微光栅对SiC/光子晶体结构热辐射特性的调控

本文研究了一种SiC薄膜/光子晶体结构的热辐射特性,在SiC薄膜/光子晶体的界面处具有微光栅结构。利用RCWA方法数值模拟了该结构的热辐射特性,发现在SiC薄膜/光子晶体的界面处由于不同的电磁模态激发,导致其发射率在多个频段或方向具有很高的值,从而可通过利用不同电磁模态激发的条件及其相互作用实现对热辐射的调控。     

含Ag/Al_2O_3球壳颗粒水基复合介质辐射吸收分析

基于吸收性基体介质中球形颗粒的电磁理论,建立含纳米颗粒水基复合介质的FDTD模型,比较了电磁理论解析解和FDTD模型的数值解;在此基础上,基于FDTD方法模拟了含纳米Ag/Al_2O_3球壳颗粒水基复合介质的辐射吸收特性,分析颗粒结构尺寸、颗粒间距对颗粒以及基体介质辐射吸收特性的影响规律。结果表明,核心Ag纳米颗粒能够增强其周围介质的辐射吸收特性,核心Ag纳米颗粒的尺寸越小,该辐射吸收增强效应越明显,核壳颗粒的间距也会对颗粒以及基体介质的辐射吸收特性产生影响。     

在不同原子汽室空间中原子相干特性的比较

我们对不同铯原子汽室空间中,电磁诱导吸收(EIA)与电磁诱导透明(EIT)特性进行了比较。通过理论模拟原子在不同多普勒背景下的周期性吸收调制与原子相干效应的关系,表明在狭小空间下的原子,其EIA效应较弱,EIT较强这一特性对应于介质可获得更好的周期性吸收调制,这一特性可用于改善原子汽室中的光子晶体特性。     

碳纳米管微悬臂梁红外探测器的优化设计

对复合层微悬臂梁红外探测器进行了理论分析，并建立了相应的理论模型，实验研究了在硅基底上生长碳纳米管的吸热特性，优化设计了一种生长有碳纳米管的三层硅微悬臂梁谐振式红外探测器。该探测器基于复合层微悬臂梁的谐振频率随着微悬臂梁温度的改变发生漂移的特性，在一定的红外辐射下，微悬臂梁的温度会随着辐射光强的强弱而发生变化，从而根据微悬臂梁谐振频率的漂移而感知温度变化实现对辐射光的探测，利用碳纳米管的红外吸收特性，在二层微悬臂梁上生长碳纳米管薄膜作为吸收层，提高了微悬臂梁探测器的红外吸收性能。研究表明：其功率灵敏度可达fw级，比传统的静态测试方法提高了两个数量级。而且这种基于微机电系统技术的传感器与集成电路工艺是兼容的。     

MNZ超材料的电磁特性

主要围绕磁导率接近0的MNZ超材料,通过理论分析和数值模拟方法对MNZ材料的电磁特性进行了研究。针对线源置于二维MNZ材料内部的情况,通过理论详细分析了在MNZ材料和空气交界处的阻抗匹配特性和传播常数的连续性,基于有限元数值方法模拟验证了电磁场在MNZ材料边界处的等幅同相特性,从而实现了均匀平面波的传播特性。同时,考虑到将线源置于空气中有助于辐射出电磁能量,通过数值模拟分析了电磁波由空气入射到MNZ材料的电磁特性,发现在特定极化条件下,只能当电磁波波前与MNZ材料边界平行时,才能较好地实现阻抗匹配,从而基于MNZ材料实现新颖的辐射特性。     

一种选择性增强光谱吸收比/发射率的薄膜结构

本文利用严格耦合波分析(RCWA)的方法数值求解并分析了一个半导体硅和金属银组成的复合薄膜结构,该结构的界面处具有一维周期性的微槽结构.结果显示,微槽结构的存在大大增强了该复合薄膜结构在硅能隙对应波长附近的光谱吸收比/发射率,而在波长大于能隙波长区域仍然保持较低吸收比/发射率.增强原因是由于界面处的电磁表面波(electromagnetic surface wave)被激发以及微槽多阶衍射波的相互作用的结果.通过调整微槽的几何尺寸可对该复合薄膜结构的吸收比/发射率进行优化.这种结构在光电能量转换系统中有潜在用处.     

射频溅射法制备3C-SiC和4H-SiC薄膜

利用射频溅射法在Si衬底上制备了SiC薄膜，并利用x射线衍射（XRD）和红外（IR）吸收谱对薄膜的结构、成分及化学键合状态进行了分析.XRD结果表明，低温制备的SiC薄膜为非晶相，而在高温下（＞800℃），薄膜呈现4HSiC和3CSiC结晶相.IR谱显示，溅射制备薄膜的吸收特性主要为Si—C键的吸收.此外，还利用原子力显微镜对薄膜的表面形貌进行了研究，并研究了样品的场发射特性. 关键词： 射频溅射 SiC薄膜 结构 表面形貌 场发射     

可见光红外图像转换薄膜的研究

针对红外成像制导半实物仿真系统对图像转换器的需求,基于物体吸收能量后温度升高而产生热辐射的原理,设计并制备出一种新型金黑可见光红外图像转换薄膜,建立了薄膜辐射的物理和数学模型,求解了薄膜一维和二维热传导的定解问题,分析了黑体薄膜时间和空间特性,提出了用周期性网格结构黑体薄膜提高转换薄膜的空间分辨率的方案,制备出的转换薄膜达到的技术指标为:薄膜尺寸52mm,像元尺寸140μm×140μm,像元间距29μm,时间常数6ms,空间分辨率6lpmm. 关键词： 金黑 周期性网格结构 薄膜     

一种靶机红外辐射特性增强技术研究

为了在外场试验中检验红外制导武器系统的工作性能,需要使用靶机红外增强装置实现对真实目标红外辐射特性的模拟。介绍了一种利用光学方法实现靶机红外辐射增强和目标辐射特性模拟的技术。使用高亮度红外光源作辐射源,通过对光学系统的控制,在实现红外辐射增强的同时,可模拟不同距离和方向的红外辐射强度特性。通过建模对所模拟目标的红外辐射强度及辐射方向特性进行了分析,并以此为设计依据设计了光学系统。实现了对最大红外辐射强度为1600W/sr的目标辐射方向特性的模拟。     

基于宇称时间对称结构实现石墨烯光增强吸收

为增强石墨烯对近红外通信波段光波的吸收,提出了一种基于周期性宇称-时间(Parity-time)对称结构的石墨烯基吸收器,该结构由顶层的石墨烯层和底层周期性PT对称单元构成.采用传输矩阵方法系统地研究了该结构中石墨烯对1450～1650 nm波长范围内光波的吸收特性.结果表明,通过优化石墨烯复合PT对称微纳结构参数,对...     

Design and optimization of a SiC thermal emitter/absorber composed of periodic microstructures based on a non-linear method

Spectral and directional control of thermal emission based on excitation of confined electromagnetic resonant modes paves a viable way for the design and construction of microscale thermal emitters/absorbers. In this paper, we present numerical simulation results of the thermal radiative properties of a silicon carbide(Si C) thermal emitter/absorber composed of periodic microstructures. We illustrate different electromagnetic resonant modes which can be excited with the structure,such as surface phonon polaritons, magnetic polaritons and photonic crystal modes, and the process of radiation spectrum optimization based on a non-linear optimization algorithm. We show that the spectral and directional control of thermal emission/absorption can be efficiently achieved by adjusting the geometrical parameters of the structure. Moreover, the optimized spectrum is insensitive to 3% dimension modification.     

一维光子晶体热辐射光谱控制模拟研究

将一维金属-介质光子晶体应用于热辐射光谱控制,基于电磁波理论建立了光谱能量关系和光谱特性计算方法.采用钨(W)和二氧化硅(SiO2)设计了一维金属-介质光子晶体,从麦克斯韦方程组出发,研究了该一维结构的光谱特性.研究结果表明,该结构能够有效地结合材料自身光谱属性和光子晶体的光谱控制特性实现热辐射光谱特性的选择控制,可被用于热光伏系统实现热辐射光谱控制.     

四极子量子级联微腔激光器模式理论

介绍了一种计算四极子量子级联微腔激光器模式的方法.推导了本征方程和光场分布公式,对不同变形因子四极子微腔进行了数值计算和模式分析,结果表明四极子量子级联微腔激光器模式具有 “蝴蝶结”形状特征,在=45°、135°、225°、315°的4个方向光输出最强.该计算方法可适用于其它任意形状截面介质上电磁波传输或散射的计算问题.     

弯曲圆盘驱动的双Helmholtz共振腔换能器

使用双面同相振动的弯曲圆盘换能器驱动双Helmholtz共振腔,既放大了弯曲圆盘换能器弯曲共振频率以下频段的声输出,又利用两个Helmholtz共振腔的同相声源辐射模型实现了在Helmholtz共振频率处的"∞"字形垂直指向性,实现了低频指向性声发射。阐述了换能器实现"∞"字形低频指向性发射的机理,研究了腔体长度、金属圆片厚度及弯曲圆盘边缘简支厚度等关键结构参数对Helmholtz共振频率的影响,求解了换能器的发送电压响应、指向性等参数。依据仿真结果制作了实验样机,在消声水池中进行了电声性能测试。测试结果显示,指向性形状及液腔共振频率与仿真结果基本相符。这种由弯曲圆盘驱动的双Helmholtz共振腔水声换能器为实现水声换能器小尺寸、低频指向性发射提供了一种技术手段。      

Loss of Invisibility in Metamaterials under Thermal Fluctuation Induced Radiation

Metamaterials have been extensively investigated for the development of invisibility cloaks; however, the role of nonequilibrium thermal fluctuations in the operation of metamaterial‐based cloaking remains an unexplored avenue. Here, an analytical study on nonequilibrium thermal fluctuations induced charges and currents in metamaterials which generate electromagnetic modes is presented. It is argued that thermally induced charges in metamaterials cannot remain shielded from incoming electromagnetic radiation and excitation of such charges, by incoming electromagnetic waves, can enhance specific modes, whose radiation limits the invisibility effects associated with metamaterial‐based cloaking. The analysis leads to the conclusion that thermodynamic equilibrium is an essential condition of the invisibility of metamaterial‐based cloaking.     

Resonant directional coupling of hollow Bragg fibers

Coupling between the lowest-loss TE01 modes of two touching hollow-core Bragg fibers is considered with a view to designing a directional coupler. We have found that for fibers with core radii larger than 10 microm one can identify broad frequency ranges in which intermodal coupling strength exceeds supermode radiation losses by an order of magnitude, thus opening the possibility of building a directional coupler. We attribute such unusually strong intermode coupling both to the resonant effects in the intermirror cavity and a proximity interaction between the leaky modes localized in the mirror.     

金属/介质薄膜中声子热辐射的空间和各向异性研究

基于理论、实验和仿真相结合的方式,着重研究了金属/介质(MD)薄膜中声子热辐射的空间特性和各向异性。声子是由于晶格振动产生的元激发,是物质的内在属性。尽管声子不易调控,但是声子与其他光学激发的耦合会产生奇异的光学现象。特别是红外到太赫兹范围内的光子与极性介质中的声子强耦合产生表面声子激元（SPhP）。SPhP具有强局域、低损耗等特点,与等离子体（plasmon polaritons）形成互补,使得深亚波长光学成为可能。为了进一步了解声子吸收的内在理论基础,首先通过黄昆方程和超晶格连续介电模型在理论上分析了声子吸收。实验上,主要以SiO₂声子作为研究对象,利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法,分别在Si/Al（150 nm）薄膜和Si衬底上制备出500 nm厚的SiO₂薄膜。基于傅里叶红外光谱仪(FTIR),在垂直入射下得到热辐射光谱,通过热辐射光谱分析,并结合由时域有限差分算法（finite-difference time-domain,FDTD）计算得出的仿真光谱图,对比了MD薄膜结构和非MD薄膜结构中声子的热辐射,发现MD薄膜结构更能够有利于声子和SPhP的激发。根据Berreman效应,纵光学波（LO）声子只在倾斜入射时产生。光谱线没有呈现洛伦兹线型,因此,虽然LO声子在垂直入射时测得的热辐射图中不辐射,但同样影响横光学波（TO）声子辐射谱的线型。另外,利用FTIR对金属（Si/Al）/介质（SiO₂薄膜）进行热辐射转角测试,对热辐射转角图分析证明,Si/Al/SiO₂薄膜中SiO₂声子遵循LST(lyddano-sachs-teller)关系,纵横声子成对出现,且两种声子的空间辐射特性不同。改变偏振,发现在S偏振和P偏振下,声子热辐射呈现不同的模式, 体现出声子的空间各向异性。并且,声子与光子耦合可以激发SPhP,反过来,SPhP可以增强声子的吸收。基于MD结构,能够激发并调控SPhP和声子辐射行为,为红外器件的实现奠定了基础。     

回旋管光子带隙谐振腔冷腔电磁模式分析

利用二维三角格子金属光子带隙谐振腔代替回旋管的传统柱形谐振腔,并对腔体进行了TE波模式的计算与分析.综合考虑腔体内外的结构特征,给出了光子带隙谐振腔冷腔模式理论的研究方法,发现腔内存在单模工作的可能与条件以及非角对称情况下的电磁模式分布特征.研究结果表明,利用光子带隙谐振腔代替回旋管的传统腔体,可使回旋管在不受腔体横向尺度限制的条件下实现单模工作.这对于提高回旋管的功率容量、有效实现高次单模与高次回旋谐波耦合条件下的注-波互作用、降低工作磁场并从物理上根本改变回旋管的工作状态提供了理论依据. 关键词： 回旋管 金属光子带隙 谐振腔     

Spectral properties of a one-dimensional resonant photonic crystal

The eigenexcitation and transmission spectra of a one-dimensional resonant photonic crystal are studied for TM and TE polarized electromagnetic waves. The crystal considered is a layered structure consisting of alternating isotropic layers and layers of a resonantly absorbing gas. The performed calculations show that the band structure of the spectra of the resonant photonic crystal significantly changes as the angle of incidence and the density of the resonant gas are varied. The structure of the spectra of additional transmission in the bandgap of the resonant photonic crystal is studied taking into account the decay of electromagnetic modes. The possibilities of controlling the spectrum of electromagnetic modes are indicated.