CN101013163A - 一种产生具有三种折射率的等离子体光子晶体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种产生具有三种折射率的等离子体光子晶体的方法，它是采用如下放电装置实现的：放电装置的基本结构包括对称设置的两个密闭的电介质容器，两个容器中间设置放电间隙，容器内设置放电电极引线，容器内注入水形成放电电极；通过改变放电条件包括改变外加电压的频率、幅度以及放电间隙边界的形状、纵横比，放电将产生周期数不同、晶格常数不等的具有三种折射率的等离子体光子晶体结构。由于等离子体通道内的电子密度均在10¹⁵cm^□3量级，理论研究表明如此高的电子密度足以能够使等离子体光子晶体出现带隙结构，阻止某些频率光的传播，起到频率选择性光开关作用，在工业领域具有广泛的应用前景。

Description

一种产生具有三种折射率的等离子体光子晶体的方法

技术领域

本发明涉及一种产生具有三种折射率的等离子体光子晶体的方法和双水电极介质阻挡放电装置，属于等离子体应用技术领域和光学领域。

背景技术

光子晶体，也叫光子带隙材料，是一种新型的人造周期性调制介电结构。通常由高低折射率的两种不同材料交替周期性排列而成。由于其周期性的存在，产生光子晶体带隙(Band gap)，从而使得频率落入该带隙的光禁止传播，实现对光频率的选择和光传播的控制。这种空间周期性的改变对于光传播的控制具有重要作用，只有某种频率的光才会在某种周期性的光子晶体中被完全禁止传播，当其周期性改变了，能够禁止的光也就变了。基于以上特性，目前光子晶体已被广泛地应用于许多领域，如提高光纤的效能、自发辐射实现开关控制、远红外激光器等方向，并有望被应用于高速计算机的设计等。然而，光子晶体的周期性一般为人工固定的，通常通过在平板上制作介质棒阵列或空气孔阵列来实现。如果要改变原有周期性还需要重新制作晶体模板，比较麻烦。因此，改变光子晶体的制作方法，实现新型结构的光子晶体，无需人工固定周期，并可方便地调节其周期性是人们所渴望实现的。

介质阻挡放电，又叫无声放电，是一种典型的非平衡态交流气体放电，其主要特点是至少有一个电极覆盖有电介质。目前介质阻挡放电已经被广泛地被应用到许多工业领域，如臭氧制造、等离子体电视PDP、大气压辉光放电等而备受人们的关注。近来，人们发现介质阻挡放电中的等离子体通道(放电丝)可以自组织形成规则的周期性结构，从而为介质阻挡放电的应用开辟了另一个全新的发展空间。

发明内容

本发明的目的在于利用水做电极，在带边界的介质阻挡放电中，获得由粗细等离子体通道以及未放电区域自组织形成的，具有三种折射率的等离子体光子晶体。

本发明的目的是这样实现的：这种产生具有三种折射率的等离子体光子晶体的方法，其特征在于：它是采用如下放电装置实现的：放电装置的基本结构包括对称设置的两个密闭的电介质容器，两个容器中间设置放电间隙，容器内设置放电电极引线，容器内注入水形成放电电极；通过改变放电条件包括改变外加电压的频率、幅度以及放电间隙边界的形状、纵横比，放电将产生周期数不同、晶格常数不等的具有三种折射率的等离子体光子晶体结构。

所述产生具有三种折射率的等离子体光子晶体的方法，所述放电装置的电介质容器的端面为透明平板材料，柱面为空腔圆柱或棱柱，两个容器的透明平板端面对称设置；电介质容器是玻璃或石英玻璃或塑料材料制作。

所述产生具有三种折射率的等离子体光子晶体的方法，所述放电装置的电介质容器设置注水孔。

所述产生具有三种折射率的等离子体光子晶体的方法，所述放电装置的放电间隙边界是连接两个电介质容器端面的圆柱或棱柱，由玻璃或石英玻离或塑料材料制作；空腔内密封有氩气、氦气、或氩气与空气的混合物。

所述产生具有三种折射率的等离子体光子晶体的方法，所述放电装置的电介质容器内设置放电电极引线是与电介质容器柱面形状对应的闭合环路引线，高压电源的高压端和接地端分别和两个电极引线连接，放电间隙边界是玻璃或石英玻璃或塑料材料制作。

所述产生具有三种折射率的等离子体光子晶体的方法，所述放电条件包括电压频率为10-100kHz，电压幅度为1-10kV，放电将产生粗细不等的两种等离子体通道，与未放电区域周期性的排列自组织形成具有三种折射率的晶体结构。

所述产生具有三种折射率的等离子体光子晶体的方法，所述放电条件包括电压频率选择为45-80kHz，电压幅度选择为3.6-4.4kV。

本发明的方法放电产生的等离子体光子晶体中，由于粗细不等的离子体通道以及未放电区域的电子密度和电子温度均不等，对光折射也不同，因而实现了三种不同折射率的周期性排列。没有放电产生时，所有频率的光都可以通过，而当放电条件合适，形成等离子体光子晶体后由于存在禁带能级结构使某些频率的光禁止传播。可通过调节放电参数，改变等离子体光子晶体的晶格常数，即改变光子晶体的能级分布，进而方便地选择哪些频率的光被禁止。等离子体光子晶体在双水电极介质阻挡放电中自组织形成，不依靠人工固定晶格常数。放电电极透明以及等离子体光子晶体本身发光，因此可直接观测到晶格常数的变化过程。装置简单、易制作、好维护、使用方便且在工业领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明水电极介质阻挡放电装置结构示意图

图中：1、电介质容器端面  2、电介质容器柱面3、注水孔  4、电极引线  5、水或其它液体6、放电间隙  7、放电间隙边界

图2是放电时在放电间隙产生的三种折射率的等离子体光子晶体的示意图

图中：8、细等离子体通道

9、粗等离子体通道

10、无放电发生的区域

图3是图2的A-A视图

图中：α、等离子体光子晶体的晶格常数

图4是三种折射率的等离子体光子晶体照片

放电条件：外加电压U＝4.2kV  频率f＝62kHz  边界纵横比R＝1晶格常数α＝5.4mm

图4a、图4b、图4c、图4d、图4e、图4f是不同放电条件下得到的具有三种折射率的等离子体光子晶体照片

图中：

(a)电压幅度U＝3.5kV，频率f＝52kHZ，R＝0.25，晶格常数α＝7mm；

(b)U＝4.5kV，频率f＝52kHZ，R＝0.375，α＝5.6mm；

(c)U＝4kV，频率f＝52kHZ，R＝0.5；α＝5.6m；

(d)U＝4kV，频率f＝52kHZ，R＝1，α＝5.6mm；

(e)U＝4.1kV，频率f＝52kHZ，R＝1.25，α＝5.6mm；

(f)U＝4.7kV，频率f＝52kHz，R＝1.625，α＝4.7mm；

具体实施方式

本发明图1中所示水电极介质阻挡放电装置的制作方法是将平板透明电介质端面1与空心管状电介质柱面2利用硅胶密封在一起制成两个对称设置的电介质容器，通过注水小孔3将密封空间注满水或其它液体，两个容器之间设置放电间隙6，腔内密封氩气、氦气、氩气与空气的混合物等气体，高压电源的高压端和接地端分别和容器内设置的两个水电极的电极引线4连接。放电间隙6长度可通过放电间隙边界7的厚度来调节。随着外加电压的升高，气隙间的气体被击穿形成放电，表现为许多明亮的放电丝。当电压频率处于45kHz到80kHz，电压幅度在3.6kV到4.4kV时，放电将产生粗细不等的两种等离子体通道。这两种等离子体通道与未放电区域周期性的排列自组织形成具有三种折射率的晶体结构。改变外加电压的频率、幅度以及边界的形状、纵横比等放电条件调节等离子体光子晶体的晶格常数，即可改变等离子体光子晶体的带隙结构，选择哪些频率的光被晶体禁止，进而来控制光的传播。上述等离子体光子晶体具有四边形对称性，其晶格常数α(对应图3中两大点或两小点的距离)处于mm到cm量级的范围之间，如图2、3所示。

在图4和其后的图4a、图4b、图4c、图4d、图4e、图4f所示的晶体照片中，由于粗细不等的离子体通道(8、9分别对应图中的小点、大点)以及未放电区域(10对应图中的黑色区域)的电子密度和电子温度均不等，因而对光折射也不同。未放电区域10的折射率为1，等离子体通道9内对光的折射率为0～1之间，且细通道8内的折射率比粗通道内的折射率稍小，因而实现了三种不同折射率的等离子体光子晶体。

本发明的电介质容器和放电间隙的边界7是玻璃或石英玻璃或塑料材料制作，电介质容器和放电间隙的边界形状是圆柱或棱柱，放电间隙6的长度改变通过调节放电间隙的边界7的柱面高度实现。

本发明列举的实施例旨在更进一步地阐明这种产生具有三种折射率的等离子体光子晶体的方法和使用的水电极介质阻挡放电装置的结构及实现放电的过程，而不对本发明的保护范围构成任何限制。用本发明实施例和经由本发明权利要求书均可得到产生具有三种折射率的等离子体光子晶体。

Claims (7)

1、一种产生具有三种折射率的等离子体光子晶体的方法，其特征在于：它是采用如下放电装置实现的：放电装置的基本结构包括对称设置的两个密闭的电介质容器，两个容器中间设置放电间隙(6)，容器内设置放电电极引线(4)，容器内注入水(5)形成放电电极；通过改变放电条件包括改变外加电压的频率、幅度以及放电间隙(6)边界(7)的形状、纵横比，放电将产生周期数不同、晶格常数(α)不等的具有三种折射率的等离子体光子晶体结构。

2、根据权利要求1所述产生具有三种折射率的等离子体光子晶体的方法，其特征在于：所述放电装置的电介质容器的端面(1)为透明平板材料，柱面为空腔圆柱或棱柱(2)，两个容器的透明平板端面对称设置；电介质容器是玻璃或石英玻璃或塑料材料制作。

3、根据权利要求1所述产生具有三种折射率的等离子体光子晶体的方法，其特征在于：所述放电装置的电介质容器设置注水孔(3)。

4、根据权利要求1所述产生具有三种折射率的等离子体光子晶体的方法，其特征在于：所述放电装置的放电间隙边界(7)是连接两个电介质容器端面的圆柱或棱柱，由玻璃或石英玻璃或塑料材料制作；空腔内密封有氩气、氦气、或氩气与空气的混合物。

5、根据权利要求1所述产生具有三种折射率的等离子体光子晶体的方法，其特征在于：所述放电装置的电介质容器内设置放电电极引线(4)是与电介质容器柱面形状对应的闭合环路引线，高压电源的高压端和接地端分别和两个电极引线(4)连接，放电间隙边界(7)是玻璃或石英玻璃或塑料材料制作。

6、根据权利要求1所述产生具有三种折射率的等离子体光子晶体的方法，其特征在于：所述放电条件包括电压频率为10-100KHZ，电压幅度为1-10KV，放电将产生粗细不等的两种等离子体通道，与未放电区域周期性的排列自组织形成具有三种折射率的晶体结构。

7、根据权利要求6所述产生具有三种折射率的等离子体光子晶体的方法，其特征在于：所述放电条件包括电压频率选择为45-80KHZ，电压幅度选择为3.6-4.4KV。

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