Методика измерений заключалась в следующем: при одном и том же пространственном разносе антенн измерялись величины (в дБ) интенсивностей поля в отсутствие структуры В0 (рис. 9) и при размещении ФК между антеннами В1. В итоге определялась величина относительной интенсивности поля В = В1 - В0 .
Рис. 9. Калибровочная кривая, описывающая частотную зависимость поля над гладкой металлической плоскостью
При проведении экспериментов в присутствии ФК приемная антенна размещалась, по аналогии с теоретической моделью, во внутренней области ФК на удалении от центрального элемента равном половине периода решетки. При этом диаметр элементов и период их расположения в структуре также соответствовали значениям, выбранным при численных расчетах. металлический фотонный кристалл электромагнитный
На рис. 10 представлены результаты измерений поля в ФК, представляющем собой решетку 9 на 9 цилиндров. Из рисунка следует, что на частоте 7 ГГц расположен переход от запрещенной к разрешенной зонам в спектре состояний ФК, а на частоте 7,1 ГГц располагается первый резонансный максимум.
Рис.10. Измеренная относительная интенсивность поля в структуре, состоящей из 81 (9 на 9) металлического цилиндра
На рис. 11 изображены результаты численного моделирования спектрального распределения интенсивности поля внутри аналогичного ФК в том же диапазоне частот.
Рис. 11. Рассчитанный относительный уровень интенсивности поля в ФК
Сравнение зависимостей демонстрирует хорошее согласие эксперимента с расчетом. При этом наиболее важным представляются совпадение значений резонансной частоты кристалла в обоих случаях и экспериментальное подтверждение возможности локализации излучения в структуре на данной частоте.
В соответствии с теоретической частью работы было исследовано влияние линейных размеров ФК на эффективность проявления резонансных свойств. При этом все выше сформулированные выводы получили подтверждение. Так, с увеличением количества элементов, образующих ФК, или, иными словами, при одновременном увеличении его протяженности в двух ортогональных направлениях уровень локализованного в структуре излучения на частоте первого резонанса возрастал (рис. 12, 13).
Рис.12. Относительная интенсивность поля в структуре, состоящей из 81 (11 на 11) металлических цилиндров
Рис.13. Аналогично рис. 12 для структуры из 169 (13 на 13) элементов
Увеличение протяженности структуры в продольном направлении приводило к понижению величины резонансного максимума (рис. 14, 15), а рост поперечных габаритов ФК - к нарастанию интенсивности поля в момент наступления резонанса (рис. 16, 17).
Рис. 14. Аналогично рис. 12 для структуры из 99 (11 на 9) элементов
Рис. 15. Аналогично рис. 12 для структуры из 117 (13 на 9) элементов
Рис. 16. Аналогично рис. 12 для структуры из 99 (9 на 11) элементов
Рис. 17. Аналогично рис. 12 для структуры из 117 (9 на 13) элементов
Заключение
Таким образом, в работе теоретически и экспериментально исследованы резонансные свойства двумерных металлических ФК. Установлены основные пути усиления локализации излучения внутри ФК кристалла в резонансном режиме за счет изменения плотности компоновки элементов в структуре и оптимизации ее размеров. Показано, что в диапазоне частот, соответствующих разрешенной зоне в спектре собственных состояний кристалла, такая структура может рассматриваться как композитный материал, характеризующийся определенными значениями эффективной диэлектрической проницаемости.
Литература
1. Joannopoulos J., Meade R., Winn J. Photonic Crystals: Molding the Flow of Light. Princeton: Princeton University Press, 1995.
2. Yablonovitch E. // Phys. Rev. Lett. V. 58, № 20. P. 2059-2062.
3. Sakoda K. Optical Properties of Photonic Crystals. Berlin: Springer, 2001.
4. Желтиков А.М., Магницкий С.А., Тарасишин А.В. ЖЭТФ. 2000. Т. 117. № 3. С. 691-701.
5. Zhao Y.-C., Yuan L.-B. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2009. V. 42. 015403.
6. Ветлужский А.Ю. // Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36. № 13. С 78-85.
7. Sigalas M.M. et al. // Phys. Rev. B. 1995. V. 52. № 16. P. 11744-11751.
8. Лозовик Ю.Е., Эйдерман С.Л. // ФТФ. 2008. Т. 50. № 11. С. 1944-1947.
9. Ветлужский А.Ю. // ЖЭТФ. 2009. Т. 136. № 2. С. 356-361.