CN106199769B - 一种产生旋转六边形等离子体光子晶体的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种产生旋转六边形等离子体光子晶体的装置及方法。所述装置包括真空反应室、设置在真空反应室内的两个水电极以及与水电极电连接的等离子体发生电源；在两个水电极之间设置有边框，所述边框的内沿是由若干棘齿依次排列而成，且所述边框的内沿构成放电间隙边界。当等离子体发生电源的电压一定时，会在两个水电极之间的放电间隙内产生旋转六边形等离子体光子晶体。本发明中所产生的等离子体光子晶体由于自身的旋转，在入射光不变的情况下，即可使自身的色散曲线、带隙中心频率与带隙宽度得到改变；还可以通过增加压强或降低氩气含量来增快旋转速度，反之则减慢旋转速度，进一步丰富了对光传播选择性的调制。

Description

一种产生旋转六边形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旋转六边形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，但其都只是产生单层等离子体光子晶体的装置；在先专利ZL201310031529.5通过调整晶格对称性实现光的传输，其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，它们都仅仅是以静止的等离子体光子晶体改变晶格对称性来实现对光频率的选择和光传播的控制，并没有实现旋转的等离子体光子晶体的现象，这就在一定程度上限制了对光传播的调制。
发明内容
本发明的目的之一就是提供一种产生旋转六边形等离子体光子晶体的装置，以克服现有装置只能产生静止的等离子体光子晶体的问题。
本发明的目的之二就是提供一种产生旋转六边形等离子体光子晶体的方法，通过该方法可以产生具有六边形对称性的旋转六边形等离子体光子晶体。
本发明的目的之一是这样实现的：一种产生旋转六边形等离子体光子晶体的装置，包括：真空反应室，设置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设置有边框，所述边框所在平面与两个所述水电极的轴心线垂直；所述边框的内沿是由若干棘齿依次排列而成，且所述边框的内沿构成放电间隙边界。
所述边框内沿所围区域面积小于所述水电极的截面面积，所述边框外沿所围区域面积大于所述水电极的截面面积。
优选的，所述边框的厚度为2mm~4mm。
更优选的，所述边框的厚度为2.5mm。
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、氩气或是空气与氩气按任意体积比混合后的混合气体；所述真空反应室内的放电气体的气压为0.2~1个标准大气压。
本发明通过在两个水电极之间设置边框，且边框所在平面与两个水电极的轴心线垂直，边框的内沿由若干棘齿依次排列而成，并构成放电间隙边界；当等离子体发生电源的电压一定时，会在两个水电极之间的放电间隙内产生放电丝，这些放电丝便有序的排列形成六边形等离子体光子晶体，且六边形等离子体光子晶体会沿放电间隙边界处棘齿的缓坡向陡坡方向发生一定规律性的旋转。
在所产生的旋转六边形等离子体光子晶体中，由于等离子体柱（即放电丝，或称等离子体通道）和未放电区域对光的折射率不同，因而实现了两种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。在旋转六边形等离子体光子晶体中，由于等离子体光子晶体的自身旋转，在入射光不变的情况下，即可使自身的色散曲线、带隙中心频率与带隙宽度得到改变。还可以通过增加压强或降低氩气含量来增快旋转速度，反之则减慢旋转速度，进一步丰富对光传播选择性的调制。这种旋转并可调控其旋转速度的光调制器，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：一种产生旋转六边形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设置两个水电极，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一边框，所述边框所在平面与两个所述水电极的轴心线垂直；所述边框的内沿是由若干棘齿依次排列而成，且所述边框的内沿构成放电间隙边界；
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的放电间隙内产生旋转六边形等离子体光子晶体。
所述边框内沿所围区域面积小于所述水电极的截面面积，所述边框外沿所围区域面积大于所述水电极的截面面积。
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、氩气或是空气与氩气按任意体积比混合后的混合气体；所述真空反应室内的放电气体的气压为0.2~1个标准大气压。
氩气体积含量占所述放电气体总体积量的0%~100%；在放电气体气压一定的情况下，通过降低氩气体积含量，可加快旋转六边形等离子体光子晶体的旋转速度，反之则可减慢旋转六边形等离子体光子晶体的旋转速度；在放电气体中氩气与空气体积比不变的情况下，通过增大放电气体气压，可加快旋转六边形等离子体光子晶体的旋转速度，反之则可减慢旋转六边形等离子体光子晶体的旋转速度。
优选的，所述边框的厚度为2.5mm。
本发明首次实现了六边形对称性的旋转六边形等离子体光子晶体。光子晶体在斜入射时，光子晶体的色散曲线随入射角的增大而上升，带隙中心频率也随之增大，带隙宽度随之减小直至消失。而本发明中所产生的等离子体光子晶体由于自身的旋转，在入射光不变的情况下，即可使自身的色散曲线、带隙中心频率与带隙宽度得到改变；而且本发明还可以操控旋转六边形等离子体光子晶体的旋转速度，即通过增加气压或降低氩气含量来增快旋转速度，反之则减慢旋转速度，进一步丰富了对光传播选择性的调制。因此，本发明所产生的旋转六边形等离子体光子晶体使得等离子体光子晶体不再只以静止的方式对光的传输进行调节，也能够以旋转的方式调节光的传输，这在工业上具有广泛的应用前景和应用领域。
附图说明
图1是本发明中产生旋转六边形等离子体光子晶体的装置的结构示意图。
图2是图1中边框的正视图。
图3是本发明实施例2中所产生的旋转六边形等离子体光子晶体的照片图。
图4是本发明实施例3中所产生的旋转六边形等离子体光子晶体的照片图。
图5是本发明实施例4中所产生的旋转六边形等离子体光子晶体的照片图。
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、边框，7、入气口，8、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旋转六边形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，构成两个极板相对的水电极2。两个水电极2与真空反应室1外的等离子体发生电源5电连接。水电极2也可采用有机玻璃管、两端用玻璃挡片3封住，注满水并内置铜环4，使等离子体发生电源5的两个电极分别通过电源线连接两个铜环4。玻璃挡片3的厚度在1.5mm~5mm之间，作为放电介质。在真空反应室1的壁体上开有入气口7和出气口8。
在两个水电极2之间设置有边框6，边框6所在平面与两个水电极2的轴心线垂直，且边框6的两个侧面分别紧贴两个水电极2的端面（图1中边框6与水电极2分离是为了方便观察）。结合图2，边框6的内沿是由若干棘齿依次邻接排列而成，棘齿的截面均为倾斜的不对称结构，棘齿倾斜后的短边（也称棘齿的齿深，或称陡坡）与棘齿倾斜后的长边（也称棘齿的齿长，或称缓坡）的比例为1:2~1:3。这些棘齿的尺寸均相同，且相邻两个棘齿中，一个棘齿的短边与另一棘齿的长边相连接，从而使得所有棘齿的倾斜方向构成顺时针方向倾斜或逆时针方向倾斜（图2中所示为逆时针方向倾斜）。边框6外沿的形状不限，可以为圆形、方形等。边框6内沿所围区域构成两个水电极2之间的放电间隙，从而使得边框6内沿构成放电间隙边界。放电间隙正对两个水电极2，且放电间隙面积小于水电极2的横截面面积（即端面积）。边框6外沿所围区域面积大于水电极2的横截面面积。边框6的厚度可以为2mm~4mm。优选的，边框6的厚度为2.5mm。边框6的材料可以为树脂。
在真空反应室1内注有放电气体，放电气体可以为空气，也可以为氩气，还可以是空气与氩气按任意体积比混合的混合气体，即氩气体积含量占放电气体总体积含量的0%~100%。放电气体的气压可调，一般控制放电气体的气压为0.2~1个标准大气压。等离子体发生电源5的电压幅度在7.0-8.5kV之间，频率为49~60kHz。打开等离子体发生电源5的开关，调节其电压到一定值，即可在两个水电极2之间的放电间隙内产生旋转六边形等离子体光子晶体。在放电气体气压一定的情况下，通过降低氩气体积含量，可加快旋转六边形等离子体光子晶体的旋转速度，通过增加氩气体积含量，可减慢旋转六边形等离子体光子晶体的旋转速度；在放电气体中氩气与空气体积比不变（即氩气体积含量不变）的情况下，通过增大放电气体气压，可加快旋转六边形等离子体光子晶体的旋转速度，通过减小放电气体气压，可减慢旋转六边形等离子体光子晶体的旋转速度。
本发明所产生的旋转六边形等离子体光子晶体可以通过等离子体光子晶体自身旋转，在入射光不变的情况下，使色散曲线、带隙中心频率与带隙宽度得到改变来调节光的传输。还可以通过增加压强或降低氩气含量的方法来增快旋转速度，反之则减慢旋转速度，进一步丰富对光传播选择性的调制。这种首次实现旋转六边形等离子体光子晶体的装置，以及在旋转六边形等离子体光子晶体下，首次实现的旋转的单气隙狭缝六边形等离子光子晶体在工业领域具有广泛的应用前景。
实施例2
本发明所提供的产生旋转六边形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7和出气口8，并在真空反应室1内安装两个极板相对的水电极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与真空反应室1外的等离子体发生电源5电连接。
b、在两个水电极2之间设置有厚度为2.5mm的边框6，边框6为树脂材料，边框6所在平面与两个水电极2的轴心线垂直，边框6两侧面紧贴两个水电极2的端面。边框6的内沿是由八个棘齿依次邻接构成一圆形结构（见图2），且八个棘齿的倾斜方向为逆时针方向倾斜（当然，从另一侧看其倾斜方向就是顺时针方向倾斜）。边框6内沿构成放电间隙边界；边框6内沿所围区域面积小于水电极2的端面面积，边框6外沿所围区域面积大于水电极2的端面面积。
c、通过进气口 7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。具体地，可以通过所需旋转六边形等离子体光子晶体的旋转速度来调节空气与氩气的比例，放电气体中氩气体积含量可在0%~100%之间，在确定好氩气体积含量后（即确定好氩气和空气的体积比后）再确定真空反应室内放电气体的气压。本实施例中确定放电气体中氩气体积含量为80%，放电气体气压P=0.9atm。闭合开关，等离子体发生电源5作用于两个水电极2，调节等离子体发生电源5的电压幅度为8kV，放电频率为51kHz，即可在两个水电极2之间产生旋转六边形等离子体光子晶体。本实施例中所产生的旋转六边形等离子体光子晶体的照片（用高速录像机拍摄）如图3所示，图3中（a）、（b）、（c）三张照片是每隔500ms所拍摄的，每张照片上白色圆圈所标记的放电丝为同一放电丝，由该放电丝的位置的变化可知，本实施例所产生的旋转六边形等离子体光子晶体的角速度为55°/s左右，旋转方向与所有棘齿的倾斜方向一致，即沿棘齿缓坡向其陡坡方向旋转，图中所示为逆时针方向旋转。
实施例3
本实施例与实施例2相比，所不同的是：放电气体的气压p=0.7atm。
本实施例在放电间隙内所产生的旋转六边形等离子体光子晶体的照片如图4所示，图4中（a）、（b）、（c）三张照片同样是每隔500ms所拍摄的，每张照片上白色圆圈所标记的放电丝为同一放电丝，由该放电丝的位置的变化可知，本实施例所产生的旋转六边形等离子体光子晶体的角速度为20°/s左右，旋转方向与所有棘齿的倾斜方向一致，即沿棘齿缓坡向其陡坡方向旋转，图中所示为顺时针方向旋转。
实施例4
本实施例与实施例3相比，所不同的是：放电气体中氩气的体积含量为60%。
本实施例在放电间隙内所产生的旋转六边形等离子体光子晶体的照片如图5所示，图5中（a）、（b）、（c）三张照片同样是每隔500ms所拍摄的，每张照片上白色圆圈所标记的放电丝为同一放电丝，由该放电丝的位置的变化可知，本实施例所产生的旋转六边形等离子体光子晶体的角速度为30°/s左右，旋转方向与所有棘齿的倾斜方向一致，即沿棘齿缓坡向其陡坡方向旋转，图中所示为顺时针方向旋转。

Claims (10)

1.一种产生旋转六边形等离子体光子晶体的装置，包括：真空反应室，设置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设置有边框，所述边框所在平面与两个所述水电极的轴心线垂直；所述边框的内沿是由若干棘齿依次排列而成，且所述边框的内沿构成放电间隙边界。
2.根据权利要求1所述的产生旋转六边形等离子体光子晶体的装置，其特征是，所述边框的厚度为2mm~4mm。
3.根据权利要求2所述的产生旋转六边形等离子体光子晶体的装置，其特征是，所述边框的厚度为2.5mm。
4.根据权利要求1所述的产生旋转六边形等离子体光子晶体的装置，其特征是，所述边框内沿所围区域面积小于所述水电极的截面面积，所述边框外沿所围区域面积大于所述水电极的截面面积。
5.根据权利要求1所述的产生旋转六边形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、氩气或是空气与氩气的混合气体；所述真空反应室内的放电气体的气压为0.2~1个标准大气压。
6.一种产生旋转六边形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设置两个水电极，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一边框，所述边框所在平面与两个所述水电极的轴心线垂直；所述边框的内沿是由若干棘齿依次排列而成，且所述边框的内沿构成放电间隙边界；
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的放电间隙内产生旋转六边形等离子体光子晶体。
7.根据权利要求6所述的产生旋转六边形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、氩气或是空气与氩气的混合气体；所述真空反应室内的放电气体的气压为0.2~1个标准大气压。
8.根据权利要求7所述的产生旋转六边形等离子体光子晶体的方法，其特征是，氩气体积含量占所述放电气体总体积量的0%~100%；在放电气体气压一定的情况下，通过降低氩气体积含量，可加快旋转六边形等离子体光子晶体的旋转速度，反之则可减慢旋转六边形等离子体光子晶体的旋转速度；在放电气体中氩气与空气体积比不变的情况下，通过增大放电气体气压，可加快旋转六边形等离子体光子晶体的旋转速度，反之则可减慢旋转六边形等离子体光子晶体的旋转速度。
9.根据权利要求6所述的产生旋转六边形等离子体光子晶体的方法，其特征是，所述边框的厚度为2.5mm。
10.根据权利要求6所述的产生旋转六边形等离子体光子晶体的方法，其特征是，所述边框内沿所围区域面积小于所述水电极的截面面积，所述边框外沿所围区域面积大于所述水电极的截面面积。
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