介质阻挡放电等离子体光子晶体的产生控制及其数值模拟

As a new type of tunable photonic crystals, the plasma photonic crystal (PPC) attracts great interest in the fields of plasma physics and electromagnetic wave control, due to its broad application potentials and high fundamental research values. However, the investigations of PPCs so far are mostly focused on the theoretical analysis, while the experimental studies are very limited. How to generate the PPCs with diverse symmetries in experiment, and keep them highly stable and controllable, is the most pressing problem. Here, we will propose a new plasma photonic crystal experimental system. By using the special designed spatial array of intense laser guiding discharge (optical method) or the spatial array of liquid electrodes (electrical method), a rich variety of stable and controllable PPCs can be obtained in dielectric barrier discharge (DBD). A systematic study on the physical properties and forming conditions of the PPCs are carried out with the further developed diagnostic methods, such as electrical measurement, spectrum diagnosis, Bdot magnetic-field measurement and the high speed ICCD imaging technologies. Given the key parameters obtained from the experiment, the photonic band diagrams of PPCs will be studied theoretically. Moreover, a two-dimensional Particle-In-Cell/Monte Carlo (PIC-MCC) simulation program will be developed in accordance with the experiment.

作为一种新型可调的光子晶体，等离子体光子晶体以其广泛的应用前景和重要的基础研究价值，近年来成为等离子体领域和电磁波控制领域的热门交叉课题。针对目前研究工作主要集中于理论计算，而实验方面发展有限并且等离子体光子晶体的稳定性和可控性问题亟待解决的研究现状，本课题拟构建一个全新的等离子体光子晶体实验系统。提出采用特殊设计的强激光空间阵列引导放电方法以及空间周期性液体阵列电极方法,分别通过光控制和电控制，在介质阻挡放电系统中实现种类丰富且稳定可控的等离子体光子晶体；利用电学测量、光谱诊断、Bdot磁场测量以及高速ICCD成像等技术，对等离子体参量进行多方位诊断，认识等离子体光子晶体的物理性质和形成规律；基于实验诊断数据，理论计算等离子体光子晶体的能带结构。此外，进一步开发PIC-MCC粒子模拟程序，对介质阻挡放电等离子体光子晶体的产生机制进行模拟仿真。

作为一种新型超材料，等离子体光子晶体以其可调谐、负折射率等独特优势，在电磁波控制领域受到国内外学者的广泛关注。针对目前研究工作主要集中于理论计算，而实验方面发展有限并且等离子体光子晶体的稳定性和可控性问题亟待解决的研究现状，本项目创新设计阵列液体电极介质阻挡放电装置，通过引入空间周期性电场，率先实现了包括复式超晶格在内的不同对称性、时空可控等离子体光子晶体。利用电学测量、光谱诊断以及高速ICCD成像技术，对等离子体参量进行了多方位诊断，认识等离子体光子晶体的形成过程和物理特性。首次利用PIC动理学模拟对介质阻挡丝状放电结构形成进行了系统研究，揭示等离子体光子晶体形成的本质规律。本项研究将大力提升对等离子体光子晶体产生机制以及控制方法的认识，推动电磁波控制以及放电等离子体科学的发展，加快等离子体光子晶体在各领域的应用进程。同时，也对其它系统中可调光子晶体的实现与发展提供重要启示。在国内外权威性期刊如Physics of Plasmas, Scientific Report等发表学术论文5篇，申请专利1项，撰写由Taylor & Francis出版商出版、J. Leon Shohet教授主编的《Encyclopedia of Plasma Technology》中《可调等离子体光子晶体》一章（P120053943, Published: 07 Feb 2017, Print ISBN: 978-1-4665-0059-4），完成译著《有限单元法编程》一部（ISBN 978-7-121-31414-8, 2017年5月出版）。培养硕士研究生2名，本科生8名。