Filter Warna Metasurface Menggunakan Konfigurasi Aluminium dan Lithium Niobate

Hasil dan Diskusi

Untuk meningkatkan fleksibilitas dan penerapan perangkat yang diusulkan, permukaan meta dirancang untuk ditangguhkan sehingga meninggalkan celah antara dirinya dan lapisan cermin bawah untuk membentuk resonator FP dan sebagai akibatnya, cahaya yang datang akan terperangkap di dalamnya. celah dan kemudian diserap oleh perangkat. Mengenai D _y dan g nilai adalah faktor utama yang berkontribusi pada pergeseran panjang gelombang resonansi, penyerapan TAM yang hampir sempurna dapat disetel di seluruh rentang spektral yang terlihat dengan memasangkan D _y dan nilai g seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a. Empat pasang D _y dan g nilai dipilih untuk menyelidiki tunabilitas TAM. Mereka adalah (D _y , g ) =(160 nm, 355 nm), (200 nm, 450 nm), (240 nm, 540 nm), (280 nm, 645 nm), masing-masing. Dengan menyusun D _y dan g nilai, penyerapan sempurna dapat diwujudkan pada panjang gelombang yang berbeda dari 433,9 nm, 533,5 nm, 629,8 nm, dan 740,9 nm. Gambar warna yang disisipkan pada Gambar 2a adalah warna tampak yang sesuai dari spektrum refleksi mata manusia yang dihitung dengan menggunakan fungsi pencocokan RGB CIE untuk meniru warna sebenarnya pada permukaan perangkat. Hubungan resonansi dan D _y nilai diringkas dan diplot pada Gambar. 2b. Resonansi bergeser merah secara linier yang mencakup seluruh rentang spektral yang terlihat dengan meningkatkan D _y nilai dari 150 nm sampai 290 nm. Koefisien koreksi yang sesuai adalah 0,99401. Ini menunjukkan tunability yang bagus untuk perangkat TAM yang diusulkan. Frekuensi resonansi dari resonator F-P dapat ditentukan dengan [46]

a Spektrum pantulan TAM dengan D different yang berbeda _y dan g nilai-nilai. b Hubungan resonansi dan D _y nilai

dimana q adalah indeks mode, g adalah panjang rongga F-P, dan c =c ₀ /n , di mana c ₀ adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa dan n adalah indeks bias medium. Ini menunjukkan bahwa frekuensi resonansi dapat disetel dengan menggerakkan metasurface yang ditangguhkan secara vertikal dalam desain yang diusulkan ini, yaitu, mengubah g nilai.

Gambar 3 menunjukkan spektrum refleksi TAM dengan g different yang berbeda nilai di bawah kondisi D _y =200 nm (Gbr. 3a) dan D _y =250 nm (Gbr. 3b), masing-masing. Pada Gambar 3a, resonansi digeser merah dari panjang gelombang 490 nm menjadi 590 nm dengan mengubah g nilai dari 410 nm sampai 510 nm. Jangkauan tuning adalah 100 nm. Lebar penuh tersempit pada setengah maksimum (FWHM) resonansi adalah 29,9 nm untuk g =470nm Pada Gambar 3b, resonansi digeser merah dari panjang gelombang 580 nm menjadi 691 nm dengan mengubah g nilai dari 490 nm sampai 610 nm. Jangkauan tuning adalah 111 nm. Resonansi FWHM tersempit adalah 31,8 nm untuk g =530nm Rentang tuning adalah 2 kali lipat dibandingkan dengan yang dilaporkan dalam referensi [39] dan lebih baik daripada yang dilaporkan dalam referensi sebelumnya [37, 38, 40]. Gambar 3c, d menunjukkan hubungan yang sesuai dari resonansi dan g nilai Gambar. 3a, b, masing-masing. Resonansi digeser merah secara linier sebesar 9,2 nm per 10 nm kenaikan g nilai seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c, dan sebesar 9,0 nm per 10 nm kenaikan g nilai seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3d. Rentang tuning masing-masing adalah 90,5 nm dan 110,7 nm. Semua spektrum refleksi adalah serapan yang hampir sempurna. Koefisien koreksi yang sesuai adalah 0,99950 dan 0,99969, masing-masing. Desain TAM yang diusulkan tersebut dapat berfungsi sebagai filter warna ultrasensitif atau digunakan dalam berbagai aplikasi penginderaan.

Spektrum refleksi TAM dengan g yang berbeda nilai di bawah kondisi a A _y =200 nm, b A _y =250nm c, d Hubungan resonansi dan g nilai a dan b , masing-masing

Untuk meningkatkan kinerja TAM dalam hal FWHM dan rentang panjang gelombang penyetelan sambil menjaga penyerapan mendekati sempurna, TLNM diusulkan dan disajikan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1a. Karena pola struktur nano selalu mengalami efek sudut dan penyimpangan fabrikasi maka pola geometris dirancang sebagai lubang elips. Parameter D _x dan D _y mewakili panjang sumbu makro dan sumbu minor sepanjang x- dan y -arah, masing-masing, sementara K _x dan K _y parameter dijaga konstan seperti 1.2 dan D _x nilainya 110 nm. Gambar 4a menunjukkan spektrum refleksi TLNM dengan empat kombinasi D _y dan g nilai-nilai. t nilainya dijaga konstan seperti 200 nm. TLNM menunjukkan karakteristik penyerapan sempurna dengan bandwidth ultra-sempit yang mencakup seluruh rentang spektral yang terlihat. Nilai FWHM dari spektrum refleksi adalah 3 nm. FWHM ultra-sempit tersebut disumbangkan oleh resonansi F-P, yang dapat ditentukan oleh

a Spektrum pantulan TLNM dengan D different yang berbeda _y dan g nilai-nilai. b Hubungan resonansi dan D _y nilai

dimana λ _q adalah panjang gelombang resonansi, subskrip q adalah indeks mode, g adalah panjang rongga F-P, dan R adalah reflektansi permukaan resonator F-P antara metasurface Al bawah dan metasurface Al/LN di atas. Nilai FWHM dapat dikurangi sebagai akibat dari intensitas pantulan TLNM yang lebih tinggi, yang berarti kinerja optik dapat sangat ditingkatkan dengan menggunakan bahan LN. Hubungan resonansi dan D _y nilai pada Gambar. 4a diringkas seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b. Resonansi bergeser merah secara linier mulai dari 427 nm hingga 673 nm dengan meningkatkan D _y nilai dari 250 nm hingga 500 nm, dan koefisien koreksi yang sesuai adalah 0,97815. Oleh karena itu, ini menunjukkan tunabilitas linier dari perangkat yang diusulkan.

Metasurface LN elips yang ditangguhkan dapat dipindahkan, yang dapat langsung dimodifikasi untuk mencapai tunabilitas optik dengan menggunakan teknologi MEMS. Gambar 5a, b menunjukkan spektrum refleksi TLNM dengan g . yang berbeda nilai di bawah dua kondisi D _y =350 nm, t =210 nm, dan D _y =450 nm, t =280 nm, masing-masing. Pada Gambar 5a, dengan meningkatkan g nilai dari 390 nm ke 570 nm, resonansi bergeser merah dari 465,9 nm ke 553,5 nm. Pada Gambar 5b, dengan meningkatkan g nilai dari 540 nm ke 780 nm, resonansi bergeser merah dari 613,6 nm ke 731,2 nm. Gambar 5c, d menunjukkan hubungan resonansi yang sesuai, g nilai-nilai, dan nilai-nilai FWHM yang sesuai dari Gambar. 5a, b, masing-masing. Resonansi bergeser merah cukup linier. Koefisien koreksi yang sesuai adalah 0,99864 dan 0,99950 untuk dua kasus, masing-masing. Untuk kasus D _y =350 nm, t =210 nm, rentang tuning adalah 87,6 nm dan nilai FWHM rata-rata adalah 3 nm seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5c. Sedangkan untuk kasus D _y =450 nm, t =280 nm, rentang penyetelan adalah 117,6 nm dan nilai FWHM rata-rata adalah 4 nm seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5d. Terlihat nilai FWHM tersempit yaitu 1,5 nm pada panjang gelombang 466 nm seperti terlihat pada Gambar 5a dan sebesar 3,2 nm pada panjang gelombang 615 nm seperti pada Gambar 5b. Mereka dibandingkan dengan hasil desain TAM yang diusulkan, nilai FWHM TLNM ditingkatkan 10 kali lipat setidaknya menjaga penyerapan sempurna. Ini adalah peningkatan besar kinerja optik dengan menggunakan metasurface LN. Hasil ini menunjukkan bahwa TLNM berpotensi digunakan di banyak aplikasi seperti filter warna ultrasensitif, peredam, detektor, dan sensor sesuai dengan karakteristik pita ultra-sempit yang luar biasa ini, penyerapan sempurna, dan rentang penyetelan yang besar.

Spektrum refleksi TLNM. Parameter dioptimalkan untuk rentang merdu maksimum dalam kondisi a A _y =350 nm, t =210 nm, b A _y =450 nm, t =280nm. c , d Hubungan resonansi, g nilai, dan nilai FWHM yang sesuai dari a dan b , masing-masing

Untuk menyelidiki lebih lanjut apakah perangkat TAM dan TLNM dapat ditanamkan ke dalam aplikasi praktis, misalnya, sensor lingkungan, perangkat tersebut diekspos di lingkungan sekitar dengan indeks bias ambien yang berbeda (n ). Gambar 6 menunjukkan spektrum pantulan TAM yang terekspos di lingkungan sekitar dengan indeks refraksi yang berbeda dari 1,0 hingga 1,3. Dimensi geometris TAM dijaga konstan seperti D _x =110 nm, D _y =200 nm, dan g =450nm Ada dua resonansi yang digeser merah dengan rentang penyetelan 84,6 nm (ω ₁ ) dan 172,1 nm (ω ₂ ). Hubungan resonansi dan n nilai diringkas dalam Gambar. 6b. Sensitivitas dihitung sebagai 246,7 nm/RIU dan 481,5 nm/RIU, dan figure-of-merit (FOM) yang sesuai adalah 11 dan 14 untuk resonansi pertama (ω ₁ ) dan resonansi kedua (ω ₂ ), masing-masing. Sensitivitas yang lebih tinggi ini disebabkan oleh FWHM sempit resonansi, yaitu 21,6 nm (ω ₁ ) dan 34 nm (ω ₂ ). Karakteristik ini cukup cocok untuk aplikasi penginderaan pragmatis.

a Spektrum pantulan TAM yang terekspos di lingkungan sekitar dengan indeks refraksi yang berbeda (n ). b Hubungan resonansi dan n nilai

Namun, kekurangannya adalah intensitas pantulan ω ₁ relatif tinggi dan ω ₂ meningkat menjadi lebih dari 20% sebagai n meningkat menjadi 1.3. Untuk mengatasi keterbatasan ini, TLNM dirancang untuk memiliki sifat optik yang stabil karena karakterisasi metasurface LN. Gambar 7 menunjukkan spektrum pantulan TLNM yang terekspos di lingkungan sekitar dengan n . yang berbeda nilai di bawah kondisi D _y =350 nm, t =210nm, g =490 nm, dan D _y =450 nm, t =280 nm, g =580 nm seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7a, b, masing-masing. Pada Gambar 7a, resonansi TLNM dengan D _y =350 nm, t =210nm, g =490 nm digeser merah dengan rentang penyetelan 58,4 nm dengan meningkatkan n nilai dari 1,0 hingga 1,2. Sementara resonansi TLNM dalam kondisi D _y =450 nm, t =280 nm, g =580 nm digeser merah dengan rentang penyetelan 78,2 nm dengan meningkatkan n nilai dari 1,0 hingga 1,2. Dalam dua kasus ini, TLNM menunjukkan penyerapan yang hampir sempurna, di mana fluktuasi intensitas pantulan kurang dari 5%. Spektrum refleksi lebih stabil daripada TAM. Hubungan resonansi dan n nilai diplot pada Gambar. 7c, d untuk dua kasus, masing-masing. Untuk kondisi TLNM dengan D _y =350 nm, t =210nm, g =490 nm, sensitivitas dan nilai rata-rata FWHM masing-masing adalah 291,4 nm/RIU dan 3 nm. FOM yang sesuai dihitung sebagai 97 seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7c. Untuk kondisi TLNM dengan D _y =450 nm, t =280 nm, g =580 nm, sensitivitas dan nilai rata-rata FWHM masing-masing adalah 390,3 nm/RIU dan 4 nm. FOM yang sesuai dihitung sebagai 97,5 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7d, yang ditingkatkan 7 kali lipat dibandingkan dengan TAM yang ditunjukkan pada Gambar 6. Ini berarti bahwa TLNM menunjukkan kinerja penginderaan yang lebih baik untuk digunakan dalam aplikasi sensor lingkungan.

Spektrum pantulan TLNM yang terekspos di lingkungan sekitar dengan indeks refraksi yang berbeda (n ) di bawah kondisi a A _y =350 nm, t =210nm, g =490 nm, b A _y =450 nm, t =280 nm, g =580nm c , d Hubungan resonansi, n nilai dan nilai FWHM yang sesuai, masing-masing