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第1章 等离子体光子晶体概况 1

1.1 光子晶体概述 2

1.1.1 光子晶体的概念 2

1.1.2 光子晶体的前世今生 3

1.1.3 光子晶体的分类 6

1.1.4 光子晶体的应用 8

1.1.5 光子晶体的制备 17

1.2 等离子体光子晶体概述 19

1.2.1 等离子体光子晶体的由来 19

1.2.2 等离子体光子晶体的国内外研究现状 20

1.3 光子晶体的计算法 24

1.3.1 光子晶体的理论基础 26

1.3.2 光子晶体的传输矩阵法 27

1.3.3 光子晶体的FDTD算法 30

1.3.4 光子晶体的PWE算法 41

1.3.5 光子晶体的FDFD算法 45

第2章 等离子体物理学基础 50

2.1 等离子体的基本参量 50

2.1.1 等离子体频率 51

2.1.2 等离子体碰撞频率 51

2.1.3 等离子体回旋频率 52

2.2 等离子体的流体近似与介电张量表示 52

2.2.1 时域麦克斯韦方程组 52

2.2.2 频域麦克斯韦方程组 53

2.2.3 流体近似下的等离子体方程 53

2.2.4 等离子体的极化模型和极化率 56

2.2.5 等离子体的导电模型和导电率 58

2.3 电磁波在低温非磁化等离子体中的传播 60

2.4 电磁波在磁化等离子体中的传播（外加磁场平行于波矢） 63

2.4.1 忽略等离子体碰撞频率时电磁波在磁化等离子体中的传播 63

2.4.2 考虑等离子体碰撞频率时电磁波在磁化等离子体中的传播 67

2.5 电磁波在磁化等离子体中的传播（外加磁场垂直于波矢） 68

2.5.1 忽略等离子体碰撞频率时电磁波在磁化等离子体中的传播 68

2.5.2 考虑等离子体碰撞频率时电磁波在磁化等离子体中的传播 70

2.6 波矢和外加磁场间为任意夹角条件下电磁波与磁化等离子体的相互作用 72

第3章 等离子体的FDTD算法 76

3.1 非磁化等离子体的FDTD算法 76

3.1.1 非磁化等离子体的JEC-FDTD算法 77

3.1.2 JEC-FDTD算法的有效性和精度验证性算例 78

3.1.3 非磁化等离子体的PLCDRC-FDTD算法 80

3.1.4 非磁化等离子体PLCDRC-FDTD算法的有效性和精度 81

3.1.5 非磁化等离子体PLCDRC-FDTD算法的算例 82

3.2 磁化等离子体的PLCDRC-FDTD算法 85

3.2.1 磁化等离子体的PLCDRC-FDTD算法的基本原理 85

3.2.2 磁化等离子体PLCDRC-FDTD算法的有效性和精度 88

第4章 等离子体光子晶体计算方法与发展 91

4.1 等离子体光子晶体的计算方法 91

4.1.1 TMM的特点 91

4.1.2 PWE算法的特点 92

4.1.3 FDTD算法的特点 92

4.1.4 FDFD算法的特点 93

4.2 等离子体光子晶体的FDTD算法 93

4.3 等离子体光子晶体的PWE算法 96

4.3.1 TE模式下二维非磁化等离子体光子晶体色散关系的求解公式 96

4.3.2 基于网格法的PWE算法 101

4.3.3 基于打靶法的PWE算法 105

4.4 等离子体光子晶体的FDFD算法 107

第5章 一维非磁化等离子体光子晶体禁带特性 111

5.1 用于计算的物理模型和FDTD计算的参数 111

5.2 一维非磁化等离子体光子晶体禁带周期特性 112

5.2.1 用于仿真计算的FDTD算法 112

5.2.2 周期常数对光子禁带周期特性的影响 113

5.2.3 空间结构参数b对光子禁带周期特性的影响 114

5.2.4 等离子体碰撞频率对光子禁带周期特性的影响 115

5.2.5 等离子体频率对光子禁带周期特性的影响 116

5.3 温度、密度对一维非磁化等离子体光子晶体禁带特性的影响 117

5.3.1 用于仿真计算的FDTD算法 118

5.3.2 温度对禁带特性的影响 119

5.3.3 密度对禁带特性的影响 120

5.4 一维时变非磁化等离子体光子晶体禁带特性 122

5.5 一维非磁化等离子体光子晶体缺陷态的研究 124

5.5.1 用于仿真计算的PLCDRC-FDTD算法 124

5.5.2 缺陷层的介电常数对缺陷模的影响 125

5.5.3 缺陷层的位置和周期常数对缺陷模的影响 126

5.5.4 缺陷层的厚度对缺陷模的影响 127

5.5.5 等离子体参数对缺陷模的影响 128

第6章 一维磁化等离子体光子晶体禁带特性 130

6.1 用于计算的物理模型和FDTD计算的参数 130

6.2 一维磁化等离子体光子晶体禁带的周期特性 132

6.2.1 周期常数对光子禁带周期特性的影响 132

6.2.2 空间结构常数b对光子禁带周期特性的影响 133

6.2.3 等离子体频率对光子禁带周期特性的影响 135

6.2.4 等离子体碰撞频率对光子禁带周期特性的影响 136

6.2.5 等离子体回旋频率对光子禁带周期特性的影响 138

6.3 温度、密度对一维磁化等离子体光子晶体禁带特性的影响 140

6.3.1 温度对禁带特性的影响 141

6.3.2 密度对禁带特性的影响 143

6.4 一维时变磁化等离子体光子晶体禁带特性 145

6.5 一维磁化等离子体光子晶体缺陷态的研究 148

6.5.1 缺陷层的介电常数对缺陷模的影响 148

6.5.2 缺陷层的位置和周期常数对缺陷模的影响 150

6.5.3 缺陷层的厚度对缺陷模的影响 151

6.5.4 等离子体频率对缺陷模的影响 152

6.5.5 等离子体碰撞频率对缺陷模的影响 153

6.5.6 等离子体回旋频率对缺陷模的影响 154

第7章 斜入射一维等离子体光子晶体的禁带特性 156

7.1 一维斜入射等离子体光子晶体色散特性 156

7.1.1 理论模型和数值方法 156

7.1.2 计算结果与分析 159

7.2 可调谐一维三元磁化等离子体光子晶体禁带特性研究 162

7.2.1 计算方法和物理模型 163

7.2.2 等离子体频率对禁带特性的影响 165

7.2.3 等离子体碰撞频率对禁带特性的影响 166

7.2.4 等离子体回旋频率对禁带特性的影响 166

7.2.5 等离子体的填充率对禁带特性的影响 167

7.2.6 入射角对禁带特性的影响 168

7.2.7 介质层的相对介电常数对禁带特性的影响 169

7.3 磁光Voigt效应下的一维磁化等离子体光子晶体 169

7.3.1 磁化等离子体的介电函数 170

7.3.2 物理模型与计算方法 171

7.3.3 外加磁场对等离子体介电函数的影响 177

7.3.4 外加磁场对TE极化波电磁特性的影响 179

7.3.5 入射角对TE极化波电磁特性的影响 182

7.3.6 等离子体碰撞频率对TE极化波电磁特性的影响 183

7.3.7 介质介电常数对TE极化波电磁特性的影响 185

7.4 入射波与外加磁场夹角任意时一维磁化等离子体光子晶体的色散特性 186

7.4.1 等离子体层的有效折射率公式 186

7.4.2 传输矩阵与色散关系的公式 190

7.4.3 θ对磁化等离子体有效介电函数的影响 192

7.4.4 介质层介电常数对PBGs和色散关系的影响 193

7.4.5 等离子体碰撞频率对PBGs和色散关系的影响 195

7.4.6 θ1对PBGs和色散关系的影响 197

7.4.7 等离子体填充率对PBGs和色散关系的影响 199

7.4.8 θ对PBGs和色散关系的影响 201

7.4.9 外加磁场对PBGs和色散关系的影响 203

7.4.10 等离子体频率对PBGs和色散关系的影响 205

第8章 基于一维等离子体光子晶体的全向反射器设计 208

8.1 基于拼接技术的全向反射器的设计 208

8.1.1 物理模型和计算方法 209

8.1.2 混合结构的OBG特性 210

8.1.3 等离子体层厚度对OBG的影响 213

8.1.4 等离子体密度对OBG的影响 214

8.2 基于匹配层技术的全向反射器的设计 216

8.2.1 物理模型和计算方法 216

8.2.2 引入匹配层来改善PBG和OBG的特性 217

8.2.3 等离子体层厚度对OBG的影响 220

8.2.4 等离子体密度对OBG的影响 221

8.3 基于变周期结构的全向反射器的设计 222

8.3.1 基于变周期结构的全向反射器的实现 223

8.3.2 介质层的平均厚度对OBG的影响 225

8.3.3 等离子体层的平均厚度对OBG的影响 226

8.3.4 等离子体频率对OBG的影响 226

8.3.5 等离子体和介质层的渐变系数对OBG的影响 227

8.4 基于准周期或分形结构的全向反射器的设计 228

8.4.1 基于Thue-Morse准周期结构的全向反射器的实现 228

8.4.2 等离子体层厚度对OBG的影响 230

8.4.3 Thue-Morse序列的阶数N对OBG的影响 230

8.4.4 等离子体密度对OBG的影响 231

8.4.5 等离子体碰撞频率对OBG的影响 231

8.5 基于三元Fibonacci准周期结构的全向反射器的设计 232

8.5.1 基于三元Fibonacci准周期结构的全向反射器的实现 233

8.5.2 Fibonacci序列的阶数N对OBG的影响 235

8.5.3 等离子体层厚度对OBG的影响 236

8.5.4 等离子体密度对OBG的影响 237

8.6 基于改进型Fibonacci序列的全向反射器的设计 238

8.6.1 基于改进型Fibonacci序列的全向反射器的实现 238

8.6.2 Fibonacci序列的阶数N对OBG的影响 242

8.6.3 等离子体层厚度对OBG的影响 244

8.6.4 等离子体密度对OBG的影响 245

8.6.5 等离子体碰撞频率对OBG的影响 246

第9章 二维等离子体光子晶体的电磁特性 247

9.1 二维等离子体光子晶体的禁带特性 247

9.1.1 二维菱形晶格等离子体光子晶体的理论模型与仿真计算 247

9.1.2 二维菱形晶格等离子体光子晶体的色散特性 253

9.1.3 等离子体柱半径对PBGs的影响 255

9.1.4 等离子体频率对PBGs的影响 255

9.1.5 介质背景对PBGs的影响 256

9.2 二维磁化等离子体光子晶体的禁带特性研究 257

9.2.1 二维磁化等离子体光子晶体的物理模型 257

9.2.2 磁化等离子体的FDTD辅助方程法 264

9.2.3 TM模式下的粒子模拟 270

9.2.4 TE模式下的色散特性 272

9.3 有限周期结构的二维等离子体光子晶体的传输特性 279

9.3.1 计算方法与理论模型 279

9.3.2 介质圆柱相对介电常数对禁带特性的影响 280

9.3.3 周期常数对禁带特性的影响 281

9.3.4 R和a对禁带特性的影响 282

9.3.5 等离子体参数对禁带特性的影响 283

9.4 新型二维等离子体光子晶体的禁带特性 285

9.4.1 理论模型与计算方法 286

9.4.2 type-1和type-2等离子体光子晶体的色散特性 289

9.4.3 外加磁场对等离子体光子晶体色散特性的影响 291

9.4.4 等离子体碰撞频率对等离子体光子晶体色散特性的影响 292

9.4.5 等离子体频率对等离子体光子晶体色散特性的影响 294

9.4.6 填充率对等离子体光子晶体色散特性的影响 295

第10章 二维等离子体光子晶体应用设计基础 297

10.1 二维等离子体光子晶体的线缺陷与点缺陷 297

10.1.1 二维线缺陷等离子体光子晶体的理论模型与仿真计算 297

10.1.2 ε2对缺陷模的影响 299

10.1.3 周期常数和缺陷层位置对缺陷模的影响 300

10.1.4 R和a对缺陷模的影响 301

10.1.5 r和b对缺陷模的影响 303

10.1.6 等离子体频率和等离子体碰撞频率对缺陷模的影响 305

10.1.7 含点缺陷二维等离子体光子晶体的物理模型与计算方法 306

10.1.8 二维等离子体光子晶体的点缺陷特性 307

10.1.9 光子晶体参数对缺陷模的影响 309

10.2 二维等离子体光子晶体全向禁带的拓展技术 310

10.2.1 理论模型与二维等离子体光子晶体的CPBGs 311

10.2.2 填充介质εa对CPBGs的影响 314

10.2.3 参数θ对CPBGs的影响 314

10.2.4 参数d对CPBGs的影响 315

10.2.5 参数R对CPBGs的影响 316

10.2.6 参数r对CPBGs的影响 317

10.2.7 参数dx对CPBGs的影响 317

10.2.8 等离子体频率ωp对CPBGs的影响 318

10.3 二维等离子体光子晶体的全角负折射特性 319

10.3.1 理论模型与计算方法 319

10.3.2 两类二维阿基米德晶格等离子体光子晶体的PBGs特性 322

10.3.3 光子晶体参数对PBGs的影响 323

10.3.4 二维阿基米德晶格等离子体光子晶体的可调谐AANR特性 328

10.4 二维等离子体光子晶体的全向反射器的设计 335

10.4.1 理论模型与计算方法 336

10.4.2 二维三角晶格等离子体光子晶体的OBG特性 338

10.4.3 光子晶体参数对OBG特性的影响 340

10.4.4 各向异性介质对大角度CPBG的影响 343

第11章 三维等离子体光子晶体的基本电磁特性 346

11.1 三维立方体晶格等离子体光子晶体的禁带特性 346

11.1.1 理论模型和计算方法 346

11.1.2 三维立方体晶格等离子体光子晶体的PBGs特性 350

11.1.3 介质的相对介电常数对PBGs的影响 352

11.1.4 填充率对PBGs的影响 354

11.1.5 等离子体频率对PBGs的影响 355

11.1.6 等离子体碰撞频率对PBGs的影响 356

11.2 三维钻石晶格等离子体光子晶体的色散特性 357

11.2.1 物理模型和数值计算 358

11.2.2 两类三维钻石晶格等离子体光子晶体的色散特性 359

11.2.3 光子晶体参数对色散特性的影响 360

11.3 磁光Voigt效应下非寻常波在三维磁化等离子体光子晶体中的色散特性 368

11.3.1 理论模型和计算方法 369

11.3.2 三维面心晶格磁化等离子体光子晶体的色散特性 371

11.3.3 2a对色散特性的影响 373

11.3.4 外加磁场对色散特性的影响 374

11.3.5 ωp对色散特性的影响 376

11.3.6 磁化等离子体球的填充率对色散特性的影响 377

11.3.7 等离子体碰撞频率对PBG的影响 379

11.3.8 水平带隙区域的特性 380

11.4 磁光Faraday效应下RCP波在三维磁化等离子体光子晶体中的色散特性 381

11.4.1 ωc对RCP波和LCP波有效介电常数的影响 381

11.4.2 物理模型与计算方法 383

11.4.3 RCP波在两类三维磁化等离子体光子晶体中的色散特性 386

11.4.4 εa对PBG特性的影响 388

11.4.5 外加磁场对PBG特性的影响 389

11.4.6 填充率对PBG特性的影响 391

11.4.7 等离子体参数对PBG特性的影响 392

11.4.8 水平带隙区域的特性 393

第12章 三维等离子体光子晶体的禁带拓展技术 396

12.1 改变晶格结构实现对三维等离子体光子晶体禁带的拓展 396

12.1.1 理论和数值方法 398

12.1.2 三维烧绿石晶格非磁化等离子体光子晶体的PBG特性 400

12.1.3 介质球的相对介电常数对PBG的影响 402

12.1.4 等离子体频率对PBG的影响 403

12.1.5 填充介质球的半径对PBG的影响 404

12.1.6 等离子体碰撞频率对PBG的影响 404

12.2 三维各向异性等离子体光子晶体的禁带特性 405

12.2.1 PWE方法的计算公式 405

12.2.2 不同晶格条件下三维各向异性等离子体光子晶体的PBGs 408

12.2.3 ne对各向异性PBGs的影响 413

12.2.4 no对各向异性PBGs的影响 414

12.2.5 填充率对各向异性PBGs的影响 415

12.2.6 等离子体频率对各向异性PBGs的影响 416

12.3 RCP波在三维各向异性磁化等离子体光子晶体中的禁带特性 417

12.3.1 理论和计算方法 418

12.3.2 磁光Faraday效应对RCP波PBGs的影响 420

12.3.3 ne对RCP波的各向异性PBGs的影响 427

12.3.4 no对RCP波的各向异性PBGs的影响 428

12.3.5 等离子体频率对RCP波的各向异性PBGs的影响 429

12.3.6 填充率对RCP波的各向异性PBGs的影响 430

12.3.7 等离子体回旋频率对RCP波的各向异性PBGs的影响 431

12.4 非寻常波在三维各向异性磁化等离子体光子晶体中的色散特性 432

12.4.1 理论模型与数值方法 433

12.4.2 磁光Voigt效应下非寻常波的PBGs特性 437

12.4.3 ne对各向异性非寻常波PBG的影响 440

12.4.4 no对各向异性非寻常波PBG的影响 441

12.4.5 填充率对各向异性非寻常波PBG的影响 441

12.4.6 等离子体频率对各向异性非寻常波PBG的影响 442

12.4.7 外加磁场对各向异性非寻常波PBG的影响 443

12.4.8 水平带隙区域的特性 444

第13章 基于三维等离子体光子晶体的器件设计 446

13.1 基于三维等离子体光子晶体的光开关设计技术 447

13.1.1 理论模型和数值方法 447

13.1.2 表面等离子体激元模的特性 451

13.1.3 可调谐SWBG的特性 456

13.2 磁光Faraday效应下RCP波光开关的设计技术 458

13.2.1 理论模型与计算方法 458

13.2.2 磁光Faraday效应下RCP波的色散特性 462

13.2.3 磁光Faraday效应下表面等离子体激元模的特性 463

13.2.4 RCP波的可调谐SWBG的特性 468

13.3 磁光Voigt效应下非寻常波光开关的设计技术 471

13.3.1 理论模型和计算方法 471

13.3.2 表面等离子体激元模的特性 474

13.3.3 非寻常波的SWBG特性 478

第14章 三维磁化等离子体光子晶体中的磁光效应 482

14.1 三维磁化等离子体的磁光Faraday效应 482

14.1.1 理论模型和数值方法 482

14.1.2 考虑混合极化波时三维磁化等离子体的带隙结构 487

14.1.3 水平带区域的特性 489

14.1.4 三维磁化等离子体光子晶体的PBG特性 490

14.2 三维磁化等离子体的磁光Voigt效应 493

14.2.1 理论模型和数值方法 493

14.2.2 三维磁化等离子体中电磁模式的带隙结构 498

14.2.3 水平带区域的特性 500

14.2.4 三维磁化等离子体光子晶体参数对PBG的影响 501

14.3 三维各向异性磁化等离子体光子晶体中的Faraday效应 504

14.3.1 理论模型和计算方法 505

14.3.2 磁光Faraday效应对各向异性PBGs的影响 508

14.3.3 表面等离子激元模的特性 511

14.3.4 填充率对各向异性PBGs的影响 512

14.3.5 等离子体频率对各向异性PBGs的影响 513

14.3.6 等离子体回旋频率对各向异性PBGs的影响 514

14.4 三维各向异性磁化等离子体光子晶体中的Voigt效应 515

14.4.1 理论模型与数值方法 515

14.4.2 磁光Voigt效应下的各向异性PBGs特性 518

14.4.3 表面等离子激元模的特性 521

14.4.4 填充率对各向异性PBGs的影响 522

14.4.5 等离子体频率对各向异性PBGs的影响 523

14.4.6 等离子体回旋频率对各向异性PBGs的影响 524

14.5 写在最后 524

参考文献 527

索引 547