基于塔姆激元-表面等离极化激元混合模式的单缝加凹槽纳米结构的增强透射

金属单缝纳米结构因为结构简单、易于集成,常用在基于表面等离极化激元(surface plasmon polaritons,SPPs)的纳米结构中构建光源.但是,金属亚波长单缝结构一直存在透射率低的问题,如何提高其透射率一直是研究的重点.为了更好地提高金属亚波长单缝的透射率,本文对之前文献提出的分布式布拉格反射镜(distributed bragg reflector,DBR)和金属银薄膜纳米缝结构进行改进,在金属银薄膜两侧设计凹槽.当TM偏振光由DBR侧入射至DBR-银纳米缝结构时,DBR-银膜界面上和银膜入射侧凹槽一起激发的塔姆激元(Tamm plasmon polaritons,TPPs)和SPPs,以及纳米缝和银膜出射侧凹槽对的SPPs同时激发,利用凹槽激发的SPPs和银膜表面处的TPPs-SPPs混合模式的干涉相长耦合作用,通过塔姆激元的局域场增强效应和两侧凹槽与单纳米缝的干涉相长耦合作用进一步提高了表面等离极化激元模式的激发效率,再加上纳米缝中的类法布里-珀罗腔共振效应,使纳米缝的透射率得到增强.本文采用有限元方法研究了DBR-银纳米缝结构上单纳米缝加凹槽的透射特性.经过一系列参数优化,使DBR-银纳米缝凹槽结构的最大透射率增加到0.22,相对于TiO_2-银纳米缝结构的透射率(0.01)提高了22倍,比文献[23]得到的最大透射率0.166有所提高.研究结果在纳米光源设计、光子集成电路和光学信号传输等相关领域具有一定的应用价值.     

亥姆霍兹效应和文丘里效应复合型换能器设计*

为合理地从环境中获取能量为无线传感网络和微电子低功耗设备提供能量,该文提出了一种亥姆霍兹效应 和 文丘里效应复合型的换能器结构,收集环境中的能量转换为电能。该装置主要由文丘里管和亥姆霍兹共振器组成。声-结构-电多域耦合仿真,结果表明：换能器传递损失峰值以及电能最大值均发生在245 Hz处,系统共振时,能量转换效率最高。设计了整流桥调理电路与超级电容储能电路,开展了换能器的驱动能力测试,结果表明：换能器所产生的最高电压出现在结构的固有频率245 Hz处,计算得到功率为128.79 μW,实验与理论计算偏差为3.36%;换能器单元在空气压缩机气压为2 kPa的气流作用下可产生0.1148 V电压。     

脉冲X射线辐射效应时间能量联合数值模拟

在脉冲X射线辐射效应研究中,需要将时间维度信息结合到仿真模型中,进而实现基于时间能量联合方法的辐射效应数值模拟,同时也为瞬态脉冲辐照效应的仿真提供了一种思路。建立轫致辐射打靶模型,计算出射脉冲X射线能谱,得到脉冲X射线的时间能量联合谱,结合辐射对象的辐射效应仿真模型,获得氧化铝陶瓷试样在不同时间及不同入射深度处的能量沉积。     

平面超薄准直器件的参数依赖性

本文设计了一具有高效强指向性的平面超薄人工结构,当平面声波垂直入射到该结构时,若中心狭缝处产生的F-P(Fabry-Perot)共振和两侧类亥姆霍兹凹槽的共振频率耦合时,会产生一具有高度指向性的准直声束。通过对结构两侧的凹槽阵列的作用、凹槽周期D和凹槽数量r的探讨,发现凹槽阵列可将散射声波转换成声表面波,大大提高了透射效率,同时结构的共振频率、声透射率和准直效果和D、r的变化关系不大,说明对该结构准直效应产生影响的是F-P共振频率和类亥姆霍兹共振器共振频率,与布拉格散射无关。这一发现有助于在降低结构尺寸的同时仍保持结构的有效性,为后续指向性器件的应用提供了理论依据。     

水下环形凹槽圆柱体散射声场空间指向性调控

本文提出一种具有深度梯度的环形凹槽结构,可用于调控水中有限长刚性圆柱体散射声场空间指向性.基于声学相位阵列理论分析了环形凹槽圆柱声散射空间指向性改变的机理,研究表明:凹槽深度方向相位延迟和凹槽间Bragg散射的相互作用使得平面声波垂直于圆柱方向入射其正横方向散射声波发生偏转.采用有限元方法讨论了凹槽结构参数如占空比、梯度等对圆柱散射声场空间分布特征的影响规律.多个不同深度梯度环形凹槽单元组合圆柱体散射声场数值计算和实验结果显示:具有环形凹槽结构圆柱体正横方向散射声波均匀偏转到预定的空间范围内,使得圆柱体声散射场空间指向性均衡化,改变了圆柱整体的散射特征,这为水下目标声隐身设计和声波定向传播提供了新的方法.     

共形Mikaelian声透镜设计*

该文研究了利用共形变换设计声学器件的一般方法,在此基础上根据普通Mikaelian透镜的折射率分布规律,利用指数映射设计出了弧形的Mikaelian透镜,分析并讨论了弧形透镜的密度、模量和折射率分布规律。对160 k Hz的声波进行了仿真实验,仿真结果表明,在弧形透镜的理论预测焦点处出现能量汇聚的现象,即实现了弧形聚焦的效果。同时,声波在经过该透镜后传播方向产生了一定角度的偏转。该工作为实现弧形声学器件提供了理论方法,在水下声探测及水下声通讯等方面有着潜在的应用。     

二维正方晶格多点缺陷声子晶体实验研究

基于超声浸水透射技术, 实验研究了有限尺寸二维正方晶格钢/水声子晶体多点缺陷模态性质. 利用COMSOL Multiphysics软件建立该声子晶体有限元计算方法, 求解了9×9超胞多点缺陷声子晶体能带结构, 把缺陷局域模态频率与数值仿真和实验结果进行对比, 结果表明: 实验数据和理论值能够很好符合. 进一步分析发现, 点缺陷数量影响声波局域效应、本征模态和传播特性, 为设计有限尺寸声波器件提供理论依据. 关键词： 声子晶体 多点缺陷 实验研究 有限元     

水下隔声结构设计及评价方法

为使用混响法快捷地测量水下结构物的辐射噪声,需基于港口或海岸建造海上混响水池。针对内外都是水情况下的海上混响水池壁面隔声问题,设计了一种带梁空气夹层板水下隔声结构,通过仿真比较了不同参数的空气夹层板的隔声性能。为评价声波无规入射情况下水下大尺寸隔声结构隔声性能,提出了一种混响评价方法,通过隔声实验比较了混响法与脉冲法的不同。结果表明：带梁空气夹层板的水下隔声性能优异,声波无规入射情况下,面板厚度0.015 m、空气层厚度0.020 m的带梁空气夹层板在2～10 kHz频段插入损失大于20 dB;混响法可以有效评价大尺寸水下隔声结构的平均隔声性能,其反映的声波无规入射的平均隔声性能更接近于实际应用情况。     

基于等离激元涡旋场光学诱捕增强设计

利用同轴结构实现纳米粒子光学捕获,研究不同偏振光对光势阱的影响,并通过优化结构参数实现圆偏振下的等离激元涡旋场模式。研究结果表明：该同轴结构在线偏振光750 nm处透射率最大,并且在入射光强为1μW/μm²时势阱深度达到17k_BT;圆偏振光在同轴结构上方形成涡旋场,能量流势阱深度为8k_BT。所设计的同轴结构扩大了光场作用范围,优化了光梯度力作用方向,提高了捕获低浓度小尺度粒子的效率。该研究结果对于低浓度生物分子光学捕获具有一定的参考意义。     

金属光子晶体平板的超强透射及其表面等离子体共振

用全矢量的三维有限差分时域(finite-difference time-domain,简称FDTD)方法,研究了正方形单元结构金属光子晶体平板的增强传输效应以及局域性表面等离子体共振现象.这种增强效应来自于两个不同的等离子体共振机制：由长方形空气孔形成的局域波导共振以及由周期性结构引起的光子晶体共振效应.对于由长方形空气孔形成的局域波导共振模式,其等离子体波全部局域在整个长方形空气孔区域中.而由周期性引起的共振模式,其频率随着金属平板表面周期性的变化而变化,相应的等离子体波分布在长方形空气孔区域的两端.产生的表面等离子体都局域在长方形空气孔区域中,电场强度得到了显著的增强. 关键词： 光子晶体 金属平板 超强透射 表面等离子体     

随钻声波测井隔声体刻槽影响的数值模拟研究*

针对随钻声波测井中钻铤波干扰以及刻槽后散射波问题，该文 利用时域有限差分法模拟钻铤波在随钻隔声体中的传播规律，首先考察在无限大流体中钻铤波在凹槽分界面处的散射特征，利用波场快照直观显示了钻铤波会有一部分能量在刻槽的固液界面转化为斯通利波。同时在有地层时分别对比了均匀内刻槽和外刻槽对钻铤波的衰减效果，发现在选择均匀内刻槽还是外刻槽时结果不仅与频率范围有关，而且与刻槽的深度也有关系。最后对比了槽宽较大的均匀凹槽隔声体和槽宽较小的渐变凹槽隔声体。可以得出结论，在设计随钻隔声体时，在10 kHz以下选择均匀外刻槽方式相对于内刻槽隔声效果会更好。随着刻槽槽深增加，外刻槽在10 kHz以下相比于内刻槽隔声性能优势更加明显。渐变刻槽在满足衰减钻铤波幅度要求的同时，散射波对后续地层波和斯通利波影响也更小。     

ANALYSIS OF RECTANGULAR WAVEGUIDE GRATING SLOW-WAVE STRUCTURE WITH THE ARBITRARY SHAPED GROOVES

The rectangular waveguide grating slow-wave structure (SWS) with arbitrary shaped grooves is presented and analyzed in this paper. As an all-metal slow-wave circuit, it has properties that can be used in high-power millimeter-wave or sub-millimeter wave traveling wave tube (TWT). The unified dispersion equation and the expression of coupling impedance are obtained in this paper by means of an approximate field-theory analysis, in which the profile of the groove is approximately replaced by a series of steps and the field continuity at the interface of two neighboring steps together with the field matching conditions at the interface between the groove region and the interaction region are employed. A rectangular groove SWS was manufactured and the cold measurement was made. The experimental data are in good agreement with the numerical calculation. The derived transcendental equations are resolved numerically for four classical structures such as rectangular, dovetail, ladder and cosine. Finally, taking the rectangular waveguide grating SWS with rectangular grooves for example, the influences of physical dimensions on dispersion relation and coupling impedance are discussed.     

矩形栅慢波系统的高频特性分析

 对于矩形栅这一经典的慢波结构，采用场匹配法来分析其慢波特性，进而得到其耦合阻抗。其中对槽区内的场处理，保留其高次项，表示为一无限本征驻波之和的形式。然后通过数值实例具体分析了矩形栅的两种典型结构：浅槽栅和深槽栅。当增大槽深后，色散增强，系统通带变窄，同时耦合阻抗有明显增大，工作点移向前向波区，适合用在放大器的慢波结构上。     

Shear-horizontal acoustic wave propagation in piezoelectric bounded plates with metal gratings

In this paper, shear-horizontal (SH) acoustic wave propagation in metal gratings deposited on piezoelectric bounded plates is investigated. The spectral characteristics of the electromechanical coupling coefficient are studied first, which are very important for acoustic wave device designs. And, an effective mathematic method based on even- and odd base functions is also presented for overcoming the large frequency thickness product problem. Then, the characteristics of the grating modes are studied, and the nature and characteristics of the stop bands are investigated fully. The results show that the width and attenuation of the stop bands are dominated by the electromechanical coupling coefficient at the frequency centers of the stop bands.     

软X射线全息平焦场光栅的条纹弯曲现象及其对光谱分辨率的影响

软X射线平焦场光栅光谱仪是等离子体诊断的重要仪器,其核心光学元件全息平焦场光栅通常采用非球面波记录光路制作,因此光栅条纹存在弯曲的现象.光栅条纹的弯曲会影响光谱成像质量,从而影响系统的光谱分辨率.记录光路的优化,只保证光栅子午面的线密度分布,因此优化的记录光路并不是惟一的,所以在保证子午面的线密度分布的同时能制作具有不同弯曲程度条纹的光栅.针对应用于0.8—6 nm的全息平焦场光栅,利用光线追迹方法分析了不同弯曲程度条纹光栅的光谱成像,发现采用柱面反射镜制作的接近于直条纹的光栅具有较好的光谱成像质量.相对于弯曲条纹的光栅,接近于直条纹的光栅理论光谱分辨率有明显的提高,入射波长为3 nm时,光谱分辨率从626提升到953,入射波长为5 nm时,光谱分辨率从635提高到1222.     

具有任意槽的矩形波导栅慢波结构高频特性的研究

将任意形状槽的连续轮廓近似用一系列相连的矩形阶梯近似，利用各阶梯面上导纳的匹配，以及槽与互作用区边界场的连续与匹配条件，获得了具有任意槽的矩形波导栅慢波结构的色散方程和耦合阻抗的表达式，并进行理论上的验证.加工制作了矩形槽波导栅模型，冷测表明理论值与测量值相吻合.分别求解几种特殊槽形矩形波导栅慢波结构的色散特性及耦合阻抗，其中，三角形结构的色散和耦合阻抗均最弱，而倒梯形结构色散最强，耦合阻抗最大. 关键词： 矩形波导栅 任意槽 色散特性 慢波结构     

一维短沟槽复合准晶结构减阻效应及模拟分析

本文测试了人工构建的一维短沟槽复合准晶结构对流体的减阻性能,并与一维短沟槽复合周期结构和一维沟槽周期结构的流阻进行了对比.实验结果表明,一维短沟槽复合准晶结构的减阻效果优于一维短沟槽复合周期结构,其中一维短沟槽十二重复合准晶结构的减阻效果最佳,同时与一维沟槽周期结构具有同样的减阻效果.在机理分析方面,建立了二维光栅的夫琅禾费衍射波模型,对通过一维短沟槽复合准晶结构的波谱特征进行模拟分析. 频谱分析表明,经过二维准周期光栅的相干波强度谱具有谱带结构特征,抑制了大角度方向上的强峰形成.这一结果与流体流过一维短沟槽复合准晶结构相对应,展向上的准周期结构在激活边界层微扰动的同时,也使得二次涡分布比较均匀,从而抑制了展向强扰动的形成,所以能够有效减小流阻.     

Dispersion of surface plasmons in InSb-gratings

The reflection of a monochromatic plane electromagnetic wave by a grating consisting of grooves in the surface of a semiconductor plasma (InSb) is investigated theoretically, in particular in that region of frequencies where the complex permittivity of the semiconductor plasma has a negative real part. From the numerically obtained reflection factor pertaining to anH-polarized incident wave, the excitation and the dispersion of surface plasmons at the boundary of the medium is discussed. The grating problem is rigorously formulated as a boundary value problem employing a Green's function technique. Numerical results pertaining to the reflection factor are presented for different grating parameters.     

沟槽微结构薄膜制备及润湿特性研究

利用模板技术复制光盘沟槽结构,制备出了聚二甲基硅氧烷沟槽微结构薄膜,并对薄膜的润湿性进行了研究。结果表明：制备的聚二甲基硅氧烷沟槽结构薄膜在平行沟槽方向接触角大于与沟槽垂直方向接触角,具有明显的润湿各向异性。     

Real propagation speed of the ultraslow plasmonic THz waveguide

A graded metallic grating structure can not only work as a wave trapping system, but also work as an ultraslow terahertz (THz) waveguide. The depth of the grating waveguide is partial graded and partial fixed. The real propagation speed of such a system is calculated. Different frequencies of THz waves can be propagated at a designed propagation speed, even close to zero.