六方氮化硼(h-BN)晶格结构是一种类六方对称复式超晶格结构。具有h-BN晶格构型的光子晶体以其宽光子带隙特点受到国内外学者的广泛关注。本文利用不同尺度低压气体放电管与Al2O3介质棒周期性排列，构建了新型h-BN型超晶格等离子体光子晶体，实现其空间结构和等离子体参数的动态调控。利用微波透射谱对比研究了h-BN型超晶格与简单三角晶格等离子体光子晶体禁带位置、宽度和数目。分析了放电电流、介质棒阵列数对不同频段光子带隙的影响，以及电磁波入射角度对电磁传输特性的影响。结果表明：等离子体的引入不仅能够形成新的光子带隙，而且可以选择性地使部分禁带位置发生移动；相对于简单三角晶格，h-BN型超晶格等离子体光子晶体呈现出更多光子带隙；Al2O3介质棒阵列数对等离子体光子晶体禁带位置、宽度和数目均具有重要影响。电磁波入射角度变化越大，电磁传输特性差别越显著，透射谱相关性越差。本文所设计的新型h-BN型超晶格等离子体光子晶体为制作可调谐光子晶体提供了新的思路，在微波和太赫兹波控制领域具有潜在应用价值。

利用独特设计的阵列-液体电极介质阻挡放电装置，率先获得了Lieb晶格等离子体光子晶体，并实现了其基元大小、形状和微观形貌的多自由度原位调控。采用光电倍增管对Lieb晶格等离子体光子晶体的时空动力学行为进行了时空分辨测量。基于有限元计算，对不同基元结构的Lieb晶格等离子体光子晶体的色散关系和能带变化规律进行了系统研究。结果表明：Lieb晶格等离子体光子晶体由两套不同四方子晶格相互嵌套形成，具有优异的时空稳定性和周期性；随着Lieb晶格基元构型的改变，光子带隙发生显著变化，形成了偶然简并的类狄拉克锥结构，以及不同频段的完全带隙和非完全带隙；基元的几何形状对光子带隙数目、位置和宽度均具有重要影响。

采用液体电极介质阻挡放电装置，对不同填充比环形等离子体光子晶体（APPCs）进行了系统研究。实现了等离子体柱半径动态可调、时空高度对称的APPCs，并能有效调控其基元微结构。基于实验结果，利用二维有限元计算，研究了不同APPCs的色散关系，分析了等离子体柱半径对能带位置和带隙宽度的影响。结果表明，随等离子体柱半径增大，能带结构由不完全带隙转化为完全带隙，带隙宽度随之增大。环形结构基元的设计使等离子体光子晶体（PPCs）具有易于实现宽带隙能带结构的优异特性，其形成完全带隙的等离子体柱半径阈值显著低于常规PPCs。在相同等离子体柱半径下，APPCs的带隙宽度明显大于常规PPCs。提出的等离子体填充比可调的APPCs，为能带结构的优化设计提供了更多可能，同时为设计新型可调谐光子晶体以及开发宽带隙、高度集成光子器件带来启示。

采用有限单元法, 分别对TE模式、TM模式下三角晶格等离子体光子晶体的色散关系进行了理论计算, 分析了等离子体填充比对能带位置和禁带宽度的影响。结果表明: TM模式下等离子体光子晶体在M-Γ、X-M两个方向上存在不完全带隙, 随填充比的增加, 带隙位置向高频移动, 禁带宽度增大直至达到一稳定 值。TE模式下等离子体光子晶体不仅存在禁带结构, 还在低频处形成了表面等离子体波的平带结构。随填充比的增大, TE模式等离子体光子晶体由X-M单一方 向的不完全带隙形成了完全带隙, 带隙宽度随填充比的增大而增大。本文提供了一种可调谐等离子体光子晶体的有效方法, 有望应用于微波、THz波的可调性 控制。

相较于传统的时域有限差分算法, 辛时域有限差分算法具有高准确度性和低色散性.传统的时域有限差分算法的计算准确度较低, 数值色散误差较大, 并且破坏了麦克斯韦方程的辛结构, 从而导致其稳定性较差.然而辛时域有限差分算法可以克服这些缺点, 从而保证了整个仿真计算的准确性和稳定性.本文基于辛时域有限差分算法, 对等离子体光子晶体的带隙特性, 透射系数等进行了研究, 并与传统的时域有限差分算法进行了对比, 验证了辛时域有限差分算法的优势和可行性.

在双水电极介质阻挡放电装置中，在氩气和空气的混合气体放电过程中通过改变气体压强可以得到一种新型等离子体光子晶体。该光子晶体具有四边形的复杂对称结构，包括晶胞中心处的细等离子体柱、四周的等离子体片、等离子体片交叉点产生的等离子体柱和边缘处的粗等离子柱。运用发射光谱法研究了该等离子体光子晶体不同位置处的等离子体状态，通过测量氩原子696.54 nm(2P2→1S5)发射谱线的展宽对比了电子密度，通过氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πg)发射谱线计算了分子振动温度。实验结果证实，不但晶胞中心处的细等离子体柱、四周的等离子体片、等离子体片交叉点产生的等离子体柱和边缘处的粗等离子柱具有不同的等离子体状态，不同位置处的晶胞中心细等离子体柱也具有不同的等离子体状态。电子密度由大到小排列依次为：4个角上的细等离子体柱(A)、靠近4个边的细等离子体柱(B)、靠近中心的细等离子体柱(C)、边缘处的粗等离子体柱(D)、等离子体片交叉点产生的等离子体柱(E)、四周的等离子体片(F)。分子振动温度的变化规律与电子密度相反。由于该晶体结构中A、B、C 3处的折射率均不相同，由内向外呈周期性渐变排列，它们和其他位置处不同的等离子体状态构成了具有渐变折射率的等离子体光子晶体。

利用双水电极介质阻挡放电装置, 在气体放电中产生了一种由放电丝自组织形成的复杂结构等离子体光子晶体。该晶体结构由许多四边形的晶胞组成, 每个晶胞包括大点、两种不同的小点和线, 分别对应粗等离子体柱、两种细等离子体柱和等离子体片。采用发射光谱法, 对不同位置处的等离子体状态进行了研究, 对比了其电子密度和分子振动温度。具体方法是通过氩原子696.54 nm(2P2→1S5)的发射谱线测量谱线展宽进而对比电子密度, 通过氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πg)的发射谱线计算分子振动温度。结果发现: 四种不同位置的等离子体具有不同的电子密度和分子振动温度, 即它们各自处于不同的等离子体态。电子密度按照降序排列顺序依次为: 中心粗等离子体柱四周的细等离子体柱、粗等离子体柱、边缘处的等离子体片、等离子体片交叉点处的细等离子体柱;分子振动温度的变化趋势与电子密度相反。由于等离子体电子密度不同, 对光的折射率也不同, 因此在该晶体结构中, 粗等离子体柱、两种细等离子体柱以及等离子体片具有不同的折射率, 它们和周围未放电的区域自组织形成具有五种折射率的复杂结构等离子体光子晶体。该等离子体光子晶体易于产生, 具有结构多样、分析简单的优点, 具有广泛的应用前景。

应用多光子非线性Compton散射模型,研究了Compton散射下介电系数对等离子体光子晶体色散的影响,考虑Compton散射对介电系数的影响,给出了一维等离子体光子晶体色散关系式,并进行了数值模拟。结果表明:与散射前相比,当介电系数ε=1时,不出现禁带;当ε<3时,随着ε的增大,一级禁带宽先缓慢增大,再到最大值,后缓慢减小,二级禁带宽先缓慢增大后趋于饱和值0.69,较散射前减小了0.03,两禁带ε临界值为5.4,较散射前减小了0.6;当ε<5.4时,一级禁带宽明显大于二级,较散射前减小了0.04;当ε>5.4时,二级禁带宽大于一级,二者差值比散射前明显减小;截止频率和二级禁带边缘频率均向低频方向较快移动,且二级禁带边缘频率变化幅度明显大于截止频率。

为了研究Compton散射对1维3元未磁化等离子体光子晶体中TE波禁带影响，采用Compton散射模型和传输矩阵法，进行了理论分析和实验验证，取得了一些重要数据。结果表明，随着等离子体频率增大，左旋和右旋极化波禁带展宽比散射前减小0.09GHz，禁带主频率向高频区域移动增大0.48GHz。随着等离子体碰撞频率增大，两种极化波禁带宽度发生一定变化。随着等离子体回旋频率、填充率、光入射角和介质相对介电常数增大，左旋和右旋极化波禁带明显调谐效应。这一结果对等离子体光子晶体应用是有帮助的。