负磁导率材料谐振频率和谐振强度调节方法

负磁导率材料谐振频率和谐振强度调节方法

左材料是由多种次波长分散单元组成的周期性结构材料组成的周期性材料。当左材料单元的不均匀规模小于波长时，在声波的作用下，可以描述左材料结构各部分的相互作用。对于结构的结构单元，这种材料可以表示自然界材料不存在的电磁学行为，并且磁导率也可以表示为负。1968年前，苏联物理哲学家v.g.魏泽拉格首次从理论上提出了磁导率和介电常数同时为负的材料，即左材料。由于没有在自然界中观察到这种材料的存在，因此无法找到实现磁导率材料的方法。左侧材料的概念在几十年前被证明是不确定的。1999年，新泽西州理工学院的史密斯dr等人提出了一种将srr和金属开口环境频率结合起来的等效磁导率作为负的介质的方法。2001年，美国加利福尼亚州的rusgen学校的史密斯dr等人在str中列出了包括金属丝在内的领域的数据集。在科学期刊上发表了著名的镜性实验文章。首次通过实验观察负折射效应证明左材料的存在。由于左材料中存在天然材料，可以打破衍射极限的限制，因此左材料可以在成像中应用。左材料的另一个重要应用是倾斜率介质。结构中任何点的介电常数和磁导率都可以通过调整每个结构单元的散射特性来改变。最近，左手材料的主要应用可以在一定的段内进行“隐藏”。传统方法制作的SRR的性质都是固定的,因此限制了它的应用.通过各种途径实现负磁导率材料谐振频率和谐振强度的可调性问题显得越来越重要.文献和从SRR和基底两方面出发实现了负磁导率材料谐振频率和谐振强度的可调.本文拟就负磁导率材料谐振频率及谐振强度的调节方法做一详细叙述.1负磁轴材料的励磁频率的调整方法1.1可调谐负磁导率材料的实验研究负磁导率材料谐振频率受内嵌介质的介电常数的影响比较大,通过改变内嵌介质的介电常数可以实现负磁导率材料谐振频率的可调.Qian,Zhao等以此为出发点利用液晶实现了其谐振频率的可调.液晶在外电场的作用下其光学性质会发生明显的变化的性质使其广泛应用于光频段内的可调谐光子晶体和毫米波段的相移器,因此液晶可以用来动态调节负磁导率材料的谐振频率进而调节其电磁行为.作者将SRR阵列放置在充满液晶的由特氟龙材料制成的容器盒中,其中两个氧化铟锡电极连接到外加电源上,用来对液晶施加电场.整个容器盒放在两个波导口之间进行透射测量.在外加电场的作用下液晶的有效介电常数增加导致谐振频率往低频发生了移动.液晶的恢复性比较好,可以用来实现负磁导率材料谐振频率的实时调控,但同时由于液晶在电场作用下介电常数变换非常少,所以谐振频率调节的幅度在MHz数量级,幅度不大.香港科技大学的BoHou等利用电流变液实现了PBG材料谐振频率的可调性.众所周知电流变液在外加电场的作用下会从流体变为固体,液体中的颗粒也会在电场的作用下排列成柱状结构,因此电流变液可调的流变性质可用来实现可调谐PBG材料和左手材料.上述方法是通过改变内嵌介质的介电常数调节SRR的谐振频率,在一定程度上实现了可调谐负磁导率材料,但实验结果表明调节的范围很小并且单位距离上施加的电压较大,不宜在实际中获得较大应用.ShengZhongyan通过理论分析表明改变SRR基底介质的介电常数也可以调节其谐振频率.随着基底介质介电常数的增加,SRR的谐振频率逐渐往低频发生移动,但是到目前为止还没见到实验方面的报道.1.2实验结果及分析ZhaoHongjie以钇铁石榴石为负磁导率材料,以金属杆为负介电材料,通过对其施加外磁场实现了谐振频率和左手通带可调的负磁导率材料以及左手材料.实验现明在不同外加磁场下,负磁导率材料钇铁石榴石的谐振频率以及由钇铁石榴石和金属杆组成的左手材料的左手通带发生了明显的移动,虽然钇铁石榴石可以用来实现负磁导率材料,但由于其微波损耗比较大,实现较困难,作者的实验结果显示由钇铁石榴石和金属杆组成的左手材料的左手通带峰值只有-40dB,也说明了这一点.1.3使srr内的电容和电容充分显示SRR是由两个同心的开口金属环组成,SRR在入射电磁波的作用下可以等效成一个LC电路当谐磁场垂直于SRR时,SRR内部产生感应电流,从而引入了电感,而电容C则主要来源于两个方面:一方面来源于内外环之间产生的电容,另一方面来源于SRR开口缝处产生的电容,其中SRR开口缝处的电容阻止了感应电流在单个环内的流动,而内外环之间的电容则使得感应电流在整个结构内流动.因此通过改变SRR谐振器的电容和电感可以实现负磁导率材料谐振频率的可调.GilI,AydinK和IlyaV.Shadrivov分别利用电容器和变容二极管实现了谐振频率可调的负磁导率材料.1.3.1窄频滤波器vlsrr在GilI的研究中,作者在SRR的内外环之间加载了一个变容二极管,并利用这种可控的VL-SRR(Varactor-loadedsplitringresonator)构造了一种窄频的滤波器(见图1).对这种窄频滤波器器件进行传输测量,在不同的二极管偏压下,器件的禁带位置往高频发生了移动.由于这种VLSRR的尺寸较小并且可控性较好,它将在微波工程中发挥重要的应用.1.3.2基于市场管理系统的方法在IlyaV.Shadrivov的研究中,作者在SRR的外环开口缝处加载一个变容二极管,这种方法与上述GilI的方法有显著的区别,GilI是通过改变环间的电容以实现内外环之间的边缘偶合进而调节其谐振频率,而此方法则是通过改变开口缝处的电容实现谐振频率的可调.通过对二极管施加不同的电压改变电容器的容值,SRR的谐振频率发生了明显的变化.通过提高材料的性能、二极管的掺杂比以及二极管与SRR之间更高的集成性可以实现更大范围内的调节.1.3.3电容器对srr活性的影响在AydinK的研究中,作者将不同电容值的电容器放置在3个不同的电容区域内:1)内外环之间的缝隙间;2)外环的开口缝间;3)内环的开口缝间.测量结果表明内外环之间、外环开口缝和内环开口处电容值的改变影响到了整个结构的电容值,随着电容值的增加,SRR的谐振频率逐渐往低频发生移动.由此可见,在SRR中加载电容器可以实现负磁导率材料谐振频率的可调,进一步可以调节其负折射率范围和有效参数.此方法恢复性很好,并且随着集成电路技术的发展,此方法也可以用于更高频段的可调谐负磁导率材料中.2负磁导率材料的振兴强度的调整2.1ths特性的调节SRR的谐振强度强烈依靠开口缝之间的电导率,在完全绝缘的情况下,SRR的谐振强度最强;而当开口缝之间完全导电时SRR的谐振将完全消失.因此通过选择适当的基底材料或者在开口缝之间加载电导率可调的材料将可实现SRR谐振强度的可调.文献和报道了利用半导体材料通过电激励和光照实现了负磁导率材料谐振频率处谐振强度的可调.文献利用肖特基二极管的工作原理,选择砷化镓半导体作基底介质同时也作为肖特基二极管的欧姆电极,而肖特基电极则是刻蚀在基底材料上的金SRR阵列.通过在欧姆电极和肖特基电极之间施加不同的电压就可以调节开口缝处基底材料的电导率进而调节SRR阵列谐振频率处(THz)的谐振强度.作者对此SRR阵列进行THz频段的透射测量,测量结果表明在不同的偏压下,SRR阵列的谐振强度发生了明显的变化,因此此SRR阵列可应用于THz频段内的电磁波调节器.此调节器较以前THz频段的电磁调节器有以下几个优点:1)调节范围比较高,可达50%.2)克服了以往THz调节器需要低温环境的缺点.3)实现方法简单,并且施加的电压较小,适宜在实际中较大范围内应用.在PadillaWJ的研究中,同样使用砷化镓半导体做基底介质,通过对其进行光照,激发砷化镓基底介质中自由电子数的增加,进而同样实现了THz频段内SRR谐振强度的可调.2.2激光照射硅片srr-ror-wsSmithDR实现SRR谐振频率处谐振强度可调的方法与上述方法不同,在SRR的开口缝处放置了一个0.2mm×0.2mm的硅片.通过激光照射硅片可以调节SRR开口缝处硅片的电导率从而实现调节SRR谐振强度的目的.对硅片进行激光照射将会改变硅片的电导率进而实现SRR谐振强度的可调,不同强度激光照射下SRR谐振频率处的谐振强度发生了明显的变化.此方法实现简单并且可控性较好,但是构造的SRR谐振强度及调节幅度都很小,当激光强度在0.00~4.35mW之间变化时,谐振强度只发生了1.5dB的变化.3可调谐特征与发展方向1)可调谐红外波段左手材料:红外波段磁响应的实现可应用于生物安全成像、生物分子指纹识别、遥感、可视度极低的天气条件下的导航、微型谐振腔、可调谐透镜、隔离器等参考.但以前可调谐左手材料的研究主要集中在微波和THz波段,研究可调谐红外波段左手材料将具有更广泛的应用前景.2)可调谐可见光波段左手材料:利用左手材料能突破衍射极限的原理,可制成超灵敏单分子探测器,用来探测微量污染、极微量危险性生物化学药剂、以及血液中表征早期疾病的蛋白质分子和医学领域诊断成像等.利用其负折射和倏逝波放大特性,可以用以制做集成光路里的引导元件,有望制作出分辨率比常规光学透镜高几百倍的扁平光学透镜,左手材料也有望解决高密度近场光存储遇到的光学分辨率极限问题,可能制作出存储容量比现有DVD高几个数量级的新型光学存储系统.因此研究可调谐可见光波段左手材料将对微量污染、极微量危险性生物化学药剂、医学领域诊断成像以及新型光学存储系统等产生革命性的影响.3)可调谐增强性天线:右手材料的衰减场进入左手材料后就会变成增强场,以指数级数衰减的倏逝波进入左手材料中将变为指数增强场,相当于对倏逝波进行了放