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《电子科技大学》 2014年
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等离子体填充金属光子晶体Cherenkov辐射源研究

傅涛  
【摘要】:光子晶体是一种由两种或两种以上材料构成的具有晶格特性的周期排列结构。自光子晶体被提出以来,理论分析方法已逐渐完善,各种光子晶体器件也被相继应用。但是,特殊类型的光子晶体的理论分析和应用研究仍然是当前研究的热点。因此,本文研究了具有等离子体填充的金属光子晶体结构的带隙特性,并利用带隙特性构建了相关的微波器件,为等离子体填充金属光子晶体的发展提供了研究依据。本文的主要工作及创新点如下:利用时域有限差分方法(FDTD)分析了等离子体填充的二维正方晶格和三角晶格金属光子晶体的带隙特性。对比分析了两种结构中等离子体密度对TM及TE极化波全局带隙特性和局域禁带的影响。研究发现,由于背景等离子体的引入,二维金属光子晶体的色散曲线明显往高频方向移动,且TE极化波在等离子体截止频率以下出现新的禁带,此外,等离子体密度的改变可同时控制TE和TM极化波的禁带宽度和位置。在上述研究的基础之上,分析了外加磁场作用下等离子体填充的金属光子晶体带隙特性。结果表明,在外部磁场作用下,磁化等离子体金属光子晶体出现了除截止频率之外的新的禁带和平带。调节外部磁场的大小能够影响平带、禁带以及局域带隙的位置和宽度。研究结果为设计可调谐光子晶体器件提供了理论基础。采用FDTD分析了等离子体填充的具有线缺陷的金属光子晶体平板滤波器结构电磁特性。研究结果表明,对于非磁化等离子体填充的金属光子晶体结构,金属柱的层数、填充率和等离子体密度都对电磁波传播特性有很大的影响。缺陷模的幅值随金属柱层数增加而减小,但是频率变化不大。填充率和等离子体密度都可以大范围内调节缺陷模的频率。研究发现,外加磁场导致等离子体金属光子晶体带隙特性中出现新的通带,新通带与原通带之间存在新的带隙;磁场增加使带隙宽度减小,缺陷模式频率上移;随着磁场的继续增加,结构中又出现新的缺陷模式,磁场强度在一定范围内两个缺陷模式同时存在。基于等离子体填充金属光子晶体的能带特性和缺陷模特性,设计并研究了等离子体填充的金属光子晶体构成的开放式谐振腔的场特性以及等离子体的引入对腔体内模式工作频率、电场幅值的影响。结果表明,作为工作模式的TM01模能有效的限制在腔体中,模式频率随等离子体归一化频率的提高而增加,工作模式的产生与激励方式密切相关。构建了基于金属光子晶体谐振腔结构组成的开放式盘荷加载的慢波结构,利用轮辐天线作为激励源,利用CST软件仿真模拟了等离子体填充的慢波结构的色散特性。基于激励技术分析了结构参数变化对等离子体填充金属光子晶体慢波结构色散特性的影响。结果表明,等离子体密度、金属盘片内半径和周期长度等参数能够改变慢波结构的色散特性。同时分析轮辐天线激励的有效性。利用Chipic粒子模拟软件仿真了等离子体填充金属光子晶体慢波结构中注波作用的物理过程。结果表明,这种高频结构有较好的模式选择特性;等离子体填充有效增强这种高频结构中表面场,并使其角向分布更加均匀;等离子体填充使这种Cherenkov器件的功率和效率得到明显提高。开展了基于金属光子晶体慢波结构的Cherenkov辐射源的热测实验研究。完成了实验装置的加工及安装测试,详细介绍了实验原理及实验过程,并设计了等离子体填充的实验装置。实验结果表明,该Cherenkov辐射源的工作模式、频率与计算结果一致,实验测得的辐射功率和效率略低于粒子模拟结果。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:O53;O734

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