光子晶體是介質在空間中的周期性分布，作為一種新的“光子”材料已廣泛應用于各種微波器件的設計中。由于等離子體的可調性，等離子體光子晶體較傳統(tǒng)的光子晶體具有更為廣泛的應用前景。
《等離子體光學晶體理論》共14章：第1～4章介紹光子晶體以及等離子體光子晶體的基本概念和發(fā)展現(xiàn)狀以及等離子體的物理特性和相關算法，并對主要計算光子晶體的技術進行了概述，尤其強調了主流算法在處理等離子體光子晶體時的缺陷及解決方案；第5～10章主要對一維和二維等離子體光子晶體的理論分析和相關器件設計進行闡述；第11～14章對三維等離子體光子晶體在不同條件下的色散特性和器件設計進行介紹，如不同品格條件、不同磁化模式以及各向異性條件。
《等離子體光學晶體理論》可供從事微波技術、計算電磁學、光學和光通信、電子科學與技術、應用物理和凝聚態(tài)物理等領域研究和開發(fā)工作的科技人員參考，也可以作為高等院校相關專業(yè)的高年級本科生、研究生和教師的參考書。
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目錄
第1章 等離子體光子晶體概況1
1.1光子晶體概述2
1.1.1光子晶體的概念2
1.1.2光子晶體的前世今生3
1.1.3光子晶體的分類6
1.1.4光子晶體的應用8
1.1.5光子晶體的制備17
1.2等離子體光子晶體概述19
1.2.1等離子體光子晶體的由來19
1.2.2等離子體光子晶體的國內外研究現(xiàn)狀20
1.3光子晶體的計算法24
1.3.1光子晶體的理論基礎26
1.3.2光子晶體的傳輸矩陣法27
1.3.3光子晶體的FDTD算法30
1.3.4光子晶體的PWE算法41
1.3.5光子晶體的FDFD算法45
第2章 等離子體物理學基礎50
2.1等離子體的基本參量50
2.1.1等離子體頻率51
2.1.2等離子體碰撞頻率51
2.1.3等離子體回旋頻率52
2.2等離子體的流體近似與介電張量表示52
2.2.1時域麥克斯韋方程組52
2.2.2頻域麥克斯韋方程組53
2.2.3流體近似下的等離子體方程53
2.2.4等離子體的極化模型和極化率56
2.2.5等離子體的導電模型和導電率58
2.3電磁波在低溫非磁化等離子體中的傳播60
2.4電磁波在磁化等離子體中的傳播(外加磁場平行于波矢)63
2.4.1忽略等離子體碰撞頻率時電磁波在磁化等離子體中的傳播63
2.4.2考慮等離子體碰撞頻率時電磁波在磁化等離子體中的傳播67
2.5電磁波在磁化等離子體中的傳播(外加磁場垂直于波矢)68
2.5.1忽略等離子體碰撞頻率時電磁波在磁化等離子體中的傳播68
2.5.2考慮等離子體碰撞頻率時電磁波在磁化等離子體中的傳播70
2.6波矢和外加磁場間為任意夾角條件下電磁波與磁化等離子體的相互作用72
第3章 等離子體的FDTD算法76
3.1非磁化等離子體的FDTD算法76
3.1.1非磁化等離子體的JEC-FDTD算法77
3.1.2JEC-FDTD算法的有效性和精度驗證性算例78
3.1.3非磁化等離子體的PLCDRC-FDTD算法80
3.1.4非磁化等離子體PLCDRC-FDTD算法的有效性和精度81
3.1.5非磁化等離子體PLCDRC-FDTD算法的算例82
3.2磁化等離子體的PLCDRC-FDTD算法85
3.2.1磁化等離子體的PLCDRC-FDTD算法的基本原理85
3.2.2磁化等離子體PLCDRC-FDTD算法的有效性和精度88
第4章 等離子體光子晶體計算方法與發(fā)展91
4.1等離子體光子晶體的計算方法91
4.1.1TMM的特點91
4.1.2PWE算法的特點92
4.1.3FDTD算法的特點92
4.1.4FDFD算法的特點93
4.2等離子體光子晶體的FDTD算法93
4.3等離子體光子晶體的PWE算法96
4.3.1TE模式下二維非磁化等離子體光子晶體色散關系的求解公式96
4.3.2基于網(wǎng)格法的PWE算法101
4.3.3基于打靶法的PWE算法105
4.4等離子體光子晶體的FDFD算法107
第5章 一維非磁化等離子體光子晶體禁帶特性111
5.1用于計算的物理模型和FDTD計算的參數(shù)111
5.2一維非磁化等離子體光子晶體禁帶周期特性112
5.2.1用于仿真計算的FDTD算法112
5.2.2周期常數(shù)對光子禁帶周期特性的影響113
5.2.3空間結構參數(shù)b對光子禁帶周期特性的影響114
5.2.4等離子體碰撞頻率對光子禁帶周期特性的影響115
5.2.5等離子體頻率對光子禁帶周期特性的影響116
5.3溫度、密度對一維非磁化等離子體光子晶體禁帶特性的影響117
5.3.1用于仿真計算的FDTD算法118
5.3.2溫度對禁帶特性的影響119
5.3.3密度對禁帶特性的影響120
5.4一維時變非磁化等離子體光子晶體禁帶特性122
5.5一維非磁化等離子體光子晶體缺陷態(tài)的研究124
5.5.1用于仿真計算的PLCDRC-FDTD算法124
5.5.2缺陷層的介電常數(shù)對缺陷模的影響125
5.5.3缺陷層的位置和周期常數(shù)對缺陷模的影響126
5.5.4缺陷層的厚度對缺陷模的影響127
5.5.5等離子體參數(shù)對缺陷模的影響128
第6章 一維磁化等離子體光子晶體禁帶特性130
6.1用于計算的物理模型和FDTD計算的參數(shù)130
6.2一維磁化等離子體光子晶體禁帶的周期特性132
6.2.1周期常數(shù)對光子禁帶周期特性的影響132
6.2.2空間結構常數(shù)b對光子禁帶周期特性的影響133
6.2.3等離子體頻率對光子禁帶周期特性的影響135
6.2.4等離子體碰撞頻率對光子禁帶周期特性的影響136
6.2.5等離子體回旋頻率對光子禁帶周期特性的影響138
6.3溫度、密度對一維磁化等離子體光子晶體禁帶特性的影響140
6.3.1溫度對禁帶特性的影響141
6.3.2密度對禁帶特性的影響143
6.4一維時變磁化等離子體光子晶體禁帶特性145
6.5一維磁化等離子體光子晶體缺陷態(tài)的研究148
6.5.1缺陷層的介電常數(shù)對缺陷模的影響148
6.5.2缺陷層的位置和周期常數(shù)對缺陷模的影響150
6.5.3缺陷層的厚度對缺陷模的影響151
6.5.4等離子體頻率對缺陷模的影響152
6.5.5等離子體碰撞頻率對缺陷模的影響153
6.5.6等離子體回旋頻率對缺陷模的影響154
第7章 斜入射一維等離子體光子晶體的禁帶特性156
7.1一維斜入射等離子體光子晶體色散特性156
7.1.1理論模型和數(shù)值方法156
7.1.2計算結果與分析159
7.2可調諧一維三元磁化等離子體光子晶體禁帶特性研究162
7.2.1計算方法和物理模型163
7.2.2等離子體頻率對禁帶特性的影響165
7.2.3等離子體碰撞頻率對禁帶特性的影響166
7.2.4等離子體回旋頻率對禁帶特性的影響166
7.2.5等離子體的填充率對禁帶特性的影響167
7.2.6入射角對禁帶特性的影響168
7.2.7介質層的相對介電常數(shù)對禁帶特性的影響169
7.3磁光Voigt效應下的一維磁化等離子體光子晶體169
7.3.1磁化等離子體的介電函數(shù)170
7.3.2物理模型與計算方法171
7.3.3外加磁場對等離子體介電函數(shù)的影響177
7.3.4外加磁場對TE極化波電磁特性的影響179
7.3.5入射角對TE極化波電磁特性的影響182
7.3.6等離子體碰撞頻率對TE極化波電磁特性的影響183
7.3.7介質介電常數(shù)對TE極化波電磁特性的影響185
7.4入射波與外加磁場夾角任意時一維磁化等離子體光子晶體的色散特性186
7.4.1等離子體層的有效折射率公式186
7.4.2傳輸矩陣與色散關系的公式190
7.4.3μ對磁化等離子體有效介電函數(shù)的影響192
7.4.4介質層介電常數(shù)對PBGs和色散關系的影響193
7.4.5等離子體碰撞頻率對PBGs和色散關系的影響195
7.4.6對PBGs和色散關系的影響197
7.4.7等離子體填充率對PBGs和色散關系的影響199
7.4.8對PBGs和色散關系的影響201
7.4.9外加磁場對PBGs和色散關系的影響203
7.4.10等離子體頻率對PBGs和色散關系的影響205
第8章 基于一維等離子體光子晶體的全向反射器設計208
8.1基于拼接技術的全向反射器的設計208
8.1.1物理模型和計算方法209
8.1.2混合結構的OBG特性210
8.1.3等離子體層厚度對OBG的影響213
8.1.4等離子體密度對OBG的影響214
8.2基于匹配層技術的全向反射器的設計216
8.2.1物理模型和計算方法216
8.2.2引入匹配層來改善PBG和OBG的特性217
8.2.3等離子體層厚度對OBG的影響220
8.2.4等離子體密度對OBG的影響221
8.3基于變周期結構的全向反射器的設計222
8.3.1基于變周期結構的全向反射器的實現(xiàn)223
8.3.2介質層的平均厚度對OBG的影響225
8.3.3等離子體層的平均厚度對OBG的影響226
8.3.4等離子體頻率對OBG的影響226
8.3.5等離子體和介質層的漸變系數(shù)對OBG的影響227
8.4基于準周期或分形結構的全向反射器的設計228
8.4.1基于Thue-Morse準周期結構的全向反射器的實現(xiàn)228
8.4.2等離子體層厚度對OBG的影響230
8.4.3Thue-Morse序列的階數(shù)N對OBG的影響230
8.4.4等離子體密度對OBG的影響231
8.4.5等離子體碰撞頻率對OBG的影響231
8.5基于三元Fibonacci準周期結構的全向反射器的設計232
8.5.1基于三元Fibonacci準周期結構的全向反射器的實現(xiàn)233
8.5.2Fibonacci序列的階數(shù)N對OBG的影響235
8.5.3等離子體層厚度對OBG的影響236
8.5.4等離子體密度對OBG的影響237
8.6基于改進型Fibonacci序列的全向反射器的設計238
8.6.1基于改進型Fibonacci序列的全向反射器的實現(xiàn)238
8.6.2Fibonacci序列的階數(shù)N對OBG的影響242
8.6.3等離子體層厚度對OBG的影響244
8.6.4等離子體密度對OBG的影響245
8.6.5等離子體碰撞頻率對OBG的影響246
第9章 二維等離子體光子晶體的電磁特性247
9.1二維等離子體光子晶體的禁帶特性247
9.1.1二維菱形晶格等離子體光子晶體的理論模型與仿真計算247
9.1.2二維菱形晶格等離子體光子晶體的色散特性253
9.1.3等離子體柱半徑對PBGs的影響255
9.1.4等離子體頻率對PBGs的影響255
9.1.5介質背景對PBGs的影響256
9.2二維磁化等離子體光子晶體的禁帶特性研究257
9.2.1二維磁化等離子體光子晶體的物理模型257
9.2.2磁化等離子體的FDTD輔助方程法264
9.2.3TM模式下的粒子模擬270
9.2.4TE模式下的色散特性272
9.3有限周期結構的二維等離子體光子晶體的傳輸特性279
9.3.1計算方法與理論模型279
9.3.2介質圓柱相對介電常數(shù)對禁帶特性的影響280
9.3.3周期常數(shù)對禁帶特性的影響281
9.3.4R和a對禁帶特性的影響282
9.3.5等離子體參數(shù)對禁帶特性的影響283
9.4新型二維等離子體光子晶體的禁帶特性285
9.4.1理論模型與計算方法286
9.4.2type-1和type-2等離子體光子晶體的色散特性289
9.4.3外加磁場對等離子體光子晶體色散特性的影響291
9.4.4等離子體碰撞頻率對等離子體光子晶體色散特性的影響292
9.4.5等離子體頻率對等離子體光子晶體色散特性的影響294
9.4.6填充率對等離子體光子晶體色散特性的影響295
第10章 二維等離子體光子晶體應用設計基礎297
10.1二維等離子體光子晶體的線缺陷與點缺陷297
10.1.1二維線缺陷等離子體光子晶體的理論模型與仿真計算297
10.1.2對缺陷模的影響299
10.1.3周期常數(shù)和缺陷層位置對缺陷模的影響300
10.1.4R和a對缺陷模的影響301
10.1.5r和b對缺陷模的影響303
10.1.6等離子體頻率和等離子體碰撞頻率對缺陷模的影響305
10.1.7含點缺陷二維等離子體光子晶體的物理模型與計算方法306
10.1.8二維等離子體光子晶體的點缺陷特性307
10.1.9光子晶體參數(shù)對缺陷模的影響309
10.2二維等離子體光子晶體全向禁帶的拓展技術310
10.2.1理論模型與二維等離子體光子晶體的CPBGs311
10.2.2填充介質a對CPBGs的影響314
10.2.3參數(shù)μ對CPBGs的影響314
10.2.4參數(shù)d對CPBGs的影響315
10.2.5參數(shù)R對CPBGs的影響316
10.2.6參數(shù)r對CPBGs的影響317
10.2.7參數(shù)dx對CPBGs的影響317
10.2.8等離子體頻率對CPBGs的影響318
10.3二維等離子體光子晶體的全角負折射特性319
10.3.1理論模型與計算方法319
10.3.2兩類二維阿基米德晶格等離子體光子晶體的PBGs特性322
10.3.3光子晶體參數(shù)對PBGs的影響323
10.3.4二維阿基米德晶格等離子體光子晶體的可調諧AANR特性328
10.4二維等離子體光子晶體的全向反射器的設計335
10.4.1理論模型與計算方法336
10.4.2二維三角晶格等離子體光子晶體的OBG特性338
10.4.3光子晶體參數(shù)對OBG特性的影響340
10.4.4各向異性介質對大角度CPBG的影響343
第11章 三維等離子體光子晶體的基本電磁特性346
11.1三維立方體晶格等離子體光子晶體的禁帶特性346
11.1.1理論模型和計算方法346
11.1.2三維立方體晶格等離子體光子晶體的PBGs特性350
11.1.3介質的相對介電常數(shù)對PBGs的影響352
11.1.4填充率對PBGs的影響354
11.1.5等離子體頻率對PBGs的影響355
11.1.6等離子體碰撞頻率對PBGs的影響356
11.2三維鉆石晶格等離子體光子晶體的色散特性357
11.2.1物理模型和數(shù)值計算358
11.2.2兩類三維鉆石晶格等離子體光子晶體的色散特性359
11.2.3光子晶體參數(shù)對色散特性的影響360
11.3磁光Voigt效應下非尋常波在三維磁化等離子體光子晶體中的色散特性368
11.3.1理論模型和計算方法369
11.3.2三維面心晶格磁化等離子體光子晶體的色散特性371
11.3.3a對色散特性的影響373
11.3.4外加磁場對色散特性的影響374
11.3.5p對色散特性的影響376
11.3.6磁化等離子體球的填充率對色散特性的影響377
11.3.7等離子體碰撞頻率對PBG的影響379
11.3.8水平帶隙區(qū)域的特性380
11.4磁光Faraday效應下RCP波在三維磁化等離子體光子晶體中的色散特性381
11.4.1c對RCP波和LCP波有效介電常數(shù)的影響381
11.4.2物理模型與計算方法383
11.4.3RCP波在兩類三維磁化等離子體光子晶體中的色散特性386
11.4.4a對PBG特性的影響388
11.4.5外加磁場對PBG特性的影響389
11.4.6填充率對PBG特性的影響391
11.4.7等離子體參數(shù)對PBG特性的影響392
11.4.8水平帶隙區(qū)域的特性393
第12章 三維等離子體光子晶體的禁帶拓展技術396
12.1改變晶格結構實現(xiàn)對三維等離子體光子晶體禁帶的拓展396
12.1.1理論和數(shù)值方法398
12.1.2三維燒綠石晶格非磁化等離子體光子晶體的PBG特性400
12.1.3介質球的相對介電常數(shù)對PBG的影響402
12.1.4等離子體頻率對PBG的影響403
12.1.5填充介質球的半徑對PBG的影響404
12.1.6等離子體碰撞頻率對PBG的影響404
12.2三維各向異性等離子體光子晶體的禁帶特性405
12.2.1PWE方法的計算公式405
12.2.2不同晶格條件下三維各向異性等離子體光子晶體的PBGs408
12.2.3ne對各向異性PBGs的影響413
12.2.4no對各向異性PBGs的影響414
12.2.5填充率對各向異性PBGs的影響415
12.2.6等離子體頻率對各向異性PBGs的影響416
12.3RCP波在三維各向異性磁化等離子體光子晶體中的禁帶特性417
12.3.1理論和計算方法418
12.3.2磁光Faraday效應對RCP波PBGs的影響420
12.3.3ne對RCP波的各向異性PBGs的影響427
12.3.4no對RCP波的各向異性PBGs的影響428
12.3.5等離子體頻率對RCP波的各向異性PBGs的影響429
12.3.6填充率對RCP波的各向異性PBGs的影響430
12.3.7等離子體回旋頻率對RCP波的各向異性PBGs的影響431
12.4非尋常波在三維各向異性磁化等離子體光子晶體中的色散特性432
12.4.1理論模型與數(shù)值方法433
12.4.2磁光Voigt效應下非尋常波的PBGs特性437
12.4.3ne對各向異性非尋常波PBG的影響440
12.4.4no對各向異性非尋常波PBG的影響441
12.4.5填充率對各向異性非尋常波PBG的影響441
12.4.6等離子體頻率對各向異性非尋常波PBG的影響442
12.4.7外加磁場對各向異性非尋常波PBG的影響443
12.4.8水平帶隙區(qū)域的特性444
第13章 基于三維等離子體光子晶體的器件設計446
13.1基于三維等離子體光子晶體的光開關設計技術447
13.1.1理論模型和數(shù)值方法447
13.1.2表面等離子體激元模的特性451
13.1.3可調諧SWBG的特性456
13.2磁光Faraday效應下RCP波光開關的設計技術458
13.2.1理論模型與計算方法458
13.2.2磁光Faraday效應下RCP波的色散特性462
13.2.3磁光Faraday效應下表面等離子體激元模的特性463
13.2.4RCP波的可調諧SWBG的特性468
13.3磁光Voigt效應下非尋常波光開關的設計技術471
13.3.1理論模型和計算方法471
13.3.2表面等離子體激元模的特性474
13.3.3非尋常波的SWBG特性478
第14章 三維磁化等離子體光子晶體中的磁光效應482
14.1三維磁化等離子體的磁光Faraday效應482
14.1.1理論模型和數(shù)值方法482
14.1.2考慮混合極化波時三維磁化等離子體的帶隙結構487
14.1.3水平帶區(qū)域的特性489
14.1.4三維磁化等離子體光子晶體的PBG特性490
14.2三維磁化等離子體的磁光Voigt效應493
14.2.1理論模型和數(shù)值方法493
14.2.2三維磁化等離子體中電磁模式的帶隙結構498
14.2.3水平帶區(qū)域的特性500
14.2.4三維磁化等離子體光子晶體參數(shù)對PBG的影響501
14.3三維各向異性磁化等離子體光子晶體中的Faraday效應504
14.3.1理論模型和計算方法505
14.3.2磁光Faraday效應對各向異性PBGs的影響508
14.3.3表面等離子激元模的特性511
14.3.4填充率對各向異性PBGs的影響512
14.3.5等離子體頻率對各向異性PBGs的影響513
14.3.6等離子體回旋頻率對各向異性PBGs的影響514
14.4三維各向異性磁化等離子體光子晶體中的Voigt效應515
14.4.1理論模型與數(shù)值方法515
14.4.2磁光Voigt效應下的各向異性PBGs特性518
14.4.3表面等離子激元模的特性521
14.4.4填充率對各向異性PBGs的影響522
14.4.5等離子體頻率對各向異性PBGs的影響523
14.4.6等離子體回旋頻率對各向異性PBGs的影響524
14.5寫在最后524
參考文獻527
索引547
7.微波光子晶體天線
隨著光子晶體理論、制備和實驗測試手段的日趨成熟，光子晶體的應用迅速拓展到了微波波段。工作在微波波段的光子晶體，被稱為微波光子晶體。由于微波波段對于現(xiàn)代通信有非常重要的價值，所以微波光子晶體的研究也迅速開展，并取得了豐碩的成果。微波光子晶體不僅應用于設計濾波器、混合器、諧振器、高效放大器，也被用于微波天線、相控陣天線等方面。應用光子晶體的PBGs和光子區(qū)域態(tài)的特性使得人們可以制造低剖面光子晶體天線、表面波抑制天線、光子晶體陣列天線和高定向性光子晶體天線等微波器件。傳統(tǒng)的微波天線一般是將天線直接制備在介質基底上，這會導致大量的能量被天線基底吸收，從而使得天線輻射效率低下。例如，對一般用GaAs介質作基底的天線反射器，98%的能量都損耗在基底中，只有2%的能量被發(fā)射出去，同時造成基底發(fā)熱。但是，如果以光子晶體作為天線的基片，就使天線的工作頻率落在光子晶體的PBGs中，這樣光子晶體基板不會吸收微波，因此就實現(xiàn)了無損耗全反射，使得天線能把能量全部輻射出去。自從1990年Yablonovitch等在微波波段制作出第一個光子晶體后，光子晶體在天線方面的應用就逐漸展開。1993年美國軍方研制出了反射率接近lOO%的光子晶體平面微波天線。由于GaAs半導體材料的光子晶體的禁帶設定在天線的工作頻率范圍內，微波不能在基本的一側傳播，因而天線的效率大大提高了。這種結構后來還用于微帶貼片天線、開槽天線等多種天線的設計中，本質上就是用光子晶體來抑制天線的表面波，以提高天線的工作效率。1996-1998年，Qian和Coccioli等用在微帶基板打周期性孔洞的方式來構成光子晶體，這種結構同樣可以用來設計微帶天線，用于高次諧波的抑制。1999年，Mushroom結構的微波光子晶體用于微帶天線的表面波的抑制，從而改善了天線的性能。重要的是這種光子晶體結構能夠方便地和集成電路工藝相結合，使得加工變得異常簡單。這種結構除了具備帶隙特性外，其表面對入射電磁波還有相同反射特性，利用這個特性可加工成低剖面的天線結構。到2003年，該光子晶體結構也被用來設計相控陣天線和高定向性天線�？傊�，微波光子晶體越來越多地被應用于天線性能的改善和設計。我國國防科技大學袁乃昌課題組在這方面做了大量工作。關于微波光子晶體天線技術的相關內容可以參閱國防科技大學付云起等合著的《微波光子晶體天線技術》一書。
綜上7個方面所述，光子晶體在加工現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的組件和光學器件等方面有越來越廣泛的應用背景。微波、光波和太赫茲波器件將越來越多地應用到與光子晶體相關的技術，因此光子晶體的“魅力”正在被廣大的學者所接受。除了上述談及的7個方面外，光子晶體還能應用到其他的許多領域，如濾波器設計、功分器設計、光子晶體傳感器和光開關等。限于《等離子體光學晶體理論》的篇幅，不能對此進行逐一介紹，有興趣的讀者可以查閱相關文獻。但是，值得一提的是最近幾年周期性結構的電磁超材料，如目前研究比較熱的微波吸波器、電磁誘導透明、高阻表面、頻率選擇表面和人工磁導體等，盡管外觀上是金屬涂覆介質基板的結構，但就其本質而言都可以視為一種光子晶體。所以，光子晶體本身的應用研究將逐漸走向成熟，將來的成果也將更好地服務于人類社會。
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