一種產生單層和/或雙層等離子體光子晶體的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種等離子體應用技術和光學技術，具體地說是一種產生單層和/或雙層等離子體光子晶體的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]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(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(xiàn)對電磁波的可調性控制。
[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與其它介電材料交錯排列的周期性結構。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構具有時空可調性，進而使其相應的光子帶隙(Band gap)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(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。
[0004]在先專利ZL200610102333.0及ZL201010523218.7通過調節(jié)實驗條件實現(xiàn)了具有三種和四種折射率的等離子體光子晶體，但其所采用的均是產生單層等離子體光子晶體的裝置；而在先專利ZL201310031529.5通過調整晶格對稱性實現(xiàn)光的傳輸，也僅僅是產生雙層等離子體光子晶體的裝置。無論是單層還是雙層等離子體光子晶體，并沒有實現(xiàn)單層與雙層等離子體光子晶體共存的現(xiàn)象，這就在一定程度上限制了對光傳播的調制。并且在傳統(tǒng)的單氣隙狹縫放電上(PhysRevE.64.026402文章中提到)，放電絲通常表現(xiàn)為兩種放電形式:(1)等間隔等大小的放電絲放電，(2)等間隔且大小交替排列的放電絲放電。即:傳統(tǒng)的單氣隙狹縫放電所形成的等離子體光子晶體的結構花樣少，對光調制的選擇性低，效率低，增加了對波段范圍內光調制的局限性，因而在應用領域和應用前景方面也就受到一定的限制。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的之一就是提供一種產生單層和/或雙層等離子體光子晶體的裝置，以克服現(xiàn)有裝置只能產生單層等離子體光子晶體或只能產生雙層等離子體光子晶體的問題，方便高效單雙層(即單層和雙層并存)等離子體光子晶體的技術應用。
[0006]本發(fā)明的目的之二就是提供一種產生單層和/或雙層等離子體光子晶體的方法，通過該方法可以產生出單層、雙層或單雙層并存的等離子體光子晶體，且對于單雙層并存的等離子體光子晶體，可以在單氣隙上產生出不同以往的多種放電結構花樣的等離子體光子晶體，豐富了對光傳播選擇性的調制。
[0007]本發(fā)明的目的之一是這樣實現(xiàn)的:一種產生單層和/或雙層等離子體光子晶體的裝置，包括真空反應室、安裝在所述真空反應室內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通過左、中、右三層依序疊加貼合的玻璃制有空腔截面呈Η型結構的放電間隙，左、中、右三層玻璃分別與兩個所述水電極的軸心線相垂直。
[0008]上述裝置中，左、中、右三層玻璃均為整塊玻璃，所述放電間隙是通過在左、中、右三層整塊玻璃中心分別開矩形孔而制成。
[0009]上述裝置中，左、中、右三層玻璃均由上下對稱的兩片玻璃構成，在三層玻璃的前側和后側分別設有玻璃封邊；通過使左、中、右每一層玻璃中的上下兩片玻璃之間具有預留間隙，即可在兩個所述水電極之間形成空腔截面呈Η型結構的放電間隙。
[0010]上述裝置中，左、中、右三層玻璃的厚度均在0.之間。
[0011]上述裝置中，所述放電間隙與左、中、右三層玻璃對應部位的高度分別為3mm~9mm、1mm?3mm、3mm?9mm 0
[0012]本發(fā)明在兩個水電極之間通過左、中、右三層疊加貼合的玻璃制有空腔截面呈Η型結構(或旋轉90 °的工字型結構)的放電間隙，截面呈Η型結構的放電間隙的中心即形成完全貫穿(三層玻璃)的單氣隙(或稱單層氣隙、單層放電氣隙)，單氣隙的上下兩側分別為部分貫穿(只貫穿左右兩側玻璃，沒有貫穿中間玻璃)的雙氣隙(或稱雙層氣隙、雙層放電氣隙)。單氣隙的厚度(或稱寬度，為三層玻璃的厚度之和)、高度以及雙氣隙的厚度、高度均可調節(jié)。等離子體發(fā)生電源作用于兩個水電極，即可在兩個水電極之間的單氣隙中形成多種折射率的單層等離子體光子晶體，也可以在雙氣隙內形成排列有序的雙層等離子體光子晶體，單層等離子體光子晶體和雙層等離子體光子晶體可以獨立存在，也可以相互并存。
[0013]本發(fā)明兩個水電極之間的放電間隙，由于貫穿程度不同以及實際所分配的電壓不同，加上雙氣隙之間的玻璃兩側壁電荷的耦合作用，使得單氣隙和雙氣隙不但可以單獨各自演化成固定晶格常數比例的等離子體光子晶體，也可以實現(xiàn)兩者之間相互并存。在所產生的單層、雙層或單雙層并存的等離子體光子晶體中，由于等離子體柱和未放電區(qū)域對光的折射率不同，因而可實現(xiàn)不同折射率的周期性排列。由于等離子體通道內的電子密度均在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)能帶結構。落入禁帶內的某些頻率的光將不能透射，從而起到光調制的作用。在單層、雙層或單雙層并存的等離子體光子晶體中，可以需求性的選擇調制方式以完成對光傳播的控制，即:不但可以單獨選擇單層等離子體光子晶體進行調制，也可以單獨選擇雙層等離子體光子晶體進行調制，還可以同時選擇這兩種等離子體光子晶體共同進行光調制。從實用性和制備技術來看，這種具備多種選擇性的光調制器，將有更為廣泛的應用領域和應用前景。
[0014]本發(fā)明的目的之二是這樣實現(xiàn)的:一種產生單層和/或雙層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有左、中、右三層依序疊加貼合的玻璃，在三層玻璃上制有空腔截面呈Η型結構的放電間隙，左、中、右三層玻璃分別與兩個所述水電極的軸心線相垂直；
c、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之間產生單層、雙層或單雙層并存的等離子體光子晶體。
[0015]在所述真空反應室內注有放電氣體，所述放電氣體為氣壓可調的空氣、氬氣或兩者的混合氣體。
[0016]所述真空反應室內的放電氣體的氣壓為0.2Pa~0.6Pa。
[0017]所述放電氣體為空氣和氬氣的混合氣體，且氬氣體積占混合氣體體積的50°/『99%。
[0018]所述等離子體發(fā)生電源的放電電壓為2.0kV~6.0kV ;所述等離子體發(fā)生電源的放電頻率為49kHz~60kHz。
[0019]通過本發(fā)明的方法可以產生多種結構的單層、雙層或單雙層并存的等離子體光子晶體，從而增加了對光調制的選擇方式，即:對光束進行調制既可以通過單氣隙來調制，也可以通過雙氣隙調制，還可以通過單雙氣隙結合來調制，除充分發(fā)揮原有單雙氣隙各自獨自的優(yōu)勢調制外，還實現(xiàn)了單雙氣隙共存的調制方式；并且在單雙層等離子體光子晶體共存的情況下，首次出現(xiàn)了單層氣隙多種結構花樣的狹縫放電，增加了對光傳輸的調制方式的選擇性，其操作的靈活性使光按一定方位入射經調制就可得到不一樣的調制效果，使光束調制的多樣化得到進一步的提升，同時拓寬了調