等離子體周期性介質結構是等離子體與其他種類的介質在空間中形成的具有特定規律的分布結構，結構中基本包含了等離子體光子晶體和等離子體超材料兩個重要的分支，這些材料已經作為一種新興的材料廣泛地應用於各類微波器件的設計中。等離子體自身的可調諧和磁光效應等特性使得等離子體周期性介質結構具有更為廣泛的應用前景和實用價值。
《國之重器出版工程 等離子體周期性介質結構電磁特性及應用研究/航天先進技術研究與應用繫列》主要包括三部分：首部分介紹光子晶體及等離子體光子晶體的物理特性和相關算法，並對主流計算光子晶體的技術進行了介紹，尤其重點闡述了主流算法在處理等離子體光子時的缺陷及解決方案（第1～2章）；第二部分主要是對一維、二維和三維等離子體光子晶體的理論分析，並對相關器件設計進行了闡述（第3～8章）；第三部分對等離子體光子晶體及其器件進行了仿真與實驗，對基於等離子體超材料的微波器件設計進行了介紹（第9～10章）。
《國之重器出版工程 等離子體周期性介質結構電磁特性及應用研究/航天先進技術研究與應用繫列》可供在微波技術、計算電磁學、光學、光電信息科學與工程、通信工程、電子科學與技術、應用物理和凝聚態物理等領域從事研究和開發工作的科技人員參考，也可作為高等院校相關專業的高年級本科生、研究生和教師的參考書。

章海鋒：1978 年6月生於江西南昌。2002 年、2008年於南昌大學分別獲得學士和碩士學位，2014年於南京航空航天大學獲得博士學位，現任南京郵電大學電子與光學工程學院、微電子學院光電信息科學與工程繫教授。作為負責人主持國家及省部級項目等7項。作為第一作者或通訊作者發表EI/SCI檢索論文100餘篇，他引200餘次。出版專著1部。目前主要從事計算物理、電磁超材料、光子晶體、等離子體實用技術和多物理量統一性問題等方面的研究。
文永刁：1989 年生於陝西安康，畢業於南京航空航天大學。工學博士。現為南京航空航天大學電子與信息工程學院教師。在多個國際SCI期刊發表多篇學術論文。目前主要從事電磁場與電磁波理論、等離子體光子晶體及電磁超材料等方面的研究工作。

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第 1章 等離子體周期性介質結構概述 1
1．1 光子晶體理論及發展概況 3
1．2 等離子體光子晶體研究概況 20
1．3 光子晶體的計算方法 26
第 2章 等離子體周期性介質結構的計算方法 50
2．1 等離子體光子晶體的常用計算方法 51
2．2 等離子體光子晶體的FDTD方法 53
2．3 等離子體光子晶體的PWE方法 56
2．4 等離子體光子晶體的FDFD方法 66
2．5 技術小結 71
第3章 基於一維等離子體光子晶體的全向反射器設計 73
3．1 基於拼接技術的全向反射器的設計 74
3．2 基於匹配層技術的全向反射器的設計 82
3．3 基於變周期結構的全向反射器的設計 89
3．4 基於準周期或分形結構的全向反射器的設計 95
3．5 Fibonacci準周期結構的全向反射器的設計 101
3．6 基於改進型Fibonacci序列的全向反射器的設計 108
3．7 技術小結 118
第4章 二維等離子體光子晶體的電磁特性研究 119
4．1 二維等離子體光子晶體的禁帶特性 120
4．2 二維磁化等離子體光子晶體的色散特性 129
4．3 有限周期結構的二維等離子體光子晶體的傳輸特性 150
4．4 新型二維等離子體光子晶體的禁帶特性 157
4．5 技術小結 167
第5章 二維等離子體光子晶體器件設計 169
5．1 二維等離子體光子晶體中的線缺陷與點缺陷 170
5．2 二維等離子體光子晶體全向禁帶的展寬技術 183
5．3 二維等離子體光子晶體的全角負折射特性 196
5．4 基於二維等離子體光子晶體的全向反射器 212
5．5 技術小結 225
第6章 三維等離子體光子晶體的電磁特性 229
6．1 三維立方體晶格等離子體光子晶體的禁帶特性 230
6．2 三維鑽石晶格等離子體光子晶體的色散特性 240
6．3 非尋常波在三維磁化等離子體光子晶體中的色散特性 251
6．4 RCP波在三維磁化等離子體光子晶體中的色散特性 263
6．5 技術小結 276
第7章 三維等離子體光子晶體的禁帶展寬技術 278
7．1 改變晶格結構實現對三維等離子體光子晶體禁帶的展寬 279
7．2 三維各向異性等離子體光子晶體的禁帶特性 287
7．3 RCP波在三維各向異性磁化等離子體光子晶體中的禁帶特性 299
7．4 非尋常波在三維各向異性磁化等離子體光子晶體中的色散特性 313
7．5 技術小結 325
第8章 三維等離子體光子晶體的器件設計及其應用 328
8．1 基於三維等離子體光子晶體的光開關設計 330
8．2 磁光Faraday效應下RCP波光開關的設計 340
8．3 磁光Voigt效應下非尋常波光開關的設計 352
8．4 技術小結 361
第9章 等離子體光子晶體及其器件的仿真與實驗 364
9．1 等離子體光子晶體的仿真與實驗 365
9．2 等離子體光子晶體吸波器的實現與仿真 382
9．3 技術小結 398
第 10章 基於等離子體超材料的微波器件設計 402
10．1 一種新型可調諧寬帶吸波器的設計 402
10．2 基於等離子體超材料的超寬帶吸波器的設計 409
10．3 一種帶寬展寬的等離子體超材料吸波器的設計 417
10．4 一種波束掃描固態等離子體超表面的設計 425
10．5 技術小結 430
後記 432
參考文獻 435
名詞索引 462

隨著科學技術的發展，人們越來越希望能對電磁波在介質中的傳播進行精準的控制。如果能夠人為地調控介質的介電常數ε和磁導率μ，那麼電磁波的傳播也就能夠被精準地操控。然而，自然界中的介質種類是非常有限的，很難滿足人們的某些特殊需求，如ε和μ同時小於零。因此，人們不得不入為地構建“理想介質”。無獨有偶，隨著通信技術的發展，人們對基於半導體工藝的集成電路技術的依賴程度越來越高，希望能夠在較小的芯片上集成更多種功能的器件，不但希望在功能上實現可重構，而且希望將射頻發射端與信號處理模塊集成於一體。在這一需求的牽引下，人們不僅希望能夠構建出“特殊”介質，還希望能夠更快捷方便地對電磁信號進行傳輸和處理。顯然，傳統的半導體很難滿足這一需求。隨著集成度的提高，半導體由於庫侖力的存在，電子間的熱效應更為明顯，集成電路過熱，這將直接導致過度的能量消耗、較長的響應時間和較低的信息傳輸速率。為了擺脫這些困境，人們找到了一種折中方案，即人為地將不同的介質在空間中有規律地進行排列來“模擬”自然界中的物質，從而獲得一些新的特性，以實現對特殊介質的構建；用“光子”代替“電子”作為傳遞信息的手段，以擺脫半導體集成電路的局限。因此，在20世紀末，科學家用“meta material（超材料）”一詞來界定這類介質。與此同時，學者Yablonovitch和John分別獨立地提出了光子晶體（photonic crystals）的概念。超材料和光子晶體的提出使得人們夢寐以求的“光子半導體”變成了可能，也使得“集成光路”成為可能。在這一大的時代背景下，超材料和光子晶體在理論和實驗研究上均取得了令人矚目的成績。超材料和光子晶體雖然物理機理有所不同，如光子晶體介質周期性分布和長程作用產生光子禁帶，而超材料由於金屬的損耗，往往不具備長程關聯性；自身諧振性質和局域耦合更為重要，表現為光子晶體的工作波長和晶格尺寸相當，而超材料一般都是亞波長結構。能否用統一的數學模型將超材料和光子晶體所涉及的物理問題統一起來，用以預測和規範電磁波的傳播行為，為設計通信繫統中的相關器件服務？
值得注意的是，用超材料和光子晶體設計功能性器件均具有各自的缺陷，對於超材料而言：①表現為較強的各向異性；②工作在太赫茲以上波段時，存在較大的歐姆損耗；③實現可調諧結構代價比較大，尤其是在高頻段工作時。而對於常規光子晶體而言：①禁帶結構由拓撲結構決定，很難實現頻率的可調諧；②光子晶體的晶格尺寸與工作波長接近，所以很難實現器件的小型化；③禁帶特性受介質種類約束，很難在自然界找到介電常數或磁導率較大的介質。那麼能否找到一種構建介質的方法在滿足頻率的可調性的同時，又能較為容易地得到某些類量子光學效應，還能實現一些超材料中的特殊特性（如零折射率、高介質阻抗）並克服常規光子晶體的缺點呢？