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[硕士论文] 涂超
凝聚态物理 四川师范大学 2017(学位年度)
摘要:3d1离子是重要的过渡金属离子,比如掺杂V4+离子的晶体是一类具有激光特性和非线性光学特性的晶体,因而对于掺杂材料性质的研究就显得非常有意义。前人研究发现掺杂材料的性质与杂质中心的缺陷结构密切相关,并且光谱和电子顺磁共振谱对杂质缺陷畸变有灵敏的依赖关系,因此,可以通过光谱和电子顺磁共振谱研究杂质离子在晶体中的光学和磁学性质与缺陷的关系。近年来,人们主要考虑晶体场(CF)机制并基于分子轨道理论和自旋哈密顿理论的方法,在处理掺杂金属离子的EPR参量和光谱性能方面取得了很大的进展。对于本文中研究的掺杂V4+离子价态比较高,电荷转移(CT)跃迁能相对较小,我们需要考虑CT机制对EPR参量的定量贡献。本文创新工作如下:
  (1)本文突破CF机制的限制,我们考虑了CT机制对EPR参量的贡献,推导出了3d1离子的高阶微扰公式。我们进一步完善了理论公式,并且还建立了对应参量之间的定量关系。
  (2)根据理论公式,解释了KZnClSO4·3H2O∶VO2+晶体中掺V4+离子的g因子和超精细结构常数A,并获得了V4+中心缺陷结构的信息。
  (3)结合光谱数据研究了V4+杂质在ZnKPO4.6H2O∶VO2+晶体六配位八面体中的EPR参量,理论研究和实验结果一致,并且发现CT机制对g因子和A值的贡献与CF机制的三阶微扰项也有相同数量级的贡献。
  (4)通过数据分析说明CT机制对EPR参量的影响不能被忽略,这在理论上,对g因子和A值的理解有指导意义。
[硕士论文] 徐青松
电磁场与微波技术 江苏大学 2017(学位年度)
摘要:磁光效应与磁性光子晶体的结合是光子晶体研究领域一个新的热点。磁性光子晶体在外磁场的作用下,磁导率为张量形式并且非对角元素为虚数,系统的时间反演对称性发生破缺,从而实现电磁波的单向传输。另外这些元素会随着外加偏置磁场强度的变化而变化,进而使得光子晶体的能带结构发生改变,实现可调谐的特性。本论文针对磁性光子晶体的特点,利用基于磁性光子晶体的传输矩阵法,对一维磁性光子晶体的传输属性进行了研究,并设计出不同功能的光子器件。
  本文首先设计了四种周期性结构的一维光子晶体,利用空气层作为缺陷,分别计算其透射谱,通过比较验证了只有当系统的时间反演对称性和空间反演对称性同时破缺时,才可实现非互易传输,并且这种对称性破缺程度越高,透射谱的分离度越大。紧接着在此基础上继续研究了缺陷层厚度和入射角度对非互易传输的影响,发现通过调节缺陷层厚度和入射角度,非互易传输会形成高透射率和大消光比,该结构可以被用作光学隔离器等非互易器件。另外,在此基础上本文提出了一种新的机制实现单向传输,一维磁性光子晶体的透射率可以通过传输矩阵的方法计算,仿真可以采用有限元的方法。通过两个非平行磁性光子晶体的串联,正向透射谱可以被裁剪成一个单峰,反向透射谱形成一个宽的禁带,一个完整的单向传输就发生在宽的禁带背景内,这是本文一个创新点。
  随后本文提出了一种由负介电常数材料和磁性材料(YIG)周期性排列组成的磁微腔系统,通过耦合腔谐振器的光子隧穿效应设计了一个多通道滤波器,利用紧束缚模型和传输矩阵方法,分析其传输机制并研究其传输特性。通过微腔的耦合,单个谐振模式分裂成一些离散的单峰,从而形成多通道滤波。同时我们也分析了入射角度和负介电常数材料薄膜的厚度对滤波特性的影响,研究发现合适的结构参数能使滤波器性能达到最优。结合磁性材料的可调谐特性,我们进一步改变外加偏置磁场的强度,发现随着外加偏置磁场的强度变化,滤波通道会出现移动,从而实现通过改变磁场强度控制滤波器通道位置的功能。
[硕士论文] 徐婷
凝聚态物理 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:在光学光路中,光波经过光学器件时由于器件表面的反射作用而发生部分光反向传播,干扰了有源器件的性能,因此为了降低反向传输光造成的影响,在光学器件中构建全光二极管必不可少。由于光子晶体中光子的快速运动可以被有效地控制,而利用光子代替电子传输大容量信息已成为科技发展的现实要求,因此可以用光子晶体来设计微纳尺度下的全光二极管,使得光波可以单向高效传输。
  基于磁光子晶体的全光二极管虽然满足了光波传输高透射对比度的要求,但需要引入外加磁场来产生旋光效应,不利于全光集成。而利用非线性材料构建光子晶体光二极管,能实现较高的正向透射率和透射比,但是这种方法需要很高的光强以产生足够大的光学非线性效应。利用光子晶体的方向能带失配也能实现光波的单向传输,但是由于光子晶体的散射效应,正向透射率和对比度都还太低,不能满足光通信和光信息处理的需求。以上这三种方法都不利于集成光路的应用。
  我们发现将全反射界面应用到光子晶体异质结构中,可以使得反向入射光在界面发生全反射,从而降低反向透射率,因此在本文中,基于全反射异质界面,通过构建光子晶体异质结构来拓宽光波的单向传输范围,提高其透射对比度,并对其能带结构和等频图展开分析,研究内容和成果如下:
  1)选用全反射异质界面,观察了光波传输的透射谱及电场图,发现正向入射光波在界面处存在反射,且透射光由于折射会偏离原入射方向输出;而反向入射时光波在界面处由于全反射效应几乎零透射,但此结构正向透射率很低。为提高正向透射率,在界面左侧构建二维介质柱型光子晶体PC1以减少界面反射,提高了界面透射;在界面右侧构建二维介质柱型光子晶体 PC2,利用其准直效应将光波准直到与原入射光方向平行,从而提高光波的正向透射率,得到了单向传输性能较好的光子晶体异质结构。
  2)在二维光子晶体结构中,偏振态不同的光波传输效果也不同。由于高折射率柱子周期排列在低折射率介质中便于 TM偏振态光波控制;低折射率柱子周期排列在高折射率介质中便于TE偏振态光波控制。为了得到性能较好的偏振无关光波单向传输,我们将两种四角晶格光子晶体PC1和PC2结合组成新的光子晶体异质结构,基于全反射界面和光子晶体自准直效应,通过对其结构周期和光波输出波导宽度进行优化,得到了 TM模式下,在1423.81nm-1920nm波段范围内近500nm宽的高性能光波单向传输,最高正向透射率可达0.87,光通信波段中心1550nm处正向透射率可达0.834,透射对比度近乎为1。TE模式下,在1447.94nm-2000nm波长范围内近550nm宽的光波单向传输,最高正向透射率可达0.754,光通信波段中心1550nm处正向透射率可达0.678,透射对比度近乎为1。实现了偏振无关的光通信1550nm波段透射对比度近乎为1的高性能光波单向传输,但 TE模式下1550nm的正向透射率还不够高,其单向性能还有待提高。
  3)而在光子晶体结构中,介质中打空气孔便于TE偏振态光波控制,因此为了提高TE模式的传输性能,我们设计了基于全反射界面和自准直效应的二维空气孔型四角晶格光子晶体异质结构,并对空气孔半径、异质界面与相邻空气孔之间距离和输出波导宽度对光波单向传输性能的影响进行了分析,优化后得到的光子晶体异质结构可实现0.75的正向透射率,透射对比度近乎为1,正向透射带宽约260nm,单向传输带宽为600nm,使得TE模式下光通信波段1550nm附近的光波单向传输效果得到了极大地提升。
[硕士论文] 马立辉
光学工程 北京交通大学 2017(学位年度)
摘要:光子晶体因可以实现对入射电磁波有效的操控而被广泛的应用于生物化学传感等方面,但由于光子晶体本身的局限性,并不能实现对微弱信号的精准操控,而金属等离子激元是一种表面波,可以实现对特定入射频率的电磁波强度的放大,利用金属等离子激元的这种效应,制备了一种新型的纳米微结构,这种微结构即具有光子晶体的特性又能激发金属等离子激元,可以实现对微弱信号精准的操控,称这种特殊的纳米微结构为金属等离子激元晶体。相比于一维和二维的金属等离子激元晶体,三维的结构有着更加优异的光学性能,金属银可以在300-1200nm的波长下都可激发强烈的等离子激元效应,因此研究中以采用水凝胶辅助解离三维连续银纳米结构去制备三维非连续银等离子激元晶体,并采用电磁仿真与实验光谱测试去分析其光学性能。具体如下:
  (1)三维银等离子激元晶体的制备。以胶体晶体为模板,水凝胶为基,采用恒压电化学抛光,设置抛光参数为6V,0.02s,抛光30-80圈后将三维连续的银纳米微结构解离,通过扫描电子显微镜表征的表面与截面图,确定得到了三维非连续银等离子激元晶体;研究表明抛光电流与银等离子激元晶体被解离的程度存在内在的联系,因此可以通过抛光电流的变化去判断解离的进程,实现了抛光解离过程的可控。
  (2)三维银等离子激元晶体光学性能的研究。对于晶体光学性能的研究,采用电磁模拟仿真和实验光谱仪测试去得到银等离子激元晶体的透射、反射光谱,并研究了各个参数改变对晶体的光谱的影响,为之后的应用做好理论基础。研究结果显示:当模板粒径从220nm变化至380nm时,反射光谱中由纳米银颗粒阵列衍射共振形成的波峰从500nm红移至900nm,且呈现线性规律性的变化;仿真了模板粒径为394nm的晶体在不同抛光度下的光谱,当抛光度为从0%变化至21.8%时,反射光谱从没有明显的反射峰到有突出的反射峰,透射率从0%变化至80%以上,因此非连续结构的三维结构呈现出更加优异的光学性能;同一模板粒径,同一抛光度下,当晶体内部填充水凝胶的折劓率每增加0.1,晶体光谱的反射峰位红移60nm,晶体对内部填充物的折射率响应非常灵敏;仿真了不同模板层数的银等离子激元晶体的光谱响应情况,结果显示当模板层数由4层变化至6层时,因法布里珀罗干涉形成的峰呈现规律的移动;通过电磁仿真得到的能带图与场强分布图以及光谱随不同模板粒径和抛光度的变化情况,确定了布拉格晶体衍射和法布里珀罗干涉等效应在光谱上表现。
  (3)pH响应传感器的研究。首先在银等离子激元晶体中填充pH敏感型水凝胶,这种水凝胶在不同pH值下会呈现出不同的溶胀程度,水凝胶的溶胀会改变晶体原有的结构,在其光谱上也会有响应。实验中当滴加的pH值由8变化至12时,晶体的反射峰位由490nm移动到了590nm。
[博士论文] 赵彦武
化学 山西师范大学 2017(学位年度)
摘要:金属有机骨架材料(MOFs)具有多孔、结构和性质可调控性等特点,使其在光、电、磁、传感与分离、催化、气体吸附、药物传输等领域具有潜在的应用价值。本文根据晶体学工程原理,以金属有机骨架材料功能为导向,重点研究了MOFs在光学和手性传感领域的应用,其中选用了镧系金属与合适的有机羧酸配体以及具有d10电子组态的过渡金属与合理设计的含有羧基和氮的手性杂化配体通过水热法或溶剂热法合成了一系列的配合物,主要分析了其结构,对其荧光或圆二色性进行了表征,并进一步探索了其应用。本研究主要内容包括:
  ⑴根据发光镧系金属有机骨架材料(LnMOFs)的原理以及构筑该类材料的一些原则,我们结合理论计算,选取了合适的有机配体,设计和构筑了一系列多色的LnMOFs材料。根据三基色原理,将发蓝光的配体、发红光的 Eu3+和发绿光的 Tb3+构筑在同一MOFs中,经过调节激发波长,获得了两种发白光的近紫外单相 MOFs材料:Eu0.045Tb0.955CPOMBA(λex=365 nm)和 La0.6Eu0.1Tb0.3CPOMBA(λex=380 nm),通过研究其晶体形貌、热稳定性、热猝灭性质、荧光性质、量子产率以及荧光寿命等,我们发现它们完全具备UV LED用荧光粉的条件,将其创造性地应用在UV LED上。我们用Eu0.045Tb0.955CPOMBA作为荧光粉手工制作了一系列大功率(1W)UV WLEDs,其中激发波长为365 nm的紫外白光LED灯珠,它的相关色温较低,达到5733K,显色指数较高,Ra达到73.4,色坐标是(0.3264,0.3427),这和市场上销售的蓝光芯片和YAG:Ce3+黄光荧光粉制备的白光LED是可比较的。
  ⑵为了开发出适合在UV WLED上应用的更加高效的白光MOFs材料,在第1部分工作基础上,我们做了改进,选取了量子产率较高的 LnMOFs(LnBTPCA)。根据三基色原理,将镧系金属离子掺杂入同一个 LnMOFs中,获得了完全不同于文献报道的激发波长为380 nm的白光掺杂材料Eu0.025Tb0.975(BTPCA)。我们特别改进了实验方法,获得了粒径均匀的(8-15μm)且适合应用在LED上的晶体,经过研究其晶体形貌、热稳定性、热猝灭效应、荧光性质、量子产率以及荧光寿命等,发现该材料适合应用在LED上,用该白光材料手工制作了380 nm的n-UV WLEDs,其色坐标为(0.3281,0.3316),色温为5609 K,显色指数为78.9,在不同的驱动电流下其流明值为28-35 lm。
  ⑶食品与人类的健康、生命息息相关。对食品添加剂中具有性质不同的手性对映体的检测是至关重要的,目前对于食品添加剂的传统探测方法表现了费用较高、耗时较长等缺陷,而光学传感器已成为研究的主流。MOFs在手性传感领域表现出了优异的性能,促使我们开发了手性MOFs荧光传感器,并用来探测和识别性质不同的食品添加剂中的手性对映体。选择廉价易得的(1R,2R)-环己二甲酸作为原料设计了手性有机配体,其立体构型类似于螺旋桨的叶片,该配体和吡啶辅助配体,共同构筑的 HMOF-2展示了比配体更强的荧光,且具有菱形状的二维螺旋管结构,其管道沿c轴方向较窄,只有3.567?,然而沿a轴方向管道则较宽,能达到13.152?,这种特殊的结构对进入管道内的分子有一定的选择性。HMOF-2作为荧光传感器可选择性地传感手性α-羟基羧酸有机小分子,对于体积较大的扁桃酸分子使HMOF-2的荧光猝灭率低、识别能力较差,而对酒石酸、乳酸等体积较小的分子则猝灭率较大,且对 D-和 L-酒石酸识别体现为KD/KL能达到1.884:1,而对D-和L-乳酸的识别体现为KD/KL能达到1:1.313,这些值是较高的,特别是对D-和L-乳酸的识别能力在已报道的荧光传感器中是最高的。
  ⑷生命体的生物和化学活动取决于其基本手性构筑单元(氨基酸等)的立体化学,对食品和有机体中不同构型氨基酸的手性识别和传感在分析营养成分和诊断疾病方面具有特别重要的意义。考虑到圆二色谱能快速、直观地展示分子的立体构型(这要优于那些传统的色谱法、毛细管电泳法识别氨基酸对映体),我们开发了一个能快速、高效以及对映选择性地识别氨基酸的新策略,通过一个类似于DNA结构的纯手性MOFs(拥有内在的CD信号)和D/L-氨基酸进行作用。运用合理设计的手性配体和Zn盐构筑了HMOF-3,它具有类似于 DNA的右手双螺旋二维结构。HMOF-3乳状液显示了强的圆二色信号,通过氨基酸的诱导可引起CD强度信号有规律的变化,它能快速、方便、灵敏地识别微量的未修饰的氨基酸。最为显著的是3?10-8 mol的L-天冬氨酸和4?10-8 mol的D-天冬氨酸能完全猝灭HMOF-3水相乳状液的CD信号,对天冬氨酸的检测限为13.31 ppm。在所有被探测的8对氨基酸中,其中有关对映体识别能力最高的是D-和L-脯氨酸,其识别效率分别为22.9%和65.7%。这是首次将圆二色谱引入MOFs的传感领域,开创了MOFs传感领域的先河,拓宽了MOFs的应用。
[硕士论文] 杨瑞琳
凝聚态物理 广西大学 2017(学位年度)
摘要:由于晶界的预熔化可以改变多晶材料的宏观性能,所以引起了科学家的重视。然而晶界却是只有几个原子层厚的,从而使得在现有的实验条件下,很难观察到这些较微观的现象,所以研究者们决定使用功能强大的计算机模拟软件技术,以此弥补这种由于样品尺寸而引起的实验缺点。对于性能提高的材料,为了开发预测该材料的功能特性,以及为了该材料的预熔和熔解的现象,很有必要建立一种从微观尺度出发的数值模拟技术。本文采用三维晶体相场方法,研究温度在固-液共存区域下小角度对称倾侧晶界,预熔及熔解状态下应力作用的位错运动过程以及现象,探索位错运动的机理,研究位错熔解半径与温度的关系,主要成果如下:
  1.制备样品到达一定温度时,△B=0.0250,位错出现明显熔解现象,并且随着温度△B的升高,位错向外熔解的区域不断扩大,熔解半径不断增大,说明体系在接近熔点温度时晶界处的位错首先诱发晶界出现预熔化现象,当熔解趋于稳定后在应力作用下,同一水平直线上的一组位错对相互靠近,最终湮灭变为一个完整晶界;当温度△B更高时,△B>0.0250,位错出现更加明显的熔解,并且随着温度△B的升高,位错向外熔解的区域也不断扩大,熔解半径也不断增大,由此可以得到,体系的温度决定了位错的熔解程度,体系温度越高,就越容易发生熔解现象。但是,熔解现象不仅是在熔点处发生的,而是在低于熔点时就在晶体的缺陷处产生了预熔,当熔解趋于稳定后在应力作用下,同一水平直线上的一组位错对相互靠近,最终连通。
  2、对样品施加X轴单向应力时,位错对彼此靠近,相互吸引,最终连通,位错对由升温稳定后的圆形逐渐被X轴压缩变为扁圆形;相反对样品施加Y轴单向应力时,位错对由升温稳定后的圆形逐渐被Y轴拉伸变为扁圆形,但位错对并不相互吸引。但是这两种作用方式的自由能曲线趋势相同,证明其运动机理相同。
  3、对样品施加剪切应力后,位错对在X轴方向做滑移运动,在Y轴方向攀移做攀移运动,对错对依旧是相互吸引彼此靠近。由模拟结果可以得出越靠近原子层中心截面图中位错对越多,其熔解区域也越小,熔解半径也越小,熔解发生的越剧烈,对错位最终连通;越远离原子层中心位错对越少,位错对相互吸引靠近,其熔解区域也越大,熔解半径也越大。
  本研究采用了三维晶体相场法模拟研究了位错在应力作用下的预熔及熔解行为,得到的理论研究结构与实验相符合,对改变多晶材料的宏观性能等有重要指导意义。
[硕士论文] 刘辉阳
光电子材料与器件 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,随着通信技术的发展,人们对通信的要求越来越高,在光通信系统中,光信号的顺利传输已经成为了研究的焦点。光在从一端向另一端传输的过程中,如果发生散射或反射,影响输入端的信号,就会对整个传输效果产生影响,因此有必要研究光在光路中的单向传输问题。
  目前实现光波单向传输的方式有很多种,研究中采用较多的主要有利用法拉第磁光效应、在光子晶体结构中添加非线性材料、引入缺陷打破结构的空间或时间反演对称性等方法。但是这些方法在实际应用过程中都存在一定的缺陷,利用法拉第磁光效应时需要在结构外添加磁场以实现旋光;结构中添加非线性材料时,对入射光功率的要求较高,很难实现;打破结构空间或时间反演对称性的方法实现的光波正向透射率较低,单向传输效果不够好。在后来的研究中,研究人员又通过具有不同能带特性(一侧禁带,另一侧导带)的异质结构之间的能带失配来实现光波的单向传输。但是这种方法不仅对结构中光子晶体的能带有要求,还必须调整界面处的晶格排布,才可能实现单向传输。而通常情况下准确的晶格排布较难寻找,因此该方法的使用受到限制。
  本文设计了具有全反射倾斜界面的异质结构,只要结构的材料合适、界面的倾斜角度合适,就可以实现光波在TE模式、TM模式下的单向传输。在此异质结构基础上分别添加光子晶体波导,使光波沿着光子晶体波导进行传输,从而减少光在均匀介质中的反射和散射,提高光波单向传输效率。
  主要研究内容和结果如下:
  1.用二氧化硅(SiO2)和锗(Ge)设计了一种可以实现光波单向传输的基础异质结构,该结构实现全反射的入射角临界角为20.47°,在满足全反射条件下选择界面与水平方向的夹角为60°。该基础异质结构在双偏振模式光在波长1000~2000nm波长范围内透射对比度接近于1,TE偏振模式光正向透射率达到0.66,TM偏振模式光正向透射率达到0.74。
  2. TE模式下,在基础结构左侧SiO2背景中添加光子晶体波导,其中光子晶体具有完全禁带,介质柱为 Ge,得到异质结构一。该结构实现了在1000~2000nm波长范围内正向透射率基本高于0.7,透射对比度接近于1的单向传输。在异质结构一右侧Ge背景中也添加光子晶体波导,其中光子晶体具有完全光子禁带,介质柱为 SiO2,得到异质结构二。该结构正向透射率在完全禁带的波长范围内进一步提高,但是反向透射率也相应有所增加,导致透射对比度降低。分别改变TE模式下异质结构二左、右两侧背景下光子晶体波导的宽度d1E和d2E,对单向传输特性进行分析。当d1E增大时,反向透射率会逐渐升高,影响单向传输效果。当d2E增大时,正向透射率逐渐增大,反向透射率降低明显,透射对比度逐渐升高并趋于平稳。
  3. TM模式下,在基础结构左侧SiO2背景中添加光子晶体波导一,其中光子晶体具有方向带隙,介质柱为Ge,得到异质结构零;将其中的光子晶体替换为具有完全禁带的光子晶体,即添加光子晶体波导二,得到异质结构一;在异质结构一右侧Ge背景中也添加光子晶体波导二,其中光子晶体具有完全带隙,介质柱为 SiO2,得到异质结构二。分别分析这三种结构的光波单向传输特性,正向透射率逐渐升高,异质结构二中正向透射率在1480~1680nm波长范围内基本高于0.9。分别改变TM模式下异质结构二左、右两侧光子晶体波导宽度d1M和d2M,对单向传输特性进行分析。当d1M逐渐增加时,正向透射率会逐渐下降;当 d2M逐渐增大时,正向透射率增大并更加平稳。
  4.在 TE、 TM模式下分别选用新材料组成可以实现全反射的结构,并添加光子晶体波导,对其单向传输特性进行研究。TE模式下,利用空气(Air)和二氧化硅(SiO2)作为背景,在两个背景中分别放置不同参数的Ge介质柱,形成光子晶体波导。调整左侧接收波导的位置,实现了在波长1392~1723nm范围内正向透射率接近于0.98,透射对比度高于0.9的单向传输。TM模式下,利用砷化镓(GaAs)和锗(Ge)作为背景,在两侧背景材料上打空气孔形成三角晶格光子晶体波导,通过调整左侧接收波导的位置,实现了1000~2000nm波长范围内正向透射率基本高于0.95,透射对比度高于0.82的光波单向传输。
[硕士论文] 易为
信息与通信工程 湖南大学 2017(学位年度)
摘要:非线性光学效应对于超短脉冲产生、超快光开关以及激光频率转换和全光信号处理等现代光学应用至关重要。然而,常规光学材料的非线性系数不仅响应慢而且非常小。为了能够对这些应用的性能进行更好地改善和拓展,非线性光学研究领域的学者们一直梦想拥有一种新型非线性介质——在具有超大非线性系数的同时也有极快的响应速度。光子晶体、超材料等人工复合电磁媒质的出现,为学者们的梦想成真提供了可能的技术途径。
  人工电磁媒质是一种具有天然材料所没有的电磁特性的人工微结构材料,在过去的20年里一直是科研人员研究的热点领域。相对于超材料而言,光子晶体不含金属成分,因而具损耗更低。本文以二维光子晶体中的三阶非线性效应为研究对象,探索光子晶体中自散焦效应和非线性效应的调控机理。具体而言,本文综述了光子晶体调控非线性效应的研究背景、意义、国内外发展现状以及相关理论,所涉及的主要工作以及创新点如下:
  第一,根据自相位调制导致的频谱展宽,建立了基于时域有限差分法的人工微结构等效非线性折射率系数提取方法。利用时域有限差分法仿真啁啾脉冲在非线性人工微结构中的传输,通过匹配出射脉冲频谱与理论计算频谱得到人工微结构的等效非线性折射率系数。
  第二,从光子晶体等效非线性折射率系数的角度论证了场局域效应和慢光效应是调控光子晶体非线性效应的物理本源。在二维光子晶体第一导带,我们首先从原胞内的电场空间平均引入场局域因子修正了光子晶体的等效介电常数。其次,引入慢光增强因子最终得到光子晶体的等效非线性折射率系数的理论表达式。最后,我们利用时域有限差分法仿真提取该光子晶体的等效非线性折射率系数,发现其与理论计算结果吻合得较好。
  第三,仿真验证了负折射率光子晶体中的可控自聚焦效应。我们首先在自聚焦非线性介质二硫化碳中插入硅棒构成二维光子晶体。其次,利用时域有限差分法仿真提取其在第二导带即负折射率频带的等效非线性折射率系数,发现该系数为正数。最后,我们利用时域有限差分法仿真高斯光束在该非线性光子晶体中的传输,发现会聚高斯光束在光子晶体中发生自散焦现象,而发散高斯光束则在光子晶体中会聚,但焦斑比入射发散高斯光束的束腰大。
[硕士论文] 李晓蕾
机械制造及其自动化 宁波大学 2017(学位年度)
摘要:声子晶体是一种周期性排列结构的复合材料。当弹性波在声子晶体中传播时,由于其结构上周期性的排列,存在一定频率范围的弹性波将会被阻碍而不能在其中传播,这个不能传播的弹性波的频率范围就叫做声子晶体的带隙。一般来说,当构成声子晶体的材料和声子晶体的拓扑结构确定了之后,声子晶体的带隙也就随之确定了。面对目前复杂的工程应用环境,声子晶体带隙的确定性已不能满足工程实际需求,所以探究带隙可调控的声子晶体便成了我们需要完成的任务。磁流变液是一类性质可控的智能材料,被认为是最具发展潜力的智能材料之一。当没有外加磁场时,磁流变液以液态存在,而施加磁场以后,磁流变液迅速变成类固态,且这个转变是可逆的。这种现象反映在材料参数上则是磁流变液模量和粘度的改变。
  基于以上论述,本文提出了一类将磁流变液作为组成材料的声子晶体。由于磁流变液的模量可以由磁场来调控,这样利用磁流变液作为媒介就可以通过磁场来调节声子晶体的带隙。为了获得声子晶体在不同磁场下的带隙,我们首先用实验的方法测得了磁流变液随磁场变化的剪切储能模量和耗能模量图。其次,使用磁流变液构造了完美周期声子晶体模型和带有缺陷的声子晶体模型,实验中使用LMS仪器测得了其在不同磁通密度下的振动传输图谱,同时运用 COMSOL仿真软件对实验的声子晶体加以建模并计算了带隙。最后,将实验得到的带隙范围和理论结果进行了对比,分析了产生误差的原因,并总结了磁场改变对带隙范围的影响规律。
  主要结论有:磁流变液的剪切储能模量和耗能模量随着磁通密度的增加而逐渐变大,直至磁流变液达到磁饱和状态;随着磁通密度的增大,磁流变液调控的一维声子晶体,二维声子晶体板的带隙出现了带隙所在频率变大,带隙宽度变宽的现象;以完美周期结构的铝/水声子晶体为比较对象,随着含有周期缺陷的数目的增加,以磁流变液作为缺陷的一维声子晶体梁出现了阻碍声子晶体中波的传播的现象;对于含有三个周期缺陷的声子晶体梁,随着磁通密度的增大,带隙所在频率变大,带隙宽度变宽,这和磁流变液调控完美周期声子晶体的带隙的规律有较好的一致性。
[硕士论文] 雷济荣
物流工程 湖南大学 2017(学位年度)
摘要:目前对于声子晶体和声学超材料的研究大多是基于确定的模型。然而,在实际情况中,声子晶体和声学超材料结构往往存在诸多的不确定性,比如随着温度变化的材料属性、尺寸的变化以及外部载荷和边界条件的改变。一般情况下,声子晶体和声学超材料对于不确定性是较为敏感的,结构尺寸微小的变化会引起系统响应产生较为明显的波动。因此,在设计或应用声子晶体和声学超材料的这些奇特的属性时,应该考虑不确定性对它的影响。
  为了研究各类不确定性对声子晶体和声学超材料响应的影响,本文主要对随机不确定性和区间不确定性进行研究,构建声子晶体和声学超材料的不确定数值分析模型,并提出相应的不确定数值分析方法。
  本文主要的研究内容如下:
  (1)针对声学超材料区间不确定问题,提出切比雪夫多项式展开-蒙特卡洛方法(Interval Chebyshev expansion-Monte Carlo Simulation method,简称为ICE-MCSM)。首先,采用截断Chebyshev展开多项式近似拟合多层穿孔超材料声学透射率响应曲线,构建其声学透射率响应曲线的代理模型,代替了现有的有限元声学透射率计算方程;然后,通过蒙特卡洛模拟方法随机的生成大量的样本数据点,并将这些样本点代入代理模型来计算单个不确定区间变量和多个区间不确定变量声学透射率的区间边界。结果表明,ICE-MCSM计算得到的区间上、下界均能很好地与直接蒙特卡洛模拟方法(Direct Monte Carlo Simulation Method,简称为DMCSM)得到的上、下界有较好的拟合。
  (2)针对声子晶体区间不确定问题,提出改进的切比雪夫-蒙特卡洛模拟法(Improved Chebyshev polynomial expansion-Monte Carlo Simulation method,简称为ICPE-MCSM)。首先,采用改进Chebyshev展开多项式近似拟合声子晶体能带结构曲线,构建声子晶体能带结构的代理模型。然后把通过蒙特卡洛模拟方法随机生成的样本数据点代入代理模型来预测声子晶体能带结构的区间边界。结果表明,ICPE-MCSM计算得到的区间上下界能够很好的与 DMCSM方法计算得到的结果较好的吻合;而且,对于多个区间不确定变量的问题,相比于传统切比雪夫多项式方法相比,其计算效率得到较大的提高。
  (3)针对声子晶体随机不确定问题,提出改进盖根鲍尔方法(Improved Gegenbauer polynomial expansion,简称为 IGPE)。首先,采用改进 Gegenbauer多项式近似拟合声子晶体能带结构曲线,构建声子晶体能带结构的代理模型,代替有限元方程计算声子晶体能带结构。然后通过代理模型来预测不确定声子晶体模型在随机不确定条件下的期望和方差。结果表明,IGPE计算得到的期望和方差响应能与DMCSM计算结果基本吻合。
[硕士论文] 周政
信息与通信工程 湖南大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,随着高功率激光技术的发展,非线性光学频率转换已成为一种获得相干光的主要技术途径之一,特别是在激光器输出无法获得的频率段。然而,要想获得高效率的非线性光学频率转换,位相失配是首先要解决的问题。
  位相失配源于材料固有的色散效应——频率不同的光波在材料中传播的速度也不同。人工微结构可以方便地通过“人工原子”和“人工晶格”调控其色散特性,因此为实现位相匹配提供了新的技术途径。零折射率介质中的全向位相匹配、负折射率介质中反向位相匹配的谐波产生等异常非线性光学频率转换现象相继被实验证明,人工微结构中的位相匹配成为新的研究热点。
  本文以人工微结构的典型代表——光子晶体为对象,研究含克尔(Kerr)介质光子晶体中三次谐波产生的相位匹配。具体来说,本文围绕超材料、光子晶体和三次谐波进行了综述,对研究背景和意义、传统的相位匹配方法,以及国内外关于三次谐波的相位匹配的研究进行了介绍,重点阐述的工作的创新点如下:
  第一,利用时域有限差分法研究了脉冲波形和脉冲宽度对三次谐波转换效率的影响规律。尽管连续波的三次谐波在小信号近似下可以得到解析表达式,但是对于脉冲而言几乎不可能理论计算其三次谐波。本文借鉴连续波三次谐波的解析表达式,通过引入与脉冲波形和脉冲宽度有关的修正因子,尝试估算脉冲的三次谐波转换效率。通过利用时域有限差分法仿真计算高斯脉冲、平顶脉冲和超高斯脉冲在小信号近似下的三次谐波,发现对高斯脉冲和超高斯脉冲而言该修正因子是与脉冲宽度无关的常数,而平顶脉冲的修正因子与脉冲宽度有关。
  第二,设计并仿真验证了氮化铝光子晶体中位相匹配的三次谐波产生。以氮化铝二维光子晶体为例,通过调整光子晶体的晶格常数和介质柱直径,使得基频波与三倍频波的折射率相等即满足了三次谐波相位匹配条件。利用时域有限差分法分别仿真了高斯脉冲在纯氮化铝和氮化铝光子晶体中的传输,仿真结果表明氮化铝中的三次谐波产生效率随着传输距离成正弦函数变化即相位失配,而氮化铝光子晶体中的三次谐波效率随着传输距离的增加成抛物线增长即相位匹配。
[硕士论文] 童雄风
信息与通信工程 湖南大学 2017(学位年度)
摘要:光子晶体光纤是研究超连续谱的优良介质,它的出现为为非线性光纤光学等领域的研究注入了新的活力。与传统的光纤相比,它有一些非常特殊的性质,如无截止单模特性、可控的色散特性、高非线性特性等,这些特性给我们的研究带来了非常大的方便。在光子晶体光纤中,超连续谱的产生是一个非常复杂的非线性过程,光纤的结构、色散效应、自相位调制(SPM)、自陡峭效应(SS)、交叉相位调制(XPM)等很多因素都会影响超连续谱的生成。将飞秒脉冲泵浦在光纤的反常色散区,在介质的非线性效应和高阶色散的微扰作用下,反常色散区的高阶孤子将会分裂为基阶孤子,并且在满足相位匹配条件下,在孤子分裂过程中的正常色散区会辐射出色散波。基于广义非线性薛定谔方程,本文数值研究了双零色散波长光子晶体光纤中正啁啾对色散波的产生以及孤子俘获色散波的影响过程,同时分析了正啁啾对孤子稳定性的影响,取得主要成果如下:
  第一:从麦克斯韦方程出发,推导出光脉冲在光纤中传输所遵循的非线性薛定谔方程,并用分步傅里叶算法求解了广义的非线性薛定谔方程,且对计算精度进行了分析。接着采用模拟交叉相关频率分辨光学开关(X-FROG)技术,用来研究脉冲的时频特性,以及分析孤子与色散波传输特性,并得到了孤子俘获色散波的演化过程。
  第二:分析了在光子晶体光纤中色散以及主要非线性效应对光脉冲传输的影响。群速度会使输入脉冲发生展宽,展宽的速度与色散长度有关,并且脉冲的展宽速度仅仅和二阶色散的绝对值相关,与其正负无关。自相位调制导致输出频谱中出现了新的频率成分,从而使光谱的输出频谱展宽。脉冲内喇曼散射致使能量不断地从蓝移分量转移到红移分量,随着传输距离的增加,这种能量转移就表现为孤子频谱的红移。自陡峭效应使输出波形的峰值向脉冲后沿移动,致使脉冲变得不对称。
  第三:数值模拟了在光纤反常色散区理想状态下高阶孤子的传输以及在高阶色散和高阶非线性作用下高阶孤子的分裂以及色散波的产生,数值研究结果表明:在不考虑微扰的情况下,高阶孤子将会呈周期性的演化;但是,当考虑到光脉冲在光纤中传输受到微扰时,高阶孤子会分裂成基阶孤子,并且向外辐射出能量。接着研究了啁啾对色散波能量分布、孤子稳定性的影响。结果表明:正啁啾能显著的提升色散波的产生效率,产生的色散波强度与啁啾值成正比;并且能够影响孤子的稳定性。因此,选择合适的啁啾值,利用正啁啾对色散波及俘获波的调控作用可以用来提高超连续谱蓝端的能量分布。
[硕士论文] 王慈
材料物理与化学 山东大学 2017(学位年度)
摘要:中远红外(3-20μm)激光器在非线性光学检测与医疗、光伏器件和激光通讯,如IR对抗、微量气体检测,等方面,有着非常广阔的应用前景。而目前,非氧系统的含磷或硫红外非线性光学材料由于其卓越的红外光谱透过性和可大于4μm的激光输出而受到了广泛的关注。其中,一种典型的非氧系统三元化合物——黄铜矿结构ABC2,由于其优良的光学性质受到了广泛研究,并被认为是很有前景的候选材料。一般地,为了达到实际的应用需求,中远红外非线性光学材料在作为激光转换装置时应满足几个要求。其中一个非常重要的条件便是在3-5μm和8-12μm窗口要有较好的IR透过率。
  中远红外非线性光学晶体可以通过利用双折射效应和位相匹配将激光进行频率转换来达到输出可调谐激光的目的。CdSiP2(CSP)晶体因其显著的双折射效应、高的非线性光学系数、良好的位相匹配特性等而众所周知,其透光范围理论上可以达到0.5-10μm。然而,当透过光为o-偏振光时,它在1.3μm,2μm和3.5μm存在较强的吸收峰;当透过光为e-光时,强吸收峰出现在1.34μm和1.78μm附近。这一现象既严重降低了CSP的光学损伤阈值,又会影响其作为光频装换器件的效率。然而通过实验检测手段,如EPR、ESR等方法目前很难直接准确地研究晶体本征缺陷类型与光学性质尤其是吸收谱之间的具体联系。基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法可以不必局限于实验限制,从晶体本身结构出发解释其内在的物理规律。
  本文通过DFT第一性原理方法,根据实验中具体的化学环境和晶体生长热力学过程,确定了晶体元素化学势的范围,并根据缺陷形成能公式,计算比较了不同类型和带电态的缺陷形成能的大小,得知了主要的点缺陷和复合缺陷;然后,通过对主要点缺陷几何形态、电子结构和光学性质等的研究,总结出了缺陷-吸收谱之间的内在联系,从而为实验中判别缺陷类型和缺陷行为提供了参考。本文的研究内容和主要创新点有:
  1、首先使用DFT-GGA和DFT-HSE方法研究了完美CSP晶体的几何构型、电子结构、光学性质和热学性质等。通过以2×2×1(含64原子)超胞为基胞,对比了不同大小超胞(2×2×2,2×2×3和3×3×2)的中性缺陷形成能,确定了使用2×2×2的超胞不仅资源消耗小,而且完全可以满足计算要求。并且,通过参考实际实验中不同化学环境和晶体生长热力学过程,我们确定了CSP各种元素化学势的大小。
  2、计算研究了不同化学环境下CSP晶体材料中不同类型和不同带电态本征点缺陷形成能和带隙的分布关系以及几何构型、电子结构和差分电荷密度等,发现CSP晶体主要的缺陷为-2价的VCd,+2价的SiCd,-4价的Vsi可以自发形成,这一结果也与实验相吻合。
  3、在上一步计算的基础上进一步探究了主要缺陷态对光学性质的具体物理行为,并提出缺陷SiCd的存在是e偏振吸收峰1.34μm和1.78μm的主要来源,而VCd2-和Vsi的产生则会引起比较明显的吸收谱截止边的红移。
  4、初步探索了CSP晶体中可能存在的中性缺陷簇和杂质态Fe的缺陷行为。研究指出在所有考虑的中性复合缺陷之中,SiCd2+-VCd2-缺陷簇的形成能相对是最低的,并发现杂质如Fe等会对光学性质产生一定的影响。
[硕士论文] 王光强
材料学 山东大学 2017(学位年度)
摘要:激光自发明以来,极大地促进了科技的发展和社会文明的进步,被誉为20世纪最伟大的发明之一。在基础科学方面,激光出现以后,通过研究激光与物质相互作用时表现出的许多新的物理现象,人们对基础物理的认识进一步深化,对许多物理现象的本质都有了更深刻的理解;在技术应用方面,许多以激光技术为基础的应用技术得到发展,如激光医疗、光纤通讯、激光精密加工、激光显示、激光探测、激光传感等技术极大地改善了人类的生活。
  产生激光的方式有直接泵浦激光物质发光和光学非线性频率变换等方式,由于可以直接产生激光的激光工作物质种类有限,因此光学非线性频率变换是一种获得新波长激光的重要手段。光学非线性频率变换属于强光光学的范畴,是与激光技术一同发展起来的一门学科,当强激光与物质相互作用时,由于物质的内部电场被光电场所极化,极化的电场又反作用于光电场,使光的频率发生改变,从而实现频率变换的效果。晶体材料由于其非线性转换效率高、光学透过性好、机械性能稳定、可以实现器件全固态化等优点,一直是光学非线性材料的重点研究对象。
  受激拉曼散射效应是一种重要的三阶非线性光学效应,具有受激拉曼散射效应的拉曼激光材料目前已被广泛用于拉曼激光器件的研究。拉曼晶体是重要的拉曼激光材料,传统的拉曼晶体材料以体块的无机晶体材料为主,其晶体生长和加工工艺较为成熟,热学和机械性能优良,目前已经实现器件化和标准化。传统无机拉曼晶体材料的拉曼频移多在1000cm-1以下,且需要较高能量的激光泵浦。近年来,随着相关学科领域的发展,激光材料和激光器件的小型化、低维化和低能化成为新的需求。就拉曼激光材料来讲,有机晶体材料可以提供较大的拉曼频移(3000cm-1以上),种类丰富、来源广泛、成本低廉等优势,近年来逐渐引起研究者的关注。为发展有机拉曼激光晶体新材料,本论文研究了四苯基溴化膦体块晶体和光纤单晶的生长、晶体结构、表征、光波导以及受激拉曼散射性质的研究,并对光纤晶体的生长动力学进行讨论。
  本论文的研究内容主要可以分为两大部分:
  第一部分包括第二章、第三章,主要利用传统的溶液降温法生长了厘米级的四苯基溴化膦体块单晶,总结了有机晶体材料的生长方法和遇到的问题,并对所生长的四苯基溴化膦晶体的单晶结构进行了确认,对晶体的基本物理性能进行了表征,对晶体进行了定向和加工,并尝试进行了受激拉曼散射激光测试。
  第二部分包括第四章、第五章、第六章,主要利用水溶液自组装的方法,通过合理选择衬底和调控生长条件,成功制备了长度达数毫米级,直径低至数微米级的具有较大长径比的高质量四苯基溴化膦单晶光纤,并通过课题自搭建的光学测试系统对制各的四苯基溴化膦单晶光纤的光波导性质和受激拉曼散射性质进行了研究,以532nm低功率连续激光为泵浦源,成功获得了多色的受激拉曼散射激光输出,并研究了拉曼散射光强度与泵浦光功率的定量关系。最后,结合对四苯基溴化膦单晶光纤生长过程中的实时观察,基于晶体结构和PBC理论,对四苯基溴化膦单晶光纤的一维生长机制提出了定性的解释。
  本论文的主要创新点如下:
  1.首次通过水溶液缓慢降温法,采用顶部籽晶方法生长了四苯基溴化膦厘米级体块单晶,晶体外形规则,透光性好,质量较高。
  2.针对四苯基溴化膦原有晶体结构信息年代久远,数据不完整的问题,本论文完善了四苯基溴化膦单晶结构数据,首次测量了四苯基溴化膦单晶的硬度、热学性能、透过光谱等基本物理性质。
  3.通过溶液自组装的方法,成功制备了微米级、大长径比的四苯基溴化膦单晶光纤。
  4.对四苯基溴化膦单晶光纤的光波导性能和受激拉曼散射性能进行了测试,成功获得三个波长的受激拉曼散射激光输出。
  5.对四苯基溴化膦单晶光纤的一维生长过程进行了实时观测记录,并对其一维生长的动力学机制提出了定性的解释。
[硕士论文] 李倞
凝聚态物理 山东大学 2017(学位年度)
摘要:全固态短脉冲激光器以其结构简单、稳定性好、使用寿命长、光束质量高、效率高、热效应小等优势,在工业、军事、医疗等多个领域都有很重要的应用。全固态脉冲激光器的发展很大程度上得益于固体激光增益介质的探索与拓展。目前使用最广泛的激光增益介质是掺杂激活离子晶体,其中以Nd3+离子掺杂晶体的研究与应用最为广泛,Nd∶YAG、Nd∶YVO4、Nd∶YLF、Nd∶YAP等晶体为代表的激光增益介质已有大量的研究和应用。但是近年来,随着各行各业对激光器件的要求越来越高,探索新的激光晶体及其特性就成为人们不断追求的方向和目标。
  1998年,俄罗斯研究者首次报道并详细分析Ca3NbGa3Si2O14(CNGS)晶体的性能,证明它是一种性能优良的压电晶体。近年来,研究者针对CNGS晶体良好的热学和光学性能,提出此类晶体有望成为一种新型激光晶体的基质材料。本重点实验室郭世义老师课题组通过大量的调研和实验探索,首次获得一系列掺杂浓度不同的Nd∶CNGS晶体。在此基础上,我们课题组与郭世义教授课题组展开合作,对Nd∶CNGS晶体的力学、热学、光谱及多功能复合特性研究,并提出Nd∶CNGS晶体在超短脉冲激光器件领域中存在一定的发展前景。因此,本论文主要工作是在前期Nd∶CNGS晶体物理光学性质测试和连续波激光特性研究基础上,开展Nd∶CNGS晶体调Q和锁模短脉冲激光器特性研究。主要研究工作包括:
  Ⅰ对调Q原理进行简单介绍,分析了声光调Q技术的基本理论;采用声光Q开关,实现主动调QNd∶CNGS晶体脉冲激光输出;通过设置不同重复频率,测量在不同泵浦功率下,相应的平均输出功率和脉冲宽度,计算相应的峰值功率和单脉冲能量。其中,最窄脉冲宽度为13.8ns,最大单脉冲能量为92.7μJ,最高峰值功率为6.3kW。
  Ⅱ简单介绍了Cr∶YAG、V∶YAG晶体;以Cr∶YAG晶体为可饱和吸收体为例,详细分析了被动调Q的理论;并在实验上得到Cr∶YAG和V∶YAG被动调QNd∶CNGS晶体脉冲激光。最终,采用y切Nd∶CNGS晶体得到最大平均输出功率为0.59W、脉宽为22.89ns、重频为11.7kHz、最大单脉冲能量为50.43μJ、最高峰值功率为2.20kW的脉冲激光。
  Ⅲ对层状黑磷可饱和吸收镜的制备方法进行简单介绍;采用少层黑磷作为调制元件,实现Nd∶CNGS晶体1.3μm被动调Q激光输出,对应最窄脉宽0.99μs,最大单脉冲能量1.88μJ。
  Ⅳ对锁模原理进行了简单分析,提出了抑制锁模中经常出现的调Q锁模趋势的解决方法;采用SESAM为调制元件,得到Nd∶CNGS晶体1.0μm皮秒激光输出,最短脉宽1.0ps、中心波长1065nm、重频49.2MHz、最大输出功率115mW、对应单脉冲能量2.33nJ和峰值功率2.23kW。
  Ⅴ对锁模激光器中的色散补偿进行简单分析;并且对Nd∶CNGS晶体皮秒脉冲激光腔内加入色散补偿啁啾镜对腔内的正色散进行补偿,成功将锁模脉宽压缩至759fs,最大输出功率为133mW、单脉冲能量和峰值功率为3.1nJ和4.1kW。实验结果表明Nd∶CNGS晶体对实现飞秒量级的超快激光很有优势。
[硕士论文] 张磊
材料加工工程 山东大学 2017(学位年度)
摘要:KDP晶体不但具有优良的光学性质,如较高的电光系数和非线性光学系数,而且抗激光损伤性能优异,更为重要的是KDP晶体可以通过溶液法生长出具有高光学质量的大尺寸单晶,这些优异的性质让KDP晶体在大功率激光器的制备中扮演着不可或缺的角色。然而,人们在KDP晶体的生产、加工乃至使用过程中发现,无论是溶液当中的还是大气当中的水分子都会不可避免地吸附到KDP晶体的表面,进而对KDP晶体的表面电子结构和物理性能产生各种影响,为了控制水分子带来的影响,研究水分子在KDP晶体表面上的吸附是非常有必要的。通过研究单个水分子在KDP晶体表面的吸附行为,我们可以发现KDP晶体表面与水分子相互作用的官能团,探究KDP晶体表面与水分子的作用方式,为实验中发现的氢键联系现象提供理论上的支撑,也可以帮助人们从理论上理解靠近KDP晶体表面水分子层的有序结构出现的原因,这为人们深层次地理解KDP晶体与水环境之间的复杂作用打下良好的基础。
  本文通过使用基于密度泛函理论的第一性原理计算,对单个水分子在KDP晶体两个主要惯习面(100)面和(101)面上的吸附行为做了较为详尽的研究。通过对这两个表面不同吸附位点的吸附能,吸附体系的几何构型变化,差分电子密度,相互作用原子的分波态密度等进行分析,确定了水分子在不同表面上吸附时的吸附方式,并得到了KDP晶体表面上主导水分子吸附的功能性原子等信息:
  1.水分子表面上可以与水分子发生作用的功能性原子主要有三种,即氢原子,氧原子和钾原子。其中表面上暴露的氢原子和钾原子会与水分子中的氧原子发生相互作用,从而将水分子的氧原子拉向表面,表面上暴露的氧原子则会与水分子中的氢原子发生相互作用,从而将水分子的氢原子拉向表面。这些功能性原子的存在主导了水分子在KDP晶体(100)面和(101)面的吸附行为。
  2.水分子在KDP晶体(100)面上的最佳吸附位置为e位置(磷原子顶位,实际上为磷酸根基团中的氢-氧桥位)和h位置(磷-钾原子桥位,实际上为磷酸根基团中氧原子与表面暴露的钾原子所构成的氧-钾原子桥位),而水分子在KDP晶体(101)面上的最佳吸附位置为o位置和p位置(两个位置都是氧-钾原子桥位)。这些最佳吸附位置均为两个功能性原子所组成的桥位。
  3.水分子在KDP晶体的(100)面吸附时存在两种吸附方式,一种为与表面暴露的磷酸根基团中氢原子和氧原子分别形成两个氢键(e位置),另一种则为与表面暴露的氧原子和钾原子分别形成一个氢键和一个氧钾键(h位置)。而水分子在KDP晶体的(101)面吸附时只存在一种吸附方式,无论是在o位置还是p位置,都是与表面暴露的氧原子和钾原子分别形成一个氢键和一个氧钾键。这种吸附方式的不同是由于KDP晶体(100)面和(101)面不同的原子结构造成的。
[硕士论文] 杜蕾
凝聚态物理 山东大学 2017(学位年度)
摘要:光子晶体是近年来发展迅速的一项纳米光学技术。利用光子晶体的优良特性可制作超棱镜、高效发光二极管、无阈值激光器、传感器、数据存储器等器件。近几年,能够完全吸收光波的光子器件应用广泛,目前可以实现光波增强的吸收机制主要有:表面等离子激元共振、光学Tamm态、F-P腔共振等。其中,表面等离子激元共振的原理是使光波局域在金属与介质交界面处,在界面处有明显的场增强。曾有人利用金属纳米颗粒激发出表面等离子激元共振实现了对光波的增强吸收,大大提高了其光电转换效率。光学Tamm态的原理则是由于金属中自由电子与光子相互作用,电磁场被局域在金属-介质分界面处。由于电磁场的高度局域,它在极化激元激光器、非线性光学器件等方面有潜在的应用价值。除此之外,F-P腔共振以及光学Tamm态的混合模式也可通过场局域进而实现增强吸收。我们利用F-P腔共振、光学Tamm态和表面等离子激元共振等机制来实现增强吸收,并基于此原理开展了一些增强吸收的研究。
  在文章第二部分,我们主要研究含金属的三明治结构在可见光范围实现多通道增强吸收。文中设计的三明治结构,由一个金属薄膜和一个光子晶体异质结构中间插入一个对称的光子晶体,发现可以在可见光范围实现多通道增强吸收,并且这种吸收器具有良好的单向性。我们调整吸收器的周期数,就可以实现从单重至多重通道增强吸收。通过分析电磁场的分布,我们发现,近完全吸收的物理机制主要来源于F-P腔共振、光学Tamm态或者是两者的共同作用。此外,我们还研究了吸收器的其他特性。光子晶体异质结构不仅可以替代金属材料作为高性能的反射镜来使用,减少了能量损耗,还可以选择禁带范围,使共振频率可调。改变金属薄膜的厚度、偏振态和入射角度会影响吸收频率和吸收率。
  在文章第三部分,我们主要研究在红外区域含透明导电薄膜光子晶体的增强吸收。含金属的光子晶体可激发出表面等离子激元共振和光学Tamm态,但由于金属损耗比较大,我们尝试使用透明导电薄膜ITO、GZO、AZO替换金属薄膜。首先,在可见光范围用包络线法计算出单层ITO、GZO、AZO薄膜的厚度,在近红外根据Drude模型分别拟合出ITO、GZO、AZO薄膜的介电常数。然后,分别设计了Kretschmann结构:Prism-SiO2-ITO,Prism-SiO2-GZO以及Prism-SiO2-AZO,结果证明,在红外范围内,当光波以一定角度入射,在TM偏振态下就可以实现近完全吸收。分析电磁场分布,发现在界面处磁场最强,说明含透明导电薄膜光子晶体可以激发出SPPs,实现增强吸收。最后,我们设计了结构:ITO-光子晶体、GZO-光子晶体以及AZO-光子晶体。证明,当光波正入射时,在红外范围内TE、TM偏振态下都可以实现近完全吸收。分析电磁场分布,发现是由于光学Tamm态作用的结果。证明了透明导电薄膜具有类金属的特性,在某一条件下也可以激发出SPPs和光学Tamm态。
[硕士论文] 刘一平
凝聚态物理 山东大学 2017(学位年度)
摘要:自2004年,实验上利用机械剥离法制备出石墨烯后,石墨烯就成为了物理学、材料科学等领域的研究的重点。石墨烯仅具有原子层厚度,且具有比传统的半导体材料更高的载流子迁移率,更好的柔韧性和良好的稳定性能,以及独特的光学特性,单层厚的的石墨烯在可见光范围几乎是百分之百透明,对入射光的吸收约为0.0233,因此将石墨烯应用到透明电极、光电探测器等光电设备具有重要意义。但是,由于像光电探测器这类设备是需要材料与光的强相互作用,而石墨烯与光的较弱的相互作用将限制了它的应用,因此如何增强石墨烯与光相互作用已成为近些年的研究热门。
  光子晶体的概念自1987年提出后,在各个领域就受到了极大的重视。它的晶格尺度可以与电磁波波长相比拟,基本特征是可以调控电磁波的传播。完美的光子晶体具有光子带隙,可以禁止电磁波在特定波长范围内的传播。如果在完整的光子晶体中插入缺陷层来破坏它的周期性,则可以在光子禁带中出现缺陷模,缺陷模频率处的电磁波可以百分百的透射。因此利用光子晶体这种简单的结构来增强石墨烯的光吸收具有重要意义。
  本文实验上采用电子束蒸发法制备一维全介质光子晶体、湿转移方法制备石墨烯薄膜,理论上采用传输矩阵的方法,主要研究了利用一维全介质光子晶体来增强可见光范围内石墨烯薄膜的光吸收。
  论文第二章中,我们主要研究了表面含石墨烯的一维光子晶体的光学特性。较多周期数的一维全介质光子晶体在禁带频段可以作为反射镜,禁带波长范围内的入射光完全反射。将石墨烯薄膜放置于一维光子晶体表面后,在光子禁带范围石墨烯对光的吸收则大大提高。我们在实验上证明了将一、二、三层石墨烯薄膜放置在一维光子晶体表面,整个光子禁带范围的光吸收都被增强。光波垂直入射、TE和TM偏振下斜入射时,石墨烯薄膜的最大光吸收率都提高了大约4倍。并且我们理论研究发现,用本章方法来增强石墨烯光吸收的一维光子晶体必须具有较多的周期数,且与组成光子晶体的介质层的排列顺序有关。
  论文的第三章主要研究了缺陷中心含石墨烯的一维光子晶体的光学特性。周期排列的完整的光子晶体中插入缺陷层后,光子晶体禁带中会产生缺陷模。当缺陷层为较低折射率的材料时,在缺陷处电场强烈局域;缺陷层具有较高的折射率时,缺陷模处的电场强度几乎为零。我们研究发现将石墨烯薄膜插入在较低的折射率材料构成的缺陷层处时,可以大大提高其光吸收,若将石墨烯薄膜插入在较高折射率介质形成的缺陷层处时,则石墨烯的光吸收减小到几乎为零。这里我们考虑了完全对称和非对称光子晶体两种不同光子晶体结构。
  第四章我们主要从理论上研究了利用棱镜激发布洛赫表面波来实现单层石墨烯薄膜的完美光吸收。被棱镜激发的布洛赫表面波沿着空气与截断的一维全介质光子晶体组成的界面传播,是一种表面局域模式。我们研究发现将石墨烯薄膜置于截断的一维光子晶体表面,布洛赫表面波则可在石墨烯薄膜中传播,此时石墨烯层中的电磁场强烈局域。理论研究表明,在TE和TM两种偏振状态下的特定入射角度,利用激发的布洛赫表面波都可以实现单层石墨烯薄膜在激发波长下的完美光吸收。
[硕士论文] 何爱国
材料加工工程 西安工业大学 2017(学位年度)
摘要:Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3[PSN-PMN-PT]铁电单晶具有优异的铁电、压电、热释电及电致应变特性,近年来受到科研人员的极大关注。然而弱的光学性能极大限制了晶体在彩色显示器、光学数据存储器、短波长激光器等光学元器件和光-电耦合器件中的应用。本文引入稀土离子Er3+、Ho3+和Yb3+,利用晶体场作用下稀土离子的发光来使晶体获得一定的光学性能,同时研究稀土离子对晶体结构和电学性能的影响,以及分析晶体生长过程中可能存在的生长机制。
  本研究主要内容包括:⑴采用高温溶液法成功生长了纯PSN-PMN-PT和稀土离子(Er3+、Ho3+、Er3+/Yb3+和Ho3+/Yb3+)掺杂的PSN-PMN-PT晶体。XRD测试结果表明:所生长的晶体均为纯的钙钛矿相结构,稀土离子进入晶体后没有形成任何杂相,但使晶格产生一定程度的畸变。SEM分析揭示了晶体典型的层状生长机制,在Ho3+掺杂体系中观察到了“搭桥式”生长的存在。⑵电学性能测试结果表明三元PSN-PMN-PT具有更高的铁电-顺电相变温度(TF-P~169℃),克服了二元PMN-PT低相变温度(TF-P~150℃)的不足;Ho3+/Yb3+离子的掺入使晶体的介电常数由2389增加到3180,损耗减小了0.7%;Er3+掺杂体系晶体沿最优方向压电常数的最小值为1740pC/N。⑶稀土离子的掺入,诱导晶体在可见-近红外波段具有了光吸收性能。在波长980nm激光激发下,晶体实现了由近红外到绿光和红光的上转换发射。Yb3+的加入,使Er3+、Ho3+掺杂体系的上转换发光强度分别增加了一个和三个数量级,同时使Er3+、Ho3+掺杂晶体的最大吸收峰(654nm和643nm)对应的吸收截面分别由9.82×10-21cm2和7.067×10-21cm2增加到1.17×10-20cm2和1.13×10-20cm2。此外, Yb3+的加入使 Er3+掺杂晶体的最强发射带(4S3/2?4I15/2)对应的平均荧光寿命由53.05μs增加到98.07μs,量子产率由0.0048%增加到0.015%。这些结果为开发弛豫铁电晶体的光学性能提供了一种行之有效的路径,为今后该类材料光学特性及光电耦合特性的深入研究提供了实验支撑。
[硕士论文] 唐婵
物理学 湘潭大学 2017(学位年度)
摘要:锗烯和硅烯均是新型类石墨烯二维蜂窝状结构晶体材料,二者是具有褶皱结构的二维单原子层薄膜,但是不同的是锗烯的翘曲高度0.737?大于硅烯0.44?。基于这个原因,锗烯具有比硅烯更强的自旋轨道耦合效应。目前,研究人员已经成功在金属Pt(111)面和Au(111)表面制备出单层锗烯。为了更好的利用锗烯的电子性质,各种调节方法得到了很大的关注。本论文采用基于密度泛函的第一性原理计算方法,开展了锗烯与碱金属原子构成新型杂化相的结构和电子性质研究。获得的主要结论有:
  1、考虑自旋轨道耦合效应,通过对锗烯饱和吸附形成的碱金属元素复合新相Ge2X2(X=Li、Na、K、Rb)进行分析,探索了形成的新相的稳定性。通过对形成能的计算,发现它们均可能在室温下形成稳定的杂化结构。Li、Na、K原子与锗烯形成的新相的形成能比纯锗烯更低,预示了复合新相比单层锗烯具有更高的稳定性。通过比较Ge2Li2复合新相与锗烯饱和氢化结构的形成能,发现Ge2Li2复合新相的稳定性甚至比锗烯饱和氢化形成的复合物稳定性更高。随着最近锗烯饱和氢化物的实验制备成功,我们的计算预示了锗烯饱和锂化新相制备的可能性。通过Bader电荷分析,揭示了锗和碱金属原子之间主要通过离子键结合,但仍存在部分共价成分。能带计算发现,饱和锂化锗烯新相是直接带隙半导体,具有0.14eV的能隙。其它碱金属原子与锗烯构成的新相均呈现金属性质。
  2、考虑自旋极化效应计算,对锗烯半饱和吸附碱金属原子形成的Ge2X1(X=Li、Na、K、Rb)新相结构进行了稳定性、电子和磁性质研究。通过稳定性、电荷转移、成键方式进行对比,发现锗烯半饱和吸附碱金属与锗烯饱和吸附碱金属的性质规律基本一致。但Li、Na、K原子与锗烯形成的稳定的半饱和吸附结构均呈现金属性,且在费米面及导带中显示出弱的极化性质。计算发现,半饱和锂化锗结构在与Li相邻的Ge原子上具有0.48μB的局域磁矩,预示了采用该种半饱和吸附锂结构可作为自旋器件材料开展应用。
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