異方性メタマテリアルを用いた広角スペクトル選択的THz吸収体の理論的検討を行った

A theoretical investigation on reciprocity-inspired wide-angle spectrally-selective THz absorbers augmented by anisotropic metamaterials.

• Mansoureh Mohammadi
• Hamid Rajabalipanah
• Ali Abdolali

抄録

本論文では、広角特性を有するTHzスーパーシート搭載メタマテリアル吸収体(SLMA)を正確に設計するための理論的枠組みを、相互性定理に基づいて提案する。従来のメタマテリアル吸収体を特徴づける一般化された伝送線路モデルにおいて、高次のフロッケ高調波を利用することで、メタマテリアル吸収体は、特に斜入射角付近でインピーダンスの不整合を生じることが示された。インピーダンス整合の観点から、本論文では、磁電異方性ホイヘンスメタマテリアルと多層誘電体構造を用いた2つの異なる設計を用いて、この大きな課題に取り組んだ。その結果、理論的な予測をよく裏付ける結果が得られ、提案したSLMAがMAの角度性能を、グレージング角(約80°)付近まで大幅に向上させることが明らかになった。また、回折モードの劣化の影響を総合的に解析した。これまでの複雑な粒子形状やブルートフォース最適化に基づく広角MAの報告と比較して、提案する設計は、マイクロ波,中赤外,光周波数帯やあらゆるタイプのMA素子に対しても再開発が可能な簡単な半解析アルゴリズムを特徴としている。提案したSLMAは、センサやイメージングなどの波長選択的なアプリケーションに非常に有望である。

In this paper, a theoretical framework relying on the reciprocity theorem is proposed to accurately design a spectrally-selective THz superstrate-loaded metamaterial absorber (SLMA) exhibiting wide-angle feature. By leveraging high-order Floquet harmonics in a generalized transmission line model characterizing the conventional metamaterial absorbers (MAs), it is demonstrated that MAs suffer from impedance mismatch, especially at near grazing angles. From an impedance matching viewpoint, this major challenge is tackled in this paper via two different designs, exploiting a magneto-electric anisotropic Huygens' metamaterial and a multilayer dielectric structure at a certain distance over the MA plane. The numerical results corroborate well the theoretical predictions, elucidating that the proposed SLMA significantly broadens the angular performance of the MA up to near grazing angles (about 80°), where high absorptivity is still achieved in both principal planes. The deteriorating effect of diffraction modes has been comprehensively analyzed. In comparison to the previous wide-angle MA reports based on intricate particle geometries and brute-force optimizations, the proposed design features a straightforward semi-analytical algorithm, which can also be re-developed for microwave, mid-infrared, and optical frequency bands and for any type of MA element. The proposed SLMA would be very promising for various wavelength-selective applications such as sensors and imaging.