CN102213796B

CN102213796B - 一种产生时间振荡等离子体光子晶体的方法及其专用装置

Info

Publication number: CN102213796B
Application number: CN 201110159689
Authority: CN
Inventors: 董丽芳; 商洁; 范伟丽; 段马威
Original assignee: Hebei University
Current assignee: Hebei University
Priority date: 2011-06-15
Filing date: 2011-06-15
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2031-06-15
Also published as: CN102213796A

Abstract

本发明公开了一种产生时间振荡等离子体光子晶体的方法及其专用装置。该方法包括以下步骤：(a)在真空罐内设置放电装置，将氩气与空气的混合气体与水蒸气混合后进入真空罐及放电装置中的放电间隙中；(b)改变放电装置的放电条件，由此使等离子体光子晶体结构从静止变为随时间振荡的六边形超点阵结构。该装置包括有真空罐、真空罐内设有加湿喷雾装置和放电装置，所述加湿喷雾装置的喷雾口与放电装置中的放电间隙相对应。本发明方法产生的等离子体光子晶体无需改变放电条件就可使等离子体光子晶体的禁带位置及宽度随时间连续变化。

Description

一种产生时间振荡等离子体光子晶体的方法及其专用装置

技术领域

本发明涉及一种产生具有随时间振荡的等离子体光子晶体的方法及装置，属于等离子体应用技术领域和光学领域。

背景技术

光子晶体又称光子禁带材料，是将两种不同介电常数的介质材料在空间按一定周期(尺寸在光波长量级)排列所形成的一种人造“晶体”结构。光子晶体的介电常数是空间的周期函数，若介电系数对光子的周期性调制足够强，在光子晶体中传播的光子能量也会有带状结构，带与带之间会出现光子“禁带”，频率落在禁带中的光子不能在晶体中传播。光子禁带的位置和形状取决于光子晶体中介质材料的折射率配比以及不同介电系数材料的空间比和“晶格”结构等。目前常规的光子晶体，一旦制作完成后，其光子禁带位置也就确定，即可选择的光波段已经确定，如果想改变禁带位置，需要重新制作晶体，很难实现对电磁波的可调性控制。因此，设计一种能够实现自行调节禁带宽度及位置的光子晶体，是人们所迫切需要的。

CN101013163公开了一种产生等离子体光子晶体的方法，该方法是通过专用的发生装置制造的。该装置包括有对称设置的两个密闭电介质容器，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(包括外加电压的频率、幅度以及放电间隙边界的形状及纵横比)，由此生产出晶格常数不同的等离子体光子晶体。该等离子体光子晶体能够阻止某些频率光的传播，具有频率选择性光开关的作用。如果固定放电条件，该方法所产生的等离子体光子晶体的禁带位置及宽度是固定的。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种产生时间振荡等离子体光子晶体的方法及其专用装置，这样无需改变放电条件就可使等离子体光子晶体的禁带位置及宽度随时间连续变化。

本发明的目的是通过以下方式实现的：

本发明所提供的产生时间振荡等离子体光子晶体的方法包括以下步骤：

(a)在真空罐内设置放电装置，将氩气与空气的混合气体与水蒸气混合后进入真空罐及放电装置中的放电间隙中；

(b)改变放电装置的放电条件，由此使等离子体光子晶体结构从静止变为随时间振荡的六边形超点阵结构。

本发明方法中所述的放电间隙可选用玻璃作介质材料，也可以选用石英作介质材料。

当本发明方法中所述的放电间隙形状是由玻璃制作的六边形的边界；其放电条件为电压幅度4-5kV，放电频率55kHz，气隙气压为0.7-1大气压，放电间隙内的氩气含量变化范围控制在96-100％。

当本发明方法中所述的放电间隙形状是由石英制作的六边形的边界；其放电条件为电压幅度4-5kV，放电频率55kHz，气隙气压为0.8-1大气压，放电间隙内的氩气含量变化范围控制在98-99％。

本发明所提供的生产制造上述等离子体光子晶体的专用装置，包括有真空罐，真空罐内设有加湿喷雾装置和放电装置；所述的放电装置设置两个密闭电介质容器，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；所述的真空罐上设有进气管，进气管的出口端与加湿喷雾装置相连接，加湿喷雾装置的喷雾口与放电装置中的放电间隙相对应。

本发明方法所生产的等离子体光子晶体，其放电间隙是石英或玻璃制成的正六边形结构，其晶格由两种粗细不同的等离子体放电通道周期性排列，构成可随时间振荡的六边形超点阵结构；其中粗等离子体通道外围包裹有圈晕，细等离子体通道在邻近的两个粗等离子体通道之间振动。这些等离子体通道自组织成周期性排列，形成了随时间振荡的等离子体光子晶体结构。

本发明方法中所述的石英或玻璃的厚度选择1.6-2.2mm为佳。

本发明方法所提供的等离子体光子晶体其晶体形成后，无需任何条件，晶格结构会做时空周期性变化，使光子禁带的位置及宽度连续变化，因而其具有光调制器的作用，由此可自如控制光子禁带结构，亦能很方便地对电磁波实施时空控制；其具有放电条件更为宽泛、无需改变放电条件就能够自主调节禁带位置及宽度的优点，应用领域更为广泛。

本发明方法的创新之处在于将氩气与空气的混合气体，首先与水蒸气充分混合，由此大大增加了真空罐内混合气体的湿度，当其进入放电间隙、改变放电装置的放电条件时，由此产生的等离子体光子晶体，其晶格结构即从静止变为随时间振荡。再则，本发明方法将所述的放电间隙的边界是由四边形改为六边形，由此更利于六边形超点阵结构晶体的形成。本发明方法还具有便于操作、所制产品性能稳定的优点。

附图说明

图1是本发明专用生产装置的结构示意图，其中1真空罐，2液体电极，3放电电极引线，4放电间隙，5加湿喷雾装置，6进气管道。

图2是本发明等离子体光子晶体的横截面结构示意图。

图3是一组不同曝光时间的等离子体光子晶体的横截面照片的影印图片，其放电条件为外加电压U＝4.8kV，频率f＝55kHz，气压p＝1Pa，氩气含量X_Ar＝96％，介质材料为玻璃，厚度d＝2.0mm；其中图3(3a)所示的是曝光时间为40ms的等离子体光子晶体的横截面照片的影印图片，(3b)、(3c)所示的均是曝光时间为10ms的等离子体光子晶体的横截面照片的影印图片，(3b)、(3c)图片中圈内的晶胞处于不同时间下不同的状态；(3b)晶胞呈六边形，(3c)呈大小两个嵌套的三角形。

图4是本发明等离子体光子晶体的立体结构示意图，其中B是粗等离子体放电通道，A是围绕B的外晕圈；C是细等离子体放电通道，D是无放电发生的区域。

图5是细等离子体放电通道的反对称运动模式在一个周期内空间结构的变化示意图。

以下结合附图及具体实施方式对本发明做进一步详述，但其不对本发明构成任何不利的限定。

具体实施方式

本发明所提供的专用生产装置如图1所示，包括有真空罐1、真空罐1内设有加湿喷雾装置5和放电装置；所述的放电装置可参照200610102333.0在先专利设计，其包括有两个密闭电介质容器7，两个容器中间设置放电间隙4，容器7内设置放电电极引线3，容器7内注入水形成液体放电电极2；所述的真空罐1上设有进气管6，进气管6的出口端与加湿喷雾装置5相连接，加湿喷雾装置5的喷雾口与放电装置中的放电间隙4相对应。

在生产时首先将氩气与空气的混合气体通过真空罐1中的进气管6，进入加湿喷雾装置5，使混合气体与加湿喷雾装置产生的水蒸气充分混合后进入真空罐及放电装置中的放电间隙中；生产时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，放电将产生晶体结构可随时间振荡的六边形超点阵结构(如图2所示)。

为了便于粗细不等的等离子体放电通道排列更为规整，放电间隙的边界改为六边形，由此得到更佳效果。

在实际工作时，随着外加电压的升高，放电间隙中的气体被击穿形成放电，表现为许多明亮的随机放电丝。当电压频率处于55kHz，电压幅度大约为4.8kV，气压为1Pa，氩气含量为96％Ar时，放电将产生两种粗细不等的等离子体放电通道，这两种等离子体放电通道与未放电区域周期性的排列自组织形成六边形超点阵等离子体晶体结构。

更具体地说，本发明所述的放电条件是放电间隙为石英或玻璃制成的正六边形结构，厚度在1.6-2.2mm间，电压幅度在4.5-5kv，频率为55khz。当放电间隙是玻璃时氩气含量在96％-100％。当放电间隙为石英时氩气含量在98％-99％之间，气压为0.8-1atm，湿度较大。由此放电自组织产生两种粗细不同的等离子体通道(参见图2、图3、图4)。从图2、图4可以看出，两种粗细不等的等离子体放电通道，其端面为大小不同的亮点，其中大点B为粗等离子体放电通道，外围包裹有一圈晕A，小点C为细等离子体放电通道，其在邻近的两个大点间(即邻近的粗等离子体放电通道间)振动。这些放电通道自组织成周期性排列，形成了随时间振荡的六边形超点阵结构等离子体光子晶体。

在所述产生的随时间振荡的六边形超点阵结构等离子体光子晶体中，由于粗细不等的等离子体放电通道与未放电区域D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。

所述产生的随时间振荡的六边形超点阵结构等离子体光子晶体中，细等离子体放电通道随时间做周期性振荡，使得空间结构随时间变化；从不同曝光时间的等离子体光子晶体的横截面照片(如图3)可以看出，本发明所提供六边形超点阵结构等离子体光子晶体由两套正三角形结构组成。

从图33a、3b、3c的对比可以看出，随着曝光时间及运动状态的变化，3b圈内晶胞中小格点构成的六边形处于平衡位置经过一段时间其运动到3c中圈内晶胞中小格点构成的两个三角形处于最大位置。

为更清楚地表述其随着时间变化的晶格结构，可参见图5所示意的反对称运动模式。本发明所提供的等离子体光子晶体，其在一个周期内空间结构的变化如图5所示，三个相间的细等离子放电通道分别组成两套正三角形结构，其中一套三角形结构为△FGH，另一套为△LIJ。当t＝0时所有细等离子放电通道(图中的小圆点)都位于平衡位置，形成两个全等同三角形，共同构成六边形结构(见图5中的5a)；当t＝4/T(T为振动周期)时，△FGH的细等离子放电通道都背离粗等离子放电通道运动，△LIJ中的细等离子放电通道都向粗等离子放电通道靠拢(见图5中的5b)，这样△FGH三角形面积大于△LIJ；当t＝2/T时以上述趋势继续运动直到△LIJ中的细等离子放电通道的点落在△FGH三角形各边的中间位置运动达最大位置(见图5中的5c)。瞬间△FGH、△LIJ中的细等离子放电通道运动方向反转，运动过程是上半周期的逆运动，当再次运动到平衡位置完成一个周期(图5中的5d、5e、5f)。由此可见本发明所提供的等离子体光子晶体其晶格结构是随时间不断变化的，因而也必然使光子禁带位置和宽度发生变化，故可以实现对光子禁带的自主调节。这就是随时间振荡的六边形超点阵结构等离子体光子晶体。

本发明所提供的离子体光子晶体其等离子体放电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能够使等离子体光子晶体出现带隙结构。

本发明方法所产生的等离子体光子晶体对光子禁带的调节是自行控制的，一旦做成并不需要任何附加条件(如改变电场、磁场、温度、放电参量等)。

本发明列举的实施例旨在更进一步地阐明这种产生具有随时间振荡的六边形超点阵结构的等离子体光子晶体及其方法和专用装置，但其不对本发明的保护范围构成任何限制。

Claims

1.一种产生时间振荡等离子体光子晶体的方法，其特征在于它包括以下步骤：

（a）在真空罐内设置放电装置，将氩气与空气的混合气体与水蒸气混合后进入真空罐及放电装置中的放电间隙中；

（b）改变放电装置的放电条件，由此使等离子体光子晶体结构从静止变为随时间振荡的六边形超点阵结构；其中所述的放电条件为电压幅度4-5kV，放电频率55kHz，气隙气压为0.7-1大气压，放电间隙内的氩气含量变化范围控制在96-100%。

2.根据权利要求1所述的产生时间振荡等离子体光子晶体的方法，其特征在于所述的放电间隙是由玻璃制作的六边形的边界。

3.根据权利要求1所述的产生时间振荡等离子体光子晶体的方法，其特征在于所述的放电间隙是由石英制作的六边形的边界；其放电条件为电压幅度4-5kV，放电频率55kHz，气隙气压为0.8-1大气压，放电间隙内的氩气含量变化范围控制在98-99%。

4.根据权利要求2所述的产生时间振荡等离子体光子晶体的方法，其特征在于所述的玻璃，其厚度为1.6-2.2mm。

5.根据权利要求3所述的产生时间振荡等离子体光子晶体的方法，其特征在于所述的石英，其厚度为1.6-2.2mm。

6.一种产生时间振荡等离子体光子晶体的装置，其特征在于它设有真空罐（1）、真空罐（1）内设有加湿喷雾装置（5）和放电装置；所述的放电装置设置两个密闭电介质容器（7），两个容器中间设置放电间隙（4），容器内设置放电电极引线（2），容器内注入水形成液体放电电极（2）；放电装置的放电条件为电压幅度4-5kV，放电频率55kHz，气隙气压为0.7-1大气压，放电间隙内的氩气含量变化范围控制在96-100%；所述的真空罐（1）上设有进气管（6），进气管（6）的出口端与加湿喷雾装置（5）相连接，加湿喷雾装置（5）的喷雾口与放电装置中的放电间隙（4）相对应。