Summary
الهياكل المختلين توفر آليات جديدة لتشكيل bandgaps الضوئية وحرية غير مسبوقة في التصاميم الفنية من العيوب. للتحايل على التحديات الحسابية نظم المختلين، نبني عينات العيانية وحدات من فئة جديدة من المواد PBG واستخدام الموجات الدقيقة لتوصيف خصائص ثابتة على نطاق والضوئية، بطريقة سهلة وغير مكلفة.
Abstract
في الآونة الأخيرة، وقد اقترحت المختلين المواد الضوئية كبديل للبلورات دورية لتشكيل فجوة الحزمة الضوئية كاملة (PBG). في هذه المقالة سنقوم بشرح الطرق لبناء وتوصيف البنى الضوئية المختلين العيانية باستخدام أفران ميكروويف. يوفر نظام الميكروويف الأكثر ملاءمة حجم العينة التجريبية لبناء واختبار وسائل الاعلام PBG. مكونات شعرية عازلة التلاعب بها بسهولة تمتد المرونة في بناء هياكل 2D المختلفة على رأس قوالب بلاستيكية مطبوعة مسبقا. بني مرة واحدة، وهياكل يمكن تعديلها بسرعة مع النقطة والخط العيوب لجعل الدليل الموجي حر والمرشحات. ويتم اختبار على نطاق واسع باستخدام محلل شبكة النواقل وزوجا من الهوائيات القرن الميكروويف. نظرا لحجم الممتلكات الثابتية من المجالات الكهرومغناطيسية، والنتائج التي حصلنا عليها في منطقة الميكروويف يمكن تطبيقها مباشرة إلى مناطق تحت الحمراء والبصرية. نهجنا هو بسيط ولكنه يسلم exciتينغ رؤية جديدة في طبيعة الضوء والمختلين التفاعل المسألة.
وتشمل النتائج بممثل المظاهرة التجريبية الأولى من وجود PBG كامل وموحد الخواص في ثنائي الأبعاد (2D) hyperuniform هيكل عازلة المختلين. بالإضافة إلى ذلك علينا أن نظهر تجريبيا قدرة هذا الهيكل الضوئية رواية لتوجيه الموجات الكهرومغناطيسية (EM) من خلال الدليل الموجي حر الشكل التعسفي.
Introduction
وكان وجود فجوة الحزمة للفوتونات محورا للعديد من الأعمال العلمية، بدءا من دراسات سابقة قام به اللورد رايلي على الموجات توقف بعد واحد، مجموعة من الترددات التي ممنوعون من نشر عبر وسيط الدوري 1. البحث في الموجات الكهرومغناطيسية (EM) نشر في دورية الهياكل وازدهرت حقا في العقدين الماضيين بعد المنشورات المنوية من E. Yablonovitch 2،3 وS. يوحنا 4. وقد صاغ مصطلح "الكريستال الضوئية" التي Yablonovitch لوصف هياكل عازلة الدورية التي تمتلك فجوة الحزمة الضوئية (PBG).
البلورات الضوئية هي هياكل عازلة دورية حيازة التماثلات متعدية منفصلة، مما يجعلها ثابتة تحت الترجمات في اتجاهات الدورية. عندما يقابل هذا مع تواتر موجات واردة من الكهرومغناطيسية (EM) الأمواج، عصابة سالترددات و تصبح الموهنة للغاية وربما وقف نشر. إذا اسعة بما فيه الكفاية، نطاقات الترددات المحرمة، كما دعا العصابات توقف، قد تتداخل في كل الاتجاهات لخلق PBG، ومنع وجود الفوتونات من ترددات معينة.
من الناحية النظرية، EM الموجات في البلورات الضوئية يشبه الإلكترون انتشار الموجات في المواد أشباه الموصلات، والتي لها المنطقة المحرمة الطاقات الإلكترون، والمعروف أيضا باسم فجوة الحزمة. على غرار الطريقة التي يعمل مهندسا أشباه الموصلات لمراقبة وتعديل تدفق الإلكترونات عبر أشباه الموصلات والمواد PBG يمكن استخدامها لمختلف التطبيقات التي تتطلب السيطرة البصرية. على سبيل المثال، يمكن حصر المواد PBG ضوء ترددات معينة في تجاويف حجم الطول الموجي، وتوجيه أو ضوء فلتر على طول خط عيوب فيها 5. واقترح PBG المواد لاستخدامها في التحكم في تدفق ضوء للتطبيقات في الاتصالات السلكية واللاسلكية 6، ليزر 7، والدوائر البصرية والحوسبة البصرية 8، وحصاد الطاقة الشمسية 9.
A-ثنائي الأبعاد (2D) شعرية مربع الكريستال الضوئية لديه التماثل التناوب 4 أضعاف. موجات EM دخول الكريستال في زوايا مختلفة من الإصابة (على سبيل المثال، 0 درجة و 45 درجة فيما يتعلق الطائرات شعرية) ستواجه دوريات مختلفة. براج تشتت في اتجاهات مختلفة يؤدي إلى وقف عصابات من الأطوال الموجية المختلفة التي قد لا تتداخل في كل الاتجاهات لتشكيل PBG، دون عال جدا الانكسار مؤشر على النقيض من المواد. بالإضافة إلى ذلك، في الهياكل 2D، اثنين من مختلف الاستقطابات موجة EM، مستعرضة الكهربائية (TE) والعرضي المغناطيسي (TM)، وغالبا ما تشكل bandgaps على ترددات مختلفة، مما يجعلها أكثر صعوبة لتشكيل PBG كاملة في كل الاتجاهات لجميع الاستقطابات 5. في الهياكل الدورية، والخيارات محدودة من التماثل التناوب تؤدي إلى تباين جوهري (انجولاالاعتماد ص)، الأمر الذي يجعل ليس فقط من الصعب لتشكيل PBG كاملة، ولكن أيضا يحد كثيرا من حرية تصميم عيوب وظيفية. على سبيل المثال، ثبت التصاميم الدليل الموجي إلى أن يقتصر على خيارات محدودة جدا من الاتجاهات الرئيسية التماثل في البلورات الضوئية 10.
من وحي لتجاوز هذه القيود بسبب تواترها، وقد تم إجراء الكثير من البحوث في السنوات ال 20 الماضية على المواد PBG غير تقليدية. مؤخرا واقترح فئة جديدة من المواد المختلين لتمتلك الخواص الكامل PBG في غياب دورية أو quasiperiodicity: اضطراب hyperuniform (HD) هيكل PBG 11. العصابات الضوئية لا يكون الحل التحليلي المحدد في الهياكل الاضطراب. الدراسة النظرية من الخصائص الضوئية للهياكل المختلين يقتصر على المحاكاة العددية تستغرق وقتا طويلا. لحساب العصابات، تحتاج إلى محاكاة تستخدم طريقة تقريب خلايا فائقة وافاعيالقوة الحسابية علامة مميزة قد تحد من حجم محدود من الخلية الفائقة. لحساب انتقال العدوى عن طريق هذه الهياكل، المحاكاة الحاسوبية غالبا ما تحمل ظروف مثالية ومشاكل العالم الحقيقي وبالتالي إهمال مثل اقتران بين المصدر وكاشف، الحادث الفعلي EM موجة الشخصية، والمواءمة عيوب 12. وعلاوة على ذلك، فإن أي تعديل (تصميم عيب) لمحاكاة هيكل يتطلب جولة أخرى من المحاكاة. نظرا لحجم كبير من الحد الأدنى للمعنى لخلية فائقة، فمن مملة جدا وغير عملي لاستكشاف منهجي مختلف أبنية تصميم عيب لهذه المواد المختلين.
يمكننا تجنب هذه المشكلات الحسابية من خلال دراسة الهياكل الضوئية المختلين تجريبيا. من خلال تجاربنا نحن قادرون على التحقق من وجود PBG كامل في الهياكل HD. تجارب باستخدام الميكروويف، ويمكننا أيضا الحصول على معلومات تكشف عن مرحلة وزعته الحقليسود تبادل وتشتت خصائص الدول الضوئية الموجودة فيها. باستخدام عينة بسهولة للتعديل وحدات في سم النطاق، يمكننا اختبار مختلف والدليل الموجي تجويف (عيب) تصاميم في النظم المختلين وتحليل متانة PBGs. هذا النوع من تحليل الهياكل المعقدة الضوئية المختلين هو إما غير عملي أو من المستحيل الحصول عليها من خلال الدراسات العددية أو النظرية.
عملية التصميم تبدأ من خلال اختيار نمط نقطة "التخفي" hyperuniform 13. أنماط نقطة Hyperuniform هي النظم التي التباين عدد من النقاط ضمن "كروية" نافذة أخذ العينات من دائرة نصف قطرها R، وينمو ببطء أكثر من نافذة لحجم كبير R، أي ببطء أكثر من R د في د الأبعاد. على سبيل المثال، في توزيع بواسون 2D عشوائية نمط نقطة، والتباين في عدد من النقاط في المجال R يتناسب مع R <سوب> 2. ومع ذلك، في نمط نقطة اضطراب hyperuniform، التباين من النقاط في إطار نصف قطرها R، R يتناسب مع الشكل 1 يبين مقارنة بين نمط hyperuniform نقطة المختلين ونمط نقطة بواسون 11. نستخدم فئة فرعية من أنماط نقطة المختلين hyperuniform يسمى "التخفي" 11.
باستخدام بروتوكول تصميم وصفها في Florescu 11 آخرون، ونحن بناء شبكة من الجدران العازلة للكهرباء وقضبان، وخلق بنية عازلة hyperuniform 2D يشبه الكريستال، ولكن من دون القيود الملازمة لتواترها والخواص. الشبكات جدار مواتية لTE-الاستقطاب ذات فجوة الحزمة، في حين أن قضبان هي الأفضل لتشكيل الثغرات الفرقة مع TM-الاستقطاب. وقد تم تطوير تصميم وحدات، بحيث عينات يمكن تعديلها بسهولة للاستخدام مع استقطابات مختلفة وانترودucing الدليل الموجي حر والعيوب تجويف. بسبب الثابتية حجم معادلات ماكسويل، والخصائص الكهرومغناطيسية التي لوحظت في نظام الميكروويف قابلة للتطبيق مباشرة إلى أنظمة الأشعة تحت الحمراء والبصرية، حيث سيتم تحجيم العينات إلى ميكرون وsubmicron الأحجام.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. تصميم هيكل 2D Hyperuniform المختلين عازل 11
- اختارت فئة فرعية من نمط 2D نقطة اضطراب hyperuniform (الدوائر الزرقاء في الشكل 2) وتقسيمه (الخطوط الزرقاء في الشكل 2) باستخدام ديلوناي التغطية بالفسيفساء. والتغطية بالفسيفساء 2D ديلوناي هو التثليث الذي يزيد الحد الأدنى من زاوية لكل مثلث شكلت ويضمن عدم وجود نقاط أخرى داخل circumcircle لل كل مثلث 11.
- تحديد موقع centroids كل مثلث (الدوائر السوداء الصلبة في الشكل 2)؛ هذه centroids هي مواقع قضبان عازلة نصف قطرها r 11.
- ربط centroids من مثلثات المجاورة (خطوط حمراء سميكة في الشكل 2) لتوليد الخلايا حول كل نقطة 11.
- إنشاء ملف تصميم CAD ل2 سم HD قالب قاعدة مع الثقوب والفتحات التي سيتم تجميع القضبان والجدران 14. استخدامنمط HD مع متوسط التباعد الداخلي قضيب من = 1.33 سم وضبط حفرة قطرها 2.5 مم ليكون وفتحة عرض ليكون 0.38 ملم. تعيين عمق للثقوب وفتحات ليكون 1 سم عميقة لتحقيق الاستقرار في إدخال قضبان والجدران.
- إنشاء ملف تصميم CAD مماثل للقالب قاعدة البلورية (شعرية مربع) للمقارنة 14. استخدام نفس ثابتة شعرية كهيكل HD (1.33 سم) ونفس ثقب دائرة نصف قطرها (2.5 مم) وفتحة بعرض (0.38 ملم).
2. عينة البناء والإعداد
- صنع القالب. تصنيع HD وميدان قواعد البلاستيك شعرية باستخدام آلة المجسمة التي تنتج نموذجا من البلاستيك الصلب بواسطة الليزر فوق البنفسجية الصور البلمرة. استخدام الراتنج واضح، على سبيل المثال البلاستيك مثل البولي. القرار هو 0.1 ملم في الاتجاهين الأفقي والرأسي على حد سواء. (انظر الشكل 3، لوحة وسط).
- إعداد اللبنات: أمر متاح تجاريا ص ألوميناالمواد المستنفدة للأوزون وجدران رقيقة قطع لأبعاد محددة (انظر الشكل 3، ترك لوحة). تعيين الارتفاع إلى أن ما لا يقل عن عدد قليل من الأطوال الموجية، على سبيل المثال 10.0 سم. قطر كل قضبان هو 5.0 ملم. سمك الجدار هو 0.38 ملم دائما والاعراض تختلف من 1.0 ملم إلى 5.3 ملم، 0.2 ملم مع الزيادات.
- بناء هيكل اختبار خالية من العيوب لقياس فجوة الحزمة. إدراج قضبان والجدران في قاعدة لبنية الهيكل المطلوب. يظهر عرض الجانب من شبكة مصنوعة من كلا قضبان والجدران على قاعدة البوليمر في الشكل 3، اللوحة اليمنى.
- تصميم الدليل الموجي أو عيب تجويف: إنشاء الدليل الموجي المختلفة من خلال عينات مباشرة من خلال إزالة أو تعديل قضبان والجدران على طول مسار مصممة، كما هو موضح في الشكلين 9A و9C. تصميم وحدات من العينات يسمح تعديل سريع وسهل من نقطة وخط أو منحنى العيوب.
3. الصكوك الرئيسية
- استخدام مكنسة توليفها (مولد الميكروويف) لتوفير أفران ميكروويف مع تغطية تردد من 45 إلى 50 ميغاهيرتز غيغاهرتز مع 1 دقيقة هرتز قرار تردد. ربط المولدات لاختبار مجموعة S-المعلمة لقياس المعلمات انتقال بين اثنين من الموانئ (محطات). استخدام للأغراض العامة واجهة حافلة (GPIB) وصلات وكابلات للاتصالات بين كاسحة واختبار مجموعة.
- استخدام محلل شبكة الميكروويف المتجهات (VNA) لمعالجة إشارة وردت من S-المعلمة وقياس حجم إشارة ومرحلة وضع الاختبار. تعيين اختبار S-مجموعة المعلمة إلى وضع S21 بحيث VNA إخراج ملف بيانات تحتوي على العناصر الحقيقية والمتخيلة من الكشف الميداني في ميناء E 1 فيما يتعلق إشارة مصدر من ميناء 2 كدالة للتردد
4. إعداد صك
- بدء / نهاية التردد. تحديد بداية ونهاية القيم المناسبة لنطاق التردد لقياس باستخدام VNA لناالقائمة إيه. نطاق الترددات ذات الصلة المرتبطة PBG يعتمد على مؤشر عازلة من تباعد شعرية من العينات. استخدام 7 غيغاهيرتز إلى 15 غيغاهرتز أفران ميكروويف لعينات ألومينا مع تباعد شعرية أ = 1.33 سم.
- عامل في المتوسط. ناقلات محلل يحسب كل نقطة بيانات على أساس متوسط قياسات متعددة للحد من الضوضاء عشوائي. حدد عامل المتوسط من 512 إلى 4،096 عن طريق إدخال متعددة المطلوب على لوحة المفاتيح VNA. اختيار عاملا المتوسط العالي للحد من الضوضاء واختار عاملا المتوسط أقل لسرعة المسح الضوئي.
- عدد من النقاط. لإجراء قياسات في 7 غيغاهيرتز إلى 15 غيغاهرتز النطاق، اختار الحد الأقصى لعدد نقاط البيانات (801)، من القائمة VNA على الشاشة، لتحقيق قرار تردد 10 ميغاهرتز.
- المعايرة. معايرة النظام مباشرة عن طريق قياس نسبة انتقال النسبية، وتطبيع ضد انتقال إعداد معايرة قبل مع نفس الخلفية وبدون العينة بين antenn قرنو. من خلال ذلك، كل خسارة الخلفية بسبب الكابلات والمحولات، الدليل الموجي، والهوائيات يمكن القضاء، ونسبة انتقال النسبية مع وبدون العينة المختبرة وسجلت مباشرة.
- لقياس فجوة الحزمة، وقياس انتقال الميكروويف من خلال مساحة حرة بين قرني التي تواجه بعضها البعض في مسافة 28 ألف وحفظ النتائج على النحو المعايرة المحددة في VNA. قبل أخذ البيانات للتجربة الفعلية مع هيكل بين قرني، بدوره على وضع المعايرة عن طريق اختيار "المعايرة ON" على شاشة VNA. البيانات سوف تحسب على أساس VNA يكون تطبيع تلقائيا ضد مجموعة المعايرة وترجع نسبة انتقال السلطة مع وبدون العينة في المكان.
- لقياس الدليل الموجي، لم يتم تعريف جيدا معايرة ذات مغزى، منذ انتقال العدوى عن طريق العينة الدليل الموجي يمكن أن يتجاوز بسهولة انتقال معايرة بين قرني في الفضاء الحر. بدورهمن المعايرة على VNA رصد وتسجيل نقل الخام، وهي إشارة الكشف عن أكثر من إشارة المصدر. وضع قرون بجوار فتحات قناة الدليل الموجي لتحقيق أفضل كفاءة اقتران.
5. الإعداد التجريبي
- تكوين الإعداد التجريبية هو مبين في الشكل 4. عالية الجودة استخدام الكابلات المحورية شبه مرنة لربط الموانئ بين مجموعة اختبار S-المعلمة مع الدليل الموجي الإدخال / الإخراج. ربط هوائيات القرن الهرمية مع الموانئ من خلال الدليل الموجي مستطيلة وضع واحد ومحولات لضمان أن تكون إشعاع الاستقطاب خطيا، وحقل E من الإشعاع من القرن موازية للحافة قصيرة من قرن.
- لقياس فجوة الحزمة: الانضمام إلى الخطوات التالية لقياس انتقال العدوى عن طريق العينات خالية من العيوب لتوصيف PBG من عينات مجانية عيب.
- محاذاة قرون عموديا وأفقيا لمواجهة بعضها البعض. ترتيب حorns على مسافة بعيدة بما فيه الكفاية، مثل 20 مرة من متوسط الطول الموجي، بحيث إشعاع بعيدة الميدان الوصول إلى عينة يمكن أن يقترب إلى موجات الطائرة. معايرة انتقال بين قرني تواجه في الفضاء الحر دون عينة الاختبار وتخزينه في الذاكرة المعايرة.
- وضع هياكل خالية من العيوب مصنوع من قضبان والجدران على المسرح في الدورية بين قرني تواجهها. بدوره على مجموعة معايرة المسجلة في الذاكرة VNA خلال الخطوة 5.2.1. هذا النظام هو الآن على استعداد لقياس نسبة انتقال النسبية من خلال عينة تطبيع ضد انتقال السلطة من الذاكرة معايرة.
- عن الدليل الموجي والقياسات العيوب تجويف: الانضمام إلى الخطوات التالية لإعداد التجارب:
- بناء مختلف الدليل الموجي وتجاويف عن طريق إزالة أو استبدال القضبان والجدران في هياكل خالية من العيوب، كما هو موضح في الشكلين 9A و9C.
- ترتيبقرون أقرب إلى فتحات قناة ممكن لضمان اقتران جيد في القناة. لمركز القنوات المنحنية وعازمة قرون في منتصف القناة بالتوازي مع الحافة إلى الافتتاح.
- إيقاف المعايرة. الآن النظام VNA جاهز لقياس وتسجيل نسبة نقل الخام من قوة الكشف في ميناء 2 على السلطة مصدر في المنفذ 1.
6. اقتناء وتحليل البيانات
- تميز الاعتماد الزاوي من الخصائص الضوئية من العينات:
- مكان الهياكل المصنوعة من القضبان والجدران مع الحدود دائري تقريبا على خشبة المسرح في الدورية بين قرني تواجهها.
- تأكد من معايرة المحفوظة في ذاكرة VNA قيد التشغيل في الخطوة 5.2.2. الصفر مقياس زاوية على الدورية وقياس مرحلة انتقال من خلال هيكل. بعد القياس المبدئي عند مستوى الصفر زاوية الحادث، تدوير العينة وقياس انتقال المساواة في زاوية incremالوالدان، مثل كل 2 درجة حتى 180 درجة دوران يتم التوصل.
- تميز الاعتماد الاستقطاب من الخصائص الضوئية للعينات:
إجراء جميع القياسات المذكورة أعلاه في اثنين الاستقطابات مختلفة على التوالي، عن طريق تغيير التوجهات افتتاح قرن. لTM الاستقطاب، تعيين الحافة القصيرة قرون "(الاتجاه الميدان E) عمودي على المستوى الأفقي للقاعدة العينة وبالتوازي مع قضبان. لTE الاستقطاب، وتناوب القرون 90 درجة، بحيث حواف قصيرة منها (الاتجاه الميدان E) هي في المستوى الأفقي. - تميز مختلف القنوات الدليل الموجي: تأكد من تشغيل المعايرة تشغيله في الخطوة 5.3.3. وضع قرون بجانب عينة للحصول على أفضل اقتران. قياس الإرسال من خلال مختلف القنوات شيدت عن طريق إزالة و / أو استبدال القضبان والجدران على طول مسار القناة. في حين رصد إشارة الإرسال على VNA في الوقت الحقيقي، وتعديل مسار القناة من خلال إعلاندينغ وإزالة قضبان إضافية والجدران لتحسين عرض النطاق الترددي انتقال السلطة أو تصفية المطلوب.
- أداء قياسات مماثلة على غرار ما تم وصفها أعلاه على شعرية مربع الكريستال الضوئية للمقارنة.
- تحليل البيانات. تحليل الرسم البياني والبيانات باستخدام برنامج كمبيوتر، مثل MATLAB. مؤامرة قياس الإرسال كما تردد وظيفة (خط المؤامرة)، مثل الشكل 5 الشكل 2 والشكل 9B و9D لدراسة مؤقت من خلال عينات أو نقل تمريرة على الرغم من أن القنوات الدليل الموجي. انتقال مؤامرة كدالة للتردد وزاوية (لون كفاف مؤامرة) لتحليل خصائص العصابات وقف الهياكل واعتمادهم الزاوي، كما هو مبين في الشكل 6 والشكل 7.
- هذا البروتوكول يقترح يقدمون انتقال تقاس من خلال عينات كدالة للتردد والوقائع زاوية في coordi القطبيnates 12، من أجل رؤية مباشرة التماثلات التناوب والاعتماد الزاوي من الخصائص الضوئية. توليد المؤامرات القطبية تنسيق لتظهر مباشرة على حدود منطقة Brillouin الهياكل البلورية وتكشف العلاقة بين تشكيل PBG وطائرات براج نثر (حدود منطقة Brillouin) في البلورات وquasicrystals.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
حققنا أول تأكيد من أي وقت مضى من الخواص الكامل PBG موجودة في اضطراب hyperuniform الهياكل عازلة. هنا، فإننا نقدم لدينا هيكل HD النتائج ومقارنتها إلى أن من شعرية مربع الكريستال الضوئية الدوري.
ويبين الشكل 5 مؤامرة سجل شبه من TE انتقال الاستقطاب (ديسيبل) مقابل تردد (غيغاهرتز) لهيكل hyperuniform اضطراب في واحدة زاوية الحادث. وتظهر هذه المؤامرة أن المنطقة توقف الفرقة يقع تقريبا بين 8.5 و 9.5 غيغاهرتز، حيث تنخفض كثافة انتقال أكثر من عقدين من أوامر من المقادير.
كما نوقش أعلاه، ونحن نستخدم نموذج الدوري الكريستال المربع للمقارنة بنيتنا HD. الشكل 6 يعرض انتقال قياس (لون) كدالة للتردد وزاوية الحادث لشعرية مربع، في TE الاستقطاب. اللون الأزرق (انتقال منخفض) يمثل الفرقة توقف في مجال التردد في زاوية معينة. وتقاستظهر وقف العصابات الاعتماد الزاوي قوية مرتبطة 4 أضعاف التناظر في التناوب. الفرقة توقف في اتجاه واحد في درجة الصفر تختلف كثيرا عن ذلك في 45 درجة للسماح التداخل وتشكيل TE الاستقطاب ذات فجوة الحزمة في هذا الهيكل شعرية مربع.
ويبين الشكل 7 مقارنة مؤامرة القطبية فريدة من خصائص انتقال عينة شعرية مربع وHD العينة. مؤامرات القطبية تمكننا من تصور حدود منطقة Brillouin فعالة 5 والاعتماد الزاوي من العصابات توقف. يظهر كثافة انتقال في اللون كدالة للتردد (ص = و) وزاوية الحادث (ف = ف). ويبدو أن وقف العصابات نظرا لتشتت براج على طول حدود منطقة Brillouin مربعة الشكل. كما هو موضح من قبل، والاختلافات مع زاوية تمنع تشكيل PBG (منع في جميع الاتجاهات) لهذا شعرية مربع. للعينة HD، ووقف شكل فجوة الخواص PBG في كل الاتجاهات.
الرقم 8، ويبين انتقال TM قياسها مقابل تردد من خلال قناة الدليل الموجي متتالية من عرض 2 لذلك، تم إنشاؤها عن طريق إزالة قضبان والجدران على طول المسار في هيكل اضطراب hyperuniform. ويظهر الشريط الوردي والاستقطاب TM HD PBG من بنية خالية من العيوب. عندما يتم عرض القناة، ويسترشد الفرقة واسعة من خلال قناة مفتوحة.
المرونة التي تتيحها هذه الخواص المختلين هيكل PBG يجعل من الممكن لتشكيل قنوات حر غير مسبوقة مع زوايا الانحناء التعسفية وتزيين لهم جوانب وزوايا ومراكز مع قضبان والجدران لضبط وتحقيق الاستفادة المثلى من العصابات الإرسال. يبين الشكل 9A صورة للHD هيكل مع قناة الدليل الموجي من 50º زاوية الانحناء. ويبين الشكل 9B انتقال العدوى عن طريق هذه القناة، وهو مشابه إلى ما نحصل عليه من خلال الدليل الموجي على التوالي على الرغم من منعطف حاد. أرقام 9C و
الرقم 1. أنماط نقطة المختلين. اليسار، نمط نقطة توزيع عشوائي 2D بواسون، التباين في عدد من النقاط في نافذة مع دائرة نصف قطرها R يتناسب مع R 2. الحق؛ نمط نقطة اضطراب hyperuniform، والتباين في عدد من النافذة يتناسب مع دائرة نصف قطرها R نفسها 11. يرجى النقر لها ه لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2. رسم تخطيطي للبروتوكول تصميم 2D الهياكل اضطراب hyperuniform حيازة كاملة PBG 11. هذا الرقم يدل فئة فرعية من 2-D نمط نقطة اضطراب hyperuniform (الدوائر الزرقاء) وتقسيم بخطوط زرقاء باستخدام ديلوناي التغطية بالفسيفساء. والتغطية بالفسيفساء 2D ديلوناي هو التثليث الذي يزيد الحد الأدنى من زاوية لكل مثلث شكلت ويضمن عدم وجود نقاط أخرى داخل circumcircle لل كل مثلث 11. وcentroids، كما هو موضح الدوائر السوداء، هي مواقع قضبان عازلة نصف قطرها r 11. يتم توصيل centroids مع الخطوط الحمراء لتوليد الخلايا حول كل نقطة شعرية. "> اضغط هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 3. 2D عينة اضطراب hyperuniform المستخدمة في التجربة من الزمن:. قضبان ألومينا والجدران تستخدم لبنات البناء. قطر كل قضبان هو 5.0 ملم. سمك الجدار هو 0.38 ملم دائما والاعراض تختلف من 1.0 ملم إلى 5.3 ملم، 0.2 ملم مع الزيادات. مركز: قاعدة قالب من البلاستيك مع ثقوب وفتحات لتجميع هيكل HD. القاعدة هي 25.4 سم مربع مع الجانبين و 2 سم ارتفاع. الحق: عرض الجانب من HD هيكل الألومينا تجميعها الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
د / 51614 / 51614fig4highres.jpg "العرض =" 500 "/>
الرقم 4. رسم من الإعداد التجربة متصل المولد. الإشارة إلى S-المعلمة اختبار تحديد وتحليل من قبل محلل شبكة المتجهات (VNA). كل المنافذ من مجموعة الاختبار ترتبط الدليل الموجي هوائيات قرن من الكابلات المحورية. يتم وضع العينة بين قرني على مسرح الدورية. وVNA إرسال البيانات إلى الكمبيوتر من خلال وصلة GPIB (لا يظهر). يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5. مؤامرة سجل شبه انتقال TE (ديسيبل) مقابل تردد (غيغاهرتز) من خلال هيكل اضطراب hyperuniform في زاوية حادثة واحدة. وذات فجوة الحزمة، التي تتميز بانخفاض حاد في انتقال، يمكن أن ينظر إليه في المنطقة من 8-10 غيغاهرتز. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 6. قياس شعرية مربع TE انتقال الاستقطاب (ديسيبل) هو مبين في اللون بوصفها وظيفة كل من التردد (وحدات من ج / أ) على المحور الصادي والوقائع زاوية (درجة) على محور س. تظهر هذه مؤامرة الزاوي الاعتماد من ذات فجوة الحزمة TE في مربع الدوري بلورة شعرية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 7. قياس TE الاستقطاب نقل (ديسيبل) هو مبين في اللون بوصفها وظيفة كل من التردد (ج / أ) وشعاعي تنسيق وزاوية حادث (درجة) باعتبارها السمتي تنسيق: (A) عينة شعرية مربع (B) hyperuniform عينة الاضطراب. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 8. مستقيم الدليل الموجي القناة في هيكل HD: (أ) صورة من العينة HD مع قناة الدليل الموجي خط عيب، (B) بقياس نسبة انتقال TM من قوة الكشف عن مصدر السلطة من خلال قناة كدالة للتردد في وحدات ج / أ حيث c هي سرعة الضوء في الفراغ و= 1.33 جم هو متوسط التباعد بين نقاط شعرية. يظهر مجموعة TM فرق الطاقة من قبل القطاع الوردي. إشارة الذروة عند 0.41 ج / أ هو الوضع تسترشد في القناة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
يتم رسم الشكل 9. قنوات الدليل الموجي مختلفة من خلال هيكل HD وأطياف انتقال تقاس كنسبة من قوة على الكشف عن مصدر الطاقة. نقل كدالة للتردد في وحدات ج / أ. الشريط الوردي يدل على مدى TM PBG. (A) صورة هيكل HD مع 50 درجة القناة عازمة و(B) أطياف انتقال العدوى عن طريق هيكل يظهر وضع الموجهة نحو 0.42 ج / أ (C) صورةهيكل HD مع قناة حر S-الشكل و(D) أطياف نقل عبر قناة S-شكل تبين وضع الموجهة نحو 0.42 ج / أ. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
بدءا من نمط نقطة المختلين hyperuniform، 2D HD الهياكل تتكون قضبان و / أو يمكن تصميم شبكة جدار للحصول على PBG الكامل لجميع الاستقطاب 11. على أساس تصميم، اقمنا قالب مع ثقوب وفتحات لتجميع قضبان 2D الألومينا وهياكل الجدران في سم النطاق التي يمكن اختبارها مع أفران ميكروويف. اخترنا العمل مع أفران ميكروويف، لأن اللبنات سم النطاق، مثل قضبان الألومينا والجدران، وغير مكلفة، والتعامل معها بسهولة. لقد أثبتت التجربة للمرة الأولى أنه من الممكن أن يكون لها الخواص الكامل PBG في 2D الهياكل اضطراب hyperuniform. هذا النوع من الشبكات المختلين لا تملك بعيدة المدى أجل متعدية وبالتالي لا عزت تشكيل فجوة الحزمة إلى براج نثر كما هو الحال في البلورات الضوئية الدورية.
على عكس البلورات الضوئية الدورية، والتي لها عدد قليل جدا من الخيارات من symme التناوبيحاول وجوهرها تحد عيب حرية تصميم 5، ويوفر بنية HD بعض المزايا لتطبيقات PBG لا يسمح في البلورات الضوئية. تجميع هيكل لTM قياس فجوة الحزمة يستغرق سوى بضع دقائق، في حين أن إضافة أوراق لTE قياس فجوة الحزمة يمكن أن تصل إلى 1 ساعة. مرة واحدة يتم تجميعها في HD عينة خالية من العيوب مع قضبان الألومينا والجدران، ويمكن أن تكون بمثابة نموذج للتعديل، والتي الدليل الموجي والتجاويف يمكن أن تتشكل بسرعة عن طريق إزالة استراتيجيا بعض قضبان والجدران. في هذه الفئة الجديدة من مواد HD PBG لقد أثبتنا البلور حر على طول مسارات التعسفية غير محدود من الاتجاهات التناظر البلورية 14، وتصفية وتقسيم 15، وسائط تجويف الرنانة 16.
الطرق التجريبية الموصوفة هنا هي سهلة لمتابعة والتكاثر. يمكن تعديل بروتوكول تجريبي لتناسب احتياجات أي ركين مجربغ مع غيرها من المواد الاصطناعية الضوئيات التي يصعب دراسة مع المحاكاة أو مع ميكرون تلفيق، بسبب تعقيد واضطراب، أو العمارة عيب بهم. باستخدام هذه الأساليب، ونحن أيضا شرحها وتتميز غيرها من الهياكل شبه البلورية والهياكل المصنوعة من البلاستيك HD 3D المطبوعة، التي تمتلك PBGs الاستقطاب واحدة 17،18. هناك خطوات قليلة للنظر لضمان نجاح التجربة. المواد المستخدمة لبناء العينة بحاجة إلى امتصاص قليلا. اختيار التباين والتباعد شعرية عازلة يحدد الترددات PBG أدى. على سبيل المثال، قضبان الألومينا وهياكل الجدران مع عازل على النقيض من 8.76 وشعرية تباعد من 1.33 سم لديها فجوة الحزمة تتمحور حول 10 غيغاهرتز. HD هياكل مماثلة مصنوعة من مواد بلاستيكية عازلة مع التباين من 2.56 وتباعد شعرية من 0.6 سم بوجود ثغرات الفرقة تتمحور حول 23 غيغاهرتز. لنطاقات مختلفة التردد، وأبواق ومحولات تصميملالميكروويف مختلفة تحتاج العصابات التي سيتم اختيارها بشكل صحيح. فلا بأس أن تمتد نطاق الترددات تقاس من X-الفرقة (8-12 غيغاهرتز) قرون الميكروويف ومحولات ل7-15 غيغاهرتز على الأكثر. خارج هذا النطاق، والمكونات المختلفة للعصابات الميكروويف أخرى تحتاج لاستخدامه. لضمان الطائرة موجات الاستقطاب في الهيكل، ويجب أن توضع قرون بعيدة عن بعضها البعض، في حين أن البلور قنوات قرون يجب أن توضع مباشرة إلى الافتتاح.
واحد الحد من هذه التقنية هو صلة المقيدة لتطبيقات العالم الحقيقي إلى التكنولوجيا. هياكل بنيت مع مكونات نطاق وسم غير قابلة للتطبيق مباشرة والأجهزة الضوئية. والدليل الموجي، الخطان والتجاويف الرنانة درس مع هذه التقنية هي أساسا "دليل على مفهوم" البناء تهدف الى تحسين معرفتنا التفاعل بين موجات EM وسائل الإعلام المختلين. لكن، وكما هو موضح أعلاه نظرا إلى الثابتية نطاق موجات EM، كل النتائج التي تم الحصول عليهاباستخدام عينات الميكروويف وسم النطاق يمكن تطبيقها مباشرة على ترددات الأشعة تحت الحمراء والبصرية عندما تقلصت الهياكل إلى ميكرون وحجم submicron. طرق مشتركة لتصنيع البلورات الضوئية على نطاق وsubmicron، بما فيها شعاع E الطباعة الحجرية واثنين من الفوتون البلمرة يمكن استخدامها لصنع هذه المواد PBG في مناطق الأشعة تحت الحمراء والبصرية لمختلف التطبيقات.
هناك العديد من المزايا من التجارب الميكروويف لدينا لدراسة الخواص الضوئية للمواد PBG معقدة على التجريب باستخدام الأشعة تحت الحمراء. أولا، فإن تكلفة الأجهزة افتعال لاختبار على نطاق ميكرون عالية جدا. الأجهزة التي يتم تصنيعها بدقة في مرافق غرف الأبحاث. وعلاوة على ذلك، طريقتين لاقتران موجات الأشعة تحت الحمراء إلى ألواح 2D الأجهزة الضوئية تحت الاختبار (DUT) هي إشكالية. أسلوب واحد هو استخدام مقرنة الرأسي مدبب 19 إلى زوجين مع ألياف بصرية مركزة، والتي غالبا ما يقدم الاختبار bandwid ضيقة جداعشر (أي من 1.5 ملم إلى 1.6 ملم، 6٪ من الطول الموجي المركزي من 1.5 ملم)، مقارنة مع اختبار نطاقات واسعة جدا من هوائيات الميكروويف، مثل 7 إلى 17 غيغاهيرتز مع واحد مجموعات من محولات وهوائيات. وسيلة أخرى من إدخال موجات الأشعة تحت الحمراء في DUT هو استخدام وصلات الربط الألياف الحافة، التي يمكن أن تغطي مجموعة واختبار أوسع ولكنها باهظة بسبب تكاليف التعبئة والتغليف، ولذلك، فإن نظام الميكروويف يقدم المجرب حرية كبيرة في التصميم مع اختيار غير مكلفة المواد، وسهلة لاستخدام أدوات الاختبار مع نطاقات تردد واسعة، والهندسة المعمارية وحدات شعرية وراحة التحليل في الوقت الحقيقي.
وتشمل المفاهيم ذات فجوة الحزمة بحثها واكتشفت من خلال نهج الميكروويف فهم أكبر لآلية أساسية لتشكيل PBG والتفاعل بين الشكل الهندسي للهيكل والإشعاع الحادث. سوف التطبيقات المستقبلية لهذه التكنولوجيا تشمل 1) لمواصلة تطبيق طرق الاختبار الميكروويف لاستكشاف وتحسين التصاميم لأجهزة الضوئية وظيفية ليمهد الطريق لتطبيقات المواد HD PBG و2) لتوسيع نطاق العينات وصولا الى نظام الأشعة تحت الحمراء والبصرية لتطبيق حقيقي يستخدم ذات فجوة الحزمة الضوئية، مثل 20 أجهزة الاستشعار والاتصالات 6، والبصرية الدوائر الصغرى 8.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الكتاب ليس لديهم ما يكشف.
Acknowledgments
وأيد هذا العمل جزئيا من قبل مؤسسة البحوث للعلوم تقدم (المنحة 10626)، المؤسسة الوطنية للعلوم (DMR-1308084)، وجائزة الداخلية جامعة ولاية سان فرانسيسكو لWM نشكر لدينا متعاون بول م Chaikin من جامعة نيويورك لإجراء مناقشات مفيدة في التصميم التجريبي وتوفير نظام VNA بالنسبة لنا لاستخدامها في الموقع في SFSU. نشكر المتعاونين لدينا النظرية، مخترع المواد HD PBG، ماريان Florescu، بول م ستنهاردت، وسال توركواتو للمناقشات مختلفة وتزويدنا تصميم نمط HD نقطة والمناقشات مستمرة.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Stereolithography machine | 3D Systems | SLA-7000 | |
| Resin for base | 3D Systems | Accura 60 | |
| Alumina rods | r=2.5 mm, cut to 10.0 cm height | ||
| Alumina sheets | Thickness 0.38 mm, various width: from 1.0 mm to 5.3 mm with 0.2 mm increments | ||
| Microwave generator | Agilent/HP | 83651B | |
| S-Parameter test set | Agilent/HP | 8517B | |
| Microwave Vector Network Analyzer | Agilent/HP | 8510C |
References
- Strut, J. W. The propagation of waves through a Medium Endowed with a Periodic structure. Philosophical magazine. XXIV, 145-159 (1887).
- Yablonovitch, E. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics. Phys. Rev. Lett. 58, 2059-2062 (1987).
- Yablonovitch, E., Gmitter, T. J. Photonic band structure: The face-centered-cubic case. Phys. Rev. Lett. 63, 1950-1953 (1989).
- Sajeev, J. Strong localization of photons in Certain Disordered Dielectric super lattices. Phys. Rev. Lett. 58, 2486-2489 (1987).
- Joannopoulos, J., Johnson, S. G., Winn, J. N., Mead, R. D. Photonic Crystals: Molding the Flow of Light. , 2nd ed, Princeton University Press. Princeton, New Jersey. 243-248 (2008).
- Noda, S., Chutinan, A., Trappin Imada, M. emission of photons by a single defect in a photonic bandgap structure. Nature. 407, 608-610 (2000).
- Cao, H., Zhao, Y. G., Ho, S. T., Seeling, E. W., Wang, Q. H., Chang, R. P. Random laser action in semiconductor powder. Phys. Rev. Lett. 82, 2278-2281 (1999).
- Chutinan, A., John, S., Toader, O. Diffractionless flow of light in all-optical microchips. Phys. Rev. Lett. 90, 123901 (2003).
- Vynck, K., Burresi, M., Riboli, F., Wiersma, D. S. Photon management in two-dimensional disordered media. Nature Mater. 11, 1017-1022 (2012).
- Ishizaki, K., Koumura, M., Suzuki, K., Gondaira, K., Noda, S. Realization of three-dimensional guiding of photons in photonic crystals. Nature Photon. 7, 133-137 (2013).
- Florescu, M., Torquato, S., Steinhardt, P. J. Designer disordered materials with large, complete PBGs. Proc. Natl. Acad. Sci. 106, 20658-20663 (2009).
- Man, W., Megens, M., Steinhardt, P. J., Chaikin, P. M. Experimental measurement of the photonic properties of icosahedral quasicrystals. Nature. 436, 993-996 (2005).
- Torquato, S., Stillinger, F. H. Local density fluctuations, hyperuniformity, and order metrics. Phys. Rev. E. 68, 041113 (2003).
- Man, W., et al. Isotropic band gaps and freeform waveguides observed in hyperuniform disordered photonic solids. Proc. Natl. Acad. Sci. 110, 15886-15891 (2013).
- Man, W., et al. Freeform wave-guiding and tunable frequency splitting in isotropic disordered photonic band gap materials. Frontiers in Optics 2012/Laser Science XXVIII, OSA Technical Digest (online). , Optical Society of America. Available from: https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=FiO-2012-FTh2G.5 (2012).
- Tsitrin, S., et al. Cavity Modes Study in Hyperuniform Disordered Photonic Bandgap Materials. Frontiers in Optics 2012/Laser Science XXVIII, OSA Technical Digest (online). , Optical Society of America. Available from: https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=FiO-2012-FTh3F.4 (2012).
- Man, W., et al. Photonic band gap in isotropic hyperuniform disordered solids with low dielectric contrast. Opt. Express. 21, 19972-19981 (2013).
- Man, W., et al. Experimental observation of photonic bandgaps in Hyperuniform disordered materials. Conference on Lasers and Electro-Optics, 2010 May 16-21, San Jose, United States, , (2010).
- Schelew, E., et al. Characterization of integrated planar photonic circuits fabricated by a CMOS foundry. Journal of Lightwave Technology. 31 (2), 239 (2013).
- Guo, Y. B., et al. Sensitive molecular binding assay using a photonic crystal structure in total internal reflection. Opt. Express. 16, 11741-11749 (2008).
