CN110650577A - 一种利用回音壁模式光学微腔的电离装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用回音壁模式光学微腔的电离装置及方法，包括石英光学池(1)、回音壁模式光学微腔群(2)与纯净水(3)；所述的石英光学池(1)内底部高设有等离子体放电区域，所述的回音壁模式光学微腔群(2)设于等离子体放电区域，石英光学池(1)内加纯净水(3)，纯净水(3)液面高于回音壁模式光学微腔群(2)上表面；光能(4)由石英光学池(1)上方射入纯净水(3)内的回音壁模式光学微腔群(2)中；所述的回音壁模式光学微腔群(2)包括多个不同直径的石英微球；不同直径的石英微球的直径范围包括光能(4)的波长范围。操作简单、成本低廉、使用方便可靠，能有效提高处理效率，实现水中放电持续产生稳定的等离子体。

Description

一种利用回音壁模式光学微腔的电离装置及方法

技术领域

本发明涉及等离子体结构技术领域，尤其涉及一种利用回音壁模式光学微腔的电离装置及方法。

背景技术

低温等离子体法在化学过程、材料处理、材料合成以及军事等方面具有广泛应用，目前产生等离子的方法基本是采用强电场作用下的放电方法，如辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电和微波放电等，但这些方法需要电能。而利用光能特别是太阳光能来产生等离子体的方法目前还很难得到应用，因为激光诱导击穿水溶液等透明介质需要很高的阈值。解决这个问题通常有两种办法，一是在水溶液中加入其它化学物质以降低水溶液的电离阈值，二是采用高能量的激光，但是这两种方法都存在效率非常低的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用回音壁模式光学微腔的电离装置及方法，操作简单、成本低廉、使用方便可靠，能有效提高处理效率，实现水中放电持续产生稳定的等离子体。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种利用回音壁模式光学微腔的电离装置，包括石英光学池1、回音壁模式光学微腔群2与纯净水3；

所述的石英光学池1内底部高设有等离子体放电区域，所述的回音壁模式光学微腔群2设于等离子体放电区域，石英光学池1内加纯净水3，纯净水3液面高于回音壁模式光学微腔群2上表面；光能4由石英光学池1上方射入纯净水3内的回音壁模式光学微腔群2中；

所述的回音壁模式光学微腔群2包括多个不同直径的石英微球；不同直径的石英微球的直径范围包括光能4的波长范围。

所述的光能4包括激光或太阳光。

一种利用回音壁模式光学微腔的电离方法，包括；

将多个不同直径的石英微球置于水溶液中，构成回音壁模式光学微腔；

光能入射到水溶液中时，不同波长的光会被囚禁在不同直径的石英微球中，形成稳定的行波传输模式，光强不断被积聚增强，达到设定的光场强度；

在回音壁模式光学微腔中电场沿半径方向公布形成回音壁模式场,有少部分能量在腔外,并呈指数衰减,形成倏逝场，利用回音壁模式场的倏逝场与水溶液作用发生电离。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种利用回音壁模式光学微腔的电离装置及方法，操作简单、成本低廉、使用方便可靠，能有效提高处理效率，实现水中放电持续产生稳定的等离子体。

本例是采用一种回音壁模式光学微腔来解决这个问题。声波可以不断地在弯曲光滑的墙面反射而损耗很小,所以声音可以沿着墙壁传播很远的距离，这种效应被称为回音壁模式。类似于声波在墙面反射，当光从光密介质射入光疏介质且入射角大于临界角时,也可以在两种介质表面发生全反射，所以在弯曲的高折射率介质界面也存在回音壁模式，在闭合腔体的边界内，光可以一直被囚禁在腔体内部保持稳定的行波传输模式。这个腔内的光强不断被积聚增强，以致达到水诱导击穿所需的阈值。

回音壁模式光学微腔是一种尺寸在微米量级或者亚微米量级的光学谐振腔，它利用在折射率不连续的界面上的反射、全反射、散射或者衍射等效应，将光限制在一个很小的区域,使得腔内有很高的光场能量密度。回音壁模式光学微腔具有高品质因子,低模式体积和可集成的特点，不仅可以用于生物医学传感，激光与非线性光学光源，经典的集成光学芯片的信息处理，也可以利用回音壁模式与原子,声子等体系的强相互作用，还可以用来实现集成量子芯片上的量子信息，量子计算和量子模拟。利用微腔超高Q值的谐振增强效应，可以将非线性效应阈值降至微瓦量级。例如，直径为50微米,Q＝108的二氧化硅微球腔，1mW的输入光即可使腔内光场强度达到1GW/cm2。这一强度足够使水溶液发生击穿电离。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的利用回音壁模式光学微腔的电离装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的利用回音壁模式光学微腔的电离装置的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。

实施例

如图1所示，一种利用回音壁模式光学微腔的电离装置，包括石英光学池1、回音壁模式光学微腔群2与纯净水3；所述的石英光学池1内底部高设有等离子体放电区域，所述的回音壁模式光学微腔群2设于等离子体放电区域，石英光学池1内加纯净水3，纯净水3液面高于回音壁模式光学微腔群2上表面；光能4由石英光学池1上方射入纯净水3内的回音壁模式光学微腔群2中。所述的光能4包括激光或太阳光。

所述的回音壁模式光学微腔群2包括多个不同直径的石英微球；直径范围大约在几微米到几十微米；所述的回音壁模式光学微腔群2包括多种直径的石英微球，一种直径的石英微球对应一小波段的光，例如某种直径的石英微球对应某种颜色的太阳光波段，这样多种直径的石英微球就覆盖了光能4的波长范围；不同直径的石英微球的直径范围包括光能4的波长范围。这里的包括光能4的波长范围指的是所有的光能4中的光的波长都有相同直径在石英微球在音壁模式光学微腔群2中，保证任何波长的光在音壁模式光学微腔群2中均会被囚禁，无法射出。

所述的回音壁模式光学微腔群2，回音壁模式光学微腔群2包括若干微腔，也称光学微腔，满足相位匹配条件的光被囚禁在石英微球中，在石英微球边界不断反射并保持稳定的行波传输模式，形成一个光学微腔。满足不同相位匹配条件的光被囚禁在不同直径的石英微球中形成很多个光学微腔组成光学微腔群。简言之，就是一种直径的石英微球形成一种光学微腔，多种直径的石英微球组成光学微腔群，也就是回音壁模式光学微腔群2。回音壁模式光学微腔群2由于石英微球的折射率为1.457，纯水的折射率为1.333，所以入射到放电区域的激光中，大量光子进入回音壁模式光学微腔群2，其中满足相位匹配条件的部分光子以全反射的形式在微腔界面循环传播，并在满足光波干涉相长的条件下形成各种回音壁模式场。一方面，由于光被囚禁在一个很小的区域,使得腔内有很高的光场能量密度，具有很强的光场强度，相当于一个微小的激光器，不断与微腔周围的水进行作用，降低了水的电离阈值。如图2所示，另一方面微腔中的回音壁模式场在沿半径方向的电场分布,有少部分能量在腔外,并呈指数衰减,形成倏逝场，倏逝场可以引导放电，进一步降低水的电离阈值。综合来说，回音壁模式光学微腔群能够有效增加激光光子与水溶液的作用几率，降低电离阈值，提高激光的利用率。

具体实现中，在回音壁模式场形成后，光能一方面用来补充回音壁模式场中光子的损耗，以及回音壁模式场中由倏逝场存在导致衰减的能量，另一方面，光能也会直接与水作用，诱导水击穿发生预电离，之后在回音壁模式光学微腔中的回音壁模式场的作用下持续放电产生等离子体。

具体的，一种利用回音壁模式光学微腔的电离方法，包括；

将多个不同直径的石英微球置于水溶液中，构成回音壁模式光学微腔；具体构成回音壁模式光学微腔群2，水溶液指的是纯净水3的水溶液。

光能入射到水溶液中时，不同波长的光会被囚禁在不同直径的石英微球中，形成稳定的行波传输模式，光强不断被积聚增强，达到设定的光场强度；具体的，由于，一种直径球的尺寸对应光的一种波长，所以多种直径的微球就可以覆盖入射诱导光的波长范围，这样使得整个光能量得到利用。光被囚禁在回音壁模式光学微腔群2内，形成稳定的行波传输模式，其光强不断被积聚增强，达到很强的光场强度，也就是设定的强度，足以满足电离的发生。

如图2所示，在回音壁模式光学微腔中电场沿半径方向公布形成回音壁模式场,有少部分能量在腔外,并呈指数衰减,形成倏逝场，利用回音壁模式场的倏逝场与水溶液作用发生电离。

具体来说，将光能量限制在回音壁模式光学微腔内的关键是满足相位匹配条件，微腔中所有能产生回音壁模式的频率需要都落在腔模上才能有效实现谐振增强,也就是说一个回音壁模式的频率对应一个球的尺寸，这个回音壁模式的频率就是入射光的频率(波长)。但是激光有一定带宽，太阳光覆盖的频率范围更宽，因此要实现相位匹配需要有一组腔模。这一组腔模是由微球的尺寸来确定的，因此需要大量的回音壁模式光学微腔组成微腔群来满足不同的相位匹配条件。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种利用回音壁模式光学微腔的电离装置，其特征在于：包括石英光学池(1)、回音壁模式光学微腔群(2)与纯净水(3)；

所述的石英光学池(1)内底部高设有等离子体放电区域，所述的回音壁模式光学微腔群(2)设于等离子体放电区域，石英光学池(1)内加纯净水(3)，纯净水(3)液面高于回音壁模式光学微腔群(2)上表面；光能(4)由石英光学池(1)上方射入纯净水(3)内的回音壁模式光学微腔群(2)中；

所述的回音壁模式光学微腔群(2)包括多个不同直径的石英微球；不同直径的石英微球的直径范围包括光能(4)的波长范围。

2.根据权利要求2所述的利用回音壁模式光学微腔的电离装置，其特征在于：所述的光能(4)包括激光或太阳光。

3.一种利用回音壁模式光学微腔的电离方法，其特征在于，包括；

将多个不同直径的石英微球置于水溶液中，构成回音壁模式光学微腔；

光能入射到水溶液中时，不同波长的光会被囚禁在不同直径的石英微球中，形成稳定的行波传输模式，光强不断被积聚增强，达到设定的光场强度；

在回音壁模式光学微腔中电场沿半径方向公布形成回音壁模式场,有少部分能量在腔外,并呈指数衰减,形成倏逝场，利用回音壁模式场的倏逝场与水溶液作用发生电离。

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