等离子体中的负折射和慢光现象以及光孤子演化动力学的研究

Plasmas, which can be presented as a positive or negative refractive index electromagnetic medium, have attracted considerable attention in the area of interaction of electromagnetic waves and plasmas and reassessed the existing theories and phenomena in plasmas due to its electromagnetic properties can be modulated tunablely by external parameters and its incomparable superiority than other dielectric materials.The project is aimed at exploring the phenomena of negative refraction, the slow light effect and dynamical of light solitons in plasmas and containing plasma materials, and carry out the following four researchers: (1) study the negative refraction at the lossy plasmas interface and explore the mechanism of plasmas stealth; (2) study the negative refraction of electromagnetic waves propagation in photonic crystals and metamaterials containing plasma materials and explore the all-angle negative refraction and enhancement mechanism of evanescent waves; (3) study the slow light effect in plasmas or containing plasma materials and design plasma waveguide to control the slow light; (4) study the characteristics of light solitons propagation in plasmas or containing plasma materials and the evolution dynamical of light solitons. From the aboved four areas, the project is aimed to presenting the theories basis and foundation for a new generation of optical devices based on plasmas.

作为一种可以呈现正/负折射率电磁介质的等离子体，由于自身的电磁参数可由外界可调控的因素加以控制，向人们展示了其无可比拟的优越性，它引起了人们对电磁波与等离子体相互作用研究的热潮以及对现有理论和现象的重新审度。本项目拟研究等离子体以及含等离子体材料中的负折射现象、慢光现象以及光孤子的传播特性和演化动力学行为，并开展以下四个方面的工作：(1) 研究电磁波在有损等离子体和介质界面处传播的负折射现象，探讨等离子体折射隐身机理；(2) 研究电磁波在由等离子体所构成的光子晶体和超材料中传播的负折射现象，着重探讨全角负折射现象和倏逝波振幅增强机理；(3) 研究等离子体以及含等离子体材料中的慢光现象以及实现慢光技术的等离子体波导的设计；(4) 研究光孤子在上述由等离子体构成的负折射率材料中的的传输特性及演变动力学。从上述四个方面，为开发以基于等离子体材料为基础的新一代光学器件提供理论依据和基础。

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。本项目深入开展了光在等离子体超材料中的负折射效应、等离子体波导中的慢光效应、光在等离子体光子晶体中的传输特性以及表面等离激元的研究。其结论如下：（1）等离子体与介质面处的负折射现象可以通过外加磁场来调节，且外加磁场的引入可以扩大入射电磁波的频率使得负折射现象出现；当入射电磁波频率较高时，band-edge效应使得在等离子体光子晶体禁带边缘产生负折射，而当入射电磁波频率较小时，负折射能在禁带边缘和禁带内都能产生负折射；通过旋转等离子体超材料光轴，可以实现全角负折射，并能实现负折射的开与关。（2）设计了两种对称和两种反对称等离子体超材料波导结构，探讨了光在其中传播的慢光特性。结果表明：对称和非对称结构、等离子体参数与外加磁场以及非线性介质显著改变慢光效应。（3）构造了等离子超材料的“三明治”结构以及含等离子体缺陷层的光子晶体，利用等离子体以及外加磁场等因素来调控光自旋霍尔效应，以达到增强和抑制其自旋分裂位移。（4）研究了含等离子体介质（二维自由电子气）中的表面等离激元现象，考察了等离子体的量子效应以及自旋效应对其各种等离激元模式以及边缘态的影响。结果表明：等离子体的量子效应显著改变其表面等离激元的色散关系，单向传播的等离激元模式以及完全自旋极化边缘态出现，并在特定条件下出现极化反转。