利用電磁左手材料調(diào)控電磁波的極化反轉(zhuǎn)-復(fù)旦大學(xué)物理教學(xué)試驗(yàn)中心(共7頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 利用電磁左手材料調(diào)控電磁波的偏振反轉(zhuǎn)查 揚(yáng) 汪人甫 *俞 熹（復(fù)旦大學(xué)，物理系 上海邯鄲路220號(hào) ）摘要：通過各向異性的電磁介質(zhì)板的反射，電磁波的偏振狀態(tài)可以被任意地調(diào)節(jié)，在特定的條件下甚至可以完全反轉(zhuǎn). 文中, 作者在微波測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)測(cè)量偏振反轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)，在特定的頻率觀測(cè)到了偏振反轉(zhuǎn)的極大值. 另外作者還提出了一個(gè)提高偏振反轉(zhuǎn)率的方案并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性. 通過轉(zhuǎn)移矩陣方法計(jì)算得到了偏振反轉(zhuǎn)的理論結(jié)果并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.關(guān)鍵詞：電磁左手材料各向異性 偏振反轉(zhuǎn)專心-專注-專業(yè)中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：, 文章編號(hào): 1000-0712(2008

2、).偏振是電磁波的一個(gè)很重要的性質(zhì)，人們總希望可以完全調(diào)控電磁波的偏振狀態(tài).近年來出現(xiàn)的電磁左手材料，是一種人工制備的具有負(fù)介電收稿日期：2008-07-04基金項(xiàng)目：國家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金 (No J)作者簡介：查揚(yáng)（1987-7-7），男，復(fù)旦大學(xué)物理系本科在讀。俞熹:email:whyx常數(shù)和磁導(dǎo)率的新型材料，具有許多奇異的電磁特性，如任意相位反射、反多普勒效應(yīng)、完全光子帶隙等Manipulating and Measuring Polarizations Conversion of Electromagnetic wave by Anisotropic MetamaterialsYa

3、ng Zha Renfu Wang *Xi Yu (Department of physics, Fudan University, Shanghai )Abstract: Reflected from anisotropic metamateiral slab, polarization states of electromagnetic wave can be manipulated with great freedom, and may have complete polarization conversion under certain conditions. In this pape

4、r we present our designing and performing of an experiment aimed at measuring the polarization conversion of electromagnetic wave, based on the laboratorys microwave system. We show the result of our experiment as we found considerable polarization conversion at certain frequencies. We also purposed

5、 a new approach to enhance the polarization conversion ratio (PCR) and have testified it through experiment. Numerical simulations are employed to compare with the experimental result.Key Words: Metamaterial Anisotropy Polarization Conversion. 最新的研究已經(jīng)證明，經(jīng)過一塊具有各向異性參數(shù)的左手材料板的反射，電磁波偏振狀態(tài)可以被任意地調(diào)節(jié)，在一定條件轉(zhuǎn)到與

6、原先完全垂直的方向，稱為偏振反轉(zhuǎn).本文在微波測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)并搭建了一個(gè)測(cè)量電磁波偏振轉(zhuǎn)變的實(shí)驗(yàn)裝置，利用已有的各向異性左手介質(zhì)板樣品測(cè)量了微波波段電磁波的偏振反轉(zhuǎn)率，然后又針對(duì)具體的實(shí)驗(yàn)條件，提出了一個(gè)對(duì)波源進(jìn)行偏振化的改進(jìn)方案，提高了電磁波在非遠(yuǎn)場(chǎng)的偏振反轉(zhuǎn)率.1.偏振反轉(zhuǎn)的理論模型 偏振反轉(zhuǎn)的物理原因我們可以通過一個(gè)簡單的模型來理解：本實(shí)驗(yàn)中采用的各向異性的介質(zhì)板可以看作一塊有等效對(duì)角磁導(dǎo)率張量的介質(zhì) 共振頻率分別為12.71GHz, 6.8GHz.=1，=1.設(shè)一束線偏振的電磁波入射到各向異性介質(zhì)板表面，如圖1(a),其電場(chǎng)分解為沿x,y軸的兩個(gè)分量，由于的各向異性，x,

7、y方向的反射相位不同，當(dāng)滿足一定條件時(shí)，反射波為，特別地，當(dāng)頻率（GHz） (d)頻率（GHz）(c)圖1 (a)左手介質(zhì)板和入射波的幾何模型, (b)反射板的表面結(jié)構(gòu), (c)電磁波在x和y方向上的反射相位, (d)利用TMM計(jì)算的偏振反轉(zhuǎn)率和頻率的關(guān)系.時(shí)，反射波的偏振方向就與入射波完全垂直，電磁波的偏振被完全反轉(zhuǎn).我們利用FDTD模擬和轉(zhuǎn)移矩陣方法（TMM）計(jì)算得出了x，y兩個(gè)方向上的反射相位于頻率的關(guān)系，并計(jì)算了相應(yīng)的偏振反轉(zhuǎn)率（polarization conversion ratio, PCR），如圖1(c)(d)可以看到在對(duì)應(yīng)共振頻率處，相應(yīng)的PCR達(dá)到了最大值. 2.實(shí)驗(yàn)裝置的

8、設(shè)計(jì)和搭建(Experimental Realization )2.1微波測(cè)量儀器 本實(shí)驗(yàn)主要利用實(shí)驗(yàn)室已有的微波信號(hào)源和測(cè)量裝置激發(fā)以及測(cè)量電磁波的功率，在這個(gè)基礎(chǔ)上觀測(cè)偏振反轉(zhuǎn).用到的主要儀器有YM1123微波信號(hào)源、GX2B小功率計(jì)、YM3892選頻放大器以及喇叭形天線.另外輔助測(cè)量的器材有3cm標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)、波導(dǎo)架、鐵架臺(tái)、扭波導(dǎo)等.2.2搭建測(cè)量偏振反轉(zhuǎn)率的裝置本實(shí)驗(yàn)是基于波導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)的.所以實(shí)驗(yàn)的第一步就是把波導(dǎo)中激發(fā)的微波耦合到自由空間中來，得到線偏振的平面波.我們利用金屬的喇叭型天線，接在YM1123微波源的激發(fā)端，將波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換成為定向平面波模式，經(jīng)過各向異性板的反射后，在接

9、收端用另一個(gè)一樣的天線將接收到的電磁波導(dǎo)入GX2B小功率計(jì)進(jìn)行測(cè)量.實(shí)驗(yàn)示意圖如圖2(a)，其中和由固定在水平實(shí)驗(yàn)臺(tái)上和反射板背面的極坐標(biāo)紙測(cè)得.第二步是怎樣測(cè)量反射波中的偏振反轉(zhuǎn)部分，利用喇叭型天線的偏振性質(zhì)即這種天線只能接收電場(chǎng)與喇叭短邊平行的近似線偏振波，我們將接收端的喇叭旋轉(zhuǎn)90度， (a)(b) 圖2 (a)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 (b)各向異性左手介質(zhì)板表面的金屬“H”型結(jié)構(gòu) 使其探測(cè)的本征模式與源發(fā)出的模式處在正交的狀態(tài)上.實(shí)驗(yàn)上可以看到，對(duì)于普通的金屬板反射，兩個(gè)喇叭平行和垂直放置，接收到的信號(hào)功率之比在3個(gè)量級(jí)以上，說明喇叭具有良好的線偏振性，可以用來測(cè)量偏振反轉(zhuǎn)的波的功率. 第三步

10、是通過測(cè)到的反射波功率得到偏振反轉(zhuǎn)率PCR，在本實(shí)驗(yàn)中用的YM1123信號(hào)源發(fā)射功率隨頻率有很大的變化，在幾個(gè)頻帶中還出現(xiàn)了斷點(diǎn)（輸出功率突然降到很小的數(shù)值），這給實(shí)驗(yàn)帶來了很大的困難.考慮到這種輸出的不穩(wěn)定，我們首先測(cè)量在金屬板上反射波的功率與頻率的關(guān)系，作為, 然后在不改變兩個(gè)天線與板的距離和入射角度的情況下，將接收端天線轉(zhuǎn)90度以接收被反轉(zhuǎn)的波，再測(cè)一次反射信號(hào)與頻率的關(guān)系記為，則由理論公式可知PCR=，即可得出結(jié)果.3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論3.1偏振反轉(zhuǎn)率（PCR）與頻率的關(guān)系由于實(shí)驗(yàn)上不可能將源和接收端兩個(gè)天線重合實(shí)現(xiàn)正入射，我們?nèi)?duì)稱性比較高的參數(shù)，兩個(gè)喇叭距離板10cm，如圖2a，固定

11、喇叭的位置，改變頻率分別測(cè)未反轉(zhuǎn)的輸出功率和反轉(zhuǎn)信號(hào)功率，頻率范圍（7.4 -12.5GHz）計(jì)算得到PCR如圖圖3a：(b)(a)頻率（GHz） (a)(b) 圖3: (a)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的PCR與頻率的關(guān)系 (b)12.25GHz時(shí)歸一化的PCR和 的關(guān)系從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，雖然實(shí)驗(yàn)曲線與理論值有一定的差距，但是可以看到，在12-12.5GHz頻段，出現(xiàn)了明顯的偏振反轉(zhuǎn)的峰值，這和理論預(yù)言的12.71GHz較為符合.實(shí)驗(yàn)測(cè)得的反轉(zhuǎn)峰比理論計(jì)算的尖銳很多，有明顯的起伏，這個(gè)現(xiàn)象可能的原因是：在11.5GHz附近和YM1123的頻率上限12.5GHz附近輸出功率非常?。ǎ?，所以PCR有一個(gè)劇烈

12、的下降，信號(hào)質(zhì)量不好，加之非常小的信號(hào)受雜信號(hào)干擾很大，影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果. 3.2, 偏振反轉(zhuǎn)率與入射波偏振方向和x軸的相對(duì)角度的關(guān)系為了更深入地了解導(dǎo)致偏振反轉(zhuǎn)的物理原因，我們又在12.25GHz處固定頻率和入射角，旋轉(zhuǎn)介質(zhì)板，改變（的意義如圖1a），測(cè)量了PCR與的關(guān)系.結(jié)果如圖3b.可以看到，經(jīng)過歸一化（取最大值為1）后，PCR隨的變化和理論值符合的比較好，兩條圖線的峰值有一定的漂移，原因是受源輸出頻率的限制，這時(shí)的頻率與共振頻率12.7GHz有一定距離，不是完全的偏振反轉(zhuǎn)，以至于與實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生偏差.另外影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素還有幾方面：（1）由電磁理論可知，天線輻射的波在遠(yuǎn)場(chǎng)下可以近似看作是平面

13、線偏振波，而本實(shí)驗(yàn)中使用的是金屬喇叭天線而不是線偏振性好的電介質(zhì)喇叭作為激發(fā)源，另外由于波源功率的限制，源和探測(cè)器不能距離很遠(yuǎn)，所以入射到反射板上的波不是好的線偏振平面波，而是波導(dǎo)模式和平面波的疊加，所以有一部分即使在共振頻率附近也不能夠被偏振反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致了PCR的降低.（2）波源存在頻率漂移：在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)從低到高和從高到低兩個(gè)不同方向調(diào)至某一頻率時(shí)，測(cè)到的反射功率不同，而某一特定頻率的反射信號(hào)也會(huì)隨著時(shí)間變化，這說明在源內(nèi)部存在著輸出信號(hào)的頻率漂移，所以顯示的頻率不一定是實(shí)際的頻率.（3）受實(shí)驗(yàn)器材的限制，源和天線的角度、位置和，以及板的平面都不能嚴(yán)格校準(zhǔn)，誤差較大，同樣也會(huì)因起信號(hào)的損失和漂

14、移.4.一個(gè)提高偏振反轉(zhuǎn)率的改進(jìn)方案（An Approach to enhance PCR）4.1, 影響PCR的重要因素 前面提到，由于遠(yuǎn)場(chǎng)近似不成立，本實(shí)驗(yàn)中天線喇叭發(fā)出的波在反射板上反射時(shí)不是好的平面偏振波，這直接影響了測(cè)得的PCR，因?yàn)檫@部分“不好”的波經(jīng)過介質(zhì)板反射其偏振沒有被反轉(zhuǎn)，對(duì)沒有貢獻(xiàn)，但是它們被金屬反射后仍然可以被平行方向的喇叭所接收，也就是說，對(duì)有貢獻(xiàn)，所以由可知，這部分的能量直接導(dǎo)致了PCR的降低.4.2, 改進(jìn)方案 在可見光波段，我們可以利用偏振片來得到線偏振的光，偏振片是一條條定向排列的大分子鏈所構(gòu)成，其間距比波長小，當(dāng)一束光入射時(shí)，電場(chǎng)平行于分子鏈的分量就會(huì)引起分

15、子中電子的運(yùn)動(dòng)，由于電子可以在該方向比較自由地移動(dòng)，并與晶格碰撞消耗能量，其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的輻射會(huì)抵消這個(gè)方向上的電場(chǎng)，于是產(chǎn)生電場(chǎng)垂直于分子鏈方向的線偏振光.我們把這種現(xiàn)象類比到微波波段，發(fā)現(xiàn)用一些平行排列的金屬絲就可以實(shí)現(xiàn)偏振片中分子鏈的功能，起到對(duì)微波偏振化的作用.于是我們用數(shù)根直徑1.5-2mm的銅絲，定向等間距地固定在支架上，形成如圖圖4(a)的柵格結(jié)構(gòu)，把它放在喇叭天線的出口處，就制成了一個(gè)簡易的偏振器.我們另銅絲平行于喇叭短邊方向，可以看到功率計(jì)上的示數(shù)大幅減小，說明這個(gè)喇叭發(fā)出的波電場(chǎng)主要平行于短邊，這是其本征模式，當(dāng)我們另銅絲平行于長邊時(shí)，看到功率略有減少，證明的確存在一部分其他偏

16、振方向的波，當(dāng)加上偏振器后這部分波被濾掉.圖 4 偏振器原理圖，銅絲長度約15cm，間距1cm4.3結(jié)果及討論(b)圖5(a) 偏振化改進(jìn)后的PCR與原先的對(duì)比.(b ) 偏振化的PCR與理論的對(duì)比，黑線是估計(jì)值我們把偏振器以平行于喇叭長邊放置，按前面的方法再測(cè)一次PCR，得到圖5(a)，圖中綠線是加上簡易偏振器之后的PCR，可以看到，偏振化之后的微波偏振反轉(zhuǎn)率有很大的提高，特別是在峰值附圖 5 (a) 偏振化改進(jìn)后的PCR與原先的對(duì)比. (b) 改進(jìn)后的PCR和理論值的對(duì)比，圖中黑虛線為預(yù)測(cè)的曲線 近，最大值達(dá)到了0.7左右，與理論計(jì)算的數(shù)值相近，證明偏振器起到了相應(yīng)的作用.圖圖6(b)給出

17、了改進(jìn)后的PCR與理論值的對(duì)比，可以看到雖然實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的震蕩很大，但平均值和趨勢(shì)與理論相符.值得注意的是，原先峰值旁邊的兩個(gè)低谷仍然存在，與理論偏差很大，說明產(chǎn)生低谷不是來自電磁波的偏振性不好，而是由輸出功率有斷點(diǎn) 等其他原因引起的，有待進(jìn)一步發(fā)掘.5 總結(jié)本文中，我們自行設(shè)計(jì)并搭建了一個(gè)測(cè)量電磁波在各向異性左手材料上偏振反轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn).我們首先從理論上介紹了這種偏振反轉(zhuǎn)發(fā)生的物理原因，然后基于微波測(cè)量系統(tǒng)搭建了測(cè)量偏振轉(zhuǎn)變的實(shí)驗(yàn)裝置，利用左手介質(zhì)板樣品測(cè)量了微波波段電磁波的偏振反轉(zhuǎn)率，另外我們提出一個(gè)用“簡易偏振器”對(duì)波源進(jìn)行偏振化的方案，利用這個(gè)方案提高了電磁波在非遠(yuǎn)場(chǎng)的偏振反轉(zhuǎn)率，得到了與理論相

18、符的結(jié)果.6 致謝本文工作獲得了國家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金 (No J)的資助，特此感謝.參考文獻(xiàn)1 Hecht, Eugene, Optics M, Addison Wesley, New York, 2002.2 Jackson, J.D, Classical Electrodynamics M Wiley, New York.1999.p306-p3093 Smith, D. R. et al, A composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity.JPhys. Rev. Lett. 84.4184 (2000)4 Hao, Jiaming. et al, Manipulating Electromagnetic Wave Polarizations by Anisotropic MetamaterialsJ Phys.Rev.Lett.99. (2007)5 FDTD計(jì)算是利用英國的Vector Field 公司的Conc