三组元声子晶体中的缺陷态

运用基于平面波的超元胞方法，研究作为缺陷引入的第三组元材料(四氯化碳、水)对二维二组元声子晶体(水/水银，四氯化碳/水银)带结构的影响.结果表明，二组元声子晶体在引入第三组元点缺陷/线缺陷后，在原来的带结构中会出现缺陷态/带，原带隙的位置、宽度变化不大；缺陷态/带频率主要受第三组元材料物性参数的影响；这些缺陷态都是局域化的.因此，在具有宽带隙的二组元体系中引入适当的第三组元点缺陷/线缺陷，让缺陷态/带频率落在二组元体系的带隙中，就可以形成特殊的滤声态/波导态.声子晶体的这一特性对于声波/弹性波的传播和新的声学应用具有重要意义. 关键词： 声子晶体 三组元 点缺陷 线缺陷     

拓扑声子晶体

拓扑物态是当前凝聚态及材料物理领域的关注焦点.声子晶体是具有周期性结构的人工材料,其中的声子态或声波态也可具有拓扑性质.从声子晶体的背景知识出发,介绍了2类拓扑声子晶体的研究进展,即能谷声子晶体和外尔声子晶体,它们具有良好鲁棒性及超导传输特性的拓扑界/表面波,这种无障碍的传输特性具有广阔的应用前景.     

点缺陷阵列对声子晶体波导定向辐射性能的影响

将点缺陷阵列应用于声子晶体波导,提出一种具有高定向辐射性能的复合声子晶体波导. 基于有限元法的数值分析表明,附加到声子晶体波导表面的点缺陷阵列可激发出作为次级声源的谐振模. 谐振模辐射的声波与波导出射端口直接辐射的声波相互干涉,可以使声子晶体波导的法向辐射声压提高161.21%、发散角减小85.35%. 当点缺陷的数目增大到一定程度后,波导的定向辐射性能不再有明显的改善. 该研究为改善波导的定向辐射性能提供了一种新方法. 关键词： 声子晶体波导 点缺陷 谐振模 定向辐射     

基于手性声子晶体的谷拓扑声输运

研究手性风车形散射体构建的谷拓扑声波导。具有右手与左手手性风车形散射体的声子晶体具有截然不同的声谷拓扑特性。当两种手性风车形散射体从-60°旋转到60°时,其所构建的声子晶体均出现2次偶然简并的狄拉克点与谷霍尔相变。基于两种具有相反谷霍尔相的手性声子晶体构建的谷拓扑声波导,在其重叠体带隙内存在一对局域在波导分界面处的谷态边缘态。实验研究表明,该边缘态可以很好的支持谷拓扑声输运,且对弯曲与无序两种缺陷具有一定的鲁棒性.     

局域共振型声子晶体中的缺陷态研究

本文以二维固体局域共振声子晶体为例,对次波长区域缺陷态的实现机理及其特点进行了探讨.众所周知,工作于次波长区域的声子晶体可以用有效媒质理论来描述,其色散关系对其构成单元的排列结构并不敏感,因而使得共振型声子晶体的带结构难以被其构成单元的局域空间无序所打破.本文发现共振型声子晶体在其带隙附近的色散关系可由共振单元间的长程相互作用来理解.基于这一理解,对目前文献中提出的两种实现局域态的方法进行了研究,结果表明缺陷态的引入正是通过打破这种长程相互作用来实现的.另外,在此理解的基础上,通过引入非各向同性"缺陷"共振单元,实现了纵波与横波导波模式的分离.     

基于二硫化钼的可调一维声子晶体

声子晶体所具有的负折射率、局域缺陷态与弹性波带隙等特性,使其在声学隐身、声学波导以及减震降噪等方向展现了巨大的潜力.同时,二硫化钼优异的电学和力学性能使其成为制备纳米机电器件的理想材料.将单层二硫化钼转移到预先图案化的周期性结构上,可以制备出纳米尺度的声子晶体器件.本文设计了一种通过将单层二硫化钼转移贴合在预先制备的周期性沟槽阵列上,形成一维声子晶体的方案.有限元分析表明,这种声子晶体在MHz范围存在声子能带结构,可以实现对声波传播的控制.我们可以通过改变结构参数,或者通过改变施加在栅电极上的电压,对能带进行调控.这种结构为开发基于二维材料的纳米尺度的声子晶体器件提供了可能性.     

二维声子晶体同质位错结缺陷态特性

利用平面波展开法结合超原胞的方法研究了二维声子晶体同质位错结的缺陷态.分别研究了横向位错和纵向位错两种情况，研究结果表明：横向位错效应与线缺陷相似，它可以使处于禁带频率范围内的声波沿位错通道进行传播，形成声波导；纵向位错效应则类似于点缺陷，位错线两边三个最接近的散射子形成腔，因而能够产生局域模.另外，横向位错距离和纵向位错距离的大小将影响缺陷带的位置和数量，因此，可以通过调节横向位错距离或纵向位错距离来人为的控制同质位错结中的缺陷带. 关键词： 声子晶体 同质位错结 缺陷态     

声子晶体的负折射

通过对声子晶体负折射的实验和理论进行梳理,提出可以通过从对称性角度理解声波在周期性结构中的散射,来理解声学负折射现象的物理机制.在此启发下,本文继而运用有限元模拟,通过改变背景介质的声学常数,成功展示了声波在声子晶体中的负折射现象.     

弹性波斜入射声子晶体的缺陷模及其转型

推导出弹性波斜入射固-固掺杂结构声子晶体的转移矩阵和透射系数公式.计算固-固掺杂结构声子晶体中弹性波的透射系数.得到当横波斜入射时,透射波中横波的缺陷模随着入射角的增大而减弱,横波向纵波的转型随着入射角的增大而增强.当纵波斜入射时,透射波中纵波的缺陷模随着入射角的增大而减弱,纵波向横波的转型随着入射角的增大而增强.     

光子晶体线缺陷波导中的折射率相位移调制增强效应

在传统的基于全内反射原理的低折射率比介质波导所构建的相位移调制型光学器件中,调制区域的长度通常在毫米到厘米量级.由于器件横向尺寸保持在微米量级,因此狭长结构成为了传统光波导器件的典型特征,这限制了光学器件集成度的提高,严重制约了集成光路的进一步发展.光子晶体的出现为高密集成光路的发展提供了一条新的途径.本文使用平面波展...     

光子晶体线缺陷波导中的折射率相位移调制增强效应

在传统的基于全内反射原理的低折射率比介质波导所构建的相位移调制型光学器件中,调制区域的长度通常在毫米到厘米量级.由于器件横向尺寸保持在微米量级,因此狭长结构成为了传统光波导器件的典型特征,这限制了光学器件集成度的提高,严重制约了集成光路的进一步发展.光子晶体的出现为高密集成光路的发展提供了一条新的途径.本文使用平面波展开方法计算了光子晶体线缺陷波导中的色散曲线.研究发现:在色散曲线下边缘处,材料折射率的一个微小变化可以引起传输常数的较大变化,如果工作频率点选择在带下边缘附近,则可以大幅度减小相位移调制型器件调制区域的长度.本文使用时域有限差分方法进一步验证这种增强效应,计算结果表明,对于0.46%的折射率变化,光子晶体线缺陷波导中的相位调制长度仅为均匀媒质中相位移调制长度的11.7%.通过以进一步研究,这种增强效应有望应用与高密度集成光路.     

声子晶体中的声谷态输运

如同自旋电子学中的自旋,固体中的能谷自由度可视为新的信息载体,从而用于未来的电子器件设计。最近,作者将谷态的概念引入到声子晶体中,揭示其涡旋属性并建立激发选择定则。有趣的是,声谷态可由外部声场直接激发,并通过探测声子晶体内外的声场分布展示其极化特性。这种涡旋手性锁定的谷输运将为人们提供全新的声波操控方式。考虑到声和物质的相互作用,也可预期谷涡旋态的其它新奇应用,如旋转操纵微颗粒等。进一步研究发现,存在两类拓扑非平庸的声谷霍尔相,它们之间的界面可以支持拓扑保护的边缘态。研究表明,该边缘态具备各种新颖的性质,如谷选择性激发、边界拐弯抗反射等。     

声子晶体材料的吸收对弹性波缺陷模的影响

为了研究声子晶体材料的吸收对缺陷模的影响,引入复波数,推导出一维掺杂声子晶体的转移矩阵,计算了衰减系数和周期数对透射波和反射波中缺陷模的影响。得出:当周期数一定时,衰减系数对一维掺杂声子晶体的透射波和反射波中的缺陷模都有显著的影响,缺陷模的峰值随衰减系数的增加而迅速减小,缺陷模的宽度随衰减系数的增加而增大。当衰减系数一定时,缺陷模的峰值和宽度都随周期数的增加而迅速减小。     

离子型声子晶体的光学性质

提出了离子型声子晶体的概念,发展了相应的理论：在实验上证实了离子型声子晶体中存在超晶格振动与电磁波的强烈耦合,观察到原先存在于离子晶体中的极化激元等长波光波行为;预言了一些可能的物理效应,离子型声子晶体超晶格振动和电磁波的耦合方程与黄昆方程在形式上完全一致,说明了超晶格与实际晶格在物理上的相似性。     

基于声子晶体的传感隔振系统的研究仿真

利用传输矩阵法研究了镜像异质三周期一维声子晶体的振动带隙的特性,通过理论分析得出波矢与频率的色散关系表达式,根据本文设计的隔振器的材料属性与结构特征,Matlab仿真得出声子晶体隔振材料的禁带频率范围为19.8—2355Hz、2979—11775Hz、12525—23550Hz,冲击的频率范围是20Hz—2kHz,在禁带频率范围内.利用ANSYS软件对弹载传感系统进行瞬态冲击分析,验证声子晶体的抗冲击效果,获得系统的最大应力为0.035MPa,最大位移为0.12×10~(-4)mm.仿真结果验证了声子晶体型传感隔振系统在冲击方面的可靠性.     

二维点缺陷声子晶体中缺陷填充率对能带的影响

用超元胞的平面波展开法,计算了存在点缺陷的二维水/水银声子晶体的能带结构和压强分布。通过改变5×5超元胞中心圆柱体的半径而引入缺陷,发现缺陷填充率（F_d）小于或大于正常柱体填充率（F₀）一定数值时（如当F₀=0.35,F_d<0.10或F_d>0.50）,都将出现缺陷态,且F_d对缺陷态的频率有重要影响。还比较了当F_d=0.03和F_d=0.90两种情况下缺陷态的压强分布,计算结果表明压强分布均具有局域性,F_d的大小对单模缺陷态的局域程度有影响,而对二重简并模无显著影响。     

三维声子晶体带结构研究

运用平面波展开法计算由长方体散射物以面心立方结构排列于基体中形成的三维声子晶体的带结构,研究不同组分材料、散射物的填充率和长方体散射物的高与长之比 R_(HL)对带隙的影响.结果表明,将质量密度和波速大的散射体放在质量密度和波速小的基体中所形成的三维(面心立方)固态声子晶体有利于带隙的产生；散射体的填充率为中间值时带隙最宽；散射体的对称性强烈影响带隙,当 R_(HL)大于等于1时,带隙宽度随 R_(HL)的增加而减小,相反,当 R_(HL)小于1时,带隙宽度随 R_(HL)的增加而增加.     

新型功能材料——声子晶体

声子晶体是20世纪90年代初提出的一种新型声学功能材料，这种周期性弹性结构具有许多重要性质，如声波带隙特性，即处于禁带频率范围内的振动或声波将被禁止在晶体中传播。通过求解声波在晶体中的运动方程可以设计一定的声子禁带和允带，而声子禁带与声波异质结构中声子的安德森局域化问题密切相关。文章重点阐述了声子晶体的主要特征、理论研究方法、潜在应用及前景展望。     

径向声子晶体隔声特性*

该文构造了由两种匀质材料交替分布的径向声子晶体柱壳模型。首先,针对声波在其中的轴对称传播情况进行了理论分析,建立了声波由内向外传播的传递矩阵,进而导出了声压透射系数和隔声量表达式。采用数值分析的方法系统地讨论了径向声子晶体柱壳的隔声特性,并与单一材质柱壳的传播规律进行对比分析,其次,借助有限元仿真分析的手段对数值结果进行了验证。最后,详细分析了内外流体的特性阻抗对径向声子晶体柱壳隔声特性的影响,得到了相应的参数影响规律。研究表明,径向声子晶体柱壳存在声波带隙,导致其在带隙范围内的隔声效果远远优于单材质柱壳,并且该结构的固有特性突破了质量定律的限制;声波带隙内表面局域态现象出现与否由内外声场和结构场共同决定。     

声子晶体中的多重拓扑相

研究了圆环型波导依照蜂窝结构排列的声子晶体系统中的拓扑相变.利用晶格结构的点群对称性实现赝自旋,并在圆环中引入旋转气流来打破时间反演对称性.通过紧束缚近似模型计算的解析结果表明,没有引入气流时,调节几何参数,系统存在普通绝缘体和量子自旋霍尔效应绝缘体两个相;引入气流后,可以实现新的时间反演对称性破缺的量子自旋霍尔效应相,而增大气流强度,则可以实现量子反常霍尔效应相.这三个拓扑相可以通过自旋陈数来分类.通过有限元软件模拟了多个系统中边界态的传播,发现不同于量子自旋霍尔效应相,量子反常霍尔相系统的表面只支持一种自旋的边界态,并且它无需时间反演对称性保护.