Utilizzo di microonde e campioni macroscopici di dielettrici solidi per studiare le proprietà fotoniche di Disordine Photonic Materials Bandgap

L'obiettivo generale del seguente esperimento è utilizzare campioni su scala microonde di solidi dielettrici per studiare le proprietà fotoniche di materiali fotonici a banda proibita disordinati. Questo viene ottenuto costruendo campioni di prova composti da componenti dielettrici inseriti in un modello base stampato in 3D, dotato di fori e fessure disposti in modo da formare specifici schemi ordinati o disordinati. Come secondo passo, si posiziona il campione su un supporto rotante posto tra una coppia di antenne a corno per microonde ed eseguire misurazioni di trasmissione su un'ampia gamma di frequenze per diversi angoli di incidenza, consentendo così la determinazione delle proprietà della banda proibita della struttura.

Successivamente, modificare la struttura per creare un difetto funzionale ed effettuare misurazioni di trasmissione al fine di studiarne le proprietà di guida d'onda e di risonanza. Si ottengono risultati che mostrano la gamma di frequenze e la dipendenza angolare del band gap delle strutture modificate, nonché le prestazioni dei relativi difetti funzionali, analizzando lo spettro di trasmissione misurato. Il principale vantaggio di questa tecnica, che combina simulazione numerica e metodo sperimentale su scala sub-micrometrica, è che essa evita l'utilizzo di grandi quantità di risorse concorrenti e di costose fabbricazioni su scala sub-micrometrica, consentendo di costruire rapidamente ed economicamente materiali disordinati con band gap fotonico, modificarli con disegni di difetto arbitrari e caratterizzarne direttamente le proprietà fotoniche.

Le implicazioni di questa tecnica si estendono a qualsiasi sistema fotonico, inclusa la regione della luce visibile e la regione dell'infrarosso. Poiché le equazioni micro sono invarianti rispetto alla scala, lo stesso identico design e risultati possono essere applicati alla luce visibile quando i zaper vengono ridotti di 10.000 volte. Approfondimenti. Questo video inizia dopo che una struttura dielettrica disordinata iperuniforme bidimensionale è stata progettata e la sua base è stata fabbricata.

La base è realizzata in una resina trasparente e presenta fori e fessure sui quali verrà assemblata la struttura disordinata. È stata inoltre realizzata una seconda base a reticolo quadrato per il confronto. Ogni base è alta due centimetri e presenta già questi elementi.

Prestare attenzione ai componenti che verranno utilizzati per costruire le strutture. Ottenere aste Illumina e pareti sottili che abbiano un'altezza di almeno alcune lunghezze d'onda, pari a 10 centimetri. Il diametro di tutte le aste è di cinque millimetri, mentre lo spessore delle pareti è sempre di 0,38 millimetri, con larghezze variabili.

Successivamente, costruire una struttura di prova priva di difetti con un contorno quasi circolare per le misurazioni del band gap. A tale scopo, inserire le aste e le pareti nella base per ottenere l'architettura strutturale desiderata. Questa è la struttura disordinata iperuniforme.

Dopo la costruzione, si è ottenuta la struttura di un reticolo quadrato nello stesso modo. Ecco il risultato finale per il reticolo quadrato. Impostare l'esperimento su un banco da laboratorio.

Utilizzare un generatore sintetizzato di microonde per spazzata per fornire radiazione nell'intervallo da 45 megahertz a 50 gigahertz con risoluzione di un hertz. Collegare questo a un banco di prova per parametri S per misurare i parametri di trasmissione e per misurare ed elaborare il segnale proveniente dal banco di prova per parametri S. Collegare un analizzatore vettoriale di rete a microonde, quindi utilizzare cavi coassiali semirigidi di alta qualità per connettere le porte del banco di prova per parametri S con le guide d'onda di ingresso e di uscita, garantendo così la polarizzazione lineare del campo E.

Utilizzare guide d'onda monomodali rettangolari e adattatori collegati ad antenne a tromba parametalliche. Le antenne si trovano su entrambi i lati di un piatto rotante sul quale verrà posizionata la struttura. Successivamente, impostare i parametri dello strumento per l'esperimento sul pannello di controllo.

Per l'analizzatore di reti in vettori, selezionare qui l'intervallo di frequenza per la misurazione, da sette gigahertz a 15 gigahertz. Quindi selezionare un fattore di media per il controllo del rumore. Infine, per questa misurazione da sette a 15 gigahertz, scegliere il numero richiesto di punti dati per ottenere una risoluzione in frequenza di 10 megahertz.

Procurarsi un computer per automatizzare le misurazioni e la registrazione dei dati. Iniziare le misurazioni del band gap calibrando il sistema. Innanzitutto, allineare i corni verticalmente e orizzontalmente in modo che siano rivolti l'uno verso l'altro a una distanza di circa 40 centimetri, approssimativamente 15 volte la lunghezza d'onda media per la scansione, con l'allestimento così come sarà durante le misurazioni, ma senza campione tra i corni.

Avviare una scansione in microonde per misurare la trasmissione attraverso lo spazio libero. Al termine della scansione, che richiede uno o due minuti, salvare i risultati come un insieme di calibrazione nell'analizzatore di rete vettoriale. Di seguito è riportato un tipico grafico della trasmissione attraverso lo spazio libero in funzione della frequenza.

Per prima cosa, assicurarsi di azzerare la scala angolare della piattaforma. Posizionare ora al centro una struttura priva di difetti con un contorno pressoché circolare sulla piattaforma rotante tra i due cavi. In questo caso, la struttura disordinata iperuniforme viene utilizzata per preparare l'analizzatore di rete vettoriale per la misurazione.

Attivare il set di calibrazione salvato per consentire la misurazione della trasmissione relativa attraverso il campione. Avviare la scansione in microonde per acquisire i dati al termine della scansione e dopo aver salvato i dati. Disporre l'irradiazione in modo che incida sulla struttura da un'altra direzione.

Per fare ciò, ruotare la piastra di due gradi in senso antiorario, in previsione della successiva misurazione con i dati di calibrazione salvati per eseguire un’ulteriore misurazione della trasmissione relativa. Una volta completate tutte le misurazioni tra zero e 180 gradi, rimuovere la struttura posta tra le antenne. Ruotare ciascun corno di 90 gradi per ottenere una diversa polarizzazione del campo.

La polarizzazione viene modificata da magnetica trasversale a elettrica trasversale. Eseguire la calibrazione e le misurazioni con la struttura. Nuovamente, dopo le misurazioni del band gap, preparare la struttura per le misurazioni di guida d'onda.

Sfruttare la progettazione modulare per creare rapidamente una guida d'onda rimuovendo elementi. In questo caso, trasformare una struttura iperuniforme priva di difetti in una con un canale al suo interno. Passare a antenne a corno più piccole per la misurazione della guida d'onda.

Quindi spostare le antenne il più vicino possibile alle aperture del canale. Questa disposizione delle antenne rispetto al canale garantisce un buon accoppiamento, disattivare la calibrazione nell'analizzatore di rete vettoriale e avviare la scansione in microonde. L'analizzatore di rete vettoriale mostrerà e registrerà il rapporto di trasmissione grezzo tra la potenza rilevata e la potenza della sorgente.

Al termine della misurazione, ruotare entrambe le antenne di 90 gradi. Per consentire la caratterizzazione della dipendenza dalla polarizzazione della struttura, misurare il rapporto di trasmissione in questa nuova configurazione.

Questa è la trasmissione in polarizzazione TE di una struttura iperuniforme. Su un asse verticale, in decibel, in funzione della frequenza sull'asse orizzontale.

In gigahertz, una diminuzione di oltre due ordini di grandezza tra 8,5 gigahertz e 9,5 gigahertz indica una regione di banda proibita. L'attenuazione intorno ai 13 gigahertz è dovuta alle prestazioni dell'antenna. Questi sono diagrammi polari della trasmissione attraverso un reticolo quadrato e una struttura difettosa iperuniforme.

Lungo la direzione radiale è riportata la frequenza in unità di velocità della luce divisa per il passo del reticolo. L'angolo corrisponde all'angolo di incidenza. Le regioni di bassa trasmissione sono in blu per le bande proibite del reticolo quadrato; a causa dello scattering di Bragg, compaiono lungo i confini della zona di BRI a forma quadrata.

Al contrario, la struttura iperuniforme dei difetti forma un gap proibito e un gap fotonico isotropo. Qui è mostrato un campione disordinato iperuniforme con una guida d'onda a canale rettilineo. La larghezza del canale è pari al doppio della distanza media tra le barre interne.

Questo è il rapporto misurato tra la potenza rilevata e la potenza della sorgente per onde TM attraverso il canale, espresso in unità della velocità della luce divisa per la distanza media tra le aste interne. La regione rosa rappresenta il gap di banda TM del campione senza il canale. Con l'introduzione del canale, una banda larga viene guidata attraverso il campione.

Una volta padroneggiata, la progettazione, la costruzione e la misurazione della trasmissione del campione modulare possono essere completate in poche ore, se eseguite correttamente dopo lo sviluppo. Questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori per esplorare le proprietà fotoniche dei materiali disordinati e le loro possibili applicazioni.