Использование Микроволновая печь и макроскопических образцов диэлектрических твердых тел для изучения фотонных свойства неупорядоченных фотонных запрещенной зоны материалов
September 26th, 2014
Неупорядоченных структурах предложить новые механизмы формирования фотонных запрещенных зон и беспрецедентную свободу в функционально-дефектных конструкций. Чтобы обойти вычислительные проблемы неупорядоченных систем, мы построим модульные макроскопические образцы нового класса PBG материалов и использовать микроволновые печи для характеристики их масштабно-инвариантной фотонные свойства, в простой и недорогой образом.
Общая цель данного эксперимента заключается в использовании микроволновых образцов диэлектрических твердых тел для изучения фотонных свойств неупорядоченных фотонных материалов запрещенной зоны. Это достигается за счет создания тестовых образцов, изготовленных из диэлектрических компонентов, вставленных в напечатанный на 3D-принтере базовый шаблон с отверстиями и пазами, расположенными для формирования определенных упорядоченных или неупорядоченных узоров. В качестве второго шага поместите образец на вращающийся столик между парой микроволновых рупорных антенн и проведите измерения передачи в широком диапазоне частот для различных углов падения, что позволит определить свойства запрещенной зоны конструкции.
Затем модифицируйте структуру, чтобы сформировать функциональный дефект, и выполните измерения пропускания, чтобы изучить волноводные и резонирующие свойства модифицированных структур. Получены результаты, показывающие частотный диапазон и угловую зависимость конструкций от запрещенной зоны, а также выполнение их функциональных дефектов на основе анализа измеряемого спектра пропускания. Основное преимущество этого метода численного моделирования и эксперимента субмикронного масштаба заключается в том, что этот метод позволяет избежать использования огромного количества конкурирующих ресурсов и дорогостоящего субмикронного производства, так что можно быстро и недорого сконструировать беспорядок, фотонный материал запрещенной зоны, модифицировать его с помощью произвольного дизайна дефектов и напрямую охарактеризовать их фотонные свойства.
Применение этого метода распространяется на любую фотонную систему, включая видимую и инфракрасную области. Поскольку микроуравнения масштабируются в вариантах, точно такой же дизайн и результаты могут быть применены к видимому свету, когда запер уменьшается в 10 000 раз. Идеи. Это видео начинается после того, как была спроектирована двумерная гипероднородная неупорядоченная диэлектрическая структура и изготовлено ее основание.
Основа изготовлена из прозрачной смолы и имеет отверстия и прорези, на которых будет собираться неупорядоченная конструкция. Для сравнения также было изготовлено второе квадратное решетчатое основание. Каждая база имеет высоту два сантиметра с этими элементами наготове.
Обратите внимание на строительные блоки, которые будут использоваться для строительства конструкций. Приобретаются стержни Illumina и тонкие стенки, которые имеют высоту не менее нескольких длин волн здесь, 10 сантиметров. Диаметр всех стержней составляет пять миллиметров, а толщина стенки всегда 0,38 миллиметра с разной шириной.
Затем постройте бездефектную испытательную конструкцию с почти круговой границей для измерений в запрещенной зоне. Сделайте это, вставив стержни и стенки в основание для желаемой архитектуры конструкции. Это гипероднородная неупорядоченная структура.
После постройки производится квадратная решетчатая конструкция таким же образом. Вот окончательный результат для квадратной решетки. Поставьте эксперимент на настольную установку.
Используйте синтезированный микроволновый генератор для обеспечения излучения в диапазоне от 45 мегагерц до 50 гигагерц с разрешением в один герц. Подключите его к испытательному комплекту S-параметров для измерения параметров передачи для измерения и обработки сигнала от испытательного комплекта S-параметров. Подключите микроволновый векторный анализатор цепей, затем используйте высококачественные полугибкие коаксиальные кабели для подключения портов испытательного комплекта S-параметров к входным и выходным волноводам для обеспечения линейной поляризации Е-поля.
Используйте прямоугольные одномодовые волноводы и адаптеры, подключенные к параметаллическим рупорным антеннам. Антенны находятся по обе стороны от вращающейся сцены, на которой будет размещена конструкция. Далее задайте параметры прибора для эксперимента на панели управления.
Для векторного анализатора цепей выберите диапазон частот для измерения здесь, от семи гигагерц до 15 гигагерц. Затем выберите коэффициент усреднения для контроля шума. Наконец, для измерения с частотой от 7 до 15 ГГц выберите необходимое количество точек данных, чтобы достичь частотного разрешения 10 МГц.
Организуйте компьютер для автоматизации измерений и регистрации данных. Начните измерения на запрещенной зоне с калибровки системы. Во-первых, выровняйте рупоры по вертикали и горизонтали так, чтобы они были обращены друг к другу на расстоянии около 40 сантиметров, что примерно в 15 раз больше средней длины волны для развертки с установкой, как это будет при измерениях, но без образца между рупорами.
Запустите микроволновую развертку, чтобы измерить пропускание через свободное пространство. После того как развертка будет завершена в течение одной-двух минут, сохраните результаты в виде калибровочного набора в векторном анализаторе цепей. Вот типичный график передачи через свободное пространство в зависимости от частоты.
Во-первых, обязательно обнулите масштаб угла наклона сцены. Теперь центрируйте бездефектную конструкцию с почти круглой границей на вращающемся столике между двумя рогами. В этом случае гипероднородная неупорядоченная структура используется для подготовки векторного анализатора цепей к измерению.
Включите сохраненный набор калибровки, чтобы разрешить измерение относительного пропускания через образец. Запустите микроволновую развертку для сбора данных после завершения развертки и сохранения данных. Организуйте так, чтобы излучение падало на конструкцию с другого направления.
Для этого поверните столик на два градуса против часовой стрелки в рамках подготовки к следующему измерению с сохраненными калибровочными данными и выполните еще одно измерение относительного пропускания. После завершения всех измерений от нуля до 180 градусов снимите конструкцию между антеннами. Поверните каждый рупор на 90 градусов, чтобы добиться разной поляризации поля.
Поляризация изменяется с поперечной магнитной на поперечную электрическую. Выполните калибровку и измерения конструкции. Опять же, после измерений на запрещенной зоне, подготовьте конструкцию к измерениям волновода.
Используйте модульную конструкцию для быстрого создания волновода путем удаления элементов. В этом случае преобразуйте бездефектную гипероднородную структуру в структуру с проходящим через нее каналом. Переход на меньшие рупорные антенны для измерения волноводов.
Затем переместите антенны как можно ближе к отверстиям канала. Такое расположение антенн по отношению к каналу обеспечивает хорошую связь, отключение калибровки в векторном анализаторе цепей и запуск СВЧ-развертки. Векторный анализатор цепей покажет и запишет исходное соотношение передачи обнаруженной мощности над мощностью источника.
Когда измерение будет завершено. Поверните оба рога на 90 градусов. Для того, чтобы можно было определить характеристики поляризации, зависимости от структуры, измерьте коэффициент пропускания в этой новой конфигурации.
Это поляризационная передача TE гипероднородной структуры. Под одним углом вертикальная ось находится в децибелах. Горизонтальная ось — это частота.
В гигагерцах падение более чем на два порядка величины между 8,5 и 9,5 гигагерц указывает на область стоп-полосы. Падение частоты примерно на 13 гигагерц связано с производительностью антенны. Это полярные графики пропускания через квадратную решетку и гипероднородную дефектную структуру.
Вдоль радиального направления — частота в единицах скорости света на расстоянии решетки. Угол соответствует углу происшествий. Области с низким пропусканием выделены синим цветом для полос упора квадратной решетки из-за хвастовства, рассеяния появляются вдоль квадратной формы BRI и границ
.Напротив, гипероднородная структура дефекта, формы запорной зоны и изотропная фотонная запрещенная зона. Перед нами гипероднородный неупорядоченный образец с прямым каналом волновода. Ширина канала в два раза больше среднего расстояния между внутренними стержнями.
Это измеренное отношение обнаруженной мощности к мощности источника для волн TM через канал в единицах скорости света на среднем расстоянии между внутренними стержнями. Розовая область — это запрещенная зона TM образца без канала. С введением канала широкополосный канал направляется по образцу.
После освоения проектирование, конструирование и измерение пропускания модульного образца могут быть выполнены за несколько часов, если они будут выполнены должным образом после его разработки. Этот метод проложил путь исследователям к изучению фотонных свойств неупорядоченных материалов и их возможного применения.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Обзор
В данном исследовании изучаются фотонные свойства материалов с беспорядочным фотонным запрещенным диапазоном на основе образцов в микроволновом масштабе. Построение модульных образцов и использование микроволнового анализа позволяет исследованию выявить новые механизмы формирования фотонного запрещенного диапазона.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Материалы с фотонным запрещенным диапазоном
- Микроволновый анализ
- Беспорядочные структуры
Фон
- Беспорядочные структуры могут создавать уникальные фотонные свойства.
- Традиционные методы исследования этих материалов могут быть ресурсом-интенсивными.
- Микроволновые методы предлагают более экономичную альтернативу для характеристики.
- Функциональные дефекты в материалах могут улучшить их свойства.
Цель исследования
- Исследовать свойства запрещенного диапазона беспорядочных фотонных материалов.
- Разработать метод быстрого построения и модификации образцов.
- Анализировать влияние структурных изменений на фотонную производительность.
Используемые методы
- Создание диэлектрических твердых образцов с использованием 3D-печатаемого шаблона.
- Размещение образцов на вращающейся сцене для измерения пропускания.
- Характеристика свойств запрещенного диапазона в диапазоне частот.
- Модификация структур для создания функциональных дефектов для дальнейшего анализа.
Основные результаты
- Определен диапазон частот и угловая зависимость запрещенного диапазона.
- Анализировали производительность функциональных дефектов в модифицированных структурах.
- Доказана эффективность микроволновой техники для характеристики.
- Показано, что этот метод позволяет избежать дорогостоящих процессов изготовления.
Выводы
- Исследование представляет новый подход к характеристике беспорядочных фотонных материалов.
- Микроволновые методы предоставляют практическое решение для изучения сложных структур.
- Функциональные дефекты могут быть эффективно интегрированы в фотонные конструкции.
Часто задаваемые вопросы
Executive Industry Relevance
This microwave-based technique enables rapid, low-cost characterization of photonic bandgap properties in disordered dielectric structures, offering a scalable alternative to nanofabrication for early-stage photonic material screening. By leveraging scale invariance, results from centimeter-scale microwave samples directly inform infrared and optical device design, accelerating target validation in photonic integrated circuits and sensing applications. The method supports mechanistic de-risking by enabling iterative defect engineering and waveguide prototyping before committing to expensive lithographic processes.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of light-matter interactions in disordered media to validate hypotheses about photonic bandgap formation and isotropy.
- Operational Value: Uses accessible microwave instrumentation and centimeter-scale samples to rapidly test structural variants without cleanroom fabrication.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Provides quantitative transmission spectra to identify stop-band frequencies and angular dependence as functional photonic readouts.
- Operational Value: Supports assay standardization via modular 3D-printed templates and vector network analyzer automation for reproducible measurements.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Demonstrates waveguiding through arbitrary defect channels, supporting translational assessment of photonic signal routing in biocompatible dielectric systems.
- Operational Value: Facilitates preclinical continuity by allowing rapid iteration of waveguide designs for sensor or implantable device prototypes.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from early target validation through lead identification, where photonic material properties are screened prior to preclinical prototyping of diagnostic or therapeutic devices.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of disordered dielectric architectures for complete and isotropic photonic bandgaps via frequency-resolved transmission mapping.
- Screening: Enables assay readiness through standardized sample placement on rotating stages and polarization-controlled measurements for bandgap quantification.
- Analytics: Generates transmission ratio data (detected/source power) to compare structural conditions and identify broadband guiding channels.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by validating freeform waveguides that could interface with photodetectors or lab-on-chip systems.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for screening diverse disordered photonic lattices using the same microwave characterization workflow.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in photonic bandgap existence and isotropy through direct measurement of transmission suppression across angles and frequencies.
- Operational Value: Standardization and scalability via 3D-printed templates, microwave horn antennas, and vector network analyzer automation.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions on photonic material designs by rapidly assessing defect-mediated waveguiding before optical-scale fabrication.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization of dielectric material systems based on measurable bandgap width and defect tolerance.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microwave engineering and electromagnetic theory to interpret S-parameter transmission data.
- Depends on access to vector network analyzers, microwave synthesizers, horn antennas, and precision rotating stages.
- Necessitates cross-team standardization of sample geometry, polarization alignment, and calibration protocols for reproducible results.
- Involves adaptation considerations when scaling designs from microwave to optical wavelengths while preserving structural symmetry and defect fidelity.
- Practical limitations include diffraction effects at high frequencies and mechanical stability of centimeter-scale dielectric assemblies during rotation.
