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光子晶体是当前研究的热点,在微波与光学领域都有巨大的应用前景。近期以来,由磁性材料构成的磁性光子晶体引起了人们越来越多的关注,这是因为磁性光子晶体的能带性质可以被外加偏置磁场调节。应用磁性光子晶体可能制作出一些新型的磁控微波和光电子器件。本文通过理论分析、数值仿真和实验相结合,深入研究了二维磁性光子晶体的能带结构、传输特性以及外加偏置磁场对带隙性质的调节作用。
本文首先运用FDTD法和平面波展开法计算了由非色散各向同性磁性材料构成的二维磁性光子晶体的能带结构和传输特性,重点研究了波阻抗对光子带隙的中心频率和宽度的影响。结果表明二维磁性光子晶体的能带结构中要出现带隙并不一定要有波阻抗的周期性调制。此外,本研究发现在折射率不变时,是两种媒质的波阻抗比值决定带隙的中心频率和宽度。
然后介绍了用铁氧体材料设计的带隙位于X波段的二维磁性光子晶体,用数值方法研究了磁性光子晶体的传输特性和缺陷对传输特性的影响。最后详细讨论了二维磁性光子晶体传输特性的实验测量结果,并与数值仿真结果进行了对比。本研究制作了正方格子和六角格子两种晶格的磁性光子晶体样品,在平行板测量系统中测量了其传输特性。在实验上证实了磁性光子晶体的带隙确实可以受外加偏置磁场的调节,也说明了在二维磁性光子晶体中,磁性材料的各向异性不能用等效的各向同性媒质来表征。还测量了引入缺陷对磁性光子晶体的传输特性的影响。仿真和实验结果都证明了只有引入垂直于波传播方向的线缺陷,传输谱中才会出现明显的谐振峰,且谐振峰随着偏置磁场的增强而向高频移动。
本文还就平行板波导测量系统的设计,包括平行板波导和Helmholtz线圈的设计作了较为详细的介绍。