基于差分反射高光谱成像的薄层TMDC材料检测技术研究

二维过渡金属硫化物(TMDC)材料因为独特的激子效应和材料学性质，在太阳电池、光催化、传感器、柔性电子器件等领域得到广泛的应用。层数对其性质有显著的调控作用，自动检测识别所需层数的样品是其从实验室走进半导体制造工业的重要技术需求。本文结合反射高光谱成像技术与图像处理算法，发展了一种二维TMDC薄层样品的显微成像自动检测技术。基于自主搭建的反射高光谱成像系统，对制备的不同层数TMDC标准样品进行了光学对比度的系统研究，阐明了层数的差分反射光谱机理，提出了可靠的层数判定方法。基于传统边缘检测技术优化设计了一套图像处理算法，实现了TMDC样品的图像检测及层数鉴定。本文方法具有普遍性、实用性，结合自动对焦的扫描控制，能够实现大规模的自动化样品检测，这也为其他表面目标的显微识别和检测提供了新的灵感和参考。     

变截面微管道中高zeta势下幂律流体的旋转电渗滑移流动

本文研究高zeta势下具有Navier滑移边界条件的幂律流体,在变截面微管道中的垂向磁场作用下的旋转电渗流动.在不使用Debye–Hückel线性近似条件时,利用有限差分法数值计算外加磁场的旋转电渗流的电势分布和速度分布.当行为指数n=1时得到的流体为牛顿流体,将本文的分析结果与Debye–Hückel线性近似所得解析近似解作比较,证明本文数值方法的可行性.除此之外,还详细讨论行为指数n、哈特曼数Ha、旋转角速度?、电动宽度K及滑移参数β对速度分布的影响,得到当哈特曼数Ha>1时,速度随着哈特曼数Ha的增加而减小;但当哈特曼数Ha <1时, x方向速度u的大小随着Ha的增加而增加.     

单发太赫兹时域光谱技术

太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)广泛应用于材料、生物医学、化学、药学、安检等诸多领域。传统扫描式THz-TDS技术需要通过改变探测光延时逐点扫描并重构时域信号，仅适合于具有较高重复频率且稳定的太赫兹辐射源情形下的样品探测。在低重复频率或涨落较大的太赫兹辐射源情形下和不可逆过程中样品的探测，扫描式THz-TDS不再适用，需要使用单发THz-TDS技术，单发THz-TDS技术原则上仅需要一个激光脉冲就可以获取一个完整的太赫兹时域脉冲波形。介绍几种主要的单发THz-TDS探测技术，这些技术都利用了电光晶体的泡克尔斯效应，通过测量探测光的某个物理量的变化来提取太赫兹信号。根据探测方法不同可分为光谱编码、空间编码和互相关等技术。在光谱编码技术中，探测光不同频率成分在时间上发生分离，不同时间成分分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制，通过测量探测光各个频率被太赫兹脉冲调制前后的光谱的变化提取太赫兹脉冲波形。该方法光路简单，测量结果直观，有较高的信噪比，但其时间分辨率较低，且被测太赫兹信号容易产生失真。为提高被测信号的时间分辨率，有人提出了空间编码技术，即不同位置探测光分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制，通过测量探测光各个位置太赫兹脉冲调制前后的光强变化提取太赫兹脉冲波形。根据不同空间展开方法可分为一维空间编码技术和二维空间编码技术。空间编码技术中虽然有较高的时间分辨率，但由于探测光在空间展开能量分散使得其信噪比相对较低。此外，还有一种较高时间分辨率的技术即互相关技术，可分为共线互相关和非共线互相关技术。在非共线互相关技术中，被太赫兹脉冲调制的激光啁啾脉冲与短脉冲互相关作用产生二次谐波，通过太赫兹脉冲调制前后二次谐波空间分布变化来提取太赫兹信号；在共线互相关技术中被太赫兹脉冲调制的啁啾脉冲与短脉冲共线入射到光谱仪，通过干涉条纹提取太赫兹信号，该技术提高了时间分辨率和信噪比，但光路布置复杂，不能进行实时监测。回顾了这几种单发THz-TDS探测技术的发展历程，综述探测技术的原理、实验方案和测量结果，并讨论了这些探测技术的优势和不足。     

利用太赫兹光谱和密度泛函理论研究烟酰胺-庚二酸共晶体的多晶型

烟酰胺, 又称为维生素PP，是辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ的组成部分，是许多脱氢酶的辅酶。庚二酸是一种广泛使用的共晶体前体。烟酰胺与庚二酸形成的药物共晶体具有两种不同的多晶型, 分别为晶型Ⅰ和晶型Ⅱ。不同的药物晶型常常具有不同的物理化学性质，这些差异可能会对药物的溶出速率、稳定性以及药效具有较大影响，因此在药物领域中寻找合适的技术手段鉴别药物的不同晶型非常重要。利用太赫兹时域光谱在室温下对烟酰胺-庚二酸的两种共晶体在0.2～2.2 THz范围内进行检测，发现两者的特征吸收峰具有明显的差异，晶型Ⅰ在1.51，1.73，1.94，2.01和2.17 THz有五个特征吸收峰，其中在1.94，2.01和2.17 THz处是三个吸收强度较大的峰，而晶型Ⅱ在1.66，1.74，1.88，2.02和2.16 THz有五个特征吸收峰，与晶型Ⅰ不同的是在2.02和2.16 THz处有两个强度较大的吸收峰。利用密度泛函理论对烟酰胺-庚二酸两种共晶体进行理论计算，计算结果表明实验峰与理论峰基本对应，对吸收峰指认归属表明特征吸收峰来源于分子骨架的振动与包含氢键的振动。研究结果表明太赫兹时域光谱技术对于区分药物共晶体的多晶型现象具有重要的应用。     

基于有限体积虚拟区域方法的两相流动直接模拟

为提高计算效率，提出有限体积法离散下的虚拟区域颗粒两相流动直接模拟方法.在控制方程中加入相应的虚拟区域源项，保证了颗粒内部的刚体运动特性.该源项中含有颗粒信息部分及流体信息部分.在每次迭代后，对源项中的流体信息部分进行更新，从而更好地保证颗粒内速度的刚体分布.计算静止颗粒圆柱绕流及单个颗粒的沉降过程，验证了算法的准确性.     

一种计算多导体传输线电磁脉冲响应的时域方法

基于波形松弛技术, 提出一种计算外界电磁脉冲激励下理想大地上无损多导体传输线瞬态响应的时域迭代方法。首先利用波形松弛技术对复频域内多导体传输线的电报方程进行解耦, 其中相邻导线的耦合作用等效为线上的分布源, 从而使电报方程转换为一系列关于独立导线的解耦方程组; 然后将复频域内传输线的解耦方程转换到时域, 根据时域方程建立相应的等效电路; 最后利用电路仿真软件PSCAD计算电磁脉冲激励下多导体传输线的瞬态响应。本文时域方法的计算结果与时域有限差分(FDTD) 法计算的结果进行对比, 证实了该时域方法的有效性和准确性, 这为工程和科研人员快速评估、分析电磁脉冲激励下多导体传输线的瞬态响应问题提供了一种可靠方法。     

基于有限元-时域分段自适应算法的围岩衬砌耦合渐进分析

以开挖时间、一衬时间、二衬时间划分时间区段，考虑围岩与衬砌为弹性/粘弹性介质，将围岩的“位移/应力释放不完全”、开挖等影响模拟为载荷的渐进释放，提出一个有限元-时域分段自适应算法，求解围岩衬砌耦合问题，并通过数值算例对算法进行了验证。所提方法给出了各时间区段的关联条件；可更准确描述各变量随时间的变化；同时将原时空耦合问题转化为一系列空间问题，并利用有限元方法递推求解；当步长变化时可通过自适应计算保证稳定的计算精度。此外，还建立了一个载荷渐进参数的反问题数值求解模型，并给出了相关算例。     

基于科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器

太赫兹滤波器是太赫兹通信、太赫兹成像和太赫兹检测等太赫兹应用系统中不可或缺的功能器件。按照不同的分类方式,滤波器有不同的种类,常见的按照选频功能可分为高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波器和带通滤波器。为了实现在太赫兹波段的滤波效果,世界各地的研究人员利用不同的结构、材料和控制方式实现了功能各异的太赫兹滤波器,但是考虑到设计的器件要应用到太赫兹系统中,成本低廉、结构简单、性能优越的太赫兹滤波器一直是研究人员的追求。分形概念自提出以来在很多研究领域都有了快速发展,但是在太赫兹波段的应用还不是很常见,特别是应用于太赫兹功能器件的设计。引入分形中科赫曲线的概念设计并制备了一种新型的太赫兹带通滤波器,该滤波器是在金属薄膜上刻蚀出科赫曲线分形结构,当太赫兹波垂直入射到该滤波器时候实现了在太赫兹波段的窄带滤波。在滤波器的设计过程中,追求理论与实验相结合,首先在电磁仿真软件中建立科赫曲线分形结构滤波器模型进行计算,探究分形结构应用于太赫兹波段进行滤波的可行性,在进行多次计算之后得到优化后的尺寸和结构,然后根据优化后的尺寸加工出科赫曲线分形结构太赫兹滤波器样品,并且将样品放在太赫兹时域光谱系统中进行实验测量,得到实验数据后与仿真结果进行比较。在仿真中利用了时域有限差分法模拟科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器的传输特性,优化后的仿真结果表明:滤波器的谐振频率为0.715 THz,透射系数能够达到0.92,-3 dB带宽为21.9 GHz,将仿真得到的散射参数进行S参数反演得到了太赫兹滤波器样品的电磁参数,这在理论上分析了太赫兹波在谐振点处产生透射增强的原因。利用飞秒激光微加工系统制备了尺寸优化后的科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器样品,然后使用太赫兹时域光谱系统对样品的传输特性进行测试,对实验得到的时域数据进行快速傅里叶变换之后得到频域数据,再把频域数据进行归一化处理后与之前的电磁仿真结果进行对比,发现实验测得的结果与电磁软件仿真得到的结果较为吻合。     

有耗介质层上多导体传输线的电磁耦合时域分析方法

目前,针对空间电磁场作用有耗介质层上传输线的电磁耦合,仍缺乏有效的数值分析方法.因此,本文提出一种高效的时域混合算法,很好地解决了有耗介质层上传输线电磁耦合建模难的问题.首先,对经典传输线方程进行改进,推导了适用于有耗介质层上多导体传输线电磁耦合分析的修正传输线方程.然后,结合时域有限差分方法和相应插值技术,求解修正传输线方程,获得多导线及其端接负载上的电压和电流响应,并实现空间电磁场辐射与多导线瞬态响应的同步计算.最后,通过相应计算实例的数值模拟,与CST软件的仿真结果进行对比,验证了时域混合算法的正确性和高效性.