利用微波与介电体宏观样品研究无序光子带隙材料的光子特性

以下实验的总体目标是利用介电固体的微波尺度样品，研究无序光子带隙材料的光子特性。该目标通过构建测试样本来实现，这些样本由介电组件插入3D打印的基底模板中制成，基底模板上的孔和槽按特定的有序或无序图案排列。第二步，将样品置于一对微波喇叭天线之间的旋转平台上，针对不同入射角度在宽频率范围内进行透射测量，从而确定该结构的带隙特性。

接下来，通过改性结构以形成功能缺陷，并进行透射测量，以研究改性结构的波导和共振特性。通过分析测得的透射谱，获得结果显示了结构带隙的频率范围和角度依赖性，以及其功能缺陷的性能。该技术结合了数值模拟与亚微米尺度实验方法，其主要优势在于避免了大量竞争性资源的消耗以及昂贵的亚微米加工过程，从而能够快速、低成本地构建无序光子带隙材料，任意设计缺陷结构，并直接表征其光子特性。

该技术的影响可延伸至任何光子系统，包括可见光区域和红外区域。由于微缩方程具有尺度不变性，当将器件尺寸缩小10,000倍时，完全相同的设计和结果即可应用于可见光。研究要点：本视频从二维超均匀无序介电结构的设计完成并完成基底制备后开始。

底座由透明树脂制成，上面有孔和槽，用于组装无序结构。此外，还制作了另一个方形晶格底座用于对比。每个底座高两厘米，这些部件均已准备就绪。

将注意力转向用于构建结构的基本单元。获取Illumina圆柱和薄壁，其高度至少为几个波长，即10厘米。所有圆柱的直径均为5毫米，壁厚始终为0.38毫米，宽度则各不相同。

接下来，构建一个具有近似圆形边界的无缺陷测试结构，用于带隙测量。通过将杆和墙插入基底，形成所需的结构架构。此即为超均匀无序结构。

构建完成后，以相同方式形成方格晶格结构。以下是方格晶格的最终结果。在实验台上设置实验。

使用合成扫频微波信号发生器，提供 45 兆赫至 50 吉赫范围内、分辨率为 1 赫兹的辐射。将该发生器连接至 S 参数测试装置，以测量并处理来自 S 参数测试装置的传输参数信号。连接微波矢量网络分析仪，然后使用高质量半柔性同轴电缆将 S 参数测试装置的端口与输入和输出波导相连，以确保 E 场的线性极化。

使用连接到帕拉金属喇叭天线的矩形单模波导和适配器。天线位于旋转平台的两侧，待测结构将放置于该平台上。接下来，在控制面板上设置实验的仪器参数。

对于矢量网络分析仪，此处选择测量的频率范围为7吉赫兹至15吉赫兹。然后选择平均因子以控制噪声。最后，针对此7至15吉赫兹的测量，选择所需的数据点数，以实现10兆赫兹的频率分辨率。

安排一台计算机以自动进行测量和数据记录。开始带隙测量前，需先校准系统。首先，将喇叭天线在垂直和水平方向上对齐，使其相距约40厘米，约为测量扫频范围内平均波长的15倍；校准设置应与实际测量时一致，但暂不在喇叭之间放置样品。

启动微波扫描以测量自由空间中的透射率。扫描在一到两分钟内完成后，将结果作为校准集保存在矢量网络分析仪中。以下是自由空间透射率随频率变化的典型图谱。

首先，务必将旋转台的角度刻度归零。现在将一个无缺陷且边界近似为圆形的结构置于两个喇叭天线之间的旋转台上，并使其居中。本例中，使用超均匀无序结构来为矢量网络分析仪的测量做准备。

打开已保存的校准集，以允许测量样品的相对透射率。启动微波扫描，在扫描完成后收集并保存数据。调整辐射方向，使其从另一个方向入射到结构上。

为此，将样品台逆时针旋转两度，利用已保存的校准数据准备进行下一次相对透射率测量。当完成从零到180度之间的所有测量后，将样品从两个天线之间移除。将每个喇叭天线旋转90度，以实现不同的场偏振方向。

偏振方向正从横向磁极化转变为横向电极化。使用该结构进行校准和测量。再次进行完带隙测量后，准备该结构以进行波导测量。

利用模块化设计，通过移除部分单元快速构建波导。在此示例中，将无缺陷的超均匀结构转变为具有贯通通道的结构。更换为较小的喇叭天线以进行波导测量。

然后将天线尽可能靠近通道开口放置。这种天线相对于通道的布置方式可确保良好的耦合，关闭矢量网络分析仪的校准并启动微波扫描。矢量网络分析仪将显示并记录检测功率与源功率之间的原始传输比。

测量完成后，将两个喇叭天线均旋转 90 度，以允许表征该结构的偏振依赖性，测量此新配置下的透射比。

这是超均匀结构的TE偏振透射率。在某一角度下，纵轴单位为分贝，横轴为频率。

在吉赫兹范围内，8.5吉赫兹到9.5吉赫兹之间超过两个数量级的下降表明存在一个禁带区域。大约13吉赫兹处的下降是由于天线性能所致。这些是通过方形晶格和超均匀缺陷结构的透射率的极坐标图。

沿径向方向为频率，单位为光速除以晶格间距。角度对应入射角。对于方格晶格的禁带，由于布拉格散射，在方形布里渊区边界附近出现低透射区域，以蓝色表示。

相比之下，超均匀无序结构能够形成带隙并具有各向同性的光子带隙。下图是一个带有直通道波导的超均匀无序样品。该通道的宽度是平均内杆间距的两倍。

这是通过通道的 TM 波的探测功率与源功率之比，以光速除以平均内杆间距为单位。粉红色区域是无通道样品的 TM 带隙。引入通道后，宽带光被引导通过样品。

一旦掌握，若在模块化样品开发后正确操作，其设计、构建及透射测量可在数小时内完成。该技术为研究人员探索无序材料的光子特性及其潜在应用开辟了道路。