等离子体光子晶体非线性效应研究-电磁场与微波技术专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School College of Electronic and Information Engineering A study on nonlinear effects of plasma photonic crystals A Thesis in Electromagnetic Field and Microwave Technology by Dai Yi Advised by Prof. Liu Shaobin Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Academic December, 2013 万方数据 万方数据 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 （必威体育官网网址的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日 期： 南京航 南京航空航天大学硕士学位论文 等离子 等离子体光子晶体非线性效应研究 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 摘 要 等离子体与非线性材料结合具有色散、各向异性和非线性等特性，光子晶体中引入等离子 体和非线性材料会出现高次谐波、双稳态和四波混频等非线性现象，这些独特的非线性特性可 以满足一些器件的需求，具有重要的工程应用背景。 本文第二部分对适用于线性媒质和非线性媒质的时域有限差分法作了详细推导，在计算非 线性等离子体光子晶体模型时利用牛顿迭代法和不动点迭代法求解非线性方程，将传统时域有 限差分法推广到非线性电磁材料计算中，并改进了传统的传输矩阵法，使之适用于非线性媒质 的数值计算。 本文第三部分研究介质的介电常数、等离子体频率、等离子体碰撞频率、等离子体—介质 层的厚度比、等离子体光子晶体的周期数对等离子体光子晶体能带的影响，在对等离子体光子 晶体能带特性研究的基础上，重点对等离子体光子晶体的高次谐波以及双稳态两种非线性特性 进行了深入的分析研究。在研究高次谐波产生与调制时，采用的光子晶体结构是由线性材料和 等离子体以及非线性材料和等离子体构成。太赫兹频率范围既符合等离子体对频率的要求，也 满足非线性材料非线性系数的范围。因此可将非线性材料和等离子体光子晶体相结合，产生可 调谐的高次谐波。通过增加光子晶体的层数，减小等离子体的频率来抑制非线性材料产生的三 次谐波。通过引入非线性缺陷来增强谐波，从而达到调制高次谐波的最终目的。本部分还研究 了等离子体光子晶体的双稳态效应调制现象。引入耦合非线性缺陷层到光子晶体中，可以控制 双稳态特性。用非磁化等离子体结合非线性材料作为缺陷结构获得的光子晶体复合结构，产生 的双稳态响应阈值比普通非线性缺陷结构阈值减小近三百倍。双稳态阈值的减小对制造隔离器、 光开关等器件相当重要。 本文第四部分对基于等离子体光子晶体的微波器件进行了仿真设计，在对高次谐波研究基 础上设计了一款倍频器，可以将原有的基波频率转变为三倍频。另外设计了一款可调谐的双窄 带带通滤波器，光子晶体缺陷中采用夹着两个等离子体介质板的量子阱结构，通过调节等离子 体频率来调节窄带频率，通过改变两个量子阱的间距来调节通带宽度以及半功率带宽。 关键词：等离子体光子晶体，非线性，高次谐波，双稳态，时域有限差分法，传输矩阵法 i ABSTRACT If a structure combines the plasma with nonlinear material, it will produce dispersion, anisotropic and nonlinear. Nonlinear plasma photonic crystals will appear nonlinear phenomena such as high-order harmonic, bi-stable and four-wave mixing. These characteristics can meet the need of some devices and have important engineering application background. In the second part of this