基于光-电-热-寿命理论的LED寿命预测模型

LED的输出光通量、输入电功率、结温以及寿命之间互相影响、紧密联系。在设计、使用LED时需要综合考虑各个参数才能使LED工作在最佳状态。针对LED提出了光-电-热-寿命理论,该理论揭示了LED的输出光通量、输入电功率、结温以及寿命这4个参数之间的内在联系。使用该理论可以建立LED寿命预测模型,找到LED的输出光通量和寿命之间的关系式,根据该关系式可以预测LED的寿命,评估LED的可靠性。由此可以找到合适的LED工作点,兼顾LED输出光通量和LED寿命,实现LED在全生命周期内输出光通量最大,从而达到优化LED工作状态的目的。     

基于光-热-结构模拟的罗兰圆型光谱仪热工况优化设计

针对目前紫外光谱仪热工况优化研究缺乏的问题,该文设计出一款探测范围为200 nm～450 nm、全波段分辨率不低于0.2 nm的罗兰圆光谱仪,并耦合光、热、结构模拟对其光室热工况开展优化研究。热仿真结果表明:在无加热、无入口风速下光谱仪底座温度、温差随时间不断增加,难以达到热平衡;优化光室入口风速,发现当入口风速为0.8 m/s时,整体温度降至36.103℃～39.859℃;基于光学器件间的热变形量的计算,光学器件截距总热变形量为0.203 mm;优化加热方式,发现顶层式加热方式最佳,整体温度降至34.241℃～36.139℃,光学器件截距总热变形量降至0.122 mm。对此进行光学仿真,结果表明,优化工况后的罗兰圆光谱仪工作热变形后可清晰分辨出两束波长相差0.2 nm的光束。     

平板集热太阳热电器件建模及结构优化

太阳能热电转换是光伏效应外另一种直接将太阳辐射转变为电能的途径, 近年来已经成为太阳能利用的热点之一. 本文以Bi₂Te₃材料为基础构建平板集热太阳热电器件模型, 采用有限元法分析AM1.5辐射条件下器件温度分布情况, 并结合基于温度的物性参数计算集热比、热臂截面积与长度变化等因素对器件的开路电压、 最大输出功率及转化效率的影响. 研究发现: 集热比与热臂长度的变化对器件性能有显著影响, 热臂截面积的变化对器件转化效率影响相对较弱; 在这一模型中, 平板集热太阳热电器件的转化效率达到1.56%.     

利用陷光结构增加硅薄膜太阳能电池的吸收效率

提出了一种含有光锥光子晶体防反射层和四棱锥光栅背反射层的a-Si薄膜太阳能电池结构,吸收层厚1μm,总厚度为1.45μm。根据光子晶体及亚波长光栅的衍射特性,利用严格耦合波方法对器件参数进行了优化。计算结果表明:当光锥结构倾角θ=72°、晶格常数T1=1 200 nm、介质底半径r=100 nm时,防反射层的透射率较高,在300~600 nm波长范围内,该薄膜太阳能电池的吸收效率比不含防反射层电池提高了11.54%;当四棱锥光栅结构周期L=1.2μm、占空比f=0.38、槽深h5=560 nm时,背反射层的反射效果较好,在600~850 nm波长范围内,电池的吸收效率提高了3.75%。所设计的薄膜电池结构在波长为300~750 nm、入射角为0°~75°范围内的吸收效率均在80%以上,平均吸收效率达92%,满足太阳电池对宽频谱、广角度的光俘获的要求。     

基于软光刻的多层光互连垂直耦合结构

设计并试制了一种新型垂直耦合光互连线路结构,可用于高速计算机内部等垂直堆叠的多层连通光互连的芯片间光信息通讯。其结构简单,且具有较小的连接损耗(可低至0.05dB)。对四种不同的典型波导截面(分别为30μm×30μm,50μm×50μm,100μm×100μm,200μm×200μm),利用蒙特卡罗多光线追迹分析法对跨越1~6层的垂直耦合结构进行了性能分析,发现当该结构的跨越高度与横向跨越距离的比值约为0.128时,可实现较理想的低损耗(低于1dB)光传输。采用软光刻的方法制备了实验多层光互连线路,其性能测试与理论结果基本相符。     

基于渐进结构优化的结构-声拓扑优化研究

研究了连续结构在外力作用下的声辐射拓扑优化问题。运用有限元法(FEM)分析结构响应,运用边界元法(BEM)处理外场的声辐射问题,采用渐进结构优化(ESO)来进行声拓扑优化分析。以一平板为例分析了在外谐力作用下的结构-声辐射拓扑优化。结果表明用渐进结构优化(ESO)来进行结构-声拓扑优化是可行的、有效的。     

MO磁光薄膜的光致局域热研究

以激光照射下TbFeCo四层结构为例,通过体积功率函数g的纵向分布,分析了MO盘片各层的光能吸收情况.借助有限元方法对热扩散方程进行数值运算,给出了多层膜膜体温度的时空分布,分析了各层中的热扩散情况.通过对影响热磁记录的激光功率、激光照射时间和表面热流速率γ等因素的研究,给出了适合研究体系的激光功率、激光照射时间和表面热流速率.旨在通过TbFeCo这一特例的热学分析,为其它的光盘(如DVD-ROM)的热学研究提供借鉴. 关键词：     

动磁式作动器电-磁-热-流耦合数值模拟

以二自由度动磁式作动器为研究对象,提出基于Maxwell与Icepak的电磁场、温度场、流体场耦合传递方法.将电磁场中的涡流损耗和铜耗映射到温度场,采用强制液冷对作动器进行散热设计,并与自然冷却的温升进行对比.分析冷却液流速对散热的影响规律,利用管内强制对流Dittus-Boelter关联式与数值模拟结果进行对比验证....     

基于单透镜的空间光-单模光纤耦合方法

将自由空间光耦合进单模光纤产生超连续谱的实验中,空间光与单模光纤的耦合效率是其中的一个关键问题。常采用的单透镜或显微物镜进行耦合存在耦合效率低、调整难度大、端面易损伤等问题。提出了先将自由空间的光耦合进纤芯尺寸较大的单模光纤,然后将纤芯较大的单模光纤和纤芯较小的单模光纤进行熔接。实验结果表明,改进的耦合系统耦合效率大大提高,达到60%以上,且调整难度降低,光纤端面的损伤概率降低,大大提高了超连续谱产生的效率。     

基于单透镜的空间光-单模光纤耦合方法

将自由空间光耦合进单模光纤产生超连续谱的实验中,空间光与单模光纤的耦合效率是其中的一个关键问题。常采用的单透镜或显微物镜进行耦合存在耦合效率低、调整难度大、端面易损伤等问题。提出了先将自由空间的光耦合进纤芯尺寸较大的单模光纤,然后将纤芯较大的单模光纤和纤芯较小的单模光纤进行熔接。实验结果表明,改进的耦合系统耦合效率大大提高,达到60％以上,且调整难度降低,光纤端面的损伤概率降低,大大提高了超连续谱产生的效率。     

热光耦合作用下的光纤传输特性

通过求解电磁波束包络方程和能量方程的耦合方程组,考虑温度对材料介电系数的影响及传输损耗产热的耦合作用,求解了复合热边界条件下光纤的基模态传输和损耗问题。研究表明:随着纤芯半径的增大,电场强度、能量耗散密度减小,传播常数增大;环境温度降低、对流换热系数增大和表面发射率升高都会使得传播常数减小,电场强度、能量耗散密度增大;能量耗散密度和电场强度随截面曲率的变化并不是线性的,还受到其他因素的共同作用。     

绝热耦合超对称光波导结构

基于超对称的概念,在超对称光学波导对的基础上设计出超对称三波导结构,并引入斜波导作为绝热耦合中间介质,以解决超对称波导器件的定向模式耦合问题。通过束传播方法模拟了耦合过程,讨论了斜波导倾斜角对耦合效率的影响,并得出了最佳的耦合条件。最后设计了一种基于超对称波导结构的三通道模分复用器,为高速短程光复用/解复用交互技术提供了新思路。     

基于光条信度评价的线结构光传感器曝光时间优化

研究了基于线结构光光条信度评价的相机曝光时间优化方法,将信度评价结果作为曝光时间优化的参考指标。结合光条切面服从高斯分布的特点,对已有光条信度评价模型进行改进,构建高斯信度评价模型;利用亚像素光条中心提取方法对不同曝光时间下采集到的光条图像进行光心提取,提取结果经高斯信度评价模型评价得到评价信度值C和灰度值R;分析曝光时间t对评价结果的影响机理,构建t-C、t-R变化模型,并通过分析变化模型得到了相机最优曝光时间。实验以230lx光强下的高精密齿条和水泥路面模型作为测量对象,结果表明:曝光时间优化后的测量更准确且效率更高,单光条测量的平均残差平方和约为0.03mm2,重构模型的平均构造深度与真实模型仅差9.8%。     

基于微腔耦合结构金属弯曲波导的光透射特性

提出了一种基于微腔耦合结构的等离子体弯曲波导新型滤波器,该滤波器由两个直角波导和一个矩形谐振腔组成,光通过该结构会激发表面等离子体激元(SPPs)。采用时域有限差分(FDTD)法研究了此结构SPPs的传播特性。结果表明,相比于传统的直波导结构,由于其会引发双边耦合效应,这种单微腔弯曲波导结构产生了更强烈的共振作用,其耦合效率也得到了进一步的提高。数值仿真结果表明,通过改变谐振腔的腔长,也可达到线性调节滤波器共振波长的目的。此外,在上述设计思路的基础上还提出了一种双微腔结构,此结构由一个弯曲波导与左右两个谐振腔组成,其可利用两个微腔透射波的叠加作用,产生动态可调控的等离子诱导透明效应。     

超级质子-质子对撞机中束流热屏的热-结构耦合模拟分析

束流热屏(beam screen)是新一代高能粒子对撞机中的重要部件,用于将束流在管道中运行时产生的热量转移到冷却系统中,同时通过束流热屏上的排气孔将残余气体输送至冷管壁上,维持良好的真空度.然而,在转移热负载的过程中,温度变化产生的形变会影响束流热屏的结构稳定性.如何在保证束流热屏良好传热性能的情况下,尽量减小形变是优化束流热屏结构设计的关键问题之一.本文采用ANSYS软件对束流热屏模型的传热性能和力学性能进行了模拟,并优化了束流热屏结构设计,增强其传热性能和结构稳定性.对于束流热屏外屏的内表面,采用减小铜涂层厚度的方式来降低运行过程中产生的洛伦兹力.相关理论模型计算结果表明:与厚度为100μm的铜涂层工况相比,当铜涂层的厚度在0到100μm之间变化时,厚度为75μm的铜涂层可以使束流热屏外屏的最大形变降低70.9%,同时使束流热屏的最高温度升高1.1%.对于束流热屏内屏,采用间隔布置支撑肋片的设计方案对束流热屏的结构进行加固处理,提高束流热屏整体的结构稳定性.计算结果表明:与未加支撑肋片的工况相比,当相邻两个支撑肋片之间的间隔为1个排气孔时,束流热屏内屏的最大形变可降低86.8%,同时使束流热屏的最高温度降低7.69%.研究成果为新一代高能粒子加速器真空系统中关键部件束流热屏的设计提供重要的理论参考.     

基于通用型耦合方法蒙特卡罗核热耦合

在自主堆用蒙卡程序RMC内部开发的热工水力子通道功能模块 RMC-TH以及蒙特卡罗几何栅元计数器的基础上,研究并开发了通用型内耦合接口。与传统依赖文件传递信息的外耦合相比,该耦合方式对两种物理过程使用统一的输入文件,利用重复结构热工反馈栅元展开技术,可以实现物理-热工大规模几何模型的快速内部对应,突破了以往核热耦合程序通用性的限制;截面更新方面,采用在线多普勒展宽法（OTF）实现温度对中子截面的反馈作用。该方法只需加载0 K的截面库,可以降低对计算机内存的需求,提高计算效率。以单棒及典型压水堆PWR1717组件为例,对核热耦合过程进行了稳态模拟分析,结果证明了内耦合方法的可行性、正确性及高效性。     

基于通用型耦合方法蒙特卡罗核热耦合

在自主堆用蒙卡程序RMC内部开发的热工水力子通道功能模块 RMC-TH以及蒙特卡罗几何栅元计数器的基础上,研究并开发了通用型内耦合接口。与传统依赖文件传递信息的外耦合相比,该耦合方式对两种物理过程使用统一的输入文件,利用重复结构热工反馈栅元展开技术,可以实现物理-热工大规模几何模型的快速内部对应,突破了以往核热耦合程序通用性的限制;截面更新方面,采用在线多普勒展宽法（OTF）实现温度对中子截面的反馈作用。该方法只需加载0 K的截面库,可以降低对计算机内存的需求,提高计算效率。以单棒及典型压水堆PWR1717组件为例,对核热耦合过程进行了稳态模拟分析,结果证明了内耦合方法的可行性、正确性及高效性。     

金薄膜衬底上介质-金属核壳结构的光学力调控

采用时域有限差分法和麦克斯韦应力张量法,系统研究了金薄膜衬底上介质-金属核壳结构所受的光学力.研究结果表明:由于核壳结构与衬底之间强的等离激元模式杂化效应,其所受的光学力相较于单个核壳结构实现了一个数量级的增强;同时,通过改变激发波长,实现了局域电场分布的调控,以此观察到了核壳结构光学力方向的可控反转;进一步,详细分析了核壳结构所受光学力随其到衬底间距、内核介质的尺寸及折射率等的变化关系,以此丰富了光学力大小、方向和峰值波长的调控方法.研究结果可为精确控制颗粒/金属薄膜纳米腔的尺寸提供一种新的途径,并为调控单分子级的光与物质相互作用、研发新型纳米光子器件提供有益参考.     

基于电化学-热耦合模型研究隔膜孔隙结构对锂离子电池性能的影响机制

隔膜孔隙结构对锂离子电池性能具有重要的影响,本文提出了可准确描述充放电过程中锂离子电池内部复杂物理化学现象的电化学-热耦合模型,发现该模型较文献中模型的计算结果更接近实验测试数据.利用该模型探讨了隔膜孔隙率与扭曲率分别对锂离子电池性能的影响规律,发现减小孔隙率或增大扭曲率,电池输出电压、最大放电容量和平均输出功率均不断降低,电池表面温度和温升速度均不断升高;当孔隙率减小或扭曲率增大到一定程度时,放电初期电池输出电压均会出现先下降后回升的现象,且孔隙率越小或扭曲率越大,其下降的幅度越大、速度越快,回升所需时间也越长;要确保其不低于截止电压,隔膜扭曲率必须小于临界扭曲率(其下降至最低点刚好等于截止电压时的隔膜扭曲率).综合分析了放电过程中电池内部各电化学参量和产热量的动态分布规律,发现隔膜孔隙率和扭曲率主要影响放电末期电极膜片内部电化学反应以及其他放电时刻电解液中有效Li~+扩散(传导)系数.