用时域有限差分方法（FDTD）研究等离子体光子晶体的特性

摘要

等离子体光子晶体是等离子体和介质构成的人工周期性结构。众所周知，非磁化等离子体是一种色散性和耗散性介质。一方面，其折射率小于1甚至为负值，而且与入射电磁波的频率密切相关。另一方面，当频率高于等离子体频率的电磁波入射到等离子体内部时，由于等离子体的碰撞，入射电磁波的能量会被吸收，电磁波的能量转化为等离子体的内能。而对于磁化等离子体，情况则更加复杂。磁等离子体既具有各项异性特性，又有频率色散和耗散特性。电磁波在磁等离子体中传播时，既有通带，也有阻带。因此，等离子体的这些特性使得等离子体光子晶体具有常规的介质光子晶体所不具有的性质。 本文对电磁波通过一维等离子体光子晶体进行了仿真计算。采用微分高斯脉冲为激励源，将在时域里获得的电场分量再通过傅立叶变换到频域，再在频域里求其透射率。用获得的透射率频谱图来研究等离子体光子晶体的禁带特性。主要研究内容如下： 1、用非磁化等离子体的JEC-FDTD算法，讨论了一维非磁化等离子体光子晶体禁带的周期特性；在等温近似的条件下，用推导获得的FDTD算法公式，讨论了等离子体温度、密度和上升时间对其禁带特性的影响。用非磁化等离子体的PLCDRC-FDTD算法，讨论了具有单一缺陷层的一维非磁化等离子体光子晶体的缺陷模特性。 2、用磁化等离子体的PLCDRC-FDTD算法，讨论了一维磁化等离子体光子晶体禁带的周期特性；研究了等离子体温度、密度和上升时间对其禁带特性的影响。讨论了具有单一缺陷层的一维磁化等离子体光子晶体的缺陷模特性。 结果表明改变等离子体参数、等离子体光子晶体的空间周期参数、等离子体温度、密度和上升时间能改变等离子体光子晶体的禁带和缺陷模特性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章前言

1.1研究背景

1.2国内外的研究现状

1.3课题的来源和研究意义

1.4论文的主要内容

1.5论文的创新之处

第2章等离子体理论

2.1等离子体的基本参量

2.1.1等离子体频率

2.1.2等离子体回旋频率

2.2电磁波在非磁化等离子体中的传播

2.3电磁波在磁化等离子体中的传播

2.3.1不考虑等离子体碰撞

2.3.2考虑等离子体碰撞

第3章等离子体的FDTD算法

3.1非磁化等离子体的FDTD算法

3.1.1JEC-FDTD算法

3.1.2 PLCDRC-FDTD算法

3.2磁化等离子体的PLCDRC-FDTD

第4章非磁化等离子体光子晶体禁带特性研究

4.1用于仿真计算的物理模型和FDTD参数

4.2非磁化等离子体光子晶体禁带周期特性

4.2.1用于仿真计算的FDTD算法

4.2.2周期常数对光子禁带周期特性的影响

4.2.3空间结构参数b对光子禁带周期特性的影响

4.2.4等离子体碰撞频率对光子禁带周期特性的影响

4.2.5等离子体频率对光子禁带周期特性的影响

4.3温度、密度对非磁化等离子体光子晶体禁带特性的影响

4.3.1用于仿真计算的FDTD算法

4.3.2温度对禁带特性的影响

4.3.3密度对禁带特性的影响

4.4时变非磁化等离子体光子晶体禁带特性

4.5非磁化等离子体光子晶体缺陷态的研究

4.5.1用于仿真计算的PLCDRC-FDTD算法

4.5.2缺陷层的介电常数对缺陷模的影响

4.5.3缺陷层的位置和周期常数对缺陷模的影响

4.5.4缺陷层的厚度对缺陷模的影响

4.5.5等离子体频率对缺陷模的影响

4.5.6等离子体碰撞频率对缺陷模的影响

4.6本章小结

第5章磁化等离子体光子晶体禁带特性研究

5.1用于仿真计算的PLCDRC-FDTD算法

5.2用于仿真计算的物理模型和FDTD参数

5.3磁化等离子体光子晶体禁带的周期特性的研究

5.3.1周期常数对光子禁带周期特性的影响

5.3.2空间结构常数b对光子禁带周期特性的影响

5.3.3等离子体频率对光子禁带周期特性的影响

5.3.4等离子体碰撞频率对光子禁带周期特性的影响

5.3.5等离子体回旋频率对光子禁带周期特性的影响

5.4温度、密度对磁化等离子体光子晶体禁带特性的影响

5.4.1温度对禁带特性的影响

5.4.2密度对禁带特性的影响

5.5时变磁化等离子体光子晶体禁带特性

5.6磁化等离子体光子晶体缺陷态的研究

5.6.1缺陷层的介电常数对缺陷模的影响

5.6.2缺陷层的位置和周期常数对缺陷模的影响

5.6.3缺陷层的厚度对缺陷模的影响

5.6.4等离子体频率对缺陷模的影响

5.6.5等离子体碰撞频率对缺陷模的影响

5.6.6等离子体回旋频率对缺陷模的影响

5.7本章小结

第6章结论与展望

6.1结论

6.2下一步的研究思路及展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果