CN102820604B

CN102820604B - 电磁波发生器和电磁波发生器阵列

Info

Publication number: CN102820604B
Application number: CN201210191022.1A
Authority: CN
Inventors: 赵胜来
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2017-08-11
Anticipated expiration: 2032-06-11
Also published as: JP2013004970A; US9088125B2; CN102820604A; US20120314270A1; JP6140397B2

Abstract

提供了电磁波发生器以及光闸，该电磁波发生器输出包括太赫兹（THz）频带在内的宽带电磁波且控制输出电磁波波长。该电磁波发生器包括：分离地相互面对的两个电极、布置在两个电极之间的可充电颗粒、以及布置在两个电极之间包围可充电颗粒的腔室。当向两个电极施加直流电压以在两个电极之间产生电场时，可以对可充电颗粒充电。然后，可充电颗粒在两个电极之间往复以产生电磁波。输出电磁波的波长可以通过调整两个电极之间的电势差来控制。

Description

电磁波发生器和电磁波发生器阵列

技术领域

本公开涉及电磁波发生器和光闸，更具体地，涉及可以产生包括太赫兹（THz）频带的宽带电磁波并且可以控制输出的电磁波的波长的电磁波发生器，以及以与该电磁波发生器相同的方式操作的光闸。

背景技术

太赫兹电磁波（下文中称为太赫兹波）是一般具有大约0.1到10THz频带的电磁波。太赫兹波可以容易地穿透微波或光波可能无法穿透的材料，并且太赫兹波可以被水分吸收。因此，太赫兹波被认为在诸如医疗、化学、军事、生物、环境和信息通信领域的各种技术领域中非常重要。然而，由于尚未充分开发出用于可靠地产生太赫兹频带电磁波的设备，因此对于新的太赫兹发生器的研究正积极展开。

例如，已经开发出了使用具有非线性晶体的固态激光器的太赫兹发生器和使用线圈或磁体的电磁感应型太赫兹发生器。然而，迄今为止已经开发出的太赫兹发生器仅仅可以产生特定波长的太赫兹波，或输出太赫兹波的可用频带过窄而无法应用到不同领域。例如，为了对人体内不同器官（心脏、血管、胃等等）进行层析成像，需要具有不同波长的太赫兹波，而传统的太赫兹发生器无法满足这一要求。另外，太赫兹发生器会消耗大量功率。

发明内容

提供了能够控制输出电磁波的波长的宽带电磁波发生器。

提供了可以以高速打开/关闭的光闸。

其他方面将在下面的描述中部分地阐明，并将从该描述中部分地变得清楚，或者可以通过实践提供的实施例而部分地习得。

根据本发明的一个方面，一种电磁波发生器包括：分离地相互面对的第一电极和第二电极；至少一个可充电颗粒（particle），其被布置在第一电极和第二电极之间；以及腔室（chamber），其被布置为包围第一电极和第二电极之间的可充电颗粒，其中，当向第一电极和第二电极施加电压时，该可充电颗粒在第一电极和第二电极之间往复以产生电磁波。

该可充电颗粒可以被布置在所述腔室的内部空间中，第一电极和电极位于腔室的两端部分，密封腔室的内部空间，并且腔室的内部空间可以处于真空状态或被填充惰性气体。

该电磁波发生器还可以包括壳体（housing），其包围所述腔室的外部部分。

腔室与壳体之间的空间可以处于真空状态。

腔室可以由绝缘材料形成，从而使第一电极与第二电极相互电绝缘，并且腔室可以传播通过可充电颗粒的运动产生的电磁波。

可以向第一电极施加第一直流（DC）电压，并且可以向第二电极施加不同于第一DC电压的第二DC电压。

第一电极和第二电极可以是扁平的，并且第一电极和第二电极的直径可以大于腔室的直径。

第一电极和第二电极可以具有凹形抛物面表面，并且第一电极和第二电极的抛物面表面可以被布置为相互面对。

第一电极和第二电极中的一个可以是扁平型电极，并且第一电极和第二电极中的另一个可以具有面向该可充电颗粒的凹形抛物面表面。

可充电颗粒可以由被充电的导电材料形成。

可充电颗粒可以包括被充电的导电核以及包围该导电核的绝缘壳。

可充电颗粒可以是下列各项之一：不管是否向第一电极和第二电极施加电压均预先处于充电状态且保持在充电状态的颗粒；以及仅仅在向第一电极和第二电极施加电压时才被充电且当停止施加电压时放电的颗粒。

当可以向第一电极和第二电极施加电压时，可以在第一电极和第二电极与可充电颗粒之间产生引力。

施加在第一电极和第二电极与可充电颗粒之间的电力的强度F可以用下面的公式表示：

其中，Q_T表示可充电颗粒的有效电荷，s表示第一电极与可充电颗粒之间的距离，h是第一电极和第二电极之间的距离，a是导电核的半径，b是绝缘壳的半径，E_P是在第一电极和第二电极之间产生的电场的幅度，σ₁表示导电核的电荷密度，σ₂表示绝缘壳的电荷密度，ε₀是自由空间的介电常数，κ₂是绝缘壳的介电常数，并且κ₃是腔室内可充电颗粒物外部区域的介电常数。

腔室可以是圆柱体或多边形管。

根据本发明的另一个方面，一种电磁波发生器阵列包括多个电磁波发生器。

所述多个电磁波发生器可以排列成环形阵列。

该电磁波发生器阵列还可以包括布置在该环形阵列中的电磁波屏蔽膜。

所述多个电磁波发生器可以互相同步地工作。

根据本发明的另一个方面，一种光闸包括：第一电极和第二电极，它们分离地相互面对；至少一个可充电颗粒，其布置在第一电极与第二电极之间；腔室，其被布置成在第一电极与第二电极之间包围可充电颗粒；以及开口，其在第一电极的中心部分形成，以便光通过其传播，其中，当向第一电极和第二电极施加电压时，该可充电颗粒在第一电极与第二电极之间往复，以便重复地阻挡或传播入射光。

第一电极可以由不透明导电材料形成，并且第二电极可以由透明导电材料形成。

开口的半径可以小于可充电颗粒的半径。

该光闸还可以包括填充在该开口中的透明窗。

该第一电极可以具有凹面表面，以使可充电颗粒可以安放在该开口上。

腔室的内壁可以涂有反射材料。

腔室可以由反射材料形成。

腔室可以由绝缘材料形成，从而使第一电极和第二电极相互电绝缘。

开口可以具有圆形形状或多边形形状。

根据本发明的另一个方面，一种光闸阵列包括多个所述光闸。

所述多个光闸可以排列成具有列和行的矩阵阵列。

第二电极可以是所有所述多个光闸的公共电极，并且第一电极可以分别布置在所述多个光闸中的每一个中。

光闸阵列还可以包括不透明绝缘体，其布置在光闸的第一电极之间。

根据本发明的另一个方面，一种光闸包括：第一电极和第二电极，它们分离地相互面对；至少一个可充电颗粒，其布置在第一电极与第二电极之间；以及腔室，其被布置为在第一电极与第二电极之间包围可充电颗粒，其中，所述第一电极和第二电极由透明导电材料形成，并且被形成为平板，腔室的内壁是反射性的，并且传播的光的强度通过控制施加到第一电极和第二电极的电压、从而控制可充电颗粒在第一电极和第二电极之间的往复频率来调整。

所述腔室可以由反射性金属形成，并且所述光闸还可以包括布置在腔室与第一电极之间的第一绝缘材料和布置在腔室与第二电极之间的第二绝缘材料。

腔室可以由反射性介电材料形成，或者可以在腔室的内壁上形成反射涂层。

可充电颗粒的表面可以具有反射性。

光闸还可以包括在其上布置第一电极的透明第一衬底和在其上布置第二电极的透明第二衬底。

光闸还可以包括布置在第二衬底上的滤色器。

光闸还可以包括布置在第二电极上的滤色器。

具有反射性的腔室的内壁可以被形成为抛物面表面。

根据本发明的另一个方面，一种光闸包括：第一电极和第二电极，它们分离地相互面对；至少一个可充电颗粒，其布置在第一电极与第二电极之间；以及腔室，其被布置为在第一电极与第二电极之间包围该可充电颗粒，其中所述第一电极由平板型不透明导电材料形成，并且在第一电极的中心部分具有开口，光可以通过该开口传播，该第二电极由透明导电材料形成并且被形成为平板，腔室的内壁具有反射性，并且传播的光的强度通过控制施加到第一电极和第二电极的电压、从而控制可充电颗粒在第一电极和第二电极之间的往复频率来调整。

附图说明

从以下结合附图对实施例的描述，这些和/或其他方面将变得清楚和更加容易理解。附图中：

图1是根据实施例的电磁波发生器的示意图；

图2是图1的电磁波发生器的示意截面图；

图3是在图1示出的电磁波发生器的两个电极之间产生的电场的示例性视图；

图4是根据另一个实施例的电磁波发生器的示意图；

图5是在图4示出的电磁波发生器的两个电极之间产生的电场的示例性视图；

图6是根据另一个实施例的电磁波发生器的示意图；

图7是布置在根据实施例的电磁波发生器的两个电极之间的可充电颗粒的例子的示图；

图8A和图8B是图示可充电颗粒在根据实施例的电磁波发生器中的两个电极之间振荡的原理的示例性视图；

图9是图示根据实施例的电磁波发生器的示例性操作的示图；

图10是示出可充电颗粒根据时间的位置变化的曲线图；

图11是示出可充电颗粒根据时间的速度变化的曲线图；

图12是示出由可充电颗粒产生的电磁波的强度包络(profile)的曲线图；

图13是根据实施例的包括多个电磁波发生器的阵列的示图；

图14A和图14B是示出根据实施例的光闸的结构和操作的示意图；

图15A和图15B分别是根据实施例的包括多个光闸的光闸阵列的示意平面图和示意截面图。

图16是示出根据另一个实施例的光闸的结构的示意图；

图17是图示图16中示出的光闸的操作的示意图；

图18是示出根据另一个实施例的光闸的结构的示意图；

图19是示出根据另一个实施例的光闸的结构的示意图；以及

图20是示出根据另一个实施例的光闸的结构的示意图；

具体实施方式

现在将对实施例进行详细描述，在附图中图示了实施例的例子，附图中相同的附图标记始终指代相同的元件。因此，实施例可以具有不同的形式，不应被看作是局限于此处的描述。因此，以下参照附图对实施例的描述仅仅是为了解释所描述内容的各个方面。

图1和图2分别是示意性示出根据实施例的电磁波发生器10的结构的透视图和截面图。参照图1和图2，根据实施例的电磁波发生器10包括分离地相互面对的下电极11和上电极12、布置在下电极11和上电极12之间的可充电颗粒14、以及被布置为在下电极11和上电极12之间包围可充电颗粒14的腔室13。因此，可充电颗粒14可以布置在腔室13的内部空间20中，并且下电极11和上电极12分别布置在腔室13的下部和上部，以密封腔室13的内部空间20。

在腔室13的内部空间20中，除了可充电颗粒14之外可以不再有带电颗粒或气体。为此，内部空间20可以保持在真空状态。另外，可以在内部空间20中填充惰性气体，如氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）和氙（Xe），或者抑制可充电颗粒14放电的气体，如六氟化硫（SF₆）。为了使腔室13的内部空间20绝对地保持在真空状态或惰性气体氛围中，电磁波发生器10还可以包括包围腔室13的外部部分的壳体15。壳体15与腔室13之间的空间30可以保持在真空状态。

腔室13可以由绝缘材料形成，从而使下电极11和上电极12相互电隔离。另外，腔室13可以由通过可充电颗粒14的运动产生的电磁波可穿透的材料形成。可以使用满足上述两个条件的任意种类的材料来形成腔室13。在图1中，腔室13被形成为圆柱体；然而，本发明不局限于此。例如，腔室13可以被形成为多边形管，如三棱柱或六棱柱。此外，图1示出了在腔室13中有一个可充电颗粒14；然而，本发明不局限于此，也就是说，可以在腔室13中布置多个可充电颗粒14。

下电极11和上电极12被布置为在腔室13的内部空间20中提供电场。例如，当当电压V_T被施加到上电极12并且电压V_L被施加到下电极11时，如果V_T>V_L，则产生从上电极12到下电极11的电场。当可充电颗粒14被充电时，可充电颗粒14沿该电场运动。此时，为了使可充电颗粒14沿上下方向稳定运动而不与腔室13的内壁碰撞，可以在腔室13的内部空间20产生与腔室13的内壁平行的电场。为此，下电极11和上电极12的直径可以大于腔室13的直径。如图3中所示，在两个平行的扁平电极11和12之间产生的电场在下电极11和上电极12的边缘处不平行，并且在接近下电极11和上电极12的中心部分变得平行。因此，可以选择腔室13的直径，使其等于电场平行的区域的直径D。然后，可充电颗粒14可以被锁定在腔室13的中心部分。然而，如果可以使用用于将可充电颗粒14锁定在腔室13的中心部分的另一个单元，则可以使下电极11和上电极12的直径等于腔室13的直径。

尽管在图1到图3中将下电极11和上电极12形成为平板，但下电极11和上电极12可以具有避免可充电颗粒14与腔室13的内壁碰撞的其他形状。例如，如图4中所示，根据另一个实施例的电磁波发生器可以包括被形成为曲面的电极11和12。两个电极11和12被布置成凹面相互面对。在这种情况下，在腔室13中形成如图5所示的向中心部分弯曲的电场。由于电场向内弯曲，布置在腔室13的中心部分的可充电颗粒14难以向外运动。因此，可充电颗粒14几乎不会与腔室13的内壁碰撞。

此外，如图6中所示，可以将两个电极11和12之一形成为扁平的，并将另一个形成为抛物面形状。在图6中，下电极11被形成为具有抛物面形状，并且上电极12被形成为扁平的；然而，也可以以相反的方式安排电极11和12。也就是说，可以将下电极11形成为扁平的，将上电极12形成为抛物面的。在两个电极11和12之间，将具有抛物面的一个布置为使抛物面表面面对可充电颗粒14。

可充电颗粒14可以由导电材料形成，该导电材料被以正电荷或负电荷充电。例如，可充电颗粒14可以由诸如铝（Al）的金属材料形成。可充电颗粒14可以总是被充电，或者可以仅在向下电极11和上电极12施加了电压时才被充电。可充电颗粒14可以被形成为单个球体。例如，可充电金属球体可以被用作可充电颗粒14，而且，电离原子可以被用作可充电颗粒14。

而且，如图7中所示，可充电颗粒14可以具有包括导电核14a和绝缘壳14b的核壳结构。例如，核14a可以由容易充电的导电金属，如Al形成，而包围核14a的壳14b可以由诸如Al₂O₃或SiO₂的绝缘材料形成。如果可充电颗粒14被形成为具有核壳结构，则当运动的可充电颗粒14接近两个电极11和12时，具有绝缘性质的壳14b、而不是具有导电性的核14a直接接触电极11和12，因此可以避免漏电。因此，可以减小电磁波发生器10的功耗。

下文中，将详细描述电磁波发生器10的操作。

在向电磁波发生器10的两个电极11和12施加电压之前，可充电颗粒 14可以由于重力而位于下电极11的表面。此时，可充电颗粒14可能未被充电。因此，向两个电极11和12施加初始电压，以便在操作电磁波发生器10的初始阶段对可充电颗粒14充电。例如，如果可充电颗粒14的核14a由Al形成，则向电极11和12施加电压，以使电极11和12之间的电势差可以是大约700V或更大。如果施加到下电极11的电压V_L为0V，则施加到上电极12的电压V_T可以是大约700V或更大。然后，从核14a中的每一个Al原子排出一个电子，并且所述电子流动通过上电极12。因此，可充电颗粒14被正电荷充电。如果可充电颗粒14可以预先充电而不考虑施加到电极11和12的电压，并且充电状态可以保持，则初始化过程可以不是必需的。然而，如果可充电颗粒14仅在向电极11和12施加电压时被充电，并且在电压施加停止时被放电，则上述初始化过程可能是必需的。

之后，可以根据期望的输出电磁波波长来分别向电极11和12施加适当的直流（DC）电压。例如，施加到电极11和12的电压可以满足V_T>V_L。然后，产生从上电极12到下电极11的电场，并且被充电的可充电颗粒14可以在下电极11和上电极12之间振荡。可充电颗粒14在下电极11和上电极12之间振荡的原理可以以数学方式描述如下。

首先，假定两个电极11和12是相互平行排列的扁平型电极，并且，可充电颗粒14具有核壳结构且布置在两个电极11和12之间。可充电颗粒14的核14a具有半径a和电荷密度σ₁，并且壳14b具有半径b和电荷密度σ₂。此外，两个电极11和12之间的距离是h，并且可充电颗粒14位于距上电极12的高度s。再有，电压V_T施加到上电极12，电压V_L施加到下电极11，并且为方便描述，假定V_T>_VL并且V_L>0（然而实际上，也可以满足V_L≤0）。这里，在上电极12和下电极11之间产生电场E_p。

然后，可以使用拉普拉斯方程和边界条件来如下计算核14a中的区域（r≤a）中的电势V₁、壳14b中的区域（a＜r≤b）中的电势V₂、以及可充电颗粒14外部区域（r＞b）中的电势V₃。

上述公式1到3中的α、β、γ、λ和ν含义如下。

上述公式1到4被表示为以可充电颗粒14的中心为原点的球面坐标系。因此，在公式1到4中，r表示到可充电颗粒14的中心的径向距离，θ表示相对于垂直轴（Z轴）的射角。在公示3中，C表示满足边界条件的任意常数。在公式4中，ε₀是自由空间的介电常数,κ₂是壳14b的介电常数，κ₃是腔室13的内部空间20、即可充电颗粒14的外部区域的介电常数。

此外，通过使用可充电颗粒14的外部区域的电势V₃、使用公式5可以获得可充电颗粒14的外部区域的电位移D₃。

然后，通过下面的公式6和7获得由电位移D₃感应生成的上电极12表面上的电荷密度σ_iup和下电极11表面上的电荷密度σ_ilp。公式6和7被表示为极坐标系，并且

在上电极11和下电极12表面上感应的总电荷Q_iT可以表示为Q_iT＝Q_iup+Q_ilp，其中Q_iup是在上电极12上感应的总电荷，而Q_ilp是在下电极11上感应的总电荷。可以如下计算Q_iT。

在下电极11和上电极12表面上感应的电荷可以通过与被充电的可充电颗粒14的相互作用而向可充电颗粒14施加力。当假定由上电极12的表面S₁上感应的电荷向可充电颗粒14施加的力是F₁，并且由在下电极11的表面S₂上感应的电荷向可充电颗粒14施加的力是F₂时，施加到可充电颗粒14的总的力F可以用下面的公式9表示。

这里，E₁表示上电极12上的电场，E₂表示下电极11上的电场，并且Q_T是可充电颗粒14的有效电荷，且满足关系Q_T=-Q_iT。从上面的公式9可以得到下面的公式10到12。

在上面的公式10到12中，e_z表示Z轴方向的单位向量。上面公式12的结果是仅仅考虑了施加到可充电颗粒14的电磁力而获得的。当考虑作用于可充电颗粒14的重力时，施加到可充电颗粒14的总的力F_T可以用下面的公式13来表示。

参照公式6、7和13，上电极12和下电极11的表面上感应生成的电荷密度根据可充电颗粒14的位置变化，并因此，引力或斥力可以以主导方式施加到可充电颗粒14。例如，假设电场Ep的方向被形成为从上电极12朝向下电极11，而且可充电颗粒14被充电以具有正极性。由于退极化场，负电荷分布在可充电颗粒14的上半球而且正电荷分布在可充电颗粒14的下半球，而且两个半球处的电荷总量变为正。此外，负电荷还分布在上电极12的表面上。当可充电颗粒14远离上电极12时，在上电极12的表面上感应生成的电荷密度变得更低。当可充电颗粒14靠近上电极12时，在上电极12的表面上感应生成的电荷密度变得更高。

因此，如图所示8A，当可充电颗粒14与上电极12分离预定距离或更远（区域A）时，可充电颗粒14的整体电荷（q>0）与上电极12之间的引力变为主导。因此，可充电颗粒14朝向上电极12移动。然而，当可充电颗粒14接近上电极12到达预定距离内或更近（区域B）时，在上电极12的表面上感应生成的负电荷密度增加，如图8B所示，由于在上电极12的表面上感应生成的负电荷以及在可充电颗粒14的上半球上分布的负电荷分布，斥力变为主导。然后，可充电颗粒14变得远离上电极12。在这个原理下，当可充电颗粒14在区域A和区域B之间往复时，可充电颗粒14振荡。当被充电的可充电颗粒14振荡时，如图9所示产生电磁波。

使用上面的数学结果来执行有关可充电颗粒14的运动的计算机仿真。在仿真中，假定核14a由Al形成并且壳14b由氧化铝（Al₂O₃）形成。此外，下电极11和上电极12之间的空间，即腔室13的内部空间保持在真空状态。并且，假定下列设计值。

壳14b的介电常数=6

核14a的半径=25nm

壳14b的厚度（b-a）=2nm

下电极11和上电极12之间的距离h=10mm

施加到下电极11的电压V_L=0V

施加到上电极12的电压V_T=16kV和32kV

核14a的电荷密度σ₁=100C/m²（这里，C表示库仑）

壳14b的电荷密度σ2=0nC/m²

核14a的质量密度=2700kg/m³

壳14b的质量密度=3800kg/m³

图10到图12是示出计算机仿真的结果的曲线图。图10是示出可充电颗粒14根据时间的位置变化的曲线图，图11是示出可充电颗粒14根据时间的速度变化的曲线图。如图10和11的曲线图所示，可充电颗粒14在下电极11和上电极12之间往复振荡。在图10和图11中，Ep=1.6GV/m对应于V_T=16kV，Ep=3.2GV/m对应于V_T=32kV。如图10和图11所示，当施加到上电极12的电压增加时，可充电颗粒14的振荡频率增加而且移动速度也增加。

如上所述，当被充电的可充电颗粒14在下电极11和上电极12之间往复振荡时，从可充电颗粒14产生电磁波。电磁波可以沿垂直于可充电颗粒14 的运动方向的方向行进。由于当可充电颗粒14在两个电极11和12之间往复一次时电磁波产生两次，因此电磁波的频率可以是可充电颗粒14的振荡频率的两倍。图12是示出当V_T=32kV时由可充电颗粒14产生的电磁波的示例性强度包络的曲线图。

可以通过施加到电极11和12的电压来调整可充电颗粒14的振荡频率，因此，根据本实施例的电磁波发生器10可以在遍布包括太赫兹在内的宽频带内容易地控制输出电磁波的波长。如果可充电颗粒14非常小且非常轻，如可充电颗粒14是原子或电子，则可充电颗粒14可以非常快速地振荡，因此，电磁波发生器10可以发射光和电磁波。在这种情况下，电磁波发生器10可以用作激光装置。例如，将多个可充电的和/或充电的气化原子填充到腔室13中以构成激光装置。在腔室13中，可以不是布置一个可充电颗粒14，而是可以布置多个可充电颗粒14。除非在腔室13中存在过多的可充电颗粒14，否则从每一个可充电颗粒14发射的电磁波或光的相位在预定范围内一致，从而提供相干的电磁波或光。

此外，即使在两个电极11和12之间施加高电压，流过电极11和12的电流也是非常弱，因此，根据本实施例的电磁波发生器10具有较小的功耗。特别是，当可充电颗粒14具有核壳结构时，会减少电流泄漏，因此可以进一步减小电磁波发生器10的功耗。

可以使用一个电磁波发生器10；然而也可以一起使用多个电磁波发生器10。图13是示出包括多个电磁波发生器10的电磁波发生器阵列100的例子电磁波发生器10示图。在图13中，电磁波发生器阵列100可以包括具有相同半径且排列成环形的多个电磁波发生器10。然而，图13中示出的排列是一个例子，多个电磁波发生器10可以以不同形式排列。当电磁波发生器阵列100中的多个电磁波发生器10相互同步工作时，可以提供大量电磁波输出。另外，多个电磁波发生器10可以个别地工作，以同时产生具有互不相同的相位和频率的电磁波。

在图13中示出的电磁波发生器阵列100中，行进到电磁波发生器10的环形阵列内的电磁波可能与从另一个电磁波发生器10产生的电磁波干扰。因此，如图13中所示，可以在环形阵列中布置柱面电磁波屏蔽膜110。在这种情况下，行进到电磁波发生器阵列100的环形阵列中的电磁波可以被屏蔽膜110阻挡。然后，朝环形阵列外部行进的电磁波保留下来，从而可以避免在多个电磁波发生器10产生的电磁波之间发生干扰。

根据上述描述，DC电压被施加到电磁波发生器10的下电极11和上电极12。然而，也可以向下电极11和上电极12施加交流（AC）电压，从而使可充电颗粒14进行复杂地运动。例如，当向下电极11和上电极12施加DC电压时，可充电颗粒14在上电极12与下电极11之间简单地往复。然而，当向下电极11和上电极12施加AC电压时，可充电颗粒14根据瞬时变化的电压而进行复杂地运动。因此，从电磁波发生器10输出的电磁波的强度和频率可以随时间发生复杂的变化。因此，通过向电磁波发生器10施加具有预定频率的AC电压，可以输出频率瞬时变化的电磁波。

可充电颗粒14的运动可被应用于制造可以以高速打开和关闭的光闸以及电磁波发生器10。图14A和图14B是根据实施例的光闸50的示意性透视图。参照图14A和图14B，光闸50包括分离地相互面对的下电极51和上电极52、布置在下电极51和上电极52之间的可充电颗粒54、以及被布置为在下电极51和上电极52之间包围可充电颗粒54的腔室53。下电极51、上电极52、腔室53和可充电颗粒54可以分别与根据前面实施例的电磁波发生器10的下电极11、上电极12、腔室13和可充电颗粒14相同。下文中，提供光闸50的附加特征。

光闸50的下电极51由不透明导电材料形成，并且在其中心部分包括开口55，光可以通过开口55传播。开口55的半径小于可充电颗粒54的半径，并且开口55的半径足够大从而能够传播光。例如，开口55的半径可以大于光的波长。在图14A和图14B中，开口55被形成为圆形；然而开口55也可以被形成为具有多边形形状。开口55可以被填充有例如透明窗，以便密封腔室53的内部空间。下电极51可以具有凹面半球表面或抛物面表面，从而使可充电颗粒54可以容易地安放到开口55上。上电极52可以由透明导电材料，例如铟锡氧化物（ITO）、铝锌氧化物（AZO）或铟锌氧化物（IZO）形成。腔室53的内壁可以被涂以反光材料。另外，腔室53本身可以由反光材料形成。

在上述结构中，当电压被施加到下电极51和上电极52时，可充电颗粒54在下电极51和上电极52之间往复。这里，如图14B中所示，当可充电颗粒54堵塞下电极51的开口55时，光不能通过光闸50传播。由于光几乎不能通过小于半波的缝隙传播，因此可充电颗粒54可以与开口55不完全适合。

此外，如图14A中所示，当可充电颗粒54从下电极51分离时，光通过光闸50传播。随着可充电颗粒54靠近上电极52，通过光闸50传播的光强度可以增加。即使当可充电颗粒54位于光路上时，光也可以通过衍射在腔室53的内壁与可充电颗粒54之间传播。如上所述，可充电颗粒54可以在下电极51和上电极52之间非常快速地往复，并且往复速度可以通过施加到下电极51和上电极52的电压来控制。因此，通过控制可充电颗粒54的运动速度，光闸50可以以期望的频率快速地打开/关闭。光闸50可以用作需要以高速操作的三维（3D）图像设备的高度光学调制器。

在本实施例中，可以通过控制可充电颗粒54的往复速度来调整通过光闸50传播的光的强度。由于人的视觉具有有限的时间分辨率，因此人眼感知的光的强度可以取决于可充电颗粒54的往复速度而变化。例如，当将可充电颗粒54在0.1秒内阻挡开口55一次的情况与可充电颗粒54在0.1秒内阻挡开口55一百次的情况进行比较时，开口55在0.1秒内被阻挡一次时可感知的光强度大于在0.1秒内被阻挡一百次时可感知的光强度。可以以上述方式实现彩色显示器。例如，通过光闸50顺序传播红色、绿色和蓝色的光，并且相对于每个颜色调整可充电颗粒54的往复速度以实现期望的颜色。这里，顺序传播是指，红光在时间段Δt内通过光闸50传播，绿光在时间段Δt内通过光闸50传播，蓝光在时间段Δt内通过光闸50传播，然后，重复地进行红光、绿光和蓝光通过关闸50的传播。可以通过在预定时间段Δt内顺序地接通/关断与红色、绿色和蓝色相对应的背光单元（未示出）中的每一个来提供红光、绿光和蓝光。可以通过在特定时间段Δt内通过光闸50传播特定颜色的光时阻挡开口55的次数，来控制特定颜色的光的强度。例如，如果在背光单元在Δt内提供绿光时阻挡开口55一次，则绿光的强度相对较强；如果在Δt内阻挡开口55一百次，则绿光的强度相对较弱。

可以通过排列多个光闸50来配置光闸阵列。图15A和图15B分别是包括多个光闸50的光闸阵列200的示意平面图和示意截面图。如图15A中所示，光闸阵列200可以包括排列成矩阵阵列的多个光闸50。一个光闸50可以开/关或调制与像素相对应的光。

图15B是沿图15A的A-A’线截取的光闸阵列200的截面图。参照图15B，上电极52可以是所有光闸50的公共电极。另一方面，下电极51可以分别布置在每个光闸50中。此外，还可以在两个邻近的下电极51之间布置不透明绝缘体56。在这种情况下，包括在光闸阵列200中的每一个光闸50可以分别打开/关闭。然而，下电极51可以是所有光闸50的公共电极。另外，图15B中示出的多个下电极51可以连接到公共电源。在这种情况下，光闸阵列200中的所有光闸50可以同时打开/关闭。

与上面描述的电磁波发生器相似，光闸还可以包括多个可充电颗粒。图16示意性地示出了根据另一个实施例的包括多个可充电颗粒的光闸60的结构。参照图16，光闸60包括相互面对的下电极62和上电极64、布置在下电极62和上电极64之间的多个可充电颗粒67、以及布置在两个电极62和64之间且包围多个可充电颗粒67的腔室65。这里，下电极62和上电极64可以是由诸如例如ITO、AZO或IZO的透明导电材料形成的透明电极。此外，可以将下电极62形成为在透明下衬底61上的平板，并且可以将上电极64形成为在透明上衬底63的下表面上的平板。然而，下衬底61和上衬底63可以省略。

腔室65可以由反射材料形成。例如，腔室65可以由反射金属形成。在这种情况下，可以在腔室65与下电极62之间布置绝缘材料66a，以便使下电极62与上电极64绝缘，并且也可以在腔室65与上电极64之间布置绝缘材料66b。然而，如果腔室65由反射性介电材料形成，则可以不形成绝缘材料66a和66b。另外，可以在由绝缘材料形成的腔室65的内壁上形成反射涂层。

可充电颗粒67也可以由反射材料形成。例如，可充电颗粒67可以是具有反射性的金属颗粒。另外，可充电颗粒67可以是具有导电核和绝缘壳的核壳型颗粒。在这种情况下，绝缘壳可以由反射材料形成，或可以在绝缘壳的表面上形成反射涂层。作为替代，可充电颗粒67可以吸收光。

在图16示出的光闸60中，当电压被施加到两个电极62和64时，可充电颗粒67如图17中所示在两个电极62和64之间往复时进行振荡。此时，通过腔室65传播的光的强度根据可充电颗粒67的振荡频率而变化，并且可充电颗粒67的振荡频率通过两个电极62和64之间的电压差来控制。例如，从背光单元发出的光通过透明下衬底61和下电极62入射到腔室65中，然后被腔室65的内壁和具有反射性的可充电颗粒67的表面反射，从而通过透明上电极64和上衬底63传播到腔室65的上部。这里，当可充电颗粒67的振荡频率，即两个电极62和64之间的电势差增加时，通过腔室65传播的光的强度也可以增加。

此外，图16中示出的光闸60作为传播/阻挡从背光单元发出的光的传播型来工作；然而，光闸60也可以作为反射/阻挡外界光（例如，日光或来自室内灯的光）的反射型来工作。例如，当可充电颗粒67的振荡频率增加时，从腔室65的上部入射并通过在可充电颗粒67和腔室65的内壁上反射而向腔室65的上部发射的光也可以增加。在这种情况下，下衬底61或下电极62可以由反射材料形成。

图16中示出的光闸60可以通过从背光单元发出特定颜色的光来实现色彩。当使用发出白光的一般的背光单元时，可以通过使用图18中示出的具有滤色器的光闸60’来实现色彩。参照图18，光闸60’可以包括布置在上衬底63上的滤色器68。除了滤色器68之外，光闸60’的其他元件和操作与图16中示出的光闸60的元件和操作相同。图18示出滤色器68布置在上衬底63上；然而，滤色器68可以布置在上电极64上而不形成上衬底63。

图19示意性地示出了根据另一个实施例的光闸70的结构。除了只有一个可充电颗粒77包括在光闸70中之外，图19的光闸70具有与图16中示出的光闸60类似的结构。此外，图19的光闸70与图16的光闸60的不同之处在于，下电极72由在其中心部分具有开口72a的不透明导电材料形成，从而可以根据可充电颗粒77的位置传播/阻挡光。此外，下衬底71、上衬底73、上电极74、腔室75、绝缘材料76a和76b以及滤色器78的结构和操作可以与参照图16和图17描述的下衬底61、上衬底63、上电极64、腔室65、绝缘材料66a和66b以及滤色器68的元件和操作相同。在图19的光闸70中，当可充电颗粒77的振荡频率增加时，通过腔室75传播的光的强度也可以随之增加。

图20示意性地示出了根据另一个实施例的光闸80的结构。在如上所述的光闸中，在垂直方向形成具有反射性的腔室内壁；然而，图20中示出的光闸80的腔室85的内壁被形成为抛物面表面。因此，腔室85的下部比腔室85的上部厚，并且在腔室85的内部具有窄的下部和宽的上部。此外，下衬底81、下电极82、上衬底83、上电极84、绝缘材料86a和86b、可充电颗粒87和滤色器88的结构和操作可以与参照图19描述的下衬底71、下电极72、上衬底73、上电极74、绝缘材料76a和76b、可充电颗粒77以及滤色器78的元件和操作相同。

在图20中示出的实施例中，从位于下部的背光单元（未示出）入射到可充电颗粒77上的光被可充电颗粒77的表面反射，并入射到腔室85的内壁。然后，光从被形成为抛物面的腔室85的内壁反射，并且可以向腔室85的上部垂直发射。因此，与大部分光不规则发射的之前的实施例相比，大部分传播的光可以沿图20中示出的光闸80向前行进。该抛物面内壁可以应用于图16和图18中示出的腔室65。

应当理解，此处描述的示例性实施例应从描述性的角度来理解，其并非出于限制的目的。每个实施例中描述的特征或方面一般应被看作可应用于其他实施例中的类似特征或方面。

Claims

1.一种电磁波发生器，包括：

分离地相互面对的第一电极和第二电极；

至少一个可充电颗粒，其布置在第一电极与第二电极之间；以及

腔室，被布置为在第一电极和第二电极之间包围可充电颗粒，

其中，当向第一电极和第二电极施加电压时，该可充电颗粒在第一电极和第二电极之间往复，以便产生电磁波，以及

其中，所述腔室被配置以使得通过可充电颗粒的往复所产生的电磁波从所述腔室内传播到所述腔室的外部。

2.如权利要求1所述的电磁波发生器，其中，该可充电颗粒被布置在腔室的内部空间中，第一电极和第二电极位于腔室的两端部分，密封腔室的内部空间，并且腔室的内部空间处于真空状态或被填充有惰性气体。

3.如权利要求1所述的电磁波发生器，还包括壳体，其包围腔室的外部部分。

4.如权利要求3所述的电磁波发生器，其中，腔室与壳体之间的空间处于真空状态。

5.如权利要求1所述的电磁波发生器，其中，腔室由绝缘材料形成，从而使第一电极与第二电极相互电绝缘，并且腔室能够传播通过可充电颗粒的运动产生的电磁波。

6.如权利要求1所述的电磁波发生器，其中，向第一电极施加第一直流DC电压，并且向第二电极施加不同于第一DC电压的第二DC电压。

7.如权利要求1所述的电磁波发生器，其中，第一电极和第二电极是扁平的，并且第一电极和第二电极的直径大于腔室的直径。

8.如权利要求1所述的电磁波发生器，其中，第一电极和第二电极具有凹形抛物面表面，并且第一电极和第二电极的抛物面表面被布置为相互面对。

9.如权利要求1所述的电磁波发生器，其中，第一电极和第二电极中的一个是扁平型电极，并且第一电极和第二电极中的另一个具有面向可充电颗粒的凹形抛物面表面。

10.如权利要求1所述的电磁波发生器，其中，可充电颗粒由被充电的导电材料形成。

11.如权利要求1所述的电磁波发生器，其中，可充电颗粒包括被充电的导电核以及包围该导电核的绝缘壳。

12.如权利要求11所述的电磁波发生器，其中，可充电颗粒是下列各项之一：不管是否向第一电极和第二电极施加电压均预先处于充电状态且保持在充电状态的颗粒；以及仅仅在向第一电极和第二电极施加电压时才被充电且当停止施加电压时放电的颗粒。

13.如权利要求11所述的电磁波发生器，其中，当向第一电极和第二电极施加电压时，在第一电极和第二电极与可充电颗粒之间产生引力。

14.如权利要求13所述的电磁波发生器，其中，施加在第一电极和第二电极与可充电颗粒之间的电力的强度F用下面的公式表示：

1

其中，

Q_T表示可充电颗粒的有效电荷，s表示第一电极与可充电颗粒之间的距离，h是第一电极与第二电极之间的距离，a是导电核的半径，b是绝缘壳的半径，E_P是在第一电极和第二电极之间产生的电场的幅度，σ₁表示导电核的电荷密度，σ₂表示绝缘壳的电荷密度，ε₀是自由空间的介电常数，κ₂是绝缘壳的介电常数，并且κ₃是腔室内可充电颗粒外部的区域的介电常数。

15.如权利要求1所述的电磁波发生器，其中，腔室是圆柱体或多边形管。

16.一种电磁波发生器阵列，包括多个如权利要求1所述的电磁波发生器。

17.如权利要求16所述的电磁波发生器阵列，其中，多个电磁波发生器排列成环形阵列。

18.如权利要求17所述的电磁波发生器阵列，还包括布置在环形阵列中的电磁波屏蔽膜。

19.如权利要求16所述的电磁波发生器阵列，其中，多个电磁波发生器相互同步地工作。