重力作用功能梯度材料一维凝固过程数值模拟

本文用数值计算的方法对重力浇铸下功能梯度材料的凝固过程进行了数值模拟,分析了各种因素对颗粒分布的影响,并与实验结果进行了比较。结果表明,在形成的凝固体上部有一颗粒体积分数近于零的区域,而在靠近底部的区域内颗粒形成一种梯度分布．高的初始过热度或高的冷却温度将会使底部梯度区内颗粒体积分数略有增大,低的颗粒初始体积分数或小的颗粒尺寸会使底部梯度区范围增大,而梯度区内颗粒体积分数减小。     

从几何光学研究负折射率透镜的有限尺寸效应

从几何光学理论证明了,在左手系材料(负折率材料)透镜中存在完善聚焦的概念。当该透镜的尺寸可以认为是无穷大时,该透镜是无几何像差透镜。进一步考虑了有限透镜孔径对成像面上成像质量的影响,模拟结果表明:成像面上亮度对比度分布不均匀;且随着透镜孔径大小与厚度的比值减小,像的对比度将会增加。     

单元超透镜模式分析及其亚波长成像特性研究

提出了一种可工作于可见光波段的波长可调的超透镜。该超透镜由一层等离子体金属薄膜和两侧等厚介质薄膜的平面波导构成。通过分析介质薄膜对波导表面等离子体模式的调制作用,给出了超透镜的成像规律。结果表明,通过调节透镜介质薄膜的厚度可实现从365~515nm、分辨率为λ/6、高能量透射率的亚波长成像。该三层膜超透镜结构简单,可有效地减小制备误差及表面粗糙度对成像的不利影响,降低了制造难度。此结构以其简单的结构、出色的成像性能在亚波长光刻、生物显微镜、高密度数据存储等方面具有潜在的应用价值。     

表面等离子体平面金属透镜及其应用

由于衍射极限的存在,传统光学透镜成像分辨率理论上只能达到入射光波长的一半。通过恢复和增强携带物体细部特征信息的高频倏逝波,基于表面等离子体的平面金属透镜有望突破这种光学衍射极限,实现超分辨成像。本文对平面薄膜式与纳米结构式两类平面金属透镜进行了综述,详细介绍了若干典型平面金属透镜的结构设计、工作机理及其聚焦性能,并对其特点与存在的问题进行了分析与讨论。由于光波在金属中传播时存在一定损耗,如何更高效地增强高频倏逝波信号并转换成传播波,使其参与成像,以更好地实现远场超分辨成像,以及如何进一步增大近场超高分辨率聚焦光斑焦深以及减小远场聚焦光斑尺寸,是表面等离子体平面金属透镜进一步研究的重点。     

非局域颗粒复合介质的相干完美吸收效应

研究了两束相干光以相同的入射角从左、右两侧分别入射到Au-SiO_2复合介质板时,在不同的体系参数下该复合材料体系发生相干完美吸收的情形.运用有效媒质理论推导出了复合介质的有效介电常数以及有效磁导率;在得到有效电磁参数的基础上进一步推导得到平面波入射复合介质板时的反/透射系数.通过比较分析非局域和局域情况下颗粒复合介质的相干完美吸收现象,发现当颗粒尺寸很小时非局域效应的影响会导致复合介质产生相干完美吸收的入射光的频率范围显著变宽.在进一步的解析计算中,通过调节复合介质板的厚度、入射光波长、金属颗粒体积分数等参数得到了不同情况下产生的相干完美吸收现象,并由此分析非局域情形下对于相干完美吸收现象的调控.     

聚乙烯/银纳米颗粒复合物的分子动力学模拟研究

通过分子动力学模拟对聚乙烯/银纳米颗粒复合物的结构、极化率和红外光谱、热力学性质、力学特性进行计算, 分析其随模拟温度和银颗粒尺寸的变化规律. 模拟结果表明: 聚乙烯/银纳米颗粒复合物为各向同性的无定形结构, 温度升高可提高银纳米颗粒的分散均匀性; 银纳米颗粒表面多个原子层呈现无定形状态, 并在银颗粒和聚乙烯基体的界面形成电极化层, 界面区域随颗粒尺寸和温度的增加分别减小和增加; 与聚乙烯体系相比, 聚乙烯/银纳米颗粒复合物的极化率高很多, 且随温度的升高和银颗粒尺寸的减小而增大; 银颗粒尺寸直接影响界面电偶极矩的强度和振动频率, 红外光谱峰强度和峰位随颗粒尺寸发生变化; 聚乙烯/银纳米颗粒复合物具有比聚乙烯体系更高的等容热容和与聚乙烯体系相反的负值热压力系数, 热容随颗粒尺寸的变化较小, 但随温度的升高而明显减小, 具有显著的温度效应; 热压力系数随温度的变化较小, 但随颗粒尺寸的增加而减小, 具有明显的尺度效应, 温度稳定性更好; 聚乙烯/银纳米颗粒复合物的力学特性表现出各向同性材料的弹性常数张量, 具有比聚乙烯体系更高的杨氏模量和泊松比, 并且都随温度的升高和银颗粒尺寸的增大而减小, 加入银纳米颗粒可有效改善聚乙烯的力学性质. 关键词： 分子动力学模拟 聚合物纳米复合物 纳米颗粒     

单臂压缩感知鬼成像的光强扩散函数分析法

为了提高单臂压缩感知鬼成像的成像质量,减少成像系统本身和外部环境的干扰,提出了一种光强扩散函数分析方法.在单臂压缩感知鬼成像原理的基础上分析了成像过程,指出降低成像质量的主要因素是菲涅尔衍射和大气湍流.针对这两个因素,推导并分析了光强度扩散函数的公式,研究透镜的焦距与口径之比和照明光源的波长对鬼成像的影响.仿真结果表明:在单臂压缩感知鬼成像中,使用焦距与尺寸半径之比在2~5范围内的成像投影透镜可以消除衍射效应的影响;短波长光源适用于大气湍流较弱时的成像,长波长光源在大气湍流较强时对干扰有更好的耐受能力.该方法可以有效地提高成像质量并优化成像系统.     

散斑自相关分辨率测量和修正

散斑相关是许多基于散斑的光学测量和成像技术的基础,决定了光学系统的分辨率。当前散斑尺寸（颗粒度或分辨率）的理论描述不够精确,也缺乏实验验证。探究了散斑图样自相关尺寸的影响因素,与相同数值孔径物镜聚焦进行比对,揭示薄散射介质的“散射透镜”性质。通过散斑自相关和透镜聚焦尺寸的多组测量,结果表明,截趾函数会影响其分辨率,需要根据具体光路对阿贝判据做修正。对基于散斑的测量和成像技术具有一定的参考价值。     

相场法模拟第二相颗粒对柱状晶形成的影响

基于定向退火条件下的移动热区模型,采用相场法研究第二相颗粒对多晶材料中柱状晶结构形成的影响.结果表明:第二相颗粒对柱状晶结构的形成具有抑制作用,其抑制作用随第二相颗粒体积分数的增加和第二相颗粒尺寸的减小而增强.定向退火条件下第二相颗粒对晶粒极限尺寸的影响遵循Zener关系.为了获得良好的柱状晶结构,应尽量减少材料中第二相颗粒的体积分数及其在晶界上的弥散分布.     

同步辐射束流尺寸测量干涉仪的设计与仿真

基于同步光的干涉法,是一种非拦截高精度的束流截面测量手段。相比传统成像法,干涉法可以测量更小的束团尺寸、分辨率更好,较短测量波长下有望获得亚μm级的分辨率,因此在同步辐射光源中得到广泛应用。对合肥光源HLS II的原有同步光干涉装置,提出了将原有的干涉光路中第一面聚焦透镜换成RC结构聚焦反射镜,第二面单透镜换成双胶合透镜,以达到在不改变光路光轴情况下减小色散和几何像差,从而提高光路成像质量的目的。采用几何光路设计方法对成像质量进行评价,并进行物理光学仿真计算,得到测量系统的干涉条纹。仿真结果表明:光学系统成像的艾里斑半径减小约35%,点列图的均方根半径减小了约99%,波前差也减小了约75%,调制传递函数（MTF）的截止频率提高了约65%,采用聚焦反射镜代替原有的聚焦透镜可大幅提升光路成像质量。     

基于多角度无透镜傅里叶变换数字全息的散斑噪声抑制成像研究

在数字全息成像中,散斑噪声严重影响了再现像的信噪比和成像分辨率,因此为了提高数字全息成像质量,迫切需要抑制再现像的散斑噪声.分析并给出了矩形散射光斑的强度协方差,定量计算了特定实验条件下产生退相关散斑图样的最小角度差.结合透镜的性质设计并搭建了多角度无透镜傅里叶变换数字全息成像系统,利用光纤端面在透镜焦平面的二维机械移动代替传统反射镜的旋转,使照明光束在不改变照明位置和大小的同时,可任意改变光束方向.移动光纤端面使多角度照明满足最小角度差,获取了81幅数字全息图.利用单次快速傅里叶逆变换实现数值再现,对多幅再现像的强度像求平均,实验结果表明散斑对比度降低为单幅再现像的14.6%,使图像信噪比提高了6.9倍.该抑制散斑的多角度数字全息成像方法有效的抑制了散斑噪声,且成像光路结构简单,可操作性强.     

Focusing of longitudinal ultrasonic waves in air with an aperiodic flat lens

Modeling and experimental results of an ultrasonic aperiodic flat lens for use in air are presented. Predictive modeling of the lens is performed using a hybrid genetic-greedy algorithm constrained to a linear structure. The optimized design parameters are used to fabricate a lens. A method combining a fiber-disk arrangement and scanning laser vibrometer measurements is developed to characterize the acoustic field distribution generated by the lens. The focal spot size is determined to be 0.88 of the incident wavelength of 80-90 kHz at a distance of 2.5 mm from the lens. Theoretically computed field distributions, optimized frequency of operation, and spatial resolution focal length are compared with experimental measurements. The differences between experimental measurements and the theoretical computations are analyzed. The theoretical calculation of the focal spot diameter is 1.7 mm which is 48% of the experimental measurement at a frequency of 80-90 kHz. This work illustrates the capabilities of a hybrid algorithm approach to design of flat acoustic lenses to operate in air with a resolution of greater than the incident wavelength and the challenges of characterizing acoustic field distribution in air.     

Cloaking and imaging effects in plasmonic checkerboards of negative and and dielectric photonic crystal checkerboards

Negative refractive index materials are known to be able to support a host of surface plasmon states for both polarizations of light. This makes possible unique effects such as a perfect lens. Checkerboards consisting of alternating cells of positive and negative refractive index represent a very singular situation in which the density of modes diverges at the corners. This raises the question as to whether such effects will still be observed in a real dissipative system of finite size. We have considered several aspects of such structures including these and symmetry aspects (rectangular against triangular checkerboards). We have also studied silver checkerboards whose transverse extent is finite. Negative refractive index checkerboards bring new electromagnetic paradigms both through the intriguing possibilities they appear to offer, and the challenges they present to our understanding of the diffraction process. Most intriguing of all is the possibility of a triangular checkerboard lens whose resolution is limited not by wavelength, but only by the losses in the constituent materials, while a ray picture suggests it behaves as a perfect mirror. The resolution of this lens increases without limit as the losses tend to zero as shown by the generalized lens theorem. We finally show that light confinement can be achieved to certain extent using dielectric triangular photonic crystal (PC) checkerboards displaying the all-angle-negative-refraction (AANR) within the Bragg regime in p polarization. Effectively even a single rectangular or triangular PC can act as an open resonator that confines light in its neighborhood. This cloaking effect has been previously observed in PC slabs displaying the AANR effect. We show that the cloaking is enhanced for three triangular PC wedges sharing a vertex and further improved for 12 triangular PC wedges arranged in a checkerboard fashion.     

FDTD study of subwavelength imaging by a photonic crystal slab

The problem of subwavelength imaging via a photonic crystal slab lens made of two-dimensional (2D) square arrays of parallel dielectric cylinders in air is studied and discussed theoretically. The finite-difference time-domain method is employed to investigate the unique features of imaging by such lens. We confirm earlier findings that a photonic crystal slab lens can provide the imaging of a point source. By analysing the transmission properties of the proposed structure, we demonstrate that inside the all-angle negative refraction, there are some favourable directions for waves to travel. We show that the surface termination of the photonic crystal is a key parameter to obtain a good quality image. The super-resolution of two sources separated by a distance less than the wavelength is also considered. It is shown that the achievable resolution is limited by the slab length.     

指纹及手指静脉图像复合采集光学系统设计

针对生物特征的多模识别技术,设计了一款用于指纹及手指静脉图像复合采集的光学系统。用于采集指纹和手指静脉图像的光学镜头分别由3片和12片球面透镜构成,工作波长分别为650 nm和850 nm,成像器件分别采用640 pixel×480 pixel CCD和640 pixel×512 pixel非制冷红外探测器。使用Zemax软件对该系统的光学结构进行了设计和优化。像质评价结果表明:指纹图像采集镜头在空间截止频率67 lp/mm处,调制传递函数MTF值大于0.6;手指静脉图像采集镜头在空间截止频率30 lp/mm处,调制传递函数MTF值大于0.8;两镜头各视场弥散斑均方根半径远小于成像器件像元尺寸,接近衍射极限,且成像畸变均小于0.5%。实验证明该系统采集到的图像质量优良,分辨率高。     

紫外像增强器分辨力校准装置与方法研究

紫外像增强器作为导弹紫外告警系统、紫外预警系统以及各类紫外辐射监测系统的核心部件,其参数准确与否,直接影响到系统的图像质量。为保证测试数据的准确性,研制紫外像增强器分辨力校准装置,校准装置所用紫外光源是波长范围为200 nm～400 nm的紫外光,相对应的分辨力靶、滤光处、光学成像系统均要求能够透射紫外光,由于紫外波长较短,容易引起散射效应而产生大量的杂散光,设计的分辨力靶采用紫外级石英,紫外光学成像系统采用透射式结构,选用同轴共轭透镜作为紫外光学成像系统。实验和测量不确定度分析验证校准装置的测量不确定度为5%。     

数字灰度光刻成像物镜设计

为了研究数字灰度光刻成像系统中栅格效应对像质的影响.在成像系统优化参量已有的研究基础上,综合考虑工作效率、光刻准确度、加工制造成本等因素,设计了一种能够有效消除数字灰度光刻成像栅格效应的光刻物镜.此光刻物镜技术指标为,数值孔径NA＝0.3,工作波长λ＝442 nm,倍率10×,分辨率R≤1.2 μm,焦深4 μm,且镜片数量少,光学加工、光学校装公差要求低.结果表明,该镜头完全满足数字灰度光刻高质量成像的需要.     

利用维纳滤波改善声透镜光声成像系统的分辨率

为了克服衍射效应对光声成像系统分辨率的限制,需要采用逆卷积方法进行图像反演.从理论上分析了声透镜成像原理,模拟仿真了声透镜的点扩展函数对声透镜成像系统分辨率的影响和维纳滤波解卷积方法复原光声成像的过程,并利用自搭建的声透镜光声成像系统进行了深入的实验研究,得到了物平面上相距4 mm和3 mm的两个黑胶带点的直接成像光声...     

Efficient and wide spectrum half-cylindrical hyperlens with symmetrical metallodielectric structure

We propose a half-cylindrical hyperlens with symmetrical metallodielectric structure which consists of five periods of the symmetrical GaP/Ag/GaP films. Such hyperlens can transfer subwavelength information to the output surface (about one wavelength) due to the flat dispersion. Compared with the half-cylindrical hyperlens composed of the resonant Ag/GaP structure, the symmetrical GaP/Ag/GaP metallodielectric structure shows higher transmission and resolution for the propagating waves and evanescent waves, which is also confirmed by the transfer matrix method. In addition, subwavelength imaging can be realized when the incident wavelength varies from 550 nm to 650 nm.