انتقال نوری فوق العاده (EOT) فرایند مهمی در کاربردهای تراهرتز است. توسعه برنامههای EOT میتواند منجر به بهبود تصویربرداری پزشکی، تضمین کیفیت (وسیله است که احتمال رعایت حداقلهای استاندارد کیفیت در فرایند تولید را به حداکثر میرساند) و موارد دیگر شود. برای مطالعه این پدیده، محققان دستگاههای EOT را با هندسه آرایههای مختلف و ویژگیهای مواد مختلف ، شبیه سازی کردند. نتایج شبیه سازی با دادههای اندازه گیری شده مقایسه و اعتبارسنجی شد. در ادامه نگاهی به کار آنها میاندازیم…
پیشرفت برنامههای تراهرتز با انتقال نوری فوق العاده
استفاده از تابش تراهرتز (THz) در زمینههای مختلف نویدبخش بوده است. به عنوان مثال، از اشعه THz میتوان برای انواع خاصی از تصویربرداری پزشکی، مانند سرطان پوست و پوسیدگی دندان استفاده کرد. این روش غیر تهاجمی و ایمن تر از اشعه X است، زیرا اشعه THz غیر یونیزه کننده است. سایر زمینههای کاربردی شامل غربالگری امنیتی، مدارهای مجتمع فوتونیک و تضمین کیفیت می باشد. قبل از درک مفهوم انتقال نوری فوق العاده (EOT)، مهم است که در مورد نحوه انتقال نور در منطقه THz بیشتر بدانید.
امواج تراهرتز در طیف الکترومغناطیسی. تصویر توسط Tatoute. دارای مجوز تحت CC BY-SA 3.0 Unported، از طریق Wikimedia Commons.
یکی از راههای انتقال نور در منطقه تراهرتز، انتقال نوری فوق العاده است که در صورت برخورد نور به یک آرایه تناوبی با طول موج زیر دیافراگم (دهانه) رخ میدهد. امواج THz باید در فرکانس رزونانس قرار داشته باشند که به هندسه آرایه دستگاه EOT و خصوصیات مواد در رابط فلز-دی الکتریک بستگی دارد. EOT با برخورد یک موج به این رابط و تحریک پلاریتونهای پلاسمون سطح (SPP) آغاز میشود. سپس SPP ها قبل از اتصال مجدد در لبههای دهانهها، به فضای خالی تبدیل میشوند. این فرآیند نور را از طریق دستگاه جابجا میکند، اما انتقال معمولاً ضعیف است.
برای بهینه سازی انتقال یک دستگاه EOT، میتوانیم از شبیه سازی برای مطالعه هندسه آرایه و خصوصیات مواد استفاده کنیم که هر دو نقش مهمی در میزان انتقال نور دارند. شبیه سازی EOT همچنین میتواند به ویژگی رفتار مواد در منطقه THz کمک کند. به همین دلایل، محققان دانشگاه ایالتی رایت EOT را با استفاده از نرم افزار COMSOL Multiphysics® و ماژول RF اضافه شده مطالعه کردند.
شبیه سازی RF دستگاههای EOT
مدل محققان شامل یک موجبر پر از هوا همراه با یک موج صفحه ای الکترومغناطیسی است که از طریق آن در فرکانسهای THz منتشر میشود. همچنین ترکیبی از هادیهای الکتریکی کامل (PEC) و هادیهای مغناطیسی کامل (PMC) برای شبیه سازی تحریکی یک موج صفحه ای بی نهایت در یک آرایه دوره ای بی نهایت استفاده میشود. این مدل همچنین شامل پورتی است که فرکانس رزونانس موج صفحه ای را مشخص میکند.
PEC و PMC ها در هندسه مدل. تصویر با مجوز از S. Almousa و J.A. Deibel و برگرفته از ارائه کنفرانس COMSOL 2016 است.
دستگاه EOT مدل شده دو نوع ماده با هندسه مختلف را تست میکند: 1-کربن و 2-نانولوله کربنی (CNT). برای تعریف خصوصیات ماده کربن، محققان از Built-in Material Library در COMSOL Multiphysics استفاده کردند. برای CNT، آنها خواص الکتریکی را بر اساس اندازه گیریهای آزمایشی بنا نهاده و رسانایی را از طریق مدل Drude توصیف میکنند.
هندسه دستگاه مبتنی بر پایه مسی (سمت چپ) و دستگاه مبتنی بر CNT (سمت راست). تصاویر با مجوز از S. Almousa و J.A. دایبل و برگرفته از مقاله COMSOL کنفرانس 2016 بوستون.
تجزیه و تحلیل نتایج شبیه سازی
برای دستگاه مسی، نتایج شبیه سازی و دادههای اندازه گیری شده تطابق خوبی را از نظر شکل ناهنجاری Wood و فرکانس رزونانس نشان میدهد. توجه داشته باشید که در هر دو مورد، طول موج فرکانس رزونانس کمی بیشتر از محاسبات نظری است. علاوه بر این، نتایج نشان میدهد که امواج سطحی بر روی سطوح لایه نازک وجود دارد، به این معنی که انتشار SPP وجود دارد. این به عنوان دلیل اصلی انتقال نوری فوقالعاده در نظر گرفته میشود.
شکل (سمت چپ) نتایج شبیه سازی فرکانس رزونانس 0.86 THz را برای دستگاه مبتنی بر مس و شکل (سمت راست) حرکت موج از راست به چپ از طریق دستگاه EOT با مس 0.6 THz و 0.86 THz نشان میدهد. تصاویر با مجوز از S. Almousa و J.A. دایبل و برگرفته از مقاله COMSOL Conference 2016 Boston.
در مرحله بعدی، بیایید نگاهی به نتایج دستگاه نانولوله کربنی بیندازیم. شبیه سازی همچنین از نظر فرکانس رزونانس با اندازه گیریها همخوانی خوبی دارد، اما ناهنجاری Wood فقط در شبیه سازی ظاهر میشود. برای بهبود دقت مدل پیش رو، محققان میتوانند هدایت CNT را با مدل Drude-Lorentz نسبت به مدل Drude ساده تر توصیف کنند. همانطور که در تصویر زیر و سمت راست دیده میشود، نتایج مربوط به دستگاه CNT نیز اتصال و جدا شدن میدان الکتریکی نشان داده شده است:
نتایج شبیه سازی نشان میدهد که فرکانس رزونانس 0.235 THz برای دستگاه مبتنی بر CNT و اتصال و انتشار امواج انتقالی از طریق دستگاه مبتنی بر CNT در 0.235 (مرکز) و 0.1 (راست) THz است. تصاویر با مجوز از S. Almousa و J.A. دایبل و برگرفته از مقاله COMSOL کنفرانس 2016 بوستون.
محققان با اعتبارسنجی نتایج خود با دادههای اندازه گیری شده، نشان دادند که شبیه سازی روشی دقیق برای مطالعه دستگاههای دارای انتقال نوری فوق العاده است. آنها قصد دارند با استفاده از شبیه سازی تعیین کنند که آیا EOT میتواند خصوصیات الکترومغناطیسی یک لایه نازک رسانا را مشخص کند یا نه؛ بنابراین مطالعه در منطقه THz بیشتر پیشرفت خواهد کرد.
منابع بیشتر
مقاله کامل را بررسی کنید: “Extraordinary Optical Transmission in Copper-Based Devices at Terahertz Frequencies“
این متن از وبسایت comsol به فارسی با عنوان شبیه سازی انتقال نوری فوق العاده در فرکانسهای تراهرتز در نرم افزار COMSOL Multiphysics برگردان شده است، استفاده از ترجمه با ذکر نام کامسولفا مجاز است. مشاهده متن اصلی