ZnS衬底上GeC/GaP增透保护膜系的制备及红外光学性质

把GeC/GaP双层膜用作ZnS衬底的长波红外(8~11.5μm波段)增透保护膜系。采用射频磁控溅射法,以高纯Ar为工作气体、单晶GaP圆片为靶制备了GaP薄膜;用射频磁控反应溅射法在高纯Ar和CH4的混合气体中,以单晶Ge圆片为靶制备了GeC薄膜。分别用柯西(Cauchy)公式和乌尔巴赫(Urbach)公式表示折射率和吸收系数,对薄膜的红外透射率曲线进行最小二乘法拟合,得到了它们的厚度及折射率、吸收系数等光学常数。GaP膜的折射率与块体材料的相近,在波长10μm处约为2.9;GeC膜的折射率较小,在波长10μm处约为1.78。用所得到的薄膜折射率,通过计算机膜系自动设计软件在ZnS衬底上设计并制备出了GeC/GaP双层增透保护膜系,当GaP膜厚较大时,由于吸收增大膜系增透效果较差;当GaP膜厚较小时,膜系有较好的增透效果。     

宽体液腔Janus-Helmholtz换能器

本文使用有限元方法对宽体液腔Janus-Helmholtz(JH)换能器进行了仿真分析,得出了壳体宽度拓展增量对JH换能器工作性能的影响规律。使用三维建模的方式,分析了连接部分对换能器性能的影响及宽体壳体的的模态,证明了三维建模的必要性。依据仿真优化结构设计了一款宽体液腔JH换能器并进行了湖上测试。最终测试结果与仿真结果有很好的一致性,相较直筒JH换能器其谐振频率降低300Hz,发射电压响应最高可达144dB。     

基于波长调制-直接吸收光谱方法的CO分子1567 nm处谱线参数高精度标定

直接吸收光谱(DAS)可直接测量分子吸收率函数,并通过拟合吸收率函数确定待测气体参数.波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS)在DAS基础上,结合了波长调制光谱(WMS)中谐波分析思想,利用傅里叶变换复现吸收率函数,可有效提高吸收率函数的测量精度.本文利用WM-DAS方法结合长光程气体吸收池,在室温低压条件下,对CO分子1567 nm处R5-R11近红外弱吸收谱线吸收率函数进行了精确复现,其拟合残差标准差低至3×10^-5,随后根据测得的吸收率函数对谱线的碰撞展宽、Dicke收敛以及速度依赖的碰撞展宽系数等光谱参数进行了高精度标定,并将其与高灵敏度的连续波腔衰荡光谱(CW-CRDS)测量结果进行了比较,实验结果表明该方法与CW-CRDS测量结果具有高度一致性,更具有系统简单、测量速度快、对环境要求低等优点.     

绝缘环打火研究

绝缘问题是高电压、高场强器件和设备中不可回避的问题,是决定器件、设备运行参数和稳定性的重要因素。针对一台直线感应加速器调试中出现的加速腔绝缘环在带束负载情况下的真空沿面闪络现象,进行了分析和研究。分析表明,在排除设计、材料、加工、洁净和真空度等常规异常因素后,导致绝缘环真空沿面闪络的可能因素是电子在绝缘环表面的吸附和累积,绝缘环上累积的电子来源和加速器中加速、传输的电子束的丢失有关。从加速腔工作状态出发,分析绝缘环表面积累电荷和丢失电子束的相关途径,进而提出相应的技术措施,以提高加速腔运行稳定性。     

1.3 GHz超导腔磁通排出效应研究

设计并搭建了一套高精度的磁场测量和补偿系统,并结合中国科学院高能物理研究所(IHEP)的2K超导腔垂直测试平台对1.3 GHz单加速间隙超导腔的磁通排出效应开展了实验研究:利用研制的磁场测量和补偿系统能够精密地测量超导腔赤道位置磁场,并能够将磁场补偿至小于5.0×10-8 T;并对超导腔不同表面温度梯度下的磁通排出效应进行了测量分析;对钉扎了磁场的超导腔进行了射频性能测试,研究了超导腔电阻对磁通钉扎的敏感度,以及在不同电场梯度下超导腔的表面电阻变化情况。结果表明,研制的高精度磁场测量和补偿系统能够满足超导腔磁通排出研究的需求;高的超导腔表面温度梯度有利于磁通的排出;磁通钉扎电阻的敏感度随着加速电场梯度的增加而增大,导致超导腔的性能下降。此实验研究也为后续超导腔的研制奠定了一定基础。     

基于图像处理的光学谐振腔自准直研究方法

针对我国氧碘化学激光器输出能量不断提高的情况下,主要限制光束质量的因素之一是出光过程中的光腔失调,提出了一种基于图像处理的光学谐振腔自准直研究方法。该研究方法利用氦氖穿腔光通过凹腔镜中心孔,并在凸腔镜后方放置工业相机,在屏幕上方形成一个干涉同心圆环。通过借助OpenCV库中二值化、霍夫圆检测等图像处理的方法,获得干涉同心圆环的圆心坐标,再通过以圆心为中心将图像分成上下左右四个部分,通过判断这四部分亮点像素的数量差值来预估干涉同心圆环的偏移状态,进而获得空腔条件下光学谐振腔发生变化的理论判据。实验结果表明,该方法可以获得相当精准的光学谐振腔失调判据,其失调判据选取左右亮点像素差值30000,上下亮点像素差值45000,为今后失调判据与步进电机自动调腔的结合做好充足的准备。     

ZnS Nanospheres for Optical Modulator in an Erbium-Doped Fiber Laser

Zinc sulfide (ZnS), which belongs to transition metal monochalcogenides, is a semiconductor material with wide direct band gap. It can potentially show some special applications (such as luminescence, phosphor, sensors, infrared window materials, photocatalysis) by changing the morphology, size, and crystal structure of semiconductor materials. However, ZnS nanospheres have not been studied as optical modulators until now. Herein, ZnS nanospheres are synthesized by the hydrothermal method and are used to realize optical modulators in an Er-doped fiber laser. The evanescent field effect is utilized to incorporate the ZnS nanospheres on a tapered fiber. Furthermore, with the increase in pump power, the modulation interval gradually decreases to a minimum of 34.36 ns corresponding to the modulation frequency of 29.1 MHz, which is the highest modulation frequency to our knowledge in a ring cavity all-fiber laser. These results demonstrate ZnS nanospheres together with the interaction of dispersion and nonlinearity in optical fibers can modulate the proposed lasers. This not only provides a new method for controlling the power and frequency of all optical modulators, but also marks an important step for ZnS materials in optics research and device applications.     

Spectrum of Single-Photon Scattering in a Strong-Coupling Hybrid Optomechanical System

The single-photon excitation and transmission spectra of strong-coupling hybrid optomechanics are theoretically analyzed, where a two-level system (TLS) is coupled to a mechanical resonator (MR), generating Jaynes–Cummings-type polariton doublets. In this model, both the optomechanical coupling and the TLS-MR coupling are strong. In this parameter region, polaron-assisted excitation reemission processes can strongly affect the single-photon excitation and output spectra of the cavity. It is found that the fine structure around each sideband can be used to characterize the TLS-MR and the effective TLS-photon couplings, even at the single-quantum level. Thus, the spectrum structures may make it possible to sensitively probe the quantum nature of a macroscopic mechanical element. A possible approach for tomographic reconstruction of the state of a TLS, utilizing the single-photon transmission spectra, is further provided.     

基于NICE-OHMS技术进行大气压气样直接检测的理论分析

噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术(NICE-OHMS)是目前世界上最灵敏的激光吸收光谱技术,其在低压环境中具有极高的探测灵敏度。然而当测量样品处于大气压时,NICE-OHMS系统的探测灵敏度会大幅下降。主要原因之一是大气压下获取最大NICE-OHMS信号幅度的条件与低气压下不同。通过对大气压NICE-OHMS理论进行分析,分析了影响信号幅度的参数,并通过数值模拟来寻找最佳的实验条件。本文着重讨论影响信号的主要参数包括光学腔腔长L,调制系数β,探测相位θ。其中,由于在NICE-OHMS中使用DeVoe-Brewer技术将调制频率ν_m锁定到Fabry-Parot(FP)腔的自由光谱区(FSR)。因此FP腔的腔长决定了ν_m,同时还作用于信号幅度S■。模拟结果显示,当腔长增大时,由于ν_m随之减小,载波和边带的光谱成分相互重叠部分增大,因此线型函数的幅度逐渐减小。而吸收信号幅度随着腔长的增加而逐渐增加,色散信号幅度先增大后减小,并且在腔长等于8 cm时达到最大值。调制系数β会影响频率调制后激光载波和边带的幅度大小,并且影响信号线型。随着腔长的增加,最大信号幅度对应的β值也随之增加。在相同腔长下,色散信号的最佳β值小于吸收信号,更容易使用电光调制器实现。最后分析了参数的可实现性,分析了不同种类激光器的频率调谐能力,压电陶瓷的扫描宽度等。以乙炔气体为例,大气压下NICE-OHMS的谱线半宽达到~3 GHz,而光谱覆盖范围大于10 GHz。分布反馈式半导体激光器(DFB)与外腔二极管激光器(ECDL)的频率调谐范围可以达到30 GHz以上,但是由于激光线宽宽,得到的PDH锁定性能欠佳。回音壁模式激光器(WGM)和掺饵光纤激光器(EDFL)线宽为百Hz量级,是目前高灵敏NICE-OHMS系统中常用的光源。但是WGM目前可以实现了5 GHz的激光频率调谐范围,而EDFL的外部电压可控制的调谐范围仅为3 GHz。使用精细度为55000的腔进行模拟,调制系数β=1,腔长大于8 cm时,可使用WGM激光器实现,腔长大于25 cm时,可以使用EDFL激光器实现。而对于在设计光学腔中常用的伸缩长度为25μm的PZT,随着腔长的增加,对应的腔模频移范围逐渐减小,在腔长为典型的40 cm时,扫描范围大于12 GHz。     

Finite element modelling of natural-convection-controlled change of phase

The problem of phase change in the presence of natural convection has been investigated. A model has been proposed based on the treatment of the release/absorption of latent heat as a heat source/sink in combination with the standard Galerkin finite element method with a primitive variable formulation on a fixed grid. To demonstrate the capabilities of the model, three cases of phase change of an aluminium alloy in the presence of natural convection arc considered, i.e. solidification, melting and combined solidification and melting. The solidification of water in a square cavity is modelled as another example, taking into account the density extremum, and the results are compared with a previously published work.