Modélisation numérique et optimisation d’une métasurface non linéaire aux fréquences térahertz (THz)

Leutcho, Gervais Dolvis (2024). Modélisation numérique et optimisation d’une métasurface non linéaire aux fréquences térahertz (THz). Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La gamme de fréquences de 300 GHz à 10 THz dans le spectre électromagnétique (EM), définie comme la fenêtre térahertz (THz), se situe entre les domaines électronique et optique. De nombreuses résonances fondamentales des matériaux coïncident avec cette plage, et les ondes THz permettent d'interagir avec elles pour diverses applications. D'autre part, il existe un intérêt croissant pour le contrôle de la propagation du rayonnement électromagnétique au moyen de structures artificielles disposées périodiquement ou aléatoirement, composées de diélectriques, de métaux ou d'autres matériaux. Ces structures artificielles en 2D, de nature sub-longueur d'onde, qui se comportent comme un milieu continu pour les ondes électromagnétiques, sont appelées métasurfaces. Cependant, les métasurfaces non linéaires sont considérées comme offrant une grande flexibilité, une multifonctionnalité et leurs réponses non linéaires peuvent être utilisées pour des communications sécurisées. Il est clair que ces applications, et éventuellement de nouvelles, nécessitent une compréhension et une maîtrise adéquates de toutes les propriétés non linéaires qu'elles présentent. C'est pourquoi nous proposons un modèle mathématique qui décrit au mieux les caractéristiques d'excitation du résonateur non linéaire à anneau divisé dans la gamme de fréquences THz. Les phénomènes complexes, y compris les oscillations périodiques et le chaos, causés par le mouvement des porteurs de charges sous un rayonnement électromagnétique intense à la fente du matériau, sont mis en évidence à l'aide d'outils tels que l'exposant de Lyapunov à deux paramètres, les diagrammes de bifurcation, les spectres de fréquences, le profil temporel et l'image de phase. Les régions du matériau où se produisent l'hystérésis et la multistabilité sont révélées et étudiées en détail. Les régions d'hystérésis sont localisées au moyen de diagrammes à deux paramètres, tandis que la multistabilité est caractérisée au moyen du bassin d'attraction. Enfin, le théorème d’Helmholtz est exploité pour évaluer l'énergie physique nécessaire pour favoriser la propagation de l'onde électromagnétique et soutenir une oscillation continue dans le matériau.

Titre traduit

Numerical modeling and optimization of a nonlinear metasurface at terahertz (THz) frequencies

Résumé traduit

The frequency range from 300 GHz to 10 THz in the electromagnetic (EM) spectrum, simply defined as the terahertz (THz) window, lies between the fields of electronics and optics. Many fundamental resonances of materials coincide with this range, and THz waves are suitable to interact with them for various applications. From the other side, there is an increasing interest in controlling the propagation of EM radiation by means of periodically or randomly arranged artificial structures composed of dielectrics, metals, or other materials. Such artificial 2D arranged structures of sub-wavelength nature, which behave as a continuous medium for the EM waves, are called metasurfaces. However, nonlinear metasurfaces are considered to provide much flexibility, multifunctionality and their nonlinear responses can be used for secure communication. It is clear that these applications, and possibly new ones, require an adequate understanding and mastery of all the nonlinear properties they present. Therefore, a mathematical model is proposed that best describes the excitation characteristics of the nonlinear split-ring resonator in the THz frequency range. Complex phenomena including periodic oscillations and chaos, caused by the motion of charge carriers under intense EM radiation at the gap of the material are highlighted using tools such as the two-parameter Lyapunov exponent, bifurcation diagrams, frequency spectra, time profile, and phase image. Relevant regions of the material where hysteresis and multistability occur are revealed and studied in detail. Hysteresis regions are localized by means of two-parameter diagrams, while multistability is characterized by means of a crosssection basin of attraction. Finally, based on the Helmholtz formula, the physical energy to promote the EM wave propagation and to support a continuous oscillation in the material is evaluated.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par article présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie électrique". Comprend des références bibliographiques (pages 85-93).
Mots-clés libres:	métasurface térahertz, rayonnement EM, dynamique des porteurs de charge, multistabilité, bifurcation, chaos
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Blanchard, François
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	06 août 2024 17:35
Dernière modification:	06 août 2024 17:35
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3487

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