第47卷第10期 人工晶体学报 2018年10月 JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS 等离子体光子晶体研究进展综述 梁月强，范伟丽，弓丹丹 (河北大学物理科学与技术学院，保定071002) 摘要：光子晶体作为控制电磁波传输的一种新型材料，以其优越的性能和广阔的应用前景近年来受到了国内外学 者的广泛关注。如何制作结构参数可调的光子品体，特别是如何加强其可重构性、可控性是当前光子品体领域的 一项重要课题。针对于此，本文对一种新型可调等离子体光子品体超材科的研究进展进行了系统讨论。简要回顾 了等离子体光子晶体的发展历史，介绍了等离子体光子品体的实验产生方式和分类，闲明了等离子体光子品体不 同理论研究方法，并对其未米发展趋势进行了展望。从理论和实验两方面对等离子体光子晶体进行了深入分析。 本工作为今后该领域的深入发展以及广泛应用提供了一定借鉴意义。 关键词：等离子体光子品体：光子禁带：超材料：电磁波控制 中图分类号：0539 文献标识码：A 文章编号：1000985X(2018)10205107 D0l:10.16553/.cnki.issnl000-985x2018.10.009 Review of Research Progress on Plasma Photonic Crystals LIANG Yue-qiang,FAN Wei-i,GONG Dan-dan Abstract:As a new type of material to control electromagnetic wave transmission.photonic crystal (PC) has attracted inereasing attention in recent years due to its excellent performance and wide application prospects.How to make tunable photonic erystals,especially how to strengthen its reconfigurability and controllability is one of the most important issue in this field.In this manuscript,the brief history. fabrication method and classifications of plasma photonic erystals are discussed.respectively.Differen theoretical methods to calculate dispersion relations of the plasma photonic crystals are demonstrated. Both experimental and theoretical of plasma photonic erystals are presented.The work would be helpful for further development and wide applications of plasma photonic crystals in the future. Key words:plasma photonic crystal:photonic band gap:metamaterial:electromagnetic wave conro 1引 光子品体(Photonie Crystal)是一种周期性电介质结构，其概念在1987年由Yablonovitch和John共同提 出【，其突出特点是具有光子带隙和能够实现光子局域)。基于其独特的电磁波控制能力，光子品体在高 性能反射镜、光子晶体超棱镜、光波导、光开关、光学晶体管等众多领域具有广泛的应用。然而，对于常规 光子晶体，一旦制备完成，其光子禁带的位置也就确定6)。如何使其能带结构可调，实现对不同波段电磁波 的可调性控制，是目前光子晶体研究的一项重要攻关课题 作为一种新型时空可调光子晶体，等离子体光子晶体近年来受到国内外学者的广泛关注。等离 子体光子晶体是由等离子体自身密度的周期性分布或者同其他介电材料交错排列形成的周期性结构。它不 基金项目：河北省自然科学基金(799207217029列 作者简介：月强1991一，男，安省人，士研究生 通讯作者：范伟丽，刷教授。 ?1994-2018 China Academic Journal Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
第 47 卷 第 10 期 人 工 晶 体 学 报 Vol． 47 No． 10 2018 年 10 月 JOUＲNAL OF SYNTHETIC CＲYSTALS October，2018 等离子体光子晶体研究进展综述 梁月强，范伟丽，弓丹丹 ( 河北大学物理科学与技术学院，保定 071002) 摘要: 光子晶体作为控制电磁波传输的一种新型材料，以其优越的性能和广阔的应用前景近年来受到了国内外学 者的广泛关注。如何制作结构参数可调的光子晶体，特别是如何加强其可重构性、可控性是当前光子晶体领域的 一项重要课题。针对于此，本文对一种新型可调等离子体光子晶体超材料的研究进展进行了系统讨论。简要回顾 了等离子体光子晶体的发展历史，介绍了等离子体光子晶体的实验产生方式和分类，阐明了等离子体光子晶体不 同理论研究方法，并对其未来发展趋势进行了展望。从理论和实验两方面对等离子体光子晶体进行了深入分析。 本工作为今后该领域的深入发展以及广泛应用提供了一定借鉴意义。 关键词: 等离子体光子晶体; 光子禁带; 超材料; 电磁波控制 中图分类号: O539 文献标识码: A 文章编号: 1000-985X( 2018) 10-2051-07 基金项目: 河北省自然科学基金( 799207217029) 作者简介: 梁月强( 1991-) ，男，安徽省人，硕士研究生。 通讯作者: 范伟丽，副教授。 Ｒeview of Ｒesearch Progress on Plasma Photonic Crystals LIANG Yue-qiang，FAN Wei-li，GONG Dan-dan ( College of Physics Science and Technology，Hebei University，Baoding 071002，China) Abstract: As a new type of material to control electromagnetic wave transmission，photonic crystal ( PC) has attracted increasing attention in recent years due to its excellent performance and wide application prospects． How to make tunable photonic crystals，especially how to strengthen its reconfigurability and controllability is one of the most important issue in this field． In this manuscript，the brief history， fabrication method and classifications of plasma photonic crystals are discussed，respectively． Different theoretical methods to calculate dispersion relations of the plasma photonic crystals are demonstrated． Both experimental and theoretical of plasma photonic crystals are presented． The work would be helpful for further development and wide applications of plasma photonic crystals in the future． Key words: plasma photonic crystal; photonic band gap; metamaterial; electromagnetic wave control 1 引 言 光子晶体 ( Photonic Crystal) 是一种周期性电介质结构，其概念在 1987 年由 Yablonovitch 和 John 共同提 出［1-2］，其突出特点是具有光子带隙和能够实现光子局域［3］。基于其独特的电磁波控制能力，光子晶体在高 性能反射镜、光子晶体超棱镜、光波导、光开关、光学晶体管等众多领域具有广泛的应用［4-5］。然而，对于常规 光子晶体，一旦制备完成，其光子禁带的位置也就确定［6-7］。如何使其能带结构可调，实现对不同波段电磁波 的可调性控制，是目前光子晶体研究的一项重要攻关课题。 作为一种新型时空可调光子晶体［8］，等离子体光子晶体近年来受到国内外学者的广泛关注［9-12］。等离 子体光子晶体是由等离子体自身密度的周期性分布或者同其他介电材料交错排列形成的周期性结构。它不 DOI:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2018.10.009
2052 人工晶体学报 第47卷 仅具有常规光子晶体的带隙结构，使频率落入禁带范围内的电磁波禁止传播，而且可以通过方便的调节外加 驱动，改变等离子体密度、温度等参数的大小和空间分布)，或者有选择地控制等离子体光子品体的形成时 间，实现对不同波段电磁波传播的时空可调性控制。此外，由于等离子体的折射率是入射电磁波频率的函 数，在一定频率下折射率小于1甚至小于0，因而可作为常规手段难以实现的负折射率超透镜，通过反常折 射控制光传播。基于以上特点，等离子体光子晶体自2004年被首次提出即受到国内外学者的极大关 注)，以其重要的基础研究价值和广泛的应用前景成为跨越等离子体领域和电磁波控制领域的热门交叉 课题，并有望被应用于滤波器、光开关、等离子体透镜以及军事开发上的等离子体隐身武器等众多方 面 为讲一步促讲等离子体光子品体的发展，加快其在电磁波控制领域的应用讲程，本文从实验和理论两方 面对等离子体光子晶体超材料的研究进展进行了系统讨论。简要回顾了等离子体光子晶体的发展历史，介 绍了等离子体光子晶体的常用实验方法，给出了等离子体光子晶体不同理论研究方法，并对其未来发展趋势 进行了展望。 2等离子体光子晶体理论计算 能带结构是等离子体光子晶体最根本的特征之一，亦是其实现电磁波控制应用的关健如。因此，近年 来国内外学者对等离子体光子晶体能带结构的理论计算进行了大量研究。目前，计算等离子体光子品体色 散关系的常用方法主要包括：传输矩阵法、时域有限差分法和修正的平面波展开法。 传输矩阵法(Transfer Matrix Method,TMM是一种解析方法四，以Maxwel方程组为基础，根据磁场 和电场的连续性边界条件，推导出电场和磁场的迭代方程，来获得等离子体光子晶体反射、透射特性以及色 散关系。时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain,DTD)a是目前等离子体光子晶体色散关系计算 最为常用的方法。它采用基本的Ye元胞将计算区域空间进行网格划分，节点上的E、H场分量在空间和时 间上交替排布，将含有时间变量的麦克斯韦旋度方程转化成差分方程，并在时间轴上逐步推进求解空间电磁 场。l990年Luebber等将电位移矢量D写成电场强度的卷积，并将该卷积离散成可以迭代求和的形式，提 出了一种关于色散介质的时域有限差分法，称为递归卷积法。后来人们将该方法推到等各向异性的等离 子体介质，采用离散梯形递归卷积法，称为RC+DTD法。修正的平面波展开法(Plane Wave Expansion Method,PWM)是针对于Drude型介质，将电磁波用平面波展开，结合Maxwell方程组求得电磁场的本征方 程，将介质在倒格子空间做傅立叶变换而得到一系列的木证值，讲而得到光子品体的色散关系。其优点是几 乎不引入假定条件，为带隙结构的计算提供了 一个稳定可靠的算法，可以计算无限大周期结构的能带和有限 厚度的光子晶体的透射系数和反射系数2 近年来，人们采用不同的理论模型，对等离子体光子晶体色散关系进行了大量研究。2004年，H0提出 了等离子体光子晶体的概念，并采用Kronig-Penney理论模型研究了一维等离子体光子晶体色散关系，阐明 了能带结构的存在。印度学者Shiveshwarin等利用传输矩阵法(TMM)分析了一维等离子体光子品体以及超 点阵结构的滤波特性，讨论了等离子体密度、周期单元数目、等离子体厚度等不同参量对能带位置的影响，并 指出等离子体光子晶体作为可调性滤波器件或功能器件在红外线、厘米波控制方面具有重要的应用前景 武汉理工大学郭斌采用传输矩阵法研究了斜入射电磁波在一维等离子体光子晶体的色散特性以及等离子体 密度随时间变化时等子体光子晶体的能带变化。清华大学李伟等通过对等离子体各项参数的数值计算得到 了明显的色散关系，阐明了禁带位置受等离子体参数的调谐规律四。南京农业大学孔样鲲与国防科技大学 林明东等利用TM和DTD相结合的方法，研究了二雄等离子体光子品体对TE和M不同模式电磁被的 色散特性。研究发现，在一定条件下，在TE模式下更容易产生禁带。电子科技大学亓丽梅分别采用PW 和FDTD对二维非磁化和磁化等离子体光子晶体色散关系进行了系统研究。采用等效介质理论重新推导了 磁化一维等离子体光子晶体在斜入射电磁波情况下TM模式电磁波的传输特性。日本Saki等人分别采用 PWM和FDTD法，对二维四边形结构等离子体光子晶体的色散关系进行了理论计算，获得了处于1O2GH ?1994-2018 China Academie Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
2052 人 工 晶 体 学 报 第 47 卷 仅具有常规光子晶体的带隙结构，使频率落入禁带范围内的电磁波禁止传播，而且可以通过方便的调节外加 驱动，改变等离子体密度、温度等参数的大小和空间分布［13］，或者有选择地控制等离子体光子晶体的形成时 间，实现对不同波段电磁波传播的时空可调性控制。此外，由于等离子体的折射率是入射电磁波频率的函 数，在一定频率下折射率小于 1 甚至小于 0，因而可作为常规手段难以实现的负折射率超透镜，通过反常折 射控制光传播。基于以上特点，等离子体光子晶体自 2004 年被首次提出即受到国内外学者的极大关 注［14-17］，以其重要的基础研究价值和广泛的应用前景成为跨越等离子体领域和电磁波控制领域的热门交叉 课题，并有望被应用于滤波器、光开关、等离子体透镜以及军事开发上的等离子体隐身武器等众多方 面［18-20］。 为进一步促进等离子体光子晶体的发展，加快其在电磁波控制领域的应用进程，本文从实验和理论两方 面对等离子体光子晶体超材料的研究进展进行了系统讨论。简要回顾了等离子体光子晶体的发展历史，介 绍了等离子体光子晶体的常用实验方法，给出了等离子体光子晶体不同理论研究方法，并对其未来发展趋势 进行了展望。 2 等离子体光子晶体理论计算 能带结构是等离子体光子晶体最根本的特征之一，亦是其实现电磁波控制应用的关键［21］。因此，近年 来国内外学者对等离子体光子晶体能带结构的理论计算进行了大量研究。目前，计算等离子体光子晶体色 散关系的常用方法主要包括: 传输矩阵法、时域有限差分法和修正的平面波展开法。 传输矩阵法 ( Transfer Matrix Method，TMM) 是一种解析方法［22］，以 Maxwell 方程组为基础，根据磁场 和电场的连续性边界条件，推导出电场和磁场的迭代方程，来获得等离子体光子晶体反射、透射特性以及色 散关系。时域有限差分法( Finite-Difference Time-Domain，FDTD) ［23］是目前等离子体光子晶体色散关系计算 最为常用的方法。它采用基本的 Yee 元胞将计算区域空间进行网格划分，节点上的 E、H 场分量在空间和时 间上交替排布，将含有时间变量的麦克斯韦旋度方程转化成差分方程，并在时间轴上逐步推进求解空间电磁 场。1990 年 Luebbers 等将电位移矢量 D 写成电场强度的卷积，并将该卷积离散成可以迭代求和的形式，提 出了一种关于色散介质的时域有限差分法，称为递归卷积法。后来人们将该方法推广到等各向异性的等离 子体介质，采用离散梯形递归卷积法，称为 ＲC-FDTD 法。修正的平面波展开法( Plane Wave Expansion Method，PWM) 是针对于 Drude 型介质，将电磁波用平面波展开，结合 Maxwell 方程组求得电磁场的本征方 程，将介质在倒格子空间做傅立叶变换而得到一系列的本证值，进而得到光子晶体的色散关系。其优点是几 乎不引入假定条件，为带隙结构的计算提供了一个稳定可靠的算法，可以计算无限大周期结构的能带和有限 厚度的光子晶体的透射系数和反射系数［24］。 近年来，人们采用不同的理论模型，对等离子体光子晶体色散关系进行了大量研究。2004 年，Hojo 提出 了等离子体光子晶体的概念，并采用 Kronig-Penney 理论模型研究了一维等离子体光子晶体色散关系，阐明 了能带结构的存在。印度学者 Shiveshwarin 等利用传输矩阵法( TMM) 分析了一维等离子体光子晶体以及超 点阵结构的滤波特性，讨论了等离子体密度、周期单元数目、等离子体厚度等不同参量对能带位置的影响，并 指出等离子体光子晶体作为可调性滤波器件或功能器件在红外线、厘米波控制方面具有重要的应用前景。 武汉理工大学郭斌采用传输矩阵法研究了斜入射电磁波在一维等离子体光子晶体的色散特性以及等离子体 密度随时间变化时等子体光子晶体的能带变化。清华大学李伟等通过对等离子体各项参数的数值计算得到 了明显的色散关系，阐明了禁带位置受等离子体参数的调谐规律［25］。南京农业大学孔祥鲲与国防科技大学 林明东等利用 TMM 和 FDTD 相结合的方法，研究了二维等离子体光子晶体对 TE 和 TM 不同模式电磁波的 色散特性。研究发现，在一定条件下，在 TE 模式下更容易产生禁带。电子科技大学亓丽梅分别采用 PWM 和 FDTD 对二维非磁化和磁化等离子体光子晶体色散关系进行了系统研究。采用等效介质理论重新推导了 磁化一维等离子体光子晶体在斜入射电磁波情况下 TM 模式电磁波的传输特性。日本 Sakai 等人分别采用 PWM 和 FDTD 法，对二维四边形结构等离子体光子晶体的色散关系进行了理论计算，获得了处于 102 GHz
第10期 梁月强等：等离子体光子晶体研究进展综述 2053 量级的禁带位置，计算结果与实验探测结果高度吻合。南京航空航天大学章海峰利用平面波展开法分析了 具有Thue-Morse序列的二维不规则等离子体光子晶体的色散特性，如图1所示，指出降低品格对称性是 增大等离子体光子品体禁带宽度的有效方式。研究发现，增加等离子体光子品体分形级数N时，禁带的数 量是先增加后减少，但截止频率位置保持不变（图2(a,b)。此外，南京航空航天大学刘少斌、章海峰小组 采用DD时域有限差分法对不同构型等离子体光子晶体进行了大量理论研究，讨论了不同参数对等离子 体光子晶体禁带特性的影响，分析了磁化[)和非磁化[等离子体光子晶体的缺陷模特性。理论工作的开 展为深入认识等离子体光子晶体特性与机制具有重要意义，促进了等离子体光子晶体实验和应用的发展。 0.45o1 0.0 02 040608 Density of statesa.u.) 图1 Thue-Morse序列等离子体光子品体色散关系与态密度曲线倒 ig 1 Dispersion relation and density of states curves of ThueMorse sequence plasma phoonie erystals u04 Band structu 图2分形级数分别为l,3时的Thue4 Morse序列等离子体光子品体能带图 Fig.2 Band diagrams of plasma photonic crystals with Thue Morse sequence when fractal series are I and 3 respectively 3等离子体光子晶体实验研究 等离子体光子晶体的实验研究近年来获得了迅猛发展。目前，获得等离子体光子品体的实验方法主要 有以下几种：()阵列电极气体放电产生等离子体光子晶体：(2)固体结构光子晶体局域产生等离子体形成 等离子体光子品体：(3)介质阻挡放电自组织形成不同对称性等离子体光子品体：(4)金属等离子体光子品 体：(5)微波法形成等离子体光子品体：(6)两束强激光对撞形成等离子体光栅。采用不同方法，获得了不 同构型且时空可调的等离子体光子晶体。本工作将对前三种最为常用的实验方法进行了详细介绍。 3.1阵列电极气体放电形成等离子体光子晶体 日本东京大学0.Saka等最先通过金属阵列电极放电获得了二维等离子体光子晶体[1，并采用微波诊 断对其带隙结构进行了实验验证。他们采用44mm×44mm大小金属电极阵列，在氨气的环境下，形成了单 个直径约2mm等离子体柱、晶格长度约2.1mm正方晶格等离子体光子晶体结构，如图3所示。通过微波 诊断技术，实验验证了该等离子体光子品体处于70~75GH波段的禁带位置，发现了该波段电磁波传播方 1994-2018 China Academie Journal Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
第 10 期 梁月强等: 等离子体光子晶体研究进展综述 2053 量级的禁带位置，计算结果与实验探测结果高度吻合。南京航空航天大学章海峰利用平面波展开法分析了 具有 Thue-Morse 序列的二维不规则等离子体光子晶体的色散特性［26］，如图 1 所示，指出降低晶格对称性是 增大等离子体光子晶体禁带宽度的有效方式。研究发现，增加等离子体光子晶体分形级数 N 时，禁带的数 量是先增加后减少，但截止频率位置保持不变( 图 2( a，b) ) 。此外，南京航空航天大学刘少斌、章海峰小组 采用 FDTD 时域有限差分法对不同构型等离子体光子晶体进行了大量理论研究，讨论了不同参数对等离子 体光子晶体禁带特性的影响，分析了磁化［27］和非磁化［28］等离子体光子晶体的缺陷模特性。理论工作的开 展为深入认识等离子体光子晶体特性与机制具有重要意义，促进了等离子体光子晶体实验和应用的发展。 图 1 Thue-Morse 序列等离子体光子晶体色散关系与态密度曲线［26］ Fig． 1 Dispersion relations and density of states curves of Thue-Morse sequence plasma photonic crystals 图 2 分形级数分别为 1，3 时的 Thue-Morse 序列等离子体光子晶体能带图［26］ Fig． 2 Band diagrams of plasma photonic crystals with Thue-Morse sequence when fractal series are 1 and 3 respectively 3 等离子体光子晶体实验研究 等离子体光子晶体的实验研究近年来获得了迅猛发展。目前，获得等离子体光子晶体的实验方法主要 有以下几种: ( 1) 阵列电极气体放电产生等离子体光子晶体; ( 2) 固体结构光子晶体局域产生等离子体形成 等离子体光子晶体; ( 3) 介质阻挡放电自组织形成不同对称性等离子体光子晶体; ( 4) 金属等离子体光子晶 体; ( 5) 微波法形成等离子体光子晶体; ( 6) 两束强激光对撞形成等离子体光栅。采用不同方法，获得了不 同构型且时空可调的等离子体光子晶体。本工作将对前三种最为常用的实验方法进行了详细介绍。 3． 1 阵列电极气体放电形成等离子体光子晶体 日本东京大学 O． Sakai 等最先通过金属阵列电极放电获得了二维等离子体光子晶体［29］，并采用微波诊 断对其带隙结构进行了实验验证。他们采用 44 mm × 44 mm 大小金属电极阵列，在氦气的环境下，形成了单 个直径约 2 mm 等离子体柱、晶格长度约 2． 1 mm 正方晶格等离子体光子晶体结构，如图 3 所示。通过微波 诊断技术，实验验证了该等离子体光子晶体处于 70 ～ 75 GHz 波段的禁带位置，发现了该波段电磁波传播方
2054 人工晶体学报 第47卷 向的偏转现象。 美国斯坦福大学Cappelli小组将气体放电等离子 体柱排列成品格长度为38.1mm,7×7四边形阵列二二 4G r20.30 维等离子体光子晶体网。实验发现，该等离子体光子 晶体能够产生十分明显的禁带结构，尤其是对于电子 密府较高的情况。无论等离子体介电常数为负值还是 正值情况下，均观察到了处于S到X波段的禁带能 级，如图4所示。并且，随放电电流密度的改变，禁带 图3四边形阵列等离子体光子晶体实验装置及微波探测 能级位置发生移动。基于此，提出了一种完全可调的 Fig.3 Plasma photonic crystal experiment 阵列型等离子体光子晶体即。 device and microwave detection (b)Negat 30 89 4045 quency/GHz ency/GHz 图4等离子体光子品体实验装置及其微波探测（实验装置示意图：(b)正、负介电常数下 等离子体光子晶体禁带位置的数值模拟：()等离子体光子禁带位置的实验与数值模拟对比 Fig Experimental device for plasma phoonie crysal and the micrwave detection a)schematic diagram of an experimental device:b)numerical simulation of the band position of plasma photonic erystals under positive and negative permittivity:(c)comparison of experimental and numerical simulation of plasma photonic band gap position 北京理工大学欧阳吉庭小组利用多根低气压放电管组成一维等离子体光子品体四，装置如图5(a)所 示，实验与DD理论方法相结合，研究了管内电流、放电管数目以及管间距等参数对于入射电磁波透射率 的影响。如图5(b),在电子密度4-8×10"cm3范围内观察到了处于X微波波段的禁带位置，发现禁带中 心频率、禁带宽度和深度随放电密度的增加而增大。随晶格常数的增大，禁带数量增加，而禁带宽度减小。 该方法为实现一维、二维时空可调的微波控制器件提供了启示。 ① 15 .4c MW frequeney/GHz 图5低气压阵列管一维等离子体光子品体及其禁带位置微波诊断[网 Fig.5 Experim ntal setup to ge 21994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.all rights reserved.http://www.cnkinet
2054 人 工 晶 体 学 报 第 47 卷 图 3 四边形阵列等离子体光子晶体实验装置及微波探测 Fig． 3 Plasma photonic crystal experiment device and microwave detection［29］ 向的偏转现象。 美国斯坦福大学 Cappelli 小组将气体放电等离子 体柱排列成晶格长度为 38． 1 mm，7 × 7 四边形阵列二 维等离子体光子晶体［30］。实验发现，该等离子体光子 晶体能够产生十分明显的禁带结构，尤其是对于电子 密度较高的情况。无论等离子体介电常数为负值还是 正值情况下，均观察到了处于 S 到 X 波段的禁带能 级，如图 4 所示。并且，随放电电流密度的改变，禁带 能级位置发生移动。基于此，提出了一种完全可调的 阵列型等离子体光子晶体［31］。 图 4 等离子体光子晶体实验装置及其微波探测［30］( a) 实验装置示意图; ( b) 正、负介电常数下 等离子体光子晶体禁带位置的数值模拟; ( c) 等离子体光子禁带位置的实验与数值模拟对比 Fig． 4 Experimental device for plasma photonic crystal and the microwave detection ( a) schematic diagram of an experimental device; ( b) numerical simulation of the band position of plasma photonic crystals under positive and negative permittivity; ( c) comparison of experimental and numerical simulation of plasma photonic band gap position 北京理工大学欧阳吉庭小组利用多根低气压放电管组成一维等离子体光子晶体［32］，装置如图 5( a) 所 示，实验与 FDTD 理论方法相结合，研究了管内电流、放电管数目以及管间距等参数对于入射电磁波透射率 的影响。如图 5( b) ，在电子密度 4 ～ 8 × 1011 cm － 3范围内观察到了处于 X 微波波段的禁带位置，发现禁带中 心频率、禁带宽度和深度随放电密度的增加而增大。随晶格常数的增大，禁带数量增加，而禁带宽度减小。 该方法为实现一维、二维时空可调的微波控制器件提供了启示。 图 5 低气压阵列管一维等离子体光子晶体及其禁带位置微波诊断［30］ Fig． 5 Experimental setup to generate one-dimensional plasma photonic crystals and the microwave detection
第10期 梁月强等：等离子体光子晶体研究进展综述 2055 3.2光子晶体局域共振产生等离子体 如图6所示，美国Gcgo等在固体光子晶体内局部特殊设计一个谐振腔四，利用该谐振腔与入射微波的 共振原理，将微波场进行放大来形成自激发的等离子体。在离散化空间中，利用FDTD方法求解了以微波为入 射波的等离子体光子晶体的色散关系。该等离子体与固体光子晶体相结合，实现了对入射电磁波的可调性控 制，其特点是在没有额外等离子体源的情况下，通过入射微波自创建一种可调的等离子体光子晶体。 180 图6共振腔等离子体光子品体实验装置图四 Fig.6 Experimental device of avity plasma photonic crysta PMT ss pla 10 10 图7双水电极介质阻挡放电装置以及不同构型等离子体光子品体 Fig7 Dielectric barrier discharge device with two water and plasma pho 3.3介质阻挡放电自组织形成不同对称性等离子体光子晶体 本工作小组采用双水电极介质阻挡放电装置，利用放电丝之间的非线性组织，率先在高值气体放电 中实现了丰富种类等离子体光子品体4)，例如：四方品格、六边品格、超四方晶格、超六方品格、阿基米德 品格等、复杂格子态等，如图7所示。特别是，由粗细不同尺度等离子体通道周期性排列的超品格结构的获 得，开拓了宽带隙复杂超晶格等离子体光子晶体的研究)。以往理论研究表明，这种新型超点阵结构能够 使光子晶体的禁带宽度提高为简单结构的3倍以上。但由于制作复杂，该复杂结构以前只能通过计算机进 行理论模拟，未见在其他实验系统中实现。随外加参数的改变，首次实现了不同拓扑结构、不同晶格常数的 等离子体光子品体之间的实现可调性转化，实现了品格常数通常从mm到cm量级，电子密度从10m'到 ?1994-2018 China Academic Journal Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
第 10 期 梁月强等: 等离子体光子晶体研究进展综述 2055 3． 2 光子晶体局域共振产生等离子体 如图 6 所示，美国 Gregório 等在固体光子晶体内局部特殊设计一个谐振腔［33］，利用该谐振腔与入射微波的 共振原理，将微波场进行放大来形成自激发的等离子体。在离散化空间中，利用 FDTD 方法求解了以微波为入 射波的等离子体光子晶体的色散关系。该等离子体与固体光子晶体相结合，实现了对入射电磁波的可调性控 制，其特点是在没有额外等离子体源的情况下，通过入射微波自创建一种可调的等离子体光子晶体。 图 6 共振腔等离子体光子晶体实验装置图［33］ Fig． 6 Experimental device of resonant cavity plasma photonic crystal 图 7 双水电极介质阻挡放电装置以及不同构型等离子体光子晶体［34］ Fig． 7 Dielectric barrier discharge device with two water electrodes and plasma photonic crystals with different configurations 3． 3 介质阻挡放电自组织形成不同对称性等离子体光子晶体 本工作小组采用双水电极介质阻挡放电装置，利用放电丝之间的非线性组织，率先在高 pd 值气体放电 中实现了丰富种类等离子体光子晶体［34-35］，例如: 四方晶格、六边晶格、超四方晶格、超六方晶格、阿基米德 晶格等、复杂格子态等，如图 7 所示。特别是，由粗细不同尺度等离子体通道周期性排列的超晶格结构的获 得，开拓了宽带隙复杂超晶格等离子体光子晶体的研究［35］。以往理论研究表明，这种新型超点阵结构能够 使光子晶体的禁带宽度提高为简单结构的 3 倍以上。但由于制作复杂，该复杂结构以前只能通过计算机进 行理论模拟，未见在其他实验系统中实现。随外加参数的改变，首次实现了不同拓扑结构、不同晶格常数的 等离子体光子晶体之间的实现可调性转化，实现了晶格常数通常从 mm 到 cm 量级，电子密度从 1012 cm － 3到
2056 人工晶体学报 第47卷 10“cm量级的可控性调节。此外，在时间上，本系统中等离子体光子晶体是由不同时空子结构相互嵌套而 成，具有优异的时间对称性。在每半个电压周期内，不同子结构按一定时间序列交替出现。因此，通过改变 外加电压频率等参量，能够很容易的控制等离子体光子品体的形成时间。基于此，提出了一种新型时空可调 等离子体光子晶体，为等离子体光子晶体的广泛应用鉴定了重要基础。 为进一步加强等离子体光子晶体的稳定性与可控性，本工作小组提出了阵列液体电极介质阻挡放电装 置，如图8所示。首次观察到了由自组织放电丝和人工结构共同形成的复杂等离子体光子晶体网，发现了 四边形和六边形共存的晶格结构以及不同对称性超晶格等离子体光子晶体。该阵列电极的使用，使形成的 等离子体光子品体具有与之相同的基础对称性，但由于右侧液体电极仍然为平板电极，保留了放电系统自身 的高度非线性特点。因此，所获得等离子体光子晶体兼具多样性与稳定性、可控性特点。此外，利用平面波 展开法，计算了不同对称性等离子体光子晶体的色散关系，获得了102Gz量级的禁带位置，在微波传输控 制领域具有重要意义。 volag HV probe ressure 230 b 1m d 图8网格化介质阻挡放电装置以及不同构型等离子体光子品体 Fig8 Meshed dielectrie barrier discharge device and plasma photonie crystalwith different configurations 4结论与展望 等离子体光子晶体研究是一个新兴的、具有高度学科交叉融合特色的研究领域，具有广阔的基础与应用 研究价值，在微波通讯、THz波控制、滤波器件等众多领域具有重要应用。本文从实验和理论两方面出发，对 等离子体光子晶体超材料的研究进行了系统讨论。简要回顾了等离子体光子品体的发展历史，详细介绍 等离子体光子晶体的常用理论计算与实验方法。然而，尽管等离子体光子晶体研究近年来获得了迅猛发展， 但仍有些问题亟待深入研究，例如，三维等离子体光子晶体的实现与理论计算、等离子体为非线性情况下色 散特性的计算、等离子体光子晶体与光学转换器件的结合等。相信在科研人员们的共同努力下，在不久的将 来，等离子体光子品体能够成为一种新的电磁波控制媒介，逐步引领未来通信领域，发挥巨大的作用。 参考文献 1987.58(23:2486-2489 TJ.Me n ph hand structure [J.Phy ,1991,6724):3 Yanik M F.Fan S.Soljaci nvities U].Appl.Phys.Lett.2003.83(14):2739 [S]Zhang H F,Liu S B.Kong X K.ct al.Om d gap enlarged by ?1994-2018 China Academic Journal Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
2056 人 工 晶 体 学 报 第 47 卷 1015 cm － 3量级的可控性调节。此外，在时间上，本系统中等离子体光子晶体是由不同时空子结构相互嵌套而 成，具有优异的时间对称性。在每半个电压周期内，不同子结构按一定时间序列交替出现。因此，通过改变 外加电压频率等参量，能够很容易的控制等离子体光子晶体的形成时间。基于此，提出了一种新型时空可调 等离子体光子晶体，为等离子体光子晶体的广泛应用鉴定了重要基础。 为进一步加强等离子体光子晶体的稳定性与可控性，本工作小组提出了阵列液体电极介质阻挡放电装 置，如图 8 所示。首次观察到了由自组织放电丝和人工结构共同形成的复杂等离子体光子晶体［36］，发现了 四边形和六边形共存的晶格结构以及不同对称性超晶格等离子体光子晶体。该阵列电极的使用，使形成的 等离子体光子晶体具有与之相同的基础对称性，但由于右侧液体电极仍然为平板电极，保留了放电系统自身 的高度非线性特点。因此，所获得等离子体光子晶体兼具多样性与稳定性、可控性特点。此外，利用平面波 展开法，计算了不同对称性等离子体光子晶体的色散关系，获得了 102 GHz 量级的禁带位置，在微波传输控 制领域具有重要意义。 图 8 网格化介质阻挡放电装置以及不同构型等离子体光子晶体［36］ Fig． 8 Meshed dielectric barrier discharge device and plasma photonic crystals with different configurations［36］ 4 结论与展望 等离子体光子晶体研究是一个新兴的、具有高度学科交叉融合特色的研究领域，具有广阔的基础与应用 研究价值，在微波通讯、THz 波控制、滤波器件等众多领域具有重要应用。本文从实验和理论两方面出发，对 等离子体光子晶体超材料的研究进行了系统讨论。简要回顾了等离子体光子晶体的发展历史，详细介绍了 等离子体光子晶体的常用理论计算与实验方法。然而，尽管等离子体光子晶体研究近年来获得了迅猛发展， 但仍有些问题亟待深入研究，例如，三维等离子体光子晶体的实现与理论计算、等离子体为非线性情况下色 散特性的计算、等离子体光子晶体与光学转换器件的结合等。相信在科研人员们的共同努力下，在不久的将 来，等离子体光子晶体能够成为一种新的电磁波控制媒介，逐步引领未来通信领域，发挥巨大的作用。 参 考 文 献 ［1］ Yablonovitch E． Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics［J］． Phys． Ｒev． Lett，1987，58( 20) : 2059-2061． ［2］ John S． Electronic physical localization of photons in certain disordered dielectric superlattices［J］． Phys． Ｒev． Lett． ，1987，58( 23) : 2486-2489． ［3］ Yablonovitch E，Gmitter T J，Meade Ｒ D，et al． Donor and acceptor modes in photonic band structure［J］． Phys． Ｒev． Lett． ，1991，67( 24) : 3380． ［4］ Yanik M F，Fan S，Soljacic M． High-contrast all-optical bistable switching in photonic crystal microcavities［J］． Appl． Phys． Lett． ，2003，83( 14) : 2739． ［5］ Zhang H F，Liu S B，Kong X K，et al． Omnidirectional photonic band gap enlarged by one-dimensional ternary unmagnetized plasma photonic
第10期 梁月强等：等离子体光子晶体研究进展综述 2057 Joannopoulos J J.Villeneuve P R.Fan S.et al.Photonic crystals:putting new twist on light []Nature.1997.386(6621):143-149. [7]Leung KM,Liu Y F.Full vector wave calculation of photonie hand sructures in face-centered-cubie dicleetric media []Phys.Rev.Iett. 1990.65(21):26462649. [8]Sakai Tachibana K.Plas terials:a mview [l.Plasma Sourres Sci.Technol.2012.21:013001 [9]Chaudhari M.K.Chaudhari S.Tuning photonic bands in plasma metallie photonie crystals[]Phys.Plasmas,2016.23:112118. [10]Wang B.Cappelli M.A.A tunable micrwave plama photonic crystal filter []Appl.Phys.Lett.2015.107:171107. [11]Yin Y.Xu H.Yu M.et al.Bandgap characteristics of one-dimensional plasma photonie crystal [].Phys.Plasmas,2009.16.102103. [12]Shukla S.Prasad S.Singh V.Properties of surface modes in one dimen onal plasma photonic ervstals [J].Phys.Plasmas.2015.22.022122. [13]Li C.Liu S.Kong X.et a A novel comb-ike plasma photonie crystal filter in the presence of evanes ent wave []IEEE Trans.Plasma Sei. 2011.39101:1969-1g73 [141 Hoio H.Mase A.Disp .Let.,2016,116:2502 L2010.96:251501 10, S.Noka [19]Qi L.Yang Z.Fu T.et al.Defect modes in one-dimensional magnetized plasma photonic crystals with a diclectric defect layer [J].Phys Plasmas.2012.19(1）:012509. [20]Kong K.Liu B.Zhang HF.tove table filer featuring defret mode of the Tefmmophotorie cyal oped by magnetized plasma[].Phys.Plasmas,2010.17(10):103506. [21]Zhang HF,Liu S B.et al.The properties of the extraordinary mode and surface plasma modes in the three dimensional magnetized plasma photonie crystals based on the magnetomotical Voirt effects []Phys.Plasmtas.2014.21:062115. [22]刘鸿娟.叶志清，邓海东.等.用转移矩阵方法计算一维光子品体的禁带结构[4】.江西师范大学学报（自然科学版，2004.28(2）：105409. [23] 刘少城.顾长青，周建江，等.磁化等离子体光子品体的FDTD分析[J].物理学报.2006.55(3)：1283-288. 24 寸焕尧.潭仁兵.王荣丽，等.用平而波展开法计算二推方形光子品体的带隙结构[A1.半导体学报.2006.27：6567 [25j 李伟.张海法.马理.签，签离子休光子品体「山1.光学技术，2004303)：263-26的 [261 Hai FZ.Yu O C.The ,意、。强化禁亮子体光子品体缺陷态的研究口打.物理学报，200路.57(8)：S039 28 章海峰，马力，3 离子体光子品体 究].物理学报 09,582):1071076 [9 ranges Appi 007,101:07330 Wang B. Cappelli M A.A plasma photonic erystal handgap device []Appl.Phys.Lett.,2016.108:161101 31 Guided W.,2017,59:30973101 32] Ouyang JT.Liu YY.He F.et al.Evolution of Striation in Puled Glow Discharges [J].Plasma Sci.Technol.2016.18:934. [33] Grgirio.PnS,Howood ].et al.Reconfigurable phonie crystal uing finitiateda bakdn Masm Sci.Techn0176:(1.TB 34 Dong L.Fan W.Tunable one-tlim onal plasma photonic crystal in dielectric barrier discharge []Phys.Plasmas.2016.17:073506. [35]Dong L.Fan W.Zhang X,et al.Two-dim ional plama photonie cryal in dielectric harrier discharge[Phys.Plasmas201017:113501. [36]DongL.Wang W.Liu W.et al.Generation of tunable plasma photonie crystals in meshed dielectrie barrier discharge ].Phys.Plasmas.2014. 21:073505. 21994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.all rights reserved.http://www.cnkinet
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