Title: Grid-based terahertz metamaterials
Language: English
Authors: Kristoferitsch, Jakob 
Qualification level: Diploma
Keywords: Metamaterial; Künstliches Dielektrikum; Metafläche; Modell gekoppelter Dipole; Gitter; Reechteckig; Hexagonal; Frequenzselektive Oberfläche; Terahertz; THz-TDS
Metamaterial; Artificial Dielectric; Metasurface; Coupled Dipole Model; Grid; Rectangular; Hexagonal; Frequency Selective Surface; Terahertz; Time-Domain Spectroscopy
Advisor: Darmo, Juraj
Assisting Advisor: Unterrainer, Karl
Issue Date: 2012
Number of Pages: 107
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Das Transmissionsspektrum eines aus dünnen Stäben aufgebauten Metameterials wird mithilfe von gekoppelten Dipolen modelliert. Durch Messungen mit einem THz-TDS Aufbau beweisen wir experimentell, dass dieses Modell auch im Bereich zwischen 0.1 THz und 2.5 THz anwendbar ist. Wir verwenden eine Kombination aus automatischen und manuellen Verfahren um das Modell an die gemessenen Daten anzupassen. Die Proben wurden mit üblichen lithographischen Verfahren aus Gold auf Gallium Arsenid erzeugt.
Weiters stellen wir unterschiedlich große Strukturen her und untersuchen die Abhängigkeit der Parameter des Modelles von den physikalischen Längen. Dies ist ein erster Schritt zu einer Theorie, die es, ausgehend von Form und Größe einer Struktur, erlaubt ihr Transmissionsverhalten vorherzusagen.
Im Modell wird die Kopplung zwischen zwei Dipolen durch die Kopplungskonstante [sigma] beschrieben. Anhand von modifizierten Strukturen untersuchen wir ihr Verhalten und zeigen, dass diese Kopplung vorwiegend auf elektrischer Leitung basiert. Die kapazitive Kopplung ist viel schwächer und spielt daher nur eine untergeordnete Rolle.
Wir zeigen eine Methode die es erlaubt das Transmissionsverhalten einer beliebigen rechteckigen oder hexagonalen Struktur zu simulieren.
Um neue Arten von Strukturen herzustellen, haben wir das Modell mit einem genetischen Algorithmus kombiniert. Wir zeigen ein Ergebnis dieses Optimierungsverfahrens und vergleichen das gemessene Spektrum mit den Vorhersagen unseres Modelles.
Das Model ist dazu geeignet das Verhalten einfacher Strukturen zu beschreiben. Je größer die Strukturen sind und je komplizierter ihr Aufbau ist, desto mehr zeigen sich Abweichungen, die in der Natur der elektromagnetischen Strahlung begründet sind. Wenn man berücksichtigt, wie weitgehend die Vereinfachungen sind auf denen sich das Modell gründet, liefert es erstaunlich gute Resultate.

In order to describe the transmission of a metamaterial composed of wires on a grid, we apply a resonating dipole model to the terahertz range. We use a terahertz time-domain spectroscopy setup to experimentally verify that the model is applicable in the frequency range between 0.1 THz and 2.5 THz. We fit the model to the measured data by using a combination of automatic routines and manual fitting. The gold on gallium arsenide samples were manufactured using standard semiconductor lithography techniques.
We deduce the scaling behavior of the model's parameters from differently scaled structures. This is a first step towards a tool that is able to predict the transmission spectrum of a structure, given only its shape and physical dimensions.
The perpendicular coupling between the dipoles is described by a coupling constant [sigma]. Experimentally, we demonstrate that the coupling is primarily conductive and that capacitive coupling is much weaker. We devise an algorithm that allows us to calculate the response of arbitrary grid-based structures. We demonstrate this algorithm on a rectangular and a hexagonal grid.
To produce new kinds of structures, we integrate the algorithm on a rectangular grid into the fitness function of a genetic algorithm. We present a result that was produced by this method and compare its measured spectrum to our simulations.
The model is very well suited to the description of small structures, while its potential to predict the behavior of larger, hence more complex, structures is limited. Given the model's simplicity, it provides remarkable results.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-48633
http://hdl.handle.net/20.500.12708/11408
Library ID: AC07812951
Organisation: E387 - Institut für Photonik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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