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。