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电磁波在磁性光子晶体中的单向传输特性研究

【摘要】:磁性材料在微波和光信息技术中得到了广泛应用,它们在实现微波和光学器件的小型化、可调性和改善匹配等方面起到了重要的作用。在控制信号传播的隔离器、环流器和相移器等应用中,它们还扮演着不可替代的重要角色。由磁性材料在外加偏置磁场或自发激励作用下,具有各向异性和色散的张量磁导率,表现出磁共振、磁表面等离激元、时间反演对称性破缺等特性以及与此相关的非互易性等,因此近年来有关电磁波在磁性材料中的传播问题备受关注。本论文围绕磁性光子晶体中边界态单向传输、体波模式非互易传输进行了研究。在理论计算、仿真模拟和实验验证等方面取得以下主要几个研究成果:(1)针对旋磁性介质,提出了修正的FDTD计算方法。通过降低磁场分量等式中角频率的高次项和优化磁通本构方程,降低了 FDTD的中心差分阶数,简化了时域本构方程离散的复杂度。将该方法应用于二维旋磁性光子晶体能带结构研究,通过与多重散射方法能带计算结果、旋磁性光子晶体传输谱实验结果的比较,验证了所提出方法的准确性和可靠性。(2)研究了二维磁性光子晶体中电磁波的自准直传输特性,探讨了填充因子等因素对其自准直特性的影响。应用磁性光子晶体的自准直传输特性设计了频率可调的90度弯曲器、T型分束器。(3)采用半圆柱基元破坏空间反演对称性,在二维磁性光子晶体中获得了自准直的单向体波,其传播方向可由偏置磁场控制。证明了可通过施加梯度偏置磁场,实现自准直的单向体波波束沿指定曲线传播。利用这一性质提出了一种非互易的电磁信号空间分解器,使电磁信号根据不同频率按不同通道传输,实现信号的分离。(4)构造了具有时间和空间反演对称性破缺的复式结构三角点阵旋磁性光子晶体,它具有光子晶体内的单向体波和在界面上的负折射特性。基于坐标变换不改变旋磁材料张量磁导率形式的特点,通过光学变换设计出来可任意弯曲的自准直单向波导,它能引导电磁波束沿任意指定路径自准直非互易传输。(5)研究了磁性光子晶体平板的单向边界态特性。分析研究了由光子晶体平板能带中的Dirac点被劈裂导致的拓扑边界态,相应的电磁波单向传输特性,以及衬底的介电常数、厚度等因素对单向传输的影响。实验验证了磁性光子晶体平板zigzag边界上的单向传输模式。(6)提出了一种具有非对称传输特性的一维链式旋磁性光子晶体。结合能带计算,仿真和实验论证了这种非对称传输源于该一维链式结构存在的单向体波模式。分析了一维磁性光子晶体链中基元的镜像反射对称性对其传能带结构和传输特性的影响,指出了该链式非互易传输波导系统具有可调控、可设计、可柔性排布的特点。

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