薄層等離子體與表面等離子體激元的實驗研究.pdf

1、隨著人們對等離子體研究的不斷深入,等離子體科學和技術不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生命科學和空間技術中得到了廣泛的發(fā)展和應用,而且近年來這一學科在國外軍事技術中也有了重要的發(fā)展和應用。等離子體隱身作為飛行器隱形的發(fā)展趨勢,受到了各國的重視,許多國家都不遺余力的進行該項目研究,天線罩等離子體的研究便是其中的一個研究方向。
　　天線是雷達系統(tǒng)中必不可少的重要組成部分,其隱身是一個長期困擾著工程技術人員的問題,飛行器再入大氣層時需要靠雷達天線來搜尋

2、目標,雷達天線則需要天線罩來保護。雷達天線的RCS又是飛行器的強反射區(qū),如何縮減飛行器飛行狀態(tài)的RCS,提高飛行器的生存能力有效打擊來襲目標,是我們國家安全領域的瓶頸技術難題之一。
　　基于此因,本文開展了薄層等離子體天線罩的研究工作。除等離子體隱身外,表面等離子體激元的激發(fā)亦能夠實現(xiàn)對特定頻段入射電磁波能量的完全吸收。表面等離子體激元(Surface plasmons,SPs)是一種高度局域的電磁表面模,它沿著兩種介質的分界面?zhèn)?/p>

3、播,而在垂直于界面方向則以指數(shù)形式向兩側的介質內衰減。表面等離子體激元的一個重要特性就是,它能與滿足一定耦合條件的電磁波發(fā)生耦合,使電磁波能量轉化為表面等離子體激元的能量;也能通過適當?shù)臈l件,使表面等離子體子激元轉化為普通電磁波。因此表面等離子體激元可以融入一系列電磁波現(xiàn)象的研究中,例如通過激發(fā)表面等離子體激元來控制電磁波的傳輸,通過激發(fā)表面等離子體激元實現(xiàn)對入射電磁波能量的完全吸收。
　　除此之外,表面等離子體激元在亞波長光學(

4、Plamonics)、SPs納米刻蝕技術、SPs新型光源等領域均有重要的應用。在微波領域,電磁波在金屬鋁中與在等離子體中具有類似的色散模型,金屬可以看作是電子密度遠大于入射微波截止密度的過密等離子體。因此金屬邊界的表面等離子體激元應和過密等離子體邊界的表面等離子體激元具有相同的性質。基于此,本論文除研究天線罩等離子體外,還對表面等離子體激元的激發(fā)和應用技術作了研究。從等離子體的廣義定義來講,這兩部分工作都屬于電磁波與等離子體的相互作用,

5、后者所引起的對入射電磁波能量的顯著衰減為雷達天線的隱身研究提供了一種新的物理機制。
　　本論文主要內容和創(chuàng)新之處如下:
　　1.根據(jù)低氣壓電容耦合放電的原理,設計了一個用于規(guī)避電磁波的等離子體夾層天線罩,建立了一套天線罩等離子體發(fā)生系統(tǒng),并進行了一系列旨在提高天線罩等離子體電子密度的實驗,詳細研究了Ar、Xe和Ar+Hg在不同配比條件下的放電對提高天線罩等離子體電子密度的影響。
　　2.通過控制等離子體的電子密度,研究

6、了該天線罩薄層等離子體在我們所能控制的電子密度范圍內對5.09-6.8GHz微波反射的影響。實驗發(fā)現(xiàn),該等離子體天線罩在可控的電子密度范圍內,可實現(xiàn)對特定頻率范圍內入射電磁波能量的顯著衰減,該實驗結果對雷達天線的隱身設計具有一定的參考價值。
　　3.利用表面衍射光柵耦合技術和表面等離子體激元的基本理論,成功地在金屬鋁的表面上耦合激發(fā)了表面等離子體激元,首次在微波的X波段發(fā)現(xiàn)了電磁波通過亞波長金屬狹縫的超強透射和聚束效應。我們的實驗

7、證實,該超強透射和聚束效應都與表面等離子體激元的耦合激發(fā)有著密切的聯(lián)系,出射面具有周期結構是決定聚束效應產(chǎn)生的條件。我們在該頻段耦合激發(fā)的表面等離子體激元,是目前國際上報道的在金屬表面上實驗耦合出的波長最長的表面等離子體激元,為表面等離子體激元在微波X波段的技術應用奠定了基礎。
　　4.在研究微波通過亞波長金屬狹縫的超強透射實驗中,我們還詳細研究了表面周期結構數(shù)目和表面衍射光柵結構的幾何參數(shù)對超強透射強度之影響。該研究成果為設計微

8、波領域的金屬透鏡和表面等離子體激元耦合器的最佳參數(shù)奠定了實驗基礎,同時對光波領域和其它電磁波頻域表面等離子體激元的研究也具有一定的參考價值和借鑒意義。
　　5.實驗研究了金屬表面等離子體激元和過密等離子體邊界上的表面等離子體激元對微波反射的影響。通過在金屬或過密等離子體邊界上耦合激發(fā)表面等離子體激元,能夠使入射電磁波的能量轉化為表面等離子體激元的能量。金屬表面等離子體激元對10.6GHz微波的最大衰減約為30dB(0.1％),衰減