CN107037506B - 一种产生不同气体温度等离子体光子晶体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种产生不同气体温度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；在两个水电极间设边框，在边框内开若干直径为1mm的孔隙，相邻两个孔隙间距为1mm。向真空反应室内通入空气或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—0.55atm；闭合开关，在放电间隙内产生等离子体光子晶体，且相邻孔隙内产生不同气体温度的等离子体光子晶体。本发明首次实现了不同气体温度的等离子体光子晶体，增加了对光调制的选择方式，这种对光的传播进行控制和调节的方法实现了对光束调制的多样化、方便化、高效化，在工业领域具有广泛的应用前景。

Description

一种产生不同气体温度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不同气体温度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，上述专利在形成等离子体光子晶体时放电气隙内的气体温度都相同，现有技术中尚未见报道产生不同气体温度的等离子体光子晶体。

发明内容

本发明的目的就是提供一种产生不同气体温度等离子体光子晶体的方法，以填补现有技术中尚未有产生不同气体温度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：一种产生不同气体温度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，所述固体边框的厚度为1mm~3mm，优选为1mm，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均匀设置有10*10-20*20个直径为1mm的圆形通孔，优选的，在固体边框的内部区域均匀设置有16*16个直径为1mm的圆形通孔；相邻两个通孔之间的间距为1mm，所有通孔构成正方形的矩阵式排列的放电间隙；

c、向真空反应室内通入放电气体，放电气体为空气或空气与氩气的混合气体，调节真空反应室内放电气体的气压为0.1—0.55 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等离子体光子晶体，且相邻两个通孔内所产生的等离子体光子晶体具有不同的气体温度。

优选的，所有通孔合围的区域为放电区域；所述放电区域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。

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均匀排布有若干直径为1mm的圆形通孔，相邻两个通孔之间的最小间距为1mm；所有通孔构成正方形的矩阵式排列结构。固体边框所在平面与两个水电极的轴心线垂直；固体边框内部放电区域面积（即通孔总面积）小于水电极的截面面积，固体边框总面积大于所述水电极的截面面积。向真空反应室内通入放电气体，放电气体为空气或空气与氩气的混合气体，调节真空反应室内放电气体的气压为0.1—0.55 atm；闭合开关，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区域内产生放电丝，且在相邻的通孔内会产生不同气体温度的等离子体光子晶体。需要说明的是，正方形结构的矩阵式通孔中，最外面一圈的通孔因受边界的影响，因此相邻通孔内的等离子体光子晶体可能并非具有不同的气体温度。由于通孔均匀的排列可以直接方便的对光束的传播进行控制和调节，且这种通孔可使形成的等离子体光子晶体更加稳定，在工业领域中有更广泛的应用前景。

本发明首次实现了具有不同气体温度的等离子体光子晶体。等离子体光子晶体不但具有光子晶体的带隙特性和局域特性，还具有时变可控、反常折射等特性，特别是能够通过改变等离子体的参量和外部参数从而比较容易地对带隙的特性进行调控。气体温度作为一个重要的外部参数，是等离子体光子晶体可调谐性的一个重要可控因素。通过获得不同气体温度而改变带隙特性的等离子体光子晶体，将是一种对光传播选择性的新调制方法。本发明所产生的具有不同气体温度的等离子体光子晶体，可增加对光调制的选择方式，无论是在以后的实验研究中还是在工业应用上都具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明中产生不同气体温度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所产生的不同气体温度的等离子体发光斑图的示意图。

图4是本发明实施例2中相邻两个通孔内氮分子离子的二维转动光谱图。

图5是本发明实施例2中相邻两个通孔内氮分子离子的三维转动光谱图。

图6是本发明实施例3所产生的不同气体温度的等离子体发光斑图的示意图。

图7是本发明实施例3中相邻两个通孔内氮分子离子的二维转动光谱图。

图8是本发明实施例3中相邻两个通孔内氮分子离子的三维转动光谱图。

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，7、进气口，8、出气口。

具体实施方式

实施例1，产生不同气体温度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）。结合图2，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直径为1mm的圆形通孔（通孔或称孔隙），这些通孔构成放电区域（或称放电间隙），相邻两个通孔之间的最小间距为1mm。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。

本实施例中在固体边框本体上开设有16*16个圆形通孔。最外侧圆形通孔距固体边框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，直径为1mm的16*16的均匀孔隙，相邻孔隙的最小间距为1mm。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1mm~3mm。优选的，固体边框6的厚度为1mm。固体边框6的材料可以为树脂材料。

在真空反应室1内注有放电气体，放电气体可以为空气或空气和氩气的混合气体。放电气体的气压可调，一般控制放电气体的气压为0.1~0.55个标准大气压。等离子体发生电源5的电压幅度在3-6.5kV之间，频率为50~60kHz。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。在相邻的孔隙内，会产生不同气体温度的等离子体光子晶体。

下面以具体实施例详细介绍本发明产生不同气体温度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，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1mm的固体边框6，固体边框6为树脂材料，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16*16个直径为1mm的圆形通孔，且相邻通孔之间的最小间距为1mm。固体边框6内部16*16个圆形通孔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内通入放电气体。具体地，本实施例中所通入的放电气体为空气，放电气体气压P=0.3atm，电压幅度为4.72kV，放电频率为51kHz。闭合开关，等离子体发生电源5作用于两个水电极2，能够产生单双点交替的等离子体发光斑图（或称放电丝），如图3所示。图3中，除最外侧一圈等离子体发光斑图外，内部的等离子体发光斑图是呈现单点和双点交替排列结构的，即：相邻两个通孔（或孔隙）内的等离子体发光斑图结构不同，一个是单个的放电丝（对应单点结构），另一个是两束放电丝（对应双点结构）。

采集本实施例中放电时相邻两个通孔内氮分子离子（N₂ ⁺）的转动光谱，所得二维转动光谱如图4所示，所得三维转动光谱如图5所示。图4和图5中，S所示曲线对应图3中单点等离子体发光斑图，D所示曲线对应图3中双点等离子体发光斑图。根据图4和图5中转动光谱可测得S所示曲线对应的转动温度约为510K，D所示曲线对应的转动温度约为580K。因此，本发明可产生不同气体温度的等离子体光子晶体，且除最外侧一圈通孔外，内部的通孔中任意相邻两个通孔内的气体温度均不同，并呈交替排列结构。

实施例3

本实施例与实施例2相比，所不同的是：放电气体为空气与氩气的混合气体，氩气体积含量为30%，电压幅度为2.72kV。闭合开关，等离子体发生电源5作用于两个水电极2，能够产生单双点交替的等离子体发光斑图，如图6所示。图6与图3类似，也是除最外侧一圈等离子体发光斑图外，内部的等离子体发光斑图呈现出单点和双点交替的排列结构，即：相邻两个通孔（或孔隙）内的等离子体发光斑图结构不同，一个是单个的放电丝（对应单点结构），另一个是两束放电丝（对应双点结构）。

采集本实施例中放电时相邻两个通孔内氮分子离子的转动光谱，所得二维转动光谱如图7所示，所得三维转动光谱如图8所示。图7和图8中，S所示曲线对应图6中单点等离子体发光斑图，D所示曲线对应图6中双点等离子体发光斑图。根据图7和图8中转动光谱可测得S所示曲线对应的转动温度约为420K，D所示曲线对应的转动温度约为500K。因此，本实施例中单点和双点处对应的气体温度也不同。

Claims (6)

1.一种产生不同气体温度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均匀设置有若干直径为1mm的圆形通孔，相邻两个通孔之间的间距为1mm，所有通孔构成正方形的矩阵式排列的放电间隙；

c、向真空反应室内通入放电气体，放电气体为空气或空气与氩气的混合气体，调节真空反应室内放电气体的气压为0.1—0.55 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等离子体光子晶体，且相邻两个通孔内所产生的等离子体光子晶体具有不同的气体温度。

2.根据权利要求1所述的产生不同气体温度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均匀排布有10*10-20*20个圆形通孔。

3.根据权利要求2所述的产生不同气体温度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均匀排布有16*16个圆形通孔。

4.根据权利要求1所述的产生不同气体温度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1mm~3mm。

5.根据权利要求4所述的产生不同气体温度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1mm。

6.根据权利要求1所述的产生不同气体温度等离子体光子晶体的方法，其特征是，所有通孔合围的区域为放电区域；所述放电区域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。