圆柱形等离子体与电磁波的相互作用.pdf

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1、圆柱形等离子体与电磁波的相互作用张林2016年1月中图分类号：O539UDC分类号：533.9圆柱形等离子体与电磁波的相互作用作者姓名张林学院名称物理学院指导教师欧阳吉庭教授答辩委员会主席袁方利申请学位理学博士学科专业凝聚态物理学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2016年1月5日InteractionofPlasmaColumnandElectromagneticWavesCandidateName:LinZhangSchoolorDepartment:SchoolofPhysicsFacultyMentor:Prof.JitingOuyangChair,Thesis

2、Committee:FangliYuanDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：CondensedMatterPhysicsDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January5，2016研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研

3、究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要等离子体是一种由大量自由运动的带电粒子构成的特殊材料，具有独特的电磁特性。在与外界电磁波的相互作用过程中，等离子体能够表现出与普通介质和金属非常不同的性质。研究等离子体与电磁波的相互作用不仅能够从理论角度加深对等离子体本身属性的理解，同时在应用领域中对各类以等离子体为基础的射频/微波器件的设计与制造也具有重要的意义。本文从数值模拟与实验两方面研究了圆柱形等离子体及其阵列与电磁波（主要是微波频段）相互作用的性质，探索其中出现的电磁波散射、等离子体激元以及光子禁

4、带现象，分析这些现象与等离子体参数之间的关系。研究主要分为三部分：首先，利用时域有限差分（FDTD）方法，对电磁波在密度分布不均匀的圆柱形等离子体内的传播与散射进行数值模拟，研究了电子密度、碰撞频率以及密度分布类型对散射波的影响。实验上利用空心阴极放电在低气压氩气中产生不均匀等离子体柱，利用微波干涉法估算其电子密度，并测量了不同接收角度下电磁波的散射功率。模拟与实验结果表明，电子密度中心高、周围低的非均匀等离子体柱对电磁波具有明显的偏转作用，导致散射波能量的再分布。其次，模拟研究了不同条件下入射波在高密度圆柱形等离子体表面产生的等离子体激元现象。结果表明当等离子体参数和

5、入射电磁波满足一定条件时，等离子体柱表面能够形成明显的激元，同时等离子体柱自身的消散效率出现极大值。柱面上的等离子体激元等效于沿相反方向传播的表面波相互干涉所形成的驻波，其模式随等离子体参数以及圆柱尺寸而变化。当激元出现时，等离子体柱周围的散射场将显著增强。最后，利用规则排列的多根等离子体柱组成等离子体光子晶体，数值模拟了此类光子晶体的能带结构，以及禁带性质与等离子体电子密度、碰撞频率和晶体几何参数之间的关系。实验上利用多根低气压放电管组成光子晶体，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。结果表明，利用圆柱形放电管可以方便地组装等离子体光子

6、晶体，此类光子晶体具有可控的禁带结构。关键词：低温等离子体；电磁波；相互作用；等离子体参数I北京理工大学博士学位论文AbstractAsaspecialmaterialconsistingofalargenumberoffreechargedparticles,plasmahasuniqueelectromagneticpropertiesdifferentfromconventionaldielectricormetalwheninteractswithincidentelectromagneticwaves(EMW).Studyonthisinteractionno

7、tonlycandeepentheunderstandingofplasma’sproperties,butalsoisveryimportantfordesigningandmanufacturingofplasma-basedRF/microwave(MW)devices.Inthisdissertation,theinteractionofplasmacolumnandincidentEMW(mainlyinMWband)hasbeenstudiednumericallyandexperimentally.TheEMW’sscatt