Property of Image-Object Using TE/TM-polarized Wave in the Near-Field Optics with CCGM-FFT

Discretization of the Lippmann-Schwinger integral equation with complex conjugate gradient method and fast Fourier transform （CCGM-FFT） is solved, which can reduce the memory storage and the CPU time compared with the traditional method, MOM. Thus objects with large size and multiple scattering objects could be simulated with CCGM-FFT. The total intensity and the distribution of each field component of the dielectric and metallic objects under the excitation of the TE//TM-polarized wave are calculated with photon scanning tunnelling microscopy （PSTM） at the constant height. The simulating results are analysed and explained reasonably. The results show that the polarization plays an important role for imaging of PSTM.     

颗粒与顺列管束磨损的数值模拟

采用直接数值模拟方法模拟了在管道中直径80μm的颗粒对顺列10×10管束的碰撞和磨损.圆管与流场流体之间的相互作用采用内嵌边界方法进行计算并得到流场结构.颗粒的运动采用了拉格朗日跟踪方法计算并与流场之间进行了双向耦合.计算分析了沿流向以及垂直于流向各排管束受到颗粒的碰撞产生的磨损量.计算结果表明沿流向第三排管束以后的各排管束应采取防磨措旌.     

有限元/边界元耦合方法在海洋生物目标强度特性研究的应用*

目标强度特性是海洋生物声学识别与资源量评估的重要依据,其中,基于近似几何体和声阻抗特性的理论模型法是研究海洋生物目标强度的重要手段。由于对几何形态近似处理以及数值求解方法的限制,传统理论模型对声波频率、入射方位以及目标声阻抗、形态尺寸等均有各自不同的适用范围,单一模型难以满足不同种类或同一种类但不同尺寸海洋生物的目标强度求解。本文尝试将逐渐见诸应用的有限元/边界元耦合方法用于海洋生物目标强度特性研究,分别以球形生物、纺锤形鱼类尾明角灯鱼(Ceratoscopelus warmingii)和细长形浮游动物南极大磷虾(Euphausia superba)为例进行仿真计算,并与相适应的经典理论模型进行对比分析。结果表明,对于球形生物,有限元/边界元耦合方法与解析模型的目标强度频响曲线完全吻合;对于纺锤形鱼类,有限元/边界元耦合方法可有效弥补基于模态级数解的形变圆柱体模型在中低频和两端入射时的准确性问题;对于细长形浮游动物,有限元/边界元耦合方法与畸变波玻恩近似模型高度吻合。综上,有限元/边界元耦合方法对多种海洋生物目标强度求解均具有较好的适用性,未来有待进一步结合实验测定进行验证。     

基于Rytov积分近似的有限口径定量反演成像（特邀）

提出一种适用于有限口径下高相对介电常数和大尺寸目标物体的反演方法。首先分析了低损耗介质的复折射率,通过有效折射率的计算方法得到有效折射率与介电常数关系;利用高频近似估计对比度函数,通过近似估计散射体内部散射场及其梯度对传统Rytov近似进行数学上的修正,产生无相位条件下Rytov积分近似模型,该模型可以实现定量重建高相对介电常数和大尺寸未知目标的对比度虚部。仿真结果显示有限口径下的Rytov积分近似可以对高介电常数和大尺寸目标的对比度虚部提供精确的形状重建。     

泊松亮斑演示实验的数值研究

泊松亮斑是由于光衍射而产生的经典光学现象,在“大学物理”课程中经常被用来说明光的波动性,并作为典型的演示实验在课堂中展现。对圆屏衍射图样进行了数值计算,系统分析了光源波长l、圆屏半径R、圆屏和接收屏间距z,以及圆屏粗糙度对泊松亮斑的影响。结果显示,圆屏对接收屏中心遮蔽的半波带数k是影响泊松亮斑的重要参数。在保证亮斑光强和对比度的前提下,k越小,越有利于演示。     

双波段能谷光子晶体的拓扑边界态传输特性

谷赝自旋是构筑光学拓扑绝缘体的重要手段,其性质决定了光波拓扑传输特性。双波段能谷结构为同时调控多波段范围内的光波提供了重要平台。构筑了具有双波段能谷结构的光子晶体超胞,研究了zigzag型和armchair型界面在两个波段内拓扑边界态的传输特性及鲁棒性。结果表明：对于zigzag型界面,对称型界面与反对称型界面的光波传输特性差异显著,对称型界面允许平面波传输而反对称型界面大幅抑制平面波传输;而对于armchair型界面,对称型界面与反对称型界面的光波传输未表现出差异性。对于允许平面波传输的界面,无论是zigzag型还是armchair型界面均对杂质、缺陷、尖锐拐角等具有良好的鲁棒性。双波段拓扑边界态传输特性的系统性研究对于拓展光学拓扑绝缘体的应用空间具有重要价值。     

小型综合环境模拟试验箱控制系统设计

基于工控机、PLC、触摸屏和PID控制器技术,设计开发了温度、湿度、压力三综合环境模拟试验箱用电气控制系统。该控制系统通过OPC和Modbus通讯完成数据交互,实现远程和本地两种控制模式,试验数据能够实时采集、显示和存储,历史数据通过图表和曲线形式查看。通过PID运算,实现温度、湿度和压力的精确控制。     

稳定和非稳定激光谐振腔中的自再现模讨论

本文通过菲涅耳-基尔霍夫衍射积分方法,推导了一般稳定和非稳定球面镜谐振腔中自再现模的解析表达式,揭示了从稳定腔变为非稳腔过程中自再现模的变化规律.进一步地,本文在几何光学近似条件下得到了非稳腔的自再现模,通过与衍射积分结果对比,发现基于几何光学近似得到的非稳腔最低阶偶对称模(即基模)和最低阶奇对称模的空间分布与衍射积分结果一致.而对于更高阶的自再现模,当非稳腔接近稳定腔时,几何光学近似得到的自再现模空间分布和衍射积分结果之间存在较大差异.本文的结果可以作为激光原理教学内容的重要补充.     

借助数学方法探究一道似是而非的物理问题

针对在教学中遇到的一道与斜面摩擦力相关的改编习题,借助数学方法,进行了深入细致的探究,利用数值分析,讨论了动摩擦因数对物体运动状态的影响.整个探究过程,不仅体现了数学方法与物理思维的互相融合,而且对教师在教学及命题方面具有很好的启发.     

奇异Hamilton系统矩阵的精细积分法

常规位移有限元的结构振动方程是n个二阶常微分方程组.采用一般交分原理推导,将结构振动问题引入Hamiltoil体系,将得到2n个一阶常微分方程组.精细积分法宜于处理一阶方程,应用于线性定常结构动力问题求解,可以得到在数值上逼近精确解的结果.对于非齐次动力方程,当结构具有刚体位移时,系统矩阵将出现奇异.本文借鉴全元选大元高斯-约当法求解线性方程组的经验,提出全元选大元法求奇异矩阵零本征解的方法,该方法可以简便快速地寻求奇异矩阵零本征值对应的子空间.利用Hamiltoil体系已有研究成果及Hamilton系统的共轭辛正交归一关系,迅速将零本征值对应的子空间分离出来,通过投影排除奇异部分,然后用精细积分法求得问题的解.数值算例表明,该方法对Hamilton系统奇异问题,处理方便,计算量小,易于实现,同时保持了精细算法的优点.