimeter and submillimeter wave range. Physical Review Letters. 2008; 100(12): 128102—128107. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.128102

26. Convergence of terahertz sciences in biomedical systems. Park G.-S., Kim Y.H., Han H., Han J.K., Ahn J., Son J.-H., Park W.-Y., Jeong Y.U., eds. Springer Dordrecht; 2012. 435 p.

27. Alves F., Pimental L., Grbovic D., Karunasiri G. MEMS terahertz-to-infrared band converter using frequency selective planar metamaterial. Scientific Reports. 2018; 8(1): 12466—12480. https://doi.org/10.1038/s41598-018-30858-z

28. Bilgin H., Zahertar S., Sadeghzadeh S., Yalcinkaya A.D., Torun H. A MEMS-based terahertz detector with metamaterialbased absorber and optical interferometric readout. Sensors and Actuators A: Physical. 2016; 244: 292—298. https://doi.org/10.1016/j.sna.2016.04.021

29. Landy N.I., Sajuyigbe S., Mock J.J., Smith D.R., Padilla W.J. Perfect metamaterial absorber. Physical Review Letters. 2008; 100(20): 207402—207409. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.207402

30. Askerzade I. Physical properties of unconventional superconductors. In: Unconventional superconductors. Springer series in materials science. Berlin, Heidelberg: Springer; 2012. Vol 153. P. 1—26. https://doi.org/10.1007/978-3-642-22652-6_1

31. Tao H., Bingham C.M., Strikwerda A.C., Pilon D., Shrekenhamer D., Landy N.I., Fan K., Zhang X., Padilla W.J., Averitt R.D. Highly flexible wide angle of incidence terahertz metamaterial absorber: design, fabrication, and characterization. Physical Review B. Condensed Matter. 2008; 78: 241103 (R). https://doi.org/10.1103/PHYSREVB.78.241103

32. Munk B.A. Frequency selective surfaces: Theory and design. Wiley; 2000. 440 p.

33. Касьянов А.О., Обуховец В.А. Частотно-избирательные поверхности. Основные области применения. Радиотехника. 2005; (9(100)): 4—12.

34. Войцеховский А.В., Несмелов С.Н., Кульчицкий Н.А., Мельников А.А., Мальцев П.П. Детектирование в терагерцовом диапазоне. Нано- и микросистемная техника. 2012; (2(139)): 28—35.

35. Карманное практическое руководство по термографии. Testo AG; 2018. 56 с. URL: https://domikelectrica.ru/wp-content/uploads/2018/11/Testo_Prakticheskoe_rukovodstvo_po_termografii.pdf

36. Hao Y., Mittra R. FDTD modeling of metamaterials: Theory and applications. Boston; London: Artech House Publishers; 2009. 33 p.

37. Адамчук Ю.О., Богуславский Ю.О., Богуславский Л.З., Синчук А.В. Нанесение углеродных наноструктурированных покрытий на металлические поверхности электроразрядным способом в среде углеводородов. Электронная обработка материалов. 2017; 53(6): 1—7. https://doi.org/10.5281/zenodo.1051302

38. Научно-исследовательскому институту конструкционных материалов на основе графита – 55 лет: сб. статей; под ред. Е.П. Маянова, П.Г. Елизарова, Н.Ю. Бейлиной, И.А. Бубненкова, С.А. Колесникова, А.Н. Проценко, Т.Д. Фирсовой. М.: Научные технологии; 2015. 246 с.

39. Браже Р.А., Кочаев А.И., Мефтахутдинов Р.М. Графены и их физические свойства. Ульяновск: УлГТУ; 2016. 139 с.