CN110225640B - 一种可产生脉冲型等离子体光子晶体的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可产生脉冲型等离子体光子晶体的装置及方法，其装置包括相对设置的阵列液体电极和平板液体电极，所述阵列液体电极为在一个绝缘基体内呈阵列式分布有若干注有导电液体的通道，每个通道内的导电液体均连接一根电极丝，在绝缘基体的两端各自设有封闭所述通道的介质挡板，所述电极丝穿出绝缘基体一端的介质挡板后连接放电电源，绝缘基体另一端的介质挡板与平板液体电极的平板平行相对并形成放电间隙，所述平板液体电极为接地电极。本发明不仅可以获得时空可控的等离子体光子晶体，而且调控方式多样，更加灵活、便捷。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体应用技术领域和光学领域，具体地说涉及一种可产生脉冲型等离子体光子晶体的装置及方法。
背景技术
作为一种新型的光子晶体，等离子体光子晶体近年来受到国内外学者的广泛关注，并有望被应用于滤波器、光开关、等离子体透镜、等离子体隐身等众多电磁波控制领域。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，实现对某一波段光传播的控制，而且最突出的优势是具有能带结构的时空可调性。人们可以通过调节外加驱动，改变等离子体参数，进而改变等离子体光子晶体的带隙结构，实现对不同波段电磁波的控制。而对于常规的光子晶体，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。此外，等离子体光子晶体还具有反常折射特性。等离子体光子晶体的折射率是入射电磁波频率的函数，折射率在一定的频率下小于1甚至小于0，因而可作为超透镜控制光传播，具有诱人的应用前景。基于以上特点，等离子体光子晶体自2004年被首次提出以来，成为国内外学者关注的一大热点。
介质阻挡放电（DBD）又称无声放电，是一种典型的非平衡态交流气体放电，它通常是由两个平行电极组成，其中至少在一个电极表面覆盖上电介质。 介质阻挡放电广泛应用于等离子显示、发光及臭氧合成等诸多工业领域，并有望应用于信息处理、材料的局域生长等方面。介质阻挡放电是产生等离子体光子晶体的一项重要方法。在以往研究中，我们利用两个平板液体电极介质阻挡放电装置，在kHz频率交流外加电压下，通过放电丝的非线性自组织获得了丰富对称性等离子体光子晶体结构，可用于对短脉冲电磁波传播进行控制。但是，这类装置对于等离子体光子晶体的时空可调可控性不太理想，目前还未有关于应用阵列液体电极介质阻挡放电产生等离子体光子晶体的报道。
发明内容
本发明的目的就是提供一种可产生脉冲型等离子体光子晶体的装置及方法，以解决现有装置对于等离子体光子晶体的时空可调可控性不太理想的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种可产生脉冲型等离子体光子晶体的装置，包括相对设置的阵列液体电极和平板液体电极，所述阵列液体电极为在一个绝缘基体内呈阵列式分布有若干注有导电液体的通道，每个通道内的导电液体均连接一根电极丝，在绝缘基体的两端各自设有封闭所述通道的介质挡板，所述电极丝穿出绝缘基体一端的介质挡板后连接放电电源，绝缘基体另一端的介质挡板与平板液体电极的平板平行相对并形成放电间隙，所述平板液体电极为接地电极。
所述阵列液体电极的通道阵列呈六边形、四边形、三角形、条纹形、蜂窝状或超点阵状空间周期性对称结构。
所述介质挡板的材料为玻璃、石英或者陶瓷，电极丝与介质挡板之间的缝隙填充有玻璃胶。
所述平板液体电极为在一个电介质外壳的两端各自密封设有一个绝缘的平板，在电介质外壳内注有导电液体，导电液体通过电极引线与大地相连，在电介质外壳的顶部设有注水孔。
一种可产生脉冲型等离子体光子晶体的方法，包括以下步骤：
a、设置上述的装置；
b、将阵列液体电极的电极丝与放电电源相连，所述放电电源为中频高压交流电源，电压为500~15000v，频率为1~150kHz；
c、启动电源，在放电间隙即可产生脉冲型的瞬态等离子体光子晶体。
所述放电电源至少为一个，将阵列液体电极的电极丝并联并与一个共同的放电电源相连；或者将阵列液体电极的每个电极丝连接独立的放电电源；或者将阵列液体电极的电极丝周期性对称分组并联后连接不同的放电电源。
可通过调节放电电源的放电条件和/或阵列液体电极内导电液体的成分、pH值、电导率以产生不同对称性结构的等离子体光子晶体。
本发明采用阵列液体电极介质阻挡放电产生等离子体光子晶体，不仅可以获得时空可控的等离子体光子晶体，而且可通过调节放电电源的放电条件和/或阵列液体电极内导电液体的成分、pH值、电导率等多种途径获得不同对称性结构的等离子体光子晶体，调控方式更加灵活、便捷。
附图说明
图1 是本发明的装置的结构示意图。其中，1为电极丝，2介质挡板，3为阵列电极，4为电介质外壳，5为注水孔。
图2是阵列液体电极的剖视图。
图3是阵列液体电极连接不同电压的放电电源的示意图。其中，（a）、（b）、（c）、（d）分别表示通道的形状不同，每幅图中相同颜色的通道为一组，可连接相同的放电电源。
图4为本发明装置产生的等离子体光子晶体照片。
图5为电压电流脉冲曲线图。
图6为图5中的S1、S2时刻的放电电流尖峰图。其中，(h)为S1时刻的放电电流尖峰，(i)为S2时刻的放电电流尖峰，对应持续时间为0.5μs。
具体实施方式
下面以具体实施例详细描述本发明。
如图1和图2所示，本发明的装置结构包括一个阵列液体电极和一个平板液体电极，所述阵列液体电极平行于平板液体电极且与平板液体电极相对。上述阵列液体电极为一个绝缘基体，在绝缘基体内可按照不同对称性打一系列阵列通道，可排列呈六边形、四边形、三角形、条纹形、蜂窝状或超点阵状空间周期性对称结构，在图1中阵列通道的左端面排列呈六边形，绝缘基体为一个直径为100mm的圆柱体结构，材质为有机玻璃，每个通道的直径为6mm（通道为圆形时），相邻通道之间的距离为2mm。
在每个通道内注入导电液体，且每个通道内的导电液体都连接一根电极丝1，电极丝1为金属丝，单个通道及通道内的导电液体和电极丝构成一个电极单元，电极单元排布成对称性的阵列形式，从而形成阵列电极3。在绝缘基体的两端各粘接一块介质挡板2，介质挡板2为玻璃板，玻璃板的厚度为2mm，其可防止导电液体流出。电极丝穿出绝缘基体左端的介质挡板后连接放电电源，电极丝与介质挡板之间的缝隙填充有玻璃胶，以保证密封效果。绝缘基体右端的介质挡板与平板液体电极的平板平行相对并形成放电间隙。
导电液体为水或其他导电溶液（本实施例为自来水），导电液体的导电液体的成分、pH值、电导率可根据需求进行调整。由于液体的热容量大，即使长时间放电操作不会引起阵列电极很大的温度变化，这样得到的等离子体光子晶体具有良好的稳定性。
平板液体电极为接地电极。平板液体电极为在一个电介质外壳4的两端各自密封设有一个绝缘的平板，电介质外壳为一个内径为80mm的圆柱形筒体，由绝缘材质制成。平板可以是玻璃板，厚度与介质挡板相同，在电介质外壳内注有导电液体，导电液体通过电极引线与大地相连，在电介质外壳的顶部设有注水孔5。注水孔5有两方面的作用，一方面可以用来注入水（本发明可采用多种导电性不同的液体），另一方面可以使电介质外壳的内腔与外界相通，内外气压一致从而可以防止放电时因导电液体发热而导致内部压力增大，防止压强过大发生炸裂。
本发明的方法包括以下步骤：
a、设置上述的装置；装置在使用时，将阵列液体电极和平板液体电极用夹子固定于对应位置，通过注水孔将电介质外壳的空间注满不同成分或不同酸碱度的导电液体。介质挡板和电介质外壳一端的平板平行相对，之间为气隙间距，放电气隙间距可通过调节两电极的位置进行自由调节。
b、将阵列液体电极的所有电极丝与共同的放电电源相连，所述放电电源为中频高压交流电源，电压为500-15000v频率为1-150KHz。
c、加入电压后，气隙间的气体被击穿从而形成气体放电，表现为许多明亮的放电丝。这些放电丝的排列具有规则的结构，且与阵列液体电极的对称性一致。由于阵列电极的应用，放电区域与未放电区域周期性排列，形成了等离子体光子晶体，这些等离子体光子晶体的结构稳定、对称性高。而且每个阵列可以产生个数不同的放电丝，如图4(e)、(f)，丝的个数为1-5个。丝的放电是脉冲型的，但是这是一种短时间内存在的脉冲型等离子体光子晶体，脉冲时间为纳秒-微秒。（如图5所示）脉冲型的等离子体光子晶体具有多种应用，包括精密雷达测距，精确无线电定位，宽带通信，时间分辨全息成像，信号处理，脉冲微波产生和检测等。
放电电源应至少为一个，可将阵列液体电极的电极丝并联并与一个共同的放电电源相连；或者将阵列液体电极的每个电极丝连接独立的放电电源；或者将阵列液体电极的电极丝周期性对称分组并联后连接不同的放电电源，而且每一个电源或每一组电源可以加上不同KHz的电源。同时也可以在每一个电源或每一组电源上选择不同的波形。例如方波，三角波或者正弦波等，能够实现自由灵活的调节，装置通道的截面形状也可根据需要设置为圆形、三角形、方形、六边形等。具体如图3所示，图3中的(a)图不同颜色的三角形代表连接不同电压的放电电源，或者不同波形的电源。(b)图相同颜色的六边形为一组，可以连接不同的或者相同的KHz电源以及相同的或者不同的波形的电源，而且这个组合可以任取。(c)和(d)每一行或者每一列相同颜色的圆形和四边形可以连接相同波形或者不同波形的电源，可以很灵活地进行调节。我们还可以自由地选择外加电源的时间，可以实现对不同通道不同时间上的控制。可以在每一个电源或者每一组电源上选择不同的时间。不同的分组形式及不同的放电电压可产生不同的等离子体光子晶体。
除可以调节放电电源的放电条件外，还可以通过调节阵列液体电极内导电液体的成分、pH值、电导率等以改变等离子体的密度、形成时间等参数，从而产生不同对称性结构的等离子体光子晶体，实现对等离子体光子晶体的控制。
Claims (4)
1.一种产生脉冲型等离子体光子晶体的方法，其特征是，包括以下步骤：
a、设置产生脉冲型等离子体光子晶体的装置；所述装置包括相对设置的阵列液体电极和平板液体电极，所述阵列液体电极为在一个绝缘基体内呈阵列式分布有若干注有导电液体的通道，每个通道内的导电液体均连接一根电极丝，在绝缘基体的两端各自设有封闭所述通道的介质挡板，所述电极丝穿出绝缘基体一端的介质挡板后连接放电电源，绝缘基体另一端的介质挡板与平板液体电极的平板平行相对并形成放电间隙，所述平板液体电极为接地电极；
b、将阵列液体电极的电极丝与放电电源相连，所述放电电源为中频高压交流电源，电压为500~15000v，频率为1~150kHz；所述放电电源至少为一个，将阵列液体电极的电极丝并联并与一个共同的放电电源相连；或者将阵列液体电极的每个电极丝连接独立的放电电源；或者将阵列液体电极的电极丝周期性对称分组并联后连接不同的放电电源；
c、启动电源，在放电间隙即可产生脉冲型的瞬态等离子体光子晶体；通过调节放电电源的放电条件和/或阵列液体电极内导电液体的成分、pH值、电导率以产生不同对称性结构的等离子体光子晶体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述阵列液体电极的通道阵列呈六边形、四边形、三角形、条纹形、蜂窝状或超点阵状空间周期性对称结构。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述介质挡板的材料为玻璃、石英或者陶瓷，电极丝与介质挡板之间的缝隙填充有玻璃胶。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述平板液体电极为在一个电介质外壳的两端各自密封设有一个绝缘的平板，在电介质外壳内注有导电液体，导电液体通过电极引线与大地相连，在电介质外壳的顶部设有注水孔。
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