CN103728674B - 一种同时产生人工和自组织复合等离子体光子晶体的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同时产生人工和自组织复合等离子体光子晶体的装置和方法，包括有：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，在其中一个所述水电极靠近中心的放电介质板内壁粘有聚乙烯板，并且所述聚乙烯板上刻蚀有呈矩形阵列排布的圆孔，在两个所述水电极之间设置有作为放电边界的玻璃边框。本发明通过用绝缘胶把带有方形圆孔阵列的聚乙烯板与放电介质板内壁粘在一起形成网格化的放电介质板，改变了外加电压的幅度及频率、放电气隙气压以及氩气的含量等放电条件，能够产生人工和自组织复合等离子体光子晶体结构具有更多样的等离子体，具有更长的使用寿命和更简便的操作过程。

Description

一种同时产生人工和自组织复合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，具体地说是一种同时产生人工和自组织复合等离子体光子晶体的装置和方法。

背景技术

光子晶体是把不同介电常数的材料呈周期性排列的一种人工晶体，它的特点主要包括光子禁带和光子局域化。由于光子晶体具有能带和带隙结构，使得某些频率的电磁波不能在其中传播，从而形成了光子禁带。通过对光子晶体的设计，人们实现了对电磁波的控制。基于以上特性，光子晶体已经在许多领域得了的广泛应用，如光子晶体偏振器、光子晶体波导、光开关、滤波器等。

作为一种新型的光子晶体，等离子体光子晶体是等离子体与其他介电材料周期性排列而成的一种新型可调光子晶体。它既具有光子晶体的一般特点又有自己独特的性质，如具有时空可调性和强色散关系。人们可以通过调节等离子体光子晶体的不同时空参数，包括晶格常数、介电常数、晶格对称性、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可调滤波器、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。

通常产生等离子体光子晶体的方法主要有两种：一种是利用固体电极阵列来产生等离子体光子晶体，但是这种电极结构的晶格常数是固定的，且其使用寿命较短，很难实现对电磁波的长时间、稳定可靠地调控。另外一种是利用介质阻挡放电中的自组织斑图来产生等离子体光子晶体，这种方法可以克服固体电极的不足。但由于其晶格常数随实验参数变化范围较大，不易精确调控。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种同时产生人工和自组织复合等离子体光子晶体的装置，以克服单一结构等离子体光子晶体存在的技术缺陷，实现通过在固定晶格常数基础上控制自组织晶格常数来调节光的传输。

本发明的目的之二就是提供同时产生人工和自组织等离子体光子晶体的方法，以产生由人工等离子体柱和自组织等离子体柱形成的复合等离子体光子晶体。

本发明的目的之一是这样实现的：一种同时产生人工和自组织复合等离子体光子晶体的装置，包括有：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，在其中一个所述水电极靠近中心的放电介质板内壁粘有聚乙烯板，在所述聚乙烯板上刻蚀有呈矩形阵列排布的圆孔，在两个所述水电极之间设置有作为放电边界的玻璃边框。

所述聚乙烯板厚度为0.1~2mm，所述圆孔直径为0.1~2mm，所述圆孔之间的间隔为1~7mm，所述玻璃边框的厚度为0.1~2mm。

所述聚乙烯板厚度为1mm，所述圆孔直径为1mm，所述圆孔之间的间隔为5mm，所述玻璃边框的厚度为1.7mm。

在所述真空反应室内注有放电气体，所述放电气体为空气与氩气组合成的混合气体，所述放电气体的气压可调。

所述真空反应室的放电气体中的氩气含量为混合气体的30~70%，所述放电气体气压为0.2×10⁵~0.5×10⁵Pa。

本发明通过把带有矩形阵列排布圆孔的聚乙烯板与水电极中靠近中心的放电介质板内壁用绝缘胶粘在一起，形成网格化的放电介质板，通过调节放电条件，获得可精确调节的、由人工等离子体柱、自组织等离子体柱以及未放电区域形成的、具有三种折射率的复合等离子体光子晶体。由于复合等离子体光子晶体中的人工等离子体柱和自组织等离子体柱，以及未放电区域的电子密度，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。该等离子体光子晶体中的自组织等离子体柱的晶格常数精确可调，由于该放电电极透明以及等离子体光子晶体本身发光，因此可直接采集不同等离子体的发射光谱，并进一步对电子密度进行计算。

本发明通过用绝缘胶把带有方形圆孔阵列的聚乙烯板与放电介质板内壁粘在一起形成网格化的放电介质板，改变了外加电压的幅度及频率、放电气隙气压以及氩气的含量等放电条件，能够产生人工和自组织复合等离子体光子晶体结构具有更多样的等离子体，具有更长的使用寿命和更简便的操作过程。这种新型结构将为等离子体光子晶体更为广泛的应用提供技术和理论支持。由本发明中的装置结构简单、使用方便、制作简易、易维护，且在工业领域具有广泛的应用前景。此外，由于该复合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。即在没有放电产生时，所有频率的光都可以通过，而在放电条件合适时，形成复合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。

本发明的目的之二是这样实现的：一种同时产生人工和自组织复合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相连；

b、在其中一个所述水电极靠近中心的放电介质板内壁粘有聚乙烯板，并且所述聚乙烯板上刻蚀有呈矩形阵列排布的圆孔；

c、在两个所述水电极之间设置有作为放电边界的玻璃边框；

d、打开电源，等离子体发生电源作用于两个水电极，即可在两个所述水电极之间产生人工等离子体光子晶体和自组织等离子体光子晶体。

所述聚乙烯板厚度为0.1~2mm，所述圆孔直径为0.1~2mm，所述圆孔之间的间隔为1~7mm，所述玻璃边框的厚度为0.1~2mm。

所述聚乙烯板厚度为1mm，所述圆孔直径为1mm，所述圆孔之间的间隔为5mm，所述玻璃边框的厚度为1.7mm。

在所述真空反应室内注有放电气体，所述放电气体为空气与氩气组合成的混合气体，所述放电气体的气压可调。

所述真空反应室的放电气体中的氩气含量为混合气体的30~70%，所述放电气体气压为0.2×10⁵~0.5×10⁵Pa。

本发明首次产生了人工等离子体光子晶体和自组织等离子体光子晶体共存的复合等离子体光子晶体，通过在固定晶格常数基础上产生可调晶格常数的自组织等离子体光子晶体，实现了对自组织光子晶体晶格常数的精确调控，达到了控制光传输的目的。因此，本发明所产生的人工和自组织共存的复合等离子体光子晶体具有更为广泛的应用领域和应用前景。本发明中同时产生人工和自组织复合等离子体光子晶体的方法，放电条件无需多次改变，在放电参数包括氩气的含量、装置内的气压以及外加电压的频率和幅度等不变的情况下，即可获得这种产生人工和自组织复合的等离子体光子晶体。

附图说明

图1是本发明同时产生人工和自组织复合等离子体光子晶体装置的结构示意图。

图2是所用聚乙烯板的结构示意图。

图3是本发明所产生的人工等离子体光子晶体的斑图照片。

图4是本发明所产生的人工等离子体柱和自组织等离子体柱共存的复合等离子体光子晶体斑图照片。

图中：1、真空反应室，2、水电极，3、等离子体发生电源，4、玻璃边框，5、放电介质板，6、聚乙烯板，7、进气口，8、出气口，9、气压表。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本发明同时产生人工和自组织复合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，在密闭电介质容器内注入水，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相连接。水电极2采用两边用玻璃挡板作为放电介质板5封住并注满水的有机玻璃管。等离子体发生电源3的电源线分别连接在两个水电极2内部。在真空反应室1的壁体上开有进气口7和出气口8，在真空反应室1内上还设置有气压表9，以便于观察和调整真空反应室1内的气压。

在其中一个水电极2靠近中心的放电介质板5的内壁上粘贴有聚乙烯板6，在该聚乙烯板6上刻蚀有呈矩形阵列排布的圆孔，如图2所示。其中，该聚乙烯板6厚度在为0.1~2mm之间，圆孔的直径在0.1~2mm之间，圆孔之间的间隔在1~7mm。在两个水电极2之间设置有作为放电边界（即放电气隙厚度）的玻璃边框4，该玻璃边框4的厚度为0.1~2mm。

在真空反应室1内注有放电气体，放电气体为气压可调的混合气体。该混合气体为空气和氩气的混合气体，氩气的含量占总混合气体的30~70%，放电气体的气压设置在0.2×10⁵~0.5×10⁵Pa之间。等离子体电压的幅度2.0~5.0kV之间，频率在50~60kHz之间。

更为优选的是：该聚乙烯板6厚度为1mm，圆孔的直径为1mm，圆孔之间的间隔为5mm，玻璃边框4的厚度为1.7mm。氩气的含量占总混合气体的50%，气体压强p=0.3×10⁵Pa，电源频率f=55kHz。

在此优选方案下，打开等离子体发生电源3，当外加电压U=2.40kV时，进行放电操作，首先在放电介质板5上圆孔的位置放电产生等离子体，如图3所示，形成按照四边形排列的人工等离子体柱光子晶体。

然后逐渐增加电压，在四个人工等离子体柱的中间逐渐产生新的自组织等离子体柱光子晶体。

当外加电压增加到U=4.11kV时，如图4所示，放电将产生四边形人工等离子体柱（小亮点）和四边形自组织等离子体柱（大暗点）共存的状态，这两种等离子体与未放电区域周期性的排列形成复合等离子体晶体结构。其中，这种复合等离子体光子晶体结构可方便地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。

实施例2：

参考图1所示，本发明同时产生人工和自组织复合等离子体光子晶体的方法是：设置一个真空反应室1，在其壁体上开设进气口7和出气口8，在真空反应室1内上还设置有气压表9，以便于观察和调整真空反应室1内的气压。在真空反应室1内设置两个极板相对的水电极2，该水电极2采用两边用玻璃挡板作为放电介质板5封住并注满水的有机玻璃管，两个水电极2与等离子体发生电源3相连接。其中，水作为电极，玻璃挡板作为放电介质，

在其中一个水电极2靠近中心的放电介质板5内壁用绝缘胶粘有聚乙烯板6，在该聚乙烯板6上刻蚀有呈矩形阵列排布的圆孔。其中，该聚乙烯板6的厚度在0.1~2mm之间，圆孔的直径在0.1~2mm之间，圆孔之间的间隔在1~7mm。聚乙烯板6粘贴在相对放电介质板5的内侧，直接与水电极2中的水接触。在两个水电极2之间设置有作为放电边界（即放电气隙厚度）的玻璃边框4，该玻璃边框4的厚度为0.1~2mm。

在真空反应室1内注有放电气体，放电气体为气压可调的混合气体。该混合气体为空气和氩气的混合气体，氩气的含量占总混合气体的30~70%，放电气体的气压设置在0.2×10⁵~0.5×10⁵Pa之间。等离子体电压的幅度2.0~5.0kV之间，频率在50~60kHz之间。

更为优选的是：该聚乙烯板6厚度为1mm，圆孔的直径为1mm，圆孔之间的间隔为5mm，玻璃边框4的厚度为1.7mm。氩气的含量占总混合气体的50%，气体压强p=0.3×10⁵Pa，电源频率f=55kHz。

在此优选方案下，打开等离子体发生电源3，当外加电压U=2.40kV时，进行放电操作，首先在放电介质板5上圆孔的位置放电产生等离子体，如图3所示，形成按照四边形排列的人工等离子体柱光子晶体。

然后逐渐增加电压，在四个人工等离子体柱的中间逐渐产生新的自组织等离子体柱。

当外加电压增加到U=4.11kV时，如图4所示，放电将产生四边形人工等离子体柱（小亮点）和四边形自组织等离子体柱（大暗点）共存的状态，这两种等离子体与未放电区域周期性的排列形成复合等离子体晶体结构。其中，这种复合等离子体光子晶体结构可方便地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。

Claims (10)

1.一种同时产生人工和自组织复合等离子体光子晶体的装置，包括有：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，在其中一个所述水电极靠近中心的放电介质板的内壁上粘有聚乙烯板，在所述聚乙烯板上刻蚀有呈矩形阵列排布的圆孔，在两个所述水电极之间设置有作为放电边界的玻璃边框；在形成人工等离子体光子晶体以后增加电压，以形成自组织等离子体光子晶体。

2.根据权利要求1 所述的同时产生人工和自组织复合等离子体光子晶体的装置，其特征是，所述聚乙烯板厚度为0.1~2mm，所述圆孔直径为0.1~2mm，所述圆孔之间的间隔为1~7mm，所述玻璃边框的厚度为0.1~2mm。

3.根据权利要求2 所述的同时产生人工和自组织复合等离子体光子晶体的装置，其特征是，所述聚乙烯板厚度为1mm，所述圆孔直径为1mm，所述圆孔之间的间隔为5mm，所述玻璃边框的厚度为1.7mm。

4.根据权利要求1 所述的同时产生人工和自组织复合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，所述放电气体为空气与氩气组合成的混合气体，所述放电气体的气压可调。

5.根据权利要求书4 所述的同时产生人工和自组织复合等离子体光子晶体的装置，其特征是，所述真空反应室的放电气体中的氩气含量为混合气体的30~70%，所述放电气体气压为0.2×10⁵~0.5×10⁵Pa。

6.一种同时产生人工和自组织复合等离子体光子晶体的方法，其特征是，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相连；

b、在其中一个所述水电极靠近中心的放电介质板内壁粘有聚乙烯板，并且所述聚乙烯板上刻蚀有呈矩形阵列排布的圆孔；

c、在两个所述水电极之间设置有作为放电边界的玻璃边框；

d、打开电源，等离子体发生电源作用于两个水电极，首先在两个所述水电极之间产生人工等离子体光子晶体，之后增加电压，在两个所述水电极之间形成自组织等离子体光子晶体。

7.根据权利要求6 所述的同时产生人工和自组织复合等离子体光子晶体的方法，其特征是，所述聚乙烯板厚度为0.1~2mm，所述圆孔直径为0.1~2mm，所述圆孔之间的间隔为1~7mm，所述玻璃边框的厚度为0.1~2mm。

8.根据权利要求7 所述的同时产生人工和自组织复合等离子体光子晶体的方法，其特征是，所述聚乙烯板厚度为1mm，所述圆孔直径为1mm，所述圆孔之间的间隔为5mm，所述玻璃边框的厚度为1.7mm。

9.根据权利要求6 所述的同时产生人工和自组织复合等离子体光子晶体的方法，其特征是，在所述真空反应室内注有放电气体，所述放电气体为空气与氩气组合成的混合气体，所述放电气体的气压可调。

10.根据权利要求书9所述的同时产生人工和自组织复合等离子体光子晶体的方法，其特征是，所述真空反应室的放电气体中的氩气含量为混合气体的30~70%，所述放电气体气压为0.2×10⁵~0.5×10⁵Pa。