[发明专利]一种产生旋转六边形等离子体光子晶体的装置及方法

说明书

技术领域

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旋转六边形等离子体光子晶体的装置及方法。

背景技术

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。

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同介电材料交错排列形成的周期性结构。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。

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，但其都只是产生单层等离子体光子晶体的装置；在先专利ZL201310031529.5通过调整晶格对称性实现光的传输，其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，它们都仅仅是以静止的等离子体光子晶体改变晶格对称性来实现对光频率的选择和光传播的控制，并没有实现旋转的等离子体光子晶体的现象，这就在一定程度上限制了对光传播的调制。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种产生旋转六边形等离子体光子晶体的装置，以克服现有装置只能产生静止的等离子体光子晶体的问题。

本发明的目的之二就是提供一种产生旋转六边形等离子体光子晶体的方法，通过该方法可以产生具有六边形对称性的旋转六边形等离子体光子晶体。

本发明的目的之一是这样实现的：一种产生旋转六边形等离子体光子晶体的装置，包括：真空反应室，设置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设置有边框，所述边框所在平面与两个所述水电极的轴心线垂直；所述边框的内沿是由若干棘齿依次排列而成，且所述边框的内沿构成放电间隙边界。

所述边框内沿所围区域面积小于所述水电极的截面面积，所述边框外沿所围区域面积大于所述水电极的截面面积。

优选的，所述边框的厚度为2mm~4mm。

更优选的，所述边框的厚度为2.5mm。

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、氩气或是空气与氩气按任意体积比混合后的混合气体；所述真空反应室内的放电气体的气压为0.2~1个标准大气压。

本发明通过在两个水电极之间设置边框，且边框所在平面与两个水电极的轴心线垂直，边框的内沿由若干棘齿依次排列而成，并构成放电间隙边界；当等离子体发生电源的电压一定时，会在两个水电极之间的放电间隙内产生放电丝，这些放电丝便有序的排列形成六边形等离子体光子晶体，且六边形等离子体光子晶体会沿放电间隙边界处棘齿的缓坡向陡坡方向发生一定规律性的旋转。

在所产生的旋转六边形等离子体光子晶体中，由于等离子体柱（即放电丝，或称等离子体通道）和未放电区域对光的折射率不同，因而实现了两种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。在旋转六边形等离子体光子晶体中，由于等离子体光子晶体的自身旋转，在入射光不变的情况下，即可使自身的色散曲线、带隙中心频率与带隙宽度得到改变。还可以通过增加压强或降低氩气含量来增快旋转速度，反之则减慢旋转速度，进一步丰富对光传播选择性的调制。这种旋转并可调控其旋转速度的光调制器，将有更为广泛的应用领域和应用前景。

本发明的目的之二是这样实现的：一种产生旋转六边形等离子体光子晶体的方法，包括如下步骤：