CN103353625A

CN103353625A - 产生具有渐变折射率的等离子体光子晶体的方法

Info

Publication number: CN103353625A
Application number: CN2013103218583A
Authority: CN
Inventors: 董丽芳; 刘伟波; 王永杰; 贺亚峰; 李雪辰
Original assignee: Hebei University
Current assignee: Hebei University
Priority date: 2013-07-29
Filing date: 2013-07-29
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2033-07-29
Also published as: CN103353625B

Abstract

本发明公开了一种产生具有渐变折射率的等离子体光子晶体的方法，其采用的放电装置包括密闭容器以及在所述密闭容器内安装的两个水电极，在所述两水电极之间设置有正方形放电边界，两放电边界之间形成放电间隙，在所述密闭容器的壁体上开有进气口和出气口，放电装置还包括密闭容器气压调节装置。放电条件为：外加电压5-6kV、频率为57-59kHz，放电气体为98.5%-99.9%Ar、其余为空气，气隙气压自1.0atm下降至0.8atm。本发明的方法产生的具有渐变折射率的等离子体光子晶体结构在工业领域有着更为广泛的应用。

Description

产生具有渐变折射率的等离子体光子晶体的方法

技术领域

本发明涉及等离子体技术领域，具体地说涉及一种产生具有渐变折射率的等离子体光子晶体的方法。

背景技术

等离子体光子晶体，是由等离子体自身密度的周期性分布或者同其它介电材料交错周期性排列而形成的一种新型可调光子晶体。与传统光子晶体相比，等离子体光子晶体具有反常折射、时变动态可控等特殊性质。人们可以很容易的对等离子体光子晶体的不同时空参数，如晶格常数、介电常数、结构对称性、填充比等进行时空调制，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，等离子体光子晶体可以被应用在等离子体天线、光开关以及等离子体隐身等众多电磁波控制领域，具有广泛的应用前景。

本申请人的在先专利CN200610102333.0采用双水电极介质阻挡放电装置实现了三种折射率周期性排列的超晶格等离子体光子晶体，本申请人的另一在先专利CN201010523218.7实现了四种折射率周期性排列的超晶格等离子体光子晶体。这些等离子体光子晶体均为不同折射率交替排列构成超晶格等离子体光子晶体，且对称性一般为四边形或六边形等简单对称性。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种产生具有渐变折射率的等离子体光子晶体的方法，所述具有渐变折射率的等离子体光子晶体在电磁波控制领域及其它工业领域可以有更广泛的应用。

本发明的目的是这样实现的：

产生具有渐变折射率的等离子体光子晶体的方法，其采用的放电装置包括密闭容器以及在所述密闭容器内安装的两个水电极，在所述两水电极之间设置有正方形放电边界，两放电边界之间形成放电间隙，在所述密闭容器的壁体上开有进气口和出气口，放电装置还包括密闭容器气压调节装置。

所述产生具有渐变折射率的等离子体光子晶体的方法，放电条件为：放电间隙的厚度为2.0mm，外加电压5-6kV、频率为57-59kHz，放电气体为98.5%-99.9%Ar、其余为空气，气隙气压自1.0atm下降至0.8atm。

所述的产生具有渐变折射率的等离子体光子晶体的方法，放电条件优选为：放电间隙厚度2.0mm，外加电压5.8kV、频率58kHz，氩气含量99%，气隙气压自1.0atm下降至0.8atm。

所述的产生具有渐变折射率的等离子体光子晶体的方法中，所述密闭容器气压调节装置由泄压阀和升压阀及压力显示仪表组成。

本发明在改变放电间隙、外加电压幅度及频率以及氩气的含量等放电条件的同时，增加气压调节装置，将气隙气压自1.0atm调低至0.8atm，得到了由等离子体片、粗等离子体柱以及折射率随位置变化的细等离子体柱构成的复杂结构超晶格等离子体光子晶体。本发明创造性的提出通过调节气压来实现对等离子体光子晶体不同时空参数的调制，为等离子体光子晶体的获得和调制提供新的设计思路和理论支持。该等离子体光子晶体折射率具有渐变的特征，具有更广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的放电装置的结构示意图。

图2是通过调低气压，产生具有渐变折射率的等离子体光子晶体的过程。

图2中,图2a是气压值=1.0atm时，所产生的具有三种折射率的等离子体光子晶体的图片；

图2b是气压值=0.9atm时，所产生的等离子体光子晶体的图片，此时属过渡阶段；

图2c是气压值=0.8atm时，所产生的具有渐变折射率的等离子体光子晶体的图片。

图3中,图3a与图2c等同。

图3b是图3a的正视示意图。

图4是图3中所示的A、B、C不同位置细等离子体柱光谱线的频移对比图。

具体实施方式

图1所示，本发明所用的水电极介质阻挡放电装置包括密闭容器以及在所述密闭容器内安装的两个水电极（在储装有水或其它液体2的容器内插置水电极引线5而成），在所述两水电极之间设置有石英玻璃电介质制的正方形放电边界6，两放电边界6之间形成放电间隙7，在所述密闭容器的壁体上开有进气口3和出气口4。本发明增设了密闭容器气压调节装置1，通过气压调节装置改变密闭容器内即放电气隙的气压。该气压调节装置由泄压阀和升压阀及压力显示仪表组成。其中泄压阀接真空泵，控制气压的降低，升压阀与配比好了的为Ar含量为 98.5%-99.9%，其余为空气的压缩气体相接，控制气压的升高。通过显示仪表显示具体气压值。本气压调节装置中的泄压阀和升压阀均可采用手控或电控的控制方式。

利用上述放电装置，放电条件如下：放电间隙的厚度为2.0mm，外加电压U=5.8kV, 频率f＝58kHz，氩气含量为99%、其余为空气，气压为1.0 atm。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。通过调节气压调节装置，减小容器及放电气隙内的气压值。当气压自1.0 atm 经0.9 atm 降至0.8atm时，产生的等离子体光子晶体如图2所示。图2中2a、2b、2c三个图依次是气压值为1.0atm，0.9atm， 0.8atm三个压力值时所产生的等离子体光子晶体的图片。由图2a、图2b、图2c可以看出，其当气压值为1.0atm时，放电产生具有三种折射率的等离子体光子晶体；当气压值降至0.9atm时，放电产生的等离子体光子晶体处于过渡阶段；当气压值继续下降至0.8atm，即可产生具有渐变折射率的等离子体光子晶体。

图2所示，随着气压减小，边界处仍为粗等离子体柱，而中间的粗等离子体柱会渐变为等离子体片。同时原先均匀一致的细等离子体柱也变得不再相同，从图2c中可看到不同位置的细等离子体柱亮度不同。通过测量等离子体发射光谱，利用ArI（2P2→1S5）光谱中的Stark展宽和频移估算电子密度，发现不同位置的细等离子体柱电子密度均不同，从而得到了具有渐变折射率的等离子体光子晶体结构。该方法可方便地改变等离子体光子晶体的带隙结构，从而达到选择哪些频率的光被晶体禁止进而来控制光的传播的目的。

在图3a所示的晶体照片和图3b所示的示意图中，边缘的粗等离子体柱与中间的等离子体片构成明显不同的等离子体结构。细等离子体柱根据其所处位置的不同，其折射率也发生变化，形成周期性分布的渐变折射率光子晶体。

图3a、3b中，相同折射率的细等离子体柱用相同的符号标记。A、B、C代表位于等离子体光子晶体不同位置的细等离子体柱（为便于区别，图3b中分别以圆点、三角形和五角形标注）；

D、位于等离子体光子晶体边缘的粗等离子体柱；

E、等离子体片；

F、等离子体片交叉点产生的等离子体柱；

G、无放电发生的区域。

等离子体电子密度不同，对光的折射也不同。利用ArI（2P2→1S5）光谱中的Stark展宽和频移对晶体中不同位置处的细等离子体柱电子密度进行测定。测量结果表明不同位置细等离子体柱的电子密度均不相同，由内向外呈周期性渐变排列。中心处的细等离子体柱（以五角形标记）电子密度最小，四个角上的细等离子体柱（以圆形标记）电子密度最大。它们和四周的等离子体片，以及边缘更粗的等离子体柱，未放电区域自组织形成这种具有复杂的渐变折射率等离子体光子晶体。

图4所显示的图3中A、B、C各处细等离子体柱光谱线的频移对比图表明，这三处细等离子体柱的电子密度由大到小依次是A、B、C。根据介电常数公式：，其中

，可知不同的电子密度对应不同的介电常数，从而进一步对应不同的折射率。不同位置的细离子体柱分别对应不同折射率，它们和粗等离子体柱、等离子体片及未放电区域自组织形成具有渐变折射率的复杂等离子体光子晶体。

本发明的方法产生具有渐变折射率的等离子体光子晶体结构，该等离子体光子晶体结构具有更为复杂多样的等离子体通道，为等离子体光子晶体的研究提供了更为广阔的空间；本发明的方法首次提出通过改变气压来实现对等离子体光子晶体时空参数的调制，为等离子体光子晶体的发展提供了新的思路；本发明中所用的放电装置在参数调节上更加多样化，增加气压调节装置后，可通过调节电压、气压等控制参量获得更多更复杂的等离子体光子晶体，有望在工业应用中产生重要的作用。

本发明列举的实施例旨在更进一步地阐明这种产生具有渐变折射率的等离子体光子晶体的方法和改进了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。

Claims

1.一种产生具有渐变折射率的等离子体光子晶体的方法，其采用的放电装置包括密闭容器以及在所述密闭容器内安装的两个水电极，在所述两水电极之间设置有正方形放电边界，两放电边界之间形成放电间隙，在所述密闭容器的壁体上开有进气口和出气口，其特征在于，放电装置还包括密闭容器气压调节装置。

2.根据权利要求1所述的产生具有渐变折射率的等离子体光子晶体的方法，其特征在于，放电条件为：放电间隙的厚度为2.0mm，外加电压5-6kV、频率为57-59kHz，放电气体为98.5%-99.9%Ar、其余为空气，气隙气压自1.0atm下降至0.8atm。

3.根据权利要求2所述的产生具有渐变折射率的等离子体光子晶体的方法，其特征在于，放电条件为：放电间隙厚度2.0mm，外加电压5.8kV、频率58kHz，氩气含量99%，气隙气压自1.0atm下降至0.8atm。

4.根据权利要求1所述的产生具有渐变折射率的等离子体光子晶体的方法，其特征在于，所述密闭容器气压调节装置由泄压阀和升压阀及压力显示仪表组成。