基于缺陷微波光子晶体的等离子体电磁参数测量方法
阅读说明：本技术 基于缺陷微波光子晶体的等离子体电磁参数测量方法 (Plasma electromagnetic parameter measuring method based on defect microwave photonic crystal ) 是由 梅永 王身云 庄建军 于 2021-09-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于缺陷微波光子晶体的等离子体电磁参数测量方法,包括如下步骤：(1)构建一维等离子体缺陷微波光子晶体结构,利用传输矩阵法模拟等离子体电磁参数与等离子体缺陷微波光子晶体缺陷透射峰的频率偏移量和峰值之间的关系；(2)测量等离子体缺陷微波光子晶体的透射谱,通过所述偏移量和峰值反演被测等离子体电磁参数。本发明通过测量手段得到缺陷透射峰的强度与频率位置,反演出微波光子晶体等离子体缺陷的电磁参数,实现了等离子体电磁参数的非接触式测量。(The invention discloses a plasma electromagnetic parameter measuring method based on a defective microwave photonic crystal, which comprises the following steps: (1) constructing a one-dimensional plasma defect microwave photonic crystal structure, and simulating the relationship between the plasma electromagnetic parameters and the frequency offset and peak value of the plasma defect microwave photonic crystal defect transmission peak by using a transmission matrix method; (2) and measuring the transmission spectrum of the microwave photonic crystal with the plasma defects, and inverting the electromagnetic parameters of the measured plasma through the offset and the peak value. The invention obtains the intensity and frequency position of the defect transmission peak through a measuring means, and inverts the electromagnetic parameters of the microwave photonic crystal plasma defect, thereby realizing the non-contact measurement of the plasma electromagnetic parameters.)
技术领域
本发明涉及等离子体电磁参数测量技术，特别涉及基于缺陷微波光子晶体的等离子体电磁参数测量方法。
背景技术
等离子体是物质的第四种状态，其在材料、通讯和国防等领域具有十分重要的应用前景。等离子体的特性参数测量是研究等离子体技术的基础，二者相互促进共同发展，因此，等离子体参数的诊断技术变得十分重要。经过众多学者的探索研究，等离子体参数测量技术已经较为成熟，典型的方法有朗缪尔探针法、光谱法和微波法。
朗缪尔探针法是等离子体参数最基本的诊断方法，该方法是向等离子体中插入一根极小的测量电极，通过伏安特性测试来反演等离子体参数，缺点是探针接触等离子体会产生干扰，破坏等离子体结构，测量精度较低。
光谱法是通过测量等离子体的光谱线来反演等离子体参数，缺点是光谱数据物理内涵复杂，数据处理复杂，参数反演误差大。
微波法是通过微波照射等离子体，测量其反射和透射系数来反演等离子体参数，因不会对目标等离子体产生扰动，但是，微波法存在动态范围相对较小、检测灵敏度不高等问题。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种基于缺陷微波光子晶体的等离子体电磁参数测量方法。
技术方案：本发明的一种基于缺陷微波光子晶体的等离子体电磁参数测量方法，包括如下步骤：
(1)构建一维等离子体缺陷微波光子晶体结构，利用传输矩阵法模拟等离子体电磁参数与等离子体缺陷微波光子晶体缺陷透射峰的频率偏移量和峰值之间的关系；
(2)测量等离子体缺陷微波光子晶体的透射谱，通过所述偏移量和峰值反演被测等离子体电磁参数。
进一步，所述一维等离子体缺陷微波光子晶体由良介电材料A、真空材料B和缺陷等离子体C交迭生长而成，所述一维等离子体缺陷微波光子晶体包含6层介电材料、4层真空和1层等离子体缺陷层，排列结构表示为(AB)N(ACA)(BA)N，N为A、B介质层的交迭数，其中N＝2。
进一步，所述介电材料A介电常数为εA(ω)＝9.0ε0，所述真空材料B介电常数为εB(ω)＝1.0ε0，ε0为真空介电常数；所述缺陷等离子体C介电常数表达式为：
式中，ωp为等离子体频率，νc为等离子体碰撞频率，ω为入射电磁波频率，j为虚数单位；因此，碰撞等离子体复介电常数的实部ε′(ω)与虚部ε″(ω)分别表示为：
进一步，在低频碰撞的条件下，等离子体的等效折射率np近似表示为：
进一步，设定微波光子晶体的中心工作波长为λ0，介电材料层和真空材料层的光学厚度均为0.25λ0，将缺陷层填充为真空的微波光子晶体作为标准样品，通过与待测样品比较，计算出透射峰的频率偏移：
采用传输矩阵法模拟等离子体缺陷微波光子晶体的透射谱，针对一维多层介质结构，单层介质的传输矩阵表示为：
式中di为第i层材料的厚度，分别为第i层材料的阻抗率和导纳率，表达式分别为εi(ω)为第i层材料的复介电常数，假定每层材料无磁性，即μ0为真空磁导率；
一维等离子体缺陷微波光子晶体多层介质结构传输矩阵由每个材料层的传输矩阵级联相乘得到，表达式为：
式中，Q表示多层介质结构的层数，X11(ω)、X12(ω)、X21(ω)、X22(ω)分别表示级联矩阵各个元素；
则一维等离子体缺陷微波光子晶体的透射系数表达式为：
表示角频率ω在真空中的波数，计算出一维等离子体缺陷微波光子晶体的透射谱，建立缺陷透射峰偏移量和强度与等离子体电磁参数之间的关系。
进一步，所述等离子体电磁参数包括等离子体频率和等离子体碰撞频率。
进一步，所述等离子体缺陷微波光子晶体的透射谱采用自由空间法测量。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：通过测量手段得到缺陷透射峰的强度与频率位置，反演出微波光子晶体等离子体缺陷的电磁参数，实现了等离子体电磁参数的非接触式测量，由于缺陷结构具有非常高的选频特性，从而使得该方法具有较高的灵敏度。
附图说明
图1为一维缺陷微波光子晶体结构示意图；
图2为平板介质结构微波频段透射系数测量平台结构示意图；
图3为不同等离子体频率下的透射谱：(a)全禁带透射谱；(b)局部禁带透射谱。
具体实施方式
本实施例所述的一种基于缺陷微波光子晶体的等离子体电磁参数测量方法，包括如下步骤：
(1)构建一维等离子体缺陷微波光子晶体结构，利用传输矩阵法模拟等离子体电磁参数与等离子体缺陷微波光子晶体缺陷透射峰的频率偏移量和峰值之间的关系。
微波光子晶体是在微波波长尺度下的一种人工周期性结构，基本特性为微波禁带特性和微波局域特性。当微波在微波光子晶体中传播时会发生布拉格散射，能量形成能带结构，相邻能带间就出现微波带隙，具有优良的频率选择性。微波光子晶体的禁带大小与交迭介质的介电常数对比度相关，对比度越大，越易获得禁带较宽的微波光子晶体；微波局域特性是指在微波光子晶体中引入某种缺陷，在微波禁带内形成微波局域的现象，从而使原先处于禁带的微波频率能够隧穿微波光子晶体结构，形成缺陷透射峰。
如图1所示，其中一维等离子体缺陷微波光子晶体由良介电材料A、真空材料B和缺陷等离子体C交迭生长而成，一维等离子体缺陷微波光子晶体包含6层介电材料、4层真空和1层等离子体缺陷层，排列结构表示为(AB)N(ACA)(BA)N，N为A、B介质层的交迭数，其中N＝2。介电材料A介电常数为εA(ω)＝9.0ε0，真空材料B介电常数为εB(ω)＝1.0ε0，ε0为真空介电常数；缺陷等离子体C介电常数表达式为：
式中，ωp为等离子体频率，νc为等离子体碰撞频率，ω为入射电磁波频率，j为虚数单位；因此，碰撞等离子体复介电常数的实部ε′(ω)与虚部ε″(ω)分别表示为：
由以上两式可知，等离子体复介电常数实部影响电磁波传播的相位，实部ε′(ω)随着等离子体频率ωp的增大逐渐减小；同一电子密度下，随着碰撞频率νc的增大，实部ε′(ω)增大，逐渐逼近于真空介电常数数值。当碰撞频率νc较小时，νc对复介电常数实部的影响可忽略不计。等离子体复介电常数虚部影响电磁波传播的衰减，随着等离子体频率ωp的增大，虚部ε″(ω)逐渐增大，电磁波传播损耗增加；当等离子体频率ωp一定时，等离子体碰撞频率νc与入射电磁波频率ω越接近，虚部越大，衰减损耗也就越大。
为了使等离子体对电磁波的碰撞吸收尽量小，在理论计算过程中等离子体的碰撞频率设定较小的变化范围，在低频碰撞的条件下，等离子体的等效折射率np近似表示为：
设定微波光子晶体的中心工作波长为λ0＝0.15m，中心工作频率为f0＝2.0GHz，介电材料层和真空材料层的光学厚度均为0.25λ0，将缺陷层填充为真空的微波光子晶体作为标准样品，其中ωp＝0，透射峰频率为微波光子晶体的禁带中心频率f0＝2.0GHz，通过与待测样品比较，计算出透射峰的频率偏移。
为了获得缺陷透射峰频率的偏移量和峰值与被测缺陷等离子体参数之间的关系，采用传输矩阵法模拟等离子体缺陷微波光子晶体的透射谱，针对一维多层介质结构，单层介质的传输矩阵表示为：
式中，di为第i层材料的厚度，分别为第i层材料的阻抗率和导纳率，表达式分别为εi(ω)为第i层材料的复介电常数，假定每层材料无磁性，即μ0为真空磁导率。
一维等离子体缺陷微波光子晶体多层介质结构传输矩阵由每个材料层的传输矩阵级联相乘得到，表达式为：
式中，Q表示多层介质结构的层数，X11(ω)、X12(ω)、X21(ω)、X22(ω)分别表示级联矩阵各个元素；
则一维等离子体缺陷微波光子晶体的透射系数表达式为：
表示角频率ω在真空中的波数，计算出一维等离子体缺陷微波光子晶体的透射谱，建立缺陷透射峰偏移量和强度与等离子体电磁参数之间的关系。等离子体电磁参数包括等离子体频率和等离子体碰撞频率。
(2)测量等离子体缺陷微波光子晶体的透射谱，通过偏移量和峰值反演被测等离子体电磁参数。
常用的平板介质结构微波频段透射系数测量平台结构如图2所示，该系统是采用自由空间法测量缺陷微波光子晶体的透射频谱，主要测量设备包括微波扫频源、微波网络分析仪、模式转换器、聚焦透镜发射天线、聚焦透镜接收天线、待测样品和标准样品。
等离子体频率是等离子体的一个重要参数，等离子体内部的电子与离子的密度基本相等，但是电子的活动比较活跃，因此等离子体密度可近似的看作是电子密度。图3(a)给出了碰撞频率νc＝10MHz时，不同等离子体频率下的透射谱，可以发现，随着等离子体频率的增加，缺陷透射峰的频率在禁带内向高频发生偏移，峰值逐渐降低。随着等离子体频率从ωp＝0.0GHz逐渐增大到ωp＝6.0GHz，等离子体缺陷微波光子晶体的缺陷峰频率从f0＝2.000GHz偏移到f0＝2.154GHz，偏移量达到0.154GHz；透射峰峰值从0.99下降到0.91，下降了0.08。频率偏移量在禁带内近似呈二次方规律变化，透射峰近似呈线性规律衰减，如图3(b)。