光譜法研究一種具有漸變折射率的新型等離子體光子晶體

劉偉波，董麗芳

(1.河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北保定 071002； 2.濱州學(xué)院航空工程學(xué)院，山東濱州 256603)

光譜法研究一種具有漸變折射率的新型等離子體光子晶體

劉偉波1，2，董麗芳1?

(1.河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北保定 071002； 2.濱州學(xué)院航空工程學(xué)院，山東濱州 256603)

在雙水電極介質(zhì)阻擋放電裝置中，在氬氣和空氣的混合氣體放電過程中通過改變氣體壓強(qiáng)可以得到一種新型等離子體光子晶體。該光子晶體具有四邊形的復(fù)雜對稱結(jié)構(gòu)，包括晶胞中心處的細(xì)等離子體柱、四周的等離子體片、等離子體片交叉點(diǎn)產(chǎn)生的等離子體柱和邊緣處的粗等離子柱。運(yùn)用發(fā)射光譜法研究了該等離子體光子晶體不同位置處的等離子體狀態(tài)，通過測量氬原子696.54 nm(2P2→1S5)發(fā)射譜線的展寬對比了電子密度，通過氮分子第二正帶系(C3Πu→B3Πg)發(fā)射譜線計算了分子振動溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，不但晶胞中心處的細(xì)等離子體柱、四周的等離子體片、等離子體片交叉點(diǎn)產(chǎn)生的等離子體柱和邊緣處的粗等離子柱具有不同的等離子體狀態(tài)，不同位置處的晶胞中心細(xì)等離子體柱也具有不同的等離子體狀態(tài)。電子密度由大到小排列依次為:4個角上的細(xì)等離子體柱(A)、靠近4個邊的細(xì)等離子體柱(B)、靠近中心的細(xì)等離子體柱(C)、邊緣處的粗等離子體柱(D)、等離子體片交叉點(diǎn)產(chǎn)生的等離子體柱(E)、四周的等離子體片(F)。分子振動溫度的變化規(guī)律與電子密度相反。由于該晶體結(jié)構(gòu)中A、B、C 3處的折射率均不相同，由內(nèi)向外呈周期性漸變排列，它們和其他位置處不同的等離子體狀態(tài)構(gòu)成了具有漸變折射率的等離子體光子晶體。

等離子體光子晶體；介質(zhì)阻擋放電；發(fā)射光譜

1 引 言

等離子體光子晶體是由等離子體自身密度的周期性分布或者同其他介質(zhì)材料交錯周期性排列而形成的一種新型光子晶體[1]。由于具有反常折射、時變動態(tài)可控等特殊性質(zhì)，等離子體光子晶體可以被應(yīng)用在等離子體天線、光開關(guān)及等離子體隱身等眾多電磁波控制領(lǐng)域[2-3]。但目前，對等離子體光子晶體的研究主要還處在理論研究階段[4-6]，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究還比較少。一方面是很難設(shè)計準(zhǔn)確且易于操作的等離子體參數(shù)測量系統(tǒng)，從而為等離子體光子晶體的研究提供實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)測量上的支持；另一方面，在實(shí)驗(yàn)中很難制作面積大、長程有序而又具有時空可調(diào)性的規(guī)則等離子體光子晶體。

近年來，介質(zhì)阻擋放電(DBD)系統(tǒng)由于其能夠獲得等離子體光子晶體而廣受關(guān)注[7-10]。由于DBD斑圖是等離子體微放電通道的周期性排列，其不同位置處等離子體的電子密度通常不同，從而導(dǎo)致對光的折射率通常也不同。理論研究表明，當(dāng)?shù)入x子體通道的電子密度達(dá)到1015cm－3量級時，足以使等離子體光子晶體出現(xiàn)帶隙結(jié)構(gòu)。而通過發(fā)射光譜法計算得到的等離子體電子密度結(jié)果證實(shí)，DBD斑圖的電子密度能夠達(dá)到這一量級[9]。因此，可把DBD斑圖看做是一種新型的等離子體光子晶體。與傳統(tǒng)的通過人工陣列電極放電在實(shí)驗(yàn)中獲得等離子體光子晶體不同，DBD等離子體光子晶體形式多樣、易于調(diào)諧，更適宜于以后在工業(yè)中得以應(yīng)用。

在之前的報道中，DBD等離子體光子晶體的產(chǎn)生都是以外加電壓為控制參量，通過在適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)條件下改變外加電壓從而產(chǎn)生不同對稱形式的晶體結(jié)構(gòu)，如四邊形、條紋、超四邊形、超六邊形等[7-10]。但相對來講，這些晶體結(jié)構(gòu)仍稍顯簡單，不能滿足某些特殊領(lǐng)域的應(yīng)用。本文首次提出了以外加氣壓作為控制參量，通過改變外加氣壓，得到了一種結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的新型DBD等離子體光子晶體。利用發(fā)射光譜法研究了該等離子體光子晶體不同位置處的等離子體參量變化規(guī)律，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推斷出該等離子體光子晶體具有漸變折射率。相關(guān)工作對于超點(diǎn)陣斑圖在等離子體光子晶體方面的應(yīng)用及DBD等離子體物理模型的建立都具有一定的意義。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1是產(chǎn)生DBD等離子體光子晶體的放電裝置以及測量裝置的示意圖。該裝置主要包括產(chǎn)生DBD放電的水電極設(shè)備、驅(qū)動放電產(chǎn)生高頻高壓的等離子體實(shí)驗(yàn)電源和DBD等離子體光子晶體的光譜采集測量系統(tǒng)。其中，水電極的主體是圓柱形有機(jī)玻璃管，由兩塊厚度1.5 mm的石英玻璃板封住其兩端。玻璃管中注入水，金屬銅環(huán)浸在水中，與高壓等離子體電源相連。兩個水電極放置在充滿空氣和氬氣混合氣體的真空反應(yīng)室中，極板相對放置且緊緊相接，中間用厚度2.0 mm、邊長3 cm中空的玻璃分隔開，等離子體光子晶體即產(chǎn)生在玻璃中空的區(qū)域內(nèi)。水電極置于真空反應(yīng)室當(dāng)中，真空反應(yīng)室設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口，可改變室內(nèi)的氣壓值，并由氣壓計實(shí)時顯示。等離子體高壓電源選用南京蘇曼公司的CTP-2000電源，輸出電壓為0～10 kV，中心頻率約為50 kHz。利用高壓探頭(Tektronix P6015A，1 000×)直接測量電路中的電壓值，通過給電極串聯(lián)一個50 Ω的小電阻來間接測量電流值。電壓和電流波形曲線由數(shù)字示波器(Tektronix DPO 4054B)記錄。利用數(shù)碼相機(jī)(Nikon D7000)拍攝產(chǎn)生的等離子體光子晶體照片。光子晶體發(fā)出的光經(jīng)透鏡會聚，由光譜儀(ACTON ADVANCED SP 2750A，CCD:1340×400 pixels)采集相關(guān)譜線并導(dǎo)入計算機(jī)進(jìn)行處理。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

3 結(jié)果與討論

圖2給出了該光子晶體的形成過程。當(dāng)外加電壓為5.8 kV保持不變時，改變真空反應(yīng)室內(nèi)的氣壓值，使氣壓由1×105Pa減小到8×104Pa，即可得到該具有漸變折射率的復(fù)雜等離子體光子晶體(如圖2(c)所示)。可以發(fā)現(xiàn)，隨著氣壓的減小，邊界處仍為粗等離子體柱(D)，而中間的粗等離子體柱會漸變成等離子體片(F)，同時原先均勻一致的細(xì)等離子體柱看上去在不同位置處(A、B、C)的亮度也不再相同。因此該光子晶體具有四邊形的復(fù)雜對稱結(jié)構(gòu)，它包括晶胞中心處的細(xì)等離子體柱(A、B、C)、四周的等離子體片(F)、等離子體片交叉點(diǎn)產(chǎn)生的等離子體柱(E)和邊緣處的粗等離子柱(D)。這里需要說明的是，該斑圖和其他斑圖有所不同，它無法在當(dāng)所有實(shí)驗(yàn)條件都得到滿足時直接出現(xiàn)，而是必須在氣壓為1×105Pa時將其他實(shí)驗(yàn)條件調(diào)好，然后緩慢降壓至8×104Pa才能產(chǎn)生。這里的氣壓可以看作是一個控制參量，通過調(diào)節(jié)氣壓從而產(chǎn)生該斑圖。相對于之前通常是將外加電壓作為控制參量，這是首次提出通過改變氣壓來實(shí)現(xiàn)對等離子體光子晶體時空參數(shù)的調(diào)制，為等離子體光子晶體的發(fā)展提供了新的思路和方法。它可以使參數(shù)調(diào)節(jié)更加多樣化，有望通過對氣壓和電壓等控制參量的多重調(diào)節(jié)獲得更多更復(fù)雜的等離子體光子晶體。

圖2 氣壓降低形成的漸變折射率等離子體光子晶體。(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不同位置處的點(diǎn)發(fā)光亮度有所不同，我們猜測不同位置應(yīng)處于不同的等離子體狀態(tài)。下面我們采用發(fā)射光譜法對該復(fù)雜等離子體光子晶體不同位置處的等離子體參量進(jìn)行研究，以期得到該光子晶體的特點(diǎn)和規(guī)律。

首先選用光譜儀的2 400 G·mm－1的光柵，采集光子晶體不同位置處的氬原子696.54 nm (2P2→1S5)的發(fā)射光譜，通過對比半高處的展寬來比較各處的電子密度。圖3給出了A到F處氬原子696.54 nm的光譜線型對比。從圖中顯見，不同位置的半高處譜線展寬有所不同，譜線左支在半高處基本重合，譜線的右支存在展寬變化。圖4給出了不同位置處半高展寬的具體數(shù)值及對比情況。根據(jù)展寬與電子密度近似成正比的關(guān)系[11-12]，可以得到不同位置處電子密度的分布規(guī)律為A>B>C>D>E>F。

圖3 A、B、C、D、E和F處的ArⅠ(2P2→1S5)譜線線型。Fig.3 Profiles of ArⅠ(2P2→1S5)spectrum line of A，B，C，D，E and F，respectively.

圖4 A、B、C、D、E和F的ArⅠ(2P2→1S5)譜線展寬對比。Fig.4 Broadenings of the ArⅠ(2P2→1S5)spectrum line of A，B，C，D，E and F，respectively.

圖5 A、B、C、D、E和F處的N2第二正帶系(C3Πu→B3Πg)的光譜線型。Fig.5 Spectrum lines of N2second positive band system (C3Πu→B3Πg)of A，B，C，D，E and F，respectively.

圖6 A、B、C、D、E和F處的分子振動溫度。Fig.6 Molecular vibration temperatures of A，B，C，D，E and F，respectively.

然后選用300 G·mm－1的光柵，采集不同位置處的氮分子及氮分子離子的發(fā)射譜線，波長范圍選擇360～410 nm，如圖5所示。利用氮分子第二正帶系發(fā)射譜線(C3Πu→B3Πg)計算得到氮分子的振動溫度，得出不同位置處的分子振動溫度[13]。圖6給出的是經(jīng)過多次測量所得到的A到F各處的分子振動溫度。該斑圖分子振動溫度基本處于1 800～2 000 K之間，各處分子振動溫度不相等，由大到小排列為F>E> D>C>B>A。各處分子振動溫度的變化規(guī)律與電子密度相反，即分子振動溫度最高的地方電子密度最低，分子振動溫度最低的地方電子密度最高。根據(jù)上述結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)對于該復(fù)雜結(jié)構(gòu)等離子體光子晶體，從A到F各位置處的等離子體參量都不相同，因此它們屬于不同的等離子體狀態(tài)。因此，根據(jù)上述光譜研究結(jié)果，可畫出該等離子體光子晶體的示意圖，如圖7所示。其中，A、B、C代表位于等離子體光子晶體不同位置處的細(xì)等離子體柱，D代表位于等離子體光子晶體邊緣的粗等離子體柱，E代表等四周離子片交叉點(diǎn)產(chǎn)生的等離子體柱，F(xiàn)代表四周的等離子體片。可以發(fā)現(xiàn)，不同位置處的細(xì)等離子體柱電子密度均不相同，4個角上的細(xì)等離子體柱電子密度最大，靠近4個邊的細(xì)等離子體柱次之，靠近中心的細(xì)離子體柱電子密度相對最小，且它們由內(nèi)向外呈周期性漸變排列。根據(jù)介電常數(shù)公式:，其中，可知不同的電子密度對應(yīng)不同的介電常數(shù)，從而進(jìn)一步對應(yīng)不同的折射率。因此，不同位置的細(xì)等離子體柱(A、B、C)分別對應(yīng)不同的折射率，它們和粗等離子體柱(D)、等離子體片(F)、等離子體片交叉點(diǎn)產(chǎn)生的等離子體柱(E)以及周圍的未放電區(qū)域(圖中未標(biāo)注)，自組織形成了具有漸變折射率的復(fù)雜等離子體光子晶體。

圖7 漸變折射率等離子體光子晶體示意圖，其中的A、B、C、D、E和F各自對應(yīng)于圖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 結(jié) 論

以氣壓為控制參量，在雙水電極介質(zhì)阻擋放電裝置中產(chǎn)生了一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的新型等離子體光子晶體。采用發(fā)射光譜法對光子晶體不同位置處的等離子體參量電子密度及分子振動溫度進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，不同位置處的電子密度及分子振動溫度均不相同。電子密度按照降序排列順序依次為:4個角上的細(xì)等離子體柱、靠近4個邊的細(xì)等離子體柱、靠近中心的細(xì)等離子體柱、邊緣處的粗等離子體柱、等離子體片交叉點(diǎn)產(chǎn)生的等離子體柱、四周的等離子體片。分子振動溫度的變化規(guī)律與電子密度相反。根據(jù)等離子體參量的研究結(jié)果，證實(shí)該等離子體光子晶體為具有漸變折射率的復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)。

該新型等離子體光子晶體無論在其產(chǎn)生方式上，還是在自身的復(fù)雜結(jié)構(gòu)上，都為等離子體光子晶體的研究提供了更為廣闊的空間和新的可能性，具有一定的啟示意義。當(dāng)然，上述工作還只是根據(jù)初步實(shí)驗(yàn)所做的簡單推論，尚處于初級階段。后續(xù)更精確的分析有待于理論計算或者更為直接的實(shí)驗(yàn)結(jié)果予以證實(shí)。

[1]SAKAI O，SAKAGUCHI T，TACHIBANA K.Verification of a plasma photonic crystal for microwaves of millimeter wavelength range using two-dimensional array of columnar microplasmas[J].Appl.Phys.Lett.，2005，87(24):241505-1-3.

[2]HAMIDI S M.Optical and magneto-optical properties of one-dimensional magnetized coupled resonator plasma photonic crystals[J].Phys.Plasmas，2012，19(1):012503.

[3]SAKI O，TACHIBANA K.Plasmas as metamaterials:a review[J].Plasma Source Sci.Technol.，2012，21(1):013001-1-18.

[4]SHIVESHWARI L，MAHTO P.Photonic band gap effect in one-dimensional plasma dielectric photonic crystals[J].Solid State Commun.，2006，138(3):160-164.

[5]ZHANG H F，LIU S B，KONG X K.Investigation of anisotropic photonic band gaps in three-dimensional magnetized plasma photonic crystals containing the uniaxial material[J].Phys.Plasmas，2013，20(9):092105.

[6]HOJO H，MASE A.Dispersion relation of electromagnetic waves in one-dimensional plasma photonic crystals[J].J. Plasma Fusion Res.，2004，80(2):89-90.

[7]FAN W L，DONG L F.Spontaneous transition of one-dimensional plasma photonic crystal’s orientation in a dielectric barrier discharge[J].Chin.Phys.B，2013，22(1):014213.

[8]WANG Y J，DONG L F，LIU W B，et al.Generation of tunable plasma photonic crystals in meshed dielectric barrier discharge[J].Phys.Plasmas，2014，21(7):073505.

[9]DONG L F，SHANG J，SONG Q，et al..Patterned structure of plasma columns and slices in a dielectric barrier discharge [J].IEEE Trans.Plasma.Sci.，2012，40(4):1162-1166.

[10]馮建宇，董麗芳，魏領(lǐng)燕.自組織等離子體光子晶體的光譜研究[J].人工晶體學(xué)報，2016，45(2):328-332. FENG J Y，DONG L F，WEI L Y.Investigation on the spectrum of self-organized plasma photonic crystal[J].J.Synth. Cryst.，2016，45(2):328-332.(in Chinese)

[11]DONG L F，QI Y Y，LIU W Y，et al..Measurement of the electron density in a subatmospheric dielectric barrierdischarge by spectral line shape[J].J.Appl.Phys.，2009，106(1):013301-1-5.

[12]張浩，董麗芳，高星，等.介質(zhì)阻擋放電中柵欄發(fā)光斑圖等離子體參量研究[J].發(fā)光學(xué)報，2015，36(12): 1440-1444. ZHANG H，DONG L F，GAO X，et al..Investigation on the plasma parameters of the fence pattern in dielectric barrier discharge[J].Chin.J.Lumin.，2015，36(12):1440-1444.(in Chinese)

[13]劉偉波，董麗芳，趙龍虎，等.復(fù)雜結(jié)構(gòu)自組織等離子體光子晶體光譜研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2015，35 (1):48-51. LIU W B，DONG L F，ZHAO L H，et al..Investigation on the spectrum of complex self-organized plasma photonic crystal [J].Spectrosc.Spect.Anal.，2015，35(1):48-51.(in Chinese)

劉偉波(1980－)，男，山東平邑人，博士，講師，2016年于河北大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事氣體放電等離子體及其光譜診斷方面的研究。

E-mail:liuwbbzu＠hotmail.com

董麗芳(1963－)，女，河北保定人，教授，博士生導(dǎo)師，1994年于中科院物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事光學(xué)、等離子體等方面的研究。

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

國家自然科學(xué)基金(11375051)；河北省教育廳項(xiàng)目(LJRC011)；山東省自然科學(xué)基金(ZR2014AQ023)資助項(xiàng)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)