基于旋磁超构表面的磁光效应增强与非互易传输研究

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电磁非互易性是指电磁波在正向和反向信道上呈现不同传输性质,一直是学术前沿和研究热点之一。波在常规介质中的传播过程中具有互易性,洛伦兹互易定理的约束使得在非磁性、线性和时不变介质中无法产生非互易电磁响应。非互易器件的迫切需求激发了学术界对非互易机制新机理的积极探索,推动了强隔离性能集成器件的不断发展。实现电磁非互易高度依赖于系统的时间反演对称破缺。为打破电磁互易性,科学家们在光学和微波波段提出了各种设计方法,比如基于磁光效应、折射率时空调制、非线性调制以及光电控制等。其中基于磁光效应是一种传统且广泛采用的技术途径,通过对旋磁材料施加外部静磁场,破坏磁光晶体的时间反演对称性,产生磁光效应,可实现非互易单向传输电磁波的目的。尽管依托此技术已有商业产品,但它与成熟的半导体工艺技术不相兼容,并且存在显著损耗等问题。另外,随着由二维人工亚波长结构组成的超构表面的迅速发展,从广义斯涅尔定律,惠更斯超构表面、表面阻抗全息术、可重构和可编程超表面等新概念的提出,为操纵电磁场和波提供了新的理论方法。在本文中,我们结合超构表面设计理念和旋磁材料非互易性质,对磁光效应增强机制和非互易器件进行了理论探索和实验验证,讨论了旋磁超构表面在非互易隔离器、非互易天线罩等器件中的应用。下面我们将本文的研究内容以及创新点进行总结概括:1.我们从理论上提出,通过磁谐振颗粒(以下简称磁颗粒)掺杂(本文中掺杂是指在背景材料中加入具有特定电磁模式的微结构颗粒)可以增强旋磁结构的磁光效应,使得在不改变材料化学成分的前提下实现非互易响应的增强。这一概念起源于介电常数近零介质的光学掺杂,类似于半导体中的掺杂方法,即在介电常数近零介质中引入掺杂元素,实现宏观等效磁导率和介电常数的改善。本文中我们将该掺杂理论推广到非互易领域,理论分析磁颗粒掺杂旋磁结构的磁光效应,得出了旋磁和旋电特性同时增强的结论,实现了低偏置场、薄厚度和对外场扰动具有强鲁棒性的非互易设计。我们还研究了基于磁光光子晶体实现非互易的设计方法。在磁光光子晶体材料中,外加偏置磁场使得能带结构产生劈裂,产生非互易的单向表面态,该单向表面态具有对于障碍和缺陷的鲁棒性。2.近年来随着超构表面的研究,极大地促进了利用空间波和场来实现各种电磁功能器件的设计。本论文提出了一种利用外加偏置磁场的超构表面来实现电磁波非互易传输的设计方法。设计的磁光超构表面由掺有磁谐振颗粒的旋磁材料平板组成。对该超构表面在实验室环境下进行测试,微波测量结果表明,超构表面具有强磁谐振效应,在外加磁场下手性偏振波的传输谱发生劈裂,可作为圆偏振手性隔离器。我们基于旋磁超构表面完成了非互易单向天线罩的设计,可用于抑制天线的同偏振电磁波干扰。3.探索了具有手性反转特性的非互易滤偏器的设计,实现了对不同圆偏振电磁波的选择性反射或吸收。我们对该超构表面进行了仿真设计,并在微波频段进行了实验验证,仿真和实验结果均验证了该设计的有效性。在先进电气系统的接收和发射部件空间隔离设计中具有很大的应用潜力。综上所述,本论文在旋磁材料的基本性质、磁光效应增强的超构表面设计以及非互易器件等方面取得了一定的研究成果。
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