CN105487140B

CN105487140B - 一种产生稳定可控等离子体光子晶体的装置及方法

Info

Publication number: CN105487140B
Application number: CN201610033355.XA
Authority: CN
Inventors: 范伟丽; 董丽芳
Original assignee: Hebei University
Current assignee: Hebei University
Priority date: 2016-01-19
Filing date: 2016-01-19
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2036-01-19
Also published as: CN105487140A

Abstract

本发明提供了一种产生稳定可控等离子体光子晶体的装置及方法。所述装置包括飞秒激光器、透镜组、可调光阑、微透镜阵列和介质阻挡放电单元。所述透镜组包括依次设置的凹透镜和凸透镜。所述介质阻挡放电单元包括相对的两个液体电极以及与两个所述液体电极电连接的交流电源；所述微透镜阵列的焦平面位于两个液体电极之间的放电间隙内。本发明利用激光引导放电，使激光通过微透镜阵列在气体中形成周期性等离子体丝结构，通过介质阻挡放电自身的“记忆效应”形成不同对称性、稳定可控的等离子体光子晶体，克服了现有装置单纯依靠放电丝的非线性自组织方法实现不同对称性等离子体光子晶体，复现性以及可控性较差的缺点。

Description

一种产生稳定可控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光子晶体的产生装置，具体地说是一种产生稳定可控等离子体光子晶体的装置及方法。

背景技术

随着21世纪的到来，人类文明进入了信息化时代，半导体的使用彻底改变了人们的生活，手机、电脑、电视机等已成为人们生活当中不可或缺的组成部分。而人们所沐浴于中的“信息时代”的基础就是半导体的能带理论控制电子。近年来，为进一步满足速度和兼容性的需求，人们逐渐将目光从半导体的“电子控制”转向了光子晶体的“光子控制”。就像半导体之对于电子一样，光子晶体作为光信息时代的“半导体”，通过能带结构控制光传播，这同样正引发着一场新的技术革命。

光子晶体自1987年被提出仅短短的二十多年的时间，在理论上和实验上都获得了突飞猛进的发展，并被广泛应用于高性能反射镜、光子晶体超棱镜、光波导、光开关等众多电磁波控制领域。然而，对于常规光子晶体，一旦制备完成，其光子禁带的位置也就确定。如何使其能带结构可调，实现对不同波段电磁波的可调性控制，是目前光子晶体研究的一项重要攻关课题。等离子体光子晶体正是在这样的迫切需求下应运而生。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他介电材料交错排列形成的周期性结构。它不仅具有常规光子晶体的带隙结构，使频率落入禁带范围内的电磁波禁止传播，而且可以通过方便的调节外加驱动，改变等离子体密度、温度等参数的大小和空间分布，或者有选择地控制等离子体光子晶体的形成时间，实现对不同波段电磁波传播的时空可调性控制。此外，由于等离子体的折射率是入射电磁波频率的函数，在一定频率下折射率小于1甚至小于0，因而可作为常规手段难以企及的负折射率超透镜，通过反常折射控制光传播。基于以上特点，等离子体光子晶体自2004年被首次提出即受到国内外学者的极大关注，以其重要的基础研究价值和广泛的应用前景成为跨越等离子体领域和电磁波控制领域的热门交叉课题，并有望被应用于滤波器、光开关、等离子体透镜以及军事开发上的等离子体隐身武器等众多方面。

作为一个新兴课题，国际上等离子体光子晶体的研究工作仍处于起步阶段，重点放在对其光子晶体特性的理论计算上。然而，相对于理论研究，实验方面却进展缓慢。究其原因，主要有以下三个方面：一是，如何在实验上形成规则的、具有不同对称性晶格结构的、稳定的等离子体光子晶体；二是，为满足实际应用需要，如何获得具有宽带隙特征的等离子体光子晶体，例如，复杂超晶格等离子体光子晶体，理论研究表明，超晶格结构光子晶体的禁带宽度可达到简单结构的三倍以上；三是，发展一套有效的、多方位的等离子体参数诊断系统，为等离子体光子晶体色散关系的理论计算提供系统的实验数据。因此，解决如何在实验中产生丰富对称性等离子体光子晶体，并保证其产生过程中的稳定性和可控性，是目前等离子体光子晶体研究领域的首要问题，也是等离子体光子晶体能否得以被广泛应用和发展的关键。

目前研究较多的是采用介质阻挡放电来形成等离子体光子晶体。介质阻挡放电中的等离子体通道（放电丝）可以通过放电丝的自组织方法或人工雕刻电极法形成不同对称性的等离子体光子晶体周期性结构，从而控制电磁波的传播。比较这两种方法，人工雕刻电极法所形成的等离子体光子晶体稳定性和复现性好，但时空可调性较差，所形成的晶体结构单纯由人工雕刻的空间结构所决定，要想改变等离子体光子晶体结构只能更换雕刻电极。而非线性自组织法中，其突出优势就是所获得的等离子体光子晶体结构对称性丰富，可方便的通过调节外加驱动实现不同对称性晶体的相互转化，为时空可调性提供了更大的空间。然而，不可避免的是，所形成的晶体结构受到系统自身涨落以及非线性不稳定性的影响，其复现性以及可控性较差，任何一个微小的涨落都有可能通过非线性放大而影响整个放电过程。因此，如何既能保持非线性系统的自身优势，又能保证等离子体光子晶体产生的稳定性和可控性是目前亟待解决的一项关键问题。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种产生稳定可控等离子体光子晶体的装置，以解决现有的装置在形成等离子体光子晶体时复现性以及可控性较差的问题。

本发明的目的之二就是提供一种产生稳定可控等离子体光子晶体的方法，该方法将强激光与介质阻挡放电相结合，利用空间周期性光场引导来产生稳定可控的等离子体光子晶体。

本发明的目的之一是这样实现的：一种产生稳定可控等离子体光子晶体的装置，包括：

飞秒激光器，用于发射飞秒脉冲激光；

透镜组，包括依次设置的凹透镜和凸透镜；所述透镜组用于对所述飞秒激光器所发射的飞秒脉冲激光进行扩束；

可调光阑，用于调节扩束后的激光束的大小；

微透镜阵列，用于使经所述可调光阑调节后的激光束形成具有与所述微透镜阵列空间对称性相对应的激光束阵列；以及

介质阻挡放电单元，包括相对的两个液体电极以及与两个所述液体电极电连接的交流电源；所述微透镜阵列的焦平面位于两个液体电极之间的放电间隙内，由所述微透镜阵列所形成的激光束阵列可电离工作气体以在两个液体电极之间的放电间隙内形成空间周期性等离子体丝。介电常数为ε_p的等离子体丝与介电常数为ε₀的工作气体形成了两种不同介电常数的空间周期性排列，即我们所称的等离子体光子晶体。在外加交流电源的作用下，结合介质阻挡放电自身的“记忆性”特点，该等离子体光子晶体将稳定存在。

在所述透镜组中，所述凹透镜的虚焦点与所述凸透镜的实焦点重合。

所述微透镜阵列呈六边形、四边形、条纹形或三角形等不同空间周期性对称结构。

在两个所述液体电极之间设置有作为放电气隙边界的边框，其边框对称性可设置为圆形、方形、六边形等不同对称性。

所述液体电极的具体结构是：在有机玻璃管内盛满导电液体，在导电液体内插入金属圆环，所述金属圆环与交流电源电连接，在有机玻璃管的两端设置有用于封堵导电液体的平板玻璃或其它透明绝缘介质层。

本发明由飞秒激光器产生TW（太瓦）级甚至PW（拍瓦）级飞秒超强脉冲激光，所产生的飞秒超强脉冲激光依次经透镜组、可调光阑、微透镜阵列后入射介质阻挡放电单元，经微透镜阵列后的激光束将在其焦平面上形成与微透镜阵列对称性一致的周期性激光焦斑阵列。由于微透镜阵列的焦平面位于两个液体电极之间的放电间隙内，因此在微透镜阵列焦平面上所形成的激光焦斑阵列可迅速电离放电间隙内的工作气体，从而形成与激光焦斑阵列对称性一致的等离子体丝阵列。由于介质阻挡放电具有“记忆效应”，在外加电压的作用下，后续放电将优先发生在原有等离子体通道处，因此，本发明中由激光焦斑阵列作为“光开关”点燃放电后，将在外电压的作用下在两个液体电极之间的放电间隙内形成稳定的自持放电。本发明中放电丝的产生位置、空间周期性与激光束阵列的形成位置、空间周期性保持高度一致，激光束阵列的形成位置、空间周期性由微透镜阵列决定，因此只要改变微透镜阵列的对称性，采用不同空间周期性晶格结构的微透镜阵列，如六边形、四边形、条纹性、三角形、超点阵形等，将获得包括复杂超晶格在内的不同对称性、结构多样性的等离子体光子晶体。此外，本装置不仅能够得到激光引导的稳定可控的等离子体光子晶体，随外加参数的改变（例如：外加电压幅值、频率、气压等），以该等离子体光子晶体为初始条件，利用放电丝的非线性自组织，还能够获得更为丰富对称性结构的等离子体光子晶体并实现不同结构的相互可控性转化。这是因为，初始结构已经由激光束阵列所确定，它作为主导等离子体光子晶体随外加参数演化序列的最重要因素，使得不仅能够通过自组织方法获得丰富结构的等离子体光子晶体，还使得等离子体光子晶体的演化取向更加可控。

本发明在介质阻挡放电中，通过引入空间周期性强激光束阵列作为“光开关”，点燃放电并引导放电丝的空间分布，使等离子体光子晶体产生的对称性具有完全可控性，克服了现有装置单纯依靠放电丝的非线性自组织方法实现不同对称性等离子体光子晶体，复现性以及可控性较差的缺点，本发明更具有可控性。

本发明的目的之二是这样实现的：一种产生稳定可控等离子体光子晶体的方法，包括如下步骤：

a、按顺序依次设置飞秒激光器、透镜组、可调光阑、微透镜阵列和介质阻挡放电单元；所述透镜组包括依次设置的凹透镜和凸透镜；所述介质阻挡放电单元包括相对的两个液体电极以及与两个所述液体电极电连接的交流电源，所述微透镜阵列的焦平面位于两个液体电极之间的放电间隙内；

b、打开介质阻挡放电单元中的交流电源使其输出方波电压，交流电源的初始电压幅值小于放电间隙内工作气体的击穿阈值电压；

c、打开飞秒激光器的开关，由所述飞秒激光器发射飞秒脉冲激光，所发射的飞秒脉冲激光经所述透镜组后被扩束，再由所述可调光阑调节激光束的大小，之后经微透镜阵列形成空间周期性激光束阵列；

d、所述激光束阵列在介质阻挡放电单元的放电间隙内电离工作气体形成等离子体丝，之后在交流电源的作用下在放电间隙内形成稳定可控的等离子体光子晶体。

步骤c中，经所述透镜组扩束后的激光束的横截面面积为平方厘米量级。

步骤d中，调整交流电源的电压幅值为1.0kV~10.0 kV，频率为10~100kHz，以产生不同对称性结构的等离子体光子晶体。

步骤c中飞秒激光器所发射的飞秒脉冲激光的聚焦功率密度大于10¹⁰W/cm²数量级。

步骤d中放电间隙内的工作气体为气压可调的空气、氩气、氦气和氮气中的任意一种或两种的混合气体。

本发明首次将强激光与介质阻挡放电相结合，充分发挥强激光的“引导性”以及介质阻挡放电的“记忆性”，提供了一种产生稳定等离子体光子晶体的方法。该方法利用介质阻挡放电对强激光所引导的放电丝的“记忆效应”，实现了无论在时间上还是在空间上都具有高强稳定性的等离子体光子晶体，克服了目前手段所形成的等离子体光子晶体受气体成分、电压、气压等放电参数的影响十分敏感，任何一个微小的涨落都有可能通过非线性放大而影响整个系统的缺点。

本发明中等离子体光子晶体形成的初始条件受到强激光的“引导性”；在后续放电中，仍可以通过改变电压、频率等放电条件，以该稳定的初始条件为基础，充分发挥系统自身的高度非线性以及自组织性，获得不同对称性的、多样的等离子体光子晶体，即：通过放电参数的改变，实现不同对称性结构等离子体光子晶体的相互可调性转化。如此，既能保持高度多样性，又保证了等离子体光子晶体产生的稳定性和可控性，开拓了一个全新而灵活有效的实验系统。

本专利中首次将强激光控制与介质阻挡放电相结合，提供了一种利用空间周期性强激光束阵列引导介质阻挡放电，产生稳定、可调等离子体光子晶体的装置及方法。通过对本发明中装置和方法的利用与开展，将极大推动电磁波控制以及放电等离子体科学的发展，加快等离子体光子晶体在各领域的应用进程；同时，也对其它系统中可调光子晶体的实现与发展提供重要启示。

附图说明

图1是本发明中产生稳定可控等离子体光子晶体的装置的结构示意图。

图2是本发明中微透镜阵列的几种不同的周期性对称结构示意图。

图3是通过调节放电参数所形成的不同结构的等离子体光子晶体照片。

图4是通过调节交流电源电压所形成的不同结构的等离子体光子晶体照片。

具体实施方式

如图1所示，本发明所提供的产生稳定可控等离子体光子晶体的装置包括依序设置的飞秒激光器1、透镜组2、可调光阑3、微透镜阵列4和介质阻挡放电单元5。

飞秒激光器1用于发射TW（太瓦）级甚至PW（拍瓦）级飞秒超强脉冲激光。透镜组2由凹透镜9和凸透镜10构成，凹透镜9位于凸透镜10前方，且凹透镜9前方（即图中凹透镜9左侧）的虚焦点与凸透镜10前方（即图中凸透镜10左侧）的实焦点重合。飞秒激光器1所发射的飞秒超强脉冲激光首先经凹透镜9发散，之后再经凸透镜10汇聚，经凸透镜10后的激光束被扩束，本实施例中扩束后激光束的横截面面积达平方厘米量级。

可调光阑3例如可以为Iris可调光阑，可调光阑3的孔径大小可以调节，激光束经过可调光阑3后可以实现激光束大小、强弱的调节。

微透镜阵列4是由若干微米至厘米量级的微小的凸透镜排列而形成，微透镜阵列4可以为不同空间对称性晶格结构的微透镜阵列，如图2所示，例如可以为六边形对称结构（如图2（a））、四边形对称结构（如图2（b））、条纹形对称结构（如图2（c））、三角形对称结构（如图2（d））或超点阵结构等；微透镜阵列4还可以是不同晶格常数的微透镜阵列（从微米到厘米量级）。微透镜阵列4具有较高的机械强度，不易被强激光损坏。本发明中微透镜阵列4具有长的焦距，经可调光阑3后的激光束入射到微透镜阵列4上，可在微透镜阵列4的焦平面上形成与微透镜阵列4对称性一致的周期性激光焦斑阵列。改变微透镜阵列4的周期性对称结构，所形成的激光焦斑阵列随之发生改变。

介质阻挡放电单元5包括相对的两个液体电极以及与两个液体电极电连接的交流电源7。每个液体电极均是在有机玻璃管6内盛满导电液体（例如为水），并在有机玻璃管6的两端采用平板玻璃8封住而形成。两个平板玻璃8平行且相对，每个平板玻璃8的厚度在毫米量级，平板玻璃8可以兼做电介质层。在有机玻璃管6内的导电液体内插入金属圆环，使金属圆环与交流电源7电连接，即可实现液体电极与交流电源7的电连接。两个液体电极之间即为放电间隙，调整介质阻挡放电单元5的位置，以使微透镜阵列4的焦平面恰好位于两个液体电极之间的放电间隙内。放电间隙内所充斥的气体即为工作气体，工作气体可以为空气、氩气、氦气或氮气，还可以是这些气体中任意两种或两种以上所形成的混合气体。介质阻挡放电单元5可以裸露在空气中，实现大气压下空气中的放电；也可以置于真空反应室中。在真空反应室内注入放电气体（即工作气体），放电气体为气压可调的空气、氩气、氦气或氮气等，也可以是他们的混合气体。在两个液体电极之间还可以设置作为放电气隙边界的边框，边框可以为圆形、方形、六边形或其他形状等。本发明中液体电极的使用既保证了激光能量几乎无损失的通过，又能保持系统自身的高度非线性以及高比热容的温度稳定性，同时还满足了对等离子体性质多方位、无干扰测量的要求。

交流电源7所产生的交流电压为方波波形，开始时电压幅值要略低于工作气体的击穿阈值电压，频率为10~100 kHz，且交流电源7应该在飞秒激光器1发射激光之前开启。飞秒激光器1所发射的飞秒脉冲激光经微透镜阵列4后所形成的激光焦斑阵列的聚焦功率密度为10^13-14W/cm²数量级，而大气压下空气击穿所要求的激光聚焦功率密度为10¹²W/cm²，其它惰性气体如Ar气、He气等所要求的激光聚焦功率密度更低，因此经微透镜阵列4聚焦后的激光阵列将迅速电离工作气体形成与之对应的等离子体丝阵列。由于介质阻挡放电的维持电压显著低于其击穿阈值电压，因此激光阵列作为“光开关”点燃放电后，将在外电压的作用下在放电间隙内形成稳定的自持放电。众所周知，介质阻挡放电具有“记忆效应”，在保持放电参数不变的情况下，后续放电仍将优先发生在预电离通道处。因此，所产生的等离子体放电丝的空间周期性排列与激光束的周期性保持一致，等离子体通道与未电离工作气体构成两种不同介质的周期性有序排列，形成稳定、可控的等离子体光子晶体。

微透镜阵列4的空间周期性对初始等离子体光子晶体的对称性起决定作用。除了微透镜阵列4的空间周期性对称结构外，激光的入射波长、放电间隙与微透镜阵列4之间的相对距离、初始的激光能量等也会对等离子体光子晶体产生一定的影响，因此，在光学方面通过改变改变激光入射波长、放电间隙与微透镜阵列4之间的相对距离、初始激光能量、微透镜阵列4的对称性等将会获得不同晶格常数、不同对称性的等离子体光子晶体。此外，本装置不仅能够得到激光引导的稳定可控的等离子体光子晶体，随外加电学控制参数的改变（例如：外加电压幅值（可在1.0 kV~10.0 kV范围内调节）、频率、气压等），以该等离子体光子晶体为初始条件，利用放电丝的非线性自组织，还能够获得更为丰富对称性结构的等离子体光子晶体并实现不同结构的相互可控性转化。这是因为，初始结构已经由激光束阵列所确定，它作为主导等离子体光子晶体随外加参数演化序列的最重要因素，使得不仅能够通过自组织方法获得丰富结构的等离子体光子晶体，还使得等离子体光子晶体的演化取向更加可控，例如由四方晶格结构转化为六方晶格或超晶格结构等。

如图3所示，图3中四个等离子体光子晶体照片即是通过调节放电参数而形成。图3（a）中所形成的等离子体光子晶体为四边形对称性结构，其对应的交流电源电压U=1.7kV，频率f=50 kHz，工作气体气压p=1 atm，工作气体为99.99%的Ar，气隙间距d=1.4 mm，放电气隙边界为圆形结构。图3（b）中所形成的等离子体光子晶体为六边形对称性结构，其所对应的交流电源电压U=2.0kV，频率f=50 kHz，工作气体气压p=1 atm，工作气体为99.99%的Ar，气隙间距d=1.4 mm，放电气隙边界为圆形结构。图3（c）中所形成的等离子体光子晶体为超四边形对称性结构，其所对应的交流电源电压U=4.2kV，频率f=62 kHz，工作气体气压p=1atm，工作气体为99.99%的Ar，气隙间距d=1.6 mm，放电气隙边界为正方形结构（边长为32.5mm）。图3（d）中所形成的等离子体光子晶体为超六边形对称性结构，其所对应的交流电源电压U=5.1kV，频率f=58 kHz，工作气体气压p=70 kPa，工作气体为Ar与空气的混合气体（氩气与空气的体积比为6:4），气隙间距d=1.5 mm，放电气隙边界为圆形结构（直径为75mm）。

如图4所示，图4中三个等离子体光子晶体照片是通过调节交流电源电压而获得的。图4（a）中交流电源电压U=2.3 kV，所形成的等离子体光子晶体为四边形结构，图4（b）中交流电源电压U=2.74 kV，所形成的等离子体光子晶体为两套四边形嵌套结构，图4（c）中交流电源电压U=4.11kV，所形成的等离子体光子晶体为四边形超点阵结构。三个图中其他的放电参数均为：工作气体为Ar气与空气的混合气体（比例为1:1），气压p=0.3 atm，气隙间距d=1.8 mm；电压频率f=50 kHz，放电气隙边界为圆形结构（φ=65 mm）。

Claims

1.一种产生稳定可控等离子体光子晶体的装置，其特征是，包括：

飞秒激光器，用于发射飞秒脉冲激光；

可调光阑，用于调节扩束后的激光束的大小；

介质阻挡放电单元，包括相对的两个液体电极以及与两个所述液体电极电连接的交流电源；所述微透镜阵列的焦平面位于两个液体电极之间的放电间隙内，由所述微透镜阵列所形成的激光束阵列可作为“光开关”电离工作气体以在两个液体电极之间的放电间隙内形成空间周期性等离子体丝，后续在交流电源的作用下，在两个液体电极之间的放电间隙内形成稳定可控的等离子体光子晶体。

2.根据权利要求1所述的产生稳定可控等离子体光子晶体的装置，其特征是，在所述透镜组中，所述凹透镜的虚焦点与所述凸透镜的实焦点重合。

3.根据权利要求1所述的产生稳定可控等离子体光子晶体的装置，其特征是，所述微透镜阵列呈六边形、四边形、条纹形或三角形空间周期性对称结构。

4.根据权利要求1所述的产生稳定可控等离子体光子晶体的装置，其特征是，在两个所述液体电极之间设置有作为放电气隙边界的边框。

5.根据权利要求1所述的产生稳定可控等离子体光子晶体的装置，其特征是，所述液体电极的具体结构是：在有机玻璃管内盛满导电液体，在导电液体内插入金属圆环，所述金属圆环与交流电源电连接，在有机玻璃管的两端设置有用于封堵导电液体的平板玻璃。

6.一种产生稳定可控等离子体光子晶体的方法，其特征是，包括如下步骤：

d、所述激光束阵列在介质阻挡放电单元的放电间隙内电离工作气体形成周期性排列的等离子体丝。

7.根据权利要求6所述的产生稳定可控等离子体光子晶体的方法，其特征是，步骤c中，经所述透镜组扩束后的激光束的横截面面积为平方厘米量级。

8.根据权利要求6所述的产生稳定可控等离子体光子晶体的方法，其特征是，步骤d中，调整交流电源的电压幅值为1.0kV~10.0 kV，频率为10~100kHz，以产生不同对称性结构的等离子体光子晶体。

9.根据权利要求6所述的产生稳定可控等离子体光子晶体的方法，其特征是，步骤c中飞秒激光器所发射的飞秒脉冲激光的聚焦功率密度大于10¹⁰W/cm²数量级。

10.根据权利要求6所述的产生稳定可控等离子体光子晶体的方法，其特征是，步骤d中放电间隙内的工作气体为气压可调的空气、氩气、氦气和氮气中的任意一种或两种的混合气体。