Quasi-resonant absorption of TE polarized waves by metal-dielectric gratings

Abstract

У роботі виконано числове дослідження квазірезонансного поглинання ТЕ-поля- ризованих хвиль періодичною структурою типу металева ґратка, заповненою діелектриком на діелектричній підкладці. Параметри такої металодіелектричної ґратки, зокрема період, підібрані такими, щоб не виникав хвилеводний резонанс у ґратці. Про відсутність резонансу свідчать низькі поля на межах ґратки із однорідними діелект- ричними середовищами. Квазірезонансна взаємодія проявляється за умови, що реальна частина нульової гармоніки розкладу діелектричної проникності середовища ґратки в ряд Фур’є дорівнює нулю. Із цієї умови визначають коефіцієнт заповнення ґратки, який набагато менший від одиниці. Розраховано коефіцієнти поглинання, відбивання та пропускання залежно від товщини ґратки для робочих довжин хвилі 405 нм та 1064 нм. Відповідні залежності осцилюють і локальні максимуми поглинання та пропускання відбуваються на одній довжині хвилі. Для товщини ґратки 510 нм поблизу довжини хвилі 405 нм на спектральній характеристиці поглинання спостерігається максимум, відповідно мінімум для відбивання і максимум для пропускання, що типово для резо- нансних явищ у періодичних структурах. Проте такий резонанс поглинання є спект- рально доволі широким, а поля на межах ґратки з однорідними діелектричними середо- вищами близькі до амплітуди хвилі, що падає. За товщини ґратки 625 нм на робочій довжині хвилі 1064 нм спектральні характеристики досліджуваної структури також осцилюють. Це дає підстави для припущення, що процеси, які відбуваються у досліджуваній структурі, подібні до процесів у інтерферометрі Фабрі – Перо, у якому наявне невелике поглинання. Зменшення періоду ґратки призводить до зменшення кількості осциляцій на спектральних характеристиках, а самі спектральні характе- ристики прямують до спектральних характеристик тришарової структури. Отже, якщо період ґратки набагато менший від довжини хвилі, то таку ґратку можна замінити еквівалентною багатошаровою структурою, в якій послідовно чергуються метал і діелектрик і яка матиме приблизно ті самі спектральні характеристики.

This paper presents a numerical study of the quasi-resonant absorption of TE-polarized waves by a periodic structure of the metal-dielectric grating type on a dielectric substrate. The parameters of such a metal-dielectric grating, in particular the period, are chosen in such a way that no waveguide resonance occurs in the grating. The absence of resonance is evidenced by low fields at grating boundaries with homogeneous dielectric media. The quasi-resonant interaction is manifested under the condition that the real part of the zeroth harmonic of the Fourier series expansion of the dielectric permittivity of the grating medium is equal to zero. This condition determines the grating filling factor which is much less than unity. The absorption, reflection, and transmission coefficients have been calculated as a function of grating thickness at the working wavelengths of 405 nm and 1064 nm. The corresponding dependences have an oscillatory character, and local absorption and transmission maxima occur at the same wavelength. The maximum of absorption, the minimum of reflection, and the maximum of transmission are observed near the wavelength of 405 nm at the grating thickness of 510 nm. It is typical of resonance phenomena in periodic structures. However, such an absorption resonance is spectrally quite broad. The fields at the grating boundaries with homogeneous dielectric media are close to the amplitude of the incident wave. The spectral characteristics of the studied structure also have an oscillatory character at the grating thickness of 625 nm and at the working wavelength of 1064 nm. Such an oscillatory character allows us to assume that the processes occurring in the studied structure are similar to the processes in the Fabry- Perot interferometer, in which there is a small absorption. Reducing the grating period leads to the decrease in the number of oscillations in the spectral characteristics. These spectral characteristics approach the spectral characteristics of the three-layer structure. Therefore, if the grating period is much less than the wavelength, then such a grating can be replaced by an equivalent multilayer structure in which metal and dielectric alternate in series. It will have approximately the same spectral characteristics.