两层生物组织光学特性参数无损测量的模拟研究

生物组织的光学特性参数是与疾病的无损光诊断有关的重要的光学参数，一般的测量所应用的模型是假设生物组织为半无限厚的均匀结构。为了更能反映生物组织的真实特性，本文应用两层结构模型，即假设第一层为有限厚的均匀组织，第二层为半无限厚，由漫射方程经过傅立叶变换得到传输方程的漫射解。为检验漫射解的准确性，将漫射解的表面漫射光分布与Monte Carlo模拟结果进行了比较，结果表明两者符合得很好。为了研究由漫射解是否可以获得两层组织的光学特性参数，将漫射解与Monte Carlo模拟数据进行了非线性拟合，反演获得组织的光学特性参数，结果表明，由漫射解可以获得两层组织的有效散射系数和吸收系数。     

光在半无限厚多层矩形生物组织中的稳态漫射方程

传统的漫射方程均假设生物组织在纵向上是半无限厚的,横向上是无限大的。针对某些在横向上不是无限大的生物组织(如前臂和手指),建立了一个任意多层矩形生物组织漫射模型,该模型假设生物组织在纵向上是半无限厚的、多层的,在横向上是个矩形。在矩形边界条件下,根据光在生物介质中传播的漫射方程,结合外推边界条件,建立并给出了光在半无限厚稳态多层矩形介质中的漫射方程的精确解,利用建立的模型计算了空间分辨漫反射,同时编写相应的蒙特卡罗模拟程序,验证方程的正确性。建立的方程不但能解决横向上是矩形的介质问题,还能解决横向上无限大、纵向上半无限厚的介质问题,更能解决在横向上x或y轴之一是无限大、另一个轴是有限大小的组织问题。     

激光目标模拟器能量链模型的建立与分析

激光目标模拟器是激光制导武器半实物仿真系统的一个重要组成部分。它主要是用来模拟随气象条件、目标反射特性以及飞行距离的变化而变化的激光脉冲,为激光导引头提供一个与实际工作环境相接近的回波信号。从理论上论证了这种激光目标模拟器的可行性。依据波长为1 06μm的激光在大气中的传输特性,结合各种外界条件对它的影响,建立了激光传输的能量链模型,为激光制导武器半实物仿真系统提供了理论依据。     

半无限一维光子晶体的反射率

本文给出了入射到半无限光子晶体上的波的反射系数计算公式.对由普通材料、双负材料和单负材料组成的一维半无限光子晶体中光的反射进行了数值模拟计算.发现半无限光子晶体的反射率曲线与有限光子晶体相比变得平滑,是有限光子晶体迅速振荡的反射率平均的结果.TE波的反射取决于介电常数的差异,而TM波的反射取决于磁导率的差异.单负-单负材料中的场是倏逝场,存在一个通带使场无位相延迟的传播.当满足eB=-εA,μB=-μA和dA=dB条件时反射率变为零.     

侧边抛磨光子晶体光纤传输特性理论分析

在建立了侧边抛磨光子晶体光纤D型光纤光学模型的基础上,采用三维有限差分光束传输法计算和分析了侧边抛磨光子晶体光纤的光功率衰减、传输模场等与抛磨区几何参数(剩余半径、轴向旋转角、侧边抛磨区长度)的变化关系。结果表明,当剩余半径大于-1.5μm时,侧边抛磨光子晶体光纤的光功率衰减随着剩余半径的减小而增大;光沿着光纤传输时,基模光传输到抛磨区光功率发生衰减,经过抛磨区后,基模光功率出现回升。沿不同的轴向旋转角方向侧边抛磨,剩余半径大于0.5μm时,侧边抛磨光子晶体光纤的光功率衰减随着剩余半径变化的差别较小;剩余半径足够小时,光沿着光纤传输到抛磨区时,会产生高阶模,沿轴向旋转角θ=30°侧边抛磨时基模模场分布分散程度最大,且在抛磨区产生更多的高阶模。剩余半径大于1.5μm时,抛磨光纤长度变化对输出光功率影响很小,剩余半径小于1.5μm时,输出光功率透射率随着光纤抛磨长度的变化呈振荡变化。分析结果可为侧边抛磨光子晶体光纤的器件制作提供理论指导。     

超短激光脉冲作用下生物组织体光学响应的时域和频域分析──Dirichlet边界条件和无向点激励源

生物组织体在超短激光脉冲激励下的表面光学响应特性，如光子平均飞行路径、光通量、相移和调制深度等，在光学时域及频域无损测量、组织体光谱学和光学三维成象研究中具有重要的意义，而生物组织体对近红外和可见光呈现的高散射特性使得激励光子在组织体内的传输行为复杂化，精确地测定和计算上述光学响应量一直是人们感兴趣的问题．本文基于描述组织体内光子传输的扩散方程模型，阐述了时域、频域测量的等效性，从无限空间几何结构出发，逐次导出了常见几何形状均匀组织体光学响应的解析表示，在此基础上给出了典型参数下的计算结果并讨论了计算中可能出现的问题及其解决方法．     

含负折射率材料并具有零平均折射率的半无限一维光子晶体的表面态

用传输矩阵方法和Bloch定理,从理论上分析以色散介质为背景,由正负折射率材料组成的半无限一维光子晶体的表面态,发现以色散介质为背景,在满足平均折射率等于零的情况下,第一层厚度变化时,表面态将会在较大频率范围内显著变化。讨论了同一入射角度下不同频率的表面态的电场分布情况,结果表明：远离带边的表面态局域长度较小。     

嵌入线型缺陷的石墨纳米带的热输运性质

采用非平衡格林函数方法研究了嵌入有限长、半无限长、 无限长线型缺陷的锯齿型石墨纳米带 (ZGNR)的热输运性质.结果表明, 缺陷类型和缺陷长度对ZGNR的热导有重要影响. 当嵌入的线型缺陷长度相同时, 包含t5t7线型缺陷的石墨纳米带比包含Stone-Wales线型缺陷的条带热导低. 对于嵌入有限长、同种缺陷的ZGNR, 其热导随线型缺陷的长度增加而降低, 但是当线型缺陷很长时, 其热导对缺陷长度的变化不再敏感.通过比较嵌入有限长、半无限长、无限长线型缺陷的ZGNR, 我们发现嵌入无限长缺陷的条带比嵌入半无限长缺陷的条带热导高, 而后者比嵌入有限长线型缺陷的条带热导高. 这主要是因为在这几种结构中声子传输方向的散射界面数不同所导致的. 散射界面越多, 对应的热导就越低. 通过分析透射曲线和声子局域态密度图, 解释了这些热输运现象. 这些研究结果表明线型缺陷能够有效地调控石墨纳米带的热输运性质. 关键词： 石墨烯 线型缺陷 热导     

两类单负材料组成的一维半无限光子晶体反射谱

运用传输矩阵方法和Bloch定理计算了两类单负材料组成的一维半无限光子晶体反射谱,与有限多层结构通带中振荡的反射谱相比,半无限结构的反射谱曲线是光滑的,是有限周期结构反射谱振幅取平均的结果,可用来估计通带中的反射率.研究半无限结构的反射谱,有利于分析带隙的位置和宽度,结果表明,由两类单负材料组成的光子晶体中,不仅存在零有效位相带隙,还存在角度带隙,尤其发现高频处的Bragg带隙也是一个全方位带隙.     

中红外宽带消色差超透镜的设计

中红外热成像系统是通过探测物体本身的辐射进行成像，不需要外部光源。而传统的中红外热成像系统体积大，不利于小型化。本文基于传输相位理论，采用时域有限差分（FDTD）法，使用FDTD软件计算仿真，探究了不同的单元半径、纳米柱高度及单元周期对相位延迟及透过率的影响，并且针对不同的纳米柱半径，利用传输相位调控实现中红外（3～5μm）波长下全介质硅材料的宽带消色差超透镜设计。其数值孔径为0.24，仿真焦距值为147.3μm，半峰全宽（FWHM）为8.11μm，透镜透过率达到70%。设计的超透镜不仅体积小、质量轻、全波长聚焦效率可达到54%，而且为平面透镜，因此易于光学系统集成，在红外成像、红外夜视仪、红外遥感等技术中展现出广阔的应用前景。     

一种基于3×3光纤耦合器的短距离光纤频率传递的噪声抑制方法

提出了一种噪声抑制方法，设计了基于3×3光纤耦合器迈克尔逊干涉仪的频率传递系统，使用嵌入式系统进行控制，通过调整光纤长度，实时补偿由温度变化等环境因素引起的时延变化，并进行了实验验证。启用时延补偿后，实验用的30 m长传输光纤在环境温度变化21℃条件下长度变化量小于±1μm，对应时间延迟变化量小于10 fs，所传输的光梳重频信号的频率稳定度没有明显变化。本文工作有望为空间条件下的光钟信号向比对设备的传输路径噪声抑制提供有效的解决方法。     

低阈值混合表面等离子体纳米激光器的仿真设计

设计了一种包含圆柱形纳米线、空气间隙和半圆顶金属脊结构的低阈值纳米激光器.通过有限元法对激光器的模式特性、品质因数以及增益阈值进行数值计算,并研究了这些特性因子随结构几何参数(空气间隙、金属脊宽度和纳米线半径)的变化情况.结果表明,通过对参数进行调整,激光器的性能得到了显著优化.在最优参数下,增益阈值可达0.47μm-1,传输损耗仅为0.018.本文设计的纳米激光器能够实现低阈值的亚波长激射和低损耗传输,在生物医学、光通信等领域有广泛的应用前景,可为小型化和集成化的纳米设备提供技术支持.     

整体毛细管X射线半会聚透镜在微区EXAFS分析技术中的应用

利用整体毛细管X射线半会聚透镜对同步辐射X射线进行聚焦, 经透镜会聚的微焦斑直径在10μm量级, 焦斑位置处的功率密度增益在10³量级. 在5.5—11.5keV能量范围内, 透镜焦斑直径由38μm变为29μm, 透镜传输效率由26.1%变为20.5%, 焦斑的中心位置移动了3μm; 透镜的出口焦距变化了155μm. 在上述透镜性能研究的基础上, 研究了该微焦斑同步辐射在微区EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure)分析技术中的应用.     

一维光子晶体缺陷模的偏振特性研究

利用周期结构的布洛赫定理推导了一维无限光子晶体缺陷模方程,研究了缺陷模的偏振特性,以及在不同入射角和缺陷层厚度下缺陷模位置的变化.利用传输矩阵方法对有限周期数光子晶体也进行了研究,分别对应一维无限光子晶体和有限周期数光子晶体给出了数值计算结果.通过比较这两者的数值结果得出了缺陷模随入射角和缺陷层厚度变化的一般规律.     

正负折射率材料组成的半无限一维光子晶体的反射率

计算了由正负折射率材料交替生长形成的半无限一维光子晶体的反射率,发现在带隙中,反射率等于1,在通带内,半无限结构的反射率是有限层结构迅速振荡的反射率平均的结果. 当该结构中正负折射率材料的光学厚度相互抵消时,会出现零平均折射率能隙.解析地证明了该结构零平均折射率附近的能隙几乎不随入射角度和偏振情况变化,而且跟晶格常数的标度无关. 关键词： 半无限光子晶体 反射率 负折射率     

微米BCN棒的制备及相关材料的物理性质

轻元素共价键硼碳氮（ＢＣＮ）化合物随组分和原子环境的变化，表现了由半金属到宽湿润地导体之间可调的物理性质，利用偏压辅助的热丝化学气相沉积方法，成功地制备了直径为２０μｍ、长度为１００μｍ的微米量级ＢＣＮ棒，并进一步研究了它的化学成分和原子键态。     

高分子有机场效应晶体管中半导体薄膜结晶行为及微观结构变化的研究

为了探索高分子有机场效应晶体管(OFET)中高分子自组织机理与电荷传输的关联性,采用同步辐射掠入射X射线衍射技术研究了高分子OFET中以高度区域规则的聚(3-己基噻吩)(RR-P3HT)为代表的半导体层的结晶行为及微观结构组织变化,及其引起的高分子半导体电荷传输机理.研究发现,采用自组装单分子层(SAMs)技术进行界面修饰,可以完善绝缘层与RR-P3HT半导体层之间的界面效果.SAMs的形成改善了界面,可以有效地控制上层RR-P3HT半导体层的结晶性及微观结构,使较多的噻吩环面垂直于衬底、得到π-π堆积方向平行于衬底的二维微晶粒薄片结构,这种微观结构有效地形成了二维共轭电荷传输通道,完善了在RR-P3HT工作层生长过程中的自组织机理;并且对于RR-P3HT半导体工作层来说,慢速生长过程比快速生长过程更有利于有效的二维共轭微晶粒薄片生长,更能完善RR-P3HT工作层生长过程中的自组织机理. 关键词： 高度区域规则的聚(3-己基噻吩)有机场效应晶体管 同步辐射掠入射X射线衍射 自组织机理 微观结构     

多个侧向链对横向量子线传输性质的调制

利用递推格林函数方法，研究了与多个量子点间无相互作用的量子链相耦合的横向量子线的电子输运特性，发现量子链上格点的个数N_U与侧向无限或有限量子链个数N对横向量子线输运性质的不同调制规律.由计算可知，利用格林函数可以方便的对传输构型及传输链中的格点数进行调解，从而得到各种人为量子器件的输运性质. 关键词： 递推格林函数 无限链 有限链 电子输运     

泡沫镍孔隙尺度光谱辐射特性的实验与数值研究

实验测量了不同厚度的泡沫镍在0.4~2.2μm波长的法向-半球反射率/透射率,采用蒙特卡罗法对泡沫镍的计算机断层扫描结构进行孔隙尺度辐射传输建模,对比研究了泡沫镍辐射特性随入射光谱和样品厚度的变化,计算得到了泡沫镍辐射特性的孔隙尺度分布特征。结果表明:所建立的泡沫镍孔隙尺度辐射传输模型在计算其光谱辐射特性方面具有正确性。波长增长,吸收率逐渐降低,反射率逐渐升高;样品厚度增加,吸收率逐渐升高并趋于稳定,透射率逐渐降低至0。孔隙尺度辐射特性分布强烈依赖于局部纹理结构,波长1.5μm时,泡沫孔隙中的平均吸收率是肋筋上的1.5倍,而肋筋上的平均反射率则达到孔隙中平均反射率的3.7倍。     

基于非对称脊波导的多种聚合物弯波导性能分析

以缩短马赫-曾德尔(M-Z)电光调制器分支波导为目的,将有机聚合物非对称结构的脊波导应用于S弯波导中。采用半矢量有限差分光束传输分析法,系统地分析了不同参数下采用非对称脊波导的三种常见弯波导,即正弦弯、圆弧弯和余弦弯分支波导的TM00光场传输损耗,并与采用对称脊波导的结构相比较。研究表明,在芯层厚度h=1.5μm、脊高为0.3μm、脊宽w=4μm、分支高度G=11μm的情况下,当脊波导短边芯层平板宽度s≥2μm时,在相同传输损耗条件下,正弦弯、圆弧弯和余弦弯分支波导长度分别可减少40%、30%和25%,该结果对有机聚合物M-Z调制器中分支波导的设计具有一定的参考价值。