利用微波和电介质固体的宏观样本，研究无序光子带隙材料的光子特性

Summary

无序的结构提供了功能性缺陷的设计形成光子带隙和前所未有的自由的新机制。规避无序系统中的计算，我们构建新的类PBG材料的模块化宏观样品，并使用微波来表征它们的尺度不变光子性质，以简单且廉价的方式。

Abstract

最近，无序光子材料已被建议作为一种替代周期性晶体的完全光子带隙（PBG）的形成。在这篇文章中，我们将介绍这些方法构建和表征使用微波炉宏观无序光子结构。微波政权提供了构建和测试PBG媒体最方便的实验样本量。容易被操纵晶格介质成分在建设各种2D结构上预印塑料模板顶部延伸的灵活性。一旦建成，该结构可以迅速修改了点和线的缺陷，使自由波导和过滤器。测试是采用广泛使用矢量网络分析仪和对微波喇叭天线。由于电磁场的尺度不变性，我们在微波区域中获得的结果可以直接应用到红外线和光学区域。我们的方法很简单，但提供EXCI挺新的洞察光线和无序物质相互作用的性质。

我们的代表性成果包括二维（2D）hyperuniform无序介质结构的第一个实验演示一个完整的和各向同性光子带隙的存在。此外，我们通过实验证明这种新型光子结构通过任意形状的自由波导引导电磁波（EM）的能力。

Introduction

带隙的光子的存在，一直是许多科学著作的焦点，从早期的研究由瑞利勋爵在一维的阻带，一个范围，从传播通过定期介质¹禁止频率进行首发。研究在周期性结构的电磁波（EM）的传播，确实盛行于E. Yablonovitch ^2,3和S.约翰福音⁴的开创性的出版物后，在过去二十年。所谓"光子晶体"被创造出来了Yablonovitch描述周期性介电结构是具有光子带隙（PBG）。

光子晶体是周期性介电结构，拥有独立的平移对称性，在周期性的方向使它们不变下的翻译。当这个周期相匹配传入的电磁（EM）波的波长，波段Ø˚F频率变高衰减，可能会停止传播。如果够宽，禁频率的范围，也被称为阻带内，可能会重叠，全方位地打造泛北部湾，禁止某些频率的光子的存在。

在概念上，在光子晶体中的EM波传播是类似于电子波传播中的半导体材料，其具有电子能量，也被称为带隙的禁止区域。类似的工程师们采用半导体控制和修改电子通过半导体的流动方式，可以用于需要光控制各种应用的带隙的材料。例如，光子带隙材料可以限制光的波长大小的腔特定的频率，引导或过滤光线沿着他们⁵线缺陷。是建议PBG材料中使用，用于控制在电信⁶的光的应用流^，7激光器，光学电....

Protocol

1，设计一个二维Hyperuniform无序介质结构¹¹

1. 选择2D hyperuniform障碍点图案用德劳内细分子类（蓝色圆圈图2），并对其进行分区（ 图2蓝色线）。二维德劳内镶嵌的三角测量，最大限度地形成了每个三角形的最小角度，保证有每个三角形¹¹的外接圆内没有其他问题。
2. 定位每个三角形的质心（实心黑色圆圈中的图2）;这些形心是半径r ¹¹的电介质杆的位置。
3. 连接相邻的三角形（ 图2中粗红线）的质心，以产生围绕每个点¹¹的细胞。
4. 创建CAD设计文件与孔和槽的上杆和围墙将组装¹⁴ 2厘米高的高清基础模板。使用HD模式为:a =1.33厘米平均内杆间距，设置孔半径为2.5毫米，槽的宽度，以0.38毫米。设置深度为孔和槽为1厘米深，以稳定的插杆和墙壁。
5. 比较¹⁴创建一个类似的CAD设计文件的结晶基础模板（方形点阵）。使用相同的晶格常数为HD结构（1.33厘米），在相同的孔半径（2.5毫米）和狭缝宽度（0.38毫米）。

2，样品建设和准备

1. 制作模板。通过使用产生由紫外激光光聚....

Results

我们已经取得了有史以来的各向同性完全光子带隙存在于hyperuniform症介质结构的第一个确认。在这里，我们提出我们的HD结构的结果，并把它们比作一个周期性正方晶格光子晶体。

图5显示了TE偏振传输（DB）与频率（GHz）的hyperuniform疾病结构在同一入射角的半对数图。这个曲线图表明，在阻带区域8.5和9.5千兆赫，其中透射强度下降幅度超过两个数量级之间大致位于。

正如上面所讨论的，我们用一个周期性的方水晶模型进行比较，我们的高清结构。图6给出测量器（彩色）的频率和入射角为正方形格子的功能，在TE偏振。蓝色（低透射）表示在给定的角频域中的阻带。测得的停止带显示，其4倍的旋转对称性很强的关联角度依赖性。零度的阻带在一个方向上相差太多来自在45℃，以允许在这个正方形晶格结构重叠和形成的TE偏振带隙。

图7示出了正方形晶格样品和HD样品的传输特性的独特极坐标图的比较。极坐标图使我们能够直观有效的.......

Discussion

从hyperuniform无序点图案开始，2D HD的结构包括杆和/或壁的网络可以被设计，以获得一个完整的带隙为所有极化^11。根据设计，构建与孔和槽装配2D氧化铝杆和墙壁结构在厘米级这可能与微波测试的模板。我们选择了微波炉的工作，因为厘米尺度的构建块，诸如氧化铝棒和墙壁，价格便宜，并且易于处理。我们已通过实验证明了在第一次，它可以具有在二维hyperuniform无序结构的各向同性完全光子带隙。此类紊乱的晶格不具有长程转译顺序，因此，能带隙的形成是不归因于布拉格散射，因为它是在周期光子晶体。

不同于周期性光子晶体，其具有旋转symme极少数的选择尝试与内在的缺陷限制自由设计^5，房屋署结构提供了一些优势，为泛北部湾的应用光子晶体中不允许的。结构的带隙以旧换新测量的组装只需要几分钟的时间，而除了张为TE带隙测量可长达1小时。一旦无缺陷的HD样品被组装氧化铝棒和墙壁，它可以作为一个可修改的模板，其中，波导和空腔可以通过策略地去除一些杆和壁很快形成。在这个新类的高清PBG材料，我们已经证明了.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
立体光固化成型机	3D Systems	SLA-7000
树脂，用于底座	3D Systems	Accura 60
氧化铝棒			r=2.5 mm，切割成 10.0 cm 高
氧化铝板			厚度 0.38 mm，各种宽度：从 1.0 mm 到 5.3 mm，增量为 0.2 mm
微波发生器	Agilent/HP	83651B
S 参数测试仪	Agilent/HP	8517B
微波矢量网络分析仪	Agilent/HP	8510C