本發(fā)明涉及等離子體應(yīng)用技術(shù)和光學技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種產(chǎn)生具有三種折射率的固體調(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，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是其結(jié)構(gòu)具有時空可調(diào)性，進而使其相應(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)、晶格對稱性及時間周期等，改變其能帶位置和寬度，進而使頻率落入該帶隙的光禁止傳播，實現(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。但作為一個典型的非線性現(xiàn)象，等離子體光子晶體對實驗條件非常敏感?？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中實現(xiàn)了由粗細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)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是提供一種產(chǎn)生具有三種折射率的固體調(diào)制等離子體光子晶體的方法，以填補現(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)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種產(chǎn)生具有三種折射率的固體調(diào)制等離子體光子晶體的方法，包括如下步驟：

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

b、在兩個所述水電極之間設(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—0.4 atm；

d、閉合開關(guān)，等離子體發(fā)生電源作用于兩個所述水電極，即可在兩個所述水電極間的放電間隙內(nèi)產(chǎn)生等離子體，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三種折射率的固體調(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。

本發(fā)明在兩個水電極之間設(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，相鄰兩個通孔之間由固體棱隔開。固體邊框所在平面與兩個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)通入空氣作為放電氣體，調(diào)節(jié)放電氣體的氣壓為0.1-0.4atm；閉合開關(guān)，使等離子體發(fā)生電源作用于兩個水電極，當?shù)入x子體發(fā)生電源的電壓達到氣體擊穿閾值時，在兩個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晶格常數(shù)的等離子體。通孔內(nèi)的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。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三種折射率。通過改變放電條件包括改變外加電壓的頻率、幅度以及放電間隙邊界的形狀、縱橫比等，將產(chǎn)生周期數(shù)不同、晶格常數(shù)不等的具有三種折射率的等離子體光子晶體結(jié)構(gòu)。等離子體通道內(nèi)的電子密度均在10¹⁵ cm^?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)?？赏ㄟ^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，進而方便地選擇哪些頻率的光被禁止。同時，由于人工設(shè)計的固體邊框的影響，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。本發(fā)明中的方法操作簡單、使用方便，兩個水電極之間的固體邊框易制作、好維護，在工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中產(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）是實施例2中用普通相機拍攝的等離子體光子晶體的照片圖，圖3（b）是圖3（a）中一個周期的局部示意圖。

圖4是對比例1所產(chǎn)生的放電絲的示意圖。

圖5是本發(fā)明實施例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5（a）是實施例3中用普通相機拍攝的等離子體光子晶體的照片圖，圖5（b）是圖5（a）中一個周期的局部示意圖。

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、進氣口，8、出氣口，9、第一未放電區(qū)域，10、第一等離子體，12、第二未放電區(qū)域，13、第二等離子體。

具體實施方式

實施例1，產(chǎn)生具有三種折射率的固體調(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：在一個橫置的圓筒形的真空反應(yīng)室1中對稱設(shè)置兩個密閉電介質(zhì)容器，在密閉電介質(zhì)容器內(nèi)注水，構(gòu)成兩個極板相對的水電極2。兩個水電極2與真空反應(yīng)室1外的等離子體發(fā)生電源5電連接。本實施例中，水電極2是由有機玻璃管通過在兩端設(shè)置玻璃擋片3封擋而構(gòu)成，在有機玻璃管內(nèi)注滿水，同時在有機玻璃管內(nèi)設(shè)置銅環(huán)4。兩個銅環(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的壁體上開有進氣口7和出氣口8。

在兩個水電極2之間設(shè)置有固體邊框6，固體邊框6所在平面與兩個水電極2的軸心線垂直，且固體邊框6的兩個側(cè)面分別緊貼兩個水電極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，本實施例中在固體邊框6的內(nèi)部區(qū)域開設(shè)有9個大小相等、邊長為8mm的正方形通孔6-1，其中，相鄰兩個正方形通孔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€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個正方形，其中相鄰兩個正方形由寬度為2mm的固體棱隔開。放電間隙正對兩個水電極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)明中放電氣體為氣壓可調(diào)的空氣，一般控制放電氣體的氣壓為0.1~0.4個標準大氣壓。等離子體發(fā)生電源5的電壓幅度在2-4kV之間，頻率為50~60kHz。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，即可在兩個水電極2間的放電間隙內(nèi)產(chǎn)生等離子體斑圖。由于固體（本實施例中寬度為2mm的固體棱）、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，因此，最終可形成具有三種折射率的固體調(diào)制等離子體光子晶體。

下面以具體實施例詳細介紹本發(fā)明所產(chǎn)生的具有三種折射率的固體調(diào)制等離子體光子晶體的過程。

實施例2

結(jié)合圖1和圖2，設(shè)置一個真空反應(yīng)室1，在真空反應(yīng)室1的壁體上開設(shè)進氣口7和出氣口8，并在真空反應(yīng)室1內(nèi)安裝兩個極板相對的水電極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，其所在平面與兩個水電極2的軸心線垂直，且兩側(cè)緊貼兩個水電極2的端面。在固體邊框6的內(nèi)部區(qū)域開設(shè)9個大小相等、邊長為8mm的正方形通孔6-1，且這9個正方形通孔6-1呈3*3的矩陣式排布。其中，每相鄰兩個正方形通孔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。

通過進氣口7向真空反應(yīng)室1內(nèi)通入空氣作為放電氣體，且放電氣體氣壓P=0.25atm，電壓幅度（此處指電壓有效值）為3.8kV，放電頻率為60kHz。閉合開關(guān)，等離子體發(fā)生電源5作用于兩個水電極2。

在上述參數(shù)下，可在兩個水電極2間的通孔內(nèi)產(chǎn)生晶格常數(shù)為а₁的四邊形等離子體，如圖3所示，即產(chǎn)生固體（寬度為2mm的固體棱6-2）、氣體（對應(yīng)第一未放電區(qū)域9）以及晶格常數(shù)為а₁的四邊形的第一等離子體10周期性排列形成的固體調(diào)制等離子體光子晶體，其照片（普通相機拍攝）如圖3（a）所示，圖3（b）為圖3（a）中一個周期（或稱一個通孔）的局部示意圖。圖3（b）所示的氣體（即第一未放電區(qū)域9的氣體）、第一等離子體10、固體棱6-2的折射率各不相同，其中第一未放電區(qū)域9的氣體的折射率為1；第一等離子體10的折射率小于1；固體棱6-2的折射率為1.2~1.4之間。因而本實施例中形成了具有三種不同折射率的固體調(diào)制等離子體光子晶體。由于人工設(shè)計的固體邊框的影響，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。

對比例1

與實施例2相比，本對比例中采用普通DBD放電裝置，放電氣體為空氣，電壓幅度為3.8kV，放電頻率為60kHz，氣壓為0.25atm。本對比例所產(chǎn)生的放電絲如圖4所示。由圖4可看出，這些放電絲呈隨機分布。

實施例3

本實施例與實施例2相比，所不同的是：放電氣體氣壓P=0.15atm，電壓幅度U=3.2kV。

參見圖5，本實施例所產(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12的氣體）以及晶格常數(shù)為а₂的四邊形的第二等離子體13周期性排列形成的固體調(diào)制等離子體光子晶體的照片（普通相機拍攝）如圖5（a）所示，圖5（a）中一個周期的局部示意圖如圖5（b）所示。圖5（b）所示的氣體（即第二未放電區(qū)域12的氣體）、第二等離子體13、固體棱6-2的折射率各不相同，其中氣體的折射率為1；第二等離子體13的折射率小于1；固體棱6-2的折射率在1.2~1.4之間。本實施例同樣產(chǎn)生了具有三種不同折射率的固體調(diào)制等離子體光子晶體。