一種產(chǎn)生三層等離子體光子晶體的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種等離子體應(yīng)用技術(shù)和光學(xué)技術(shù)，具體地說是一種產(chǎn)生三層等離子體光子晶體的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]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。
[0003]作為一種新型的光子晶體，等離子體光子晶體是由等離子體同介電材料交錯排列形成的周期性結(jié)構(gòu)。相比于傳統(tǒng)的光子晶體，等離子體光子晶體的最大特點是其結(jié)構(gòu)具有時空可調(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，實現(xiàn)對光頻率的選擇和光傳播的控制?；谝陨咸匦?，近年來等離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。在先專利ZL201010523218.7及ZL201310031529.5等通過調(diào)節(jié)實驗條件實現(xiàn)了多種折射率的單層及雙層的等離子體光子晶體。但是他們對光的調(diào)制在波段上仍然具有很大的限制，而且調(diào)制方式不夠廣泛，因而在應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用前景方面受到一定的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的之一就是提供一種產(chǎn)生三層等離子體光子晶體的裝置，采用該裝置可產(chǎn)生具有不同對稱性的三層等離子體光子晶體，實現(xiàn)了通過調(diào)節(jié)晶格的對稱性來調(diào)節(jié)光的傳輸。
[0005]本發(fā)明的目的之二就是提供一種產(chǎn)生三層等離子體光子晶體的方法，以產(chǎn)生具有不同對稱性的三層等離子體光子晶體，且所產(chǎn)生的三層等離子體光子晶體具有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用前景。
[0006]本發(fā)明的目的之一是這樣實現(xiàn)的:一種產(chǎn)生三層等離子體光子晶體的裝置，包括真空反應(yīng)室、安裝在所述真空反應(yīng)室內(nèi)的兩個水電極以及與所述水電極電連接的等離子體發(fā)生電源；在兩個所述水電極之間并排設(shè)置有三個作為放電間隙邊界的厚度各不相同的邊框，在相鄰兩個邊框之間設(shè)置有介質(zhì)板；所述邊框和所述介質(zhì)板分別與兩個所述水電極的軸心線相垂直。
[0007]優(yōu)選的，三個所述邊框為厚度在lmm~10mm之間的正方形玻璃框，兩個所述介質(zhì)板為厚度在之間的石英介質(zhì)板。
[0008]更優(yōu)選的，三個所述邊框的厚度依次分別為2mm、4mm和1mm，兩個所述介質(zhì)板的厚度均為1mm。
[0009]優(yōu)選的，在所述真空反應(yīng)室內(nèi)注有放電氣體，所述放電氣體為氣壓可調(diào)的空氣，或者是空氣與氬氣按氬氣體積比不高于40%的比例組成的混合氣體。
[0010]優(yōu)選的，所述真空反應(yīng)室內(nèi)的放電氣體的氣壓為0.4Pa~0.8Pa。
[0011]本發(fā)明通過在兩個水電極之間設(shè)置三個厚度各不相同的邊框作為放電間隙的邊界，并用兩個介質(zhì)板將放電間隙分為左、中、右三層。在等離子體發(fā)生電源作用于兩個水電極后，在三層放電間隙均產(chǎn)生放電絲，這些放電絲有序的排列形成三層等離子體光子晶體。在這三層放電間隙中，左側(cè)放電間隙的一端和右側(cè)放電間隙的一端分別連接等離子體發(fā)生電源的正極和負(fù)極，而位于中間放電間隙的兩端不與任何電極相連，其完全靠左、右兩側(cè)的感應(yīng)來產(chǎn)生放電絲，最終形成了三層不同對稱結(jié)構(gòu)的等離子體光子晶體，可實現(xiàn)六種形式光的調(diào)制，解決了現(xiàn)有技術(shù)中調(diào)制光的形式較少的問題。
[0012]三層不同厚度的放電間隙中產(chǎn)生的等離子體光子晶體的晶格常數(shù)不同，且具有不同的對稱結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整三個邊框的厚度、調(diào)整相應(yīng)的工藝參數(shù)(放電電壓、頻率、放電氣體等)，可得到三層不同對稱結(jié)構(gòu)(“三層不同對稱結(jié)構(gòu)”指的是三層放電間隙中所形成的等離子體柱的粗細(xì)不同和/或排列方式不同)的等離子體光子晶體。
[0013]所產(chǎn)生的三層等離子體光子晶體中，每層中的折射率均不相同。且這三層等離子體光子晶體可以分別調(diào)制光束，也可以由相鄰兩層等離子體光子晶體聯(lián)合調(diào)制一條斜入射的光束，還可以共同調(diào)制一條斜入射穿過三層等離子體光子晶體的光束。由此，一束光從不同方向及不同部位入射該裝置，會得到不同的調(diào)制，從而得到至少六種不同頻率范圍的出射光。
[0014]本發(fā)明的目的之二是這樣實現(xiàn)的:一種產(chǎn)生三層等離子體光子晶體的方法，包括以下步驟:
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并排設(shè)置三個作為放電間隙邊界的厚度各不相同的邊框，在相鄰兩個邊框之間設(shè)置介質(zhì)板，所述邊框和所述介質(zhì)板分別與兩個所述水電極的軸心線相垂直；
C、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之間產(chǎn)生三層等離子體光子晶體。
[0015]三個所述邊框為厚度在之間的正方形玻璃框，兩個所述介質(zhì)板為厚度在之間的石英介質(zhì)板。
[0016]三個所述邊框的厚度依次分別為2mm、4mm和1mm，兩個所述介質(zhì)板的厚度均為Imm0
[0017]在所述真空反應(yīng)室內(nèi)注有放電氣體，所述放電氣體為氣壓可調(diào)的空氣，或者是空氣與氬氣按氬氣體積比不高于40%的比例組成的混合氣體。
[0018]所述真空反應(yīng)室內(nèi)的放電氣體的氣壓為0.4Pa~0.8Pa。
[0019]本發(fā)明中的產(chǎn)生三層等離子體光子晶體的裝置和方法，首次實現(xiàn)了具有不同對稱性的三層等離子體光子晶體。三層等離子體光子晶體，既可以通過其中的一層等離子體光子晶體來調(diào)制光束，也可以通過相鄰的兩層等離子體光子晶體來共同調(diào)制光束，還可以通過三層等離子體光子晶體來共同調(diào)制光束，因此相比現(xiàn)有技術(shù)中的雙層等離子體光子晶體，對光束的調(diào)制更加多樣化，從而拓寬了調(diào)制光束的波段。與以前的產(chǎn)生單層和雙層等離子體光子晶體的裝置相比，本裝置和方法產(chǎn)生的三層等離子體光子晶體具有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明中產(chǎn)生三層等離子體光子晶體的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2是本發(fā)明實施例3所產(chǎn)生的三層等離子體光子晶體的斑圖照片。
[0022]圖3是本發(fā)明實施例3所產(chǎn)生的三層等離子體光子晶體的側(cè)視圖。
[0023]圖4是本發(fā)明實施例4所產(chǎn)生的三層等離子體光子晶體的斑圖照片。
[0024]圖5是本發(fā)明實施例4所產(chǎn)生的三層等離子體光子晶體的側(cè)視圖。
[0025]圖6是本發(fā)明實施例5所產(chǎn)生的三層等離子體光子晶體的斑圖照片。
[0026]圖7是本發(fā)明實施例5所產(chǎn)生的三層等離子體光子晶體的側(cè)視圖。
[0027]圖8是本發(fā)明實施例6所產(chǎn)生的三層等離子體光子晶體的斑圖照片。
[0028]圖9是本發(fā)明實施例6所產(chǎn)生的三層等離子體光子晶體的側(cè)視圖。
[0029]圖10是本發(fā)明所產(chǎn)生的三層等離子體光子晶體調(diào)制光線的六種方案的側(cè)視圖。
[0030]圖中:1、真空反應(yīng)室，2、銅環(huán)，3、石英玻璃擋片，4、邊框，5、介質(zhì)板，6、水電極，7、等離子體發(fā)生電源，8、進(jìn)氣口，9、出氣口，10、放電間隙。
【具體實施方式】
[0031]實施例1
如圖1所示，本發(fā)明所提供的產(chǎn)生三層等離子體光子晶體的裝置是在一個橫置的圓筒形的真空反應(yīng)室I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)成兩個水電極6。兩個水電極6與等離子體發(fā)生電源7電連接。水電極6是由有機玻璃管通過在兩端設(shè)置石英玻璃擋片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)2。兩個銅環(huán)2分別通過電源線與真空反應(yīng)室I外的等離子體發(fā)生電源7的正極和負(fù)極電連接。石英玻璃擋片3的厚度在0.lmm~5mm之間。
[0032]兩個水電極6之間的空間為放電間隙10，在兩個水電極6之間并排設(shè)置有三個厚度各不相同的邊框4，邊框4用于作為放電間隙10的邊界。相鄰兩個邊框4之間設(shè)置有介質(zhì)板5，即:兩個介質(zhì)板5將放電間隙10分為左、中、右三層結(jié)構(gòu)；三層放電間隙的形狀和厚度可由夾在間隙中的三個邊框4來調(diào)節(jié)。邊框4和介質(zhì)板5平行，且邊框4和介質(zhì)板5分另1J與水電極6的軸心線垂直。邊框4 一般為正方形玻璃框，其厚度在之間。介質(zhì)板5 —般為石英介質(zhì)板，其厚度在之間。
[0033]在真空反應(yīng)室I的壁體上開有進(jìn)氣口 8和出氣口 9。通過進(jìn)氣口 8可向真空反應(yīng)室I內(nèi)通入放電氣體，所通入的放電氣體可以為空氣，也可以是空氣與氬氣組成的混合氣體，在混合氣體中，一般氬氣的體積含量不高于混合氣體總體積的40%，氬氣含量太高，會使得放電不穩(wěn)定。通過控制通入放電氣體的量，可以控制真空反應(yīng)室I內(nèi)放電氣體的氣壓。一般情況下，控制放電氣體的氣壓在0.4Pa~0.8Pa之間，放電氣體的氣壓即為放電間隙10內(nèi)的氣壓。使用空氣作為放電氣體，取材廣泛，成本低。
[0034]放電氣體發(fā)生放電的條件是:閉合開關(guān)，由等離子體發(fā)生電源7給兩個水電極6通電，進(jìn)而在兩個水電極6之間的放電間隙10內(nèi)產(chǎn)生放電，即放電電壓由等離子體發(fā)生電源7提供，等離子體發(fā)生電源7的電壓、幅值以及頻率均可調(diào)。
[0035]實施例2
本發(fā)明所提供的產(chǎn)生三層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I，在真空反應(yīng)