等離子體光學晶體理論 下載 mobi epub pdf 電子書 2025

簡體網頁||繁體網頁

☆☆☆☆☆

劉少斌，章海鋒，莫錦軍，孔祥鯤，劉崧 著

圖書標籤:

• 等離子體
• 光學
• 晶體
• 理論物理
• 電磁學
• 材料科學
• 固體物理
• 光子學
• 非綫性光學
• 等離子體診斷

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030481306

版次：1

商品編碼：11982604

包裝：精裝

叢書名： 當代傑齣青年科學文庫

開本：16開

齣版時間：2016-06-01

用紙：膠版紙

頁數：549

字數：711000

正文語種：中文

內容簡介

　　光子晶體是介質在空間中的周期性分布，作為一種新的“光子”材料已廣泛應用於各種微波器件的設計中。由於等離子體的可調性，等離子體光子晶體較傳統的光子晶體具有更為廣泛的應用前景。
　　《等離子體光學晶體理論》共14章：第1～4章介紹光子晶體以及等離子體光子晶體的基本概念和發展現狀以及等離子體的物理特性和相關算法，並對主要計算光子晶體的技術進行瞭概述，尤其強調瞭主流算法在處理等離子體光子晶體時的缺陷及解決方案；第5～10章主要對一維和二維等離子體光子晶體的理論分析和相關器件設計進行闡述；第11～14章對三維等離子體光子晶體在不同條件下的色散特性和器件設計進行介紹，如不同品格條件、不同磁化模式以及各嚮異性條件。
　　《等離子體光學晶體理論》可供從事微波技術、計算電磁學、光學和光通信、電子科學與技術、應用物理和凝聚態物理等領域研究和開發工作的科技人員參考，也可以作為高等院校相關專業的高年級本科生、研究生和教師的參考書。

目錄

第1章 等離子體光子晶體概況
1．1 光子晶體概述
1．1．1 光子晶體的概念
1．1．2 光子晶體的前世今生
1．1．3 光子晶體的分類
1．1．4 光子晶體的應用
1．1．5 光子晶體的製備
1．2 等離子體光子晶體概述
1．2．1 等離子體光子晶體的由來
1．2．2 等離子體光子晶體的國內外研究現狀
1．3 光子晶體的計算法
1．3．1 光子晶體的理論基礎
1．3．2 光子晶體的傳輸矩陣法
1．3．3 光子晶體的FDTD算法
1．3．4 光子晶體的PWE算法
1．3．5 光子晶體的FDFD算法

第2章 等離子體物理學基礎
2．1 等離子體的基本參量
2．1．1 等離子體頻率
2．1．2 等離子體碰撞頻率
2．1．3 等離子體迴鏇頻率
2．2 等離子體的流體近似與介電張量錶示
2．2．1 時域麥剋斯韋方程組
2．2．2 頻域麥剋斯韋方程組
2．2．3 流體近似下的等離子體方程
2．2．4 等離子體的極化模型和極化率
2．2．5 等離子體的導電模型和導電率
2．3 電磁波在低溫非磁化等離子體中的傳播
2．4 電磁波在磁化等離子體中的傳播（外加磁場平行於波矢）
2．4．1 忽略等離子體碰撞頻率時電磁波在磁化等離子體中的傳播
2．4．2 考慮等離子體碰撞頻率時電磁波在磁化等離子體中的傳播
2．5 電磁波在磁化等離子體中的傳播（外加磁場垂直於波矢）
2．5．1 忽略等離子體碰撞頻率時電磁波在磁化等離子體中的傳播
2．5．2 考慮等離子體碰撞頻率時電磁波在磁化等離子體中的傳播
2．6 波矢和外加磁場間為任意夾角條件下電磁波與磁化等離子體的相互作用

第3章 等離子體的FDTD算法
3．1 非磁化等離子體的FDTD算法
3．1．1 非磁化等離子體的JEC-FDTD算法
3．1．2 JEC-FDTD算法的有效性和精度驗證性算例
3．1．3 非磁化等離子體的PLCDRC-FDTD算法
3．1．4 非磁化等離子體PLCDRC-FDTD算法的有效性和精度
3．1．5 非磁化等離子體PLCDRC-FDTD算法的算例
3．2 磁化等離子體的PLCDRC-FDTD算法
3．2．1 磁化等離子體的PLCDRC-FDTD算法的基本原理
3．2．2 磁化等離子體PLCDRC-FDTD算法的有效性和精度

第4章 等離子體光子晶體計算方法與發展
4．1 等離子體光子晶體的計算方法
4．1．1 TMM的特點
4．1．2 PWE算法的特點
4．1．3 FDTD算法的特點
4．1．4 FDFD算法的特點
4．2 等離子體光子晶體的FDTD算法
4．3 等離子體光子晶體的PWE算法
4．3．1 TE模式下二維非磁化等離子體光子晶體色散關係的求解公式
4．3．2 基於網格法的PWE算法
4．3．3 基於打靶法的PWE算法
4．4 等離子體光予晶體的FDFD算法

第5章 一維非磁化等離子體光子晶體禁帶特性
5．1 用於計算的物理模型和FDTD計算的參數
5．2 一維非磁化等離子體光子晶體禁帶周期特性
5．2．1 用於仿真計算的FDTD算法
5．2．2 周期常數對光子禁帶周期特性的影響
5．2．3 空間結構參數b對光子禁帶周期特性的影響
5．2．4 等離子體碰撞頻率對光子禁帶周期特性的影響
……
第6章 一維磁化等離子體光子晶體禁帶特性
第7章 斜入射一維等離子體光子晶體的禁帶特性
第8章 基於一維等離子體光子晶體的全嚮反射器設計
第9章 二維等離子體光子晶體的電磁特性
第10章 二維等離子體光子晶體應用設計基礎
第11章 三維等離子體光子晶體的基本電磁特性
第12章 三維等離子體光子晶體的禁帶拓展技術
第13章 基於三維等離子體光子晶體的器件設計
第14章 三維磁化等離子體光子晶體中的磁光效應
參考文獻
索引

精彩書摘

　　《等離子體光學晶體理論》：
　　7.微波光子晶體天綫
　　隨著光子晶體理論、製備和實驗測試手段的日趨成熟，光子晶體的應用迅速拓展到瞭微波波段。工作在微波波段的光子晶體，被稱為微波光子晶體。由於微波波段對於現代通信有非常重要的價值，所以微波光子晶體的研究也迅速開展，並取得瞭豐碩的成果。微波光子晶體不僅應用於設計濾波器、混閤器、諧振器、高效放大器，也被用於微波天綫、相控陣天綫等方麵。應用光子晶體的PBGs和光子區域態的特性使得人們可以製造低剖麵光子晶體天綫、錶麵波抑製天綫、光子晶體陣列天綫和高定嚮性光子晶體天綫等微波器件。傳統的微波天綫一般是將天綫直接製備在介質基底上，這會導緻大量的能量被天綫基底吸收，從而使得天綫輻射效率低下。例如，對一般用GaAs介質作基底的天綫反射器，98%的能量都損耗在基底中，隻有2%的能量被發射齣去，同時造成基底發熱。但是，如果以光子晶體作為天綫的基片，就使天綫的工作頻率落在光子晶體的PBGs中，這樣光子晶體基闆不會吸收微波，因此就實現瞭無損耗全反射，使得天綫能把能量全部輻射齣去。自從1990年Yablonovitch等在微波波段製作齣第一個光子晶體後，光子晶體在天綫方麵的應用就逐漸展開。1993年美國軍方研製齣瞭反射率接近lOO%的光子晶體平麵微波天綫。由於GaAs半導體材料的光子晶體的禁帶設定在天綫的工作頻率範圍內，微波不能在基本的一側傳播，因而天綫的效率大大提高瞭。這種結構後來還用於微帶貼片天綫、開槽天綫等多種天綫的設計中，本質上就是用光子晶體來抑製天綫的錶麵波，以提高天綫的工作效率。1996-1998年，Qian和Coccioli等用在微帶基闆打周期性孔洞的方式來構成光子晶體，這種結構同樣可以用來設計微帶天綫，用於高次諧波的抑製。1999年，Mushroom結構的微波光子晶體用於微帶天綫的錶麵波的抑製，從而改善瞭天綫的性能。重要的是這種光子晶體結構能夠方便地和集成電路工藝相結閤，使得加工變得異常簡單。這種結構除瞭具備帶隙特性外，其錶麵對入射電磁波還有相同反射特性，利用這個特性可加工成低剖麵的天綫結構。到2003年，該光子晶體結構也被用來設計相控陣天綫和高定嚮性天綫。總之，微波光子晶體越來越多地被應用於天綫性能的改善和設計。我國國防科技大學袁乃昌課題組在這方麵做瞭大量工作。關於微波光子晶體天綫技術的相關內容可以參閱國防科技大學付雲起等閤著的《微波光子晶體天綫技術》一書。
　　綜上7個方麵所述，光子晶體在加工現代通信係統中的組件和光學器件等方麵有越來越廣泛的應用背景。微波、光波和太赫茲波器件將越來越多地應用到與光子晶體相關的技術，因此光子晶體的“魅力”正在被廣大的學者所接受。除瞭上述談及的7個方麵外，光子晶體還能應用到其他的許多領域，如濾波器設計、功分器設計、光子晶體傳感器和光開關等。限於《等離子體光學晶體理論》的篇幅，不能對此進行逐一介紹，有興趣的讀者可以查閱相關文獻。但是，值得一提的是最近幾年周期性結構的電磁超材料，如目前研究比較熱的微波吸波器、電磁誘導透明、高阻錶麵、頻率選擇錶麵和人工磁導體等，盡管外觀上是金屬塗覆介質基闆的結構，但就其本質而言都可以視為一種光子晶體。所以，光子晶體本身的應用研究將逐漸走嚮成熟，將來的成果也將更好地服務於人類社會。
　　……

前言/序言

好的，這是一本名為《等離子體光學晶體理論》的圖書的詳細簡介，內容涵蓋瞭該領域的重要方麵，但不包含該書的具體內容，旨在提供一個全麵且專業的研究背景。 --- 圖書簡介：復雜介質中的光傳播與結構調控 導言：探索新材料與新現象 在現代物理學與工程技術的前沿，材料科學與光學的交叉領域正經曆著一場深刻的變革。傳統光學材料的性能已逐漸逼近理論極限，這促使研究人員將目光投嚮那些具有獨特電子結構和集體激發行為的復雜介質——尤其是等離子體材料。等離子體，作為電子的集體振蕩激發態，在金屬、半導體以及特定功能材料中扮演著至關重要的角色。當這些等離子體激發被周期性地組織起來，便形成瞭“等離子體晶體”結構。這種結構不僅繼承瞭傳統晶體的周期性勢場帶來的布洛赫（Bloch）理論優勢，更引入瞭強烈的電磁場局域化與錶麵等離激元（Surface Plasmon Polaritons, SPPs）的獨特耦閤機製。 本書旨在係統性地梳理和深入探討在包含等離子體晶體結構的新型光學介質中，光波的傳播、調控以及相互作用的理論基礎與前沿應用。我們聚焦於如何通過設計和操控這些結構的幾何排布、材料選擇和外部環境條件，來實現對光場前所未有的控製能力，從而在光電子學、傳感技術和信息處理領域開闢新的可能性。 第一部分：基礎理論框架——從單層到周期結構 本部分為理解等離子體光學晶體現象奠定瞭必要的理論基石。 1.1 經典電動力學與錶麵等離子體 首先，本書迴顧瞭描述宏觀電磁場行為的麥剋斯韋方程組，並重點討論瞭在具有自由電子的導電介質界麵上，電磁波如何耦閤産生錶麵等離子體激元（SPPs）。詳細闡述瞭德魯德（Drude）模型在描述金屬光學響應中的應用，以及洛倫茲振子模型在解釋吸收和色散現象中的作用。著重分析瞭SPPs的色散關係、衰減特性及其在界麵處的場增強效應。 1.2 晶體物理學與能帶結構概念的引入 為瞭將晶體周期性引入等離子體係統，本書引入瞭固體物理中的核心概念。討論瞭布拉維點陣、倒易空間、布裏淵區（Brillouin Zone）的概念。關鍵在於，闡明瞭周期性勢場（在此體現為周期性排布的金屬納米結構或介質孔洞陣列）如何導緻電子能帶結構的形成，並將其類比推廣至光子係統中的光子帶隙（Photonic Band Gaps）概念。 1.3 等離子體晶體理論的核心：周期性SPPs的耦閤 這是理論的核心。本書探討瞭當單層SPPs被組織成二維或三維周期性陣列時，相鄰的錶麵等離子體激元之間如何發生耦閤。這種耦閤導緻瞭等離子體能帶結構（Plasmonic Band Structure）的齣現。詳細分析瞭相對於光子晶體，等離子體能帶結構在復平麵上的特性（即存在非厄米性或拓撲性質的潛在影響），以及如何通過改變晶格常數、填充因子和材料參數來調控這些能帶的形狀和位置。重點討論瞭傅裏葉模態展開法（FDTD）和嚴格耦閤波理論（RCWA）在解析這些復雜耦閤問題中的適用性。 第二部分：拓撲與非互易性在等離子體晶體中的體現 隨著對復雜係統研究的深入，拓撲學概念已成為理解波傳播特性的強大工具。 2.1 拓撲不變量與錶麵態 本書探討瞭如何從數學上定義等離子體晶體係統的拓撲不變量。在周期結構中，特定的帶隙閉閤與開啓往往伴隨著拓撲性質的轉變。重點分析瞭如何利用這種轉變來保護特定的單嚮傳播模式——拓撲等離子體態。這些態對缺陷和散射具有極強的魯棒性，即使結構存在幾何擾動或微小缺陷，光波也能沿著預設的邊界傳播。 2.2 非互易性與磁場耦閤 引入瞭外加磁場對等離子體的影響，即法拉第（Faraday）效應在等離子體中的體現。當材料具有磁光響應時，係統的哈密頓量不再是對稱的，導緻瞭非互易傳播。詳細分析瞭如何利用磁場誘導的法拉第鏇轉來構建單嚮傳輸器件，以及磁場如何改變等離子體能帶的拓撲特徵，可能導緻手性（Chiral）模式的齣現。 第三部分：光場調控與局域化現象 等離子體晶體的核心優勢之一在於其對光場強大的局域化能力。 3.1 亞波長光場壓縮與增強 詳細討論瞭不同類型的等離子體晶格（如六角、方形陣列）如何通過光柵衍射效應或等離子體共振，實現電磁場在遠場入射光下被壓縮到遠小於光波長的尺度。這對於增強非綫性光學效應、實現高靈敏度傳感至關重要。分析瞭局域錶麵等離子體共振（LSPR）與晶格共振（LGR）在場增強中的區彆與協同作用。 3.2 等離子體光子晶體中的光陷阱與色散工程 闡述瞭如何設計具有特定缺陷的等離子體晶體，以在原本全帶隙的結構中引入局域化的零模態或特定模式。這些缺陷態可以作為“光陷阱”，實現光能的有效捕獲和操控。同時，深入探討瞭如何通過結構參數的梯度變化（如梯度摺射率或梯度晶格常數），實現對光束的彎麯、聚焦和色散的精確控製。 第四部分：麵嚮實際應用的理論模型構建 本部分將理論抽象與實際工程需求相結閤，探討瞭如何將上述理論應用於構建功能性光學器件。 4.1 耦閤腔鏈模型 對於由緊密耦閤的納米結構單元組成的係統，有效的理論描述是耦閤腔鏈模型。本書分析瞭這種簡化模型的適用範圍，以及如何利用該模型快速預測光波在傳輸綫狀等離子體結構中的傳播損耗和帶寬。 4.2 損耗的精確量化與補償 等離子體係統固有的歐姆損耗是其麵臨的主要挑戰。本書探討瞭在高損耗體係中，如何通過引入增益介質（Gain Media）或利用特定的能帶結構（如費米能級調控）來實現淨增益或無損耗傳輸的理論可能性。這涉及對係統哈密頓量中復數能級的精確處理。 4.3 多功能集成與器件設計原則 最後，本書總結瞭如何綜閤運用晶體理論、拓撲性質和局域化效應，來指導功能性等離子體器件的設計，例如超錶麵（Metasurfaces）的構建、高性能傳感器的理論模型，以及光波導的損耗最小化策略。強調瞭理論建模在指導實驗閤成和優化性能中的不可替代作用。 --- 總結： 本書為緻力於研究周期性電磁響應結構——特彆是等離子體晶體——的物理學傢、材料科學傢和電子工程師提供瞭一個深入、係統的理論框架。它不僅覆蓋瞭從基本電磁耦閤到復雜的拓撲保護態的廣闊領域，更著眼於如何利用這些理論工具來突破現有光電技術的性能瓶頸。讀者將能夠掌握分析和設計下一代光與物質相互作用係統的關鍵理論工具。

評分☆☆☆☆☆

這本書的語言風格非常嚴謹，每一個概念的提齣都伴隨著清晰的定義和必要的背景介紹。我特彆欣賞的是，作者在引入“光學晶體”的概念時，並沒有止步於其結構上的周期性，而是深入探討瞭這種周期性結構如何影響光在其中的傳播，例如布拉格衍射、光子帶隙等。這些內容讓我聯想到瞭傳統晶體學中的衍射現象，但在這裏，它被應用於光的操控，這無疑是一個巨大的飛躍。書中通過大量的圖錶和公式，詳細地解釋瞭等離子體在周期性結構中的特殊行為，以及如何利用這種行為來設計具有特定光學性質的材料。我發現，作者在講解過程中，會適時地引用一些經典的物理學理論作為鋪墊，然後在此基礎上進一步拓展，展示齣等離子體光學晶體的獨特性。雖然某些章節的公式推導需要我花費更多的時間去理解，但我能感受到作者想要將每一個細節都解釋清楚的努力，這對於我這樣一個非專業讀者來說，是彌足珍貴的。

評分☆☆☆☆☆

我一直對那些能夠“玩弄”光綫的科學感到著迷，而這本書恰恰滿足瞭我的這一好奇心。在閱讀過程中，我發現書中並非枯燥的理論堆砌，而是穿插瞭許多關於等離子體光學晶體潛在應用的探討。比如，它提到瞭如何利用這些材料來實現超強的光學限製，或者創造齣前所未有的光學效應，甚至可能為未來的通信和計算技術帶來革命性的突破。這種將基礎理論與未來應用相結閤的視角，極大地激發瞭我的閱讀熱情。我仿佛看到瞭一個充滿無限可能的新興領域在我麵前徐徐展開。書中對一些實驗結果的描述，雖然沒有詳細的實驗數據，但通過文字的闡述，也讓我能夠大緻感受到科學傢們在探索這些新奇現象時的興奮和嚴謹。我開始想象，如果有一天，這些理論能夠真正轉化為實際的産品，那將是多麼令人振奮的景象。

評分☆☆☆☆☆

在閱讀完這本書的最後幾章，我感覺自己對“等離子體光學晶體”這個概念有瞭更深入的理解。書中探討瞭如何設計和製備這些特殊的材料，以及如何通過調整其微觀結構來精確控製光波的行為。我看到瞭關於等離子體在錶麵等離激元（Surface Plasmon Polaritons）方麵的詳細闡述，以及這些錶麵等離激元如何成為實現超分辨成像和納米光子器件的關鍵。雖然某些概念的細節我可能還需要進一步查閱資料來鞏固，但總體而言，這本書為我打開瞭一扇新的科學之門。我能感受到作者在撰寫這本書時，對這一領域的深刻洞察和嚴謹態度。它提供瞭一個係統性的框架，讓我能夠從基本原理齣發，逐步理解這個前沿領域的復雜性。總的來說，這本書是一次非常充實且富有啓發性的閱讀體驗，它不僅滿足瞭我對科學知識的渴求，更激發瞭我對未來科技發展的無限遐想。

評分☆☆☆☆☆

這本書的書名是《等離子體光學晶體理論》，我承認，這個名字一開始讓我有點望而卻步。我是一個對物理學領域有濃厚興趣的業餘愛好者，但“等離子體”和“晶體”這兩個詞組閤在一起，加上“理論”二字，總會讓人聯想到深奧復雜的數學公式和高度抽象的概念。我甚至在購買之前，腦海裏已經勾勒齣無數個自己可能因為看不懂而束之高閣的場景。然而，一次偶然的機會，我看到瞭一篇介紹這本書的文章，裏麵提到瞭一些關於等離子體光學現象的奇妙應用，比如如何利用特殊的材料來操控光，這讓我覺得這門學問可能並沒有想象中那麼遙不可及，甚至充滿瞭潛在的驚喜。於是，我懷揣著一絲忐忑和更多的好奇，將它收入囊中。拿到書的那一刻，我小心翼翼地翻開，試圖尋找一個我能夠理解的切入點。封麵設計樸實無華，沒有花哨的插圖，這更加深瞭我對內容嚴肅性的預感。我期待它能用一種清晰、有條理的方式，將那些看似遙遠的物理概念，一步步地展現在我眼前，讓我能夠從基礎的物理原理齣發，逐漸領略到等離子體光學晶體的獨特魅力，而不是被一堆我無法消化的專業術語淹沒。

評分☆☆☆☆☆

剛翻開這本書，我就被裏麵對“等離子體”這個概念的初步介紹所吸引。它沒有直接跳入深奧的理論，而是從等離子體在宇宙中的普遍性，以及它與我們日常生活息息相關的例子入手，比如閃電、極光，甚至一些等離子體電視的工作原理。這種從宏觀到微觀、從自然現象到人造技術的引入方式，極大地降低瞭我的閱讀門檻。我一直認為，科學的魅力在於它能解釋我們身邊發生的一切，而這本書恰恰做到瞭這一點。接下來，書中開始探討等離子體與電磁波的相互作用，這裏開始齣現一些圖示，用來解釋電子在電場作用下的運動以及由此産生的集體振蕩。我發現，作者似乎很注重直觀的理解，很多復雜的物理過程都被形象地描繪齣來，讓我能夠更容易地把握其中的邏輯關係。雖然一些數學推導我還需要反復推敲，但至少整體的物理圖像是逐漸清晰起來的。我開始期待，在接下來的章節中，這些基礎的等離子體特性如何與“光學晶體”的概念結閤，形成一種全新的、能夠調控光行為的材料。