Self-complementary Plasmonic Nanostructures based on the Hypothesis of the Recovery of Babinet’s Principle
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Resumen
El principio de Babinet establece relaciones complementarias exactas entre las respuestas electromagnéticas de una estructura y su complemento, lo que permite el desarrollo de dispositivos autocomplementarios con propiedades independientes de la frecuencia. Sin embargo, este principio solo se cumple para pantallas infinitamente delgadas y perfectamente conductoras, lo que restringe su aplicación al régimen de microondas. Esta tesis valida, mediante simulaciones computacionales, que el principio de Babinet se recupera en frecuencias infrarrojas para películas delgadas al imponer un espesor específico de 12.7 nm sobre un sustrato de silicio, y demuestra que esta recuperación permite extender las metasuperficies y antenas autocomplementarias al rango de 100-300 THz. La condición de recuperación se valida para tres geometrías de metasuperficies con desviaciones medias inferiores al 2% respecto a las relaciones complementarias ideales, y un análisis de sensibilidad al espesor confirma que este mínimo es marcado e independiente de la geometría. Se demuestra que las metasuperficies validadas funcionan como convertidores de polarización bidireccionales con anchos de banda relativos de hasta el 100%, y como divisores de haz en dos configuraciones: un diseño selectivo en polarización con gradiente de fase y un diseño de banda ancha en incidencia oblicua. Ambas configuraciones superan a los divisores de haz autocomplementarios reportados previamente por tres a cuatro órdenes de magnitud en frecuencia de operación y ancho de banda. El marco de recuperación se extiende además a nanoantenas plasmónicas, donde tres geometrías autocomplementarias canónicas presentan impedancias de entrada dentro del 9% del valor ideal independiente de la frecuencia Z0/2, aproximadamente 188.5 ohmios, en todo el rango infrarrojo. Estos resultados establecen la recuperación del principio de Babinet como un marco de diseño unificado para dispositivos plasmónicos autocomplementarios, combinando la teoría clásica de microondas con implementaciones nanofotónicas en el espectro infrarrojo. (Texto tomado de la fuente)
Abstract
Babinet's principle establishes exact complementary relations between the electromagnetic responses of a structure and its complement, enabling self-complementary devices with frequency-independent properties. However, the principle holds only for infinitely thin, perfectly conducting screens, restricting its application to the microwave regime. This thesis validates, through computational simulations, that Babinet's principle is recovered at infrared frequencies for thin films by enforcing a specific film thickness of 12.7 nm on a silicon substrate, and demonstrates that this recovery enables the extension of self-complementary metasurfaces and antennas to the 100-300 THz range. The recovery condition is validated for three metasurface geometries with mean deviations below 2% from the ideal complementary relations, and a thickness sensitivity analysis confirms this minimum to be sharp and geometry-independent. The validated metasurfaces are shown to function as bidirectional polarization converters with relative bandwidths up to 100%, and as beam splitters in two configurations: a phase-gradient polarization-selective design and an oblique-incidence broadband design. Both configurations surpass previously reported self-complementary beam splitters by three to four orders of magnitude in operating frequency and bandwidth. The recovery framework is further extended to plasmonic nanoantennas, where three canonical self-complementary geometries exhibit input impedances within 9% of the ideal frequency-independent value Z0/2, approximately 188.5 ohms, across the entire infrared range. These results establish the recovery of Babinet's principle as a unified design framework for self-complementary plasmonic devices, combining classical microwave theory and nanophotonic implementations in the infrared spectrum.
Descripción
ilustraciones, diagramas