光谱法研究一种具有渐变折射率的新型等离子体光子晶体

刘伟波，董丽芳

(1.河北大学物理科学与技术学院，河北保定 071002； 2.滨州学院航空工程学院，山东滨州 256603)

光谱法研究一种具有渐变折射率的新型等离子体光子晶体

刘伟波1，2，董丽芳1∗

(1.河北大学物理科学与技术学院，河北保定 071002； 2.滨州学院航空工程学院，山东滨州 256603)

在双水电极介质阻挡放电装置中，在氩气和空气的混合气体放电过程中通过改变气体压强可以得到一种新型等离子体光子晶体。该光子晶体具有四边形的复杂对称结构，包括晶胞中心处的细等离子体柱、四周的等离子体片、等离子体片交叉点产生的等离子体柱和边缘处的粗等离子柱。运用发射光谱法研究了该等离子体光子晶体不同位置处的等离子体状态，通过测量氩原子696.54 nm(2P2→1S5)发射谱线的展宽对比了电子密度，通过氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πg)发射谱线计算了分子振动温度。实验结果证实，不但晶胞中心处的细等离子体柱、四周的等离子体片、等离子体片交叉点产生的等离子体柱和边缘处的粗等离子柱具有不同的等离子体状态，不同位置处的晶胞中心细等离子体柱也具有不同的等离子体状态。电子密度由大到小排列依次为:4个角上的细等离子体柱(A)、靠近4个边的细等离子体柱(B)、靠近中心的细等离子体柱(C)、边缘处的粗等离子体柱(D)、等离子体片交叉点产生的等离子体柱(E)、四周的等离子体片(F)。分子振动温度的变化规律与电子密度相反。由于该晶体结构中A、B、C 3处的折射率均不相同，由内向外呈周期性渐变排列，它们和其他位置处不同的等离子体状态构成了具有渐变折射率的等离子体光子晶体。

等离子体光子晶体；介质阻挡放电；发射光谱

1 引 言

等离子体光子晶体是由等离子体自身密度的周期性分布或者同其他介质材料交错周期性排列而形成的一种新型光子晶体[1]。由于具有反常折射、时变动态可控等特殊性质，等离子体光子晶体可以被应用在等离子体天线、光开关及等离子体隐身等众多电磁波控制领域[2-3]。但目前，对等离子体光子晶体的研究主要还处在理论研究阶段[4-6]，相关的实验研究还比较少。一方面是很难设计准确且易于操作的等离子体参数测量系统，从而为等离子体光子晶体的研究提供实验技术和实验测量上的支持；另一方面，在实验中很难制作面积大、长程有序而又具有时空可调性的规则等离子体光子晶体。

近年来，介质阻挡放电(DBD)系统由于其能够获得等离子体光子晶体而广受关注[7-10]。由于DBD斑图是等离子体微放电通道的周期性排列，其不同位置处等离子体的电子密度通常不同，从而导致对光的折射率通常也不同。理论研究表明，当等离子体通道的电子密度达到1015cm－3量级时，足以使等离子体光子晶体出现带隙结构。而通过发射光谱法计算得到的等离子体电子密度结果证实，DBD斑图的电子密度能够达到这一量级[9]。因此，可把DBD斑图看做是一种新型的等离子体光子晶体。与传统的通过人工阵列电极放电在实验中获得等离子体光子晶体不同，DBD等离子体光子晶体形式多样、易于调谐，更适宜于以后在工业中得以应用。

在之前的报道中，DBD等离子体光子晶体的产生都是以外加电压为控制参量，通过在适当的实验条件下改变外加电压从而产生不同对称形式的晶体结构，如四边形、条纹、超四边形、超六边形等[7-10]。但相对来讲，这些晶体结构仍稍显简单，不能满足某些特殊领域的应用。本文首次提出了以外加气压作为控制参量，通过改变外加气压，得到了一种结构更为复杂的新型DBD等离子体光子晶体。利用发射光谱法研究了该等离子体光子晶体不同位置处的等离子体参量变化规律，根据实验结果推断出该等离子体光子晶体具有渐变折射率。相关工作对于超点阵斑图在等离子体光子晶体方面的应用及DBD等离子体物理模型的建立都具有一定的意义。

2 实验装置

图1是产生DBD等离子体光子晶体的放电装置以及测量装置的示意图。该装置主要包括产生DBD放电的水电极设备、驱动放电产生高频高压的等离子体实验电源和DBD等离子体光子晶体的光谱采集测量系统。其中，水电极的主体是圆柱形有机玻璃管，由两块厚度1.5 mm的石英玻璃板封住其两端。玻璃管中注入水，金属铜环浸在水中，与高压等离子体电源相连。两个水电极放置在充满空气和氩气混合气体的真空反应室中，极板相对放置且紧紧相接，中间用厚度2.0 mm、边长3 cm中空的玻璃分隔开，等离子体光子晶体即产生在玻璃中空的区域内。水电极置于真空反应室当中，真空反应室设有进气口和出气口，可改变室内的气压值，并由气压计实时显示。等离子体高压电源选用南京苏曼公司的CTP-2000电源，输出电压为0～10 kV，中心频率约为50 kHz。利用高压探头(Tektronix P6015A，1 000×)直接测量电路中的电压值，通过给电极串联一个50 Ω的小电阻来间接测量电流值。电压和电流波形曲线由数字示波器(Tektronix DPO 4054B)记录。利用数码相机(Nikon D7000)拍摄产生的等离子体光子晶体照片。光子晶体发出的光经透镜会聚，由光谱仪(ACTON ADVANCED SP 2750A，CCD:1340×400 pixels)采集相关谱线并导入计算机进行处理。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

3 结果与讨论

图2给出了该光子晶体的形成过程。当外加电压为5.8 kV保持不变时，改变真空反应室内的气压值，使气压由1×105Pa减小到8×104Pa，即可得到该具有渐变折射率的复杂等离子体光子晶体(如图2(c)所示)。可以发现，随着气压的减小，边界处仍为粗等离子体柱(D)，而中间的粗等离子体柱会渐变成等离子体片(F)，同时原先均匀一致的细等离子体柱看上去在不同位置处(A、B、C)的亮度也不再相同。因此该光子晶体具有四边形的复杂对称结构，它包括晶胞中心处的细等离子体柱(A、B、C)、四周的等离子体片(F)、等离子体片交叉点产生的等离子体柱(E)和边缘处的粗等离子柱(D)。这里需要说明的是，该斑图和其他斑图有所不同，它无法在当所有实验条件都得到满足时直接出现，而是必须在气压为1×105Pa时将其他实验条件调好，然后缓慢降压至8×104Pa才能产生。这里的气压可以看作是一个控制参量，通过调节气压从而产生该斑图。相对于之前通常是将外加电压作为控制参量，这是首次提出通过改变气压来实现对等离子体光子晶体时空参数的调制，为等离子体光子晶体的发展提供了新的思路和方法。它可以使参数调节更加多样化，有望通过对气压和电压等控制参量的多重调节获得更多更复杂的等离子体光子晶体。

图2 气压降低形成的渐变折射率等离子体光子晶体。(a)P＝1×105Pa；(b)P＝9×104Pa；(c)P＝8× 104Pa。Fig.2 Formation of the graded-index plasma photonic crystal with the decreasing of air pressure.(a)P＝1×105Pa.(b)P＝9×104Pa.(c)P＝8×104Pa.

由于肉眼看上去A到F不同位置处的点发光亮度有所不同，我们猜测不同位置应处于不同的等离子体状态。下面我们采用发射光谱法对该复杂等离子体光子晶体不同位置处的等离子体参量进行研究，以期得到该光子晶体的特点和规律。

首先选用光谱仪的2 400 G·mm－1的光栅，采集光子晶体不同位置处的氩原子696.54 nm (2P2→1S5)的发射光谱，通过对比半高处的展宽来比较各处的电子密度。图3给出了A到F处氩原子696.54 nm的光谱线型对比。从图中显见，不同位置的半高处谱线展宽有所不同，谱线左支在半高处基本重合，谱线的右支存在展宽变化。图4给出了不同位置处半高展宽的具体数值及对比情况。根据展宽与电子密度近似成正比的关系[11-12]，可以得到不同位置处电子密度的分布规律为A>B>C>D>E>F。

图3 A、B、C、D、E和F处的ArⅠ(2P2→1S5)谱线线型。Fig.3 Profiles of ArⅠ(2P2→1S5)spectrum line of A，B，C，D，E and F，respectively.

图4 A、B、C、D、E和F的ArⅠ(2P2→1S5)谱线展宽对比。Fig.4 Broadenings of the ArⅠ(2P2→1S5)spectrum line of A，B，C，D，E and F，respectively.

图5 A、B、C、D、E和F处的N2第二正带系(C3Πu→B3Πg)的光谱线型。Fig.5 Spectrum lines of N2second positive band system (C3Πu→B3Πg)of A，B，C，D，E and F，respectively.

图6 A、B、C、D、E和F处的分子振动温度。Fig.6 Molecular vibration temperatures of A，B，C，D，E and F，respectively.

然后选用300 G·mm－1的光栅，采集不同位置处的氮分子及氮分子离子的发射谱线，波长范围选择360～410 nm，如图5所示。利用氮分子第二正带系发射谱线(C3Πu→B3Πg)计算得到氮分子的振动温度，得出不同位置处的分子振动温度[13]。图6给出的是经过多次测量所得到的A到F各处的分子振动温度。该斑图分子振动温度基本处于1 800～2 000 K之间，各处分子振动温度不相等，由大到小排列为F>E> D>C>B>A。各处分子振动温度的变化规律与电子密度相反，即分子振动温度最高的地方电子密度最低，分子振动温度最低的地方电子密度最高。根据上述结果，可以发现对于该复杂结构等离子体光子晶体，从A到F各位置处的等离子体参量都不相同，因此它们属于不同的等离子体状态。因此，根据上述光谱研究结果，可画出该等离子体光子晶体的示意图，如图7所示。其中，A、B、C代表位于等离子体光子晶体不同位置处的细等离子体柱，D代表位于等离子体光子晶体边缘的粗等离子体柱，E代表等四周离子片交叉点产生的等离子体柱，F代表四周的等离子体片。可以发现，不同位置处的细等离子体柱电子密度均不相同，4个角上的细等离子体柱电子密度最大，靠近4个边的细等离子体柱次之，靠近中心的细离子体柱电子密度相对最小，且它们由内向外呈周期性渐变排列。根据介电常数公式:，其中，可知不同的电子密度对应不同的介电常数，从而进一步对应不同的折射率。因此，不同位置的细等离子体柱(A、B、C)分别对应不同的折射率，它们和粗等离子体柱(D)、等离子体片(F)、等离子体片交叉点产生的等离子体柱(E)以及周围的未放电区域(图中未标注)，自组织形成了具有渐变折射率的复杂等离子体光子晶体。

图7 渐变折射率等离子体光子晶体示意图，其中的A、B、C、D、E和F各自对应于图2(c)中的A、B、C、D、E和F。Fig.7 Schematic diagram of the graded-index plasma photonic crystal，in which A，B，C，D，E and F corresponds to A，B，C，D，E and F in Fig.2(c)，respectively.

4 结 论

以气压为控制参量，在双水电极介质阻挡放电装置中产生了一种具有复杂结构的新型等离子体光子晶体。采用发射光谱法对光子晶体不同位置处的等离子体参量电子密度及分子振动温度进行了研究。结果表明，不同位置处的电子密度及分子振动温度均不相同。电子密度按照降序排列顺序依次为:4个角上的细等离子体柱、靠近4个边的细等离子体柱、靠近中心的细等离子体柱、边缘处的粗等离子体柱、等离子体片交叉点产生的等离子体柱、四周的等离子体片。分子振动温度的变化规律与电子密度相反。根据等离子体参量的研究结果，证实该等离子体光子晶体为具有渐变折射率的复杂晶体结构。

该新型等离子体光子晶体无论在其产生方式上，还是在自身的复杂结构上，都为等离子体光子晶体的研究提供了更为广阔的空间和新的可能性，具有一定的启示意义。当然，上述工作还只是根据初步实验所做的简单推论，尚处于初级阶段。后续更精确的分析有待于理论计算或者更为直接的实验结果予以证实。

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刘伟波(1980－)，男，山东平邑人，博士，讲师，2016年于河北大学获得博士学位，主要从事气体放电等离子体及其光谱诊断方面的研究。

E-mail:liuwbbzu＠hotmail.com

董丽芳(1963－)，女，河北保定人，教授，博士生导师，1994年于中科院物理研究所获得博士学位，主要从事光学、等离子体等方面的研究。

E-mail:donglfhbu＠163.com

Investigation on Novel Graded-index Plasma Photonic Crystal by Spectroscopy Method

LIU Wei-bo1，2，DONG Li-fang1∗
(1.College of Physics Science and Technology，Hebei University，Baoding 071002，China 2.College of Aeronautical Engineering，Binzhou University，Binzhou 256603，China)∗Corresponding Author，E-mail:donglfhbu＠163.com

A novel plasma photonic crystal(PPC)was obtained by varying gas pressure in Ar/air dielectric barrier discharge using two planar water electrodes.The PPC had complex square symmetrical structure，including thin plasma columns in the center of each sublattice，plasma slices around the sublattice，plasma columns at the intersection of plasma slices，and thick plasma columns on the edge.By using the optical emission spectrum method，the plasma parameters in different positions of the PPC were studied.The electron densities were compared by measuring the broadenings of ArⅠ(2P2→1S5)spectrum line，and the molecular vibration temperatures were calculated by the spectrum line of nitrogen band of second positive system(C3Πu→B3Πg)，respectively.It is proved that not only the thin plasma columns in the center of each sublattice，plasma slices around the sublattice，plasma columns at the intersection of plasma slices，and thick plasma columns on the edgehave different plasma parameters，but also the thin plasma columns at different locations in the center of each sublattice are not the same.The descending order of the electron density is that:thin plasma columns at the four corners(A)，thin plasma columns near the four sides(B)，thin plasma columns near the center(C)，thick plasma columns on the edge(D)，plasma columns at the intersection of plasma slices(E)，and plasma slices around the sublattice(F).The change rule of the molecular vibration temperature is opposite to that of the electron density.As the refractive indexes in A，B，C are all different，and show inside-out gradual change periodically，the graded-index PPC is obtained by the different plasma parameters in different locations.

plasma photonic crystal；dielectric barrier discharge；optical emission spectra

O461.2；O433.4

A

10.3788/fgxb20173802.0232

1000-7032(2017)02-0232-06

2016-08-14；

2016-11-25

国家自然科学基金(11375051)；河北省教育厅项目(LJRC011)；山东省自然科学基金(ZR2014AQ023)资助项目Supported by National Natural Science Foundation of China(11375051)；Project of Education Department of Hebei Province (LJRC011)；Natural Science Foundation of Shandong Province(ZR2014AQ023)