光子晶体发光二极管光抽取效率及远场辐射特性的数值研究

运用三维时域有限差分法,研究了完美/缺陷光子晶体特定参量的改变对发光二极管光抽取效率影响,得出优化参量.基于近场远场转换,进一步分析了两种不同类型的缺陷引入及其周边空气孔半径的改变对光子晶体发光二极管远场辐射特性的影响.数值研究的结果表明,通过引入缺陷以及减小缺陷周围空气孔半径能够同时提高光子晶体发光二极管的光抽取效率和远场辐射方向性.     

基于缺陷光子晶体结构的GaN基发光二极管光提取效率的有关研究

现有的研究表明,利用光子晶体可以有效提高发光二极管的光提取效率.由于在制造时光子晶体中可能会存在缺陷和错位,本文基于时域有限差分法对光子晶体中的缺陷和错位对发光二极管发光效率的影响进行了研究.数值仿真结果表明,光子晶体中少量缺陷或者微小错位并不会降低发光二极管的光提取效率,其中某些缺陷反而能增强光子晶体发光二极管的光提取效率.本文对其物理机理给出了详细的理论分析,并设计了一种具有缺陷的光于晶体,在未刻蚀到有源层(离有源层20 nm)的情况下,其光提取效率达到了完美光子晶体的1.6倍.通过对这种缺陷光子晶体的空间频谱分析可知,可以通过设计具有特殊空间频谱分布的光子晶体来提高发光二极管的发光效率,这对设计高光提取效率的光子晶体结构和制造高效率的发光二极管有指导意义.     

无序光子晶体提高GaN基蓝光发光二极管光提取效率的研究

亚波长尺度光子晶体结构可有效提升发光二极管(LED)的光提取效率(LEE),然而在制造过程中会存在缺陷或无序.利用时域有限差分法对理想方形光子晶体结构进行了优化,在此基础上对三种无序光子晶体结构进行了仿真,研究了光子晶体结构参数的无序变化对GaN基蓝光LED LEE的影响.结果表明,光子晶体空气孔位置和半径的无序变化使优化的80 nm光子晶体LED的LEE下降,而可使非优化的60nm光子晶体LED的LEE增加;当光子晶体空气孔位置和半径的无序变化量从0到士20 nm之间变化时,LEE最大会产生53.8％的浮动;光子晶体刻蚀深度的无序变化对LEE影响较小,一般可以忽略,研究结果为高性能蓝光光子晶体LED的设计制作提供了重要的理论参考.     

纳米压印制备的光子晶体结构对AlGaN基材料深紫外出光效率的提高

通过利用阳极氧化铝的方法制备高度有序的光子晶体结构作为纳米压印模板,将大面积光子晶体图案转移到了样品表面,解决了国际上小尺寸光子晶体制备困难的问题。采用纳米压印的方法在AlGaN基样品表面上制备了290 nm的周期光子晶体结构,并将表面具有光子晶体结构的AlGaN基样品正面出光强度提高121%。偏振特性的实验结果表明六角排列的孔状光子晶体将原来朝向样品侧面传播的TE偏振光偏折转向正面,从而增加光抽取效率,改变出光偏振度。指出远场角分辨图案的变化归因于光子晶体对出光的衍射和Bragg散射效果。实验中采用的创新性工艺可以用来制备具有高出光效率的深紫外发光二极管。     

铁电液晶缺陷光子晶体调谐滤波器的设计

将铁电液晶作为缺陷层引入一维光子晶体中,用电场改变液晶分子的取向,形成光子晶体快速可调谐滤波器.用传输矩阵法研究了铁电液晶缺陷光子晶体的可调谐滤波特性,计算了电压和液晶材料参量对滤波器透射谱的影响.结果表明:改变电压能容易改变光子晶体滤波器透射峰的位置、强度、个数和带宽,实现良好的调谐滤波功能.     

一种发光二极管模型中无序光子晶体对光输出影响的研究

摘要利用Order-N算法及超晶格技术讨论了位置无序及尺寸无序对石墨点阵柱状光子晶体光子带隙的影响.计算结果表明,对于电场偏振模,光子带隙对尺寸无序更加敏感.在此基础上,利用三维时域有限差分方法进一步讨论了无序光子晶体对石墨点阵柱状中心柱光子晶体GaN发光二极管模型光输出效率的影响.计算结果表明,无序对这种光子晶体发光二极管模型光输出效率的影响较小,且这种影响也是随机的.     

耦合腔光子晶体慢光波导结构

在单线缺陷结构中引入两个附加的相邻介质柱,构成一种新型的光子晶体耦合腔波导结构.通过平面波展开法对波导结构的的慢光特性进行了仿真分析,研究了平移线缺陷上下两侧介质柱,以及改变腔体的长度对器件色散特性和群速度的影响.结果表明:与平移缺陷上下两侧介质柱相比,通过改变腔体的长度,不仅可将光群速度低到0.03c(c为真空下的光速),而且器件的有效波长范围接近20nm.利用时域有限差分法得到波导结构的传输场分布图,研究波长的选取对入射激励光在光子晶体耦合腔波导中传输场的影响,发现结构参量优化后的光子晶体耦合腔波导仍然具有良好的传输特性.     

光子晶体波导对垂直腔面发射激光器光束远场形貌的调控

研究了光子晶体波导对垂直腔面发射激光器(VCSEL)光束远场形貌的调控.采用三层对称平板波导模型分析了影响光子晶体VCSEL(PC-VCSEL)远场发散角的参数.研究表明,PC-VCSEL中光子晶体的填充比(空气孔直径和光子晶体周期的比值)以及空气孔的刻蚀深度控制了光束的发散角,低填充比和浅刻蚀的PC-VCSEL有利于获得低发散角的光束.设计并制作了两种不同结构参数的PC-VCSEL,这两种器件中光子晶体的填充比和空气孔的刻蚀深度不同.实验结果表明,低填充比和浅刻蚀的PC-VCSEL的发散角更低,与理论分析符合得很好.     

表面为二维光子晶体结构的AlGaInP系发光二极管的研究

近年来,GaN基光子晶体发光二极管(light emitting diode,LED)的研究已经取得了一定的进展,利用光子晶体的光子带隙效应和光栅衍射原理,在LED上制作光子晶体结构将会提高出光效率.本文为了提高AlGaInP系LED的光提取效率,分析了常规LED光提取效率受到限制的原因,将光子晶体结构引入了AlGaInP系LED的器件结构设计,通过理论分析与实验验证,结果显示:光子晶体结构对于提高AlGaInP系LED的光提取效率同样起到了明显的效果,引入光子晶体后,LED的输出光强比常规结构LED平均 关键词： AlGaInP系LED 光子晶体 光提取效率 光强     

表面微腔光子晶体LED的光提取特性EI北大核心CSCD

提出并研究了一种基于表面微腔光子晶体的发光二极管(LED),利用多个谐振腔出射光之间的相干耦合作用产生束流准直效应,从而在提高光提取效率的同时,也改善了出射光的空间指向性。通过对表面光子晶体LED结构进行优化设计,使得表面微腔光子晶体LED的光提取效率较完整光子晶体LED提高了77.3%,而较普通平板LED提高了1.8倍以上。同时,微腔光子晶体LED相对普通平板LED和完整光子晶体LED来说具有更加明显的远场能量汇聚效应,让出射光具有更好的空间指向性。     

利用Ag@SiO_2纳米粒子等离子体共振增强发光二极管辐射功率的数值研究

金属纳米粒子利用其局域表面等离子体共振效应(LSPR),可以增强附近荧光分子的自发辐射速率,因而在光学传感、光电器件等领域中具有潜在的应用价值.金属纳米粒子的LSPR与其自身的材料、形状、尺寸以及周围环境介质密切相关,这影响着纳米粒子在具体器件中的应用.本文利用三维时域有限差分法,研究了相同体积的球形、椭球形、立方形与三棱柱形银纳米粒子对薄膜发光二极管辐射功率的影响;计算了不同形状银纳米粒子对偶极子光源辐射功率和薄膜器件光出射强度的增强,并结合LSPR效应讨论了辐射功率变化的物理机理.研究结果表明:银纳米粒子自身形状尖锐程度的增加有利于提高LSPR的共振强度;同时纳米粒子的形状影响了LSPR共振电场与薄膜器件中偶极子辐射电场之间的耦合作用,其中立方形纳米粒子因为能实现最强的耦合作用而对器件的辐射功率增强最大.在此基础上进一步讨论了不同薄膜材料对LSPR共振及光源辐射功率的影响,发现较高的材料折射率有利于增强金属纳米粒子的LSPR与器件的耦合作用,从而改善发光二极管性能.     

The Generalized Stefan-Boltzmann Law of Slowly Changing Kerr-Newman Black Hole

Using the entropy density near the event horizon of Kerr-Newman black hole, the instantaneous radiation energy flux and the instantaneous radiation power of the slowly changing Kerr-Newman black hole have been studied. It is found that the thermal radiation of the Kerr-Newman black hole always satisfies the generalized Stefan-Boltzmann law and is affected by the gravitational field, the electromagnetic field around the black hole and the change of black hole event horizon. But the rate of the change of the event horizon usually makes very little affect on the instantaneous radiation energy flux and radiation power. Only when the rate of the change of the event horizon approaches to the light speed, it can make obviously affect on them.     

采用银纳米圆盘阵列提高LED发光特性的研究

为了提高GaN基蓝光LED的发光效率,设计了在LED有源层上方引入银纳米圆盘阵列的模型。利用时域有限差分方法计算了银纳米圆盘阵列不同结构参数情况下LED有源层自发辐射率的变化情况及光提取效率值。通过对有源区的近场分布和LED远场方向性的分析,理论上解释了利用该金属纳米结构生成的表面等离激元对LED性能增强的影响,利用该模型可使得表面等离激元与有源层有效耦合,从而增强有源层的自发辐射率。此外,银纳米粒子组成的阵列结构所生成的栅格矢量可以补偿表面等离激元的波矢量,从而可将局域化表面等离激元转为辐射性表面等离激元,显著提高LED顶端光提取效率。结果表明,当银纳米圆盘颗粒满足直径为120nm,厚度为30nm时,含该结构的GaN基蓝光LED自发辐射率比普通LED增强了3.6倍。在此基础上,当其按照晶格常数为220nm的三角晶格排列时,顶端光提取效率增强为2.5倍。这些结果为实际的高性能GaN基LED的设计与优化提供了一定的参考。     

海洋波导中目标声辐射场的计算方法

针对海洋波导中目标声辐射场的计算问题,提出了一种基于波叠加法并在近、远场采用不同水声传播模型的建模方法,可以将近、远场作为一个统一的系统进行高效地分析。该方法通过给定的已知表面振动速度的结构计算出目标内部虚拟点声源的源强,再配合在相应的水声环境中点声源传播模型的Green函数计算出结构外的声辐射场。以Green函数为纽带,在求源强和计算近场声辐射场时采用镜像虚源法,而在计算远场声辐射场时采用简正波法。通过该方法得到的有限水深波导中声速剖面为正梯度、负梯度、负跃层的3种情况下的脉动球、刚体摆动球的声辐射场计算结果与COMSOL的有限元计算结果进行对比,结果表明了该方法在提高计算效率的同时保证了计算精度。      

计算机模拟任意形状衍射屏的衍射

把菲涅耳衍射积分化为含快速傅里叶变换的积分,对任意形状衍射屏的衍射进行模拟,其特点是直接用含快速傅里叶变换的积分求解出不同传播距离观察屏上的光场分布,得出菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射的衍射花样.通过计算机对常见的缝孔的衍射的模拟,有助于理解衍射光在传播方向上近场衍射和远场衍射的不同和衍射花样的分布特征.     

球对称动态黑洞视界附近的瞬时辐射能通量及瞬时辐射功率

采用黑洞的薄膜模型和局域热平衡的假定,研究球对称动态黑洞视界附近的瞬时辐射能通量和瞬时辐射功率,得到了当截断距离η取定后,Vaidya黑洞视界附近标量场的瞬时辐射能通量与黑洞的质量和视界变化率有关,其瞬时辐射功率仅与黑洞的视界变化率有关.Vaidya-Bonner黑洞的瞬时辐射能通量和瞬时辐射功率与黑洞的质量、电荷和视界变化率有关.表明黑洞周围的引力场、电磁场以及视界的变化均对黑洞的热辐射产生影响.     

Localization and channeling of light in defect modes of two-dimensional photonic crystals

The spatial distribution of the electromagnetic field in a two-dimensional photonic crystal with a lattice defect is investigated. It is shown that in such a structure the field can be localized in a region smaller than one wavelength in size. The dependence of the spectrum of defect modes on the parameters of a two-dimensional photonic crystal is investigated. The light field at the exit of the photonic crystal possesses properties of a nonradiative mode, making it possible to achieve spatial resolution in the near-field much higher than the radiation wavelength. The possibilities of using this phenomenon in optical near-field microscopy to produce optical memory devices and to increase the efficiency of nonlinear optical interactions are discussed. Pis’ma Zh. éksp. Teor. Fiz. 70, No. 5, 323–328 (10 September 1999)     

高效率激光冷却原子束

计算了用远离共振的两个行波场作用于一个二能级原子使其能级产生调制后再与一个近共振的行波场相互作用产生的辐射压力。结果表明,这个力在合适的条件下,有可能比自发辐射力大得多,因而可以实现高效率的激光冷却。 关键词：     

The shadow and observation appearance of black hole surrounded by the dust field in Rastall theory

In the context of Rastall gravity, the shadow and observation intensity casted by the new Kiselev-like black hole with dust field have been numerically investigated. In this system, the Rastall parameter and surrounding dust field structure parameter have considerable consequences on the geometric structure of spacetime. Considering the photon trajectories near the black hole, we investigate the variation of the radii of photon sphere, event horizon and black hole shadow under the different related parameters. Furthermore, taking into account two different spherically symmetric accretion models as the only background light source, we also studied the observed luminosity and intensity of black holes. For the both spherical accretions background, the results show that the decrease or increase of the observed luminosity depends on the value range of relevant parameters, and the promotion effect is far less obvious than the attenuation effect on the observed intensity. One can find that the inner shadow region and outer bright region of the black hole wrapped by infalling accretion are significantly darker than those of the static model, which is closely related to the Doppler effect. In addition, the size of the shadow and the position of the photon sphere are always the same in the two accretion models, which means that the black hole shadow depend only on the geometry of spacetime, while the observation luminosity is affected by the form of accretion material and the related spacetime structure.