Usando microondas e amostras macroscópicas de dielétricos sólidos para estudar as propriedades fotônicas de desordenados fotônicos Bandgap Materiais

O objetivo geral do experimento a seguir é usar amostras em escala de micro-ondas de sólidos dielétricos para estudar as propriedades fotônicas de materiais de band gap fotônico desordenado. Isso é obtido construindo amostras de teste feitas com componentes dielétricos inseridos em um modelo de base impresso em 3D com orifícios e ranhuras dispostos para formar padrões ordenados ou desordenados específicos. Como segundo passo, coloque a amostra em um estágio rotativo entre um par de antenas de buzina de micro-ondas e faça medições de transmissão em uma ampla faixa de frequências para diferentes ângulos de incidência, o que permitirá a determinação das propriedades de intervalo de banda da estrutura.

Em seguida, modifique a estrutura para formar um defeito funcional e realize medições de transmissão para estudar as propriedades de orientação e ressonância das ondas das estruturas modificadas. São obtidos resultados que mostram a faixa de frequência e a dependência angular do band gap das estruturas, bem como o desempenho de seus defeitos funcionais com base na análise do espectro de transmissão medido. A principal vantagem desta técnica de simulação numérica e método experimental em escala submicrométrica é que esta técnica evita o uso da enorme quantidade de recursos concorrentes e fabricação submicrométrica cara, de modo que se pode construir de forma rápida e barata desordem, material de gap de banda fotônica, modificá-los com design de defeito arbitrário e caracterizar suas propriedades fotônicas diretamente.

As implicações dessa técnica se estendem a qualquer sistema fotônico, incluindo a região da luz visível e a região do infravermelho. Como as micro equações estão sendo dimensionadas em variante, exatamente o mesmo design e resultados podem ser aplicados à luz visível quando o zaper é encolhido 10.000 vezes. Insights. Este vídeo começa depois que uma estrutura dielétrica desordenada hiperuniforme bidimensional foi projetada e sua base fabricada.

A base é feita de uma resina transparente e possui orifícios e ranhuras nos quais a estrutura desordenada será montada. Uma segunda base de treliça quadrada também foi feita para comparação. Cada base tem dois centímetros de altura com esses elementos prontos.

Volte a atenção para os blocos de construção que serão usados para construir as estruturas. Obtenha hastes Illumina e paredes finas com pelo menos alguns comprimentos de onda de altura aqui, 10 centímetros. O diâmetro de todas as hastes é de cinco milímetros e a espessura da parede é sempre de 0,38 milímetros com larguras variadas.

Em seguida, construa uma estrutura de teste livre de defeitos com um limite quase circular para medições de intervalo de banda. Faça isso inserindo as hastes e paredes na base para a arquitetura de estrutura desejada. Esta é a estrutura desordenada hiperuniforme.

Após a construção, produziu-se a estrutura de treliça quadrada da mesma maneira. Aqui está o resultado final para a rede quadrada. Configure o experimento em uma bancada.

Use um gerador de micro-ondas de varredura sintetizado para fornecer radiação na faixa de 45 megahertz a 50 gigahertz com resolução de um hertz. Conecte-o a um conjunto de teste de parâmetro S para medir os parâmetros de transmissão para medir e processar o sinal do conjunto de teste de parâmetro S. Conecte um analisador de rede vetorial de micro-ondas e, em seguida, use cabos coaxiais semiflexíveis de alta qualidade para conectar as portas do conjunto de teste de parâmetros S com as guias de onda de entrada e saída para garantir a polarização linear do campo E.

Use guias de onda retangulares de modo único e adaptadores conectados a antenas de buzina parametálica. As antenas estão em ambos os lados de um palco rotativo onde a estrutura será colocada. Em seguida, defina os parâmetros do instrumento para o experimento no painel de controle.

Para o analisador de rede vetorial, selecione a faixa de frequência para medição aqui, sete gigahertz a 15 gigahertz. Em seguida, selecione um fator de média para controlar o ruído. Finalmente, para esta medição de sete a 15 gigahertz, escolha o número necessário de pontos de dados para obter uma resolução de frequência de 10 megahertz.

Providencie um computador para automatizar medições e registro de dados. Comece as medições de intervalo de banda calibrando o sistema. Primeiro, alinhe os chifres vertical e horizontalmente para que fiquem de frente um para o outro a uma distância de cerca de 40 centímetros, cerca de 15 vezes o comprimento de onda médio para a varredura com a configuração que será para as medições, mas sem uma amostra entre os chifres.

Inicie uma varredura de micro-ondas para medir a transmissão através do espaço livre. Depois que a varredura for feita em um a dois minutos, salve os resultados como um conjunto de calibração no analisador de rede vetorial. Aqui está um gráfico típico de transmissão através do espaço livre em função da frequência.

Primeiro, certifique-se de zerar a escala de ângulo do palco. Agora centralize uma estrutura livre de defeitos com um limite quase circular no estágio giratório entre os dois chifres. Nesse caso, a estrutura desordenada hiperuniforme é usada para preparar o analisador de rede vetorial para a medição.

Ligue o conjunto de calibração salvo para permitir a medição da transmissão relativa através da amostra. Inicie a varredura de micro-ondas para coletar dados quando uma varredura for concluída e os dados salvos. Providencie para que a radiação incida na estrutura de outra direção.

Para fazer isso, gire o stage dois graus no sentido anti-horário em preparação para a próxima medição com os dados de calibração salvos em realizar outra medição da transmissão relativa. Depois que todas as medições entre zero e 180 graus forem concluídas, remova a estrutura entre as antenas. Gire cada buzina 90 graus para obter uma polarização de campo diferente.

A polarização está sendo alterada de magnética transversal para elétrica transversal. Realize a calibração e as medições com a estrutura. Novamente, após as medições do intervalo de banda, prepare a estrutura para as medições do guia de onda.

Faça uso do design modular para criar rapidamente um guia de ondas removendo elementos. Nesse caso, transforme uma estrutura hiperuniforme sem defeitos em uma com um canal através dela. Mude para antenas corneta menores para medição do guia de ondas.

Em seguida, mova as antenas o mais próximo possível das aberturas dos canais. Este arranjo de antenas em relação ao canal garante um bom acoplamento, desligue a calibração no analisador de rede vetorial e inicie a varredura de microondas. O analisador de rede vetorial mostrará e registrará a taxa de transmissão bruta da potência detectada sobre a fonte de energia.

Quando a medição estiver concluída. Gire os dois chifres em 90 graus. Para permitir a caracterização da polarização, dependência da estrutura, medir a taxa de transmissão nesta nova configuração.

Esta é a transmissão de polarização TE de uma estrutura hiperuniforme. Em um ângulo, o eixo vertical está em decibéis. O eixo horizontal é a frequência.

Em gigahertz, uma queda de mais de duas ordens de magnitude entre 8,5 gigaherz e 9,5 gigaherz indica uma região de banda de parada. A queda em cerca de 13 gigahertz se deve ao desempenho da antena. Estes são gráficos polares da transmissão através de uma rede quadrada e uma estrutura de defeito hiperuniforme.

Ao longo da direção radial está a frequência em unidades da velocidade da luz sobre o espaçamento da rede. O ângulo corresponde ao ângulo dos incidentes. As regiões de baixa transmissão estão em azul para as bandas de parada da rede quadrada devido à ostentação, a dispersão aparece ao longo da BRI e dos limites em forma de quadrado.

Em contraste, a estrutura hiperuniforme do defeito, formas de stop gap e band gap fotônico isotrópico. Aqui está uma amostra desordenada hiperuniforme com um guia de onda de canal reto. A largura do canal é o dobro do espaçamento médio da haste interna.

Esta é a razão medida entre a potência detectada e a fonte de energia para ondas TM através do canal em unidades da velocidade da luz sobre o espaçamento médio da haste interna. A região rosa é o intervalo de banda TM da amostra sem o canal. Com a introdução do canal, uma banda larga é guiada através da amostra.

Uma vez dominado, a medição do projeto, construção e transmissão da amostra modular pode ser feita em poucas horas se for realizada corretamente após seu desenvolvimento. Essa técnica abriu caminho para os pesquisadores explorarem as propriedades fotônicas de materiais desordenados e suas possíveis aplicações.