亚波长等离子体结构调制增强微波电磁辐射特性及机理研究

Intensification of optical frequency electromagnetic radiation by modulation of sub-wavelength structures of metal plasmas is an up-to-date innovative technology in nano-optics field. To further develop the technology into the radio frequency regime with centimeter structure of gaseous discharge plasmas will exhibit important scientific significance and promising potential of broad applications to many areas of high-tech and national strategic demands, such as wireless information network platform, and microwave communication, measurement and control technology. Combining the efforts in theoretical analysis, numerical simulations and laboratory experiments, we propose to study the influences of the external control parameters on the intensification of radio frequency signals to reveal the mechanism of sub-wavelength plasma enhanced electromagnetic radiation, and acquire the basic strategy for the modulation method. The results will also provide scientific basis for the research and development (R&D) of key technology for electromagnetic radiation enhancement by sub-wavelength plasma structures with wide-range requests and high communication quality.

采用金属亚波长等离子体结构调制增强可见光波段电磁辐射效应是近年来在纳米光学领域发展起来的创新性技术。将这一技术推广到厘米尺度气体放电等离子体结构调制增强微波波段电磁辐射，对发展电子信息网络平台及微波通信、测控技术等高新科学技术和国家重大需求具有重要的科学意义和应用价值。本项目围绕小型化微波天线增益特性这一关键科学技术问题，拟在前期研究的基础上，利用亚波长等离子体薄层结构对电磁辐射的调制增强效应，开展亚波长等离子体薄层结构增强微波电磁辐射特性及机制研究。通过实验研究与数值模拟相结合，掌握亚波长等离子体结构调制增强微波电磁辐射的物理特性和分析方法，明确亚波长等离子体关键参数对微波信号增强效应的影响和作用规律，揭示其作用机理并提出有效的实验调控手段。为研发可较大幅度提高天线电磁辐射效率和增益的关键技术提供科学依据。

本课题通过理论、数值模拟与实验研究相结合的方法，全面掌握了亚波长等离子体结构调制增强微波天线辐射的工作特性，并明确了关键技术特征。此外，针对现有的理论分析存在的不足，本课题一方面研究了局域等离子体激元共振的性质及其对天线远场辐射和阻抗的影响。另一方面，从场的干涉和能量的角度出发，提出了一种用于描述亚波长等离子体增强效应的统一物理模型，该模型能够从能量守恒的角度定量分析天线和等离子体在远区辐射场中的贡献，且能够从全参数域反映天线与等离子体辐射场的干涉过程。. 围绕亚波长等离子体增强微波电磁信号工作特性这一目标，采用理论、数值模拟和实验研究相结合的方法全面系统地研究了等离子体密度、碰撞频率、厚度以及等离子体与天线之间的间距等特征参数对辐射增益的影响规律，掌握了亚波长等离子体与微波电磁辐射的参数依赖关系并明确了关键技术特征。. 围绕亚波长等离子体增强微波电磁信号作用机制这一目标，首先从理论上给出了等离子体结构中静电势满足的特征方程组，并得到一系列局域在等离子体表面的具有分立谱的本征模，即局域表面等离子体激元共振。其次，从微观和宏观电路两个角度揭示了局域表面等离子体激元共振与等离子体包覆增强天线远场辐射之间的关系。最后，从场干涉的角度出发，分解了天线和等离子体对远场辐射的贡献，从能量角度解释了增强的能量来源以及能量传输和转换过程。. 此外，结合无线通信系统的发展及应用前景，课题组还进一步开展了等离子体隐身与亚波长增强效应协同作用研究，基于表面等离子体激元的可调带阻滤波器研究，多层等离子体结构选择性增强电磁波特性研究以及高速目标等离子体多效应协同调控电磁波研究。. 在项目的支持下，研究团队在国际权威学术期刊上发表SCI论文7篇，授权国家发明专利10项，项目申请人做国内外会议特邀报告7次。此外，依托本项目，已培养硕士3人，博士1人；在读硕士3人，博士4人。