本發(fā)明涉及等離子體應(yīng)用技術(shù)和光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種產(chǎn)生具有四種折射率的固體調(diào)制等離子體光子晶體的方法。

背景技術(shù)：

光子晶體又稱光子禁帶材料，是將兩種不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空間按一定周期（尺寸在光波長量級）排列所形成的一種人造“晶體”結(jié)構(gòu)。光子晶體的介電常數(shù)是空間的周期函數(shù)，若介電系數(shù)對光子的周期性調(diào)制足夠強(qiáng)，在光子晶體中傳播的光子能量也會有能帶結(jié)構(gòu)，帶與帶之間會出現(xiàn)光子“禁帶”，頻率落在禁帶中的光子不能在晶體中傳播。光子禁帶的位置和形狀取決于光子晶體中介質(zhì)材料的折射率配比以及不同介電系數(shù)材料的空間比和“晶格”結(jié)構(gòu)等。目前常規(guī)的光子晶體，一旦制作完成后，其光子禁帶位置也就確定，即可選擇的光波段已經(jīng)確定，如果想改變禁帶位置，需要重新制作晶體，很難實(shí)現(xiàn)對電磁波的可調(diào)性控制。

作為一種新型的光子晶體，等離子體光子晶體相比于傳統(tǒng)光子晶體的最大特點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)具有時(shí)空可調(diào)性，進(jìn)而使其相應(yīng)的光子帶隙（Band gap）可調(diào)。人們可以通過調(diào)節(jié)等離子體光子晶體的晶格常數(shù)、介電常數(shù)、晶格對稱性及時(shí)間周期等，改變其能帶位置和寬度，進(jìn)而使頻率落入該帶隙的光禁止傳播，實(shí)現(xiàn)對光頻率的選擇和光傳播的控制?；谝陨咸匦裕陙淼入x子體光子晶體在濾波器、等離子體天線、光開關(guān)以及等離子體隱身等眾多電磁波控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，受到人們的廣泛關(guān)注。但作為一個(gè)典型的非線性現(xiàn)象，等離子體光子晶體對實(shí)驗(yàn)條件非常敏感?？刂茀?shù)（氣體成分、氣體壓力、施加電壓和頻率、電極幾何形狀和尺寸等）稍有改變，將會演變出不同的等離子體光子晶體。也就是說，等離子體光子晶體的不穩(wěn)定性不利于未來的應(yīng)用。

目前，常規(guī)等離子體光子晶體由等離子體斑圖及氣體交替排列構(gòu)成。在先專利ZL200610102333.0中實(shí)現(xiàn)了由粗細(xì)等離子體通道及氣體（即未放電區(qū)域處的氣體）自組織形成的等離子體光子晶體；在先專利ZL201010523218.7中實(shí)現(xiàn)了由等離子體柱、等離子體片及氣體（對應(yīng)未放電區(qū)域）形成的等離子體光子晶體。然而，上述專利技術(shù)并未能實(shí)現(xiàn)利用固體調(diào)制來產(chǎn)生等離子體光子晶體。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是提供一種產(chǎn)生具有四種折射率的固體調(diào)制等離子體光子晶體的方法，以填補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)中尚未有利用固體調(diào)制來產(chǎn)生等離子體光子晶體的這一技術(shù)空白。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種產(chǎn)生具有四種折射率的固體調(diào)制等離子體光子晶體的方法，包括如下步驟：

a、設(shè)置一個(gè)真空反應(yīng)室，并在所述真空反應(yīng)室內(nèi)安裝兩個(gè)水電極，同時(shí)將所述水電極與等離子體發(fā)生電源電連接；

b、在兩個(gè)所述水電極之間設(shè)置一固體邊框，所述固體邊框所在平面與兩個(gè)所述水電極的軸心線垂直；在所述固體邊框的內(nèi)部區(qū)域設(shè)置有若干呈矩陣式排列的通孔，相鄰兩個(gè)通孔之間由固體棱隔開；所有通孔構(gòu)成放電間隙；

c、向真空反應(yīng)室內(nèi)通入空氣和氬氣的混合氣體作為放電氣體，并調(diào)節(jié)真空反應(yīng)室內(nèi)放電氣體的氣壓為0.1—1 atm；

d、閉合開關(guān)，等離子體發(fā)生電源作用于兩個(gè)所述水電極，即可在兩個(gè)所述水電極間的放電間隙內(nèi)產(chǎn)生具有不同結(jié)構(gòu)的等離子體，所產(chǎn)生的等離子體與放電間隙內(nèi)未放電的氣體以及固體棱周期性排列形成具有四種折射率的固體調(diào)制等離子體光子晶體。

優(yōu)選的，步驟b中在所述固體邊框的內(nèi)部區(qū)域設(shè)置有9個(gè)大小相等、邊長為8mm的正方形通孔。

優(yōu)選的，步驟b中相鄰兩個(gè)正方形通孔之間的固體棱的寬度為2mm。

優(yōu)選的，步驟b中所述固體邊框的厚度為1.6mm~3mm。

更優(yōu)選的，步驟b中所述固體邊框的厚度為2mm。

優(yōu)選的，放電間隙正對兩個(gè)所述水電極；放電間隙的面積小于所述水電極的截面面積，所述固體邊框的總面積大于所述水電極的截面面積。

優(yōu)選的，放電氣體中，氬氣體積占混合氣體體積的1%-99%。

優(yōu)選的，在真空反應(yīng)室的壁體上開有進(jìn)氣口和出氣口，通過所述進(jìn)氣口可向真空反應(yīng)室內(nèi)通入空氣；在真空反應(yīng)室外設(shè)置有與真空反應(yīng)室相連的氬氣瓶，通過氬氣瓶可向真空反應(yīng)室內(nèi)通入氬氣。

本發(fā)明在兩個(gè)水電極之間設(shè)置有特制的固體邊框，在固體邊框的內(nèi)部區(qū)域設(shè)置有若干呈矩陣式排列的通孔，相鄰兩個(gè)通孔之間由固體棱隔開。固體邊框所在平面與兩個(gè)水電極的軸心線垂直；固體邊框內(nèi)部區(qū)域的所有通孔構(gòu)成兩個(gè)水電極之間的放電間隙（或稱放電區(qū)域）。向真空反應(yīng)室內(nèi)通入空氣和氬氣的混合氣體作為放電氣體，調(diào)節(jié)放電氣體的氣壓為0.1-1 atm；閉合開關(guān)，使等離子體發(fā)生電源作用于兩個(gè)水電極，當(dāng)?shù)入x子體發(fā)生電源的電壓達(dá)到氣體擊穿閾值時(shí)，在兩個(gè)水電極間的放電間隙內(nèi)產(chǎn)生放電絲。在不同條件下，放電絲自組織形成具有不同空間結(jié)構(gòu)的等離子體。這些等離子體與通孔內(nèi)的氣體（即通孔內(nèi)未產(chǎn)生放電絲處的氣體）以及通孔之間的固體棱交替排列形成固體調(diào)制的等離子體光子晶體。不同空間結(jié)構(gòu)的等離子體具有兩種折射率，而固體棱和氣體與等離子體的折射率各不相同，因而形成的等離子體光子晶體具有四種折射率。等離子體通道內(nèi)的電子密度均在10¹⁵cm^?3量級，理論研究表明，如此高的電子密度能夠使等離子體光子晶體出現(xiàn)能帶結(jié)構(gòu)。落入禁帶內(nèi)的某些頻率的光將不能透射，從而起到光調(diào)制的作用。

在放電間隙內(nèi)沒有放電產(chǎn)生時(shí)，所有頻率的光都可以通過，而當(dāng)放電條件合適，形成等離子體光子晶體后由于存在禁帶能級結(jié)構(gòu)使某些頻率的光禁止傳播。可通過調(diào)節(jié)放電參數(shù)，改變等離子體光子晶體的晶格常數(shù)，即改變光子晶體的能級分布，進(jìn)而方便地選擇哪些頻率的光被禁止。同時(shí)，由于特制的固體邊框的影響，本發(fā)明產(chǎn)生的固體調(diào)制等離子體光子晶體更加穩(wěn)定，存在更加廣泛。等離子體光子晶體在雙水電極介質(zhì)阻擋放電中自組織形成，不依靠人工固定晶格常數(shù)，這在工業(yè)上具有廣泛的應(yīng)用前景和應(yīng)用領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是本發(fā)明產(chǎn)生固體調(diào)制等離子體光子晶體所用裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1中固體邊框的正視圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例2所產(chǎn)生的固體調(diào)制等離子體光子晶體的示意圖；其中，圖3（a）是實(shí)施例2中用普通相機(jī)拍攝的等離子體光子晶體的照片圖，圖3（b）是圖3（a）中一個(gè)周期的局部示意圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例3所產(chǎn)生的固體調(diào)制等離子體光子晶體的示意圖；其中，圖4（a）是實(shí)施例3中用普通相機(jī)拍攝的等離子體光子晶體的照片圖，圖4（b）是圖4（a）中一個(gè)周期的局部示意圖。

圖中：1、真空反應(yīng)室，2、水電極，3、玻璃擋片，4、銅環(huán)，5、等離子體發(fā)生電源，6、固體邊框，6-1、正方形通孔，6-2、固體棱，7、進(jìn)氣口，8、出氣口，14、第一未放電區(qū)域，15、第一等離子體，16、第二等離子體，17、第二未放電區(qū)域，18、第三等離子體，19、第四等離子體。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1，產(chǎn)生具有四種折射率的固體調(diào)制等離子體光子晶體所用的裝置。

如圖1所示，本發(fā)明所用到的裝置具體是：在一個(gè)橫置的圓筒形的真空反應(yīng)室1中對稱設(shè)置兩個(gè)密閉電介質(zhì)容器，在密閉電介質(zhì)容器內(nèi)注水，構(gòu)成兩個(gè)極板相對的水電極2。兩個(gè)水電極2與真空反應(yīng)室1外的等離子體發(fā)生電源5電連接。本實(shí)施例中，水電極2是由有機(jī)玻璃管通過在兩端設(shè)置玻璃擋片3封擋而構(gòu)成，在有機(jī)玻璃管內(nèi)注滿水，同時(shí)在有機(jī)玻璃管內(nèi)設(shè)置銅環(huán)4。兩個(gè)銅環(huán)4分別通過電源線與等離子體發(fā)生電源5的正極和負(fù)極電連接。玻璃擋片3的厚度在1.5mm~5mm之間，作為放電介質(zhì)。在真空反應(yīng)室1的壁體上開有進(jìn)氣口7和出氣口8。在真空反應(yīng)室1外設(shè)置有與真空反應(yīng)室1內(nèi)腔相連通的氬氣瓶（圖中未示出）。

在兩個(gè)水電極2之間設(shè)置有固體邊框6，固體邊框6所在平面與兩個(gè)水電極2的軸心線垂直，且固體邊框6的兩個(gè)側(cè)面分別緊貼兩個(gè)水電極2的端面（圖1中固體邊框6與水電極2分離是為了方便觀察）。固體邊框6的具體結(jié)構(gòu)是：以一個(gè)平板作為固體邊框本體，在固體邊框本體上開設(shè)有若干呈矩陣式排列的通孔，這些通孔構(gòu)成放電區(qū)域（或稱放電間隙），相鄰兩個(gè)通孔之間由固體棱隔開。固體邊框上的放電區(qū)域正對水電極2；放電區(qū)域的面積要小于水電極2的截面面積，而固體邊框的總面積（即固體邊框本體的面積）要大于水電極2的截面面積。

結(jié)合圖2，本實(shí)施例中在固體邊框6的內(nèi)部區(qū)域開設(shè)有9個(gè)大小相等、邊長為8mm的正方形通孔6-1，其中，相鄰兩個(gè)正方形通孔6-1被寬度為2mm的固體棱6-2隔開。最外側(cè)正方形通孔6-1距固體邊框6邊緣的距離不限，也就是說，固體邊框6的邊緣處的形狀不限，可以為圓形，也可以為圖2中的方形，也可以是別的規(guī)則或不規(guī)則形狀等。

固體邊框6的內(nèi)部區(qū)域?qū)蓚€(gè)水電極2間的放電間隙切割成相應(yīng)的大小相等，邊長為8mm的9個(gè)正方形，其中相鄰兩個(gè)正方形由寬度為2mm的固體棱隔開。放電間隙正對兩個(gè)水電極2，且放電間隙面積小于水電極2的橫截面面積（即端面積）。固體邊框6的厚度可以為1.6mm~3mm。優(yōu)選的，固體邊框6的厚度為2mm。固體邊框6的材料可以為亞克力板。

在真空反應(yīng)室1內(nèi)注有放電氣體，本發(fā)明中放電氣體為空氣和氬氣的混合氣體，空氣從進(jìn)氣口7通入，氬氣由氬氣瓶提供。放電氣體的氣壓可調(diào)，一般控制放電氣體的氣壓為0.1~1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。等離子體發(fā)生電源5的電壓幅度在1-6kV之間，頻率為49~60kHz。打開等離子體發(fā)生電源5的開關(guān)，調(diào)節(jié)其電壓到一定值，即可在兩個(gè)水電極2間的放電間隙內(nèi)產(chǎn)生具有不同結(jié)構(gòu)的等離子體斑圖。由于固體棱（寬度為2mm）、氣體（即通孔內(nèi)未放電區(qū)域處的氣體）與等離子體的折射率各不相同，而不同結(jié)構(gòu)的等離子體的折射率又各不相同，因此，最終形成具有四種折射率的固體調(diào)制等離子體光子晶體。

下面以具體實(shí)施例詳細(xì)介紹本發(fā)明所產(chǎn)生的具有四種折射率的固體調(diào)制等離子體光子晶體的過程。

實(shí)施例2

結(jié)合圖1和圖2，設(shè)置一個(gè)真空反應(yīng)室1，在真空反應(yīng)室1的壁體上開設(shè)進(jìn)氣口7和出氣口8，在真空反應(yīng)室1的外部設(shè)置與真空反應(yīng)室1內(nèi)腔相連通的氬氣瓶（圖1中未示出）。在真空反應(yīng)室1內(nèi)安裝兩個(gè)極板相對的水電極2。水電極2由兩邊用玻璃擋片3封住并注滿水的有機(jī)玻璃管組成，并內(nèi)置銅環(huán)4與真空反應(yīng)室1外的等離子體發(fā)生電源5電連接。

在兩個(gè)水電極2之間設(shè)置有厚度為2mm的固體邊框6，固體邊框6為亞克力板，其所在平面與兩個(gè)水電極2的軸心線垂直，且兩側(cè)緊貼兩個(gè)水電極2的端面。在固體邊框6的內(nèi)部區(qū)域開設(shè)9個(gè)大小相等、邊長為8mm的正方形通孔6-1，且這9個(gè)正方形通孔6-1呈3*3的矩陣式排布。其中，每相鄰兩個(gè)正方形通孔6-1之間由寬度為2mm的固體棱6-2隔開。固體邊框6內(nèi)部9個(gè)正方形通孔6-1構(gòu)成的放電區(qū)域的面積小于水電極2的端面面積，且放電區(qū)域正對兩個(gè)水電極2。固體邊框6的總面積大于水電極2的端面面積。

通過進(jìn)氣口7向真空反應(yīng)室1內(nèi)通入空氣，通過氬氣瓶向真空反應(yīng)室1內(nèi)通入氬氣，調(diào)整氬氣體積含量占混合氣體體積的80%，且調(diào)節(jié)放電氣體氣壓P=0.6atm，電壓幅度（此處指電壓有效值）U=4.92kV，放電頻率為60kHz。閉合開關(guān)，等離子體發(fā)生電源5作用于兩個(gè)水電極2。

參見圖3，本實(shí)施例中所產(chǎn)生的由固體（寬度為2mm的固體棱6-2）、氣體（即第一未放電區(qū)域14的氣體）以及等離子體周期性排列形成的等離子體光子晶體的照片（普通相機(jī)拍攝）如圖3（a）所示，圖3（a）中一個(gè)周期的局部示意圖如圖3（b）所示。圖3（b）所示的氣體（即第一未放電區(qū)域14處的氣體）、第一等離子體15、固體棱6-2以及第二等離子體16的折射率各不相同，其中第一未放電區(qū)域14的氣體的折射率為1；第一等離子體15和第二等離子體16的折射率均小于1，且第一等離子體15的折射率略小于第二等離子體16的折射率；固體棱6-2的折射率為1.2~1.4之間。因而本實(shí)施例形成了具有四種不同折射率的固體調(diào)制等離子體光子晶體。

實(shí)施例3

本實(shí)施例與實(shí)施例2相比，所不同的是：放電氣體氣壓P=0.35atm，電壓幅度U=2.00kV，放電頻率f=55kHz，氬氣體積含量φ=20%。

參見圖4，本實(shí)施例中所產(chǎn)生的由固體（寬度為2mm的固體棱6-2）、氣體（即第二未放電區(qū)域17的氣體）以及等離子體周期性排列形成的等離子體光子晶體的照片（普通相機(jī)拍攝）如圖4（a）所示，圖4（a）中一個(gè)周期的局部示意圖如圖4（b）所示。圖4（b）所示的氣體（即第二未放電區(qū)域17的氣體）、第三等離子體18、固體棱6-2以及第四等離子體19的折射率各不相同；其中第二未放電區(qū)域17的氣體的折射率為1；第三等離子體18和第四等離子體19的折射率均小于1，且第三等離子體18的折射率略小于第四等離子體19的折射率，固體棱6-2的折射率為1.2~1.4之間。因而本實(shí)施例也形成了具有四種不同折射率的固體調(diào)制等離子體光子晶體。