負磁導率材料諧振頻率和諧振強度調(diào)節(jié)方法

負磁導率材料諧振頻率和諧振強度調(diào)節(jié)方法

左材料是由多種次波長分散單元組成的周期性結構材料組成的周期性材料。當左材料單元的不均勻規(guī)模小于波長時，在聲波的作用下，可以描述左材料結構各部分的相互作用。對于結構的結構單元，這種材料可以表示自然界材料不存在的電磁學行為，并且磁導率也可以表示為負。1968年前，蘇聯(lián)物理哲學家v.g.魏澤拉格首次從理論上提出了磁導率和介電常數(shù)同時為負的材料，即左材料。由于沒有在自然界中觀察到這種材料的存在，因此無法找到實現(xiàn)磁導率材料的方法。左側材料的概念在幾十年前被證明是不確定的。1999年，新澤西州理工學院的史密斯dr等人提出了一種將srr和金屬開口環(huán)境頻率結合起來的等效磁導率作為負的介質的方法。2001年，美國加利福尼亞州的rusgen學校的史密斯dr等人在str中列出了包括金屬絲在內(nèi)的領域的數(shù)據(jù)集。在科學期刊上發(fā)表了著名的鏡性實驗文章。首次通過實驗觀察負折射效應證明左材料的存在。由于左材料中存在天然材料，可以打破衍射極限的限制，因此左材料可以在成像中應用。左材料的另一個重要應用是傾斜率介質。結構中任何點的介電常數(shù)和磁導率都可以通過調(diào)整每個結構單元的散射特性來改變。最近，左手材料的主要應用可以在一定的段內(nèi)進行“隱藏”。傳統(tǒng)方法制作的SRR的性質都是固定的,因此限制了它的應用.通過各種途徑實現(xiàn)負磁導率材料諧振頻率和諧振強度的可調(diào)性問題顯得越來越重要.文獻和從SRR和基底兩方面出發(fā)實現(xiàn)了負磁導率材料諧振頻率和諧振強度的可調(diào).本文擬就負磁導率材料諧振頻率及諧振強度的調(diào)節(jié)方法做一詳細敘述.1負磁軸材料的勵磁頻率的調(diào)整方法1.1可調(diào)諧負磁導率材料的實驗研究負磁導率材料諧振頻率受內(nèi)嵌介質的介電常數(shù)的影響比較大,通過改變內(nèi)嵌介質的介電常數(shù)可以實現(xiàn)負磁導率材料諧振頻率的可調(diào).Qian,Zhao等以此為出發(fā)點利用液晶實現(xiàn)了其諧振頻率的可調(diào).液晶在外電場的作用下其光學性質會發(fā)生明顯的變化的性質使其廣泛應用于光頻段內(nèi)的可調(diào)諧光子晶體和毫米波段的相移器,因此液晶可以用來動態(tài)調(diào)節(jié)負磁導率材料的諧振頻率進而調(diào)節(jié)其電磁行為.作者將SRR陣列放置在充滿液晶的由特氟龍材料制成的容器盒中,其中兩個氧化銦錫電極連接到外加電源上,用來對液晶施加電場.整個容器盒放在兩個波導口之間進行透射測量.在外加電場的作用下液晶的有效介電常數(shù)增加導致諧振頻率往低頻發(fā)生了移動.液晶的恢復性比較好,可以用來實現(xiàn)負磁導率材料諧振頻率的實時調(diào)控,但同時由于液晶在電場作用下介電常數(shù)變換非常少,所以諧振頻率調(diào)節(jié)的幅度在MHz數(shù)量級,幅度不大.香港科技大學的BoHou等利用電流變液實現(xiàn)了PBG材料諧振頻率的可調(diào)性.眾所周知電流變液在外加電場的作用下會從流體變?yōu)楣腆w,液體中的顆粒也會在電場的作用下排列成柱狀結構,因此電流變液可調(diào)的流變性質可用來實現(xiàn)可調(diào)諧PBG材料和左手材料.上述方法是通過改變內(nèi)嵌介質的介電常數(shù)調(diào)節(jié)SRR的諧振頻率,在一定程度上實現(xiàn)了可調(diào)諧負磁導率材料,但實驗結果表明調(diào)節(jié)的范圍很小并且單位距離上施加的電壓較大,不宜在實際中獲得較大應用.ShengZhongyan通過理論分析表明改變SRR基底介質的介電常數(shù)也可以調(diào)節(jié)其諧振頻率.隨著基底介質介電常數(shù)的增加,SRR的諧振頻率逐漸往低頻發(fā)生移動,但是到目前為止還沒見到實驗方面的報道.1.2實驗結果及分析ZhaoHongjie以釔鐵石榴石為負磁導率材料,以金屬桿為負介電材料,通過對其施加外磁場實現(xiàn)了諧振頻率和左手通帶可調(diào)的負磁導率材料以及左手材料.實驗現(xiàn)明在不同外加磁場下,負磁導率材料釔鐵石榴石的諧振頻率以及由釔鐵石榴石和金屬桿組成的左手材料的左手通帶發(fā)生了明顯的移動,雖然釔鐵石榴石可以用來實現(xiàn)負磁導率材料,但由于其微波損耗比較大,實現(xiàn)較困難,作者的實驗結果顯示由釔鐵石榴石和金屬桿組成的左手材料的左手通帶峰值只有-40dB,也說明了這一點.1.3使srr內(nèi)的電容和電容充分顯示SRR是由兩個同心的開口金屬環(huán)組成,SRR在入射電磁波的作用下可以等效成一個LC電路當諧磁場垂直于SRR時,SRR內(nèi)部產(chǎn)生感應電流,從而引入了電感,而電容C則主要來源于兩個方面:一方面來源于內(nèi)外環(huán)之間產(chǎn)生的電容,另一方面來源于SRR開口縫處產(chǎn)生的電容,其中SRR開口縫處的電容阻止了感應電流在單個環(huán)內(nèi)的流動,而內(nèi)外環(huán)之間的電容則使得感應電流在整個結構內(nèi)流動.因此通過改變SRR諧振器的電容和電感可以實現(xiàn)負磁導率材料諧振頻率的可調(diào).GilI,AydinK和IlyaV.Shadrivov分別利用電容器和變?nèi)荻O管實現(xiàn)了諧振頻率可調(diào)的負磁導率材料.1.3.1窄頻濾波器vlsrr在GilI的研究中,作者在SRR的內(nèi)外環(huán)之間加載了一個變?nèi)荻O管,并利用這種可控的VL-SRR(Varactor-loadedsplitringresonator)構造了一種窄頻的濾波器(見圖1).對這種窄頻濾波器器件進行傳輸測量,在不同的二極管偏壓下,器件的禁帶位置往高頻發(fā)生了移動.由于這種VLSRR的尺寸較小并且可控性較好,它將在微波工程中發(fā)揮重要的應用.1.3.2基于市場管理系統(tǒng)的方法在IlyaV.Shadrivov的研究中,作者在SRR的外環(huán)開口縫處加載一個變?nèi)荻O管,這種方法與上述GilI的方法有顯著的區(qū)別,GilI是通過改變環(huán)間的電容以實現(xiàn)內(nèi)外環(huán)之間的邊緣偶合進而調(diào)節(jié)其諧振頻率,而此方法則是通過改變開口縫處的電容實現(xiàn)諧振頻率的可調(diào).通過對二極管施加不同的電壓改變電容器的容值,SRR的諧振頻率發(fā)生了明顯的變化.通過提高材料的性能、二極管的摻雜比以及二極管與SRR之間更高的集成性可以實現(xiàn)更大范圍內(nèi)的調(diào)節(jié).1.3.3電容器對srr活性的影響在AydinK的研究中,作者將不同電容值的電容器放置在3個不同的電容區(qū)域內(nèi):1)內(nèi)外環(huán)之間的縫隙間;2)外環(huán)的開口縫間;3)內(nèi)環(huán)的開口縫間.測量結果表明內(nèi)外環(huán)之間、外環(huán)開口縫和內(nèi)環(huán)開口處電容值的改變影響到了整個結構的電容值,隨著電容值的增加,SRR的諧振頻率逐漸往低頻發(fā)生移動.由此可見,在SRR中加載電容器可以實現(xiàn)負磁導率材料諧振頻率的可調(diào),進一步可以調(diào)節(jié)其負折射率范圍和有效參數(shù).此方法恢復性很好,并且隨著集成電路技術的發(fā)展,此方法也可以用于更高頻段的可調(diào)諧負磁導率材料中.2負磁導率材料的振興強度的調(diào)整2.1ths特性的調(diào)節(jié)SRR的諧振強度強烈依靠開口縫之間的電導率,在完全絕緣的情況下,SRR的諧振強度最強;而當開口縫之間完全導電時SRR的諧振將完全消失.因此通過選擇適當?shù)幕撞牧匣蛘咴陂_口縫之間加載電導率可調(diào)的材料將可實現(xiàn)SRR諧振強度的可調(diào).文獻和報道了利用半導體材料通過電激勵和光照實現(xiàn)了負磁導率材料諧振頻率處諧振強度的可調(diào).文獻利用肖特基二極管的工作原理,選擇砷化鎵半導體作基底介質同時也作為肖特基二極管的歐姆電極,而肖特基電極則是刻蝕在基底材料上的金SRR陣列.通過在歐姆電極和肖特基電極之間施加不同的電壓就可以調(diào)節(jié)開口縫處基底材料的電導率進而調(diào)節(jié)SRR陣列諧振頻率處(THz)的諧振強度.作者對此SRR陣列進行THz頻段的透射測量,測量結果表明在不同的偏壓下,SRR陣列的諧振強度發(fā)生了明顯的變化,因此此SRR陣列可應用于THz頻段內(nèi)的電磁波調(diào)節(jié)器.此調(diào)節(jié)器較以前THz頻段的電磁調(diào)節(jié)器有以下幾個優(yōu)點:1)調(diào)節(jié)范圍比較高,可達50%.2)克服了以往THz調(diào)節(jié)器需要低溫環(huán)境的缺點.3)實現(xiàn)方法簡單,并且施加的電壓較小,適宜在實際中較大范圍內(nèi)應用.在PadillaWJ的研究中,同樣使用砷化鎵半導體做基底介質,通過對其進行光照,激發(fā)砷化鎵基底介質中自由電子數(shù)的增加,進而同樣實現(xiàn)了THz頻段內(nèi)SRR諧振強度的可調(diào).2.2激光照射硅片srr-ror-wsSmithDR實現(xiàn)SRR諧振頻率處諧振強度可調(diào)的方法與上述方法不同,在SRR的開口縫處放置了一個0.2mm×0.2mm的硅片.通過激光照射硅片可以調(diào)節(jié)SRR開口縫處硅片的電導率從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)SRR諧振強度的目的.對硅片進行激光照射將會改變硅片的電導率進而實現(xiàn)SRR諧振強度的可調(diào),不同強度激光照射下SRR諧振頻率處的諧振強度發(fā)生了明顯的變化.此方法實現(xiàn)簡單并且可控性較好,但是構造的SRR諧振強度及調(diào)節(jié)幅度都很小,當激光強度在0.00~4.35mW之間變化時,諧振強度只發(fā)生了1.5dB的變化.3可調(diào)諧特征與發(fā)展方向1)可調(diào)諧紅外波段左手材料:紅外波段磁響應的實現(xiàn)可應用于生物安全成像、生物分子指紋識別、遙感、可視度極低的天氣條件下的導航、微型諧振腔、可調(diào)諧透鏡、隔離器等參考.但以前可調(diào)諧左手材料的研究主要集中在微波和THz波段,研究可調(diào)諧紅外波段左手材料將具有更廣泛的應用前景.2)可調(diào)諧可見光波段左手材料:利用左手材料能突破衍射極限的原理,可制成超靈敏單分子探測器,用來探測微量污染、極微量危險性生物化學藥劑、以及血液中表征早期疾病的蛋白質分子和醫(yī)學領域診斷成像等.利用其負折射和倏逝波放大特性,可以用以制做集成光路里的引導元件,有望制作出分辨率比常規(guī)光學透鏡高幾百倍的扁平光學透鏡,左手材料也有望解決高密度近場光存儲遇到的光學分辨率極限問題,可能制作出存儲容量比現(xiàn)有DVD高幾個數(shù)量級的新型光學存儲系統(tǒng).因此研究可調(diào)諧可見光波段左手材料將對微量污染、極微量危險性生物化學藥劑、醫(yī)學領域診斷成像以及新型光學存儲系統(tǒng)等產(chǎn)生革命性的影響.3)可調(diào)諧增強性天線:右手材料的衰減場進入左手材料后就會變成增強場,以指數(shù)級數(shù)衰減的倏逝波進入左手材料中將變?yōu)橹笖?shù)增強場,相當于對倏逝波進行了放