CN110337169B - 一种可产生稳定连续的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稳定连续的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。本发明既能够实现长时间连续存在的等离子体光子晶体又可以在μs量级上对其进行时间周期性调制,可满足对不同波段电磁波长时间的稳定控制。

Description

一种可产生稳定连续的等离子体光子晶体的装置及方法
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稳定连续的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。
通常,对于常规的kHz频率的介质阻挡放电为脉冲型放电,放电时间一般在ns-μs量级之间,所产生的等离子体光子晶体是瞬态存在的,具有一定的时间窗口,因此主要用于对短脉冲电磁波传播的控制。如何利用介质阻挡放电装置实现长时间连续、稳定存在的等离子体光子晶体,实现对电磁波传播进行连续性控制是人们所期待的,具有重要的研究意义。
发明内容
本发明的目的就是提供一种可产生稳定连续的等离子体光子晶体的装置及方法,以解决现有装置难以实现长时间连续、稳定存在的等离子体光子晶体,且对于等离子体光子晶体的时空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:一种可产生稳定连续的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。
一种可产生稳定连续的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,所述放电电源至少有一个射频高压放电电源,射频高压放电电源的电压为500V~3000V,频率为1MHz~50MHz;
c、启动电源,在放电间隙即可产生稳定连续的等离子体光子晶体。
步骤b中,将阵列液体电极的电极丝并联并与一个共同的射频高压放电电源相连;或者
将阵列液体电极的每个电极丝连接独立的射频高压放电电源;或者
将阵列液体电极的电极丝周期性对称分为射频高压组和中频高压组,射频高压组的每个电极丝连接独立的射频高压放电电源,中频高压组的每个电极丝连接独立的中频高压放电电源;或者
将阵列液体电极的电极丝周期性对称分为射频高压组和中频高压组,射频高压组的电极丝并联后连接射频高压放电电源,中频高压组的电极丝并联后连接中频高压放电电源。
所述中频高压放电电源的电压为800V~10000V,频率为10kHz~100kHz。
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、电导率以产生不同的连续等离子体光子晶体并进行控制。
本发明采用射频电压源阵列液体电极介质阻挡放电装置实现时空可控、时间上连续稳定存在的等离子体光子晶体结构。该结构不再局限于脉冲电磁波的传播控制,而是能够对电磁波实现长时间的连续性、稳定性控制。特别是,通过合理设计阵列液体电极的电压配置,将kHz和MHz频率的交流电源合理匹配,按照一定对称性,令一部分电极单元配置射频电源,另一部分电极单元配置kHz电源,这样在产生时间上连续的等离子体光子晶体的基础上(射频电压控制),通过kHz频率的阵列单元产生脉冲的瞬态等离子体光子晶体结构,进而既能够实现长时间连续存在的等离子体光子晶体又可以在μs量级上对其进行时间周期性调制。
此外,还可通过调节阵列液体电极内导电液体的成分、pH值、电导率以产生不同的等离子体光子晶体,更一步提高了本系统中等离子体光子晶体的灵活性和可调性,可满足对不同波段电磁波长时间的稳定控制。
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是图1的左视图。
图3是阵列液体电极的剖视图。
图4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)表示所有电极丝连接共同的放电电源,(b)表示电极丝对称性分组连接不同电压的放电电源。
图5为本发明装置产生的等离子体光子晶体照片。其中,第一种类型的图(左图)是在50%氦气和50%空气中大气压为0.2atm~0.5atm下由5MHz~15MHz频率电压产生的图;第二种类型的图(右图)是在90%氦气和10%空气中大气压为0.5atm~1atm下由1MHz~10MHz频率电压产生的图。
具体实施方式
下面以具体实施例详细描述本发明。
如图1至图3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,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,所述放电电源为射频高压交流电源,电压为500V~3000V,频率为1MHz~50MHz。
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、对称性高且能够长时间连续存在(如图5所示)。
放电电源应至少有一个射频高压交流电源,可将阵列液体电极的电极丝并联并与一个共同的射频高压放电电源相连;或者将阵列液体电极的每个电极丝连接独立的射频高压放电电源;或者将阵列液体电极的电极丝周期性对称分为射频高压组和中频高压组,射频高压组的每个电极丝连接独立的射频高压放电电源,中频高压组的每个电极丝连接独立的中频高压放电电源;或者将阵列液体电极的电极丝周期性对称分为射频高压组和中频高压组,射频高压组的电极丝并联后连接射频高压放电电源,中频高压组的电极丝并联后连接中频高压放电电源。上述中频高压放电电源的电压为800V~10000V,频率为10kHz~100kHz。
具体如图4所示,图4中同一颜色的圆代表连接相同电压和频率的放电电源,图4(a)所示为将阵列液体电极的电极丝并联并与一个共同的射频高压放电电源相连,可以产生长时间稳定的等离子体光子晶体。图4(b)所示,在四边形对称性晶格中,第一幅图为令1、3、5...排的电极单元连接射频高压电源,令2、4、6...排的电极单元连接kHz中频高压电压,第二幅图的连接相反,都可以在产生时间上连续的等离子体光子晶体的基础上(射频电压控制),通过kHz频率的阵列单元产生脉冲的瞬态等离子体光子晶体结构,进而实现对连续等离子体光子晶体进行时间上的周期性调制。
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 (5)

1.一种产生稳定连续的等离子体光子晶体的方法,其特征是,包括以下步骤:
a、设置产生稳定连续的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周期性对称分为射频高压组和中频高压组,射频高压组的每个电极丝连接独立的射频高压放电电源,中频高压组的每个电极丝连接独立的中频高压放电电源;或者
将阵列液体电极的电极丝周期性对称分为射频高压组和中频高压组,射频高压组的电极丝并联后连接射频高压放电电源,中频高压组的电极丝并联后连接中频高压放电电源;所述射频高压放电电源的电压为500V~3000V,频率为1MHz~50MHz;所述中频高压放电电源的电压为800V~10000V,频率为10kHz~100kHz;
c、启动电源,在放电间隙即产生稳定连续的等离子体光子晶体。
2.根据权利要求1所述的产生稳定连续的等离子体光子晶体的方法,其特征是,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、电导率中的至少一项以产生不同的连续等离子体光子晶体并进行控制。
3.根据权利要求1所述的产生稳定连续的等离子体光子晶体的方法,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。
4.根据权利要求1所述的产生稳定连续的等离子体光子晶体的方法,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。
5.根据权利要求1所述的产生稳定连续的等离子体光子晶体的方法,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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