CN111988901A - 产生电子密度可调制型的等离子体光子晶体的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种产生电子密度可调制型的等离子体光子晶体的装置及方法。所述装置包括真空反应室、信号采集器、气体比例调节装置、气体预混室和计算机。向真空反应室内通入气体比例可调的放电气体，可产生可调制型的等离子体光子晶体；通过调节外加电压，能够得到一系列等离子体光子晶体，方便可调；所产生的等离子体光子晶体放电情况不同，电子密度不同。本发明通过设置信号采集器、气体比例调节装置和计算机，可以实时监控电子密度，还可以反向调节，即：根据电子密度计算出气体体积比，由气体比例调节装置调制出符合要求的气体比例，从而得到想要的等离子体光子晶体。这种实现可调可控性的等离子体光子晶体具有重要的研究意义。

Description

产生电子密度可调制型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以及光学技术领域，具体地说是一种产生电子密度可调制型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，利用两个平板液体电极介质阻挡放电装置，在几十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。但是，这类装置对于产生的等离子体光子晶体的可调控制性并不太理想。

发明内容

本发明的目的就是提供一种产生电子密度可调制型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对等离子体光子晶体灵活调节控制的难题，本申请产生的等离子体光子晶体具有时空可调性，且可以实时监控电子密度，并通过结果反馈，反向可得到想要的等离子体光子晶体。

本发明是这样实现的：一种产生电子密度可调制型的等离子体光子晶体的装置，包括真空反应室、信号采集器、气体比例调节装置、气体预混室和计算机；

在所述真空反应室内设有两个水电极，在两个水电极之间设有一固体边框，在固体边框的内部区域均匀排布有若干通孔；在所述真空反应室外设有等离子体发生电源；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等离子体光子晶体；

所述信号采集器用于采集真空反应室内所产生的等离子体光子晶体的光信号，并把所采集到的光信号传输至计算机；所述计算机用于根据所接收到的光信号计算等离子体光子晶体的电子密度以及带隙，并判断等离子体光子晶体的位置及带宽是否满足需求，若是，则得到特定位置带宽的等离子体光子晶体，若否，则调节电子密度并计算出放电气体的体积比；所述气体比例调节装置用于根据计算机所输出的放电气体的体积比对放电气体进行调制，所述气体预混室用于对由所述气体比例调节装置输出的放电气体进行充分混合，混合后的放电气体充入所述真空反应室内；所述放电气体是空气和氩气的混合气体。

所述信号采集器可以为光谱仪，也可以由滤光片以及光电倍增管构成。

所述计算机根据所接收到的光信号计算等离子体光子晶体的电子密度，可以有两种实现方式：一种是，计算机根据738.4nm和763.5nm这两条谱线的光强比值来计算电子密度；另一种是计算机根据696.54nm处谱线，采用Stark展宽法来计算电子密度。

真空反应室内放电气体的气压为0.1～1个标准大气压；混合气体中空气的体积占比为1％-40％。等离子体发生电源的电压的调节范围为3kV～11kV，频率为50kHz～55kHz。

设置在水电极之间的固体边框的材料可以为普通玻璃、石英玻璃、树脂等，优选为石英玻璃。可在固体边框的中心均匀开设6*6-20*20个圆形通孔，优选开设16*16个圆形通孔。开设在固体边框中心的通孔可以均匀排布为四边形、三角形、六边形、条状等。优选为呈正方形排布。

需要说明的是，正方形结构的矩阵式通孔中，最外面一圈或两圈的通孔因受边界的影响，因此最外面一圈或两圈等离子体柱与中心的等离子体柱可能并不是周期性排布。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，故在工业领域中有更广泛的应用前景。

设置在固体边框的中心均匀排布的圆形通孔的直径大小与孔间间距可以根据需要与实际情况进行调整。所述固体边框的厚度为1mm～4mm，优选厚度为1mm。

所有通孔构成的区域为放电区域；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。

本发明还提供了一种产生电子密度可调制型的等离子体光子晶体的方法，包括如下步骤：

a、首先在计算机内输入电子密度；

b、计算机根据电子密度计算混合气体的体积比；所述混合气体即是空气和氩气组成的混合气体；

c、气体比例调节装置根据计算机所计算出的混合气体的体积比，对混合气体进行调制以使其满足要求；

d、调制好的混合气体进入气体预混室并在其内充分混合；

e、混合气体进入真空反应室内，等离子体发生电源作用于真空反应室内的两个水电极，即可在两个水电极间的放电间隙内产生等离子体光子晶体；

f、信号采集器采集等离子体光子晶体的发光信号，并将所采集到的光信号传输至计算机；信号采集器可以是光谱仪，也可以由滤光片以及光电倍增管构成；

g、计算机根据光信号计算等离子体光子晶体的电子密度以及带隙；

h、计算机判断等离子体光子晶体的位置及带宽是否满足需求，若是，则得到特定位置带宽的等离子体光子晶体，若否，则执行步骤i；

i、计算机调节电子密度，然后执行步骤b。

步骤e中，调节等离子体发生电源的电压为3kV～11kV，调节真空反应室内放电气体的气压为0.1～1个标准大气压。随着电压的改变，可产生不同状态的等离子体光子晶体；通过调整充入真空反应室内空气和氩气的比例以及放电气体的气压，可以产生不同电子密度的等离子体光子晶体。

步骤g中，计算机根据光信号计算等离子体光子晶体的电子密度，具体是：计算机根据738.4nm和763.5nm这两条谱线的光强比值来计算电子密度，或者，计算机根据696.54nm处谱线，采用Stark展宽法来计算电子密度。

本发明通过气体比例调节装置，可以配置不同比例的空气和氩气的混合气体，混合均匀后的气体充入真空反应室内；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等离子体柱，并且随着电压的增加会出现多种状态的等离子体光子晶体。在真空反应室外通过信号采集器采集等离子体光子晶体的发光信号，计算机可根据这些光信号计算等离子体光子晶体的电子密度以及带隙；若计算结果满足要求，则得到特定位置带宽的等离子体光子晶体；如果计算结果不符合要求，则由计算机对电子密度进行调节，并根据调节后的电子密度计算混合气体的体积比，气体比例调节装置根据计算机的计算结果调制符合要求的混合气体，如此循环，直至得到想要的等离子体光子晶体。因此，本发明需要什么样的电子密度就可以反馈给气体比例调节装置进而配制出相应比例的气体，从而产生需要的等离子体光子晶体。

而设置在两个水电极之间的固体边框，由于在其上设有均匀排列的通孔，因此可以直接方便的对电磁波的传播进行控制和调节，这种通孔可使形成的等离子体光子晶体更加稳定，并且通过本发明可以随时监控电子密度并把结果反馈给气体比例调节装置，实现了通过实时调节相应的电子密度和气体比例获得需要的等离子体光子晶体。

本发明可按照实际需求对每个晶包单元(包括晶格常数、等离子体柱的大小)和实现不同对称性的等离子体光子晶体进行调整，从而得到需要的等离子体光子晶体的结构，并且本发明获得的等离子体光子晶体具有时空可控性，这种实现可调可控性的等离子体光子晶体具有重要的研究意义。

附图说明

图1是本发明产生电子密度可调制型的等离子体光子晶体的装置结构示意图。

图2是本发明中固体边框的结构示意图。

图3是本发明产生电子密度可调制型的等离子体光子晶体的方法流程示意图。

图4是本发明通过调节电压所得到的五种不同状态的等离子体光子晶体的照片图；(a)对应3.72kV电压，(b)对应5.21kV电压，(c)对应6.32kV电压，(d)对应7.28kV电压，(e)对应7.84kV电压。

图5是在图4中(c)的基础上标记出了大点和小点对应的等离子体光子晶体。

图6是采用示波器记录的图5所示等离子体光子晶体在一个周期内的放电情况。

图7是采用高速照相机所拍摄的对应图6中△t1、△t2和△t3时间段的等离子体光子晶体；(a)对应△t1时间段，(b)对应△t2时间段，(c)对应△t3时间段，(d)是(a)～(c)的简单叠加。

图8是采用光电倍增管所测的图5所示等离子体光子晶体的时空分辨结果示意图。

图9是图5所示等离子体光子晶体的一个单元的放电示意图；(a)是一个单元的结构示意图，(b)是对应(a)中各点的放电顺序示意图。

图10是本发明中等离子体光子晶体的谱线展宽随空气含量和气压的变化的曲线示意图。

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；7、进气口；8、出气口；9、气体比例调节装置；10、气体预混室；11、光谱仪；12、第一滤光片；13、第二滤光片；14、第一光电倍增管；15、第二光电倍增管；16、示波器；17、计算机。

具体实施方式

本发明提供了一种产生电子密度可调制型的等离子体光子晶体的装置及方法，通过本发明可以随时监控并根据需要调制电子密度，从而可产生从非完全带隙到完全带隙的等离子体光子晶体。

如图1所示，本发明所用到的装置，包括真空反应室1、气体比例调节装置9、气体预混室10、第一滤光片12、第二滤光片13、第一光电倍增管14、第二光电倍增管15、示波器16和计算机17。第一滤光片12、第二滤光片13、第一光电倍增管14和第二光电倍增管15合称为信号采集器，其他实施例中，信号采集器可由光谱仪11替代。

真空反应室1用于在其内产生等离子体光子晶体。真空反应室1呈横置的圆筒形结构，在真空反应室1内对称放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)，并用夹子夹住固定边框6和水电极2端部的玻璃挡片3，使固体边框6与水电极2合为一体。如图2所示，固体边框的具体结构是：以一个玻璃板作为固体边框本体，在固体边框本体上开设有若干呈正方形阵式排布的直径为1mm的圆形通孔，这些通孔构成放电区域，相邻两个通孔之间的最小间距为1mm。

向真空反应室1内所充入的放电气体的气压是可调的，放电气体的气压调节范围为0.1～1个标准大气压。等离子体发生电源5的电压幅度在0-12kV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间的放电间隙里产生等离子体光子晶体。本申请中，通过改变电压，可产生一系列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，还可以通过调节固体边框6内部通孔的大小以及相邻通孔之间的距离来改变等离子体的晶格常数和等离子体柱的半径，并且可以通过调节固体边框6内部通孔的排布阵列，比如使其排列成四边形、六边形、三角形等，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可调可控性。

气体比例调节装置9用于调控充入真空反应室1内放电气体的比例。本申请中放电气体是空气和氩气的混合气体。在气体比例调节装置9上设有两个进气通道和一个排气通道，两个进气通道分别连接空气和氩气的供给源，排气通道连接气体预混室10的进气口。在气体比例调节装置9的两个进气通道上均装有气体含量控制表和阀门，气体含量控制表通过相应的阀门可调控通入相应进气通道内的气体含量，进而可实现对空气和氩气体积比进行调控的目的。空气和氩气在气体比例调节装置9内混合并经排气通道进入气体预混室10，混合气体在气体预混室10充分混合，混合均匀的气体从气体预混室10排出并经进气口7充入真空反应室1内。

第一滤光片12、第二滤光片13、第一光电倍增管14、第二光电倍增管15、计算机17和气体比例调节装置9共同作用可实现对等离子体光子晶体电子密度进行调制的目的。

结合图3，首先在计算机17上输入一个电子密度Ne，计算机17内单片机根据所输入的电子密度Ne计算混合气体(由空气和氩气组成)的体积比X。这里需要说下，混合气体的体积比与等离子体光子晶体的电子密度之间具有一定的函数关系，在下面实施例中有说明(见图10)。也就是说，需要多大的电子密度，均可由计算机17计算出与其相对应的气体比例。前提是真空反应室1内气压一定。计算机17将所计算出的混合气体的体积比X传输至气体比例调节装置9，气体比例调节装置9通过气体含量控制表和阀门调节混合气体的体积比为X，调节好体积比后的混合气体进入气体预混室10并在气体预混室10内充分混合，混合均匀的气体进入真空反应室1，并在真空反应室1内产生等离子体光子晶体。所产生的等离子体光束分别经第一滤光片12和第二滤光片13滤光，第一滤光片12连接第一光电倍增管14，第二滤光片13连接第二光电倍增管15，两个光电倍增管均连接示波器16，同时示波器16连接计算机17。第一滤光片12接收波长为738.4nm的光，第二滤光片13接收波长为763.5nm的光，光电倍增管用于将光信号转换成电信号，示波器16可对相应的电信号进行显示。计算机17接收到波长为738.4nm和763.5nm的两条谱线数据后计算两条谱线的强度比I₁/I₂(其中I₁对应波长为738.4nm的谱线的强度，I₂对应波长为763.5nm的谱线的强度)，并根据两条谱线的强度比与电子密度的函数关系计算出等离子体光子晶体的电子密度(此处所求得的电子密度与之前输入的电子密度会存在误差)。接着计算机17由其内单片机计算该等离子体光子晶体的带隙，然后判断等离子体光子晶体的位置及带宽是否满足需求，如果是则获得了特定位置频率带宽的等离子体光子晶体；如果不是，则需要重新调节电子密度Ne，进而由计算机17根据电子密度Ne计算混合气体体积比X，再由气体比例调节装置9对气体比例进行调节，如此循环。

如图1所示，两个滤光片以及两个光电倍增管可由光谱仪11来替代，光谱仪11通过光纤接收真空反应室1内的发光信号并传输至计算机17，进而可计算电子密度。通过光谱仪11采集发光信号来计算电子密度可以有两种实现方式，一种是测量738.4nm和763.5nm这两条谱线的光强比值来计算电子密度；另一种是采集696.54nm处谱线，采用Stark展宽法来计算电子密度。

下面结合例子详细介绍本发明。

如图1所示，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封住内部注满水的有机玻璃管组成，玻璃挡片3的厚度为2mm；在水电极2内设置直径为65mm的铜环4，使两个铜环4分别通过电源线与真空反应室1外的等离子体发生电源5的正极和负极电连接。在两个水电极2之间设置厚度为1mm的固体边框6，固体边框6为玻璃材质，在固体边框6中间排布有16*16的正方形阵列通孔，通孔的直径为1mm，相邻通孔之间的间距为1mm。通过气体比例调节装置9调制氩气和空气的体积比为95：5，混合气体在气体预混室10内充分混匀，之后通过进气口7通入真空反应室1内，再从出气口8排出若干气体，最后使得真空反应室1内压强为0.5atm。打开等离子体发生电源5，调节频率为53kHz，调节电压分别为3.72kV、5.21kV、6.32kV、7.28kV、7.84kV时对应出现了五种不同状态的等离子体光子晶体，这五种不同状态的等离子体光子晶体的照片示意图分别如图4中(a)-(e)所示。

采用时空动力学方法对图4中(c)所示的等离子体光子晶体的放电情况进行分析。如图5所示，图5是在图4中(c)的基础上，分别标示出了大点的等离子体光子晶体(简称大点)和小点的等离子体光子晶体(简称小点)，大点用L表示，位于大点四周的小点分为两种，一种是与大点在横向和竖向上相邻的小点，用S表示，另一种是与大点在斜对角线方向上相邻的小点，用C表示。采用示波器记录一个周期内等离子体光子晶体的放电情况，结果如图6所示。图6中，在电流I曲线峰值处的三个脉冲，分别对应三个时间段△t1、△t2和△t3，△t1对应在电压下降沿，△t2和△t3对应在电压的上升沿。采用高速照相机分别拍摄这三个时间所对应的等离子体光子晶体，所得结果见图7。图7中(a)是△t1时所拍摄的等离子体光子晶体的照片，(b)是△t2时所拍摄的等离子体光子晶体的照片，(c)是△t3时所拍摄的等离子体光子晶体的照片，(d)是(a)～(c)简单叠加后的示意图。结合图7、图6和图5可知，大点L对应图7中的(a)和(c)，即：大点L在△t1和△t3处各放电一次，且△t1对应在电压下降沿放电，△t3对应在电压上升沿放电；小点C和S对应在△t2处放电。由于小点C和S与大点L之间的距离不同，而根据图5～图7显示C和S却都在△t2处放电，因此，采用更为灵敏的光电倍增管对小点C和S之间的时间相关性进行测量，测量结果如图8所示。根据图8可知，在当前半个周期内C先于S放电，而到下半个周期内S将先于C放电，如此循环，这也符合壁电荷理论。

结合图5～图8，可以得出图4中(c)所示等离子体光子晶体的放电顺序，如图9所示。图9中(a)是图4中(c)所示等离子体光子晶体的一个单元的结构示意图，(b)是(a)中所示各点L₁、L₂、C和S的放电顺序示意图。由于大点L在△t1和△t3处各放电一次，因此将大点L分别记为L₁和L₂，L₁对应时间段△t1，在电压下降沿放电；之后小点C放电，接着是小点S放电，需要说明的是，小点C和小点S两者均对应在△t2时间段内放电；小点S放电之后，大点L₂在时间段△t3内放电，具体是在电压上升沿放电。大点L₂放电完成后，接着在下一周期内，大点L₁先放电，然后是小点S放电，再是小点C放电，最后是大点L₂放电，完成这个周期的放电。

上面详细介绍了图4中(c)所示等离子体光子晶体的放电情况。通过同样的方法，可以对图4中其他四种等离子体光子晶体的放电情况进行分析。

图4中五种等离子体光子晶体皆是具有四边形对称性结构的等离子体光子晶体。对图4中(a)所示等离子体光子晶体进行测试得：等离子体柱半径为0.2mm，晶格常数为

(b)所示等离子体光子晶体的结构与(a)相比看起来发生了改变，但通过光电倍增管测量发现相邻两个通孔内的等离子体柱不是同时放电，也就是说，两套(a)所示结构嵌套形成了(b)。(c)所示结构，呈现出了有大点和小点的等离子体光子晶体，经光电倍增管和高速照相机的测量结果发现，大点在电压上升沿和电压下降沿各放一次电；而且，与大点在水平方向或竖直方向相邻的小点和与大点在斜向对角线方向相邻的小点，两者也不同时放电；但与大点在水平方向上相邻的小点和与大点在竖直方向上相邻的小点，两者同时放电；因此得出(c)所示结构是由四套子结构嵌套而成，分别是：①大点在电压上升沿放电，对应的等离子体柱的半径为0.3mm，晶格常数为4；②与大点相邻的水平方向和竖直方向的小点，对应的等离子体柱的半径为0.2mm，晶格常数为

③与大点在斜向对角线方向相邻的小点，对应的等离子体柱的半径为0.2mm，晶格常数为4；④大点在电压下降沿放电，对应的等离子体柱的半径为0.2mm，晶格常数为4。(d)所示结构，呈现出大小点交替的等离子体光子晶体，经过与(c)所示结构同样的测量方法，结果得出(d)所示等离子体光子晶体是由三套子结构嵌套而成，分别是：①大点在上升沿放电，对应的等离子体柱的半径为0.3mm，晶格常数为

②小点的等离子体柱的半径为0.2mm，晶格常数为

③大点在下降沿放电，对应的等离子体柱的半径为0.2mm，晶格常数为

(e)所示结构看起来与(b)基本相同，但经过测量发现两者存在很大的差异，(e)是由两套子结构嵌套而成，分别是：①电压上升沿放电，对应的等离子体柱的半径为0.3mm，晶格常数为2；②电压下降沿放电，对应的等离子体柱的半径为0.2mm，晶格常数为2。总体看来虽然得到的等离子体光子晶体都是四边形对称性结构，但具体参数存在很大差异，(a)与(b)看起来不同，但在控制电磁波传播上却能达到相同的效果，(b)与(e)看起来类似，但内在参数却截然不同，在控制电磁波传播上的效果也完全不同。

通过光谱仪11对图4中五种情形等离子体光子晶体的电子密度进行计算，所得结果见表1。表1中示出了针对不同等离子体柱光谱仪11测量的738.4nm和763.5nm这两条谱线的光强度以及计算出的电子密度。

表1

众所周知，可以通过研究原子696.54nm处谱线的Stark展宽来实现估算电子密度。在上面例子的基础上，本发明通过改变空气和氩气的体积比，分别调整空气含量占5％、10％以及15％；同时改变真空反应室内气体压强，电压为10.5kV。对改变空气含量以及气压后所得的等离子体光子晶体的谱线展宽进行测量，结果表明不同气体含量对应不同电子密度，及随着空气含量比例的增加电子密度增大，所得结果如图10所示。

本发明通过设置信号采集器、气体比例调节装置和计算机，可以实时监控电子密度，还可以反向调节，即：根据电子密度计算出气体体积比，由气体比例调节装置调制出符合要求的气体比例，从而得到想要的等离子体光子晶体。还可以改变固体边框上通孔的大小和通孔与通孔之间的间距改变等离子体柱的大小和等离子体光子晶体的晶格常数。再有，可以设置通孔的周期性排布的不同对称性实现产生不同对称性的等离子光子晶体。

本发明利用带均匀周期性排布的通孔作为放电间隙，可产生可控的等离子体光子晶体，通过调节外加电压，产生了一系列等离子体光子晶体，方便可调；所产生的等离子体光子晶体放电情况不同，电子密度不同，这种时空可调的等离子体光子晶体在工业领域具有广泛的应用前景。

Claims (10)

1.一种产生电子密度可调制型的等离子体光子晶体的装置，其特征是，包括真空反应室、信号采集器、气体比例调节装置、气体预混室和计算机；

在所述真空反应室内设有两个水电极，在两个水电极之间设有一固体边框，在固体边框的内部区域均匀排布有若干通孔；在所述真空反应室外设有等离子体发生电源；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等离子体光子晶体；

所述信号采集器用于采集真空反应室内所产生的等离子体光子晶体的光信号，并把所采集到的光信号传输至计算机；所述计算机用于根据所接收到的光信号计算等离子体光子晶体的电子密度，然后计算等离子体光子晶体的带隙，并判断等离子体光子晶体带隙的位置及带宽是否满足需求，若是，则得到特定位置带宽的等离子体光子晶体，若否，则调节电子密度并计算出放电气体的体积比；所述气体比例调节装置用于根据计算机所输出的放电气体的体积比对放电气体进行调制，所述气体预混室用于对由所述气体比例调节装置输出的放电气体进行充分混合，混合后的放电气体充入所述真空反应室内；所述放电气体是空气和氩气的混合气体。

2.根据权利要求1所述的产生电子密度可调制型的等离子体光子晶体的装置，其特征是，所述信号采集器为光谱仪或由滤光片以及光电倍增管构成。

3.根据权利要求1所述的产生电子密度可调制型的等离子体光子晶体的装置，其特征是，所述计算机根据所接收到的光信号计算等离子体光子晶体的电子密度，具体是：所述计算机根据738.4nm和763.5nm这两条谱线的光强比值来计算电子密度。

4.根据权利要求1所述的产生电子密度可调制型的等离子体光子晶体的装置，其特征是，所述计算机根据所接收到的光信号计算等离子体光子晶体的电子密度，具体是：所述计算机根据696.54nm处谱线，采用Stark展宽法来计算电子密度。

5.根据权利要求1所述的产生电子密度可调制型的等离子体光子晶体的装置，其特征是，真空反应室内放电气体的气压为0.1～1个标准大气压；混合气体中空气的体积占比为1％-40％。

6.根据权利要求1所述的产生电子密度可调制型的等离子体光子晶体的装置，其特征是，等离子体发生电源的电压的调节范围为3kV～11kV，频率为50kHz～55kHz。

7.一种产生电子密度可调制型的等离子体光子晶体的方法，其特征是，包括如下步骤：

a、首先在计算机内输入电子密度；

b、计算机根据电子密度计算混合气体的体积比；所述混合气体即是空气和氩气组成的混合气体；

c、气体比例调节装置根据计算机所计算出的混合气体的体积比，对混合气体进行调制以使其满足要求；

d、调制好的混合气体进入气体预混室并在其内充分混合；

e、混合气体进入真空反应室内，等离子体发生电源作用于真空反应室内的两个水电极，即可在两个水电极间的放电间隙内产生等离子体光子晶体；

f、信号采集器采集等离子体光子晶体的发光信号，并将所采集到的光信号传输至计算机；

g、计算机根据光信号计算等离子体光子晶体的电子密度，进而计算等离子体光子晶体的带隙；

h、计算机判断等离子体光子晶体的带隙位置及带宽是否满足需求，若是，则得到特定位置带宽的等离子体光子晶体，若否，则执行步骤i；

i、计算机调节电子密度，然后执行步骤b。

8.根据权利要求7所述的产生电子密度可调制型的等离子体光子晶体的方法，其特征是，步骤e中，调节等离子体发生电源的电压为3kV～11kV，调节真空反应室内放电气体的气压为0.1～1个标准大气压。

9.根据权利要求7所述的产生电子密度可调制型的等离子体光子晶体的方法，其特征是，步骤g中，计算机根据光信号计算等离子体光子晶体的电子密度，具体是：计算机根据738.4nm和763.5nm这两条谱线的光强比值来计算电子密度，或者，计算机根据696.54nm处谱线，采用Stark展宽法来计算电子密度。

10.根据权利要求7所述的产生电子密度可调制型的等离子体光子晶体的方法，其特征是，步骤f中所述信号采集器为光谱仪或由滤光片以及光电倍增管构成。

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