一维磁性光子晶体链中电磁波的非互易传输理论与实验研究

Nonreciprocal transmission is an important research topic in the field of material science, microwave technology and optical applications. The nonreciprocal electromagnetic transmission devices directly affect the rapid development of information technology. This project focuses on a chain of gyromagnetic rods for microwave frequency, constructs the new electromagnetic nonreciprocal devices for the purpose. We studies on relationship between time, space, mirror, rotational symmetry and nonreciprocity edge state, body wave mode transmission, and reveals physical mechanism. Then, we explore the nonreciprocal regulation characteristics of the bias magnetic field, structure parameters, interface types and other factors. We will propose a fusion method of nonreciprocal edge state, body wave mode. These designed MPC chains have many excellent performances such as broadband, low loss, more flexible shape. Moreover, Potential applications of these MPCs chains as non-reciprocal devices in microwave engineering will be discussed. By combining both theoretical study and experimental verification, the project will provide a theoretical basis for new topological electromagnetic devices.

非互易性传输是目前材料科学、微波技术和光学应用中的一个重要研究课题。具有非互易传输特性电磁器件的研制直接影响到未来信息技术的快速发展。本项目从微波应用的角度出发，以一维磁性光子晶体链为研究对象，以构建新型电磁非互易器件为目的，研究时间、空间、镜像、旋转对称性与电磁波非互易边缘态、体波模式传输的关联性，揭示其调控机制，理论与实验实现非互易传输电磁现象；然后，探索偏置磁场、结构参数、界面类型等因素对非互易特性的影响，归纳变化特征，提出非互易性边缘态、体波模式传输频带融合方法，设计出具有宽频段、低损耗、更柔性的一维链式非互易传输系统，探索其在微波领域的潜在应用。本项目采用理论和实验验证相结合的研究方法，为电磁非互易器件的设计与制备提供理论基础。

磁性光子晶体实现奇异电磁性质是电磁学和光学领域的一个重要课题，对基础科学和未来光电器件的应用都具有十分重要的意义。本课题由对称性破缺角度出发，研究一维链式磁性光子晶体实现非互易性的相关的理论机制、实现方法，特别是非互易性与时间反演对称性、空间反转对称性、镜像对称性、旋转对称性的关联性。及基于该理论的微波器件设计。主要研究内容:（1）基于同时破缺时间、空间对称性、镜像、旋转等对称性对一维链式单向电磁波体波模式传输调控作用，提出了一种准一维的周期介质波导结构，实现体波非互易传输。该结构避免了多层结构中电磁波耦合效应，灵活实现电磁波单向与双向传输转换。完成了相关实验测试。为更加简单、灵活地控制电磁波传输提供了一条新的途径。（2）提出了一种铁氧体柱基元错位排列组成的单向回音壁谐振腔。该谐振腔抑制了反向传输波干扰，具有单向振荡和连续相位分布。谐振品质因子可以通过调整基元相对位置调节。与传统双向谐振腔相比，该结构内部能量均匀分布，具有单模稳定性好、效率高等优点。该设计可用于实现一些重要器件，如单向发射激光器或高灵敏度传感器。（3）设计并仿真分析了基于打破时间镜对称性实现自导单向电磁体态的链式磁性光子晶体平板的单向传输，并研究了上下衬底的介电常数、厚度等因素对传输特性的影响。基于此平台，提出了一种产生涡旋电磁波模型。（4）提出一种基于单层蜂窝结构的旋磁光子晶体链。该结构由两个相互嵌套的三角形子晶格A和B组成，分别施加相反的外磁场，能带曲线出现倾斜边缘态曲线，获得反手性边缘态。该反手性边缘态不同于之前研究的类霍尔效应拓扑边缘态，对边缘障碍物具有强的鲁棒性。基于此可以用于设计新颖的电磁和光学功能器件。