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【发明授权】磁性光子晶体平板的自导单向边缘态传输_淮阴师范学院_201711315307.0 

申请/专利权人:淮阴师范学院

申请日:2017-12-12

公开(公告)日:2019-12-06

公开(公告)号:CN108051874B

主分类号:G02B1/00(20060101)

分类号:G02B1/00(20060101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2019.12.06#授权;2018.06.12#实质审查的生效;2018.05.18#公开

摘要:一种磁性光子晶体平板的自导单向边缘态传输,它涉及光子晶体技术领域,具体涉及一种磁性光子晶体平板的自导单向边缘态传输。它包含磁柱、吸波材料、同性介质材料、激励探针、接收探针,一定数量的磁柱按照蜂窝结构排列,磁柱之间由空气填充,所述吸波材料包围在磁柱蜂窝结构的外部,激励探针、接收探针设置在磁柱与磁柱之间并位于磁柱蜂窝结构的边界,所述激励探针的入射端面垂直于激励探针与接收探针的连线,上述部分固定在两块同性介质材料之间。采用上述技术方案后,本发明有益效果为:它利用磁性光子晶体平板实现完全自导的单向边缘传输。

主权项:1.一种磁性光子晶体平板的自导单向边缘态传输,其特征在于:它包含磁柱1、吸波材料2、同性介质材料3、激励探针4、接收探针5,一定数量的磁柱1按照蜂窝结构排列,磁柱1之间由空气填充,所述吸波材料2包围在磁柱1蜂窝结构的外部,激励探针4、接收探针5设置在磁柱1与磁柱1之间并位于磁柱蜂窝结构的边界,所述激励探针4的入射端面垂直于激励探针4与接收探针5的连线,上述部分固定在两块同性介质材料3之间,所述两块同性介质材料3可以只有一块,所述磁柱1构成的蜂窝结构中边界上,可以抽掉一根磁柱1或替换成金属柱,所述的同性介质材料3为有机玻璃厚度为3-8mm,介电常数为2.0-2.5。

全文数据:磁性光子晶体平板的自导单向边缘态传输技术领域[0001]本发明涉及光子晶体技术领域,具体涉及一种磁性光子晶体平板的自导单向边缘态传输。背景技术[0002]光子晶体是指具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构。光子晶体概念源自周期性介质中的麦克斯韦方程组和周期性哈密顿的薛定谔方程类比。目前,这种类比扩展到手性边缘态,这是二维电子系统受到强烈的磁场作用时具有的量子霍尔效应。类比的电磁单向边缘模式局限在特定的二维磁性光子晶体边缘上,其群速度只有一个方向,这样的边缘模式后来通过旋磁性光子晶体在微波段进行了实验验证。[0003]目前,单向的自导电波是利用上下金属盖板支持TEM模式的电磁波传输,而该系统中的电磁波类似于二维结构中的TM模式,局域在平行于电磁波传播方向的平面内传输,这种结构实现单向性只能工作在微波段。在光波段,金属一般看作等离子材料,并且这时金属的吸收损耗变得越来越严重。因此如果利用磁性光子晶体平板实现真正的完全自导的单向传输模式将会很有意义。发明内容[0004]本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足,提供一种磁性光子晶体平板的自导单向边缘态传输,它能利用磁性光子晶体平板实现真正的完全自导的单向传输模式。[0005]为实现上述目的,本发明采用以下技术方案是:它包含磁柱1、吸波材料2、同性介质材料3、激励探针4、接收探针5,一定数量的磁柱1按照蜂窝结构排列,磁柱1之间由空气填充,所述吸波材料2包围在磁柱1蜂窝结构的外部,激励探针4、接收探针5设置在磁柱1与磁柱1之间并位于磁柱蜂窝结构的边界,所述激励探针4的入射端面垂直于激励探针4与接收探针5的连线,上述部分固定在两块同性介质材料3之间。[0006]所述两块同性介质材料3可以只有一块。[0007]所述磁柱⑴构成的蜂窝结构中边界上,可以抽掉一根磁柱1或替换成金属柱。[0008]所述磁柱1为铁氧体柱,有限高度,优选为10-20_,半径为2_3mm。[0009]所述的同性介质材料3为有机玻璃,有限厚度,优选为3_8_,介电常数为2•0_2•5。背景材料的折射率一般要低于光子晶体平板的等效折射率,进而产生自导能带。[0010]所述的吸波材料2在包围激励探针4、接收探针5的一侧与磁柱1留有一定距离。形成一个空气与磁性光子晶体平板边界共同构成的通道,另外三面用吸波材料紧密包围从而可以达到降低电磁波边散射效应。[0011]本发明的工作原理:采用Helmholtz线圈给它施加外加偏置磁场,磁场方向垂直于有机玻璃平板。使磁性光子晶体平板处于横向饱和磁化状态。这种蜂窝结构磁性光子晶体平板在破缺时间对称性情况下,能够激发起自导的手性边缘态,传输现象与磁性光子晶体平板的点阵结构、磁性材料的高度、同性介质材料的厚度、外加磁场方向、点阵缺陷有关。[0012]采用上述技术方案后,本发明有益效果为:它利用磁性光子晶体平板实现完全自导的单向边缘传输。附图说明[0013]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。[0014]图1是本发明的结构示意图;图2是图1中A部放大图;图3是图1中B部放大图;图4是本发明同性介质材料厚度3mm的测试传输谱及边界模式的色散关系;图5是本发明同性介质材料厚度5mm的测试传输谱及边界模式的色散关系;图6是本发明同性介质材料厚度8mm的测试传输谱及边界模式的色散关系;图7是本发明平板仅仅下面固定有机玻璃板,其厚度为a3mra,(b5mm,(c8mm的传输谱;图8是本发明抽掉一根磁柱的平板下面固定有机玻璃板,其厚度为a3mm,⑹5mm,(c8mm的传输谱;图9是本发明金属柱取代一根磁柱的平板下面固定有机玻璃板,其厚度为a3mm,(b5mm,(c8mm的传输谱。[0015]附图标记说明:磁柱1、吸波材料2、同性介质材料3、激励探针4、接收探针5。具体实施方式[0016]本申请受国家自然科学基金项目(61701187、江苏省高校自然科学研宄项目16KJB510004、15KJA460004、淮安市重点研发计划工业及信息化)(HAG2015039、江苏省2016年大学生实践创新训练计划项目(201610323020Z支持。[0017]参看图1-图9所示,本具体实施方式采用的技术方案是:它包含磁柱1、吸波材料2、同性介质材料3、激励探针4、接收探针5,一定数量的磁柱1按照蜂窝结构排列,磁柱1之间由空气填充,所述吸波材料2包围在磁柱1蜂窝结构的外部,激励探针4、接收探针5设置在磁柱1与磁柱1之间并位于磁柱蜂窝结构的边界,所述激励探针4的入射端面垂直于激励探针4与接收探针5的连线,上述部分固定在两块同性介质材料3之间。所述两块同性介质材料3可以只有一块。所述磁柱(1构成的蜂窝结构中边界上,可以抽掉一根磁柱1或替换成金属柱。所述磁柱1为铁氧体柱,有限高度,优选为10-20ram,半径为2-3mm。所述的同性介质材料3为有机玻璃,有限厚度,优选为3-8mm,介电常数为2.0-2.5。背景材料的折射率一般要低于光子晶体平板的等效折射率,进而产生自导能带。所述的吸波材料2在包围激励探针4、接收探针5的一侧与磁柱1留有一定距离。形成一个空气与磁性光子晶体平板边界共同构成的通道,另外三面用吸波材料紧密包围从而可以达到降低电磁波边散射效应。[0018]采用Helmholtz线圈给它施加外加偏置磁场,磁场方向垂直于有机玻璃平板。使磁性光子晶体平板处于横向饱和磁化状态。这种蜂窝结构磁性光子晶体平板在破缺时间对称性情况下,能够激发起自导的手性边缘态,传输现象与磁性光子晶体平板的点阵结构、磁性材料的高度、同性介质材料的厚度、外加磁场方向、点阵缺陷有关。[0019]图4-图6给外加偏置磁场为600〇6的作用下,衬底厚度分别为3111111、5111111、8111111时,实验测量得到的传输谱。由于破缺了时间反演对称性,频率位于手性边缘态时电磁波只能沿着一个方向传输,对应到传输谱上应表现为代表电磁波前向传和后向传输幅度的参数S21和S12具有很大的差异。可以看出频率位于10.0_10.8GHz时,S21的幅值远大于S12,深度大概为30dB。图4-图6〇是忽略损耗项计算得到的投影到M-K边界上的能带图。比较仿真的传输谱和能带图,两者吻合得很好,带隙频率的微小偏移是由加工精度引起的。实验说明这种蜂窝结构磁性光子晶体平板在破缺时间对称性情况下,能够激发起自导的手性边缘态,传输方向与具体的边界形态和外加磁场方向有关。[0020]当磁性光子晶体平板的下面衬底是有机玻璃板,上面是空气。关于Z=0不对称结构通常比较明显的现象就是传输模式不再具有奇模和偶模。当衬底千扰很小,自导模式能有效地局域在平板内部,波函数也能被近似为奇模和偶模,带隙特性也将会被保持。参看图7平板下面固定有机玻璃板,其厚度为£13111111,〇35111111,(〇8111111的传输谱。图7中,在频率10GHz-10.8GHz处有较为明显的单向性;图7b中,单向传输频率区间逐渐变小,S21与S12的能量差别变小;图7cS21与S12的能量差别基本在10dB左右了,单向性非常不明显。从该传输谱中可以给出结论:当有机玻璃的厚度逐渐增加,关于z=0平面的对称性被破缺越严重,对电磁波的局域特性逐渐变弱,光子晶体的带隙特性逐渐消失,最终造成单向性消失。[0021]当空气柱取代磁柱抽掉一根磁柱或金属柱取代边界上的一根磁柱;我们按照相同的尺寸、材料参数制备了实际样品,通过对边界上传输谱的测量实验上验证了光子晶体平板的自导手性边界态的性质。图8、图9分别是在边界上两探针中间位置处抽掉一根磁柱、在该位置处插入一根相同结构参数的金属柱的测量传输谱。平板上下固定有机玻璃板,其厚度为a3mm,⑹5mm,(c8刪。无论哪种情况的缺陷,自导边界态的频率范围处,前向传输依旧远远大于背向传输,正、反向大差异的传输谱未受到明显的影响。可以认为无论边界上引入的缺陷是弱散射体还是强散射体,基本没有向空间的辐射泄漏能量,电磁波在缺陷位置都不会产生明显的背向散射场,而是大部分能流自动选择最短路径绕开障碍物或缺陷,电磁波保持单向传播。只是对于不同的散射体,传播过程的也略存差异,通过比较空气柱和金属柱传输谱,发现电磁波在绕过金属柱的时候随着有机玻璃板厚度的增加反向传输谱变得越来高,正反向差异变小,说明了在有机玻璃较厚时,平板内电磁波的局域效果变弱。[0022]以上所述,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

权利要求:1.一种磁性光子晶体平板的自导单向边缘态传输,其特征在于:它包含磁柱(1、吸波材料⑵、同性介质材料⑶、激励探针⑷、接收探针⑸,一定数量的磁柱⑴按照蜂窝结构排列,磁柱(1之间由空气填充,所述吸波材料⑵包围在磁柱⑴蜂窝结构的外部,激励探针4、接收探针5设置在磁柱(1与磁柱(D之间并位于磁柱蜂窝结构的边界,所述激励探针⑷的入射端面垂直于激励探针⑷与接收探针⑸的连线,上述部分固定在两块同性介质材料3之间。2.根据权利要求1所述的一种磁性光子晶体平板的自导单向边缘态传输,其特征在于:所述两块同性介质材料3可以只有一块。3.根据权利要求1所述的一种磁性光子晶体平板的自导单向边缘态传输,其特征在于:所述磁柱1构成的蜂窝结构中边界上,可以抽掉一根磁柱1或替换成金属柱。4.根据权利要求1所述的一种磁性光子晶体平板的自导单向边缘态传输,其特征在于:所述磁柱⑴为铁氧体柱,有限高度,优选为l〇-2〇mm,半径为2-3mni。5.根据权利要求1所述的一种磁性光子晶体平板的自导单向边缘态传输,其特征在于:所述的同性介质材料3为有机玻璃,有限厚度,优选为3-™,介电常数为2.〇_2.5。6.根据权利要求1所述的一种磁性光子晶体平板的自导单向边缘态传输,其特征在于:所述的吸波材料2在包围激励探针4、接收探针5的一侧与磁柱⑴留有一定距离。

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