CN105319611B - 一种产生单层和/或双层等离子体光子晶体的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种产生单层和/或双层等离子体光子晶体的装置及方法。本发明中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通过左、中、右三层依序叠加贴合的玻璃制有空腔截面呈H型结构的放电间隙，左、中、右三层玻璃分别与两个所述水电极的轴心线相垂直。通过本发明中的装置，结合本发明中的方法，可以在放电间隙内产生单层、双层或单双层并存的等离子体光子晶体，增加了对光调制的选择方式。且本发明首次实现了具有多种结构花样的单气隙狭缝等离子体光子晶体。本发明拓宽了调制光束的波段，实现了对光束调制的多样化，方便化，高效化。

Description

一种产生单层和/或双层等离子体光子晶体的装置及方法

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单层和/或双层等离子体光子晶体的装置及方法。

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与其它介电材料交错排列的周期性结构。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，但其所采用的均是产生单层等离子体光子晶体的装置；而在先专利ZL201310031529.5通过调整晶格对称性实现光的传输，也仅仅是产生双层等离子体光子晶体的装置。无论是单层还是双层等离子体光子晶体，并没有实现单层与双层等离子体光子晶体共存的现象，这就在一定程度上限制了对光传播的调制。并且在传统的单气隙狭缝放电上（PhysRevE.64.026402文章中提到），放电丝通常表现为两种放电形式：（1）等间隔等大小的放电丝放电，（2）等间隔且大小交替排列的放电丝放电。即：传统的单气隙狭缝放电所形成的等离子体光子晶体的结构花样少，对光调制的选择性低，效率低，增加了对波段范围内光调制的局限性，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单层和/或双层等离子体光子晶体的装置，以克服现有装置只能产生单层等离子体光子晶体或只能产生双层等离子体光子晶体的问题，方便高效单双层（即单层和双层并存）等离子体光子晶体的技术应用。

本发明的目的之二就是提供一种产生单层和/或双层等离子体光子晶体的方法，通过该方法可以产生出单层、双层或单双层并存的等离子体光子晶体，且对于单双层并存的等离子体光子晶体，可以在单气隙上产生出不同以往的多种放电结构花样的等离子体光子晶体，丰富了对光传播选择性的调制。

本发明的目的之一是这样实现的：一种产生单层和/或双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通过左、中、右三层依序叠加贴合的玻璃制有空腔截面呈H型结构的放电间隙，左、中、右三层玻璃分别与两个所述水电极的轴心线相垂直。

上述装置中，左、中、右三层玻璃均为整块玻璃，所述放电间隙是通过在左、中、右三层整块玻璃中心分别开矩形孔而制成。

上述装置中，左、中、右三层玻璃均由上下对称的两片玻璃构成，在三层玻璃的前侧和后侧分别设有玻璃封边；通过使左、中、右每一层玻璃中的上下两片玻璃之间具有预留间隙，即可在两个所述水电极之间形成空腔截面呈H型结构的放电间隙。

上述装置中，左、中、右三层玻璃的厚度均在0.5mm~2mm之间。

上述装置中，所述放电间隙与左、中、右三层玻璃对应部位的高度分别为3mm~9mm、1mm~3mm、3mm~9mm。

本发明在两个水电极之间通过左、中、右三层叠加贴合的玻璃制有空腔截面呈H型结构（或旋转90°的工字型结构）的放电间隙，截面呈H型结构的放电间隙的中心即形成完全贯穿（三层玻璃）的单气隙（或称单层气隙、单层放电气隙），单气隙的上下两侧分别为部分贯穿（只贯穿左右两侧玻璃，没有贯穿中间玻璃）的双气隙（或称双层气隙、双层放电气隙）。单气隙的厚度（或称宽度，为三层玻璃的厚度之和）、高度以及双气隙的厚度、高度均可调节。等离子体发生电源作用于两个水电极，即可在两个水电极之间的单气隙中形成多种折射率的单层等离子体光子晶体，也可以在双气隙内形成排列有序的双层等离子体光子晶体，单层等离子体光子晶体和双层等离子体光子晶体可以独立存在，也可以相互并存。

本发明两个水电极之间的放电间隙，由于贯穿程度不同以及实际所分配的电压不同，加上双气隙之间的玻璃两侧壁电荷的耦合作用，使得单气隙和双气隙不但可以单独各自演化成固定晶格常数比例的等离子体光子晶体，也可以实现两者之间相互并存。在所产生的单层、双层或单双层并存的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，因而可实现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。在单层、双层或单双层并存的等离子体光子晶体中，可以需求性的选择调制方式以完成对光传播的控制，即：不但可以单独选择单层等离子体光子晶体进行调制，也可以单独选择双层等离子体光子晶体进行调制，还可以同时选择这两种等离子体光子晶体共同进行光调制。从实用性和制备技术来看，这种具备多种选择性的光调制器，将有更为广泛的应用领域和应用前景。

本发明的目的之二是这样实现的：一种产生单层和/或双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，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设置有左、中、右三层依序叠加贴合的玻璃，在三层玻璃上制有空腔截面呈H型结构的放电间隙，左、中、右三层玻璃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单层、双层或单双层并存的等离子体光子晶体。

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、氩气或两者的混合气体。

所述真空反应室内的放电气体的气压为0.2Pa~0.6Pa。

所述放电气体为空气和氩气的混合气体，且氩气体积占混合气体体积的50%~99%。

所述等离子体发生电源的放电电压为2.0kV~6.0kV；所述等离子体发生电源的放电频率为49kHz~60kHz。

通过本发明的方法可以产生多种结构的单层、双层或单双层并存的等离子体光子晶体，从而增加了对光调制的选择方式，即：对光束进行调制既可以通过单气隙来调制，也可以通过双气隙调制，还可以通过单双气隙结合来调制，除充分发挥原有单双气隙各自独自的优势调制外，还实现了单双气隙共存的调制方式；并且在单双层等离子体光子晶体共存的情况下，首次出现了单层气隙多种结构花样的狭缝放电，增加了对光传输的调制方式的选择性，其操作的灵活性使光按一定方位入射经调制就可得到不一样的调制效果，使光束调制的多样化得到进一步的提升，同时拓宽了调制光束的波段。

本发明中的装置和方法首次实现了单双层等离子体光子晶体共存的现象，并且在单双层等离子体光子晶体下，首次实现了多种结构花样的单气隙狭缝等离子体光子晶体，在工业领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明所提供的装置的结构示意图。

图2是图1中三层玻璃的立体结构示意图。

图3是本发明实施例3所形成的单层等离子体光子晶体的结果示意图。

图4是本发明实施例4所形成的双层等离子体光子晶体的结果示意图。

图5是本发明实施例5所形成的单双层并存的等离子体光子晶体的结果示意图。

图6是本发明实施例6所形成的单双层并存的等离子体光子晶体的结果示意图。

图7是本发明实施例7所形成的单双层并存的等离子体光子晶体的结果示意图。

图8是本发明实施例8所形成的单双层并存的等离子体光子晶体的结果示意图。

图中：1、真空反应室，2、水电极，3、玻璃挡片，4、铜环，5、等离子体发生电源，6、左侧玻璃层，7、中间玻璃层，8、右侧玻璃层，9、放电间隙，10、进气口，11、出气口。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明所提供的产生单层和/或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，在密闭电介质容器内注水，构成两个水电极2。两个水电极2与等离子体发生电源5电连接。水电极2是由有机玻璃管通过在两端设置玻璃挡片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4。两个铜环4分别通过电源线与真空反应室1外的等离子体发生电源5的正极和负极电连接。玻璃挡片3的厚度在0.5mm~3mm之间。

在两个水电极2之间并排设置有左、中、右三层玻璃，这三层玻璃依序叠加贴合在一起，且左侧玻璃层6和右侧玻璃层8分别与两侧水电极的玻璃挡片相贴合。三层玻璃分别与两个水电极的轴心线相垂直。在两个水电极2之间的三层玻璃上制有空腔截面呈H型结构的放电间隙9。

如图2所示，本实施例中左侧玻璃层6、中间玻璃层7和右侧玻璃层8均由上下对称的两片玻璃构成。左侧玻璃层6中的上下对称的两片玻璃之间预留有一定的间隙，该间隙对应放电间隙9的截面“H”型结构中的左侧竖线。中间玻璃层7中的上下对称的两片玻璃之间预留有一定的间隙，该间隙距离（即间隙高度）小于左侧玻璃层6中的上下两片玻璃之间的间隙距离，且中间玻璃层7中的上下两片玻璃之间的间隙轴心线与左侧玻璃层6中的上下两片玻璃之间的间隙轴心线重合，中间玻璃层7中的上下两片玻璃之间的间隙对应放电间隙9的截面“H”型结构中的中间横线。右侧玻璃层8中的上下两片玻璃之间的间隙与左侧玻璃层6中的上下两片玻璃之间的间隙对称，即右侧玻璃层8中的上下两片玻璃之间的间隙对应放电间隙9的截面“H”型结构中的右侧竖线。

在三层玻璃的前侧和后侧分别设有玻璃封边，玻璃封边以及与左侧玻璃层6和右侧玻璃层8分别贴合的玻璃挡片将三层玻璃中的上下玻璃片之间的间隙合围起来，使得三层玻璃中的上下玻璃片之间的间隙构成截面呈H型结构的放电间隙9。

其他实施例中，三层玻璃也可以均为整块玻璃，通过在三层整块玻璃的中心分别开矩形孔也可形成空腔截面呈H型结构的放电间隙。这里，左侧玻璃上所开矩形孔与右侧玻璃上所开矩形孔的长、宽（即高度）均相同，且两者对称；中间玻璃上所开矩形孔的长与左侧玻璃上所开矩形孔的长相同，但是其宽度小于左侧玻璃上所开矩形孔的宽度。中间玻璃上所开矩形孔的轴心线与左侧玻璃上所开矩形孔的轴心线重合。

本发明中左、中、右三层玻璃的厚度均在0.5mm~2mm之间，也就是说，放电间隙与左、中、右三层玻璃对应部位的厚度均在0.5mm~2mm之间。放电间隙与左、中、右三层玻璃对应部位的高度（此高度对于整块玻璃来说，即是矩形孔的宽，对于上下对称的两片玻璃来说，就是上下两片玻璃之间的距离）分别为3mm~9mm、1mm~3mm、3mm~9mm。

在真空反应室1的壁体上开有进气口10和出气口11。通过进气口10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，也可以是氩气，还可以是空气与氩气组成的混合气体。当放电气体为空气与氩气的混合气体时，一般选氩气体积占混合气体总体积的50%~99%为较优的条件。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0.2Pa~0.6Pa之间，放电气体的气压即为放电间隙9内的气压。

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5给两个水电极2通电，进而在两个水电极2之间的放电间隙9内产生放电，即放电电压由等离子体发生电源5提供，等离子体发生电源5的放电电压以及放电频率均可调。由于放电间隙9的截面呈H型结构，因此，放电间隙9的中心部位形成完全贯穿（三层玻璃）的单气隙，在单气隙的上下两侧构成了部分贯穿的双气隙。通过调节通入的放电气体、放电气体的气压、放电电压、放电频率、单气隙的宽度和厚度、双气隙的宽度和厚度等，即可在放电间隙9内形成单层、双层或单双层并存的多种结构样式的等离子体光子晶体。

实施例2

本发明所提供的产生单层和/或双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10和出气口11，并在真空反应室1内安装两个水电极2。水电极2采用两边用玻璃挡片3封住并注满水的有机玻璃管，并内置铜环4与等离子体发生电源5电连接。

b、在两个水电极2之间设置有左、中、右三层依序叠加贴合的玻璃，在三层玻璃上制有空腔截面呈H型结构的放电间隙9，左、中、右三层玻璃分别与两个水电极2的轴心线相垂直。三层玻璃的具体结构可参见实施例1中描述。三层玻璃的厚度均在0.5mm~2mm之间。

c、通过进气口10向真空反应室1内通入放电气体，放电气体可以为空气，也可以为氩气，还可以是空气与氩气的混合气体。当放电气体为空气与氩气的混合气体时，一般选氩气体积占混合气体总体积的50%~99%为较优的条件。更优选的，选取氩气体积占混合气体总体积的80%~99%。放电气体的气压在0.2Pa~0.6Pa之间。闭合开关，等离子体发生电源5作用于两个水电极2，即可在两个水电极2之间产生单层、双层或单双层并存的等离子体光子晶体。等离子体发生电源5的电压幅度在2.0kV~6.0kV之间，放电频率为49kHz~60kHz。

单层等离子体光子晶体对应形成于放电间隙的中间部位（即单气隙位置处），双层等离子体光子晶体对应形成于放电间隙的上下两侧边缘部位（即单气隙的上下两侧边缘，称为双气隙）。对气体含量和电压进行调节，在单气隙和双气隙位置处既可以各自单独的产生规律性的等离子体光子晶体，也可以在单双层等离子体光子晶体共存的情形下，使单气隙处形成多种结构花样的等离子体光子晶体，也就是说可以通过单双层等离子体光子晶体来选择性的分别调制处在其禁带频率的光波，其调制方式的选择性增加、等离子体光子晶体的自动演化、方便高效、成本低的特性使其在工业领域具有广泛的应用前景。

下面结合具体例子介绍本发明中产生单层、双层或单双层并存的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：三层玻璃的结构为图2所示结构，三层玻璃的厚度均为1.4mm；左侧玻璃层6中上下两片玻璃之间间隙的长为80mm，宽（即上下两片玻璃之间的间距，或称高度）为9mm；中间玻璃层7中上下两片玻璃之间间隙的长为80mm，宽为1mm；右侧玻璃层8中上下两片玻璃之间间隙的长为80mm，宽为9mm。放电间隙9中间部位单气隙的高度为1mm，厚度为4.2mm（即三层玻璃的厚度总和）。单气隙的上下两侧均为双气隙，对于任何一侧的双气隙，其所包含的两个对称结构的气隙（中间由中间玻璃层隔开）的高度为4mm，厚度为1.4mm。真空反应室1内的放电气体为空气与氩气的混合气体，且氩气的体积含量为90%。放电气体的气压为0.35个标准大气压，等离子体发生电源5的放电频率为51kHz，电压峰值为2.40kV。

本实施例在放电间隙内所产生的是单层等离子体光子晶体，其斑图照片如图3（a）所示，其正视图如图3（b）所示，其左侧视图如图3（c）所示，且图3（c）中示出了该单层等离子体光子晶体对两种不同入射方向的光束的调制形式。

实施例4

本实施例与实施例3相比，所不同的是：放电气体中氩气体积含量为80%，等离子体发生电源5的放电频率为58kHz，电压峰值为3.12kV。

本实施例在放电间隙内所产生的是双层等离子体光子晶体，其斑图照片如图4（a）所示，其正视图如图4（b）所示，其左侧视图如图4（c）所示，且图4（c）中示出了该双层等离子体光子晶体对三种不同入射方向的光束的调制形式。图4中，单气隙两侧的双层等离子体柱的间距、粗细、状态等不尽相同，导致折射率不同，所以最终对光束的调制结果也不同。

实施例5

本实施例与实施例3相比，所不同的是：等离子体发生电源5的放电电压峰值为3.28kV。

本实施例在放电间隙内所产生的是单双层并存的等离子体光子晶体，其斑图照片如图5（a）所示，其正视图如图5（b）所示，其左侧视图如图5（c）所示，且图5（c）中示出了该单双层并存的等离子体光子晶体对四种不同入射方向的光束的调制形式。图中只是列出了四种不同的入射方向，当然，如果改变光束的入射角度或入射方位等，还会得到不一样的调制结果。

实施例6

本实施例与实施例3相比，所不同的是：放电气体中氩气体积含量为99%，等离子体发生电源5的放电频率为58kHz，电压峰值为3.62kV。

本实施例在放电间隙内所产生的是单双层并存的等离子体光子晶体，其斑图照片如图6（a）所示，其正视图如图6（b）所示，其左侧视图如图6（c）所示，且图6（c）中示出了该单双层并存的等离子体光子晶体对六种不同入射方向的光束的调制形式。图中只是列出了六种不同的入射方向，当然，如果改变光束的入射角度或入射方位等，还会得到不一样的调制结果。

实施例7

本实施例与实施例3相比，所不同的是：等离子体发生电源5的放电电压峰值为3.48kV。

本实施例在放电间隙内所产生的是单双层并存的等离子体光子晶体，其斑图照片如图7（a）所示，其正视图如图7（b）所示，其左侧视图如图7（c）所示，且图7（c）中示出了该单双层并存的等离子体光子晶体对六种不同入射方向的光束的调制形式。图中只是列出了六种不同的入射方向，当然，如果改变光束的入射角度或入射方位等，还会得到不一样的调制结果。

实施例8

本实施例与实施例3相比，所不同的是：放电气体中氩气体积含量为98%，等离子体发生电源5的放电频率为53kHz，电压峰值为3.50kV。

本实施例在放电间隙内所产生的是单双层并存的等离子体光子晶体，其斑图照片如图8（a）所示，其正视图如图8（b）所示，其左侧视图如图8（c）所示，且图8（c）中示出了该单双层并存的等离子体光子晶体对六种不同入射方向的光束的调制形式。图中只是列出了六种不同的入射方向，当然，如果改变光束的入射角度或入射方位等，还会得到不一样的调制结果。

由图5~图8可看出，在单双层等离子体光子晶体并存的情况下，单气隙处产生的单层等离子体光子晶体的结构实现了多样化，这在现有的产生单层等离子体光子晶体的技术中是不能实现的。

Claims (9)

1.一种产生单层和/或双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通过左、中、右三层依序叠加贴合的玻璃制有空腔截面呈H型结构的放电间隙，左、中、右三层玻璃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所述的产生单层和/或双层等离子体光子晶体的装置，其特征是，左、中、右三层玻璃均为整块玻璃，所述放电间隙是通过在左、中、右三层整块玻璃中心分别开矩形孔而制成。

3.根据权利要求1所述的产生单层和/或双层等离子体光子晶体的装置，其特征是，左、中、右三层玻璃均由上下对称的两片玻璃构成，在三层玻璃的前侧和后侧分别设有玻璃封边；通过使左、中、右每一层玻璃中的上下两片玻璃之间具有预留间隙，即可在两个所述水电极之间形成空腔截面呈H型结构的放电间隙。

4.根据权利要求1所述的产生单层和/或双层等离子体光子晶体的装置，其特征是，左、中、右三层玻璃的厚度均在0.5mm~2mm之间。

5.一种产生单层和/或双层等离子体光子晶体的方法，其特征是，包括如下步骤：

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设置有左、中、右三层依序叠加贴合的玻璃，在三层玻璃上制有空腔截面呈H型结构的放电间隙，左、中、右三层玻璃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单层、双层或单双层并存的等离子体光子晶体。

6.根据权利要求5所述的产生单层和/或双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、氩气或两者的混合气体。

7.根据权利要求6所述的产生单层和/或双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0.2Pa~0.6Pa。

8.根据权利要求6所述的产生单层和/或双层等离子体光子晶体的方法，其特征是，所述放电气体为空气和氩气的混合气体，且氩气体积占混合气体体积的50%~99%。

9.根据权利要求5所述的产生单层和/或双层等离子体光子晶体的方法，其特征是，所述等离子体发生电源的放电电压为2.0kV~6.0kV；所述等离子体发生电源的放电频率为49kHz~60kHz。