Numerical analysis of spectrally tunable and polarization independent dual band plasmonic perfect absorber


Kırlar M., Türkmen M.

JOURNAL OF THE FACULTY OF ENGINEERING AND ARCHITECTURE OF GAZI UNIVERSITY, vol.38, no.4, pp.2025-2032, 2023 (SCI-Expanded) identifier identifier identifier

Abstract

In this study, a novel plasmonic perfect absorber (PA) structure with dual band resonance frequency operating in the mid-infrared region is presented. The analysis of the structure is carried out with the help of the electromagnetic analysis program called Lumerical FDTD. The proposed PA absorbs the incident beam over 98% in lower frequency mode and over 99% in higher frequency mode. The thickness values to be used in the structure are determined by variation of conductor and dielectric layer thicknesses, which play an effective role in the absorption mechanism. By changing the geometric parameters of the nanoantenna arrays positioned on the dielectric layer, the effects of these parameters on the resonance modes are investigated and the tunability of these modes is analyzed. Polarization independence is analyzed for three different polarization angles. It is observed that the structure is insensitive to polarization at the studied angle values. In the study, the charge density distributions and the absorption spectra of the electric and magnetic field distributions for resonance modes are also investigated. The proposed structure can enhanced the incident light up to 100 times in the electric field and up to 40 times in the magnetic field. Due to its tunable spectral characteristics, polarization insensitivity, enhanced electric and magnetic field responses, the proposed plasmonic PA can be used in mid-infrared spectroscopy applications. 

Bu çalışmada, orta kızılötesi bölgede çalışan çift bant rezonans frekansına sahip yeni bir plazmonik mükemmel soğurucu yapısı sunulmuştur. Yapının analizleri, Lumerical FDTD isimli elektromanyetik analiz programı yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Önerilen mükemmel soğurucu yapısı, gelen ışını düşük frekans modunda %98' in üzerinde ve yüksek frekans modunda % 99' un üzerinde soğurmaktadır. Soğurma mekanizmasında etkili bir rol oynayan iletken ve dielektrik tabaka kalınlıklarının değişimi incelenerek çalışmada kullanılacak olan kalınlık değerleri belirlenmiştir. Dielektrik tabaka üzerine konumlandırılmış nanoanten dizisinin geometrik parametreleri değiştirilerek bu parametrelerin rezonans modlara etkisi incelenmiş ve bu modların ayarlanabilirliği nanoanten dizisi için analiz edilmiştir. Yapının kutupluluktan bağımsızlığı üç farklı kutuplanma açısı için analiz edilmiştir. İncelenen açı değerlerinde yapının kutupluluktan bağımsız olduğu ortaya konmuştur. Çalışmada ayrıca yük yoğunluğu dağılımları ile rezonans modları için elektrik ve manyetik alan dağılımlarının soğurma spektrumları incelenmiştir. Sunulan yapı gelen ışığı elektrik alanda 100 kata kadar, manyetik alanda 40 kata kadar güçlendirebilmektedir. Ayarlanabilir spektral özellikleri, kutupluluktan bağımsız olması, güçlendirilmiş elektrik ve manyetik cevapları sayesinde önerilen plazmonik mükemmel soğurucu, orta kızılötesi spektroskopi uygulamalarında kullanılabilir.