针对锥形太赫兹量子级联激光器, 利用有限差分波束传播法和速率方程法, 建立了准三维的太赫兹有源器件仿真模型, 能够对具有轴向非线性波导结构的激光器进行模拟. 利用此模型, 研究了锥角大小对激光器输出光功率及光束质量的影响. 仿真结果表明, 考虑到器件之间的光耦合效率, 为了达到最大的有效输出光功率, 锥形太赫兹量子级联激光器的锥角存在一个最优值.

太赫兹(THz)波段一般定义为0.110 THz的频率区间, 对应波长范围3 mm30 m, 覆盖短毫米波至亚毫米波段(远红外). 尽管人们早已认识到太赫兹波段具有非常重要的科学意义和广泛的应用前景, 但该波段仍然是一个有待全面研究和开发的电磁频率窗口. 因此, 太赫兹波段的天文观测在天体物理及宇宙学研究中具有不可替代的作用, 对于理解宇宙状态和演化具有非常重要的意义. 具有超高灵敏度的太赫兹超导探测器, 已经成为太赫兹波段观测的主要手段. 本文主要阐述了太赫兹超导探测器的基本类型和工作原理, 以及中国科学院紫金山天文台在该领域的主要研究成果和进展.

近年来, 随着太赫兹科学技术的发展, 越来越多的科学家向太赫兹间隙这一传统空白领域发起挑战. 其中, 人工电磁媒质因为能够设计太赫兹波段中紧缺的功能器件而受到广泛关注. 近年来, 对人工电磁媒质尤其是太赫兹方面的研究进展突飞猛进. 人工电磁媒质的性质不仅仅由其构成材料决定, 更与其结构单元的形状和空间排布密切相关. 本文介绍了人工电磁媒质在太赫兹波段的发展、原理、设计和应用, 并着重介绍完美吸波器和人工表面等离激元, 为太赫兹波段功能器件的研究提供了参考, 并对可能的发展方向予以展望.

在飞秒激光激励下用GaAs光电导开关作为太赫兹(THz)辐射天线, 已经广泛用于太赫兹时域光谱系统, 但目前国际上都是使用GaAs光电导开关的线性工作模式, 而GaAs光电导开关的雪崩倍增工作模式所输出的超快电脉冲功率容量远大于其线性工作模式, 迄今为止, 还没有人提出用雪崩倍增机理的GaAs 光电导开关作为辐射源产生THz电磁辐射. 本文探讨了用 雪崩倍增工作模式的GaAs光电导开关作为光电导天线产生THz电磁波的可能性及研究进展. 通过理论分析及实验研究, 在实验上实现了: 1) 利用nJ量级飞秒激光触发GaAs光电导天线, 可以进入雪崩倍增工作模式; 2) 利用光激发电荷畴的猝灭模式, 可以使GaAs光电导天线载流子雪崩倍增模式的延续时间(lock-on 时间)变短. 这为利用具有雪崩倍增机理的GaAs光电导天线产生强THz辐射奠定了基础.

石墨烯是一种零带隙二维的半导体材料, 具有极高的载流子迁移率, 优异的机械、电学、热学和光学等性能. 在太赫兹辐射源、调制器和探测器件的研究中, 石墨烯材料具有独特的优势. 本文以石墨烯材料在太赫兹辐射源、调制器以及探测器等器件方面的应用为主, 综述了石墨烯太赫兹器件的最新研究进展.

针对核反应堆安全工程对某些数值计算结果要求较高的精度和正的误差, 以及舰船核反应堆机动性对计算速度的要求, 需要从数学上寻找一种新的数值计算方法, 以满足实际曲线向上凸或向下凹时计算值总是略高于真实值, 且误差不大于欧拉法和改进的欧拉法所得值. 本文研究曲率权重法求解点堆中子动力学方程组, 该方法是在曲率圆法的基础上引入权重的思想来衡量间隔步长上两个曲率对该步长曲率平均值的贡献. 与欧拉法和改进的欧拉法比较, 曲率权重法的计算结果总是能够高于真实值或有正的误差, 且精度和计算速度得到明显提升. 将该方法用于次临界堆阶跃和线性引入反应性时中子密度的求解, 能够快速得到满足计算要求和高精度的数值结果.

量子关联是量子信息、量子计算与量子计量领域的重要资源, 在量子纠缠和贝尔非局域性中, 两子系统起着同等关键的作用, Einstein-Podolsky-Rosen (EPR)量子引导关联的强度介于量子纠缠和贝尔非局域性之间, 对单向EPR量子引导关联而言两子系统的作用不对等. 本文研究了双模Bose-Hubbard模型中模间量子关联的动态特性, 揭示了EPR量子引导关联的取向对系统初态模间交换对称性的依赖关系. 根据Hillery-Zubairy纠缠判据以及基于最大平均量子Fisher信息的纠缠判据考察了系统初态对模间量子纠缠演化规律的影响. 如果模间耦合强度远大于同一势阱内粒子间的相互作用, 初始处于SU(2)相干态的系统在具有确定的两子系统交换对称性的条件下, 其量子关联呈现简单的周期性演化规律; 当这种对称性破缺时, 模间量子关联的演化呈现较复杂的崩塌与回复现象.

考虑涨落作用下周期驱动的过阻尼分数阶棘轮模型, 通过模型的数值求解, 研究确定性棘轮的混沌特性与噪声的作用对输运行为的影响, 进而讨论过阻尼分数阶分子马达反向输运的机理. 分析表明: 随着势垒高度、 势不对称性与模型记忆性的变化, 随机棘轮的反向输运并不必然地要求确定性棘轮也反向输运; 随着模型阶数的减小, 亦即分数阻尼介质记忆性的增强, 确定性棘轮在反向输运之前会经历一个周期倍化导致的混沌状态, 但在噪声作用下, 反向流的发生会提前, 即混沌状态的确定性棘轮在噪声的作用下即可进行反向输运. 也就是说, 噪声能定性地改变棘轮的输运状态: 从无噪声时的混沌运动到有噪声时的定向输运. 这是过阻尼随机棘轮反向输运的一种机理, 也是噪声在定向输运过程中发挥积极作用的一个体现.

将Levy噪声与幂函数型单稳随机共振系统相结合, 为确保实验数据的可靠性, 以平均信噪比增益为衡量指标, 针对Levy噪声激励下的随机共振现象进行了研究. 详细介绍了单稳系统势函数形式及Levy噪声的产生原理, 深入探究了不同特征指数 和不同对称参数 取值条件下, 单稳系统参数a和b、Levy噪声强度放大系数D对幂函数型单稳系统共振输出的作用规律. 研究结果表明, 在任意Levy噪声分布条件下, 通过对系统参数a和b的适当调整均能诱导随机共振, 完成微弱信号检测, 且有多个随机共振区间与之对应, 同时这些区间不随 或 的改变而改变; 此外, 在研究噪声诱导的随机共振时也发现了同样的规律, 通过调节噪声强度放大系数D也能产生随机共振, 且随机共振区间也不随 或 的改变而改变; 最后, 在研究系统参数a和b之间的相互作用关系时发现, 一个系统参数的随机共振取值区间会随着另一个系统参数的改变而改变. 所获得的研究结果有效解决了Levy噪声激励下幂函数型单稳随机共振系统的系统参数、噪声强度放大系数的选择问题, 为其应用于工程实践提供了可靠的理论依据.

以电耦合的Terman-Wang小世界神经元网络系统为研究对象, 研究了空间关联白噪声影响下神经元网络系统的同步动力学. 首先将动力学平均场近似理论扩展到受空间关联白噪声影响下的小世界网络系统中, 将描述网络系统动力学演化的2N维随机微分方程简化为11个确定性的矩微分方程. 其次, 基于动力学平均场近似理论所推导的矩方程, 讨论了空间关联噪声、网络结构参数对神经元网络系统同步动力学的关键影响, 发现较大的噪声空间关联系数、耦合强度及节点平均度均对神经元网络系统同步放电具有积极作用. 进一步地, 利用计算机仿真数值模拟原神经元网络系统的同步动力学, 并与基于动力学平均场近似理论所得到的结果进行比较, 发现二者具有较好的一致性.

强混沌背景中的微弱谐波信号检测有重要的工程研究意义. 目前的检测方法主要是基于Takens理论的混沌相空间重构方法, 然而这些方法往往对信干噪比要求高, 且对高斯白噪声敏感等. 本文注意到混沌信号的二阶统计特性是不变的, 根据这个特点提出了一种基于最优滤波器的强混沌背景中的微弱谐波信号检测方法. 该方法首先构建一个数据矩阵, 在频域上对每个频率通道分别检测谐波信号, 从而将信号检测问题转化为最优化问题, 然后利用最优化理论设计滤波器, 使待检测频率通道的信号增益保持不变, 而尽量抑制其他频率通道的信号, 最后通过判断每一频率通道的输出信干噪比来检测谐波信号. 与传统方法相比, 本文方法有如下优点: 1)可以检测更低信干噪比下的微弱谐波信号; 2)可检测的信号幅度范围更大; 3)抗白噪声性能更强. 仿真结果证明了本文方法的有效性.

基于教室人群疏散实验, 从中归纳出疏散过程中行人的基本运动特征. 将桌椅分别视为不可穿越和可穿越的静态障碍物, 而行人则被当成可移动的障碍物, 这将导致背景场随人群的运动而动态更新, 因此可以更好地反映前方拥挤程度对后面人群路径选择行为的影响. 采用基于动态背景场的元胞自动机模型研究了不同桌椅排列和出口宽度的教室人群疏散过程, 给出了疏散时间的空间分布以及平均和最大疏散时间, 再现了实验中人群疏散的基本特征. 数值模拟结果表明, 疏散时间取决于桌椅的排列方式和教室出口的宽度. 对于同一种排列, 出口越小则疏散时间越长; 对于给定的出口宽度, 通常随着过道数的增加, 疏散时间随之减少; 当过道数增加且过道宽度不足以两人并行, 从两侧进入过道的行人会发生冲突, 使疏散效率有所降低; 靠近出口一侧墙壁设置过道有利于人群的疏散. 文中进一步分析了模拟与实验结果存在差异的原因.

采用附加探测光声子耗尽法来实现超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像. 此方法引入一束环形分布的附加探测光来消耗点扩展函数周边的相干声子, 实现点扩展函数的改造, 从而达到超越衍射极限的空间分辨率. 为了获得更高的空间分辨率和更佳的相位匹配条件, 通常需采用高数值孔径物镜对抽运光、斯托克斯光和探测光进行聚焦, 此时标量衍射理论不再成立. 基于矢量衍射理论, 分析了线偏振光、圆偏振光先后经过螺旋相位片和高数值孔径物镜后的光强分布, 结果表明: 圆偏振光在高数值孔径物镜后焦平面的光强分布呈中心对称状, 较线偏振环形光更适合作为附加探测光. 此外, 采用全量子理论分析了附加探测光声子耗尽法. 结果表明: 当附加探测光与探测光强度比为80时, 成像系统的横向空间分辨率可以达到45 nm; 继续提高附加探测光强度, 空间分辨将进一步提高.

用拉曼散射光谱和X射线光电子能谱研究了GexSb20Se80-x(x=5 mol%, 10 mol%, 15 mol%, 17.5 mol%, 20 mol%和25 mol%)玻璃的结构. 通过对拉曼光谱和X射线光电子能谱(Ge 3d, Sb 4d 和Se 3d谱)进行分解, 发现当硫系玻璃处于富Se状态下时, 玻璃结构中会出现SeSeSe结构单元, 其数量随着Ge含量的增加而迅速减少, 并最终在Ge15Sb20Se65玻璃结构中消失; Ge和Sb原子分别以GeSe4/2 四面体和SbSe3/2三角锥结构单元在玻璃结构中出现, GeSe4/2四面体结构单元的数量会随着Ge浓度的增加而增加, 而SbSe3/2三角锥结构单元的数量基本保持稳定. 另一方面, 在缺Se的硫系玻璃中, 玻璃会有GeGe和SbSb同极键产生, 随着Ge含量的增大, 这种同极键的数量会越来越多; 而GeSe4/2四面体和SbSe3/2三角锥结构的数量则相应减少. 在所有玻璃样品的结构中均有同极键SeSe的存在. 当玻璃组分越接近完全化学计量配比时, 异质键GeSe和SbSe将占据玻璃结构中的主导地位, 同极键GeGe, SbSb和SeSe 的比例降为最小.

基于Mie散射理论和多重散射理论探讨了亚波长介质柱阵列对电磁波的调控. 研究结果表明: 当在全反射的单层介质柱阵列中引入一个空位缺陷时会产生12%的透射; 如果在入射一侧再引入一合适的介质柱时, 其透射率可增加至36%, 为空位缺陷时的3倍; 当在出射一侧对称位置处引入另一完全相同的介质柱时, 可以调制透射电磁波的模式, 虽然总的透射率没有增加,但向前散射的电磁波能量明显增强. 采用这种双粒子耦合体系, 在金属柱的表面等离激元共振频率附近也可以实现类似的效果. 这些体系结构简单、易于在实验上实现, 这对于太赫兹甚至光频段的光子集成线路中的元件设计和光束调控很有意义.

提出了一种基于双反射壁型结构的光子晶体窄带滤波器, 该滤波器由一个单模谐振腔和两个反射壁构成. 通过调节谐振腔与反射壁之间的距离可以改变滤波谱线的带宽. 利用时域有限差分法进行仿真分析, 结果表明, 该滤波器的工作频率在193.40 THz附近, 带宽小于5.9 GHz, 峰值透射率高达94%, 工作区域长度仅有9 m. 该器件可应用于密集波分复用系统.

偏振差分水下成像能够有效地克服光散射效应造成的图像退化问题, 在水下物体探测与识别领域具有重要应用价值. 传统的偏振差分方法靠光学检偏器的无规则机械转动来实现对散射背景的共模抑制, 限制了其在水下成像过程中的实时探测性能. 本文通过分析偏振差分探测原理来建立偏振差分成像模型, 从理论上提出了基于Stokes矢量的计算偏振差分水下实时成像系统, 并进行了实验验证. 研究结果表明, 基于Stokes矢量的计算偏振差分成像不仅与传统的偏振差分方法具有相同的水下探测效果, 更重要的是可以实现快速成像过程. 该方法可以应用到目前的偏振成像仪器系统, 实现无需人-机互动的自动化实时偏振差分水下成像, 进一步提高水下物体探测与识别的效率.

以部分相干的电磁高斯-谢尔模型(electromagnetic Gaussian-Schell model, EGSM) 光束为研究对象, 根据相干和偏振的统一理论以及随机光束的Stokes参量, 推导出EGSM光束在大气湍流中斜程传输时的偏振度(degree of polarization, DoP)和偏振方向角的表达式, 研究了大气湍流中上行和下行传输时EGSM光束偏振特性的不同. 研究结果表明: 在相同条件下, EGSM 光束下行传输时整个光场DoP的分布比上行传输要集中; 下行传输时轴上点的DoP达到最大值所对应的传输距离长于上行传输. 可以看出, EGSM光束沿下行路径传输时, 探测器可以接收更远距离处的波束传输信息.

利用T矩阵和离散坐标法研究了取向比对椭球粒子散射特性的影响, 计算了小尺度范围内椭球粒子的散射特征参量, 包括消光效率因子、不对称因子、单次散射反照率、散射相矩阵及双向反射函数(BRDF). 结果表明, 椭球粒子的散射特性与取向比密切相关, 粒子取向比会影响散射参量的振荡频率和振幅, 与球形粒子散射参量的相对差异也呈周期振荡趋势. 研究还发现, 某些特殊粒子尺寸的散射参量与粒子取向比基本无关. 在多次散射条件下, 分析不同取向比粒子群的BRDF随反射角和光学厚度的变化特性. 结果显示: 不同取向比粒子群的BRDF随反射角的变化趋势基本一致, 球形粒子群比非球形粒子群的BRDF曲线波动振幅更大; 球形-非球形粒子的BRDF相对差异随光学厚度和取向比的增大而减小, 随入射角的增大而增大.

论述了偏振型干涉成像光谱仪的核心部件Savart偏光镜的结构和分光机理. 应用波法线追迹的方法, 对光在任意方位入射面内, 以任意入射角入射时Savart偏光镜中的光线传播规律及出射光孔径变化进行了理论推导, 给出了出射孔径与入射位置、入射角及入射方位角之间满足的关系, 并讨论了光线传播始终处于Savart偏光镜晶体内部, 最终从出射面射出所需满足的条件. 采用计算机模拟, 给出了光线垂直入射时, 出射孔径的表达式, 验证了推导的正确性; 在此基础上对自行设计的干涉成像光谱仪通光孔径进行了详细分析和讨论, 结果表明通光孔径精确值和近似值之间存在较大差异. 给出了孔径面积利用率随入射方位角的变化曲线, 阐明在干涉成像光谱仪的参数论证以及孔径光阑的选取中, 不能忽略由于晶体双折射现象带来的孔径变化. 研究结果可为偏振型干涉成像光谱仪的设计、研制、调试和工程化提供重要的理论依据和实践指导.

波前编码系统采用在传统光学系统中加入相位板来扩大光学系统的景深而避免传统景深延拓技术的不利影响. 由于相位板的参数不可调, 整个系统的景深延拓扩展率也不能动态可调. 采用两相位板组合的方法可以有效克服这一点. 本文首先从光线差的角度提出了两三次相位板组合下的光线像差分布以及点扩散函数尺寸的具体关系表达式, 直观体现了系统的光线结构, 指出了光线结构和点扩散函数尺寸受两三次相位板的面型和相对位移量的影响. 其次采用稳相法从空间域给出了系统点扩散函数表达式, 依据点扩散函数的振荡性质给出了有效带宽表达式, 提出了点扩散函数在像面的位置会随两相位板面型参数以及相对于光瞳中心的位移量而发生平移. 最后利用菲涅耳积分给出两三次相位板任意面型参数和相对位移组合下的准确光学传递函数. 在得到的调制传递函数中直观体现出了面型参数和相对位移量对调制传递函数和相位传递函数以及有效带宽的影响, 并说明了此系统相位传递函数的非线性性质. 通过空间域与频率域相结合的方法分析验证了传统的两三次相位板组合具有景深可调和带宽可调的性质, 为设计可调谐波前编码系统提供了理论依据.

在实验上研究了赝热光照明下, 基于光子计数模式的合作目标量子成像, 并给出理论模型和解释. 研究表明, 利用光子计数的单光子探测器代替以往光强度线性探测器作为桶探测器在量子成像中同样适用. 实验发现, 合 作目标的反射信号可穿透弱散射介质实现成像, 该技术在减小光学成像透镜孔径方面具有潜在的应用价值. 对比了基于强度关联成像和压缩感知算法的量子成像结果, 并得出实用性结论. 本文的方案为量子成像的实际应用提供了新方法.

光纤锁模激光器结构简单, 运转稳定, 且输出的超短脉冲序列具有极高的时钟稳定性, 在抽运探测、脉冲相干合成等要求高精度时钟同步的前沿领域有着广阔的应用前景. 本文通过激光器腔内的电光调制器进行反馈控制, 实现了两台光纤锁模激光器之间的紧密时钟信号同步; 并且通过平衡光学互相关方法, 对残余的时钟误差信号进行了测量, 分辨率达到了13 as. 通过优化激光器的腔内动力学过程及反馈环路的参数, 在[1 Hz, 10 MHz]的积分区间内得到了109 as的残余时钟误差, 对应单台激光器的平均时间抖动为77 as.

为了详细分析由多个反射镜构成的谐振腔内的闭合光轴(共轭光轴)的特性以及存在条件, 首先从光束传输坐标变换的角度, 分析了由多个平面镜所构成的谐振腔的共轭光轴存在条件, 得出了奇数平面镜谐振腔仅当平面镜间具有高精度的相同垂直度时才存在闭合光轴, 而偶数平面镜谐振腔总是存在闭合光轴的结论, 并给出了腔共轭轴随腔镜方向失调而产生的角度变化关系. 然后从矩阵光学的角度分析包含球面镜的谐振腔的共轭光轴在腔镜间传输时的方向变换问题, 具体分析了由两个平面镜和一个球面镜构成的三角形环形谐振腔的闭合共轭光轴存在的问题. 结果表明, 当不同的镜子出现角度偏差时, 腔内仍然存在闭合的共轭光轴, 并给出了对应的腔轴变化以及新谐振面的位置及方向. 由此表明由于球面镜的加入降低了谐振腔共轭轴存在性对平面镜间高精度平行度的要求, 为基于高品质光学无源腔的光谱测量技术的高精度装调工作提供了理论指导.

为了降低高斯光束与谐振腔耦合过程中失调量和失配量对基于无源谐振腔测量技术精度的影响, 采用高斯光束变换规律、模式耦合有关理论以及光束传播坐标变换等相关理论, 就失调量和失配量对基模耦合效率的影响分别进行分析和模拟, 并据此给出了一般情况下两个参考量同时存在时基模耦合效率的表达式. 分析表明: 失配量的存在主要影响激光器与谐振腔的耦合效率, 而对高阶模式的激发影响较小, 因此对谐振腔的衰减线型影响较小; 失调量的存在对谐振腔高阶模式的激发起主要作用, 给测量带来严重误差. 该结论为利用腔出射光信号来确定误调参量值的实验方案提供了依据. 因此, 在考虑光源光谱线宽的情况下, 就光源光谱线宽的特性提出两种装调校准方案: 基于法布里-珀罗干涉仪法和基于多维象限探测器探测谐振腔出射光的调节回路, 这将为分析基于无源谐振腔的相关技术测量误差来源以及实现测量系统的高精度装调提供理论指导.

基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)的自旋反转模型, 数值研究了由一个光反馈VCSEL (定义为主VCSEL, M-VCSEL)输出的混沌光单向注入到另一个VCSEL (定义为副VCSLE, S-VCSEL)所构成的主副VCSELs系统的混沌动力学特性, 分析了注入强度、M-VCSEL与S-VCSEL之间的频率失谐以及M-VCSEL所受到的光反馈强度对系统混沌输出时延特征(包括强度时延特征(I-TDS) 和相位时延特征(P-TDS))以及输出带宽(BW)的影响. 结果显示: 通过调节注入强度和频率失谐, 该系统混沌输出的两个偏振分量(X-PC和Y-PC)的P-TDS和I-TDS可以同时得到抑制; 进一步分析注入强度和频率失谐对混沌BW的影响, 发现在较大负频率失谐区域, 系统可输出BW超过30 GHz 的X-PC和Y-PC混沌信号; 结合系统混沌输出信号的TDS与BW在注入强度和频率失谐参量空间下的演化特性, 可确定宽带宽、低时延特征混沌信号输出的参量空间区域. 此外, 通过合理调节M-VCSEL 所受到的光反馈强度, 可以显著优化系统的混沌输出信号质量.

研究了冷原子与法布里-珀罗腔内拉盖尔-高斯横模强耦合相互作用体系的透射光谱, 分析了透射光谱与原子在腔中运动轨迹的关系. 结果表明, 与厄米特-高斯横模相比, 拉盖尔-高斯横模的腔场与原子的最大耦合系数几乎不随阶数的增加而变化, 使得探测光谱的对比度受模式阶数的影响较小. 在拉盖尔-高斯横模场分布的圆环边缘附近, 原子运动轨迹的微小偏移会引起透射光谱的很大变化, 因此在这些位置可以实现原子运动轨迹的高精度探测.

报道了一种基于MgO:APLN实现1.57 m和3.84 m跨周期参量光连续输出的内腔抽运多光参量振荡器. 采用1064 nm谐振腔与多光参量振荡腔折叠型复合结构, 综合考虑高功率抽运下谐振腔的热稳定性及多光参量振荡过程的光斑模式匹配, 通过对两个子腔谐振结构的数值模拟分析, 确定了最佳腔型参数. 在此基础上, 进一步研究了谐振参量光透过率对振荡阈值、抽运光下转换效率、输出功率稳定性的影响, 最终实现了3.13 W的1.57 m和0.85 W的3.84 m参量光输出, 对应斜效率为6.8%和1.9%, 输出功率稳定性分别达到了1.8%和3%.

分析了含有外尺度的Von-Karman湍流空间相关函数模型, 并利用光纤湍流空间传感阵列的实测数据, 根据拟合算法获得了大气光学湍流空间外尺度的值及日变化, 对模型的适用性进行了实验验证. 将空间相关函数理论与空间多点同步测量的数据相结合, 尽可能清晰地展现了几种适合用相关函数描述的湍涡尺度. 结果表明, 在1.8 m的草地上, 大气光学湍流的外尺度呈现出白天较大、夜间较小的日变化趋势, 正午前后均值约为0.44 m, 夜间约为0.3 m. 有三点需要说明: 其一, 当两点间距恰好等于外尺度时, 其空间相关系数为0.26, 当两点间距超过外尺度之后, 仍具有一定的相关性; 其二, 积分尺度代表了湍涡尺度的平均值, 该值略小于外尺度; 其三, 湍涡的最大尺度所对应的湍流空间相关性为0, 其值略大于外尺度. 不难发现: 湍涡三种尺度的日变化与湍流强度的日变化趋势非常相似. 以空间布点探测的方法获取湍流特征尺度, 结果直观, 而且能够直接验证湍流空间相关函数模型, 所以可在一定程度上促进湍流空间结构特性的研究.

对大气湍流功率谱非均匀采样可以有效改善传统功率谱反演法低频采样严重不足的缺陷, 实现高精度的大气湍流相位屏的模拟. 但采用的直接求和运算计算复杂度高, 相位屏的模拟速度极慢. 将非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)引入到大气湍流相位屏的模拟, 可以实现相位屏的快速模拟. 从随机过程的谱分解出发, 将大气湍流相位随机过程表示为有限谐波分量叠加和的均方极限. 通过一个高斯核函数的卷积, 将非均匀分布的谐波复振幅映射到均匀网格空间, 进而利用快速傅里叶变换, 降低计算复杂度, 加快大气湍流相位屏的模拟速度. 以大气湍流的Kolmogorov 谱为例, 利用NUFFT仿真得到大气湍流相位屏, 并对相位屏的模拟精度、模拟速度和误差进行统计分析. 结果表明, NUFFT的引入可以实现快速、高精度的大气湍流相位屏的模拟.

运用第一性原理的局域密度近似+U(0 U9 eV)方法研究了本征金红石相TiO2在不同U值(对Ti-3d电子)下的禁带宽度、晶体结构以及不同比例C元素掺杂的金红石相TiO2的电子结构和光学性质, 研究表明, TiO2的禁带宽度和晶格常数随着U值的增加而增大. 综合考虑取U=3 eV并对其计算结果进行修正. 对于掺杂体系, 发现C 元素的掺杂在金红石相TiO2中引入杂质能级, 杂质能级主要由O-2p轨道和C-2p轨道耦合形成, 杂质能级的引入可以增加TiO2对可见光的响应, 从而使TiO2的吸收范围增大. C原子掺杂最佳比例为8.3%, 此时光学吸收边的红移程度最明显, 可增大光吸收效率, 从而提高了TiO2光催化效率.

设计了一种基于人工电磁材料覆层的高增益低雷达散射截面(radar cross section, RCS)圆极化微带天线. 人工电磁材料覆层是由介质板及其两侧的人工周期表面构成, 上表面是加载集总电阻的方环贴片, 具有宽带吸波特性; 下表面是开条带缝和圆环缝的金属贴片, 具有部分反射特性. 将其加载到圆极化微带天线上方, 通过覆层上表面的电阻可吸收入射的雷达波, 结合下表面与接地板构成Fabry-Perot谐振腔的多次反射, 可实现圆极化微带天线辐射和散射性能的同时改善. 实测结果表明: 加载人工电磁材料覆层后, 天线的相对轴比带宽由5.9%扩展为7.1%; 天线增益在整个工作频带内都得到了提升, 最大提高了6.61 dB; 天线RCS在宽频带宽角域内实现了明显的减缩, 在天线工作频带内也实现了3 dB以上减缩. 实测结果与仿真结果符合较好.

采用改进的化学气相沉积法制备了尺寸为10/130 m的掺Bi单包层石英光纤, 把光纤分成若干组之后置于不同剂量的60Co 辐射源下辐照, 测试了光纤在辐照前后的吸收谱和荧光谱, 并测试了光纤在全温度范围(-4070 ℃)下荧光强度的变化. 实验结果表明, 辐照后700, 800 nm处的吸收峰显著增强, 这是由于辐照导致更多Bi 近红外活性中心的生成. 976 nm光抽运不同剂量辐照后的光纤, 中心位于1230 nm的荧光谱没有明显变化, 验证了掺Bi石英光纤用于太空及辐照环境下光通信的可能性. 在全温度范围内, 分析了荧光强度的变化规律, 为今后掺Bi光纤激光器的稳定工作提供了数据基础.

利用光子晶体光纤结构的灵活性和性能的优越性, 设计了一种基于D形光子晶体光纤的折射率和温度传感器. 在D形光子晶体光纤表面抛磨并镀上金纳米薄膜, 作为表面等离子体共振传感通道用来测量液体折射率; 在包层的一个空气孔中填充温敏液体甲苯, 作为定向耦合通道实现对温度的测量. 进一步的数值计算发现, 基于定向耦合效应的温度传感和基于表面等离子体共振的折射率传感相互独立, D形光子晶体光纤同时进行折射率和温度传感检测. 在各向异性的完美匹配层边界条件下利用全矢量有限元法对该传感器特性进行了数值研究, 发现D形光子晶体光纤的空气孔直径决定了定向耦合吸收峰的中心波长和温度传感的灵敏度, 金薄膜的厚度和D形结构的抛磨深度仅影响表面等离子体共振峰的相对强度. 结果表明: 该传感器在-1080 ℃的温度范围内具有11.6 nm/℃的温度灵敏度, 在1.341.44折射率范围内折射率灵敏度最高可达26000 nm/RIU.

采用界面弹簧模型对圆管结构的管间界面特性进行描述, 推导出含弱界面的圆管结构中声波沿周向传播时的位移场及应力场的数学表达式. 在此基础上采用导波的模式展开分析方法, 给出了与管间界面特性及激励源密切相关的周向超声导波模式展开系数的解析表达式. 数值分析了管间界面特性的变化对周向超声导波的频散和声场产生的影响. 理论与数值分析结果表明, 通过选择适当的驱动频率及周向导波模式, 可使周向超声导波的相速度及圆管外表面的位移场随管间界面特性的变化表现出非常敏感且单调的性质. 这一结果有助于采用周向超声导波方法准确定征圆管结构的管间界面特性.

基于变换热力学, 采用坐标斜变换和旋转变换得到定向传热结构单元的热导率分布表达式, 并利用隔热材料和铜分层排布实现了定向传热结构单元. 将定向传热结构单元周期性排列, 得到二维平板定向传热结构. 数值计算结果表明: 当外部热流流向该结构上表面时, 热量主要向两侧流动, 从而使上下表面保持低温. 与同厚度二氧化硅气凝胶隔热材料相比, 上表面温度降低33.3%, 下表面温度降低4.3%, 而侧面温度上升40.1%. 定向传热结构上表面温度的降低表明能够及时导走热量, 从而降低上表面的红外辐射; 下表面温度的降低说明定向传热结构比二氧化硅隔热材料具有更好的隔热效果; 上表面热量主要向两侧传输造成侧面温度急剧升高, 有利于热能的有效利用. 定向传热结构在红外隐身、热防护领域具有潜在的应用价值.

采用Tiersten方程研究了环形ZnO薄膜谐振器中横模寄生问题, 获得了环(圆)形薄膜谐振器的横模振动方程, 求得横模位移场解和频率色散方程; 然后采用电磁学模式合成理论进行分析, 发现环形薄膜谐振器横模频率与环形电极的内外径之比a/b有关, 振动模式可由圆形薄膜谐振器横模模式合成得到, 通过控制a/b能够抑制横模模式数和调控基膜频率. 采用外差激光干涉仪和网络矢量分析仪测量并比较了同批次的圆形和环形薄膜谐振器的上电极横模振动图样和电阻抗曲线. 振动图样显示环形薄膜谐振器振动模式可由半径为a和半径为b的圆形薄膜谐振器振动模式合成, 仅存在节圆数大于0的横模振动, 等于0的横模模式被抑制; 电阻抗曲线显示当a/b为0.436时, 环形薄膜谐振器的基频(约1217 MHz)和圆形的(0, 1)模式频率相等. 测量数据验证了模式合成理论的分析结果正确性, 为薄膜谐振器的横模抑制研究提供了理论基础和新方法.

为了探究Soret效应对具有自由表面的圆柱形浅液池内双组分溶液热对流过程的影响, 通过实验观察了质量分数为50%的正癸烷/正己烷混合溶液在不同深宽比的液池内流动失稳后的自由表面耗散结构及液池内的温度波动. 结果表明, 双组分溶液流动失稳的临界热毛细Reynolds数小于纯工质的值, 且其随液层深宽比的变化规律与纯工质相同. 当深宽比小于0.0848时, 流动失稳后在自由表面观察到热流体波, 监测点处温度波动主频随热毛细Reynolds数增大而增加; 当深宽比大于0.0848时, 随热毛细Reynolds数的增大, 流动失稳后自由表面依次呈现轮辐状、花苞状、分离-合并-分离交替变化的条纹状结构.

目前理论、实验以及数值模拟主要研究自由来流中的小扰动与壁面局部粗糙相互作用激发边界层感受性问题. 但是, 针对自由来流湍流与壁面局部吹吸相互作用诱导边界层感受性的相关报道甚少. 本文采用直接数值模拟和快速傅里叶变换的方法, 数值研究了二维平板壁面具有局部吹吸的边界层感受性问题. 结果发现, 在二维边界层内能找到一组被激发产生的Tollmien-Schlichting(T-S)波波包的包络序列以及从波包中能够分离出一组稳定的、中性的和不稳定的T-S波, 证明了二维边界层内感受性现象的存在性. 经数值计算获得了T-S波波包传播的群速度; 并建立了自由来流湍流强度、壁面局部吹吸强度和长度与二维边界层感受性之间的关系, 获得了与Dietz感受性实验相类似的结论. 另外, 还发现在自由来流湍流与壁面局部吹、吸相互作用下能诱导二维边界层内产生相位相反的T-S波. 依据这一理论机理来优化设计局部吹吸装置, 不但能促使层流向湍流转捩的提前, 也可以延迟转捩过程的发生, 达到控制湍流运动的目的.

如何准确可靠地模拟从外层空间高稀薄流到近地面连续流的航天器高超声速绕流环境与复杂流动变化机理是流体物理的前沿基础科学问题. 基于对Boltzmann方程碰撞积分的物理分析与可计算建模, 确立了可描述自由分子流到连续流区各流域不同马赫数复杂流动输运现象统一的Boltzmann模型速度分布函数方程, 发展了适于高、低不同马赫数绕流问题的离散速度坐标法和直接求解分子速度分布函数演化更新的气体动理论数值格式, 建立了模拟复杂飞行器跨流域高超声速飞行热环境绕流问题的气体动理论统一算法. 对稀薄流到连续流不同Knudsen数0.002 Kn 1.618、不同马赫数下可重复使用卫星体再入过程(11070 km)中高超声速绕流问题进行算法验证分析, 计算结果与典型文献的Monte Carlo直接模拟值及相关理论分析符合得较好. 研究揭示了飞行器跨流域不同高度高超声速复杂流动机理、绕流现象与气动力/热变化规律, 提出了一个通过数值求解介观Boltzmann模型方程, 可靠模拟高稀薄自由分子流到连续流跨流域高超声速气动力/热绕流特性统一算法.

采用复合水平集-流体体积法并综合考虑传热及接触热阻的作用, 对液滴碰撞液膜润湿壁面空气夹带现象进行了数值分析. 揭示了夹带空气形成机理, 探索了夹带空气特性参数随碰撞速度和液膜厚度的变化规律, 获得了夹带空气作用下液滴碰撞润湿壁面的传热机理. 研究结果表明: 撞壁前气液两相压力差是引起气液相界面拓扑结构变化以及夹带空气形成的主要原因; 液滴碰撞速度与压缩空气层内压力以及相界面形变高度密切相关; 液滴接触液膜时, 碰撞轴上液滴底部和液膜表面速度相等, 大约是碰撞速度的1/2; 碰撞速度对夹带空气层底部到破碎点的无量纲弧长和最大无量纲夹带空气直径均存在较大的影响; 液滴和液膜的无量纲形变高度与斯托克斯数密切相关; 液膜初始厚度对液滴和液膜的无量纲形变高度和最大无量纲夹带空气直径影响较大; 撞壁初始阶段, 碰撞中心区域夹带空气对壁面热流密度分布存在较大的影响.

使用基于密度泛函微扰理论的第一原理赝势法, 计算了纤锌矿结构2H-SiC晶体在强激光照射下的电子特性, 分析了其能带结构和电子态分布. 计算结果表明: 2H-SiC平衡晶格参数a 和c随电子温度Te的升高逐渐增大; 电子温度在02.25 eV范围内时, 2H-SiC仍然是间接带隙的半导体晶体, 当Te超过2.25 eV达到2.5 eV以上时, 2H-SiC变为直接带隙的半导体晶体; 随着电子温度升高, 导带底和价带顶向高能量或低能量方向发生了移动, 当电子温度Te大于3.5 eV以后, 价带顶穿越费米能级; 电子温度Te在02.0 eV变化时, 带隙随电子温度升高而增大; Te在2.03.5 eV范围变化时, 带隙随电子温度升高而快速地减少, 表明2H-SiC晶体的金属性随电子温度Te的继续升高而增强. 在Te =0, 5.0 eV 处, 计算了2H-SiC晶体总的电子态密度和分波态密度. 电子结构表明Te =0 eV 时, 2H-SiC 是一个带隙为2.3 eV的半导体; 在Te =5.0 eV时, 带隙已经消失而呈现出金属特性, 表明当电子温度升高时晶体的共价键变弱、金属键增强, 晶体经历了一个熔化过程, 过渡到金属状态.

设计了一种六角密排的二维环形纳米腔阵列结构, 利用时域有限差分算法对该结构的光学特性进行了探究. 仿真结果表明, 在线性偏振光入射时, 环形腔内可以形成多重圆柱形表面等离激元谐振, 谐振波长的个数和大小与环形腔的结构参数相关. 根据透、反射光谱, 电场矢量的模式分布及截面电荷密度的分布, 谐振波长处形成圆柱形表面等离激元, 谐振波长处入射光能量大部分在环形腔内损耗, 此时反射率为极小值, 环形腔内的电场增强效应为极大值(光强增强可达1065倍). 谐振波长与环形腔的结构参数(狭缝内径、狭缝外径、膜厚、环境介质折射率、金属的材质)相关, 通过调节结构参数, 谐振波长在3502000 nm范围内可调. 通过对比相同结构参数的单个环形腔和环形腔阵列的仿真结果, 周期排布对环形腔内的圆柱形表面等离激元吸收峰位置影响不明显. 该结构反射光谱对入射光电矢量偏振方向不敏感. 谐振波长的可调控性对于表面拉曼增强和表面等离激元共振传感器的设计与优化具有指导性意义, 且应用于折射率传感器时灵敏度可达1850 nm/RIU.

通过变温暗电流和变偏压光电流谱实验对阻挡杂质带红外探测器的跃迁机理和输运特性进行了研究. 结合器件能带结构计算的结果, 证明了在阻挡杂质带红外探测器中主要由导带底下移效应引起的界面势垒的存在. 提出了阻挡杂质带红外探测器的双激发工作模型, 并从变偏压光电流谱中成功地分离出了与这两种物理过程所对应的光谱峰, 进一步证实了器件的能带结构. 研究了界面势垒效应对阻挡杂质带红外探测器的光电流谱、响应率和内量子效率的影响. 研究表明, 考虑进界面势垒效应, 计算得到的器件响应率与实验值符合得很好. 同时发现阻挡杂质带红外探测器中内建电场的存在等效降低了发生碰撞电离增益所需的临界电场强度.

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 研究了不同晶体结构和尺寸的GaSb纳米线能带结构特性和载流子的有效质量, 以及单轴应力对GaSb纳米线能带结构的调控. 研究结果表明: 闪锌矿结构[111]方向和纤锌矿结构[0001]方向的小尺寸GaSb纳米线均出现间接带隙的能带结构, 并可通过单轴应力来实现纳米线能带结构由间接带隙到直接带隙的转变, 其中, 闪锌矿结构[111]方向GaSb纳米线仅在受到单轴拉伸应力时才发生能带由间接带隙到直接带隙的转变, 而纤锌矿结构[0001]方向GaSb纳米线无论受单轴拉伸还是压缩应力的作用均可实现能带由间接带隙到直接带隙的转变; [111]和[0001]方向GaSb纳米线的带隙和载流子有效质量与纳米线直径呈非线性关系, 并随纳米线直径的减小而增大; 同一方向和尺寸的GaSb纳米线, 其空穴有效质量要小于电子有效质量, 这表明小尺寸GaSb纳米线有利于空穴载流子输运.

相对于传统的光学遥感, 多角度偏振遥感不仅可以获取辐射强度信息, 而且可以获取偏振强度信息. 基于多角度偏振卫星载荷观测的中国典型地物的偏振反射率数据, 获取了地表偏振双向反射模型Nadal模型的中国区域模型参数值. 在此基础上, 基于修正的Nadal模型研究了中国区域森林、草地、沙漠三种典型地物的多角度偏振特性. 研究表明: 1)各地物的偏振反射率均随着散射角的增大而减小, 随着太阳天顶角和卫星观测天顶角的增大而增大; 2)森林、草地和沙漠三种典型地表偏振反射率存在明显差别, 森林的偏振反射率最低, 草地的偏振反射率次之, 沙漠的偏振反射率大约为森林的两倍; 3)不同地物之间的偏振反射率差值均随着卫星观测天顶角和太阳天顶角的增大而增大. 研究结果可为基于多角度偏振遥感数据探测地表偏振特性和反演气溶胶参数提供先验知识.

运用密度泛函理论体系下的投影缀加波方法, 对闪锌矿和朱砂相结构的ZnTe在高压下的状态方程和结构相变进行了研究, 并分析了相变前后的原胞体积、电子结构和光学性质. 结果表明: 闪锌矿结构转变为朱砂相结构的相变压力为8.6 GPa, 并没有出现类似材料高压导致的金属化现象, 而是表现出间接带隙半导体特性. 相变后, 朱砂相结构Zn和Te原子态密度分布均向低能级方向移动, 带隙变小; 轨道杂化增强, 更有利于Te 5p与Zn 3d间的电子跃迁, 介电常数虚部主峰明显增强, 但宏观介电常数不受压力的影响.

电子辐照聚合物样品的带电特性是扫描电子显微镜成像、电子束探针微分析以及空间器件辐照效应等领域的一个重要研究课题. 通过建立基于蒙特卡罗方法的电子散射和时域有限差分法的电子输运的数值模型, 并采用高效的多线程并行计算, 模拟了电子非透射辐照聚合物样品的带电特性, 得到了带电稳态下的样品底部泄漏电流密度、表面负电位以及样品总电荷密度等带电特征量受入射电子能量、入射电流密度、样品材料的电子迁移率、样品厚度等相关参数共同作用的影响. 结果表明, 一个参数的变化使表面负电位增强时, 其他参数对负电位的影响将增强. 样品的带电稳态特征量在同一个电流平衡的模式下受参数影响的变化是单调的. 当电流平衡模式发生变化时, 如在入射电子能量较低的条件下, 样品内部的总电荷量会随着样品厚度的增大而先增加后减小, 出现局部极大值. 样品底部的泄漏电流密度随着入射电流密度的增大而近线性成比例地增大. 研究结果对于揭示电子辐照聚合物的带电规律及微观机理、预测不同条件下的样品带电状态具有重要科学意义.

在压力为5.56.2 GPa, 温度为12801450 ℃的条件下, 利用温度梯度法详细考察了氮氢协同掺杂对100晶面生长宝石级金刚石的影响. 实验结果表明伴随合成腔体内氮、氢浓度的升高, 合成条件明显升高, 金刚石生长V形区间上移; 晶体的红外光谱中与氮相关的吸收峰急剧增强, 氮含量可达2000 ppm, 同时位于2850 cm-1和2920 cm-1对应于 sp3杂化 CH 键的对称伸缩振动和反对称伸缩振动的红外特征峰逐渐增强, 表明晶体中既有高的氮含量, 同时又含有氢. 对晶体进行电镜扫描发现, 氮氢协同掺杂对晶体形貌影响明显, 出现拉长的{111}面, 且晶体表面上有三角形生长纹理. 拉曼测试表明, 晶体的峰位向高频偏移、半峰宽变大, 说明氮、氢杂质的进入对晶体内部产生了应力. 本文成功地以{100}晶面为生长面合成出高氮含氢宝石级金刚石单晶, 在探究氮氢共存环境下金刚石生长特性的同时, 也可为理解天然金刚石的形成机理提供帮助.

建立了双缘调制数字电压型控制Buck变换器的离散迭代映射模型. 在该模型的基础上, 详细研究了双缘调制数字电压型控制Buck变换器的非线性动力学行为. 以输入电压、负载电阻等电路参数作为分岔参数, 绘制了输出电压和电感电流的分岔图, 并通过分岔图的分析发现了两种相似却又不同的Hopf分岔现象. 采用庞加莱截面、时域仿真波形和相轨图, 对比分析了两种不同的Hopf分岔和低频振荡现象, 并引入离散迭代映射模型的雅克比矩阵的特征值分析方法, 从理论上证明了两种Hopf分岔的存在性和差异性. 首次观察到基于双缘调制的数字电压型控制Buck变换器出现了奇数倍周期分岔现象, 并通过时域仿真波形和相轨图验证了该现象的真实性. 为更加接近实际电路, 考虑电容和电感的等效串联电阻, 使用Psim进行仿真, 其结果与理论仿真结果基本一致, 验证了理论仿真的正确性.

制备了基于内嵌氧化物铜(CuO)薄膜的并五苯薄膜晶体管器件. 将3 nm CuO薄膜内嵌入到并五苯(pentacene)中, 作为空穴注入层, 降低电极与并五苯之间的空穴注入势垒. 相对于纯并五苯薄膜晶体管器件, 研制的晶体管的迁移率、阈值电压(VTH)、电流开关比(Ion/Ioff) 等参数都有明显改善. X射线光电子能谱数据表明, 这种空穴注入势垒的降低源自并五苯向CuO的电子转移.

采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术, 基于优化表面形貌及光电特性的溅射后腐蚀ZnO:Al衬底, 将通过调控工艺参数获得的器件质量级高速微晶硅(upc-Si:H )材料(沉积速率达10.57 /s)应用到微晶硅单结电池中, 获得了初始效率达7.49%的高速率超薄微晶硅单结太阳电池(本征层厚度为1.1 m). 并提出插入n型微晶硅和p型微晶硅的隧穿复合结, 实现了非晶硅顶电池和微晶硅底电池之间的低损电连接, 由此获得了初始效率高达12.03% (Voc=1.48 eV, Jsc=11.67 mA/cm2, FF=69.59%)的非晶硅/微晶硅超薄双结叠层电池(总厚度为1.48 m), 为实现低成本生产太阳电池奠定了基础.

核磁共振测深(MRS)探水仪探测到的纳伏级微弱信号极易受到各种环境噪声的干扰, 严重影响信号特征参数的准确提取, 导致后续反演解释错误率增高. 针对这一难题, 提出了基于独立成分分析的快速固定点算法进行信噪分离. 首先分析了该算法用于全波MRS信号消噪的适用性; 其次, 采用数字正交法解决欠定盲源分离问题, 提出了频谱校正法实现分离信号幅值的有效恢复. 仿真结果表明, 该算法能够有效地实现全波MRS信号的信噪分离, 且数据拟合后初始振幅和弛豫时间的相对误差小于 5.00%; 通过与其他经典算法的对比分析, 进一步证明了该算法消噪性能的优越性. 将该算法应用到野外实测信号处理, 结果证明其能有效滤除环境噪声.