CN105223648B - 一种产生三层等离子体光子晶体的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种产生三层等离子体光子晶体的装置和方法。该装置包括真空反应室、安装在所述真空反应室内的两个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并排设置有三个作为放电间隙边界的厚度各不相同的边框，在相邻两个边框之间设置有介质板；所述边框和介质板分别与两个水电极的轴心线相垂直。采用本发明中的装置，首次实现了具有不同对称性的三层等离子体光子晶体。三层等离子体光子晶体，既可以通过其中的一层等离子体光子晶体来调制光束，也可以通过相邻的两层等离子体光子晶体来共同调制光束，还可以通过三层等离子体光子晶体来共同调制光束，因此本发明对光束的调制更加多样化，拓宽了调制光束的波段。

Description

一种产生三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三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ZL201010523218.7及ZL201310031529.5等通过调节实验条件实现了多种折射率的单层及双层的等离子体光子晶体。但是他们对光的调制在波段上仍然具有很大的限制，而且调制方式不够广泛，因而在应用领域和应用前景方面受到一定的限制。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种产生三层等离子体光子晶体的装置，采用该装置可产生具有不同对称性的三层等离子体光子晶体，实现了通过调节晶格的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三层等离子体光子晶体的方法，以产生具有不同对称性的三层等离子体光子晶体，且所产生的三层等离子体光子晶体具有更广泛的应用领域和应用前景。

本发明的目的之一是这样实现的：一种产生三层等离子体光子晶体的装置，包括真空反应室、安装在所述真空反应室内的两个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并排设置有三个作为放电间隙边界的厚度各不相同的边框，在相邻两个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。

优选的，三个所述边框为厚度在1mm~10mm之间的正方形玻璃框，两个所述介质板为厚度在1mm~4mm之间的石英介质板。

更优选的，三个所述边框的厚度依次分别为2mm、4mm和1mm，两个所述介质板的厚度均为1mm。

优选的，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氩气体积比不高于40%的比例组成的混合气体。

优选的，所述真空反应室内的放电气体的气压为0.4Pa~0.8Pa。

本发明通过在两个水电极之间设置三个厚度各不相同的边框作为放电间隙的边界，并用两个介质板将放电间隙分为左、中、右三层。在等离子体发生电源作用于两个水电极后，在三层放电间隙均产生放电丝，这些放电丝有序的排列形成三层等离子体光子晶体。在这三层放电间隙中，左侧放电间隙的一端和右侧放电间隙的一端分别连接等离子体发生电源的正极和负极，而位于中间放电间隙的两端不与任何电极相连，其完全靠左、右两侧的感应来产生放电丝，最终形成了三层不同对称结构的等离子体光子晶体，可实现六种形式光的调制，解决了现有技术中调制光的形式较少的问题。

三层不同厚度的放电间隙中产生的等离子体光子晶体的晶格常数不同，且具有不同的对称结构。通过调整三个边框的厚度、调整相应的工艺参数（放电电压、频率、放电气体等），可得到三层不同对称结构（“三层不同对称结构”指的是三层放电间隙中所形成的等离子体柱的粗细不同和/或排列方式不同）的等离子体光子晶体。

所产生的三层等离子体光子晶体中，每层中的折射率均不相同。且这三层等离子体光子晶体可以分别调制光束，也可以由相邻两层等离子体光子晶体联合调制一条斜入射的光束，还可以共同调制一条斜入射穿过三层等离子体光子晶体的光束。由此，一束光从不同方向及不同部位入射该装置，会得到不同的调制，从而得到至少六种不同频率范围的出射光。

本发明的目的之二是这样实现的：一种产生三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安装两个水电极，同时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并排设置三个作为放电间隙边界的厚度各不相同的边框，在相邻两个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三层等离子体光子晶体。

三个所述边框为厚度在1mm~10mm之间的正方形玻璃框，两个所述介质板为厚度在1mm~4mm之间的石英介质板。

三个所述边框的厚度依次分别为2mm、4mm和1mm，两个所述介质板的厚度均为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氩气体积比不高于40%的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0.4Pa~0.8Pa。

本发明中的产生三层等离子体光子晶体的装置和方法，首次实现了具有不同对称性的三层等离子体光子晶体。三层等离子体光子晶体，既可以通过其中的一层等离子体光子晶体来调制光束，也可以通过相邻的两层等离子体光子晶体来共同调制光束，还可以通过三层等离子体光子晶体来共同调制光束，因此相比现有技术中的双层等离子体光子晶体，对光束的调制更加多样化，从而拓宽了调制光束的波段。与以前的产生单层和双层等离子体光子晶体的装置相比，本装置和方法产生的三层等离子体光子晶体具有更广泛的应用领域和应用前景。

附图说明

图1是本发明中产生三层等离子体光子晶体的装置的结构示意图。

图2是本发明实施例3所产生的三层等离子体光子晶体的斑图照片。

图3是本发明实施例3所产生的三层等离子体光子晶体的侧视图。

图4是本发明实施例4所产生的三层等离子体光子晶体的斑图照片。

图5是本发明实施例4所产生的三层等离子体光子晶体的侧视图。

图6是本发明实施例5所产生的三层等离子体光子晶体的斑图照片。

图7是本发明实施例5所产生的三层等离子体光子晶体的侧视图。

图8是本发明实施例6所产生的三层等离子体光子晶体的斑图照片。

图9是本发明实施例6所产生的三层等离子体光子晶体的侧视图。

图10是本发明所产生的三层等离子体光子晶体调制光线的六种方案的侧视图。

图中：1、真空反应室，2、铜环，3、石英玻璃挡片，4、边框，5、介质板，6、水电极，7、等离子体发生电源，8、进气口，9、出气口，10、放电间隙。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明所提供的产生三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，在密闭电介质容器内注水，构成两个水电极6。两个水电极6与等离子体发生电源7电连接。水电极6是由有机玻璃管通过在两端设置石英玻璃挡片3封挡而构成，在有机玻璃管内注满水，同时在有机玻璃管内设置铜环2。两个铜环2分别通过电源线与真空反应室1外的等离子体发生电源7的正极和负极电连接。石英玻璃挡片3的厚度在0.1mm~5mm之间。

两个水电极6之间的空间为放电间隙10，在两个水电极6之间并排设置有三个厚度各不相同的边框4，边框4用于作为放电间隙10的边界。相邻两个边框4之间设置有介质板5，即：两个介质板5将放电间隙10分为左、中、右三层结构；三层放电间隙的形状和厚度可由夹在间隙中的三个边框4来调节。边框4和介质板5平行，且边框4和介质板5分别与水电极6的轴心线垂直。边框4一般为正方形玻璃框，其厚度在1mm~10mm之间。介质板5一般为石英介质板，其厚度在1mm~4mm之间。

在真空反应室1的壁体上开有进气口8和出气口9。通过进气口8可向真空反应室1内通入放电气体，所通入的放电气体可以为空气，也可以是空气与氩气组成的混合气体，在混合气体中，一般氩气的体积含量不高于混合气体总体积的40%，氩气含量太高，会使得放电不稳定。通过控制通入放电气体的量，可以控制真空反应室1内放电气体的气压。一般情况下，控制放电气体的气压在0.4Pa~0.8Pa之间，放电气体的气压即为放电间隙10内的气压。使用空气作为放电气体，取材广泛，成本低。

放电气体发生放电的条件是：闭合开关，由等离子体发生电源7给两个水电极6通电，进而在两个水电极6之间的放电间隙10内产生放电，即放电电压由等离子体发生电源7提供，等离子体发生电源7的电压、幅值以及频率均可调。

实施例2

本发明所提供的产生三层等离子体光子晶体的方法包括如下步骤：

a、设置一个真空反应室1，在真空反应室1的壁体上开设进气口8和出气口9，并在真空反应室1内安装两个水电极6。水电极6采用两边用石英玻璃挡片3封住并注满水的有机玻璃管，并内置铜环2与等离子体发生电源7电连接。

b、在两个水电极6之间并排设置三个厚度各不相同的边框4作为放电间隙的边界，边框4的厚度在1mm~10mm之间；在相邻两个边框4之间设置介质板5，两个介质板5将放电间隙10分为三层结构。边框4和介质板5分别与两个水电极6的轴心线相垂直。介质板5的厚度在1mm~4mm之间。边框4一般为正方形玻璃框，介质板5一般为石英介质板。

c、通过进气口8向真空反应室1内通入放电气体，放电气体可以为空气，也可以是空气与氩气按氩气体积比不高于40%的比例组成的混合气体。放电气体的气压在0.4Pa~0.8Pa之间。闭合开关，等离子体发生电源7作用于两个水电极6，即可在两个水电极6之间产生三层等离子体光子晶体。左侧放电间隙和右侧放电间隙的一端均连接水电极6，而中间放电间隙的两端没有连接任何电极，其产生放电全靠感应两侧而形成。等离子体发生电源7的电压幅度在5.0kV~7.5kV之间，频率为50kHz~60kHz。

当边框4的形状和厚度，介质板5的厚度，放电气体的组分和气压，以及等离子体发生电源7的电压幅值和频率发生变化时，所产生的三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。

下面结合具体例子介绍本发明中产生三层等离子体光子晶体的方法。

实施例3

本实施例与实施例2相比，具体实验参数为：石英玻璃挡片3厚度为1.5mm，石英介质板5厚度为1mm，三个四边形玻璃边框4的厚度自左向右依次分别为2mm、4mm和1mm，真空反应室1内为纯空气，气压为0.4个大气压，等离子体发生电源7的频率为60kHz，电压峰值为5.2kV。

本实施例所产生的三层等离子体光子晶体的斑图照片（即端视图）和侧视图分别如图2和图3所示。由图2可看出，亮点排列成六边形结构，且每个六边形中心有一个亮点；暗点分布在每个亮点周围，且暗点也排列成六边形结构；亮点直径大于暗点直径。由图3可看出，亮点对应的位置，在三层放电间隙都有等离子体柱；而暗点对应的位置只在1mm边框的放电间隙（即右侧放电间隙）处有等离子体柱。

实施例4

本实施例与实施例2相比，具体实验参数为：石英玻璃挡片3厚度为1.5mm，石英介质板5厚度为1mm，三个四边形玻璃边框4的厚度自左向右依次分别为2mm、4mm和1mm，真空反应室1内所通入的放电气体为空气和氩气的混合气体，且两者的体积比为9:1（即空气含量90%，氩气含量10%），放电气体的气压为0.5个大气压，等离子体发生电源7的频率为55kHz，电压峰值为6.5kV。

本实施例所产生的三层等离子体光子晶体的斑图照片（即端视图）和侧视图分别如图4和图5所示。由图4可看出，亮点排列成六边形结构，且每个六边形中心有一个亮点；暗点分布在每个亮点周围，暗点排列成四边形结构；亮点直径略大于暗点直径。由图5可看出，亮点对应的位置，在2mm和4mm边框的放电间隙内（即左侧放电间隙和中间放电间隙）有等离子体柱；而暗点对应的位置只在1mm边框的放电间隙（即右侧放电间隙）处有等离子体柱。

实施例5

本实施例与实施例2相比，具体实验参数为：石英玻璃挡片3厚度为1.5mm，石英介质板5厚度为1mm，三个四边形玻璃边框4的厚度自左向右依次分别为2mm、4mm和1mm，真空反应室1内所通入的放电气体为空气和氩气的混合气体，且两者的体积比为8:2（即空气含量80%，氩气含量20%），放电气体的气压为0.4个大气压，等离子体发生电源7的频率为51kHz，电压峰值为6.9kV。

本实施例所产生的三层等离子体光子晶体的斑图照片（即端视图）和侧视图分别如图6和图7所示。由图6可看出，亮点排列成六边形结构，且每个六边形中心有一个亮点；暗点分布在亮点周围，同样暗点也排列成六边形结构；亮点直径大于暗点直径。由图7可看出，亮点对应的位置，在4mm边框的放电间隙内（即中间放电间隙）有等离子体柱；而暗点对应的位置在2mm和1mm边框的放电间隙（即左侧放电间隙和右侧放电间隙）处有等离子体柱。

实施例6

本实施例与实施例2相比，具体实验参数为：石英玻璃挡片3厚度为1.5mm，石英介质板5厚度为1mm，三个四边形玻璃边框4的厚度自左向右分别为2mm、4mm和1mm，真空反应室1内所通入的放电气体为空气和氩气的混合气体，且两者的体积比为6:4（即空气含量60%，氩气含量40%），放电气体的气压为0.8个大气压，等离子体发生电源7的频率为51kHz，电压峰值为7.2kV。

本实施例所产生的三层等离子体光子晶体的斑图照片（即端视图）和侧视图分别如图8和图9所示。由图8可看出，所有点均为亮点，且亮点排列成六边形结构，每个六边形中心还有一个亮点；不存在暗点。由图9可看出，亮点对应的位置，在2mm、4mm和1mm边框的放电间隙内都有等离子体柱，且三个放电间隙所产生的等离子体柱一一重合。

上面几个实施例所选取的三个边框4的厚度依次分别为2mm、4mm和1mm，此种情况是一种较优的实施方案，在这种情况下，通过改变放电气体的组分和气压，改变等离子体发生电源的电压幅值和频率，就可形成具有多种不同排列形状的三层等离子体光子晶体。

本发明所产生的三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，也可以通过相邻两层或三层共同调制，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，从而得到至少六种不同频率范围的出射光。如图10 所示，三层等离子体光子晶体对光的六种不同的调制方式包括有：A 为只通过左侧放电间隙层调制的光线，B 为通过左侧和中间两层放电间隙联合调制的光线，C 为只通过中间放电间隙层调制的光线，D为通过中间和右侧两层放电间隙联合调制的光线，E为只通过右侧放电间隙层调制的光线，F为通过左侧、中间和右侧三层放电间隙联合调制的光线。

Claims (10)

1.一种产生三层等离子体光子晶体的装置，包括真空反应室、安装在所述真空反应室内的两个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并排设置有三个作为放电间隙边界的厚度各不相同的边框，在相邻两个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所述的产生三层等离子体光子晶体的装置，其特征是，三个所述边框为厚度在1mm~10mm之间的正方形玻璃框，两个所述介质板为厚度在1mm~4mm之间的石英介质板。

3.根据权利要求2所述的产生三层等离子体光子晶体的装置，其特征是，三个所述边框的厚度依次分别为2mm、4mm和1mm，两个所述介质板的厚度均为1mm。

4.根据权利要求1所述的产生三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，或者是空气与氩气的混合气体；在混合气体中，氩气体积占混合气体的总体积不高于40%。

5.根据权利要求4所述的产生三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0.4Pa~0.8Pa。

6.一种产生三层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安装两个水电极，同时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并排设置三个作为放电间隙边界的厚度各不相同的边框，在相邻两个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三层等离子体光子晶体。

7.根据权利要求6所述的产生三层等离子体光子晶体的方法，其特征是，三个所述边框为厚度在1mm~10mm之间的正方形玻璃框，两个所述介质板为厚度在1mm~4mm之间的石英介质板。

8.根据权利要求7所述的产生三层等离子体光子晶体的方法，其特征是，三个所述边框的厚度依次分别为2mm、4mm和1mm，两个所述介质板的厚度均为1mm。

9.根据权利要求6所述的产生三层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，所述放电气体为气压可调的空气，或者是空气与氩气按氩气体积不高于40%的比例组成的混合气体。

10.根据权利要求9所述的产生三层等离子体光子晶体的方法，其特征是，所述真空反应室内的放电气体的气压为0.4Pa~0.8Pa。