微波等离子体表面激元及表面波等离子体研究

摘要

对由外部电磁场诱导而产生于介质和等离子体分界面的等离子体激元和电磁表面波形成和传播行为的研究具有重大的理论和应用价值。外来电磁场和有自由带电粒子在界面的相互作用，对于带电粒子而言，由于受到周期性变化电磁场的诱导可在界面形成可迁移、质量较轻的电子围绕质量较重离子的偶极振荡行为，大量这种行为叫做表面等离子体激元(surface plasma polartons)；对于电磁波而言，由于在界面法向方向场强很快指数衰减，而形成沿着介面切向方向传播的电磁表面波(surface wave)。等离子体激元的形成同时伴随表面电磁波的耗散。等离子体激元(SPPs)是电磁波与可迁移的表面电荷之间相互作用产生的电磁模。这个电磁模有着大于同一频率下光波在真空中或周边介质中的波数。因此，通常情况，这个电磁模不能被激发，从介质表面辐射出去。 由于等离子体和金属薄膜的相似性，相对介电常数为负。对于等离子体中的激元行为，本文第三章系统地对等离子体中的激元进行理论整理和总结。等离子体是由大量带正、负电荷粒子组成的非束缚态宏观体系。异类带电粒子之间是相互“自由”和独立的。等离子体粒子之间的相互作用力是长程的电磁力，原则上来说，彼此相互很远的带电粒子仍然感觉得到对方的存在。在相互作用的力程范围内存在着大量的粒子，这些粒子间会发生多体的彼此自洽的相互作用，结果使得等离子体中粒子运动行为在很大程度表现为集体的运动。由于等离子体的微观基本组元是带电粒子。一方面，电磁场支配着粒子的运动，另一方面，带电粒子运动又会产生电磁场，因而等离子体中粒子的运动与电磁场的运动紧密耦合，不可分割。 当外来电磁波入射到等离子体和介质板的分界面，等离子体中可迁移的自由带电粒子其电荷密度波将与入射电磁波产生耦合作用，导致电荷密度涨落，引发集体振荡即等离子体激元(SPPs)。等离子体与介质表面的等离子体激元以表面波(SW)形式沿着界面表面传播。等离子体激元产生机理和条件、尺度大小及传播行为将是研究重点。利用MATHEMATICA程序语言对等离子体中激元进行了简单计算和分析。另外利用表面波特有性质系统地从理论和实践上来维持高密度、大面积、平面等离子体也是本文关注的。此外，还对新型介质波导天线的设计做了进一步的探索和尝试。 本文主要创新点和硕士期间主要工作。 1、总结前人工作，系统地整理和总结了等离子体中激元的产生机理和条件、传播行为、尺度大小及空间延伸，并得出一些结论和提出实验和诊断方面的见解。用MATHEMATICA语言对SPPS的传播速度、传播波长、传播距离和趋肤深度进行了计算与分析，并对有可能进行的SPPs相关现象的观测提供理论依据。 2、硕士论文研究工作期间，在导师和其他同学的协助下，设计，加工、安装和调试了一套利用表面波激发和维持高密度平面等离子体系统，并进行了初步的实验诊断和结果分析。 3、初步设计了一个利用介质波导来引导表面波传播产生等离子体的新型天线，完成该天线初步加工。介质波导引导表面波是表面波等离子体在耦合天线方面发展的一个趋势之一。

目录

声明

摘要

第一章引言

1.1选题背景与意义

1.2作者的研究内容和成果

第二章金属表面的等离子体激元

2.1表面等离子体激元技术

2.2理论模型及色散关系

2.3表面等离子体激元空间延伸和特征长度

第三章等离子体中表面等离子体激元

3.1等离子体电中性和等离子体振荡

3.2等离子体中表面等离子体激元

3.2.1等离子体激元的色散关系

3.2.2辐射场和非辐射场

3.2.3时间和空间特性

第四章表面波等离子体研究

4.1等离子体中的电磁表面波

4.2表面波等离子体源实验

4.2.1实验系统组成与搭建

4.2.2数据收集、处理和分析

4.2.3应用前景

4.3介质波导天线设计

4.3.1介质波导结构及选材

4.3.2介质波导选材和条件

第五章总结和展望

参考文献

攻读硕士学位期间参与的科研项目与发表论文

致谢