CN106772704B - 产生具有四种折射率的固体调制等离子体光子晶体的方法 - Google Patents

产生具有四种折射率的固体调制等离子体光子晶体的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种产生具有四种折射率的固体调制等离子体光子晶体的方法。该方法包括如下步骤：在真空反应室内设两个水电极，水电极与等离子体发生电源电连接；在两个水电极间设固体边框，在固体边框的内部区域开若干呈矩阵式排列的通孔，相邻两个通孔之间由固体棱隔开；向真空反应室内通入空气和氩气的混合气体作为放电气体，调节放电气体的气压为0.1—1 atm；闭合开关，可在放电间隙内产生等离子体、气体、固体棱周期性排列的具有四种折射率的固体调制等离子体光子晶体。本发明首次产生了具有四种折射率的固体调制等离子体光子晶体，能够阻止某些频率光的传播，起到频率选择性光开关作用，在工业领域具有广泛的应用前景。

Description

产生具有四种折射率的固体调制等离子体光子晶体的方法
技术领域
本发明涉及等离子体应用技术和光学技术领域，具体地说是一种产生具有四种折射率的固体调制等离子体光子晶体的方法。
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，等离子体光子晶体相比于传统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。但作为一个典型的非线性现象，等离子体光子晶体对实验条件非常敏感。控制参数（气体成分、气体压力、施加电压和频率、电极几何形状和尺寸等）稍有改变，将会演变出不同的等离子体光子晶体。也就是说，等离子体光子晶体的不稳定性不利于未来的应用。
目前，常规等离子体光子晶体由等离子体斑图及气体交替排列构成。在先专利ZL200610102333.0中实现了由粗细等离子体通道及气体（即未放电区域处的气体）自组织形成的等离子体光子晶体；在先专利ZL201010523218.7中实现了由等离子体柱、等离子体片及气体（对应未放电区域）形成的等离子体光子晶体。然而，上述专利技术并未能实现利用固体调制来产生等离子体光子晶体。
发明内容
本发明的目的就是提供一种产生具有四种折射率的固体调制等离子体光子晶体的方法，以填补现有技术中尚未有利用固体调制来产生等离子体光子晶体的这一技术空白。
本发明的目的是这样实现的：一种产生具有四种折射率的固体调制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一固体边框，所述固体边框所在平面与两个所述水电极的轴心线垂直；在所述固体边框的内部区域设置有若干呈矩阵式排列的通孔，相邻两个通孔之间由固体棱隔开；所有通孔构成放电间隙；
c、向真空反应室内通入空气和氩气的混合气体作为放电气体，并调节真空反应室内放电气体的气压为0.1—1 atm；
d、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间的放电间隙内产生具有不同结构的等离子体，所产生的等离子体与放电间隙内未放电的气体以及固体棱周期性排列形成具有四种折射率的固体调制等离子体光子晶体。
优选的，步骤b中在所述固体边框的内部区域设置有9个大小相等、边长为8mm的正方形通孔。
优选的，步骤b中相邻两个正方形通孔之间的固体棱的宽度为2mm。
优选的，步骤b中所述固体边框的厚度为1.6mm~3mm。
更优选的，步骤b中所述固体边框的厚度为2mm。
优选的，放电间隙正对两个所述水电极；放电间隙的面积小于所述水电极的截面面积，所述固体边框的总面积大于所述水电极的截面面积。
优选的，放电气体中，氩气体积占混合气体体积的1%-99%。
优选的，在真空反应室的壁体上开有进气口和出气口，通过所述进气口可向真空反应室内通入空气；在真空反应室外设置有与真空反应室相连的氩气瓶，通过氩气瓶可向真空反应室内通入氩气。
本发明在两个水电极之间设置有特制的固体边框，在固体边框的内部区域设置有若干呈矩阵式排列的通孔，相邻两个通孔之间由固体棱隔开。固体边框所在平面与两个水电极的轴心线垂直；固体边框内部区域的所有通孔构成两个水电极之间的放电间隙（或称放电区域）。向真空反应室内通入空气和氩气的混合气体作为放电气体，调节放电气体的气压为0.1-1 atm；闭合开关，使等离子体发生电源作用于两个水电极，当等离子体发生电源的电压达到气体击穿阈值时，在两个水电极间的放电间隙内产生放电丝。在不同条件下，放电丝自组织形成具有不同空间结构的等离子体。这些等离子体与通孔内的气体（即通孔内未产生放电丝处的气体）以及通孔之间的固体棱交替排列形成固体调制的等离子体光子晶体。不同空间结构的等离子体具有两种折射率，而固体棱和气体与等离子体的折射率各不相同，因而形成的等离子体光子晶体具有四种折射率。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。
在放电间隙内没有放电产生时，所有频率的光都可以通过，而当放电条件合适，形成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。可通过调节放电参数，改变等离子体光子晶体的晶格常数，即改变光子晶体的能级分布，进而方便地选择哪些频率的光被禁止。同时，由于特制的固体边框的影响，本发明产生的固体调制等离子体光子晶体更加稳定，存在更加广泛。等离子体光子晶体在双水电极介质阻挡放电中自组织形成，不依靠人工固定晶格常数，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是本发明产生固体调制等离子体光子晶体所用装置的结构示意图。
图2是图1中固体边框的正视图。
图3是本发明实施例2所产生的固体调制等离子体光子晶体的示意图；其中，图3（a）是实施例2中用普通相机拍摄的等离子体光子晶体的照片图，图3（b）是图3（a）中一个周期的局部示意图。
图4是本发明实施例3所产生的固体调制等离子体光子晶体的示意图；其中，图4（a）是实施例3中用普通相机拍摄的等离子体光子晶体的照片图，图4（b）是图4（a）中一个周期的局部示意图。
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、固体边框，6-1、正方形通孔，6-2、固体棱，7、进气口，8、出气口，14、第一未放电区域，15、第一等离子体，16、第二等离子体，17、第二未放电区域，18、第三等离子体，19、第四等离子体。
具体实施方式
实施例1，产生具有四种折射率的固体调制等离子体光子晶体所用的装置。
如图1所示，本发明所用到的装置具体是：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。本实施例中，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1.5mm~5mm之间，作为放电介质。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外设置有与真空反应室1内腔相连通的氩气瓶（图中未示出）。
在两个水电极2之间设置有固体边框6，固体边框6所在平面与两个水电极2的轴心线垂直，且固体边框6的两个侧面分别紧贴两个水电极2的端面（图1中固体边框6与水电极2分离是为了方便观察）。固体边框6的具体结构是：以一个平板作为固体边框本体，在固体边框本体上开设有若干呈矩阵式排列的通孔，这些通孔构成放电区域（或称放电间隙），相邻两个通孔之间由固体棱隔开。固体边框上的放电区域正对水电极2；放电区域的面积要小于水电极2的截面面积，而固体边框的总面积（即固体边框本体的面积）要大于水电极2的截面面积。
结合图2，本实施例中在固体边框6的内部区域开设有9个大小相等、边长为8mm的正方形通孔6-1，其中，相邻两个正方形通孔6-1被宽度为2mm的固体棱6-2隔开。最外侧正方形通孔6-1距固体边框6边缘的距离不限，也就是说，固体边框6的边缘处的形状不限，可以为圆形，也可以为图2中的方形，也可以是别的规则或不规则形状等。
固体边框6的内部区域将两个水电极2间的放电间隙切割成相应的大小相等，边长为8mm的9个正方形，其中相邻两个正方形由宽度为2mm的固体棱隔开。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）。固体边框6的厚度可以为1.6mm~3mm。优选的，固体边框6的厚度为2mm。固体边框6的材料可以为亚克力板。
在真空反应室1内注有放电气体，本发明中放电气体为空气和氩气的混合气体，空气从进气口7通入，氩气由氩气瓶提供。放电气体的气压可调，一般控制放电气体的气压为0.1~1个标准大气压。等离子体发生电源5的电压幅度在1-6kV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间的放电间隙内产生具有不同结构的等离子体斑图。由于固体棱（宽度为2mm）、气体（即通孔内未放电区域处的气体）与等离子体的折射率各不相同，而不同结构的等离子体的折射率又各不相同，因此，最终形成具有四种折射率的固体调制等离子体光子晶体。
下面以具体实施例详细介绍本发明所产生的具有四种折射率的固体调制等离子体光子晶体的过程。
实施例2
结合图1和图2，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，在真空反应室1的外部设置与真空反应室1内腔相连通的氩气瓶（图1中未示出）。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由两边用玻璃挡片3封住并注满水的有机玻璃管组成，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。
在两个水电极2之间设置有厚度为2mm的固体边框6，固体边框6为亚克力板，其所在平面与两个水电极2的轴心线垂直，且两侧紧贴两个水电极2的端面。在固体边框6的内部区域开设9个大小相等、边长为8mm的正方形通孔6-1，且这9个正方形通孔6-1呈3*3的矩阵式排布。其中，每相邻两个正方形通孔6-1之间由宽度为2mm的固体棱6-2隔开。固体边框6内部9个正方形通孔6-1构成的放电区域的面积小于水电极2的端面面积，且放电区域正对两个水电极2。固体边框6的总面积大于水电极2的端面面积。
通过进气口7向真空反应室1内通入空气，通过氩气瓶向真空反应室1内通入氩气，调整氩气体积含量占混合气体体积的80%，且调节放电气体气压P=0.6atm，电压幅度（此处指电压有效值）U=4.92kV，放电频率为60kHz。闭合开关，等离子体发生电源5作用于两个水电极2。
参见图3，本实施例中所产生的由固体（宽度为2mm的固体棱6-2）、气体（即第一未放电区域14的气体）以及等离子体周期性排列形成的等离子体光子晶体的照片（普通相机拍摄）如图3（a）所示，图3（a）中一个周期的局部示意图如图3（b）所示。图3（b）所示的气体（即第一未放电区域14处的气体）、第一等离子体15、固体棱6-2以及第二等离子体16的折射率各不相同，其中第一未放电区域14的气体的折射率为1；第一等离子体15和第二等离子体16的折射率均小于1，且第一等离子体15的折射率略小于第二等离子体16的折射率；固体棱6-2的折射率为1.2~1.4之间。因而本实施例形成了具有四种不同折射率的固体调制等离子体光子晶体。
实施例3
本实施例与实施例2相比，所不同的是：放电气体气压P=0.35atm，电压幅度U=2.00kV，放电频率f=55kHz，氩气体积含量φ=20%。
参见图4，本实施例中所产生的由固体（宽度为2mm的固体棱6-2）、气体（即第二未放电区域17的气体）以及等离子体周期性排列形成的等离子体光子晶体的照片（普通相机拍摄）如图4（a）所示，图4（a）中一个周期的局部示意图如图4（b）所示。图4（b）所示的气体（即第二未放电区域17的气体）、第三等离子体18、固体棱6-2以及第四等离子体19的折射率各不相同；其中第二未放电区域17的气体的折射率为1；第三等离子体18和第四等离子体19的折射率均小于1，且第三等离子体18的折射率略小于第四等离子体19的折射率，固体棱6-2的折射率为1.2~1.4之间。因而本实施例也形成了具有四种不同折射率的固体调制等离子体光子晶体。

Claims (8)

1.一种产生具有四种折射率的固体调制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一固体边框，所述固体边框所在平面与两个所述水电极的轴心线垂直；在所述固体边框的内部区域设置有若干呈矩阵式排列的通孔，相邻两个通孔之间由固体棱隔开；所有通孔构成放电间隙；
c、向真空反应室内通入空气和氩气的混合气体作为放电气体，并调节真空反应室内放电气体的气压为0.1—1 atm；
d、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间的放电间隙内产生具有不同结构的等离子体，所产生的等离子体与放电间隙内未放电的气体以及固体棱周期性排列形成具有四种折射率的固体调制等离子体光子晶体。
2.根据权利要求1所述的产生具有四种折射率的固体调制等离子体光子晶体的方法，其特征是，步骤b中在所述固体边框的内部区域设置有9个大小相等、边长为8mm的正方形通孔。
3.根据权利要求2所述的产生具有四种折射率的固体调制等离子体光子晶体的方法，其特征是，步骤b中相邻两个正方形通孔之间的固体棱的宽度为2mm。
4.根据权利要求1所述的产生具有四种折射率的固体调制等离子体光子晶体的方法，其特征是，步骤b中所述固体边框的厚度为1.6mm~3mm。
5.根据权利要求4所述的产生具有四种折射率的固体调制等离子体光子晶体的方法，其特征是，步骤b中所述固体边框的厚度为2mm。
6.根据权利要求1所述的产生具有四种折射率的固体调制等离子体光子晶体的方法，其特征是，放电间隙正对两个所述水电极；放电间隙的面积小于所述水电极的截面面积，所述固体边框的总面积大于所述水电极的截面面积。
7.根据权利要求1所述的产生具有四种折射率的固体调制等离子体光子晶体的方法，其特征是，放电气体中，氩气体积占混合气体体积的1%-99%。
8.根据权利要求1所述的产生具有四种折射率的固体调制等离子体光子晶体的方法，其特征是，在真空反应室的壁体上开有进气口和出气口，通过所述进气口可向真空反应室内通入空气；在真空反应室外设置有与真空反应室相连的氩气瓶，通过氩气瓶可向真空反应室内通入氩气。
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