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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CPBGs311

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PBGs408

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