Utilisation de micro-ondes et d'échantillons macroscopiques des diélectriques solides pour étudier les propriétés photoniques désordonnés de bande interdite photonique Matériaux

L’objectif général de l’expérience suivante est d’utiliser des échantillons de solides diélectriques à l’échelle micro-ondes pour étudier les propriétés photoniques des matériaux à bande interdite photonique désordonnée. Ceci est réalisé en construisant des échantillons de test fabriqués avec des composants diélectriques insérés dans un modèle de base imprimé en 3D avec des trous et des fentes disposés pour former des motifs ordonnés ou désordonnés particuliers. Dans un deuxième temps, placez l’échantillon sur une platine rotative entre une paire d’antennes à cornet micro-ondes et prenez des mesures de transmission sur une large gamme de fréquences pour différents angles d’incident, ce qui permettra de déterminer les propriétés de bande interdite de la structure.

Ensuite, modifiez la structure pour former un défaut fonctionnel et effectuez des mesures de transmission afin d’étudier les propriétés de guidage et de résonance des ondes des structures modifiées. On obtient des résultats qui montrent la gamme de fréquences et la dépendance angulaire des structures à bande interdite, ainsi que les performances de leurs défauts fonctionnels sur la base de l’analyse du spectre de transmission mesuré. Le principal avantage de cette technique de simulation numérique et de méthode expérimentale à l’échelle submicronique est que cette technique évite l’utilisation de l’énorme quantité de ressources concurrentes et de la fabrication coûteuse submicronique, de sorte que l’on peut rapidement et à moindre coût construire un désordre, un matériau de bande interdite photonique, les modifier avec une conception de défaut arbitraire et caractériser directement leurs propriétés photoniques.

Les implications de cette technique s’étendent à tout système photonique, y compris la région de la lumière visible et la région infrarouge. Étant donné que les micro-équations sont mises à l’échelle, la même conception et les mêmes résultats peuvent être appliqués à la lumière visible lorsque les zaper sont rétrécis 10 000 fois. Idées. Cette vidéo commence après qu’une structure diélectrique désordonnée hyperuniforme bidimensionnelle a été conçue et que sa base a été fabriquée.

La base est faite d’une résine transparente et comporte des trous et des fentes sur lesquels la structure désordonnée sera assemblée. Une deuxième base carrée en treillis a également été réalisée à des fins de comparaison. Chaque base mesure deux centimètres de haut avec ces éléments prêts.

Portez votre attention sur les blocs de construction qui seront utilisés pour construire les structures. Obtenez des tiges Illumina et des parois minces d’au moins quelques longueurs d’onde de hauteur ici, 10 centimètres. Le diamètre de toutes les tiges est de cinq millimètres et l’épaisseur de la paroi est toujours de 0,38 millimètre avec des largeurs variables.

Ensuite, construisez une structure d’essai sans défaut avec une limite presque circulaire pour les mesures de bande interdite. Pour ce faire, insérez les tiges et les murs dans la base pour l’architecture de structure souhaitée. Il s’agit de la structure désordonnée hyperuniforme.

Après la construction, la structure en treillis carré a été produite de la même manière. Voici le résultat final pour le treillis carré. Installez l’expérience sur une paillasse.

Utilisez un générateur de micro-ondes à balayage synthétisé pour fournir un rayonnement dans la gamme de 45 mégahertz à 50 gigahertz avec une résolution d’un hertz. Connectez-le à un ensemble de test de paramètres S pour mesurer les paramètres de transmission afin de mesurer et de traiter le signal du jeu de test de paramètres S. Connectez un analyseur de réseau vectoriel micro-ondes, puis utilisez des câbles coaxiaux semi-flexibles de haute qualité pour connecter les ports de l’ensemble de test des paramètres S avec les guides d’ondes d’entrée et de sortie afin d’assurer la polarisation linéaire du champ E.

Utilisez des guides d’ondes monomodes rectangulaires et des adaptateurs connectés à des antennes à pavillon paramétallique. Les antennes se trouvent de part et d’autre d’une platine rotative où la structure sera placée. Ensuite, réglez les paramètres de l’instrument pour l’expérience sur le panneau de commande.

Pour l’analyseur de réseau vectoriel, sélectionnez ici la plage de fréquences pour la mesure, de sept gigahertz à 15 gigahertz. Sélectionnez ensuite un facteur de calcul de la moyenne pour contrôler le bruit. Enfin, pour cette mesure de sept à 15 gigahertz, choisissez le nombre de points de données requis pour atteindre une résolution de fréquence de 10 mégahertz.

Prévoyez un ordinateur pour automatiser les mesures et l’enregistrement des données. Commencez les mesures de bande interdite en étalonnant le système. Tout d’abord, alignez les cornes verticalement et horizontalement de manière à ce qu’elles se fassent face à une distance d’environ 40 centimètres, soit environ 15 fois la longueur d’onde moyenne pour le balayage avec la configuration comme ce sera le cas pour les mesures, mais sans un échantillon entre les cornes.

Démarrez un balayage par micro-ondes pour mesurer la transmission dans l’espace libre. Une fois le balayage effectué en une à deux minutes, enregistrez les résultats sous forme de kit d’étalonnage dans l’analyseur de réseau vectoriel. Voici un graphique typique de transmission dans l’espace libre en fonction de la fréquence.

Tout d’abord, assurez-vous de mettre à zéro l’échelle d’angle de la scène. Maintenant, centrez une structure sans défaut avec une limite presque circulaire sur la platine rotative entre les deux cornes. Dans ce cas, la structure désordonnée hyperuniforme est utilisée pour préparer l’analyseur de réseau vectoriel pour la mesure.

Activez le kit d’étalonnage enregistré pour permettre la mesure de la transmission relative à travers l’échantillon. Démarrez le balayage par micro-ondes pour collecter des données une fois qu’un balayage a été terminé et que les données ont été enregistrées. Faites en sorte que le rayonnement soit incident sur la structure dans une autre direction.

Pour ce faire, tournez l’étage de deux degrés dans le sens inverse des aiguilles d’une montre en préparation de la prochaine mesure avec les données d’étalonnage enregistrées sur effectuer une autre mesure de la transmission relative. Une fois que toutes les mesures entre zéro et 180 degrés ont été effectuées, retirez la structure entre les antennes. Faites pivoter chaque cornet de 90 degrés pour obtenir une polarisation de champ différente.

La polarisation est en train d’être modifiée de magnétique transversale à électrique transversale. Effectuer l’étalonnage et les mesures avec la structure. Encore une fois, après les mesures de bande interdite, préparez la structure pour les mesures de guide d’ondes.

Utilisez la conception modulaire pour créer rapidement un guide d’ondes en supprimant des éléments. Dans ce cas, transformez une structure hyperuniforme sans défaut en une structure avec un canal qui la traverse. Passez à des antennes cornet plus petites pour la mesure du guide d’ondes.

Déplacez ensuite les antennes aussi près que possible des ouvertures des canaux. Cette disposition des antennes par rapport au canal assure un bon couplage, l’arrêt de l’étalonnage dans l’analyseur de réseau vectoriel et le démarrage du balayage micro-ondes. L’analyseur de réseau vectoriel affichera et enregistrera le rapport de transmission brut de la puissance détectée sur la source d’alimentation.

Lorsque la mesure est terminée. Faites pivoter les deux cornes de 90 degrés. Afin de permettre la caractérisation de la polarisation, dépendance de la structure, mesurer le rapport de transmission dans cette nouvelle configuration.

Il s’agit de la transmission par polarisation TE d’une structure hyperuniforme. À un angle, l’axe vertical est en décibels. L’axe horizontal est la fréquence.

En gigahertz, une baisse de plus de deux ordres de grandeur entre 8,5 gigaherz et 9,5 gigaherz indique une région de bande d’arrêt. La chute à environ 13 gigahertz est due aux performances de l’antenne. Ce sont des tracés polaires de la transmission à travers un réseau carré et une structure de défaut hyperuniforme.

Le long de la direction radiale est la fréquence en unités de la vitesse de la lumière sur l’espacement du réseau. L’angle correspond à l’angle des incidents. Les régions de faible transmission sont en bleu pour les bandes d’arrêt du réseau carré en raison de la vantardise, la diffusion apparaît le long de la BRI de forme carrée et des limites.

En revanche, la structure de défaut hyperuniforme, les formes de paliers provisoires et la bande interdite photonique isotrope. Voici un échantillon désordonné hyperuniforme avec un guide d’ondes à canal droit. La largeur du canal est le double de l’espacement intérieur moyen des tiges.

Il s’agit du rapport mesuré entre la puissance détectée et la puissance de la source pour les ondes TM à travers le canal, en unités de la vitesse de la lumière sur l’espacement intérieur moyen des tiges. La région rose est la bande interdite TM de l’échantillon sans le canal. Avec l’introduction du canal, une large bande est guidée à travers l’échantillon.

Une fois maîtrisé, la conception, la construction et la mesure de transmission de l’échantillon modulaire peuvent être effectuées en quelques heures si elles sont correctement réalisées après son développement. Cette technique a ouvert la voie aux chercheurs pour explorer les propriétés photoniques des matériaux désordonnés et leurs applications possibles.