圆形吸收体复合抛物聚光器面形模型研究及仿真验证EI北大核心CSCD

固定光口聚光太阳能系统具有宽带集热温度、无需跟踪装置、无机械运动、易于集成构建、运行状态稳定等优点,因此针对圆形吸收体太阳能复合抛物聚光器(CPC)关键部件面形结构进行了研究。理论构建了圆形吸收体CPC面形结构模型,并获得其解析解。运用光学设计软件TracePro验证所构建理论模型的光学特性。利用圆形吸收体CPC面形光学特性,构建了CPC耦合太阳能集热系统,并建立其光学特性计算方法。针对所构建系统的光学特性进行了数值计算,结果表明所构建系统的采光量较真空管太阳能集热系统有所提高,平均提高比例为34.57%。     

圆形吸收体复合抛物聚光器面形模型研究及仿真验证

固定光口聚光太阳能系统具有宽带集热温度、无需跟踪装置、无机械运动、易于集成构建、运行状态稳定等优点,因此针对圆形吸收体太阳能复合抛物聚光器(CPC)关键部件面形结构进行了研究。理论构建了圆形吸收体CPC面形结构模型,并获得其解析解。运用光学设计软件TracePro验证所构建理论模型的光学特性。利用圆形吸收体CPC面形光学特性,构建了CPC耦合太阳能集热系统,并建立其光学特性计算方法。针对所构建系统的光学特性进行了数值计算,结果表明所构建系统的采光量较真空管太阳能集热系统有所提高,平均提高比例为34.57%。     

新型圆形吸收体太阳能复合抛物聚光器面形构建及光学分析

针对圆形吸收体提出了一种几何聚光比和可接收角同步提高的新型太阳能复合抛物聚光器(CPC),构建了新型CPC面形结构模型及数学解析解。对新型CPC的聚光性能进行了分析,并与常规CPC的光学性能进行了比较,结果表明:对于切线角相同的圆形吸收体新型CPC,随着圆形吸收体的直径增大时,面形起点的纵坐标值减小;当圆形吸收体直径和切线角分别为47 mm和5.56°时,面形起点的纵坐标为-29 mm;随着光口宽度角增大,新型CPC聚光器的几何聚光比减小,可接收角和平均光学效率随着光口宽度角的增大而增大;当光口宽度角为60°时,几何聚光比为1.16,可接收角为74.39°,平均光学效率为86.77%;新型CPC聚光器吸收体表面的能流分布较传统CPC更均匀。     

平板吸收体非对称复合抛物聚光器结构及特性研究

针对平板吸收体非对称复合抛物聚光器(PACPC)的结构及特性进行了研究。构建了平板吸收体复合抛物聚光器(CPC)面形结构模型,在其基础上进一步建立了PACPC结构方程,并获得解析解。采用光学设计软件TracePro对所构建的PACPC面形结构的光学特性进行了光学模拟,探究其光学特性,发现随着光线入射角的变化,吸收体表面接收到的辐射能分布不均匀。根据太阳能直散辐射理论,分别计算了PACPC在全年中的直散辐射量的采集,结果表明PACPC系统的年采光量较相同面积的平板吸收体系统得到了显著提高,平均年采光量提高了15.28%。     

基于元胞自动机的气动光学光线追迹算法

对于含激波等大密度脉动结构气动光学流场,沿着直线路径对折射率积分会带来较大的光程误差.因此,数值求解光线方程进行光线追迹是必要的.与数值求解光线方程不同,元胞自动机(cellular automata,CA)通过给定光线位置和方向变换规则来模拟光线在介质中传输路径.本文基于已有的实验测量、数值仿真所获得的高超声速流场密度场数据,分别采用数值求解光线方程法和CA光线追迹算法进行光线追迹,进而得到光线出射流场后的光程差.结果表明, CA算法对于二维气动光学流场中光线追迹的适用性,且较数值求解光线方程方法具有更高的效率.     

DMD微投影显示的LED光学引擎设计

提出了基于矩形CPC的微投影显示匀光方法,设计了由LED、CPC、矩形复眼透镜及微显示芯片DMD构成的光学引擎。利用基于蒙特卡罗法的光线追迹软件分析了圆形CPC和矩形CPC对微投影显示匀光效果、光能利用率的影响。实验结果表明基于矩形CPC的光学引擎相对于基于圆形CPC的光学引擎有如下优点:体积小,光学扩展量小,照度均匀性高达到92%以上,能量利用率高达到43%以上,满足微显示芯片DMD的要求。     

毫米波赋形聚焦双反射面天线设计

为实现一种具有近场聚焦、斜波束出射能力的偏馈口径天线,采用几何光学方法设计了一种赋形聚焦双反射面天线。基于光线传播的能量守恒定律、Snell定律及光径长度相等三个光学定律开展了天线主反射面赋形设计,副反射面的设计采用 Snell 定理作为约束条件。 通过理论公式和实验测试研究,实现了一种出射波束口径为 110 cm、波束出射方向与竖直方向成 20夹角的赋形聚焦偏馈双反射面天线。在中心频率 95 GHz 下,实测相位实现近场聚焦,出射波束与垂直方向成20夹角。     

毫米波赋形聚焦双反射面天线设计

为实现一种具有近场聚焦、斜波束出射能力的偏馈口径天线,采用几何光学方法设计了一种赋形聚焦双反射面天线。基于光线传播的能量守恒定律、Snell定律及光径长度相等三个光学定律开展了天线主反射面赋形设计,副反射面的设计采用 Snell 定理作为约束条件。 通过理论公式和实验测试研究,实现了一种出射波束口径为 110 cm、波束出射方向与竖直方向成 20夹角的赋形聚焦偏馈双反射面天线。在中心频率 95 GHz 下,实测相位实现近场聚焦,出射波束与垂直方向成20夹角。     

不同光线入射角度下超声速湍流边界层气动光学效应的实验研究

利用基于纳米粒子的平面激光散射技术获取超声速(Ma=3.0)湍流边界层的密度分布,采用光线追迹方法计算其对应的光程差分布,并结合边界层气动光学相似律验证实验结果的可靠性.着重研究了光线入射角度对超声速湍流边界层气动光学效应的影响,并对其内在机理进行了分析.研究表明,气动光学效应对光线入射角度的依赖性源于光线在流场中的传输路径,传输路径的不同导致了光线在流场中的传输距离以及对应密度脉动互相关结果的差异.光线倾斜入射导致其在流场中传输距离增长,进而气动光学效应出现恶化.光线入射方向与壁面垂直方向之间的夹角越大,气动光学效应越显著,而且不同时刻的差异性增加,气动光学效应校正的难度增加.超声速湍流边界层中大量具有特定方向的涡结构导致了湍流边界层气动光学效应的各向异性.当光线倾斜向下游入射时,光线传播方向与流场中的涡结构具有较好的一致性,体现为此方向上密度脉动互相关系数较大,故气动光学效应比较严重.而当光线倾斜向上游入射时,相关系数较小,故气动光学效应较弱.     

激光透射成像法测量石英管的外径与壁厚

为了同时同位测量石英管的外径和壁厚,建立了激光透射成像系统,对系统测量原理进行研究。基于几何光学和菲涅尔公式,分别导出平行光垂直照射石英管后的透射光线偏向角、相对光强与入射光线离轴距离之间的关系;通过数值计算,分析了偏向角、相对透射光强随入射光线离轴距离的变化特点;针对物方远心光路,分析了光阑对偏向角和相对光强的限制;基于CCD成像原理,通过引入标定系数和补偿因子,导出石英管外径与壁厚的计算公式。实验结果表明:外径绝对误差和相对误差的平均值分别为0.119mm和0.91%,壁厚绝对误差和相对误差的平均值分别为0.153mm和6%。     

x射线激光传输过程中的折射和饱和效应

以类镍银139nm(4d→4p，J=0→1)的x射线激光为例，采用二维光线追踪的方法，研究了x射线激光在等离子体介质中的折射及增益饱和效应，计算了x射线激光输出强度随焦线长度的变化和饱和输出光强.计算结果表明折射对光线在等离子体中的传输和放大有重要影响.利用实验参数对类镍银x射线激光的输出强度和增益系数进行了模拟，得到与实验相符的结果. 关键词： x射线激光 光线追踪 折射和饱和效应 激光等离子体     

吸收体形状对太阳能复合多曲面聚光器光热性能的影响

为降低复合多曲面聚光器的建造成本并提高其对太阳能的利用效率,选用内嵌吸收体的单层玻璃管作为复合多曲面聚光器的光热转化部件,重点研究了单层玻璃管中不同形状吸收体对复合多曲面聚光器光热性能的影响机理。首先,在光学仿真软件TracePro中建立了光学模型,并基于蒙特卡罗算法模拟分析了吸收体形状对聚光器光学性能的影响机理。然后,分析了吸收体形状对聚光器出口温度、瞬时集热量和光热转化效率的影响。结果表明,在相同入射偏角下,“*”形吸收体接收到的光线数多于矩形网状吸收体。当入射偏角为0°～20°时,内嵌“*”形吸收体的聚光器的平均光线接收率和平均聚光效率分别比内嵌矩形网状吸收体的聚光器增加了7.37%和6.66%。在晴好天气条件下,内嵌“*”形吸收体的聚光器的平均出口温度、平均进出口温差、平均瞬时集热量和平均光热转化效率分别为48.5℃、23.2℃、467.5 W和54.85%,分别比内嵌矩形网状吸收体的情况提高了43.07%、31.82%、29.83%和24.52%。     

等离子体诊断用18.2 nm Schwarzschild显微镜

研制了用于超快激光等离子体诊断的Schwarzschild型正入射显微镜,该显微镜工作波长为18.2 nm,数值孔径为0.1,放大倍数为10。根据诊断要求设计了Schwarzschild物镜的光学结构,计算了物镜的光学传递函数,结果显示,设计的物镜在±1 mm视场范围内像方空间分辨力可达125 lp/mm。根据系统工作波长和光线在镜面的入射角度设计了Mo/Si周期多层膜反射镜,制作了Schwarzschild显微镜光学元件,镀制的膜系周期厚度为9.509 nm,周期数为30,对18.2 nm波长的反射率约31.1%。利用激光等离子体光源对24 lp/mm网格进行了成像实验,实验结果表明:系统在中心视场的分辨力为3 μm,600 μm内视场的分辨力为5 μm。     

不同端壁间隙下压气机平面叶栅角区流动的数值模拟和实验研究

采用数值模拟和实验方法,对比分析了不同端壁间隙下平面叶栅攻角损失特性与角区流动结构的关联。各间隙情况下,当来流攻角大于某一数值时,角区失速的发生使得叶栅总压损失呈突跃式增加。小于该来流攻角时,无间隙叶栅损失最小。大于该来流攻角时,无间隙叶栅损失最大。分析表明,间隙的存在可以抑制间隙侧角区分离,并同时推迟无间隙侧角区失速的发生。     

矩形复合抛物面空间双向照明节能多功能反光杯设计

提出了充分利用灯具空间,具有单体双向多功能的光学设计新理念。结合LED与CPC,根据光学扩展量守恒,借助光路可逆原理与边缘光线原理,构造矩形复合抛物面。根据我国最新的《读写作业台灯性能要求》GB/T 9473-2017,以出光口半宽、台灯辐照高度、截短后杯体长度比为3个因素,设计正交实验,确定台灯矩形复合抛物面最适合参数为:出光口半宽50 mm、最大进光半角47.73°、截取杯体长度36 mm。在照明方面,该矩形复合抛物面能够满足关于A、AA级的照度和照度均匀度要求;在弱光聚集方面,其太阳能芯片位置的照度是不经聚光情况的1.25倍;在聚光模式下,太阳能芯片的光伏转化效率是非聚光模式下的1.66倍。这是对当前市面上非聚光模式收集太阳能方式的补充。     

渐变折射率介质中光线路径的数值计算

从理论上分析了渐变折射率介质中光线传播的规律,建立了光线路径的数值计算方法。     

基于二维材料异质结可饱和吸收体的超快激光器

可饱和吸收体作为非线性光学行为的物质载体,是获得超快激光的关键材料.基于石墨烯、过渡金属硫化物、拓扑绝缘体、黑磷等二维材料为代表的可饱和吸收体具有不同的光学优点,但仅依赖某一方面光学优势的单一材料,很难避免其应用的局限性.通过异质结结构结合不同二维材料的优势,达到光学互补效应,为制备高性能的新型可饱和吸收体,实现短脉宽高峰值功率的输出提供了思路和借鉴.本文总结了异质结可饱和吸收体的制备方法、能带匹配模型、电子跃迁机理,并从工作波长、输出脉宽、重复频率、脉冲能量等重要参数对国内外基于二维材料异质结激光器的研究进展进行了综述,此外,对二维材料异质结在光调制器、超快激光、可饱和吸收体、光开关等方向的发展前景进行了展望.     

新型发光二极管透镜产生局域空心光束

首次提出采用发光二极管和二次光学透镜直接产生单个局域空心光束的方法.首先从几何光学角度分析发光二极管点光源结合二次光学透镜产生局域空心光束的原理,推算出所得局域空心光束长度及最大暗域半径计算公式,随后用数值计算软件Matlab,3D建模软件Soidworks及光学仿真软件Tracepro计算得出一款二次光学透镜并进行了仿真验证.同时计算了可能获得的局域空心光束的最小尺寸和囚禁粒子的散射力.结果显示:该透镜能够产生单个局域空心光束,所得局域空心光束的长度及最大暗域半径都在误差允许范围内与理论计算符合.研究成果为采用发光二极管光源产生局域空心光束提供一种现实可行低成本的有效方法.     

被动调QNd:YAG/Cr:YAG微晶片激光器的优化设计与实验

用数值求解速率方程的方法对被动调Q微晶片激光器进行了优化设计,并在实验中验证了这一优化效果。首先对速率方程进行数值求解,从数值求解的结果中得出了几个关键性参数,例如可饱和吸收体的初始透过率、输出镜反射率、激光器腔长、激光器腔内损耗、抽运激光光斑大小等,给出了关键性的参数对被动调QNd∶YAG/Cr∶YAG激光器的影响;然后基于数值求解的结果对微晶片激光器进行了优化设计,例如缩短激光腔长度,减小腔内损耗,选择合适的输出镜反射率、初始透过率和抽运激光光斑大小等;最后完成了两种不同参数的微晶片被动调QNd∶YAG/Cr∶YAG微晶片激光器的制作。     

弱光探测器中复合抛物面聚光镜(CPC)的优化设计

基于非成像光学的原理,设计并研制了一种新的复合抛物面聚光镜(Compound parabolic concentrator,CPC)。提出基于遗传算法的聚光镜优化设计方法,将透过率作为遗传进化的目标函数,通过控制遗传算法的遗传进化方向,对CPC的结构进行优化调整。仿真实验结果表明,优化后的聚光镜入射孔径100mm,聚光比2.5:1,轴向长度84mm。当入射角为30°时,透过率达到75%以上。将此聚光镜应用于弱光探测器中,可以较好地满足器件的需要。