Pang-eksperimentong pagsasakatuparan ng isang bukas na lukab | mga ulat sa agham

Pang-eksperimentong pagsasakatuparan ng isang bukas na lukab | mga ulat sa agham

Anonim

Mga Paksa

  • Inihiling na pisika
  • Teknikal na elektrikal at elektronik
  • Mga metamaterial
  • Photonic crystals

Abstract

Ang disenyo at eksperimentong pagpapakita ng isang bukas na lukab sa rehiyon ng microwave ay ipinakita. Ang kondisyon ng resonans ay nakamit sa pamamagitan ng pagkansela ng mga lightpath sa positibo at negatibong refractive index na materyales. Ang positibong materyal ng index ay isang nakabalangkas na ibabaw ng aluminyo na sumusuporta sa isang mode na plato ng plato sa ibabaw, at ang negatibong index na materyal ay isang photonic crystal na gawa sa alumina. Ang isang ranggo ng resonans ay sinusunod sa sinusukat na spectrum kung saan ang pamamahagi ng electric field ay sumasang-ayon sa numerical simulation.

Panimula

Naipalabas ng mga potensyal na aplikasyon sa mga superlense at iba pang mga nobelang phenomena 1, 2, 3, ang mga negatibong repraksyon ng photonic crystals ay malawak na pinag-aralan 3, 4, 5 . Sa pangkalahatan ay may dalawang mga prinsipyo ng pagpapatakbo para sa pagkamit ng negatibong cryaction ng photonic crystals. Sinasamantalahan ng isa ang negatibong bilis ng pangkat na malapit sa gitna ng Brillouin zone (Γ) kung saan may mga kabaligtaran ang phase at grupo. Dahil ang patas na dalas na tabas (EFC) ay malapit na pabilog, ang isang epektibong index n eff ay maaaring tukuyin, upang ang photonic crystal ay kumikilos tulad ng isotropic, uniporme, kaliwang kamay na materyal sa isang tiyak na saklaw ng dalas 4 . Ang iba pang paraan ay gumagamit ng istraktura ng banda sa gilid ng Brillouin zone kung saan ang EFC ay matambok 6 . Walang negatibong mabisang indeks na maitukoy sa kasong ito. Ang isang katulad na pag-uugali ay maaari ding matagpuan sa tinatawag na "spoof plasmon" na ibabaw ng alon sa nakabalangkas na ibabaw ng metal 7 .

Ang isang partikular na aplikasyon para sa mga photonic crystals na may negatibong epektibong index ay isang bukas na lukab, isang lukab nang hindi sumasalamin sa mga dingding. Sa isang tanawin na sinusubaybayan ng sinag, ang kondisyon ng resonant ay nakamit sa pamamagitan ng pag-aayos ng alternatibong positibong index at negatibong index ng mga wedge na may minimal na interface-pagmuni-muni upang ang positibo at negatibong mga lightpath ay makansela sa bawat isa at bumubuo ng isang bukas na lukab na may mataas na kalidad na kadahilanan 8, 9, 10, 11 . Ang mga bukas na lungga ay nangangako sa mga application tulad ng sensing o lasing kung saan maaaring makamit ang malakas na pakikipag-ugnay sa light-matter sa pamamagitan ng malaking overlap ng resonant mode at ang materyal ng interes (mga sukat, makakuha ng mga materyales, atbp.). Gayunpaman, sa abot ng ating kaalaman, wala pa ring eksperimentong pagsasakatuparan ng mga bukas na lungga sa alinman sa microwave o optical na rehiyon. Sa gawaing ito, magpapakita kami ng eksperimento ng isang bukas na butas ng microwave na may isang hybrid ng photonic crystal at istruktura na plasmon ng plato.

Mga Resulta

Ang dinisenyo na bukas na lukab ay ipinapakita sa Figure 1 (a). Ang isang tatsulok na sala-sala ng mga butas na hexagonal na drill sa isang perpektong ibabaw ng metal ay ginagamit bilang positibong materyal ng index. Ang mga sukat ng istraktura ay ipinapakita sa Figure 1 (b). Bilang karagdagan sa istraktura na ipinakita sa Figure 1 (a), ang isang takip ng metal ay nasuspinde sa bukas na lukab. Ang layunin nito ay ipaliwanag sa ibang pagkakataon. Para sa kaginhawaan ng katha at pagsukat, ang lattice constant ay pinili upang maging isang = 13.0 mm. Mula sa kinakalkula na TM (electric field polarized patayo sa metal na ibabaw) band diagram sa Figure 1 (d) makikita na ang isang spoof plasmon surface mode na may mabisang index na bahagyang nasa itaas ng 1 ay suportado. Ang materyal na negatibong index, tulad ng ipinapakita sa Figure 1 (c), ay may parehong istraktura at sukat maliban na ang isang dielectric (alumina, ε = 9. 0) photonic crystal layer na may butas na heksagonal ay inilalagay sa tuktok ng ibabaw ng metal. Ang diagram ng band ng negatibong index na materyal ay naka-plot sa Figure 1 (d) bilang mga asul na tuldok. Makikita na ang pangalawang banda ay hinila sa pamamagitan ng pagkakaroon ng dielectric na istraktura at overlay na may unang banda ng positibong materyal ng index sa normalized frequency sa paligid ng 0 . 4 c / a (c ay ang bilis ng ilaw sa vacuum.). Ang mga EFC ng mga banda sa rehiyon ng overlay na mga frequency (ipinapakita sa Figure 1 (e)) ay malapit sa isotropic, na nagpapahiwatig na ang isang epektibong index ay maaaring tukuyin sa window na dalas. Gayundin ang bilis ng grupo (ang gradient ng band diagram) ay nasa kabaligtaran ng direksyon ng alon vector, na nagpapahiwatig na ang tinukoy na epektibong index ay negatibo.

Image

(a) Pangmalas ng pananaw ng dinisenyo bukas na lukab. Ang isang piraso ng dielectric slabs ay nakataas ng kaunti upang maipakita ang ilalim ng istrukturang metal. Ipinapakita ng inset ang gitna ng lukab at ang interface sa pagitan ng positibo at negatibong mga materyales sa index. Ang pula at asul na mga arrow ay ang mga lightpath sa positibo at negatibong index na mga materyales, na nagbibigay ng isang pagtingin sa sinag ng sinag. (b) diagram ng eskematiko para sa positibong istraktura ng index. (c) diagram ng eskematiko para sa negatibong istraktura ng index. (d) Band diagram para sa positibong index (pula) at negatibong index (asul) na mga cell cells. Ang grey dashed curve ay ang posisyon ng light cone para sa hangin. Ang dilaw na lugar kung saan ang dalawang banda ay magkakapatong. Ang maliit na tuldok ay ang mga mode sa light cone. Γ, M, K ang mga mataas na simetrya puntos sa hindi maiiwasang zone ng Brillouin ng hexagonal na sala-sala, tulad ng ipinapakita sa inset. (e) EFC ng positibong index (pula) at negatibong index (asul) na banda sa overlay na lugar. Ang normalized dalas para sa positibong curve band band ay 0 . 400 c / a , at ang mga normal na frequency para sa negatibong index band ay ipinahiwatig sa figure.

Buong laki ng imahe

Kahit na ang parehong mga istraktura ay sumusuporta sa mga mode ng ibabaw na may pagtutugma ng mga epektibong indeks na may kabaligtaran na mga palatandaan, ang pagkabit sa pagitan ng mga mode na ito at ang pagkakaroon ng bukas na lukab ng resonance. Ang mga simetrya ng mga mode ay dapat na maitugma upang makamit ang isang mataas na paghahatid 9 . Gayundin, ang patuloy na mga mode sa air light cone ay dapat isaalang-alang. Ipinapakita ng Figure 2 ang proseso ng negatibong repraksyon sa interface ng positibong materyal ng index (PIM) at ang negatibong index material (NIM). Kapag naganap ang pagwawasto, ang kahanay na bahagi ng wavevector ay natipid. Bukod sa negatibong mode ng index sa EFC (asul na tuldok), ang mga leaky mode sa air light cone (purple dashed line) ay nasiyahan din ang kondisyong ito. Ang mga mode na ito ay mayroong k k at magpapalaganap sa libreng puwang. Dahil ang positibong mode ng indeks ay nagpapakita ng isang pag-uugali na kahawig ng isang alon ng eroplano, ang mga leaky mode na ito ay maaari ring ikinatuwa kasama ang negatibong mode ng pagrepraksyon na ibinigay na ang pagtutugma ng mode at mga kinakailangan sa simetrya ay natutugunan. Sa gayon ang pagkawala sa interface ng pagwawasto ay malaki. Matapos mag-apply ng isang takip ng metal sa itaas ng istraktura, ang puwang sa pagitan ng singsing na ibabaw ng metal at sa ilalim na ibabaw ng takip ng metal ay maaaring isaalang-alang na isang plate waveguide. Kaya sa rehiyon kung saan ang ω> k , tanging ang mga mode ng paggalaw ng waveguide sa halip na ang tuluy-tuloy na mga mode ng libreng puwang ay maaaring magkaroon, tulad ng ipinahiwatig ng mga maliit na tuldok sa Larawan 1 (d). Sa pamamagitan ng pag-aayos ng mga parameter ang istraktura ng banda ay maaaring mai-tono upang sa mga dalas ng interes ang positibong epektibong mga mode ng index ay maaaring mag-asawa lamang sa mga negatibong epektibong mode ng index, tulad ng ipinahiwatig sa dilaw na overlay na lugar sa Figure 1 (d). Ang posisyon ng pagtatapos ng sala-sala sa interface ng dalawang materyales ay nakakaimpluwensya rin sa paghahatid ng 10, 12 . Sa gayon ang mga cell sa gilid ng dielectric wedges ay pinutol sa isang tukoy na posisyon, tulad ng nakalarawan sa inset ng Figure 1 (a). Ang taas ng puwang h sa pagitan ng ibabaw ng metal at ang takip ng metal ay naayos na 0 . 51 a = 6.63 mm.

Image

Ang pulang bilog ay ang EFC ng isang isotropic positibong index na materyal, at ang asul na curve ay ang EFC ng isang isotropic negatibong index na materyal. Ang patayong linya ng pambalot ay isang indikasyon para sa interface ng dalawang materyales. Ang pahalang tuldok na linya ay ang locus ng dulo ng mga wavevectors na may isang pare-pareho ang bahagi. Ang grey solid disk ay ang seksyon ng cross ng air cone sa naibigay na dalas. Ang lilang putol na linya ay ang mga mode sa air cone na maaaring ikinatuwa sa proseso ng pagwawasto.

Buong laki ng imahe

Ang simulate na field intensity ay ipinapakita sa Figure 3 (a). Ang dalas at kalidad na kadahilanan ng mode ay nakuha 13 upang maging f = 0 . 4030 c / a , na tumutugma sa 9 . 294 GHz, at Q = 814. Ang resonant frequency ay wala sa eksaktong halaga kung saan ang ganap na halaga ng positibo at negatibong epektibong index ay pantay sa bawat isa. Maaaring sanhi ito ng pag-tune ng pagwawakas ng latonic na kristal sa interface, na bahagyang binabago ang ilaw na landas at nakakaimpluwensya sa phase. Ang bilang ng mga tagal ng photonic crystal ay may isang maliit na impluwensya sa kalidad na kadahilanan ng mode, na nauunawaan dahil ang patlang ay higit sa lahat nakakulong sa paligid ng lukab ng lukab.

Image

(a) Lakas ng patlang ng kuryente | E | 2 . (b) Isang oras na snapshot ng electric field E z .

Buong laki ng imahe

Ipinapakita ng Figure 4 ang gawa-gawa na sample at ang pang-eksperimentong pag-setup. Ang mga detalye para sa eksperimento ay matatagpuan sa seksyong "Mga Paraan". Dahil ang sinusukat na parameter na S 21 ay proporsyonal sa larangan ng kuryente, ang sinusukat na mga patlang ng kuryente ay naka-plot bilang S 21 na may isang di-makatwirang yunit. Ang sinusukat na intensidad ng patlang ng kuryente ay ipinapakita sa Larawan 5 (a) at ang sinusukat na patlang ng kuryente sa isang tiyak na yugto ay ipinapakita sa Figure 5 (b) (ang kinakalkula na patlang sa Larawan 3 (b) ay sa isang oras na snapshot napiling tumugma Larawan 5 (b)). Makikita na ang patlang ng kuryente ay tumutok sa paligid ng gitna, na nagpapakita ng isang pattern na katulad ng kinakalkula na mga resulta sa Larawan 3, na nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng isang mode ng resonans. Ang spectrum ng patlang sa isang posisyon na malapit sa cavity center ay sinusukat at naka-plot sa Figure 5 (c), kung saan malinaw na nakita ang isang resonance peak. Ang dalas ng rurok ay 9 . Ang 415 GHz at ang buong-lapad na kalahating maximum (FWHM) ng rurok ay 0 . 013 GHz. Samakatuwid, ang kalidad na kadahilanan ng mode ay kinakalkula na f / Δ f = 724. Ang mga pagkakaiba ng kinakalkula at sinusukat na mga dalas at kalidad na mga kadahilanan ay maaaring sanhi ng pagkakamali sa pag-ipon ng sample, error sa pagkakatulad sa pagitan ng sample at metal takip, at ang pagkakaiba sa pagitan ng makatotohanang at teoretikal na materyal na permittivities. Gayundin ang sinusukat na intensity ay may isang asymmetrical pattern kumpara sa na sa kinakalkula na resulta, na maaaring sanhi ng mga pagkakamali na nabanggit sa itaas ng pagsira sa simetrya ng istraktura.

Image

(a) Isang larawan ng sample na gawa sa sample na may nakapaligid na pagsisipsip at ang cable na nagkokonekta sa mapagkukunan ng probe (sa ibaba ng sample). Ang pagsisiyasat ng detector at ang takip ng metal ay hindi ipinapakita sa larawan. (b) Side view ng pang-eksperimentong pag-setup. Ang asul at pulang arrow ay nagpapahiwatig ng waveguide mode at ang mode ng ibabaw na nasasabik sa gilid ng plate na aluminyo.

Buong laki ng imahe

Image

(a) Ang lakas ng patlang ng Elektronik sa dalas ng resonansya, na na-overlay na may dielectric na istraktura. Ang posisyon ng detektor ay nasa ilalim na ibabaw ng takip ng metal. (b) Patlang ng kuryente sa isang tiyak na yugto, na na-overlay sa dielectric na istraktura. (c) Sinukat na spectrum na malapit sa gitna ng lukab.

Buong laki ng imahe

Pagtalakay

Upang mapatunayan na ang resonansya ay talagang sanhi ng pagkansela ng mga ilaw na landas sa mga positibo at negatibong index na materyales, binabago namin ang mga epektibong indeks ng positibo at negatibong index na materyales sa pamamagitan ng pag-tune ng taas ng puwang h . Ang isang serye ng mga sukat na may iba't ibang mga halaga ng h ay ginanap. Ang sinusukat na mga frequency mode at kalidad na mga kadahilanan ay naka-plot sa Figure 6 (a). Dahil ang tumpak na halaga ng h ay hindi makakamit sa aming pag-setup, ang x-axis ng balangkas ay ang pagkakaiba ng taas ng agwat with h may paggalang sa pinakamainam na taas na nagbibigay ng isang mode na may pinakamalaking kadahilanan ng kalidad (ang sinusukat na mga resulta na ipinakita sa itaas ay para sa kasong ito). Ipinapakita ng figure na ang resonant frequency ay nagdaragdag sa pagtaas ng mga halaga ng h , at ang kalidad na kadahilanan ay bumababa nang paunti habang ang h ay lumihis mula sa pinakamainam na halaga. Ang isang katulad na takbo ay makikita sa simulate na resulta sa Larawan 6 (b). Ang pagtaas ng dalas ng malalakas na pagtaas ng h ay maaaring maunawaan sa pamamagitan ng pagsasaalang-alang sa sample kasama ang tuktok na takip bilang isang MIM (metal-insulator-metal) plasmonic waveguide, at ang mode bilang pangunahing mode ng 0 0 na walang cut-off kapal 14, 15 . Ang pagtaas ng taas ng puwang ay nagiging sanhi ng pagkabit sa pagitan ng dalawang mga interface ng metal / dielectric na humina, at ang mode ng TM 0 ay lalapit sa mode ng ibabaw ng istraktura nang walang pagkakaroon ng takip ng metal, na may mas mataas na dalas. Mula sa Figure 6 (c) makikita na ang epektibong index ratio ng mga positibo at negatibong index na materyales sa mga resonant frequency ay mananatili halos palaging para sa iba't ibang taas ng agwat. Isaalang-alang ang kondisyon para sa resonans n p L p + n n L n = 0 kung saan n p, at n n ang mga epektibong indeks at L p, L n ang haba ng mga pisikal na landas para sa mga positibo at negatibong index na materyales, na ipinahiwatig sa Larawan 1 (a) bilang pula at asul na mga arrow. Dahil ang istraktura ng planar ay naayos, ang ratio L p / L n ay naayos. Samakatuwid ang resonance ay maaaring mangyari lamang sa dalas kung saan ang ratio ng mga indeks ay nasiyahan sa kondisyon sa itaas. Ang kalidad na kadahilanan ng bukas na mode ng lukab ay nakasalalay sa pagmuni-muni sa positibo at negatibong interface ng materyal na index. Samakatuwid, ang dalas lamang ng resonant na kung saan mababa ang pagmuni-muni ay maaaring magkaroon ng isang mataas na kalidad na kadahilanan, at ang kalidad ng kadahilanan ay nagpapahina sa iba pang mga nakaganyak na frequency. Ang refractive index sensing kakayahan ng dinisenyo aparato ay ginalugad din. Isaalang-alang ang isang kaso kapag ang bukas na lukab ay nalubog sa sukat, at hayaang maayos ang h sa pinakamabuting halaga. Ang simulate na mga dalas ng resonansya at kalidad na mga kadahilanan na may iba't ibang index ng refractive na kapaligiran ay ipinapakita sa Figure 6 (d). Dahil sa tagal ng isang = 13.0 mm, ang sensitivity ay kinakalkula na 2 . 998 GHz / RIU sa dalas 9 . 294 GHz.

Image

(a) Sinusukat na mga frequency ng mode (pula) at mga kadahilanan ng kalidad (asul). (b) Simulated mode frequency (pula) at mga kadahilanan ng kalidad (asul). (c) Nakalkula ang positibong mabisang indeks ( n p, pula), negatibong mabisang indeks (| n n |, berde) at ang kanilang ratio (| n p / n n |, asul) sa kani-kanilang mga saling dalas. (d) Simulate na mga resonant frequency (pula) at mga kadahilanan ng kalidad (asul) na may iba't ibang index ng refractive na kapaligiran.

Buong laki ng imahe

Sa konklusyon, dinisenyo namin ang isang bukas na lukab na may alternating positibo at negatibong index na materyales para sa spoof plasmon ibabaw na alon sa rehiyon ng microwave. Ang mga pang-eksperimentong resulta ay sumasang-ayon nang mabuti sa mga simulation. Tandaan na ang bukas na eksperimento sa lukab na ipinakita namin dito ay upang ipakita ang "pagiging bukas" ng lukab sa pahalang na eroplano. Napag-usapan din ang kondisyon para sa bukas na lukab ng lukab at ang kakayahang pandamdam ng aparato. Ang bukas na lukab ay may isang mahusay na pagkasensitibo dahil sa malaking overlap ng resonance mode at ang pagsukat. Ang dinisenyo na bukas na lukab ay gumagana sa rehiyon ng microwave. Gayunpaman, ang dalas ng pagtatrabaho ay maaaring mai-scale sa terahertz o mga optical na rehiyon, kung saan inaasahan ang mga potensyal na sensing application. Dahil sa pangangailangan na suppressing ang leaky wave, sa rehiyon ng terahertz ang pamamaraan ng paggamit ng isang takip ng metal sa gawaing ito ay maaari pa ring magamit; habang sa optical na rehiyon, ang mga istruktura ng metal ay magkakaroon ng kahirapan dahil sa pagtaas ng pagkawala ng materyal. Sa halip, ang makapal na dielectric na istraktura ay maaaring gawa sa lithography at malalim na pamamaraan ng etching upang lumikha ng isang 2D na katumbas na optical na aparato. Ang paggalugad ng negatibong repraksyon sa 3D photonic crystals 16 ay maaaring isa pang mabubuhay na pamamaraan sa pag-unlad ng mga diskarte sa katha 17 .

Paraan

Simulation

Ang diagram ng banda, EFCs at mga mode ng resonans ay kinakalkula ng pamamaraan ng domain na may hangganang pagkakaiba ng 3D. Ang isang malayang magagamit na package FDTD 18 ay ginagamit para sa mga simulation na isinagawa sa kasalukuyang gawain.

Halimbawang katha

Ang materyal ng metal na bahagi ng sample ay aluminyo at ang bahagi ng dielectric na bahagi ay 99.6% purong alumina. Ang mga bahaging iyon ay pinagsama nang hiwalay sa mga CNC (computer numerical control) mills at nagtipon pagkatapos.

Pagsukat

Tulad ng ipinapakita sa Figure 4, ang mga bloke ng foam ( ε ≈ 1) ay inilalagay sa ilalim ng sample upang suspindihin ito. Ang mapagkukunan ng pagsisiyasat, na kumikilos bilang isang mapagkukunan ng point, ay naayos sa likod na bahagi ng sample. Ang tumpak na posisyon ng pinagmulan ay hindi nakakaapekto sa pagsukat. Ang isang detector probe ay tumagos sa pamamagitan ng isang butas sa takip ng metal. Ang mapagkukunan ng pagsisiyasat ay nagpapasaya sa electromagnetic wave sa plate waveguide na nabuo ng likod na bahagi ng aluminyo plate at sa tuktok na ibabaw ng base ng metal. Ang mode ng waveguide ay nagpapalaganap sa mga gilid ng plate na aluminyo at pinupukaw ang mode ng spoof plasmon doon, tulad ng ipinahiwatig ng mga arrow sa Figure 4 (b). Iniiwasan ng setup na ito ang panghihimasok mula sa pinagmulan ng punto mula nang ang signal mula sa pinagmulan ay hindi direktang lumaganap sa detektor. Ang metal na takip ay nasa isang nakapirming posisyon at ang sample ay naka-mount sa isang entablado na kinokontrol ng motor. Ang distansya sa pagitan ng sample at ang takip ng metal ay maaaring kontrolado sa pamamagitan ng pagpapataas o pagbaba ng entablado. Ang mga probation at detector probes ay konektado sa dalawang port ng isang vector network analyzer. Ang hakbang na hakbang sa motor ay na-program upang i-scan ang lugar ng sample, at ang laki at yugto ng pasulong na paghahatid ( S 21 ) sa pagitan ng dalawang pantalan sa isang saklaw ng dalas sa bawat posisyon ay sinusukat.

Mga puna

Sa pamamagitan ng pagsusumite ng isang puna sumasang-ayon ka na sumunod sa aming Mga Tuntunin at Mga Patnubay sa Komunidad. Kung nakakita ka ng isang mapang-abuso o hindi sumunod sa aming mga tuntunin o patnubay mangyaring i-flag ito bilang hindi naaangkop.