一种用于二维光子晶体材料自旋磁场激励的电磁装置的制作方法

本发明属于光子晶体技术领域，涉及二维光子晶体材料的激励，具体涉及一种用于二维光子晶体材料自旋磁场激励的电磁装置。

背景技术：

光子晶体是周期性排列的不同折射率介质构成的规则光学结构，其广泛用于各种光子学器件，包括无阈值的激光器、无损耗的反射镜和弯曲光路、高品质因子的光学微腔、具有色散补偿作用的光子晶体光纤等。光子晶体最重要的应用是缺陷的引入，它在带隙中形成相应的缺陷能级。因此，将缺陷布置在一定的路径上，在适当的激励下，可以形成一条单向传播的通路，而其他方向上的电磁波都将截止不能传播，光子晶体光纤正是基于这样的原理发展起来的。光子晶体的出现使信息处理技术的“全光子化”和光子技术的微型化和集成化成为可能。因此，对于光子晶体的特性研究显得尤为重要，特别是电磁波与光子晶体的互作用效应，可以为微波光电子技术做出巨大的贡献。

对于二维光子晶体材料，使用介质棒二维排列形成的拓扑结构光子晶体可以产生一对旋转方向相反的光子自旋态，当采用平行于介质棒轴向方向的电场和正交于介质棒轴向方向的自旋磁场对二维光子晶体进行激励时，就可以产生与激励装置所产生的自旋磁场旋转方向相同的光子自旋态，从而在两种不同晶格常数的光子晶体交界处形成单向传播的电磁波通道，且不会产生相反方向的电磁波散射。因此，激励装置须能够在二维光子晶体中产生均匀的自旋磁场，其性能的好坏，如产生自旋磁场的均匀性以及辐射探头的尺寸等，对电磁波在二维光子晶体中的传播特性具有非常大的影响。

在公告号为cn108051874a的“磁性光子晶体平板的自导单向边缘态传输”专利中采用helmholtz线圈给磁性光子晶体材料施加外部偏置磁场，线圈的磁场方向垂直于平板，但该方案不能实现磁场的自旋，因此也不能激励起光子自旋态。在文献“experimentalrealizationofself-guidingunidirectionalelectromagneticedgestates”(physicalreviewletters,prl106,093903(2011))中利用单个探针产生横向磁场来激励磁性光子晶体材料，进而产生手征边缘效应，但是单个探针不能在拓扑结构中产生光子自旋态，因为其不能产生自旋磁场。

技术实现要素：

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于二维光子晶体材料自旋磁场激励的电磁装置。该装置创新性地将n个辐射探头进行圆对称排列(即在圆周上均匀分布)，并为相邻的辐射探头按顺时针或逆时针方向分配的相位差，从而形成自旋磁场，进而在拓扑结构中产生光子自旋态，实现在不同晶格常数的光子晶体交界面处产生单向传播的电磁波。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于二维光子晶体材料自旋磁场激励的电磁装置，其特征在于，所述电磁装置包括n个辐射探头、上金属盖板、下金属盖板、光子晶体、功分器、微波电缆和微波信号源；所述光子晶体设置于下金属盖板上，所述n个辐射探头同时穿过上金属盖板的通孔后置于上金属盖板和下金属盖板之间；n个辐射探头在圆周上均匀分布，每一辐射探头通过微波电缆连接功分器的输出端，功分器的输入端与微波信号源相连，所述辐射探头为同轴线，所述同轴线为终端短路，靠近短路面一侧的内外导体之间填充吸波材料，其余内外导体之间填充支撑介质，外导体靠近吸波材料一侧设置环切缝隙；辐射探头馈电方式为幅度相等，相邻辐射探头的相位按顺时针或逆时针方向呈等差分布，相位差为其中，

进一步地，n≥2。

进一步的，所述环切缝隙为圆环柱形，圆环柱壁厚等于外导体壁厚，圆环柱高度小于上下金属盖板之间的距离。

进一步地，所述吸波材料的长度使其反射系数要小于-20db；所述环切缝隙距离吸波材料的距离应不影响产生的自旋磁场的上下对称性。

进一步的，所述n根微波电缆长度l呈等差分布，长度差其中λ为同轴线中的波长，依次按顺序连接到辐射探头，以保证相邻辐射探头的相位沿顺时针或逆时针方向按相位差分布。

进一步的，所述功分器为等幅同相功分器，功分路数为n。

进一步的，所述下金属盖板上设置的光子晶体具有不同的晶格常数，所述环切缝隙中心与光子晶体的中心保持一致。

进一步的，所述上金属盖板可带动n个辐射探头水平移动，以控制辐射探头在不同位置对光子晶体进行激励，移动过程中上金属盖板始终能够覆盖所有二维光子晶体材料。

进一步地，所述光子晶体材料具体为：该光子晶体是一个二维三角晶格的光学“人造分子”，每个分子是由六个介质柱组成的六边形结构，介质棒之间的疏密程度决定光子晶体的晶格常数。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明提供的电磁装置，该装置创新性地采用了同轴线外导体设置环切缝隙且终端填充吸波材料作为辐射探头，电磁能量一部分在环切缝隙处向外辐射，一部分朝同轴线终端传输最终被吸波材料吸收，形成终端匹配。由于环切缝隙上下均为同轴线，由环切缝隙辐射出的电磁波能量能够实现较好的上下对称性；并且，辐射探头呈圆对称排列分布，激励出的自旋磁场也具有较好的上下对称性，与理论激励状态更为接近。

2.本发明装置的上金属盖板上仅需设置一个通孔，辐射探头穿过该通孔固定设置于上下金属盖板之间，移动上金属盖板，可带动辐射探头整体移动，实现对二维光子晶体材料任意位置的自旋磁场激励，操作快捷方便；并且采用多个辐射探头，多路输入信号共同作用，产生的自旋磁场的强度也在不断增大，能够覆盖光子晶体的有效范围也在不断增大。

附图说明

图1为本发明用于二维光子晶体材料自旋磁场激励的电磁装置的结构示意图。

图2为本发明电磁装置中单个辐射探头的结构示意图。

图3为本发明电磁装置中单个辐射探头的电场分布图。

图4为本发明电磁装置中单个辐射探头的磁场分布图。

图5为本发明电磁装置中具有4个辐射探头时所产生的自旋磁场场分布图。

图6为本发明电磁装置中具有6个辐射探头时所产生的自旋磁场场分布图。

图7为本发明电磁装置中具有8个辐射探头时所产生的自旋磁场场分布图。

其中，1为上金属盖板，2为下金属盖板，3为微波电缆，4为功分器，5为微波信号源，6为辐射探头，7为通孔，8为支撑介质，9为环切缝隙，10为吸波材料。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

图1为本发明用于二维光子晶体材料自旋磁场激励的电磁装置的结构示意图。该电磁装置包括n个辐射探头(n≥2)6、上金属盖板1、下金属盖板2、功分器4、n根微波电缆3和微波信号源5。所述n个辐射探头同时穿过上金属盖板的通孔7后置于上金属盖板和下金属盖板之间；n个辐射探头呈圆对称排列(在圆周上均匀分布)，每一辐射探头通过微波电缆连接功分器的输出端，功分器的输入端与微波信号源相连；辐射探头馈电方式为幅度相等的馈电，相邻辐射探头的相位按顺时针或逆时针方向呈等差分布，相位差为其值由n决定，其中，例如当辐射探头数量为4时，相位按顺时针(或逆时针)依次为其中为初始相位；当辐射探头数量为8时，相位按顺时针(或逆时针)依次为

图2为本发明电磁装置中单个辐射探头的结构示意图。所述辐射探头为同轴线，所述同轴线为终端短路，靠近短路面一侧的内外导体之间填充吸波材料10，其余内外导体之间填充支撑介质8，外导体靠近吸波材料一侧设置环切缝隙9。所述环切缝隙为圆环柱形，圆环柱壁厚等于外导体壁厚，圆环柱高度小于上下金属盖板之间的距离。实际制作辐射探头中，可以采用较细的半钢性同轴线来制作辐射探头以减小探头尺寸，同轴线内导体直径为0.29mm，外导体外直径为1.19mm，壁厚0.125mm。紧贴短路面的内外导体之间填充有长度约3mm的吸波材料，终端反射系数小于-20db，其余内外导体之间填充有低损耗低介电材料聚四氟乙烯支撑介质8。

具体的，所述n条微波电缆长度呈等差分布，长度差其中λ为同轴线中传输的电磁波的波长，依次按圆对称顺序连接到辐射探头，以保证相邻辐射探头的相位沿顺时针或逆时针方向按相位差分布。

具体的，功分器提供等幅同相的功率信号，功分路数由所选辐射探头的数量决定。

具体的，n个辐射探头穿过上金属盖板的通孔，上金属盖板可带动n个辐射探头水平移动，以控制辐射探头的激励位置，实现对二维光子晶体材料任意位置的自旋磁场激励；所述二维光子晶体是一个二维三角晶格的光学“人造分子”，每个分子是由六个介质柱组成的六边形结构。将该光子晶体设置于下金属板表面，移动过程中上金属盖板始终能够覆盖所有二维光子晶体材料。

图3和图4分别为本发明电磁装置中单个辐射探头的电场和磁场分布图。从图中可以看出单个辐射探头在环切缝隙处可以产生上下对称性较好的场分布，有利于产生二维平面内均匀的场分布特性，从而能够更好实现电磁波的单向传输。

从工作原理上讲，本发明提出的用于二维光子晶体材料自旋磁场激励的电磁装置中：

辐射探头产生自旋磁场，进而激励出光子自旋态，在不同晶格常数的光子晶体的交界面处这种光子自旋态就会产生缺陷能级，进而只会向一个方向传输电磁波。由于n个辐射探头所产生的自旋磁场的均匀性与辐射探头的数量成正比，可以根据实际要激励的区域面积大小和场均匀性要求来选择合适的辐射探头数量，让自旋磁场可以均匀的激励到各个位置。图5至图7是辐射探头数量n分别为4、6、8时产生的自旋磁场场分布图，从图中可以看出。当辐射探头数量较少时，自旋磁场只在靠近辐射探头的位置比较强；而在远离辐射探头的位置磁场强度比较弱，随着辐射探头数量的增多，自旋磁场的分布更加均匀，远离辐射探头区域的自旋磁场变强，延伸覆盖的有效激励区域变大，实际中可以根据激励区域的大小和系统扰动性的需求来选择合适的辐射探头数量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。