开放式法布里-珀罗光学微腔中光与单量子系统的相互作用

光与物质相互作用的过程具有丰富的物理内涵,不仅有助于理解光的本质,更可以提供一种有效操控物质的手段.开放式光学微腔具有光场强局域性、频率域和空间域的可调谐性以及光纤可集成性等特点,为研究微腔内的光与物质相互作用提供了一个理想平台.本文首先介绍基于开放式法布里-珀罗微腔的腔量子电动力学系统的基本特性,然后介绍开放式法布里-珀罗微腔结构的制备方法,进而从弱耦合、强耦合和差发射体三方面着重介绍近年来开放式微腔与固态单量子系统相互作用的研究工作,最后进行了总结与展望.     

非对称共轴腔结构色产生与调控

金属纳米结构应用于产生和调控结构色有巨大的潜力.本文设计了一种基于银纳米非对称共轴腔的阵列结构,研究环形腔在非对称情况下对于结构色产生和调控的影响,通过时域有限差分的方法对非对称共轴腔有序阵列进行仿真计算,得到了结构几何参数对结构色的影响.结果表明,调节共轴腔深度、开口大小和厚度都能产生丰富的结构色.实验与仿真结果基本一致.相比对称式结构的共轴腔,本文提出的非对称金属纳米结构在颜色显示方面具有更好的可调性,在彩色成像、高分辨率成像、防伪等方面有潜在应用.     

1550 nm毫瓦级单横模垂直腔面发射半导体激光器

报道了国内首次实现出光功率达到毫瓦量级的单横模1550 nm波段垂直腔面发射半导体激光器(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL).设计了基于InAlGaAs四元量子阱的应变发光区结构;设计并制备了具有隧穿特性的台面结构,实现了对载流子空穴的高效注入及横向模式调控;采用半导体分布式布拉格反射镜与介质反射镜结合的方式制备了1550 nm VCSEL的反射镜结构. VCSEL中心波长位于1547.6 nm,工作温度为15℃时最高出光功率可达到2.6 mW,最高单模出光功率达到0.97 mW,最大边模抑制比达到35 dB.随着工作温度增加,激光器最高出光功率由于发光区增益衰减而降低,然而35℃下最大出光功率仍然可以达到1.3 mW.激光器中心波长随工作电流漂移系数为0.13 nm/mA,并且激光波长在单模工作区呈现出非常一致的漂移速度,在气体探测领域具有很好的应用潜力.本研究为下一步通过高密度集成获得高功率1550 nm VCSEL列阵奠定了基础.     

新型Helmholtz型声子晶体的低频带隙及隔声特性

为了解决军用飞机舱室内产生的低频噪声问题,构建了一种新型的Helmholtz型二维声子晶体,该结构采用迷宫型开口通道,并在结构加入了刚性振子.研究发现,该结构在晶格常数为62 mm条件下,将第一低频带隙的下限降至15 Hz左右,且在100 Hz频率左右形成一条宽度为93 Hz的带隙宽带,表现出较好的低频隔声特性.首先,通过振型及声压场分析了其带隙成因,采用“力-声类比”的方法建立了该结构的等效模型,最后利用有限元法和传递矩阵法对第一低频的带隙范围进行了计算,两种方法所得结果基本相符;其次,通过有限元法探究了晶格常数、空气通道长度及振子材料等结构参数对低频带隙的影响.研究表明,增加开口通道长度和晶格常数都会降低第一带隙下限,增加振子材料密度能够有效降低第二带隙的上下限,进一步揭示了该结构带隙形成的实质,验证了等效模型的准确性.该研究为低频噪声控制方面提供了一定的理论支持,为低频声子晶体的设计提供了新的思路.     

宽带Ka波段平面反射阵列天线设计

平面反射阵列天线的发展受到了带宽与功率容量两方面限制。为此,本文首先基于多谐振技术提出了一种新型平面反射阵列单元结构,相比于传统单元,所提出单元结构具有功率容量高、剖面低且相移曲线线性度好的特点。其次利用所提出单元,通过优化阵面特性在Ka波段设计了包含20×20个单元的平面反射阵列天线。最后利用电磁仿真软件进行模拟计算,结果显示在中心频点35 GHz处,天线峰值增益为27.58 dBi,口径效率为52.33%,副瓣小于?16.08 dB,并且在30.41～39.64 GHz频率范围内（相对带宽26.37%）天线增益跌落小于3 dB,并且所设计平面反射阵列天线最大功率容量可以达到 13.99 MW,功率密度为218.54 W/mm2。     

重频条件下电容器充电电源谐振电路的稳定

重频条件下电容器充电电源谐振电路由于谐振电容剩余电压的存在从而产生异常振荡,进而引发开关过流导致电源故障。针对这一问题,在分析谐振电路工作原理基础上,提出了在每个充电周期结束后,通过控制电源自身的部分开关导通,从而释放谐振电容剩余电压的解决方法,不仅可以让谐振电路趋于稳定,还避免了添加泄放电路的缺点,其控制方法也简单通用。对800 V/6 A的充电电源进行了电路仿真和实验验证,仿真和实验结果均表明,本文提出的方法可以在充电周期结束后将谐振电容上的剩余电压迅速归零,谐振电流也趋于稳定,有效抑制了谐振电路的异常振荡,从而验证了方法的有效性和实用性。     

一种用于分析封闭腔内湍流自然对流换热的k-ε新模型

由于目前用于求解湍流自然对流流动与传热的k-ε模型在应用过程中存在不足,结合高雷诺数k-ε模型需要借助壁面函数法来确定壁面上相关参数值和低雷诺数k-ε模型在近壁区布置更多节点以便获得粘性底层详细信息的特点,重新定义了湍流普朗特数σt的计算式,提出了一种修正的k-ε新模型;利用该模型对封闭方腔内的湍流自然对流流动与传热进行了数值分析。结果表明:与文献中数值模拟结果相比,当108≤Ra≤1014时本文模型所得壁面平均努塞尔特数更接近文献中的实验值,与实验值之间的相对误差在8%以内;壁面的局部努塞尔特数与文献中的实验值吻合得较好。这说明本文模型用于求解封闭腔内湍流流动与传热问题是合适的,比其它湍流模型更能准确地描述封闭腔内湍流自然对流换热中边界层发展与壁面传热特性之间的内在联系。     

微腔光频梳研究进展

光频梳由一系列离散且等距分布的相干激光组成,可作为高精度光学频率标尺,对时间和频率进行精确测量。微腔产生的光频梳具有小尺寸、低功耗、可单片集成等优势,成为近年来的研究热点。孤子的出现极大提升了微腔光频梳的相干性,其产生过程包含着丰富的非线性物理动态,且在光钟、超快测量、相干通信等多个领域具有很好的应用前景。回顾了微腔光频梳的研究进展,全面综述了微腔光频梳的理论模型、产生方法、物理机理及表征、应用,并对其未来发展趋势进行了分析和展望。孤子微腔光频梳有望作为下一代集成光源,为各个领域带来革命性发展。     

低相干性激光的研究进展

激光因相干性好、方向性好、单色性好等优点得到了广泛的应用,但是,激光的高相干性会带来严重的散斑现象,导致其在显示和成像领域的应用受到限制。通过对激光腔的几何形状和激光振荡反馈机制的创新,对激光的模式数量、模场的空间分布调控发展而来的低相干性激光器正日益受到重视。本综述详述了五种低相干性激光,包括随机激光、简并腔激光、混沌腔半导体激光、近共心腔半导体激光、哑铃形腔半导体激光的发展历史、产生机理及现存的问题,为低相干性激光器的发展方向和应用提供决策参考。     

基于纳米线波导和一维光子晶体纳米梁腔的模分-波分混合解复用器

设计了一种基于纳米线波导和一维光子晶体纳米梁腔的模分-波分混合解复用器,该器件由波分解复用(WDM)和模分解复用(MDM)两部分组成。其中,波分解复用部分由两个一维光子晶体纳米梁腔构成,模分解复用部分采用硅基纳米线波导结构。利用三维时域有限差分法,计算分析了该混合解复用器的性能参数。结果表明,该器件可以在波长1570.0 nm和1573.2 nm处实现基模(TE_0)和一阶模(TE_1)四个信道的解复用功能,插入损耗小于0.37 dB,信道串扰小于-18.4 dB,自由光谱范围可以达到400 nm。该混合解复用器可以应用于模分-粗波分复用系统中。