等离子体在光子晶体和复合超材料中的应用

In recent years, many researches are focused on photonic crystals and metamaterials in area of nano optics due to control and manuipate the movement of photo.The optical properties of plasma (such as the refractive inedx)can be tunned by the external parameters. Therefore, comparing with other dieledtric materials, plasma has significantly advantange in the area of tunning and controlling the optical properties of nano optics. The project is aimed at presenting the possible applications of plasma as a medium of postitive and negative refraction of electromagnetic waves in photonic crystals and composite metamaterials and carry out the following three reasearches: (1)In the refrence photonic crystals,study is conducted on hybid plasma photonic crystals, which reveals that positive and negative refraction can be achieved by switching on and off the plasma; (2)In another approach, this project brings models to achieve negative refraction by using plasma. In the two case, study the nonlinear effects and mode conversion in plasma photonic crystals and composite metamaterials.(3) From the aboved there aspects, we discuess and reveal the applications of plasma in photonic crystals and composite metamateriasl,and invoke the concept that plasma can be used to enhance the tunability and controllability of photonic crystals and composite metamaterials by using the transfer matrix method and finite difference time domain in the present project.

近年来，在纳米光学领域大量的研究工作集中在光子晶体和超材料，以达到控制和操纵光子的运动。等离子体的光学参数（比如：折射率等）可以用外界可调控的因素加以控制，因此较之一般的介质材料，在纳米光学器件的可调谐和可调控上面，等离子体具有无可比拟的优越性。本项目的目的是探讨作为一个可以呈现正/负折射电磁介质的等离子体在光子晶体和复合超材料当中的应用，并开展以下三个方面的研究：(1)研究混合等离子体光子晶体，从而揭示光子晶体正和负折射现象，且此现象可以通过调控等离子体的开和关来实现；(2)研究等离子体超材料，采用等离子体来实现负折射现象；(3)研究等离子体在光子晶体和复合超材料中的非线性现象以及模转换现象。从上述三方面出发,采用转移矩阵法和时域有限差分法探讨和揭示等离子体在光子晶体和复合超材料中的应用,从而增强等离子体在光子晶体和复合超材料中可调谐和可调控的概念。

等离子体的电磁参数可以用外界可调控的因素加以控制，较之常规的介质材料，等离子体具有无可比拟的优越性。基于等离子体介质的纳米光学器件对光的操纵上面具有可调谐和可调控的特性，具有潜在和广阔的应用前景。因此，等离子体与电磁波的相互作用的研究引起了人们广泛的关注以及对现有理论和现象的重新审度。本项目中，我们理论和数值研究了等离子体(包括有损等离子体以及手性等离子体)、等离子体光子晶体和等离子体超材料中的负折射现象，得到了一些有意义和原创性的结果。结果表明：（1）TM波在介质-有损等离子体界面处会产生负折射现象。在非磁化等离子体的情况下，产生负折射的条件是入射电磁波的频率小于等离子体频率，但外加磁场使得右旋极化波突破这一极限条件。（2）单一的手性磁化等离子体会产生负折射现象。手性是单一的等离子体层产生负折射现象的唯一因素，其原因在于它的存在破环了等离子体的对称性结构。且产生负折射的最小频率范围由外加磁场和手性大小决定，而最大频率仅仅取决于磁场大小。（3）各向异性等离子体超材料在磁导率大于0的情况依然可以产生负折射现象，且等离子体自身的参数和外加因素对其负折射现象的行为有显著的影响。（4）一维和二维等离子体光子晶体会产生负折射现象。无论是入射电磁波频率大于还是小于等离子体频率，一维等离子体光子晶体都存在着负折射现象。当入射电磁波频率大于等离子体频率时，由于band-edge效应使得一维等离子体光子晶体在禁带边缘会产生负折射；而当入射电磁波频率小于等离子体频率时，除了在禁带边缘会产生负折射现象外，在不属于任何禁带的边缘的其他频率范围同样产生负折射现象。（5）Faraday和Voigt效应使得一维等离子体光子晶体的禁带特性不同于无外加磁场的情况。