利用固体调制产生等离子体光子晶体的装置技术领域
本发明涉及等离子体应用技术和光学技术领域，具体地说是一种利用固体调制产
生等离子体光子晶体的装置。
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，等离子体光子晶体相比于传统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。但作为一个典型的非线性现象，等
离子体光子晶体对实验条件非常敏感。控制参数（气体成分、气体压力、施加电压和频率、电
极几何形状和尺寸等）稍有改变，将会演变出不同的等离子体光子晶体。也就是说，等离子
体光子晶体的不稳定性不利于未来的应用。
目前，常规等离子体光子晶体由等离子体斑图及气体交替排列构成。在先专利
ZL200610102333.0中实现了由粗细等离子体通道及气体（即未放电区域处的气体）自组织
形成的等离子体光子晶体；在先专利ZL201010523218.7中实现了由等离子体柱、等离子体
片及气体（对应未放电区域）形成的等离子体光子晶体。然而，上述专利技术并未能实现利
用固体调制来产生等离子体光子晶体。
发明内容
本发明的目的就是提供一种利用固体调制产生等离子体光子晶体的装置，以填补
现有技术中尚未有利用固体调制来产生等离子体光子晶体的这一技术空白。
本发明的目的是这样实现的：一种利用固体调制产生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固体边框，所述固体边框所在平面与两个所
述水电极的轴心线垂直；在所述固体边框的内部区域设置有若干呈矩阵式排列的通孔，相
邻两个通孔之间由固体棱隔开。
优选的，在所述固体边框的内部区域设置有9个大小相等、边长为8mm的正方形通
孔。
优选的，相邻两个正方形通孔之间的固体棱的宽度为2mm。
优选的，所述固体边框的厚度为1.6mm~3mm。
更优选的，所述固体边框的厚度为2mm。
优选的，所有通孔构成的区域为放电区域；所述放电区域的面积小于所述水电极
的截面面积；所述固体边框的总面积大于所述水电极的截面面积。
优选的，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
气或空气与氩气的混合气体；所述真空反应室内放电气体的气压为0.1~1个标准大气压。
本发明在两个水电极之间设置有特制的固体边框，在固体边框的内部区域设置有
若干呈矩阵式排列的通孔，相邻两个通孔之间由固体棱隔开。固体边框所在平面与两个水
电极的轴心线垂直；固体边框内部的放电区域的面积（即通孔总面积）小于水电极的截面面
积，固体边框总面积大于水电极的截面面积。当等离子体发生电源的电压达到气体击穿阈
值时，在两个水电极间的放电区域内产生放电丝。在不同条件下，放电丝自组织形成具有不
同晶格常数的等离子体。通孔内的这些等离子体与通孔之间的固体棱和通孔内的气体（即
通孔内未产生放电丝处的气体）交替排列形成固体调制的等离子体光子晶体。固体棱和气
体与等离子体的折射率各不相同，因而形成的等离子体光子晶体具有至少三种折射率。通
过改变放电条件包括改变放电气体、放电气体气压、外加电压的频率、幅度以及放电间隙边
界的形状、纵横比等，将产生周期数不同、晶格常数不等的具有至少三种折射率的等离子体
光子晶体结构。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。可通过调节放电参数，改变等离子体光子
晶体的晶格常数，即改变光子晶体的能级分布，进而方便地选择哪些频率的光被禁止。同
时，由于人工设计的固体边框的影响，本装置产生的固体调制等离子体光子晶体更加稳定，
存在更加广泛。本发明中的装置结构简单、易制作、好维护、使用方便，在工业领域具有广泛
的应用前景。
附图说明
图1是本发明中利用固体调制产生等离子体光子晶体的装置的结构示意图。
图2是图1中固体边框的正视图。
图3是本发明实施例2所产生的固体调制等离子体光子晶体的示意图；其中，图3
（a）是实施例2中用普通相机拍摄的等离子体光子晶体的照片图，图3（b）是图3（a）中一个周
期的局部示意图。
图4是对比例1所产生的放电丝的示意图。
图5是本发明实施例3所产生的固体调制等离子体光子晶体的示意图；其中，图5
（a）是实施例3中用普通相机拍摄的等离子体光子晶体的照片图，图5（b）是图5（a）中一个周
期的局部示意图。
图6是本发明实施例4所产生的固体调制等离子体光子晶体的示意图；其中，图6
（a）是实施例4中用普通相机拍摄的等离子体光子晶体的照片图，图6（b）是图6（a）中一个周
期的局部示意图。
图7是本发明实施例5所产生的固体调制等离子体光子晶体的示意图；其中，图7
（a）是实施例5中用普通相机拍摄的等离子体光子晶体的照片图，图7（b）是图7（a）中一个周
期的局部示意图。
图中：1、真空反应室，2、水电极，3、玻璃挡片，4、铜环，5、等离子体发生电源，6、固
体边框，6-1、正方形通孔，6-2、固体棱，7、进气口，8、出气口，9、第一未放电区域，10、第一等
离子体，12、第二未放电区域，13、第二等离子体，14、第三未放电区域，15、第三等离子体，
16、第四等离子体，17、第四未放电区域，18、第五等离子体，19、第六等离子体。
具体实施方式
实施例1，一种利用固体调制产生等离子体光子晶体的装置。
如图1所示，本发明所提供的利用固体调制产生等离子体光子晶体的装置具体是：
在一个横置的圆筒形的真空反应室1中对称设置两个密闭电介质容器，在密闭电介质容器
内注水，构成两个极板相对的水电极2。两个水电极2与真空反应室1外的等离子体发生电源
5电连接。本实施例中，水电极2是由有机玻璃管通过在两端设置玻璃挡片3封挡而构成，在
有机玻璃管内注满水，同时在有机玻璃管内设置铜环4。两个铜环4分别通过电源线与等离
子体发生电源5的正极和负极电连接。玻璃挡片3的厚度在1.5mm~5mm之间，作为放电介质。
在真空反应室1的壁体上开有进气口7和出气口8。
在两个水电极2之间设置有固体边框6，固体边框6所在平面与两个水电极2的轴心
线垂直，且固体边框6的两个侧面分别紧贴两个水电极2的端面（图1中固体边框6与水电极2
分离是为了方便观察）。固体边框6的具体结构是：以一个平板作为固体边框本体，在固体边
框本体上开设有若干呈矩阵式排列的通孔，这些通孔构成放电区域（或称放电间隙），相邻
两个通孔之间由固体棱隔开。固体边框上的放电区域正对水电极2；放电区域的面积要小于
水电极2的截面面积，而固体边框的总面积（即固体边框本体的面积）要大于水电极2的截面
面积。
结合图2，本实施例中在固体边框6的内部区域开设有9个大小相等、边长为8mm的
正方形通孔6-1，其中，相邻两个正方形通孔6-1被宽度为2mm的固体棱6-2隔开。最外侧正方
形通孔6-1距固体边框6边缘的距离不限，也就是说，固体边框6的边缘处的形状不限，可以
为圆形，也可以为图2中的方形，也可以是别的规则或不规则形状等。
固体边框6的内部区域将两个水电极2间的放电间隙切割成相应的大小相等，边长
为8mm的9个正方形，其中相邻两个正方形由宽度为2mm的固体棱隔开。放电间隙正对两个水
电极2，且放电间隙面积小于水电极2的横截面面积（即端面积）。固体边框6的厚度可以为
1.6mm~3mm。优选的，固体边框6的厚度为2mm。固体边框6的材料可以为亚克力板。
在真空反应室1内注有放电气体，放电气体可以为空气、氩气或空气和氩气的混合
气体。放电气体的气压可调，一般控制放电气体的气压为0.1~1个标准大气压。等离子体发
生电源5的电压幅度在1-6kV之间，频率为49~60kHz。打开等离子体发生电源5的开关，调节
其电压到一定值，即可在两个水电极2间的放电间隙内产生具有不同结构的等离子体斑图。
由于固体棱（宽度为2mm）、气体（即通孔内未放电区域处的气体）与等离子体的折射率各不
相同，而在不同放电条件下又可以形成粗细不等的两种等离子体，因此，最终可形成具有至
少三种折射率的固体调制等离子体光子晶体。
下面以具体实施例详细介绍本发明装置产生固体调制等离子体光子晶体的过程。
实施例2
结合图1和图2，设置一个真空反应室1，在真空反应室1的壁体上开设进气口7和出气口
8，并在真空反应室1内安装两个极板相对的水电极2。水电极2由两边用玻璃挡片3封住并注
满水的有机玻璃管组成，并内置铜环4与真空反应室1外的等离子体发生电源5电连接。
在两个水电极2之间设置有厚度为2mm的固体边框6，固体边框6为亚克力板，其所
在平面与两个水电极2的轴心线垂直，且两侧紧贴两个水电极2的端面。在固体边框6的内部
区域开设9个大小相等、边长为8mm的正方形通孔6-1，且这9个正方形通孔6-1呈3*3的矩阵
式排布。其中，每相邻两个正方形通孔6-1之间由宽度为2mm的固体棱6-2隔开。固体边框6内
部9个正方形通孔6-1构成的放电区域的面积小于水电极2的端面面积，且放电区域正对两
个水电极2。固体边框6的总面积大于水电极2的端面面积。
通过进气口7向真空反应室1内通入放电气体。具体地，本实施例中所通入的放电
气体为空气，放电气体气压P=0.25atm，电压幅度（指放电电压平均值）为3.8kV，放电频率为
60kHz。闭合开关，等离子体发生电源5作用于两个水电极2。
在上述参数下，采用本发明中的装置可在两个水电极2间的放电区域内产生晶格
常数为а1的四边形等离子体，如图3所示，即产生由固体（宽度为2mm的固体棱6-2）、气体（对
应第一未放电区域9）以及晶格常数为а1的四边形的第一等离子体10周期性排列形成的固
体调制等离子体光子晶体，其照片（普通相机拍摄）如图3（a）所示，图3（b）为图3（a）中一个
周期（或称一个通孔）的局部示意图。图3（b）所示的气体（即第一未放电区域9的气体）、第一
等离子体10、固体棱6-2的折射率各不相同，其中第一未放电区域9的气体的折射率为1；第
一等离子体10的折射率小于1；固体棱6-2的折射率为1.2~1.4之间。因而本实施例中形成了
具有三种不同折射率的固体调制等离子体光子晶体。由于人工设计的固体边框的影响，本
装置产生的固体调制等离子体光子晶体更加稳定，存在更加广泛。
对比例1
与实施例2相比，本对比例中采用普通DBD放电装置，放电气体为空气，电压幅度为
3.8kV，放电频率为60kHz，气压为0.25atm。本对比例所产生的放电丝如图4所示。由图4可看
出，这些放电丝呈随机分布。
实施例3
本实施例与实施例2相比，所不同的是：放电气体气压P=0.15atm，电压幅度U=3.2kV。
参见图5，本实施例所产生的由固体（宽度为2mm的固体棱6-2）、气体（即第二未放
电区域12的气体）以及晶格常数为а2的四边形的第二等离子体13周期性排列形成的固体调
制等离子体光子晶体的照片（普通相机拍摄）如图5（a）所示，图5（a）中一个周期的局部示意
图由图5（b）所示。图5（b）所示的气体（即第二未放电区域12的气体）、第二等离子体13、固体
棱6-2的折射率各不相同，其中气体的折射率为1；第二等离子体13的折射率小于1；固体棱
6-2的折射率在1.2~1.4之间。因而本实施例也形成了具有三种不同折射率的固体调制等离
子体光子晶体。
实施例4
本实施例与实施例2相比，所不同的是：放电气体为空气和氩气的混合气体，且氩气的
体积含量占混合气体体积的80%，放电气体气压P=0.6atm，电压幅度U=4.92kV。
参见图6，本实施例中所产生的由固体（宽度为2mm的固体棱6-2）、气体（即第三未
放电区域14的气体）以及等离子体周期性排列形成的等离子体光子晶体的照片（普通相机
拍摄）如图6（a）所示，图6（a）中一个周期的局部示意图由图6（b）所示。图6（b）所示的气体
（即第三未放电区域14处的气体）、第三等离子体15、固体棱6-2以及第四等离子体16的折射
率各不相同，其中第三未放电区域14的气体的折射率为1；第三等离子体15和第四等离子体
16的折射率均小于1，且第三等离子体15的折射率略小于第四等离子体16的折射率；固体棱
6-2的折射率为1.2~1.4之间。因而本实施例形成了具有四种不同折射率的固体调制等离子
体光子晶体。
实施例5
本实施例与实施例4相比，所不同的是：放电气体气压P=0.35atm，电压幅度U=2.00kV，
放电频率f=55kHz，氩气体积含量φ=20%。
参见图7，本实施例中所产生的由固体（宽度为2mm的固体棱6-2）、气体（即第四未
放电区域17的气体）以及等离子体周期性排列形成的等离子体光子晶体的照片（普通相机
拍摄）如图7（a）所示，图7（a）中一个周期的局部示意图由图7（b）所示。图7（b）所示的气体
（即第四未放电区域17的气体）、第五等离子体18、固体棱6-2以及第六等离子体19的折射率
各不相同；其中第四未放电区域17的气体的折射率为1；第五等离子体18和第六等离子体19
的折射率均小于1，且第五等离子体18的折射率略小于第六等离子体19的折射率，固体棱6-
2的折射率为1.2~1.4之间。因而本实施例也形成了具有四种不同折射率的固体调制等离子
体光子晶体。