Комбінований числово-аналітичний метод параметричного проєктування тера¬герцового підкладкового поляризатора на підставі дротяних сіток

Ключові слова: метод скінченних елементів; елементарна комірка; хвилевід; антивідбивна плівка; коефіцієнт пропускання

Анотація

Розглянуто комбінований числово-аналітичний метод параметричного проєктування підкладкового поляризатора терагерцового електромагнітного випромінювання, побудованого на підставі дротяних сіток. Здійснено літературний огляд порівняльних характеристик можливих конструкцій поляризаторів різних типів та описано перевагу конструкцій на підставі дротяних сіток. Наведено огляд матеріалів, що використовують для виготовлення відповідних поляризаторів для різної довжини хвилі випромінювання. Проаналізовано методи, що застосовують для розрахунку характеристик і параметрів поляризаторів на підставі дротяних сіток. Розроблений числово-аналітичний метод параметричного проєктування базується на аналітичному розрахунку ефективних антивідбивних характеристик конструкції елементарної комірки поляризатора. У межах методу розроблено скінченно-елементну модель поляризатора, реалізовану за допомогою програмного забезпечення COMSOL Multiphysics, що дає змогу уточнити характеристики конструкції елементарної комірки і можливості для їх розширення за допомогою числового моделювання методом скінченних елементів задачі поширення електромагнітних хвиль у цій конструкції в частотній області зі специфічними граничними умовами, що сукупно дає наукову новизну. Отримані результати моделювання добре узгоджуються з відомими експериментальними результатами та тісно корелюють з результатами моделювання, що отримали інші наукові групи, що свідчить про адекватність та практичну цінність методу для завдань проєктування поляризаторів терагерцового випромінювання з антивідбивними, високопропускними, низьковтратними та надійними характеристиками. Окрім цього, завдяки використанню числової скінченно-елементної складової, запропонований метод досить просто розширити способом зміни геометрії елементарної комірки для дослідження таких перспективних об'єктів, як багатошарові поляризатори чи поляризатори на підставі складніших мета- чи композиційних матеріалів.

Біографії авторів

Н. Б. Яворський, Національний університет "Львівська політехніка", м. Львів

канд. техн. наук, асистент, кафедра систем автоматизованого проєктування

Н. А. Андрущак, Національний університет "Львівська політехніка", м. Львів

канд. техн. наук, доцент, кафедра систем автоматизованого проєктування

Посилання

Aerosol Refractive Index Archive, Fused Quartz, Refractive index of fused quartz in the far IR range. (2020). Retrieved from: http://eodg.atm.ox.ac.uk/ARIA/data?Minerals/Quartz/(Zhilinskii_et_al._1987)/quartz_Zhilinskii_1987.ri.

Ahn, S., еt al. (2005). Fabrication of a 50 nm half-pitch wire grid polarizer using nanoimprint lithography. Nanotechnology, 16(9), 1874–1877. https://doi.org/10.1088/0957-4484/16/9/076

Andrushchak, A., еt al. (2016). Information technology for most efficient application of bulk and nanocrystalline materials as sensitive elements for optoelectronic devices, TCSET, (pp. 395–398). Lviv. https://doi.org/10.1109/TCSET.2016.7452068

Andrushchak, N., еt al. (2018). Nanoengineering of anisotropic materials for creating the active optical cells with increased energy efficiency, TCSET, (pp. 484–487). Slavske. https://doi.org/10.1109/TCSET.2018.8336246

Andrushchak, N., еt al. (2018). Study of second harmonic generation in KDP/Al2O3 crystalline nanocomposite. Acta Phys. Pol. A, 133, 856–859.

Andrushchak, N., еt al. (2020). Improvement of the Numerical Method for Effective Refractive Index Calculation of Porous Composite Materials Using Microlevel Models, Acta Physica Polonica Series a 133(1), 164–166.

Bird, G. R., Parrish, M. (1960). The wire grid as a near-infrared polarizer. J. Opt. Soc. Am. 50, 886–891.

Born, M., & Wolf, E. (2005). Principles of optics: Electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light, 7-th ed., Cambridge University Press.

Brundrett, D. L., еt al. (1994). Homogeneous layer models for high-spatial-frequency dielectric surface-relief gratings: conical diffraction and antireflection designs, Appl. Opt. 33, 2695–2706. https://doi.org/10.1364/AO.33.002695

Chi, N., еt al. (2017). High Transmittance Broadband THz Polarizer Using 3D-IC Technologies, 2017 IEEE 67th Electronic Components and Technology Conference (ECTC). Orlando, FL, 1793–1798.

Deng, L. Y., еt al. (2012). Extremely high extinction ratio terahertz broadband polarizer using bilayer subwavelength metal wire-grid structure, Appl. Phys. Lett. 101, 011101. https://doi.org/10.1063/1.4729826

Feng, J., еt al. (2011). A Transflective Nano-Wire Grid Polarizer Based Fiber-Optic Sensor. Sensors, 11, 2488–2495. https://doi.org/10.3390/s110302488

Ferraro, A., еt al. (2016). Flexible terahertz wire grid polarizer with high extinction ratio and low loss. Opt. Lett. 41, 2009–12. https://doi.org/10.1364/OL.41.002009

Heavens, O. S. (1965). Optical Properties of Thin Solid Films, 261, Butterworths Scientific Publications, England, 1955. Doover Publications, Inc. https://doi.org/10.1063/1.3059910

Hirose, K., еt al. (2008). Polarization-transmissive photovoltaic film device consisting of an Si photodiode wire-grid, Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, 10(4), 044014. https://doi.org/10.1088/1464-4258/10/4/044014

Huang, Z., еt al. (2013). Robust Thin-Film Wire-Grid THz Polarizer Fabricated Via a Low-Cost Approach, in IEEE Phot. Tech. Lett., 25(1), 81–84, Jan.1.

Jaworski, N., & Andrushchak, N. (2018). The numerical method for effective refractive index calculatoin of porous composite materials based on microlevel models. Scientific Bulletin of UNFU, 28(6), 140–146. https://doi.org/10.15421/40280628

Jaworski, N., еt al. (2017). A method of nanoporous anodic aluminum oxide structure modeling based on Bezier curves generation, CADSM. Lviv, 63–66. https://doi.org/10.1109/CADSM.2017.7916085

Jaworski, N., еt al. (2018). Chislovii metod znakhodzhennia efektivnogo pokaznika zalomlennia poristikh kompozitciinikh materialiv na pidstavi mikrorivnevikh modelei. Scientific Bulletin of UNFU, 28(6), 140–146. https://doi.org/10.15421/40280628

Jaworski, N., еt al. (2019). Composite Material Microlevel Cellular Model Data Transfer and Verification by FEM Analysis Software Systems, MEMSTECH, (pp. 17–22), Polyana, Ukraine. Retrieved from: https://10.1109/MEMSTECH.2019.8817376

Jaworski, N., еt al. (2019). Implementation Features of Composite Materials Effective Mechanical Characteristics Finding Method Based on Microlevel Cellular Structural Models, CADSM, (pp. 1–5), Polyana, Ukraine. https://doi.org/10.1109/CADSM.2019.8779273

Jin, J. (2014). The Finite Element Method in Electromagnetics, (3rd ed.), John Wiley & Sons Inc., Hoboken, New Jersey, 876 p.

Joannopoulos, J., еt al. (2008). Photonic Crystals. Molding the Flow of Light, (1st ed.), Princeton University Press, 305 p.

Karman, S. B., еt al. (2012). Bio-Inspired Polarized Skylight-Based Navigation Sensors: A Review. Sensors, 12, 14232–14261. https://doi.org/10.3390/s121114232

Kulyk, B., еt al. (2017). Nonlinear optical response of KDP/Al2O3 crystalline nanocomposite, 2017 IEEE 7th International Conference Nanomaterials: Application & Properties (NAP). Odessa, 03NNSA26-1-03NNSA26-4.

Lahtinen, J., & Hallikainen, M. (1999). Fabrication and characterization of large free-standing polarizer grids for millimeter waves. Int. Jour. of infrared and millimeter waves, 20(1), 3–20. https://doi.org/10.1023/A:1021743415811

Liao, Y., еt al. (2014). Design of wire-grid polarizer with effective medium theory. Opt Quant Electron 46, 641–647. https://doi.org/10.1007/s11082-013-9768-z

Liu, Y., еt al. (2019). High Efficiency Wire Grid Polarizer for Quantum Dot Color Filter LCD. SID Symposium Digest of Technical Papers, 50, 275–278. https://doi.org/10.1002/sdtp.12909

Lou, Z., & Jin, J. (2005). An accurate waveguide port boundary condition for the time-domain finite-element method. In IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 53(9), 3014–3023, Sept.

Lou, Z., & Jin, J. (2005). An accurate waveguide port boundary condition for the time-domain finite-element method, 2005 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, (pp. 117–120). Vol. 1B. Washington, DC. https://doi.org/10.1109/APS.2005.1551498

Lv, X., еt al. (2018). Accurate metrology of freestanding wire polarizer characterization for terahertz sounding. IEEE MTT-S International Wireless Symposium (IWS), 1–3, https://doi.org/10.1109/IEEE-IWS.2018.8400835

Meng, F., еt al. (2007). The design of the sub-wavelength wire-grid polarizer, 2007 7th IEEE Conference on Nanotechnology (IEEE NANO), 942–946.

Microtech instruments inc. (2020). Free Standing Wire Grid Polarizers. Retrieved from: http://www.mtinstruments.com/thzpolarizers/

Microtech instruments inc. (2020). THz Polarizers. Retrieved from: http://mtinstruments.com/2017/10/31/thz-polarizers/

Moon, S., & Kim, D. (2006). Fitting-based determination of an effective medium of a metallic periodic structure and application to photonic crystals. J. Opt. Soc. Am. A 23, 199. https://doi.org/10.1364/JOSAA.23.000199

Moskalev, V., еt al. (1995). Prikladnaia fizicheskaia optika. SPb.: Politekh. [In Russian].

Nagibina, I. (1985). Interferentciia i difraktciia sveta, (2nd ed.). Leningrad: Mash. [In Russian].

Refractive index database, Optical constants of Al (Aluminium). (2020). Retrieved from: https://refractiveindex.info/?shelf=main&book=Al&page=Hagemann.

Ren, L., еt al. (2012). Broadband Terahertz Polarizers with Ideal Performance Based on Aligned Carbon Nanotube Stacks. Nano Letters, 12(2), 787–790. https://doi.org/10.1021/nl203783q

Shreder, G, & Traiber, Kh. (2006). Tekhnicheskaia optika. Moscow: Tekhnosfera. [In Russian].

Siefke, T., & Kroker, S. (2018). Polarization Control by Deep Ultra Violet Wire Grid Polarizers. In: Stenzel, O., & Ohlídal, M. (Eds.). Optical Characterization of Thin Solid Films. Springer Series in Surface Sciences, 64. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-75325-6_13

Sun, L., еt al. (2010). Double-grating polarizer for terahertz radiation with high extinction ratio, Appl. Opt. 49, 2066–2071. https://doi.org/10.1364/AO.49.002066

Takano, K., еt al. (2011). Wire-grid polarizer sheet in the terahertz region fabricated by nanoimprint technology. Opt. Lett. 36, 2665–2667. https://doi.org/10.1364/OL.36.002665

Trofimov, A. D., еt al. (2017). Metal grating terahertz polarizers on substrate, 2017 Progress In Electromagnetics Research Symposium – Spring (PIERS), St. Petersburg, 3223–3225. https://doi.org/10.1109/PIERS.2017.8262311

TYDEX. (2020). THz Polarizers. Retrieved from: http://www.tydexoptics.com/products/thz_optics/thz_polarizers1/

Xu, L., еt al. (2016). Polarization-independent narrow-band optical filters with suspended subwavelength silica grating in the infrared region. Optik 127(2), 955–958. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2015.10.186

Xu, M., еt al. (2005). Wire-grid diffraction gratings used as polarizing beam splitter for visible light and applied in liquid crystal on silicon, Opt. Ex. 13, 2303–20. https://doi.org/10.1364/OPEX.13.002303

Yamada, I., еt al. (2009). Terahertz wire-grid polarizers with micrometer-pitch Al gratings. Opt. Lett. 34, 274–276. https://doi.org/10.1364/OL.34.000274

Yariv, A., & Yeh, P. (1983). Optical Waves in Crystals. NY: John Wiley & Sons.

Zhe, H. (2015). Design and Fabrication of Terahertz Thin Film Polarizer, PhD thesis, City University of Hong Kong.

Опубліковано
2021-02-04
Як цитувати
Яворський, Н. Б., & Андрущак, Н. А. (2021). Комбінований числово-аналітичний метод параметричного проєктування тера¬герцового підкладкового поляризатора на підставі дротяних сіток. Науковий вісник НЛТУ України, 31(1), 122-130. https://doi.org/10.36930/40310121
Розділ
Інформаційні технології