[发明专利]产生双层等离子体光子晶体的装置和方法

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双层等离子体光子晶体的装置和方法。

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，但是它们都只能是产生单层等离子体光子晶体的装置，而单层等离子体光子晶体对光的调制在波段范围上仍然有很大的限制，而且由于调制方式单一，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

本发明的目的之一就是提供一种产生双层等离子体光子晶体的装置，以克服单层等离子体光子晶体存在的技术缺陷，实现通过调节晶格对称性来调节光的传输。

本发明的目的之二就是提供一种产生双层等离子体光子晶体的方法，以产生具有四边形和六边形两种对称性的双层等离子体光子晶体。

本发明的目的之一是这样实现的：一种产生双层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极板相对的水电极，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作为放电气隙边界的两个厚度不同的边框，在两个所述边框之间设置有介质板；所述边框和所述介质板分别与两个所述水电极的轴心线相垂直。

两个所述边框为厚度在0.1~20mm之间的正方形玻璃框，所述介质板为厚度在0.1~5mm之间的石英介质板。

两个所述边框的厚度分别为2.4mm和1.2mm，所述石英介质板的厚度为1mm。

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，或者是空气与氩气按任意比例组成的混合气体。

所述真空反应室内的放电气体的气压为0.2~0.5Pa。

本发明通过在两水电极之间设置有两个厚度不同的边框作为放电气隙的边界，并用介质板将放电气隙分为两层，两层放电气隙均产生放电丝，这些放电丝有序的排列形成双层等离子体光子晶体。由于不同厚度的放电气隙中产生的光子晶体的晶格常数不同，再通过介质板两侧壁电荷的耦合作用，使两种不同晶格常数的等离子体光子晶体产生对应关系，从而形成固定晶格常数比例的双层等离子体光子晶体。

在所产生的双层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。在双层等离子体光子晶体中，两层光子晶体可以分别调制光束，也可以共同调制一条斜入射穿过两层光子晶体的光束。

本发明的目的之二是这样实现的：一种产生双层等离子体光子晶体的方法，包括以下步骤：

a、设置一个真空反应室，并在所述真空反应室内设置两个极板相对的水电极，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作为放电气隙边界的两个厚度不同的边框，在所述边框之间设置介质板，所述边框和所述介质板分别与两个所述水电极的轴心线相垂直；