CN103064133A

CN103064133A - 产生双层等离子体光子晶体的装置和方法

Info

Publication number: CN103064133A
Application number: CN2013100315295A
Authority: CN
Inventors: 董丽芳; 申中凯; 李犇; 张新普
Original assignee: Hebei University
Current assignee: Hebei University
Priority date: 2013-01-28
Filing date: 2013-01-28
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2033-01-28
Also published as: CN103064133B

Abstract

本发明涉及一种产生双层等离子体光子晶体的装置和方法，所述装置包括：真空反应室，设置在所述真空反应室内的两个极板相对的水电极，以及与所述水电极电连接的等离子体发生电源，其特征是，在两个所述水电极之间设置有作为放电气隙边界的两个厚度不同的边框，在两个所述边框之间设置有介质板；所述边框和所述介质板分别与两个所述水电极的轴心线相垂直。本发明首次实现了具有双层等离子体光子晶体，且该双层等离子体光子晶体具有固定晶格常数比例和不同的对称性，实现了通过调节晶格对称性来调节光的传输，因此，本发明所产生的双层等离子体光子晶体具有更为广泛的应用领域和应用前景。

Description

产生双层等离子体光子晶体的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种等离子体应用技术和光学技术，具体地说是一种产生双层等离子体光子晶体的装置和方法。

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能带结构，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。

作为一种新型的光子晶体，等离子体光子晶体是由等离子体同介电材料交错排列形成的周期性结构。相比于传统的光子晶体，等离子体光子晶体的最大特点是其结构具有时空可调性，进而使其相应的光子带隙(Band gap)可调。人们可以通过调节等离子体光子晶体的晶格常数、介电常数、晶格对称性及时间周期等，改变其能带位置和宽度，进而使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。基于以上特性，近年来等离子体光子晶体在滤波器、等离子体天线、光开关以及等离子体隐身等众多电磁波控制领域具有广泛的应用，受到人们的广泛关注。

在先专利ZL200610102333.0及ZL201010523218.7通过调节实验条件实现了具有三种和四种折射率的等离子体光子晶体，但是它们都只能是产生单层等离子体光子晶体的装置，而单层等离子体光子晶体对光的调制在波段范围上仍然有很大的限制，而且由于调制方式单一，因而在应用领域和应用前景方面也就受到一定的限制。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种产生双层等离子体光子晶体的装置，以克服单层等离子体光子晶体存在的技术缺陷，实现通过调节晶格对称性来调节光的传输。

本发明的目的之二就是提供一种产生双层等离子体光子晶体的方法，以产生具有四边形和六边形两种对称性的双层等离子体光子晶体。

本发明的目的之一是这样实现的：一种产生双层等离子体光子晶体的装置，包括：真空反应室，设置在所述真空反应室内的两个极板相对的水电极，以及与所述水电极电连接的等离子体发生电源，在两个所述水电极之间设置有作为放电气隙边界的两个厚度不同的边框，在两个所述边框之间设置有介质板；所述边框和所述介质板分别与两个所述水电极的轴心线相垂直。

两个所述边框为厚度在0.1~20mm之间的正方形玻璃框，所述介质板为厚度在0.1~5mm之间的石英介质板。

两个所述边框的厚度分别为2.4mm和1.2mm，所述石英介质板的厚度为1mm。

在所述真空反应室内注有放电气体，所述放电气体为气压可调的空气，或者是空气与氩气按任意比例组成的混合气体。

所述真空反应室内的放电气体的气压为0.2~0.5Pa。

本发明通过在两水电极之间设置有两个厚度不同的边框作为放电气隙的边界，并用介质板将放电气隙分为两层，两层放电气隙均产生放电丝，这些放电丝有序的排列形成双层等离子体光子晶体。由于不同厚度的放电气隙中产生的光子晶体的晶格常数不同，再通过介质板两侧壁电荷的耦合作用，使两种不同晶格常数的等离子体光子晶体产生对应关系，从而形成固定晶格常数比例的双层等离子体光子晶体。

在所产生的双层等离子体光子晶体中，由于等离子体柱和未放电区域对光的折射率不同，因而实现了两种不同折射率的周期性排列。由于等离子体通道内的电子密度均在10¹⁵ cm^?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能带结构。落入禁带内的某些频率的光将不能透射，从而起到光调制的作用。在双层等离子体光子晶体中，两层光子晶体可以分别调制光束，也可以共同调制一条斜入射穿过两层光子晶体的光束。

本发明的目的之二是这样实现的：一种产生双层等离子体光子晶体的方法，包括以下步骤：

a、设置一个真空反应室，并在所述真空反应室内设置两个极板相对的水电极，将所述水电极与等离子体发生电源电连接；

b、在两个所述水电极之间设置作为放电气隙边界的两个厚度不同的边框，在所述边框之间设置介质板，所述边框和所述介质板分别与两个所述水电极的轴心线相垂直；

c、闭合开关，等离子体发生电源作用于两个所述水电极，即可在两个所述水电极之间产生双层等离子体光子晶体。

所述真空反应室内的放电气体的气压为0.2~0.5Pa。

本发明产生双层等离子体光子晶体的装置和方法，可以产生具有四边形和六边形两种对称性的双层等离子体光子晶体，首次实现了具有不同对称性的双层等离子体光子晶体，首次实现了通过不同对称性的光子晶体调制光束。本发明既可以通过其中一层光子晶体来调制光束，也可以通过两层光子晶体来共同调制光束，从而实现了对光束调制的多样化，同时拓宽了调制光束的波段。用此种方法制作的光调制器，将有更为广泛的应用领域和应用前景。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明所产生的双层等离子体光子晶体的斑图照片。

图3是本发明所产生的双层等离子体光子晶体的端视图。

图4是本发明所产生的双层等离子体光子晶体调制光线的三种方案的侧视图。

图中：1、真空反应室，2、水电极，3、等离子体发生电源，4、边框，5、介质板，6、铜环7、玻璃挡片。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本发明产生双层等离子体光子晶体的装置是在一个横置的圆筒形的真空反应室1中对称设置两个密闭电介质容器，在密闭电介质容器注有水，构成两个极板相对的水电极2。两个水电极2与等离子体发生电源3电连接。水电极2也可采用有机玻璃管、两边用玻璃挡片7封住，注满水并内置有铜环6，等离子体发生电源3的电源线连接在铜环6上。玻璃挡片7的厚度在0.1~5mm之间，作为放电介质。在真空反应室1的壁体上开有入气口和出气口。

在两个水电极2之间设置有两个厚度不同的边框4，作为放电气隙的边界，边框4厚度在0.1mm~20mm之间。在两个边框4之间设置有介质板5，将放电间隙分隔成厚度不同的两层，放电气隙可根据需要进行调节。为了提高抗击穿能力，介质板5可采用厚度在0.1~5mm之间的石英玻璃片。介质板5和两个边框4分别与两个水电极2的轴心线相垂直。

在真空反应室1内注有放电气体，放电气体为气压可调的空气，或者是空气与氩气按任意比例组成的混合气体。为了产生多种等离子体柱点阵结构，以避免出现弥散放电，最好采用空气为放电气体，气压设置在0.2~0.5Pa之间。相比较其他混合放电气体来说，使用空气作为放电气体，充气更加方便，成本更低。

等离子体的电压幅度在4.5~6.0kV之间，频率为60kHz。

更为优选的方案是：两个边框4采用厚度分别为2.4mm和1.2mm的正方形玻璃框，石英介质板5的厚度为1mm，玻璃挡片7的厚度为1.5mm，等离子体的电压幅度为5.2kV，真空反应室1内的气压p=0.3Pa。

在此优选的方案下，打开等离子体发生电源3开关，产生等离子体放电现象，两水电极2之间为放电气隙，介质板5将放电间隙分隔两个放电气隙。分布在厚边框4与介质板5的放电气隙（即厚放电气隙）处为排列成矩形对称性的光子晶体，分布在薄边框4与介质板5的放电气隙（即薄放电气隙）处为排列成六边形对称性的光子晶体，可以分别调制处在其禁带频率的光波，在工业领域具有广泛的应用前景。

实施例2：

本发明产生具有双层等离子体光子晶体的方法是：设置一个真空反应室1，在其壁体上开设入气口和出气口，并在该真空反应室1内设置两个极板相对的水电极2，该水电极2采用两边用玻璃挡片7封住并注满水的有机玻璃管，并内置铜环6与等离子体发生电源3电连接。其中，水作为电极，厚度在0.1~5mm之间的玻璃挡片7作为放电介质。在两个水电极2之间设置有两个厚度不同的边框4作为放电气隙的边界，该边框4厚度在0.1mm~20mm之间。在边框4之间设置介质板5，将放电间隙隔成厚度可调的两层。为了提高抗击穿能力，该介质板5采用厚度在0.1~5mm之间的石英介质板5。

两边框4和两介质板5分别与两个水电极2的轴心线相垂直。

在真空反应室1内注有放电气体，放电气体为气压可调的空气，或者是空气与氩气按任意比例组成的混合气体。为了产生多种等离子体柱点阵结构以避免出现弥散放电，可采用空气为放电气体，并将气压设置在0.2~0.5Pa之间。相比较空气和氩气的混合体来说，充气更加方便，同时降低了本发明的成本。

等离子体的电压幅度在4.5~6kV之间，频率为60kHz。

打开等离子体发生电源3，进行放电操作，在放电间隙处，在两个水电极2之间产生固定晶格常数比例的双层等离子体光子晶体。

当两边框4形状和厚度，介质板5的厚度，放电气体组分和气压，以及等离子体发生电源3的幅值和频率发生变化时，所产生的双层等离子体光子晶体的参数也相应发生变化，产生不同的斑图照片。

更为优选的方案：两边框4采用厚度分别为2.4mm和1.2mm正方形玻璃框，石英介质板5厚度为1mm，玻璃挡片7厚度为1.5mm，等离子体的电压幅度为5.2kV，真空反应室1内的气压p=0.3Pa。

在此优选的方案下，本发明所产生的双层等离子光子晶体具有四边形和六边形两种对称性，其双层等离子体柱的斑图照片如图2所示，其中，亮点排列为矩形，亮点周围有六个暗点排列成六边形。

在此优选的方案下，本发明所本发明所产生的双层等离子体柱的端视和侧视图如图3所示和图4所示，由于在亮点的位置处，两层放电气隙都有等离子体柱，即在介质板5左右两端位置处均产生等离子体放电，以形成的四边形排列方式的亮点。在该亮点周围，仅在薄放电气隙处有等离子体柱，即在介质板5一侧产生的放电丝，形成视觉上的六边形排列方式的暗点。

本发明所产生的双层等离子体光子晶体对光束的调制可以通过其中某层来调制，也可以通过两层共同调制，所以改变光的入射角和入射位置可以得到不同的调制结果，从而实现了对光束调制的多样化，同时拓宽了调制光束的波段。由此，一束光从不同方向及不同部位射入该装置，会得到不同的调制，从而得到至少三种不同频率范围的出射光。如图4所示，双层等离子体光子晶体对光的三种不同的调制方式包括有：A为只通过薄放电气隙层调制的光线，B为通过薄厚两层放电气隙联合调制光线，C为只通过厚放电气隙层调制的光线。

Claims

1.一种产生双层等离子体光子晶体的装置，包括：真空反应室，设置在所述真空反应室内的两个极板相对的水电极，以及与所述水电极电连接的等离子体发生电源，其特征是，在两个所述水电极之间设置有作为放电气隙边界的两个厚度不同的边框，在两个所述边框之间设置有介质板；所述边框和所述介质板分别与两个所述水电极的轴心线相垂直。

2.根据权利要求1所述的产生双层等离子体光子晶体的装置，其特征是，两个所述边框为厚度在0.1~20mm之间的正方形玻璃框，所述介质板为厚度在0.1~5mm之间的石英介质板。

3.根据权利要求2所述的产生双层等离子体光子晶体的装置，其特征是，两个所述边框的厚度分别为2.4mm和1.2mm，所述石英介质板的厚度为1mm。

4.根据权利要求1所述的产生双层等离子体光子晶体的装置，其特征是，在所述真空反应室内注有放电气体，所述放电气体为气压可调的空气，或者是空气与氩气按任意比例组成的混合气体。

5.根据权利要求4所述的产生双层等离子体光子晶体的装置，其特征是，所述真空反应室内的放电气体的气压为0.2~0.5Pa。

6.一种产生双层等离子体光子晶体的方法，其特征是，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的产生双层等离子体光子晶体的装置，其特征是，两个所述边框为厚度在0.1~20mm之间的正方形玻璃框，所述介质板为厚度在0.1~5mm之间的石英介质板。

8.根据权利要求7所述的产生双层等离子体光子晶体的装置，其特征是，两个所述边框的厚度分别为2.4mm和1.2mm，所述石英介质板的厚度为1mm。

9.根据权利要求6所述的产生双层等离子体光子晶体的装置，其特征是，在所述真空反应室内注有放电气体，所述放电气体为气压可调的空气，或者是空气与氩气按任意比例组成的混合气体。

10.根据权利要求9所述的产生双层等离子体光子晶体的装置，其特征是，所述真空反应室内的放电气体的气压为0.2~0.5Pa。