等離子體超材料結(jié)構(gòu)電磁特性及應(yīng)用研究.pdf

1、新型人工電磁材料的深入研究推動了電子工業(yè)的發(fā)展。等離子體光子晶體作為一種新型電磁特性材料，同時具有色散、各向異性和非線性的電磁特性。本文旨在研究微波段等離子體光子晶體的電磁特性。包含了電磁波在非磁化、磁化、線性與非線性等離子體周期結(jié)構(gòu)中的電磁響應(yīng)，建立和發(fā)展新型的適合計算色散、各向異性和非線性等離子體光子晶體的計算方法，研究和揭示等離子體光子晶體能帶結(jié)構(gòu)特點、非線性響應(yīng)的物理規(guī)律以及固態(tài)等離子體實現(xiàn)電磁誘導(dǎo)透明的物質(zhì)本質(zhì)，分析等離子體參

2、數(shù)對一維、二維以及三維等離子體光子晶體能帶結(jié)構(gòu)的影響，等離子體參數(shù)對非線性特性的調(diào)諧功能，獲得等離子體光子晶體全角反射器、多模濾波器、極化波分離裝置、非線性等離子體光子晶體隔離裝置以及固態(tài)等離子體電磁誘導(dǎo)透明裝置的設(shè)計方案。與傳統(tǒng)材料構(gòu)成的普通光子晶體相比，等離子體光子晶體設(shè)計的微波器件具有緊湊、可調(diào)諧、可重構(gòu)的優(yōu)勢。本文不僅為研究等離子光子晶體微波段電磁響應(yīng)開辟一條新途徑，也為設(shè)計新型的光電子器件提供新的指導(dǎo)思想，有著重要的學(xué)術(shù)意義。

3、
　　論文的主要研究工作和創(chuàng)新點包括：
　　1、對傳統(tǒng)的特征矩陣和傳輸矩陣法進行改進，使得它們不僅能對色散的光子晶體進行計算，而且滿足各向異性、非線性材料對計算方法的需求。拓展了針對各向異性媒質(zhì)的4×4傳輸矩陣，實現(xiàn)了任意橢圓極化波入射等離子體分層結(jié)構(gòu)時，極化電磁波分離傳播的計算。拓展了傳統(tǒng)的平面波展開法，使得該方法能夠計算二維蜂巢晶格、三維面心晶格、金剛石晶格以及殼層結(jié)構(gòu)等離子體光子晶體能帶結(jié)構(gòu)，利用線性矩陣降冪方法實現(xiàn)非

4、線性本征方程的求解。
　　2、針對一維各向同性和各向異性等離子體光子晶體帶隙結(jié)構(gòu)展開研究。通過在光子晶體中摻雜非磁化等離子體，實現(xiàn)雙通道濾波器設(shè)計。在對稱結(jié)構(gòu)中摻雜磁化等離子體材料，實現(xiàn)缺陷模在更大頻率范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。提出了一維三元等離子體光子晶體的概念，實現(xiàn)了在該結(jié)構(gòu)條件下光子禁帶的拓展和調(diào)節(jié)。通過碰撞等離子體層和一維三元等離子體光子晶體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式，實現(xiàn)寬頻電磁波的吸收。利用各向異性等離子體介電常數(shù)的張量特點，實現(xiàn)任意橢圓極

5、化電磁波的分解。研究隨機擾動對等離子體光子晶體電磁特性的影響，分析光子晶體周期數(shù)對擾動效果產(chǎn)生的作用。
　　3、針對等離子體光子晶體二維三維特殊晶格類型，利用平面波展開法推導(dǎo)得到關(guān)于頻率的本征值方程，使得該方法適合計算二維蜂巢晶格、三維面心晶格和金剛石晶格。推導(dǎo)了平面波展開法求解二維蜂巢晶格等離子體光子晶體的本征方程。研究等離子體參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對能帶結(jié)構(gòu)的影響。討論了不同填充方式條件下，等離子體光子晶體在TE，TM兩種極化條件下的

6、完全帶隙結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，和相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的空氣填充介質(zhì)柱相比，二維蜂巢晶格等離子體光子晶體具有更大的完全帶隙。在TE極化條件下，頻帶范圍內(nèi)表面波的激勵會導(dǎo)致多平帶的產(chǎn)生，并且隨著填充率的增加，多平帶范圍增加；而在TM極化條件下，填充率的增加則會導(dǎo)致通帶的壓縮。論文研究了多平帶出現(xiàn)的條件和物理機理，探討了平帶的利用前景。提出了具有等離子殼層的二維三元蜂巢晶格等離子體光子晶體概念，推導(dǎo)TE和TM兩種極化條件下的色散關(guān)系。研究兩種極化方式下，能

7、帶特點及它們隨等離子體參數(shù)的變化關(guān)系，討論其在器件設(shè)計中的應(yīng)用。在三維面心晶格和金剛石晶格的基礎(chǔ)上，利用平面波展開法計算等離子體填充和介質(zhì)填充背景條件下介電函數(shù)的傅立葉系數(shù)。推導(dǎo)得到面心立方晶格和金剛石晶格關(guān)于頻率的本征值方程，利用標(biāo)準(zhǔn)的線性化技術(shù)求解非線性本征值方程。
　　4、圍繞Kerr非線性介質(zhì)的電磁特性，著重研究非線性等離子體參與構(gòu)建周期結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出的雙穩(wěn)態(tài)電磁特性。針對介電常數(shù)隨電場變化的非線性媒質(zhì)，提出了對非線性層分亞

8、層逼近計算的特征矩陣法。研究含有非線性缺陷的周期結(jié)構(gòu)雙穩(wěn)態(tài)閾值的減小方法和縮減程度，揭示閾值降低的物理機理。基于非線性雙穩(wěn)態(tài)電磁特性，設(shè)計等離子體周期結(jié)構(gòu)微波隔離裝置，研究電磁波在該結(jié)構(gòu)中的非互易傳播。研究超材料結(jié)構(gòu)條件下，如何減小入射角度對色散關(guān)系以及透射率的影響。利用周期結(jié)構(gòu)通帶中的離散透射峰以及電磁波的非互易傳播特點，設(shè)計緊湊、高效的電磁波隔離裝置。使得這種具有ENG-DNG結(jié)構(gòu)特點的超材料結(jié)構(gòu)具有緊湊、閾值低、透射比和正向透射率

9、均相對較高的性能特點。將這一結(jié)構(gòu)結(jié)合等離子體的耗散特性，設(shè)計出對角度和極化方式不敏感的多通帶吸波器。
　　5、闡述了固態(tài)等離子體的基本概念，物理特性和參數(shù)特征。論述了固態(tài)等離子體具有可調(diào)諧可重構(gòu)特性的物理機理以及構(gòu)建電磁超材料結(jié)構(gòu)的可能性。研究了固態(tài)等離子體參與構(gòu)建電磁誘導(dǎo)透明超材料結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方式。從理論和數(shù)值計算上論證了一款可重構(gòu)多窗口電磁誘導(dǎo)透明超材料結(jié)構(gòu)的電磁特性。利用固態(tài)等離子體電磁超材料和光子晶體的混合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了電磁波