等离子体光子晶体的理论研究.pdf

匡防科学技术大学研究璧院学位论文摘要本文以光子晶体和等离子体的理论知识及性质为基础对等离子体光予晶体的性质遴簿了理论分耩秘数值模羧构建了一维等离子体光子晶体模型推导并分析了电磁波在一维等离予体光子晶体中的一般色散燕系，给出了不同参数下的色散关系曲线在此基础上，研究了一缭等离子体光予照俸禁带鲍结构特点，一缍等离子傣溅子箍体对毫磁波戆反常色散，一维等离予体光子晶体对电磁波截止频率的规律：分析了入射角度对禁带位鼹以及宽度的影响，并模拟了入射角度处于布儒斯特角时禁带消失的特殊培凝；数蠖诗算了一绦等离子体巍予器钵对电磁波瓣爰射搴，露时震禁豢璞论送行了解释构建了二维等离予体光子晶体模型介绍了理背向教射愫嚣，班及受等离激元影 响而出现的共振现象根据所得的等离予体光子晶体的性质，预测了其可能的用途美键词嗣骑科学技术大学研究艇院学位论文图表目录图l l建予鑫薅蠲辎缡鞫示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6图1 ．2电磁波在一维镣离子体光予晶体中的色散荧系曲线图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6图l 3一维等离子体光予晶体结构承意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7霾i ，4簿离子俸懿密浚活；方淘懿翔麓努毒⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7图1 ．5等离子体的介电常数沿z 方向的周期分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8图1 ．6光限磁场时的包激曲线( ，| 。

2 ×l O “删4 ) ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8图3 ．1 掰m ￡弘= l ，o —l ，谚= o ‰= l 和5 鹣色散关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”3 9图3 ．2 ∞Ⅲ三／c = 1 ，d m l ，只= 4 5 1 和5 的色散关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9霪3 3 & k 五户= 4 ，嚣= l ，最= o ‰= l 积5 黪包敖关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·∞图3 ．4 街“ 上／c = 4 ，d 1 ，辞= 4 5 l 和5 的色散关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0图3 ．5 ‰三／c = 2 ，靠= 5 ，只= o 矗= o ．1 和l 的色散关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·，4 l鹜3 6 ％三扣= 2 ，‰；5 ，《= 4 ≯，矗= o ．1 帮l 豹色敖关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l图3 ．7 国Ⅳ三／c = 1 ，d = l ，‰= 2 ，只= o 的色敝关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·4 2墨3 8 搿，￡弦= l ，d l ，氏= 2 ，绣= 3 酽和∞瓣色数关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2图3 ．9 当d = l ，％五声= 1 ，靠= l ，q = o 。

对，胛p ～脚∥c 的关系图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3图3 ．1 0 当d = l m 烨上扣= 1 ，靠= l 时，不同频率电磁波的～“辞关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3圈3 l l 囊蠢= l ，国弗五声= l ，靠 ，霉= 妒辩，毪～口彰c 耱美系图⋯⋯⋯⋯⋯⋯，《4图3 ．1 2 谯∞m ￡产= I ，s ，= l 和‰= 5 时的‰五加一J 曲线圈⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·- 4 4图3 ．1 3 巍器= l ，‰= l 裙‰= 5 时瓣吼三弦～彩，三如曲线匿⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 5图3 ．1 4 农讲∥￡弦= 2 ，d = l 和d —o ．1 对的峨五加～靠魏线圈⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 s图3 ．1 5 当m ，工p = l ，s l ，d = l ，托= 1 时，删c ～岛的关系曲线图⋯⋯⋯⋯⋯4 6鍪3 1 8 娄掰≯三弦= { ，嚣 5 ，矗= l ，琏= l 戆，翻蟛e 一绣煞荧系螽线圈⋯⋯⋯⋯⋯毒s图3 ．1 7当棚，上／c = 1 ，疗 2 ，d —l 托= l 时，刎c 一日的关系曲线图⋯⋯⋯⋯⋯4 7图3 1 8 当讲，￡扣= l ，靠= 2 ，d ；l ，艟= 2 时，＆叫c ～谚的关系曲线圈⋯⋯⋯⋯”4 7圈3 。

1 9 当露= l ，掰“ 五声= l ，暑 l 时，碰和～谚的二维色散强⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”4 8图3 ．2 0 当d = 1 ，脚* 五归= l ，占 5 时，翻叫c ～毋的二维色散图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·4 8独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人畿导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知，除了文申特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成暴，氇不包含为获褥藩劳科学技术太学或其窀教育机构的学位戏证书瓣使鼹过的越辩奄我一爨王终毂嗣志对本爨究所赣戆任每贾靛均邑囊论文中作了明确的说明并表示谢意学位论文题目：釜匿：迁堡近i 函焦曲矍i 金盟嚣学位论文作者茶名：童! ! 垒坌耩黎：2 绷5 年，2 燕多嚣学位论文版权使用授权书本人完金了解圆防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国防科学技术大学可毗保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允弹论文被套阕和偿阗；可荻将学位论文翡全都或部分内容编入有关数器库遗行检索，可以采用彩带、缩印或长搭簿复剃簪段保存、汇编学位论文 保密学位论文在解密后适用本授权书)学位论文题目：釜矗翌篮盘量涵篮蛰攫i 衄究：学位论文捧者签名：坚! ! 翌：坌耩辩：2 麓多年／2 篾∥藉作者指导教师签名：酶渔一生日期：拥一年牲月夕酲国游科学技术大学研究生虢学位论文第一章导论自上世纪八十年代光子晶体概念的提出以来【1 一，科学家们纷纷对其展开了研究，攒绘连了光予翳体的大量貔璞图像，并探索了不同燕传健矮下的应用。

2 0 0 4年上半年，日本和国内的一些科学家将等离予体和光子晶体结合在一起，掇出了新型的光子晶体一等离子体光予晶体( p l 嬲m ap h o t 0 I l i cc r y s 协1 s ) 【3 ．4 】等离予体光予晶体怒等离子俸物壤袅光子鑫体学科交叉敕产镌，壶于受剿蒋离子俸貔联蛙质的影响，等离子体光予晶体具有裔已独特的性旗通过理论分析和数值模拟，我们对等离子体光子晶体进行了研究这项研究可能对等离子体光子晶体在微波滤波器丞撼c ∞髑v e 曩l 鲻，等离子体天线◇l a 锄a 瓣嘲啦) ，等褰子体透镜倒a s 难al e 璐) ，以及等离子体豫身氍鹪m a 姗a l ∞方面的研究和应用舆有一定意义l 研究背景很多科学技术的突破往往来源予人类对材料性质的深刻认识在上个墩纪，大类对耪瓣整覆戆诀谖圭蠢爨了壤予暴次，半静侮镌囊豹逡鼹达到了憩够羧裁耱料中的电子运动行为的水平从而诞生了高速发展的电子工姚和信息产业在过去的十年中，人们以控制材料中光传播为目标，受这一目标的强烈驱使，科学家转淘了零砉瓣光学缝袋秘探索，由蔻搿释了一令辫凝戆辩学骚究领域一必予鑫薅及其应用众所周知，电子在周期势场中传播时，由予电子波会受划周期势场的布拉格教射，形成琵豢缭搦，繁与蒂之瓣溪筢存在带港。

毫子渡熬黪爨懿采落在繁骧孛，传播是禁止的不管任何波，只要受到周期性调制，都有能带结构，也都有可能出现带隙能擐落在带隙中的波是不能传播的电磁波或者光波也不例外熬瑟在兜子系统孛憨类秘瑷象，卷翻主整纪8 e 筝我方装耪壤攀家提交光予晶体的概念怒1 9 8 7 年由B ．Ⅵl b l o ∞、，i 比h 和s ．J o l l I l 同时提出的，Y 曲l o n o v i t c h 主要着眼于控制材料的自发辐射性质【l l ’而J o h 贝U 侧重于研究无序奔震鼹巍弱壤亿豹彩瞒搿，毽翻褰器挺密了奔毫涵数箨蠲蘩瞧笺纯弱蘩穗髓够影响材料中光子的状态模戒，由此可以设计出能影响光子性质的材料光子晶体迄今第l 页冒骆科学技术失学研究擞院学健论文取得异常迅猛的发展，是一门正在蓬勃发展的有前途的新学科光予晶体越一种久王菇髂，一耱毅璧毒孝辩，帮把耱瓣率愿期经交凭夔结构毒砉糕称兔必子嚣髂( 翅图1 l 所示) ，在菜些频率下，电磁波不能在其中传播，形成光予带隙( b a n dg a p s ) ，类似于阑体晶格中的能带结构( e n e r g yb 蛆ds t m c n l r e ) 囊予笼子在光_ 予爨嚣孛憨运凌麓锋与电予焱罄接鑫格孛装运爱褒律类戳，遣具有光予能带和带隙结构，因此阖体物理中的许多概念都可用在光子晶体上，如倒格子( r c c i p r o c a ll 矗t t i c e ) 、布里渊区( B f i l l o u mz o n c ) 、色散关系、布洛赫函数( B l o c h矗戳鞋。

斌v 锺} b 谨鸯点等由予瘸翅性，鼹熬警氇霹鞋定义毒效囊量不过嚣要指出的是光子晶体麓常规的晶体( 从某种意义上来说可以叫做电子晶体) 有相同的地方，也有本质的不同，如光子服从的是M a x w e l l 方程，电子服从的怒阵定谔方稳：兜子渡是炙慧滚，覆毫予渡是稼量波；瞧子楚蠡浚必l 蹬豹羹卷予，必子是自旋为l 的玻色乎；电子之间有很强的相飘作用，而汽乎之间没有光予晶体的基本特征是具有光子带隙，频率落在带隙中的电磁波是禁此传播懿，嚣为带骧孛菠寿经嚣态存在囊兜子鑫钵豹特性，我爨霹激躲遂，毙予骚俸是通过冀自身的周期性结构来达到对光波豹控制的，光子带脓的发现意味精可以抑制自发辐射光子带隙的存在带来许多新物理和新应用【5 ，日w 由_ 予淹子鑫傣箕骞缀多黪鞋，遥每来在凝聚淼羁巍学耱瀵等壤域逐澈孳| 起了人们的波意光子晶体技术在频举滤波器、变频器等方面得到了广泛的应用近期，有研究发现具有周期性折射率的等离予体也会体域出光子晶体的特缝，黧辑雳孛率魏蠲期交纯，凄魂蘩豢国曛强l lb 黼国、遥豢国潮獬畦矗§强d ) 潮，对电磁波产生会聚作用悯，对某些频率的电磁波全反射唧等也有报邋【3 】称，由等离予体和介质构成的周期性结构的晶体也舆有光予晶体的特性。

我们把具有躅蘩经飨梅静等离予侮穗为等蔫予俸免子爵终等离子体光予晶体是等离子体学科和光子晶体学科交叉的产物，它不仅具有光子晶体岭一般性质，而且还体现潜等离子体的物理特性，怒一个学科交叉的研究课题2 匿爽癸磺究瑗状等离子体光子晶体是最近才开始研究的新领域，目前国内外还都处在璁论研蘸2 更圈防科学技术犬学研究生院学位论文究阶段，仅有少量论文可见到有关论述等离予钵光予燕体最晕由疆零瓣H 饼O 鞋i 轮建娃露M A s E A t s 粥h i 在2 0 瓣年1月提出，他们从理论上推导了电磁波在一维等离子体光予鼎体中的色散关系式( 懿圈1 ．2 掰示) ，筹薅黪樽维系逡行了解释努援嘲其中囊簧磷究7 壶等离子俸和介质交替组成的一维等离子体光予晶体阵列( 如图1 ．3 所示) 的特性他们从一维定态麦克新书方程出发，运粥粪儆予麓子力学中I 【r o n i g ．P ％n e y 静模凝解周期辨的方法，经过求解方襁，得到了具有撩带和邋帮的色散关系式，并给出了禁带随其他参数变化而变化的色散曲线圈，最后展望了等离予体光予晶体未来应用敕美好蘸娥国内方面，清华大学的博士聪李伟等，于2 0 0 4 年5 月在一篇论文中给出了等凑子俸搬子晶体戆壤念哆将其蠢震期馁结构戆笛赛_ 孑体定义为等离子体光子晶体，并对电磁波在电磁波场空间分布调制的等离子体光予晶体中的传播特性进符了磺究。

文孛臻大功率微渡对等离子体形残畜葳动力蹙，获露调程降离子俸密度( 如图1 ．4 所示) 使其形成某～固定周期的分稚( 如图1 ．5 所示) 经过对色散装系式的数值计算后，饿们我到了具有瞬显通带释禁带的光予爵体豹特征( 如图1 ．6 所承) ，同时给出了锌离子体光予照体对色数毒很大影响和撼离子体光子晶体在微波方面的有效应用的结论除戴乏钋，毽魏国内终公开列貔上还没有进一步豹论述由予等枣子体走子晶体自身的特性，对等离子体光子晶体的研究，迸都停留襁基础理论层面上相绥苓久等凄予薄竞予蘸髂豹理论稀褒会爨现薪豹滋聂，势疑终揆入实际浅惩§1 ．3 研究意义作为一种特殊种类的光子晶体，等离予体光予晶体不仅具有一般光子晶体的憋理性。