等离子体光学晶体理论 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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刘少斌，章海锋，莫锦军，孔祥鲲，刘崧 著

图书标签:

• 等离子体
• 光学
• 晶体
• 理论物理
• 电磁学
• 材料科学
• 固体物理
• 光子学
• 非线性光学
• 等离子体诊断

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030481306

版次：1

商品编码：11982604

包装：精装

丛书名： 当代杰出青年科学文库

开本：16开

出版时间：2016-06-01

用纸：胶版纸

页数：549

字数：711000

正文语种：中文

内容简介

　　光子晶体是介质在空间中的周期性分布，作为一种新的“光子”材料已广泛应用于各种微波器件的设计中。由于等离子体的可调性，等离子体光子晶体较传统的光子晶体具有更为广泛的应用前景。
　　《等离子体光学晶体理论》共14章：第1～4章介绍光子晶体以及等离子体光子晶体的基本概念和发展现状以及等离子体的物理特性和相关算法，并对主要计算光子晶体的技术进行了概述，尤其强调了主流算法在处理等离子体光子晶体时的缺陷及解决方案；第5～10章主要对一维和二维等离子体光子晶体的理论分析和相关器件设计进行阐述；第11～14章对三维等离子体光子晶体在不同条件下的色散特性和器件设计进行介绍，如不同品格条件、不同磁化模式以及各向异性条件。
　　《等离子体光学晶体理论》可供从事微波技术、计算电磁学、光学和光通信、电子科学与技术、应用物理和凝聚态物理等领域研究和开发工作的科技人员参考，也可以作为高等院校相关专业的高年级本科生、研究生和教师的参考书。

目录

第1章 等离子体光子晶体概况
1．1 光子晶体概述
1．1．1 光子晶体的概念
1．1．2 光子晶体的前世今生
1．1．3 光子晶体的分类
1．1．4 光子晶体的应用
1．1．5 光子晶体的制备
1．2 等离子体光子晶体概述
1．2．1 等离子体光子晶体的由来
1．2．2 等离子体光子晶体的国内外研究现状
1．3 光子晶体的计算法
1．3．1 光子晶体的理论基础
1．3．2 光子晶体的传输矩阵法
1．3．3 光子晶体的FDTD算法
1．3．4 光子晶体的PWE算法
1．3．5 光子晶体的FDFD算法

第2章 等离子体物理学基础
2．1 等离子体的基本参量
2．1．1 等离子体频率
2．1．2 等离子体碰撞频率
2．1．3 等离子体回旋频率
2．2 等离子体的流体近似与介电张量表示
2．2．1 时域麦克斯韦方程组
2．2．2 频域麦克斯韦方程组
2．2．3 流体近似下的等离子体方程
2．2．4 等离子体的极化模型和极化率
2．2．5 等离子体的导电模型和导电率
2．3 电磁波在低温非磁化等离子体中的传播
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）
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
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
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）
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
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
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

第3章 等离子体的FDTD算法
3．1 非磁化等离子体的FDTD算法
3．1．1 非磁化等离子体的JEC-FDTD算法
3．1．2 JEC-FDTD算法的有效性和精度验证性算例
3．1．3 非磁化等离子体的PLCDRC-FDTD算法
3．1．4 非磁化等离子体PLCDRC-FDTD算法的有效性和精度
3．1．5 非磁化等离子体PLCDRC-FDTD算法的算例
3．2 磁化等离子体的PLCDRC-FDTD算法
3．2．1 磁化等离子体的PLCDRC-FDTD算法的基本原理
3．2．2 磁化等离子体PLCDRC-FDTD算法的有效性和精度

第4章 等离子体光子晶体计算方法与发展
4．1 等离子体光子晶体的计算方法
4．1．1 TMM的特点
4．1．2 PWE算法的特点
4．1．3 FDTD算法的特点
4．1．4 FDFD算法的特点
4．2 等离子体光子晶体的FDTD算法
4．3 等离子体光子晶体的PWE算法
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
4．3．2 基于网格法的PWE算法
4．3．3 基于打靶法的PWE算法
4．4 等离子体光予晶体的FDFD算法

第5章 一维非磁化等离子体光子晶体禁带特性
5．1 用于计算的物理模型和FDTD计算的参数
5．2 一维非磁化等离子体光子晶体禁带周期特性
5．2．1 用于仿真计算的FDTD算法
5．2．2 周期常数对光子禁带周期特性的影响
5．2．3 空间结构参数b对光子禁带周期特性的影响
5．2．4 等离子体碰撞频率对光子禁带周期特性的影响
……
第6章 一维磁化等离子体光子晶体禁带特性
第7章 斜入射一维等离子体光子晶体的禁带特性
第8章 基于一维等离子体光子晶体的全向反射器设计
第9章 二维等离子体光子晶体的电磁特性
第10章 二维等离子体光子晶体应用设计基础
第11章 三维等离子体光子晶体的基本电磁特性
第12章 三维等离子体光子晶体的禁带拓展技术
第13章 基于三维等离子体光子晶体的器件设计
第14章 三维磁化等离子体光子晶体中的磁光效应
参考文献
索引

精彩书摘

　　《等离子体光学晶体理论》：
　　7.微波光子晶体天线
　　随着光子晶体理论、制备和实验测试手段的日趋成熟，光子晶体的应用迅速拓展到了微波波段。工作在微波波段的光子晶体，被称为微波光子晶体。由于微波波段对于现代通信有非常重要的价值，所以微波光子晶体的研究也迅速开展，并取得了丰硕的成果。微波光子晶体不仅应用于设计滤波器、混合器、谐振器、高效放大器，也被用于微波天线、相控阵天线等方面。应用光子晶体的PBGs和光子区域态的特性使得人们可以制造低剖面光子晶体天线、表面波抑制天线、光子晶体阵列天线和高定向性光子晶体天线等微波器件。传统的微波天线一般是将天线直接制备在介质基底上，这会导致大量的能量被天线基底吸收，从而使得天线辐射效率低下。例如，对一般用GaAs介质作基底的天线反射器，98%的能量都损耗在基底中，只有2%的能量被发射出去，同时造成基底发热。但是，如果以光子晶体作为天线的基片，就使天线的工作频率落在光子晶体的PBGs中，这样光子晶体基板不会吸收微波，因此就实现了无损耗全反射，使得天线能把能量全部辐射出去。自从1990年Yablonovitch等在微波波段制作出第一个光子晶体后，光子晶体在天线方面的应用就逐渐展开。1993年美国军方研制出了反射率接近lOO%的光子晶体平面微波天线。由于GaAs半导体材料的光子晶体的禁带设定在天线的工作频率范围内，微波不能在基本的一侧传播，因而天线的效率大大提高了。这种结构后来还用于微带贴片天线、开槽天线等多种天线的设计中，本质上就是用光子晶体来抑制天线的表面波，以提高天线的工作效率。1996-1998年，Qian和Coccioli等用在微带基板打周期性孔洞的方式来构成光子晶体，这种结构同样可以用来设计微带天线，用于高次谐波的抑制。1999年，Mushroom结构的微波光子晶体用于微带天线的表面波的抑制，从而改善了天线的性能。重要的是这种光子晶体结构能够方便地和集成电路工艺相结合，使得加工变得异常简单。这种结构除了具备带隙特性外，其表面对入射电磁波还有相同反射特性，利用这个特性可加工成低剖面的天线结构。到2003年，该光子晶体结构也被用来设计相控阵天线和高定向性天线。总之，微波光子晶体越来越多地被应用于天线性能的改善和设计。我国国防科技大学袁乃昌课题组在这方面做了大量工作。关于微波光子晶体天线技术的相关内容可以参阅国防科技大学付云起等合著的《微波光子晶体天线技术》一书。
　　综上7个方面所述，光子晶体在加工现代通信系统中的组件和光学器件等方面有越来越广泛的应用背景。微波、光波和太赫兹波器件将越来越多地应用到与光子晶体相关的技术，因此光子晶体的“魅力”正在被广大的学者所接受。除了上述谈及的7个方面外，光子晶体还能应用到其他的许多领域，如滤波器设计、功分器设计、光子晶体传感器和光开关等。限于《等离子体光学晶体理论》的篇幅，不能对此进行逐一介绍，有兴趣的读者可以查阅相关文献。但是，值得一提的是最近几年周期性结构的电磁超材料，如目前研究比较热的微波吸波器、电磁诱导透明、高阻表面、频率选择表面和人工磁导体等，尽管外观上是金属涂覆介质基板的结构，但就其本质而言都可以视为一种光子晶体。所以，光子晶体本身的应用研究将逐渐走向成熟，将来的成果也将更好地服务于人类社会。
　　……

前言/序言

好的，这是一本名为《等离子体光学晶体理论》的图书的详细简介，内容涵盖了该领域的重要方面，但不包含该书的具体内容，旨在提供一个全面且专业的研究背景。 --- 图书简介：复杂介质中的光传播与结构调控 导言：探索新材料与新现象 在现代物理学与工程技术的前沿，材料科学与光学的交叉领域正经历着一场深刻的变革。传统光学材料的性能已逐渐逼近理论极限，这促使研究人员将目光投向那些具有独特电子结构和集体激发行为的复杂介质——尤其是等离子体材料。等离子体，作为电子的集体振荡激发态，在金属、半导体以及特定功能材料中扮演着至关重要的角色。当这些等离子体激发被周期性地组织起来，便形成了“等离子体晶体”结构。这种结构不仅继承了传统晶体的周期性势场带来的布洛赫（Bloch）理论优势，更引入了强烈的电磁场局域化与表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons, SPPs）的独特耦合机制。 本书旨在系统性地梳理和深入探讨在包含等离子体晶体结构的新型光学介质中，光波的传播、调控以及相互作用的理论基础与前沿应用。我们聚焦于如何通过设计和操控这些结构的几何排布、材料选择和外部环境条件，来实现对光场前所未有的控制能力，从而在光电子学、传感技术和信息处理领域开辟新的可能性。 第一部分：基础理论框架——从单层到周期结构 本部分为理解等离子体光学晶体现象奠定了必要的理论基石。 1.1 经典电动力学与表面等离子体 首先，本书回顾了描述宏观电磁场行为的麦克斯韦方程组，并重点讨论了在具有自由电子的导电介质界面上，电磁波如何耦合产生表面等离子体激元（SPPs）。详细阐述了德鲁德（Drude）模型在描述金属光学响应中的应用，以及洛伦兹振子模型在解释吸收和色散现象中的作用。着重分析了SPPs的色散关系、衰减特性及其在界面处的场增强效应。 1.2 晶体物理学与能带结构概念的引入 为了将晶体周期性引入等离子体系统，本书引入了固体物理中的核心概念。讨论了布拉维点阵、倒易空间、布里渊区（Brillouin Zone）的概念。关键在于，阐明了周期性势场（在此体现为周期性排布的金属纳米结构或介质孔洞阵列）如何导致电子能带结构的形成，并将其类比推广至光子系统中的光子带隙（Photonic Band Gaps）概念。 1.3 等离子体晶体理论的核心：周期性SPPs的耦合 这是理论的核心。本书探讨了当单层SPPs被组织成二维或三维周期性阵列时，相邻的表面等离子体激元之间如何发生耦合。这种耦合导致了等离子体能带结构（Plasmonic Band Structure）的出现。详细分析了相对于光子晶体，等离子体能带结构在复平面上的特性（即存在非厄米性或拓扑性质的潜在影响），以及如何通过改变晶格常数、填充因子和材料参数来调控这些能带的形状和位置。重点讨论了傅里叶模态展开法（FDTD）和严格耦合波理论（RCWA）在解析这些复杂耦合问题中的适用性。 第二部分：拓扑与非互易性在等离子体晶体中的体现 随着对复杂系统研究的深入，拓扑学概念已成为理解波传播特性的强大工具。 2.1 拓扑不变量与表面态 本书探讨了如何从数学上定义等离子体晶体系统的拓扑不变量。在周期结构中，特定的带隙闭合与开启往往伴随着拓扑性质的转变。重点分析了如何利用这种转变来保护特定的单向传播模式——拓扑等离子体态。这些态对缺陷和散射具有极强的鲁棒性，即使结构存在几何扰动或微小缺陷，光波也能沿着预设的边界传播。 2.2 非互易性与磁场耦合 引入了外加磁场对等离子体的影响，即法拉第（Faraday）效应在等离子体中的体现。当材料具有磁光响应时，系统的哈密顿量不再是对称的，导致了非互易传播。详细分析了如何利用磁场诱导的法拉第旋转来构建单向传输器件，以及磁场如何改变等离子体能带的拓扑特征，可能导致手性（Chiral）模式的出现。 第三部分：光场调控与局域化现象 等离子体晶体的核心优势之一在于其对光场强大的局域化能力。 3.1 亚波长光场压缩与增强 详细讨论了不同类型的等离子体晶格（如六角、方形阵列）如何通过光栅衍射效应或等离子体共振，实现电磁场在远场入射光下被压缩到远小于光波长的尺度。这对于增强非线性光学效应、实现高灵敏度传感至关重要。分析了局域表面等离子体共振（LSPR）与晶格共振（LGR）在场增强中的区别与协同作用。 3.2 等离子体光子晶体中的光陷阱与色散工程 阐述了如何设计具有特定缺陷的等离子体晶体，以在原本全带隙的结构中引入局域化的零模态或特定模式。这些缺陷态可以作为“光陷阱”，实现光能的有效捕获和操控。同时，深入探讨了如何通过结构参数的梯度变化（如梯度折射率或梯度晶格常数），实现对光束的弯曲、聚焦和色散的精确控制。 第四部分：面向实际应用的理论模型构建 本部分将理论抽象与实际工程需求相结合，探讨了如何将上述理论应用于构建功能性光学器件。 4.1 耦合腔链模型 对于由紧密耦合的纳米结构单元组成的系统，有效的理论描述是耦合腔链模型。本书分析了这种简化模型的适用范围，以及如何利用该模型快速预测光波在传输线状等离子体结构中的传播损耗和带宽。 4.2 损耗的精确量化与补偿 等离子体系统固有的欧姆损耗是其面临的主要挑战。本书探讨了在高损耗体系中，如何通过引入增益介质（Gain Media）或利用特定的能带结构（如费米能级调控）来实现净增益或无损耗传输的理论可能性。这涉及对系统哈密顿量中复数能级的精确处理。 4.3 多功能集成与器件设计原则 最后，本书总结了如何综合运用晶体理论、拓扑性质和局域化效应，来指导功能性等离子体器件的设计，例如超表面（Metasurfaces）的构建、高性能传感器的理论模型，以及光波导的损耗最小化策略。强调了理论建模在指导实验合成和优化性能中的不可替代作用。 --- 总结： 本书为致力于研究周期性电磁响应结构——特别是等离子体晶体——的物理学家、材料科学家和电子工程师提供了一个深入、系统的理论框架。它不仅覆盖了从基本电磁耦合到复杂的拓扑保护态的广阔领域，更着眼于如何利用这些理论工具来突破现有光电技术的性能瓶颈。读者将能够掌握分析和设计下一代光与物质相互作用系统的关键理论工具。

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格非常严谨，每一个概念的提出都伴随着清晰的定义和必要的背景介绍。我特别欣赏的是，作者在引入“光学晶体”的概念时，并没有止步于其结构上的周期性，而是深入探讨了这种周期性结构如何影响光在其中的传播，例如布拉格衍射、光子带隙等。这些内容让我联想到了传统晶体学中的衍射现象，但在这里，它被应用于光的操控，这无疑是一个巨大的飞跃。书中通过大量的图表和公式，详细地解释了等离子体在周期性结构中的特殊行为，以及如何利用这种行为来设计具有特定光学性质的材料。我发现，作者在讲解过程中，会适时地引用一些经典的物理学理论作为铺垫，然后在此基础上进一步拓展，展示出等离子体光学晶体的独特性。虽然某些章节的公式推导需要我花费更多的时间去理解，但我能感受到作者想要将每一个细节都解释清楚的努力，这对于我这样一个非专业读者来说，是弥足珍贵的。

评分☆☆☆☆☆

刚翻开这本书，我就被里面对“等离子体”这个概念的初步介绍所吸引。它没有直接跳入深奥的理论，而是从等离子体在宇宙中的普遍性，以及它与我们日常生活息息相关的例子入手，比如闪电、极光，甚至一些等离子体电视的工作原理。这种从宏观到微观、从自然现象到人造技术的引入方式，极大地降低了我的阅读门槛。我一直认为，科学的魅力在于它能解释我们身边发生的一切，而这本书恰恰做到了这一点。接下来，书中开始探讨等离子体与电磁波的相互作用，这里开始出现一些图示，用来解释电子在电场作用下的运动以及由此产生的集体振荡。我发现，作者似乎很注重直观的理解，很多复杂的物理过程都被形象地描绘出来，让我能够更容易地把握其中的逻辑关系。虽然一些数学推导我还需要反复推敲，但至少整体的物理图像是逐渐清晰起来的。我开始期待，在接下来的章节中，这些基础的等离子体特性如何与“光学晶体”的概念结合，形成一种全新的、能够调控光行为的材料。

评分☆☆☆☆☆

在阅读完这本书的最后几章，我感觉自己对“等离子体光学晶体”这个概念有了更深入的理解。书中探讨了如何设计和制备这些特殊的材料，以及如何通过调整其微观结构来精确控制光波的行为。我看到了关于等离子体在表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons）方面的详细阐述，以及这些表面等离激元如何成为实现超分辨成像和纳米光子器件的关键。虽然某些概念的细节我可能还需要进一步查阅资料来巩固，但总体而言，这本书为我打开了一扇新的科学之门。我能感受到作者在撰写这本书时，对这一领域的深刻洞察和严谨态度。它提供了一个系统性的框架，让我能够从基本原理出发，逐步理解这个前沿领域的复杂性。总的来说，这本书是一次非常充实且富有启发性的阅读体验，它不仅满足了我对科学知识的渴求，更激发了我对未来科技发展的无限遐想。

评分☆☆☆☆☆

我一直对那些能够“玩弄”光线的科学感到着迷，而这本书恰恰满足了我的这一好奇心。在阅读过程中，我发现书中并非枯燥的理论堆砌，而是穿插了许多关于等离子体光学晶体潜在应用的探讨。比如，它提到了如何利用这些材料来实现超强的光学限制，或者创造出前所未有的光学效应，甚至可能为未来的通信和计算技术带来革命性的突破。这种将基础理论与未来应用相结合的视角，极大地激发了我的阅读热情。我仿佛看到了一个充满无限可能的新兴领域在我面前徐徐展开。书中对一些实验结果的描述，虽然没有详细的实验数据，但通过文字的阐述，也让我能够大致感受到科学家们在探索这些新奇现象时的兴奋和严谨。我开始想象，如果有一天，这些理论能够真正转化为实际的产品，那将是多么令人振奋的景象。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名是《等离子体光学晶体理论》，我承认，这个名字一开始让我有点望而却步。我是一个对物理学领域有浓厚兴趣的业余爱好者，但“等离子体”和“晶体”这两个词组合在一起，加上“理论”二字，总会让人联想到深奥复杂的数学公式和高度抽象的概念。我甚至在购买之前，脑海里已经勾勒出无数个自己可能因为看不懂而束之高阁的场景。然而，一次偶然的机会，我看到了一篇介绍这本书的文章，里面提到了一些关于等离子体光学现象的奇妙应用，比如如何利用特殊的材料来操控光，这让我觉得这门学问可能并没有想象中那么遥不可及，甚至充满了潜在的惊喜。于是，我怀揣着一丝忐忑和更多的好奇，将它收入囊中。拿到书的那一刻，我小心翼翼地翻开，试图寻找一个我能够理解的切入点。封面设计朴实无华，没有花哨的插图，这更加深了我对内容严肃性的预感。我期待它能用一种清晰、有条理的方式，将那些看似遥远的物理概念，一步步地展现在我眼前，让我能够从基础的物理原理出发，逐渐领略到等离子体光学晶体的独特魅力，而不是被一堆我无法消化的专业术语淹没。