利用电磁左手材料调控电磁波的极化反转 - 复旦大学物理教学试验中心 .DOCVIP

利用电磁左手材料调控电磁波的偏振反转 查 扬 汪人甫 *俞 熹常数和磁导率的新型材料，具有许多奇异的电磁特性，如任意相位反射、反多普勒效应、完全光子带隙等3. 必威体育精装版的研究已经证明4，经过一块具有各向异性参数的左手材料板的反射，电磁波偏振状态可以被任意地调节，在一定条件转到与原先完全垂直的方向，称为偏振反转.本文在微波测量实验系统的基础上，自行设计并搭建了一个测量电磁波偏振转变的实验装置，利用已有的各向异性左手介质板样品测量了微波波段电磁波的偏振反转率，然后又针对具体的实验条件，提出了一个对波源进行偏振化的改进方案，提高了电磁波在非远场的偏振反转率. 1.偏振反转的理论模型 偏振反转的物理原因我们可以通过一个简单的模型来理解4：本实验中采用的各向异性的介质板可以看作一块有等效对角磁导率张量的介质 共振频率分别为12.71GHz, 6.8GHz.=1，=1.，由于的各向异性，x,y方向的反射相位不同，当满足一定条件时，反射波为，特别地，当 时，反射波的偏振方向就与入射波完全垂直，电磁波的偏振被完全反转.我们利用FDTD模拟5和转移矩阵方法（TMM）计算6得出了x，y两个方向上的反射相位于频率的关系，并计算了相应的偏振反转率（polarization conversion ratio, PCR），如图1(c)(d)可以看到在对应共振频率处，，相应的PCR达到了最大值. 2.实验装置的设计和搭建(Experimental Realization ) 2.1微波测量仪器 本实验主要利用实验室已有的微波信号源和测量装置7激发以及测量电磁波的功率，在这个基础上观测偏振反转.用到的主要仪器有YM1123微波信号源、GX2B小功率计、YM3892选频放大器以及喇叭形天线.另外辅助测量的器材有3cm标准矩形波导、波导架、铁架台、扭波导等. 2.2搭建测量偏振反转率的装置 本实验是基于波导测量系统的.所以实验的第一步就是把波导中激发的微波耦合到自由空间中来，得到线偏振的平面波.我们利用金属的喇叭型天线，接在YM1123微波源的激发端，将波导模式转换成为定向平面波模式，经过各向异性板的反射后，在接收端用另一个一样的天线将接收到的电磁波导入GX2B小功率计进行测量.实验示意图如图2(a)，其中和由固定在水平实验台上和反射板背面的极坐标纸测得. 第二步是怎样测量反射波中的偏振反转部分，利用喇叭型天线的偏振性质——即这种天线只能接收电场与喇叭短边平行的近似线偏振波，我们将接收端的喇叭旋转90度， 图2 (a)实验装置示意图 (b)各向异性左手介质板表面的金属“H”型结构 使其探测的本征模式与源发出的模式处在正交的状态上.实验上可以看到，对于普通的金属板反射，两个喇叭平行和垂直放置，接收到的信号功率之比在3个量级以上，说明喇叭具有良好的线偏振性，可以用来测量偏振反转的波的功率. 第三步是通过测到的反射波功率得到偏振反转率PCR，在本实验中用的YM1123信号源发射功率随频率有很大的变化，在几个频带中还出现了断点（输出功率突然降到很小的数值），这给实验带来了很大的困难.考虑到这种输出的不稳定，我们首先测量在金属板上反射波的功率与频率的关系，作为, 然后在不改变两个天线与板的距离和入射角度的情况下，将接收端天线转90度以接收被反转的波，再测一次反射信号与频率的关系记为，则由理论公式可知PCR=，即可得出结果. 3.实验结果和讨论 3.1偏振反转率（PCR）与频率的关系 由于实验上不可能将源和接收端两个天线重合实现正入射，我们取对称性比较高的参数，两个喇叭距离板10cm，如图2a，固定喇叭的位置，改变频率分别测未反转的输出功率和反转信号功率，频率范围（7.4 -12.5GHz）计算得到PCR如图图3a： 从实验结果看，虽然实验曲线与理论值有一定的差距，但是可以看到，在12-12.5GHz频段，出现了明显的偏振反转的峰值，这和理论预言的12.71GHz较为符合.实验测得的反转峰比理论计算的尖锐很多，有明显的起伏，这个现象可能的原因是：在11.5GHz附近和YM1123的频率上限12.5GHz附近输出功率非常小（），所以PCR有一个剧烈的下降，信号质量不好，加之非常小的信号受杂信号干扰很大，影响了实验结果. 3.2, 偏振反转率与入射波偏振方向和x轴的相对角度的关系 为了更深入地了解导致偏振反转的物理原因，我们又在12.25GHz处固定频率和入射角，旋转介质板，改变（的意义如图1a），测量了PCR与的关系.结果如图3b.可以看到，经过归一化（取最大值为1）后，PCR随的变化和理论值符合的比较好，两