等离子体超晶格带隙结构的微波诊断及其数值模拟

In recent years, superlattice plasma photonic crystals (SPPCs) have attracted increasing interest due to their unique advantages, such as the good tunability and wide photonic band gaps. A rich variety of SPPCs have been observed for the first time in our experiment by using the dielectric barrier discharge (DBD) system with two liquid electrodes. To get deep insights on these novel electromagnetic wave control structures, here both of the experiments and numerical simulations on formation of SPPCs as well as the spatial-temporal resolved diagnostics of their photonic bandgaps will be carried out. The research mainly includes three aspects: (1) Different configurations of meshed liquid electrodes will be specially designed to generate multi-dimensional SPPCs. The transition and reconstruction between SPPCs of different topologies can be realized and well controlled. (2) A microwave system for spatial-temporal resolved diagnostics of the photonic bandgaps of SPPCs will be established. The position and tunability of the band gaps will be studied in experiment. (3) Multidimensional PIC-MCC simulations on SPPCs will be explored to unveil their formation mechanism and the stability properties. Based on both the experimental and theoretical studies, a full understanding on the generation, tunability and microwave control for SPPCs will be provided, which would significantly promote the potential applications.

近年来，超晶格等离子体光子晶体以其可调谐、宽带隙等独特优势，成为一个具有重要应用前景的研究方向。本项目在率先获得丰富的等离子体超晶格拓扑结构基础上，针对其带隙结构的时空分辨微波诊断以及等离子体超晶格结构的产生机理开展实验和理论研究。具体内容涵括三个方面：(1)通过设计不同构型阵列液体电极的介质阻挡放电装置，拓展具有多维对称性的超晶格等离子体光子晶体，实现不同晶格之间的可控性转化与重构；(2)搭建等离子体光子晶体带隙结构的时空分辨微波诊断系统，实验揭示其禁带位置以及能带可调性规律；(3)采用多维PIC-MCC粒子模拟程序并结合实验，对超晶格等离子体光子晶体的形成机制及其稳定性进行模拟仿真。通过实验与理论相结合，对介质阻挡放电系统中等离子体超晶格的产生与控制、及其对微波的可操控性等进行全方位研究，推进其相关应用的发展。

超晶格等离子体光子晶体是一种新型电磁超材料，在微波、太赫兹波控制等领域具有重要应用。本项目围绕等离子体光子晶体的稳定性操控与微波诊断等核心问题，开展了实验与数值模拟研究。研究内容涉及等离子体光子晶体产生与稳定性控制、形成机制分析以及光子禁带微波诊断等。项目达到了预期的研究目标，取得的主要进展包括如下三个方面。第一，通过独特设计不同阵列液体电极介质阻挡放电装置，将空间周期性外场与系统自身高度非线性相结合，率先实现了包括超六边形、阿基米德晶格、环式晶格等丰富种类具有多维对称性的新型超晶格等离子体光子晶体。实现了晶格常数从 mm 到 cm 量级，电子密度从 10^12 到 10^15 cm^-3量级，能带位置从 10^1 到 10^2 GHz 量级范围内，不同拓扑结构超晶格等离子体光子晶体之间的可控性转化与快速重构，为未来新型微波器件的设计提供参考。第二，发展了介质阻挡放电反应扩散理论模型，分析了不同构型等离子体光子晶体形成机制与重构规律，为推进其在微波控制领域应用奠定基础。第三，构建了可调谐、宽频段微波诊断系统，率先给出了不同构型超晶格等离子体光子晶体光子禁带的实验验证。与有限元理论计算相对照，揭示了不同超晶格等离子体光子晶体的禁带位置、影响因素以及拓宽光子带隙的有效途径。执行期间，在Phys. Rev. Applied，APL Photonics，Plasma Sources Sci. Technol.等国际专业学术刊物上发表论文18篇（标注本项目资助），多篇文章被编辑遴选为 Featured article，授权专利2项。培养博士研究生2名，硕士生8名。