一种产生单层和/或双层等离子体光子晶体的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种等离子体应用技术和光学技术，具体地说是一种产生单层和/或双层等离子体光子晶体的装置及方法。
【背景技术】
[0002]光子晶体又称光子禁带材料，是将两种不同介电常数的介质材料在空间按一定周期(尺寸在光波长量级)排列所形成的一种人造“晶体”结构。光子晶体的介电常数是空间的周期函数，若介电系数对光子的周期性调制足够强，在光子晶体中传播的光子能量也会有能带结构，带与带之间会出现光子“禁带”，频率落在禁带中的光子不能在晶体中传播。光子禁带的位置和形状取决于光子晶体中介质材料的折射率配比以及不同介电系数材料的空间比和“晶格”结构等。目前常规的光子晶体，一旦制作完成后，其光子禁带位置也就确定，即可选择的光波段已经确定，如果想改变禁带位置，需要重新制作晶体，很难实现对电磁波的可调性控制。
[0003]作为一种新型的光子晶体，等离子体光子晶体是由等离子体与其它介电材料交错排列的周期性结构。相比于传统的光子晶体，等离子体光子晶体的最大特点是其结构具有时空可调性，进而使其相应的光子带隙(Band gap)可调。人们可以通过调节等离子体光子晶体的晶格常数、介电常数、晶格对称性及时间周期等，改变其能带位置和宽度，进而使频率落入该带隙的光禁止传播，实现对光频率的选择和光传播的控制。基于以上特性，近年来等离子体光子晶体在滤波器、等离子体天线、光开关以及等离子体隐身等众多电磁波控制领域具有广泛的应用，受到人们的广泛关注。
[0004]在先专利ZL200610102333.0及ZL201010523218.7通过调节实验条件实现了具有三种和四种折射率的等离子体光子晶体，但其所采用的均是产生单层等离子体光子晶体的装置；而在先专利ZL201310031529.5通过调整晶格对称性实现光的传输，也仅仅是产生双层等离子体光子晶体的装置。无论是单层还是双层等离子体光子晶体，并没有实现单层与双层等离子体光子晶体共存的现象，这就在一定程度上限制了对光传播的调制。并且在传统的单气隙狭缝放电上(PhysRevE.64.026402文章中提到)，放电丝通常表现为两种放电形式:(1)等间隔等大小的放电丝放电，(2)等间隔且大小交替排列的放电丝放电。即:传统的单气隙狭缝放电所形成的等离子体光子晶体的结构花样少，对光调制的选择性低，效率低，增加了对波段范围内光调制的局限性，因而在应用领域和应用前景方面也就受到一定的限制。
【发明内容】
[0005]本发明的目的之一就是提供一种产生单层和/或双层等离子体光子晶体的装置，以克服现有装置只能产生单层等离子体光子晶体或只能产生双层等离子体光子晶体的问题，方便高效单双层(即单层和双层并存)等离子体光子晶体的技术应用。
[0006]本发明的目的之二就是提供一种产生单层和/或双层等离子体光子晶体的方法，通过该方法可以产生出单层、双层或单双层并存的等离子体光子晶体，且对于单双层并存的等离子体光子晶体，可以在单气隙上产生出不同以往的多种放电结构花样的等离子体光子晶体，丰富了对光传播选择性的调制。
[0007]本发明的目的之一是这样实现的:一种产生单层和/或双层等离子体光子晶体的装置，包括真空反应室、安装在所述真空反应室内的两个水电极以及与所述水电极电连接的等离子体发生电源；在两个所述水电极之间通过左、中、右三层依序叠加贴合的玻璃制有空腔截面呈Η型结构的放电间隙，左、中、右三层玻璃分别与两个所述水电极的轴心线相垂直。
[0008]上述装置中，左、中、右三层玻璃均为整块玻璃，所述放电间隙是通过在左、中、右三层整块玻璃中心分别开矩形孔而制成。
[0009]上述装置中，左、中、右三层玻璃均由上下对称的两片玻璃构成，在三层玻璃的前侧和后侧分别设有玻璃封边；通过使左、中、右每一层玻璃中的上下两片玻璃之间具有预留间隙，即可在两个所述水电极之间形成空腔截面呈Η型结构的放电间隙。
[0010]上述装置中，左、中、右三层玻璃的厚度均在0.之间。
[0011]上述装置中，所述放电间隙与左、中、右三层玻璃对应部位的高度分别为3mm~9mm、1mm?3mm、3mm?9mm 0
[0012]本发明在两个水电极之间通过左、中、右三层叠加贴合的玻璃制有空腔截面呈Η型结构(或旋转90 °的工字型结构)的放电间隙，截面呈Η型结构的放电间隙的中心即形成完全贯穿(三层玻璃)的单气隙(或称单层气隙、单层放电气隙)，单气隙的上下两侧分别为部分贯穿(只贯穿左右两侧玻璃，没有贯穿中间玻璃)的双气隙(或称双层气隙、双层放电气隙)。单气隙的厚度(或称宽度，为三层玻璃的厚度之和)、高度以及双气隙的厚度、高度均可调节。等离子体发生电源作用于两个水电极，即可在两个水电极之间的单气隙中形成多种折射率的单层等离子体光子晶体，也可以在双气隙内形成排列有序的双层等离子体光子晶体，单层等离子体光子晶体和双层等离子体光子晶体可以独立存在，也可以相互并存。
[0013]本发明两个水电极之间的放电间隙，由于贯穿程度不同以及实际所分配的电压不同，加上双气隙之间的玻璃两侧壁电荷的耦合作用，使得单气隙和双气隙不但可以单独各自演化成固定晶格常数比例的等离子体光子晶体，也可以实现两者之间相互并存。在所产生的单层、双层或单双层并存的等离子体光子晶体中，由于等离子体柱和未放电区域对光的折射率不同，因而可实现不同折射率的周期性排列。由于等离子体通道内的电子密度均在1015 cm_3量级，理论研究表明，如此高的电子密度能够使等离子体光子晶体出现能带结构。落入禁带内的某些频率的光将不能透射，从而起到光调制的作用。在单层、双层或单双层并存的等离子体光子晶体中，可以需求性的选择调制方式以完成对光传播的控制，即:不但可以单独选择单层等离子体光子晶体进行调制，也可以单独选择双层等离子体光子晶体进行调制，还可以同时选择这两种等离子体光子晶体共同进行光调制。从实用性和制备技术来看，这种具备多种选择性的光调制器，将有更为广泛的应用领域和应用前景。
[0014]本发明的目的之二是这样实现的:一种产生单层和/或双层等离子体光子晶体的方法，包括如下步骤:
a、设置一个真空反应室，并在所述真空反应室内安装两个水电极，同时将所述水电极与等离子体发生电源电连接； b、在两个所述水电极之间设置有左、中、右三层依序叠加贴合的玻璃，在三层玻璃上制有空腔截面呈Η型结构的放电间隙，左、中、右三层玻璃分别与两个所述水电极的轴心线相垂直；
c、闭合开关，等离子体发生电源作用于两个所述水电极，即可在两个所述水电极之间产生单层、双层或单双层并存的等离子体光子晶体。
[0015]在所述真空反应室内注有放电气体，所述放电气体为气压可调的空气、氩气或两者的混合气体。
[0016]所述真空反应室内的放电气体的气压为0.2Pa~0.6Pa。
[0017]所述放电气体为空气和氩气的混合气体，且氩气体积占混合气体体积的50°/『99%。
[0018]所述等离子体发生电源的放电电压为2.0kV~6.0kV ;所述等离子体发生电源的放电频率为49kHz~60kHz。
[0019]通过本发明的方法可以产生多种结构的单层、双层或单双层并存的等离子体光子晶体，从而增加了对光调制的选择方式，即:对光束进行调制既可以通过单气隙来调制，也可以通过双气隙调制，还可以通过单双气隙结合来调制，除充分发挥原有单双气隙各自独自的优势调制外，还实现了单双气隙共存的调制方式；并且在单双层等离子体光子晶体共存的情况下，首次出现了单层气隙多种结构花样的狭缝放电，增加了对光传输的调制方式的选择性，其操作的灵活性使光按一定方位入射经调制就可得到不一样的调制效果，使光束调制的多样化得到进一步的提升，同时拓宽了调