本發(fā)明涉及等離子體應用技術和光學技術領域，具體地說是一種產生不同氣體溫度等離子體光子晶體的方法。

背景技術：

光子晶體又稱光子禁帶材料，是將兩種不同介電常數的介質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”結構。光子晶體的介電常數是空間的周期函數，若介電系數對光子的周期性調制足夠強，在光子晶體中傳播的光子能量也會有能帶結構，帶與帶之間會出現光子“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材料的折射率配比以及不同介電系數材料的空間比和“晶格”結構等。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確定，如果想改變禁帶位置，需要重新制作晶體，很難實現對電磁波的可調性控制。

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構具有時空可調性，進而使其相應的光子帶隙（bandgap）可調。人們可以通過調節(jié)等離子體光子晶體的晶格常數、介電常數、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、光開關以及等離子體隱身等眾多電磁波控制領域具有廣泛的應用，受到人們的廣泛關注。但作為一個典型的非線性現象，等離子體光子晶體對實驗條件非常敏感?？刂茀担怏w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成。在先專利zl200610102333.0中實現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中實現了由等離子體柱、等離子體片及氣體（對應未放電區(qū)域）形成的等離子體光子晶體。然而，上述專利在形成等離子體光子晶體時放電氣隙內的氣體溫度都相同，現有技術中尚未見報道產生不同氣體溫度的等離子體光子晶體。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的就是提供一種產生不同氣體溫度等離子體光子晶體的方法，以填補現有技術中尚未有產生不同氣體溫度等離子體光子晶體的這一技術空白。

本發(fā)明的目的是這樣實現的：一種產生不同氣體溫度等離子體光子晶體的方法，包括如下步驟：

a、設置一個真空反應室，并在所述真空反應室內安裝兩個水電極，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置一固體邊框，所述固體邊框的厚度為1mm~3mm，優(yōu)選為1mm，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部區(qū)域均勻設置有10*10-20*20個直徑為1mm的圓形通孔，優(yōu)選的，在固體邊框的內部區(qū)域均勻設置有16*16個直徑為1mm的圓形通孔；相鄰兩個通孔之間的間距為1mm，所有通孔構成正方形的矩陣式排列的放電間隙；

c、向真空反應室內通入放電氣體，放電氣體為空氣或空氣與氬氣的混合氣體，調節(jié)真空反應室內放電氣體的氣壓為0.1—0.55atm；

d、閉合開關，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產生等離子體光子晶體，且相鄰兩個通孔內所產生的等離子體光子晶體具有不同的氣體溫度。

優(yōu)選的，所有通孔合圍的區(qū)域為放電區(qū)域；所述放電區(qū)域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置有特制的固體邊框，在固體邊框的內部區(qū)域均勻排布有若干直徑為1mm的圓形通孔，相鄰兩個通孔之間的最小間距為1mm；所有通孔構成正方形的矩陣式排列結構。固體邊框所在平面與兩個水電極的軸心線垂直；固體邊框內部放電區(qū)域面積（即通孔總面積）小于水電極的截面面積，固體邊框總面積大于所述水電極的截面面積。向真空反應室內通入放電氣體，放電氣體為空氣或空氣與氬氣的混合氣體，調節(jié)真空反應室內放電氣體的氣壓為0.1—0.55atm；閉合開關，等離子體發(fā)生電源作用于兩個水電極，當等離子體發(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區(qū)域內產生放電絲，且在相鄰的通孔內會產生不同氣體溫度的等離子體光子晶體。需要說明的是，正方形結構的矩陣式通孔中，最外面一圈的通孔因受邊界的影響，因此相鄰通孔內的等離子體光子晶體可能并非具有不同的氣體溫度。由于通孔均勻的排列可以直接方便的對光束的傳播進行控制和調節(jié)，且這種通孔可使形成的等離子體光子晶體更加穩(wěn)定，在工業(yè)領域中有更廣泛的應用前景。

本發(fā)明首次實現了具有不同氣體溫度的等離子體光子晶體。等離子體光子晶體不但具有光子晶體的帶隙特性和局域特性，還具有時變可控、反常折射等特性，特別是能夠通過改變等離子體的參量和外部參數從而比較容易地對帶隙的特性進行調控。氣體溫度作為一個重要的外部參數，是等離子體光子晶體可調諧性的一個重要可控因素。通過獲得不同氣體溫度而改變帶隙特性的等離子體光子晶體，將是一種對光傳播選擇性的新調制方法。本發(fā)明所產生的具有不同氣體溫度的等離子體光子晶體，可增加對光調制的選擇方式，無論是在以后的實驗研究中還是在工業(yè)應用上都具有廣泛的應用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中產生不同氣體溫度等離子體光子晶體所用裝置的結構示意圖。

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所產生的不同氣體溫度的等離子體發(fā)光斑圖的示意圖。

圖4是本發(fā)明實施例2中相鄰兩個通孔內氮分子離子的二維轉動光譜圖。

圖5是本發(fā)明實施例2中相鄰兩個通孔內氮分子離子的三維轉動光譜圖。

圖6是本發(fā)明實施例3所產生的不同氣體溫度的等離子體發(fā)光斑圖的示意圖。

圖7是本發(fā)明實施例3中相鄰兩個通孔內氮分子離子的二維轉動光譜圖。

圖8是本發(fā)明實施例3中相鄰兩個通孔內氮分子離子的三維轉動光譜圖。

圖中：1、真空反應室，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，7、進氣口，8、出氣口。

具體實施方式

實施例1，產生不同氣體溫度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室1中對稱設置兩個密閉電介質容器，在密閉電介質容器內注水，構成兩個極板相對的水電極2。兩個水電極2與真空反應室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置玻璃擋片3封擋而構成，在有機玻璃管內注滿水，同時在有機玻璃管內設置銅環(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。在真空反應室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）。結合圖2，固體邊框6的具體結構是：以一個平板作為固體邊框本體，在固體邊框本體上開設有若干呈矩陣式排列的直徑為1mm的圓形通孔（通孔或稱孔隙），這些通孔構成放電區(qū)域（或稱放電間隙），相鄰兩個通孔之間的最小間距為1mm。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。

本實施例中在固體邊框本體上開設有16*16個圓形通孔。最外側圓形通孔距固體邊框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的內部區(qū)域將兩個水電極2間的放電間隙切割成相應的大小相等，直徑為1mm的16*16的均勻孔隙，相鄰孔隙的最小間距為1mm。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1mm~3mm。優(yōu)選的，固體邊框6的厚度為1mm。固體邊框6的材料可以為樹脂材料。

在真空反應室1內注有放電氣體，放電氣體可以為空氣或空氣和氬氣的混合氣體。放電氣體的氣壓可調，一般控制放電氣體的氣壓為0.1~0.55個標準大氣壓。等離子體發(fā)生電源5的電壓幅度在3-6.5kv之間，頻率為50~60khz。打開等離子體發(fā)生電源5的開關，調節(jié)其電壓到一定值，即可在兩個水電極2間的放電間隙內產生具有不同結構的等離子體斑圖。在相鄰的孔隙內，會產生不同氣體溫度的等離子體光子晶體。

下面以具體實施例詳細介紹本發(fā)明產生不同氣體溫度等離子體光子晶體的過程。

實施例2

結合圖1和圖2，設置一個真空反應室1，在真空反應室1的壁體上開設進氣口7和出氣口8，并在真空反應室1內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，并內置銅環(huán)4與真空反應室1外的等離子體發(fā)生電源5電連接。

在兩個水電極2之間設置有厚度為1mm的固體邊框6，固體邊框6為樹脂材料，其所在平面與兩個水電極2的軸心線垂直，且兩側緊貼兩個水電極2的端面。在固體邊框6的內部區(qū)域開設16*16個直徑為1mm的圓形通孔，且相鄰通孔之間的最小間距為1mm。固體邊框6內部16*16個圓形通孔構成的放電區(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向真空反應室1內通入放電氣體。具體地，本實施例中所通入的放電氣體為空氣，放電氣體氣壓p=0.3atm，電壓幅度為4.72kv，放電頻率為51khz。閉合開關，等離子體發(fā)生電源5作用于兩個水電極2，能夠產生單雙點交替的等離子體發(fā)光斑圖（或稱放電絲），如圖3所示。圖3中，除最外側一圈等離子體發(fā)光斑圖外，內部的等離子體發(fā)光斑圖是呈現單點和雙點交替排列結構的，即：相鄰兩個通孔（或孔隙）內的等離子體發(fā)光斑圖結構不同，一個是單個的放電絲（對應單點結構），另一個是兩束放電絲（對應雙點結構）。

采集本實施例中放電時相鄰兩個通孔內氮分子離子（n2⁺）的轉動光譜，所得二維轉動光譜如圖4所示，所得三維轉動光譜如圖5所示。圖4和圖5中，s所示曲線對應圖3中單點等離子體發(fā)光斑圖，d所示曲線對應圖3中雙點等離子體發(fā)光斑圖。根據圖4和圖5中轉動光譜可測得s所示曲線對應的轉動溫度約為510k，d所示曲線對應的轉動溫度約為580k。因此，本發(fā)明可產生不同氣體溫度的等離子體光子晶體，且除最外側一圈通孔外，內部的通孔中任意相鄰兩個通孔內的氣體溫度均不同，并呈交替排列結構。

實施例3

本實施例與實施例2相比，所不同的是：放電氣體為空氣與氬氣的混合氣體，氬氣體積含量為30%，電壓幅度為2.72kv。閉合開關，等離子體發(fā)生電源5作用于兩個水電極2，能夠產生單雙點交替的等離子體發(fā)光斑圖，如圖6所示。圖6與圖3類似，也是除最外側一圈等離子體發(fā)光斑圖外，內部的等離子體發(fā)光斑圖呈現出單點和雙點交替的排列結構，即：相鄰兩個通孔（或孔隙）內的等離子體發(fā)光斑圖結構不同，一個是單個的放電絲（對應單點結構），另一個是兩束放電絲（對應雙點結構）。

采集本實施例中放電時相鄰兩個通孔內氮分子離子的轉動光譜，所得二維轉動光譜如圖7所示，所得三維轉動光譜如圖8所示。圖7和圖8中，s所示曲線對應圖6中單點等離子體發(fā)光斑圖，d所示曲線對應圖6中雙點等離子體發(fā)光斑圖。根據圖7和圖8中轉動光譜可測得s所示曲線對應的轉動溫度約為420k，d所示曲線對應的轉動溫度約為500k。因此，本實施例中單點和雙點處對應的氣體溫度也不同。