Frequency selective surfaces for terahertz applications

Abstract

This thesis presents Terahertz (THz) Frequency selective surfaces (FSS) that canbe realized using standard microfabrication techniques. These FSS structures aredesigned for frequencies around 0.8 THz, which is a crucial operating frequency insecurity and medical imaging. Using THz waves for such applications, multilayerfrequency selective surfaces are preferred due to their wide band response, lower dependency to angle of incidence, and low loss. The implementation of such structures requires very thin layers of substrates and membranes in order to improve the performance in THz regime. In order to alleviate the difficulty in the implementation of multilayer structures, a fabrication process is proposed where a 100 um-thick glass membrane is formed through HF etching of a 500 um-thickglass wafer. Using this fabrication process, three separate designs consisting of single-layer FSS are investigated using high frequency structural simulator (HFSS). The first design, consists of a circular ring slot in a square metallic structure on top of a 100 um-thick Pyrex glass membrane with 95% transmission bandwidth of approximately 0.042 THz , which remains nearly constant till 30 (degrees) angle of incidence. The second design consists of a tripole structure on top ofa 100 m-thick Pyrex glass membrane with nearly 95% transmission bandwidth of 0.015 THz, which remains nearly constant till 30 (degrees) angle of incidence. The third structure consists of a triangular ring slot in a square metal on top of a 100 um-thick Pyrex glass membrane with 95% transmission bandwidth of 0.015 THz, which remains nearly constant upto 20 (degrees) angle of incidence. These designs show that the reflections from samples can be reduced compared to the conventional sample holders used in THz spectroscopy applications; by using single layer FSSstructures manufactured through a relatively simple fabrication process.

Bu tez, standart mikrofabrikasyon teknikleri kullanılarak üretilebilecek Terahertz(THz) frekans seçici yüzeyleri (FSY) içermektedir. FSY yapıları medikalgörüntüleme ve güvenlik uygulamaları için kritik önem arz eden 0.8 THzyakınındaki frekans değerlerine uygun olacak şekilde tasarlanmıştır. Bu tür uygulamalardaTHz dalgaları kullanıldığında, çok katmanlı FSY yapıları geniş düzbant yanıt değerleri, geliş açısından düşük düzeyde etkilenmeleri ve düşük kayıpdüzeyleri sebebiyle tercih edilmektedir. THz bölgesinde performansı geliştirmekamacıyla üretilen bu yapılar çok ince alt katman ve membranların kullanımınıgerektirmektedir. Çok katmanlı yapıların üretimindeki bu zorluğu azaltmakamacıyla, 100 um kalınlığındaki cam membran yapının 500 um kalınlıktaki bircam parçadan HF tabanlı asidik aşındırmayla elde edilmesini içeren bir fabrikasyonişlemi önerilmiştir. Bu fabrikasyon işlemi kullanılarak tasarlanan üçfarklı tek katmanlı FSY, yüksek frekans yapısal simülatör (HFSS) ortamındaaraştırılmıştır. İlk tasarım %95 geçirgenliğe sahip olan 0.042 THz bant aralığınasahip, bu bant aralığı 30 derecelik geliş açışına kadar sabit kalmaktadır. Butasarımda 100 um kalınlıktaki Pyrex cam membran üzerinde yer alan kareseklindeki metal yapı içerisindeki çembersel bir halka yarığından oluşur. İkincitasarım %95 geçirgenliğe sahip olan 0.015 THz bant aralığına sahip, bu bantaralığı 30 derecelik gelis açısına kadar sabit kalmaktadır. İkinci tasarım, 100 umkalınlıktaki Pyrex cam membran üzerinde yer alan üç kutuplu bir yapıyı içermekteiken, üçüncü tasarım %95 geçirgenliğe sahip olan 0.015 THz bant aralığınasahip, bu bant aralığı 20 derecelik geliş açısına kadar sabit kalmaktadır. Üçüncütasarım, 100 um kalınlıktaki Pyrex cam membran üzerinde yer alan üçgenselhalka yarığın yer aldığı kare şeklindeki bir metalden oluşmaktadır. Bu tasarımlar,THz spektroskopi uygulamalarında hali hazırda kullanılan örnek taşıyıcılardakiyansımaların daha basit fabrikasyon metotları ile üretilen tek katmanlı FSYyapıları kullanılarak daha az düzeylere indirilebileceğini göstermektedir.