动态调控蜂窝超晶格等离子体光子晶体几何构型

　　近日，河北大学物理科学与技术学院的研究团队提出了一种动态调控蜂窝超晶格等离子体光子晶体(HsPPCs)几何构型的新方法。通过在介质阻挡放电(DBD)中引入网状水电极，成功实现了从简单蜂窝晶格到多种复杂超晶格结构的快速重构。实验表明，HsPPCs的全向光子带隙(OBG)宽度可达传统蜂窝晶格的三倍，且可通过调节电压动态调控带隙频率。这一突破为可调谐光子器件的开发提供了高效、低成本的技术方案。成果以“Geometric control of honeycomb superlattice plasma photonic crystals in dielectric barrier discharge”为题发表于期刊“Journal of Physics D:Applied Physics”。

　　1、研究背景

　　光子晶体(PCs)因其独特的光子带隙特性，在光通信、传感和能量收集等领域具有重要应用。近年来，蜂窝晶格因其大带隙和拓扑特性备受关注，但传统光子晶体的几何构型一旦制备便难以动态调控。现有方法(如机械、热或光学调控)存在灵活性不足、成本高等局限。等离子体光子晶体(PPCs)凭借等离子体的动态特性，展现出快速重构潜力，但此前研究多局限于调节晶格常数或等离子体密度，几何构型的动态控制仍具挑战。

　　2、实验方法与装置

　　研究团队设计了一种基于介质阻挡放电的装置(图1)：

　　图1 实验装置示意图

　　电极结构：上电极为蜂窝网状金属电极(覆盖石英玻璃)，下电极为充水圆柱形电极(内置接地金属环)，两电极间为3 mm气隙。

　　调控机制：通过调节正弦电源的电压幅值(4.4–6.8 kV)，在空气中诱导不同放电模式，形成多种HsPPCs。

　　诊断设备：使用中智科仪像增强sCMOS相机(IsCMOS：TRC411-S-HQB-F)对HsPPCs进行时空分辨测量，矢量网络分析仪(26.5–40 GHz)测量微波透射谱以分析带隙特性。

　　3、实验结果

　　动态重构：随着电压升高，HsPPCs依次呈现四种构型(I–IV)。例如，5.0 kV时，六边形顶点和边中心同时放电形成HsPPC I;6.8 kV时，蜂窝单元内出现双同心圆环(HsPPC IV)，重构过程仅需数秒且可逆。

　　图2 增加电压时HsPPCs重建。(a)简单蜂窝晶格，U = 4.4 kV (b) HsPPC I，U = 5.0 kV (c) HsPPC II, U = 5.6 kV(d) HsPPC III, U = 6.0 kV(e) HsPPC IV, U = 6.8 kV。

　　带隙增强：HsPPCs的OBG数量与宽度显著提升。例如，HsPPC IV在24.0–29.5 GHz、31.6–36.6 GHz和38.4–40.0 GHz范围内形成三重带隙，总带宽达12.1 GHz，是简单蜂窝晶格的3倍。

　　图3 不同HsPPCs的电磁传输特性

　　放电机制：成像揭示HsPPCs由多阶段放电叠加形成。例如，HsPPC II包含超蜂窝和Stampfli三角子晶格，分别对应不同时间脉冲的放电过程。

　　图4 简单蜂窝晶格(a1)-(a2)和HsPPC I(b1)-(b2)的时间分辨测量结果

　　图5 HsPPC II的时间分辨测量结果

　　图6 HsPPC III的时间分辨测量结果

　　图7 HsPPC IV的时间分辨测量结果

　　4、总结

　　研究通过介质阻挡放电实现了蜂窝超晶格等离子体光子晶体的几何动态调控，突破了传统光子晶体构型固定的限制。HsPPCs的宽频带隙和快速响应特性为微波滤波器、拓扑光子器件等应用提供了新思路。未来可通过优化电极设计与气体环境，进一步拓展调控维度与性能，推动可重构光子器件的实用化进程。

　　DOI：10.1088/1361-6463/ada29f

　　5、解决方案