專(zhuān)利名稱(chēng)：一種產(chǎn)生時(shí)間振蕩等離子體光子晶體的方法及其專(zhuān)用裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生具有隨時(shí)間振蕩的等離子體光子晶體的方法及裝置，屬于等離子體應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域和光學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光子晶體又稱(chēng)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(zhǎng)量級(jí))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(duì)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(huì)有帶狀結(jié)構(gòu)，帶與帶之間會(huì)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(duì)電磁波的可調(diào)性控制。因此，設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)自行調(diào)節(jié)禁帶寬度及位置的光子晶體，是人們所迫切需要的。CN101013163公開(kāi)了一種產(chǎn)生等離子體光子晶體的方法，該方法是通過(guò)專(zhuān)用的發(fā)生裝置制造的。該裝置包括有對(duì)稱(chēng)設(shè)置的兩個(gè)密閉電介質(zhì)容器，兩個(gè)容器中間設(shè)置放電間隙，容器內(nèi)設(shè)置放電電極引線，容器內(nèi)注入水形成放電電極。通過(guò)改變放電條件(包括外加電壓的頻率、幅度以及放電間隙邊界的形狀及縱橫比)，由此生產(chǎn)出晶格常數(shù)不同的等離子體光子晶體。該等離子體光子晶體能夠阻止某些頻率光的傳播，具有頻率選擇性光開(kāi)關(guān)的作用。如果固定放電條件，該方法所產(chǎn)生的等離子體光子晶體的禁帶位置及寬度是固定的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要提供一種產(chǎn)生時(shí)間振蕩等離子體光子晶體的方法及其專(zhuān)用裝置，這樣無(wú)需改變放電條件就可使等離子體光子晶體的禁帶位置及寬度隨時(shí)間連續(xù)變化。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明所提供的產(chǎn)生時(shí)間振蕩等離子體光子晶體的方法包括以下步驟(a)在真空罐內(nèi)設(shè)置放電裝置，將氬氣與空氣的混合氣體與水蒸氣混合后進(jìn)入真空罐及放電裝置中的放電間隙中；(b)改變放電裝置的放電條件，由此使等離子體光子晶體結(jié)構(gòu)從靜止變?yōu)殡S時(shí)間振蕩的六邊形超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。本發(fā)明方法中所述的放電間隙可選用玻璃作介質(zhì)材料，也可以選用石英作介質(zhì)材料。當(dāng)本發(fā)明方法中所述的放電間隙形狀是由玻璃制作的六邊形的邊界；其放電條件為電壓幅度4-5kV，放電頻率55kHz，氣隙氣壓為0. 7-1大氣壓，放電間隙內(nèi)的氬氣含量變化范圍控制在96-100%。
當(dāng)本發(fā)明方法中所述的放電間隙形狀是由石英制作的六邊形的邊界；其放電條件為電壓幅度4-5kV，放電頻率55kHz，氣隙氣壓為0. 8-1大氣壓，放電間隙內(nèi)的氬氣含量變化范圍控制在98-99%。本發(fā)明所提供的生產(chǎn)制造上述等離子體光子晶體的專(zhuān)用裝置，包括有真空罐，真空罐內(nèi)設(shè)有加濕噴霧裝置和放電裝置；所述的放電裝置設(shè)置兩個(gè)密閉電介質(zhì)容器，兩個(gè)容器中間設(shè)置放電間隙，容器內(nèi)設(shè)置放電電極引線，容器內(nèi)注入水形成放電電極；所述的真空罐上設(shè)有進(jìn)氣管，進(jìn)氣管的出口端與加濕噴霧裝置相連接，加濕噴霧裝置的噴霧口與放電裝置中的放電間隙相對(duì)應(yīng)。本發(fā)明方法所生產(chǎn)的等離子體光子晶體，其放電間隙是石英或玻璃制成的正六邊形結(jié)構(gòu)，其晶格由兩種粗細(xì)不同的等離子體放電通道周期性排列，構(gòu)成可隨時(shí)間振蕩的六邊形超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；其中粗等離子體通道外圍包裹有圈暈，細(xì)等離子體通道在鄰近的兩個(gè)粗等離子體通道之間振動(dòng)。這些等離子體通道自組織成周期性排列，形成了隨時(shí)間振蕩的等離子體光子晶體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明方法中所述的石英或玻璃的厚度選擇1. 6-2. 2mm為佳。本發(fā)明方法所提供的等離子體光子晶體其晶體形成后，無(wú)需任何條件，晶格結(jié)構(gòu)會(huì)做時(shí)空周期性變化，使光子禁帶的位置及寬度連續(xù)變化，因而其具有光調(diào)制器的作用，由此可自如控制光子禁帶結(jié)構(gòu)，亦能很方便地對(duì)電磁波實(shí)施時(shí)空控制；其具有放電條件更為寬泛、無(wú)需改變放電條件就能夠自主調(diào)節(jié)禁帶位置及寬度的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛。本發(fā)明方法的創(chuàng)新之處在于將氬氣與空氣的混合氣體，首先與水蒸氣充分混合， 由此大大增加了真空罐內(nèi)混合氣體的濕度，當(dāng)其進(jìn)入放電間隙、改變放電裝置的放電條件時(shí)，由此產(chǎn)生的等離子體光子晶體，其晶格結(jié)構(gòu)即從靜止變?yōu)殡S時(shí)間振蕩。再則，本發(fā)明方法將所述的放電間隙的邊界是由四邊形改為六邊形，由此更利于六邊形超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)晶體的形成。本發(fā)明方法還具有便于操作、所制產(chǎn)品性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明專(zhuān)用生產(chǎn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1真空罐，2液體電極，3放電電極引線，4放電間隙，5加濕噴霧裝置，6進(jìn)氣管道。圖2是本發(fā)明等離子體光子晶體的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是一組不同曝光時(shí)間的等離子體光子晶體的橫截面照片的影印圖片，其放電條件為外加電壓U = 4. 8kV，頻率f = 55kHz，氣壓ρ = IPa,氬氣含量Xto = 96%,介質(zhì)材料為玻璃，厚度d = 2. Omm;其中圖3 (3a)所示的是曝光時(shí)間為40ms的等離子體光子晶體的橫截面照片的影印圖片，(3b)、(3c)所示的均是曝光時(shí)間為IOms的等離子體光子晶體的橫截面照片的影印圖片，(3b)、(3c)圖片中圈內(nèi)的晶胞處于不同時(shí)間下不同的狀態(tài)；(3b)晶胞呈六邊形，(3c)呈大小兩個(gè)嵌套的三角形。圖4是本發(fā)明等離子體光子晶體的立體結(jié)構(gòu)示意圖，其中B是粗等離子體放電通道，A是圍繞B的外暈圈；C是細(xì)等離子體放電通道，D是無(wú)放電發(fā)生的區(qū)域。圖5是細(xì)等離子體放電通道的反對(duì)稱(chēng)運(yùn)動(dòng)模式在一個(gè)周期內(nèi)空間結(jié)構(gòu)的變化示意圖。以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述，但其不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成任何不利的限定。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所提供的專(zhuān)用生產(chǎn)裝置如圖1所示，包括有真空罐1、真空罐1內(nèi)設(shè)有加濕噴霧裝置5和放電裝置；所述的放電裝置可參照200610102333. 0在先專(zhuān)利設(shè)計(jì)，其包括有兩個(gè)密閉電介質(zhì)容器7，兩個(gè)容器中間設(shè)置放電間隙4，容器7內(nèi)設(shè)置放電電極引線3，容器 7內(nèi)注入水形成液體放電電極2 ；所述的真空罐1上設(shè)有進(jìn)氣管6，進(jìn)氣管6的出口端與加濕噴霧裝置5相連接，加濕噴霧裝置5的噴霧口與放電裝置中的放電間隙4相對(duì)應(yīng)。在生產(chǎn)時(shí)首先將氬氣與空氣的混合氣體通過(guò)真空罐1中的進(jìn)氣管6，進(jìn)入加濕噴霧裝置5，使混合氣體與加濕噴霧裝置產(chǎn)生的水蒸氣充分混合后進(jìn)入真空罐及放電裝置中的放電間隙中；生產(chǎn)時(shí)通過(guò)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，放電將產(chǎn)生晶體結(jié)構(gòu)可隨時(shí)間振蕩的六邊形超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)(如圖2所示)。為了便于粗細(xì)不等的等離子體放電通道排列更為規(guī)整，放電間隙的邊界改為六邊形，由此得到更佳效果。在實(shí)際工作時(shí)，隨著外加電壓的升高，放電間隙中的氣體被擊穿形成放電，表現(xiàn)為許多明亮的隨機(jī)放電絲。當(dāng)電壓頻率處于^kHz,電壓幅度大約為4. 8kV，氣壓為lPa，氬氣含量為96% Ar時(shí)，放電將產(chǎn)生兩種粗細(xì)不等的等離子體放電通道，這兩種等離子體放電通道與未放電區(qū)域周期性的排列自組織形成六邊形超點(diǎn)陣等離子體晶體結(jié)構(gòu)。更具體地說(shuō)，本發(fā)明所述的放電條件是放電間隙為石英或玻璃制成的正六邊形結(jié)構(gòu)，厚度在1. 6-2. 2mm間，電壓幅度在4. 54kv，頻率為55Wiz。當(dāng)放電間隙是玻璃時(shí)氬氣含量在96% -100%。當(dāng)放電間隙為石英時(shí)氬氣含量在98% -99%之間，氣壓為0.8-latm，濕度較大。由此放電自組織產(chǎn)生兩種粗細(xì)不同的等離子體通道(參見(jiàn)圖2、圖3、圖4)。從圖 2、圖4可以看出，兩種粗細(xì)不等的等離子體放電通道，其端面為大小不同的亮點(diǎn)，其中大點(diǎn) B為粗等離子體放電通道，外圍包裹有一圈暈A，小點(diǎn)C為細(xì)等離子體放電通道，其在鄰近的兩個(gè)大點(diǎn)間(即鄰近的粗等離子體放電通道間)振動(dòng)。這些放電通道自組織成周期性排列， 形成了隨時(shí)間振蕩的六邊形超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等離子體光子晶體。在所述產(chǎn)生的隨時(shí)間振蕩的六邊形超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等離子體光子晶體中，由于粗細(xì)不等的等離子體放電通道與未放電區(qū)域D的電子密度和電子溫度均不等，對(duì)光折射也不同， 因而實(shí)現(xiàn)了三種不同折射率的周期性排列。所述產(chǎn)生的隨時(shí)間振蕩的六邊形超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等離子體光子晶體中，細(xì)等離子體放電通道隨時(shí)間做周期性振蕩，使得空間結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化；從不同曝光時(shí)間的等離子體光子晶體的橫截面照片(如圖3)可以看出，本發(fā)明所提供六邊形超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等離子體光子晶體由兩套正三角形結(jié)構(gòu)組成。從圖33a、;3b、3C的對(duì)比可以看出，隨著曝光時(shí)間及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，3b圈內(nèi)晶胞中小格點(diǎn)構(gòu)成的六邊形處于平衡位置經(jīng)過(guò)一段時(shí)間其運(yùn)動(dòng)到3c中圈內(nèi)晶胞中小格點(diǎn)構(gòu)成的兩個(gè)三角形處于最大位置。為更清楚地表述其隨著時(shí)間變化的晶格結(jié)構(gòu)，可參見(jiàn)圖5所示意的反對(duì)稱(chēng)運(yùn)動(dòng)模式。本發(fā)明所提供的等離子體光子晶體，其在一個(gè)周期內(nèi)空間結(jié)構(gòu)的變化如圖5所示，三個(gè)相間的細(xì)等離子放電通道分別組成兩套正三角形結(jié)構(gòu)，其中一套三角形結(jié)構(gòu)為Δ FGH，另一套為Δ LIJ0當(dāng)t = 0時(shí)所有細(xì)等離子放電通道(圖中的小圓點(diǎn))都位于平衡位置，形成兩個(gè)全等同三角形，共同構(gòu)成六邊形結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5中的fe)；當(dāng)t = 4/T(T為振動(dòng)周期)時(shí)， Δ FGH的細(xì)等離子放電通道都背離粗等離子放電通道運(yùn)動(dòng)，Δ LIJ中的細(xì)等離子放電通道都向粗等離子放電通道靠攏(見(jiàn)圖5中的恥)，這樣Δ FGH三角形面積大于Δ LIJ ；當(dāng)t = 2/T時(shí)以上述趨勢(shì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)直到Δ LIJ中的細(xì)等離子放電通道的點(diǎn)落在Δ FGH三角形各邊的中間位置運(yùn)動(dòng)達(dá)最大位置(見(jiàn)圖5中的5c)。瞬間Δ FGH、A LIJ中的細(xì)等離子放電通道運(yùn)動(dòng)方向反轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程是上半周期的逆運(yùn)動(dòng)，當(dāng)再次運(yùn)動(dòng)到平衡位置完成一個(gè)周期(圖5 中的5dje、5f)。由此可見(jiàn)本發(fā)明所提供的等離子體光子晶體其晶格結(jié)構(gòu)是隨時(shí)間不斷變化的，因而也必然使光子禁帶位置和寬度發(fā)生變化，故可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光子禁帶的自主調(diào)節(jié)。這就是隨時(shí)間振蕩的六邊形超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等離子體光子晶體。本發(fā)明所提供的離子體光子晶體其等離子體放電通道內(nèi)的電子密度均在IO15CnT3 量級(jí)。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)帶隙結(jié)構(gòu)。本發(fā)明方法所產(chǎn)生的等離子體光子晶體對(duì)光子禁帶的調(diào)節(jié)是自行控制的，一旦做成并不需要任何附加條件(如改變電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度、放電參量等)。本發(fā)明列舉的實(shí)施例旨在更進(jìn)一步地闡明這種產(chǎn)生具有隨時(shí)間振蕩的六邊形超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的等離子體光子晶體及其方法和專(zhuān)用裝置，但其不對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍構(gòu)成任何限制。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生時(shí)間振蕩等離子體光子晶體的方法，其特征在于它包括以下步驟(a)在真空罐內(nèi)設(shè)置放電裝置，將氬氣與空氣的混合氣體與水蒸氣混合后進(jìn)入真空罐及放電裝置中的放電間隙中；(b)改變放電裝置的放電條件，由此使等離子體光子晶體結(jié)構(gòu)從靜止變?yōu)殡S時(shí)間振蕩的六邊形超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生時(shí)間振蕩等離子體光子晶體的方法，其特征在于所述的放電間隙是由玻璃制作的六邊形的邊界；其放電條件為電壓幅度4_5kV，放電頻率55kHz， 氣隙氣壓為0. 7-1大氣壓，放電間隙內(nèi)的氬氣含量變化范圍控制在96-100%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生時(shí)間振蕩等離子體光子晶體的方法，其特征在于所述的放電間隙是由石英制作的六邊形的邊界；其放電條件為電壓幅度4-5kV，放電頻率55kHz， 氣隙氣壓為0. 8-1大氣壓，放電間隙內(nèi)的氬氣含量變化范圍控制在98-99%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生時(shí)間振蕩等離子體光子晶體的方法，其特征在于所述的玻璃或石英的厚度為1. 6-2. 2mm。
5.一種產(chǎn)生時(shí)間振蕩等離子體光子晶體的裝置，其特征在于它設(shè)有真空罐(1)、真空罐(1)內(nèi)設(shè)有加濕噴霧裝置( 和放電裝置；所述的放電裝置設(shè)置兩個(gè)密閉電介質(zhì)容器 (7)，兩個(gè)容器中間設(shè)置放電間隙G)，容器內(nèi)設(shè)置放電電極引線0)，容器內(nèi)注入水形成液體放電電極O)；所述的真空罐(1)上設(shè)有進(jìn)氣管(6)，進(jìn)氣管(6)的出口端與加濕噴霧裝置(5)相連接，加濕噴霧裝置(5)的噴霧口與放電裝置中的放電間隙(4)相對(duì)應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種產(chǎn)生時(shí)間振蕩等離子體光子晶體的方法及其專(zhuān)用裝置。該方法包括以下步驟(a)在真空罐內(nèi)設(shè)置放電裝置，將氬氣與空氣的混合氣體與水蒸氣混合后進(jìn)入真空罐及放電裝置中的放電間隙中；(b)改變放電裝置的放電條件，由此使等離子體光子晶體結(jié)構(gòu)從靜止變?yōu)殡S時(shí)間振蕩的六邊形超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。該裝置包括有真空罐、真空罐內(nèi)設(shè)有加濕噴霧裝置和放電裝置，所述加濕噴霧裝置的噴霧口與放電裝置中的放電間隙相對(duì)應(yīng)。本發(fā)明方法產(chǎn)生的等離子體光子晶體無(wú)需改變放電條件就可使等離子體光子晶體的禁帶位置及寬度隨時(shí)間連續(xù)變化。
文檔編號(hào)H05H1/24GK102213796SQ201110159689
公開(kāi)日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2011年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月15日
發(fā)明者商潔, 段馬威, 范偉麗, 董麗芳 申請(qǐng)人:河北大學(xué)