地震超材料:从自然结构到新型人工结构

光子晶体、声子晶体和声学超材料在调控波和波衰减等领域产生了深远影响.它们并不是自然界中新发现的材料,而是根据不同需求设计的复合结构,通常利用布拉格散射或局域共振机理来达到调控声波/弹性波能带结构的目的.与光子晶体不同,声子晶体和声学超材料的工作区域在较低频区域,因此获得低频且大范围的禁带是该领域的研究重点,并逐渐拓展到频率低、波长长的地震波隔震减灾防控上.本文从纳米光子和地震超材料的联系出发,从固体物理的视角分析了地震超材料的城市群、自然森林超材料等,将新型人工地震超材料在分布区域、禁带机制、实验方式3个方面进行了分类比较,并展望了现阶段地震超材料研究的一些局限性以及面临的挑战.     

梯度折射率超材料透镜

超材料是由人工设计的、具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构,有负等效质量密度、负等效弹性模量、负折射率等特性.声子晶体超材料是一种具有周期性结构的超材料,其布拉格带隙或局域共振带隙的存在使处于禁带频率下的声波或弹性波进入声子晶体后无法在其中传播.其能带特性可以通过设计进行调节,使通带频率下的声波或弹性波进入具有特定结构的声子晶体后,实现成像、聚焦以及定向传输等对波传播的极端控制功能.梯度折射率超材料是一种折射率随空间变化而变化的结构.梯度折射率透镜由局部非均匀结构组成,其折射率是空间坐标的函数.波在透镜中会沿着弯曲的轨迹传播,可以通过适当的设计实现对波的弯曲、偏转和聚焦等功能.梯度折射率的设计可以通过改变局部晶体单元的性质实现有效折射率的梯度分布,如改变声子晶体的晶格尺寸、散射体的填充率、散射体的材料等.此外,梯度折射率超材料透镜能够通过设计在宽频率范围内精准聚焦波,从而实现能量采集等工程应用.本文从光学理论原理、透镜设计及其应用三方面展开介绍,首先对理论基础以及目前构建梯度折射率器件的几种方法进行总结,然后从透镜的应用角度介绍几种典型案例,最后对透镜的未来研究作出展望.     

腔色散不共轴效应与超宽带频谱飞秒脉冲

在理论和实验上研究了KLM钛宝石激光器中腔色散不共轴效应对腔内频谱展宽的影响, 发现当激光器亚腔工作在谐振腔下稳区共轴点附近时, 腔色散不共轴效应对腔内频谱展宽的限制被减弱, 有利于产生宽带频谱. 基于此理论, 在自建的钛宝石自锁模激光器上产生了从650~1000 nm超宽带频谱, 是目前采用钛宝石晶体长度为3 mm的类似腔结构的钛宝石激光器所产生的最宽频谱.     

气体受激光发射器的波型分离

关于气体受激光发射器的单波型振荡的输出花样,已有过详细的理论分析和一些实验观察。本文报导我们分离单波型的方法,及对单波型振荡输出花样的观察结果。若对圆形孔谐振腔和方形孔谐振腔分别采用圆柱座标(r,ф,z)和直角座标(x,y,z),且z轴都与谐振腔的轴线重合,则单波型花样在腔端面处的振幅分别为: 圆形孔谐振腔(非共焦球面腔):     

处理温度对聚合物蛋白石基光子晶体禁带的影响

研究了聚苯乙烯微球自组装形成的蛋白石结构光子晶体在不同温度处理后的微观形貌与反射光谱. 实验结果发现随着处理温度的升高, 蛋白石结构中的聚苯乙烯微球向正十二面体转变, 反射光谱峰值向着短波长方向移动. 实测结果证明了填充率和有效折射率对禁带位置的影响, 并与理论模拟结果相符.     

光子晶体的制备与应用展望

光子是极具潜力的信息载体,光子晶体是能够操控光的人造物质.文中阐明了光子禁带生成的基本原理,简述了光子晶体的主要制备方法,展望了光子晶体的技术开发前景.     

同轴光子晶体中异常群速度现象

研究了同轴准一维光子晶体中光子带隙和光子晶体缺陷态的电磁波群速度. 实验结果表明, 在准一维光子晶体中, 存在群速度超光速现象; 在光子晶体缺陷态, 缺陷的色散可导致极慢的群速度, 呈现“慢波”. 传输线等效模型和传输矩阵模拟分析也表明, 同轴准一维光子晶体在禁带频域, 存在群速度超光速现象; 在同轴光子晶体中引入缺陷后, 缺陷的色散可导致极慢的群速度, 模拟计算结果与实验结果很好吻合.也表明     

Rhodamine 6G在光子晶体中的光致发光及聚集态生长

通过毛细生长法沉积了具有特定光子禁带的胶体光子晶体, 并用浸渍法在光子晶体孔隙内浸润了Rhodamine 6G(R6G)乙醇溶液, 制备了掺杂R6G的光子晶体. 结果发现, 光子晶体的禁带对R6G的发光谱有影响, 能够强烈限制光子的发射从而抑制特定波长的发光强度. 改变掺杂R6G的浓度, 会引起间隙介质平均折射率的变化, 从而引起光子带隙的移动. 采用Nd:YAG激光器三倍频354.5 nm激光对掺杂了R6G的光子晶体进行了激发, 光谱显示没有受激发射, 这一点与相关文献是一致的. 我们对光子晶体中R6G的聚集态进行了SEM分析, 发现R6G呈束状聚集. 与胶体光子晶体的[111]方向相比, 该束状聚集体更倾向于沿着[100]方向生长. 本实验对于开展固态激光器的研究以及三维阵列的应用研究具有一定指导意义.     

大珠母贝韧带中的光子晶体型结构

大珠母贝韧带在干燥状态时呈黑色, 用水湿润后可呈现鲜艳的蓝色结构色. 场发射扫描电子显微镜研究表明, 大珠母贝韧带具层状结构, 微层的厚度约35 μm, 主要由直径约78 nm的文石纤维和蛋白质组成. 同一微层中文石纤维具有高度一致的定向排列, 因而具有二维光子晶体型结构特征. 反射光谱测试及理论模拟表明该类结构在干燥状态时光子禁带位于紫外区, 而湿润后其光子禁带位于蓝色范围, 从而导致韧带的结构色.     

Π类非临界相位匹配LBO腔内倍频LD泵浦Nd:YVO4 671 nm激光器

报道了激光二极管泵浦的Nd:YVO4腔内倍频红光激光器. 利用Π类非临界相位匹配的LBO晶体,在吸收泵浦功率5.16W时,获得404 mW的671 nm激光输出, 光-光转换效率约7.8%. 在温度匹配处,温度波动±0.5℃,红光输出波动小于5%.     

部分相干高分辨电子显微镜菲涅尔环的研究

本文提出对高分辨电子显微镜直边菲涅尔环理论研究的两个新的途径:一是,研究由于电子光学系统的带限性质以及它对电子波场的位相调制作用,而造成对菲涅尔环的影响。因为迄今为止,对菲涅尔环的理论研究,大多是基于将直边所形成的菲涅尔条纹,作为一个物面附近的虚物被再现于象面上这样一个物理模型,而设有计及电子光学系统本身的特性。二是,研究部分相干照明情形下,相干度对菲涅尔环的作用,从而克服通常文献在简化的相干前提下     

大数据浪潮冲击下网络科学与工程面临的挑战与机遇

近年在大数据浪潮的冲击下,“网络科学与工程”与众多领域一样,面临着新的挑战和机遇。首先评述大数据及大数据科学的特点和概况;然后针对当今“网络科学与工程”的最新前沿课题--“网络的网络(NON)”,讨论若干典型的NON 及其主要特点和相关课题初步进展,并提供若干挑战性课题和难得的机遇。     

光纤技术在防空预警系统中的应用*

笔者提出基于光纤语音探测技术,构建防空声探测系统,并通过既有的通讯光缆网络组网形成广域的防空声探测体系。通过实验验证了单个防空声探测系统的探测性能,并探讨了通过通讯光缆组网形成的多点（两点）声探测体系的可行性。     

发动机异响诊断系统的构建

基于声信号的异响分析法是发动机故障诊断方法中唯一的非接触诊断方法,虚拟仪器技术经过二十多年的发展,已经在测控领域得到了广泛的应用。文章提出了以虚拟仪器为开发平台,可将发动机声信号的测量、分析以及诊断专家系统相结合的发动机故障诊断模式。     

纳米隧道二极管阵列神经网络结构的图像模拟

纳米隧道二极管阵列芯片可以作为一种高速并行运算的数据处理单元, 它是由大量纳米隧道二极管组成的细胞神经网络(CNN), 通过纳米隧道二极管和网络本身的特性可以在硬件层次上实现对数据的高速处理, 如图像的平滑、边界检测与加强等. 基于具有细胞神经网络结构的Ge纳米隧道二极管有序阵列, 将Esaki二极管这一古老的器件及其工艺作为现代的神经网络技术的硬件基础, 通过对这种纳米神经网络结构的模拟, 显示了这种结构在图像处理中的平滑、边界检测及加强的功能, 为进一步的实验研究提供了理论依据.     

基于声透镜的三维同时光声层析成像技术

提出了一种能实现连续分布物体的三维同时光声层析成像的新方法, 利用一个具有二维并行成像能力而且具有较大焦深的声透镜, 把一个三维物体并行成像在声透镜的像面上. 由于声透镜具有较大焦深, 可以把不同物面的光声信号准确成像在同一像面. 根据成像系统的正弦定理, 同一物面所产生的光声信号同时到达像面, 而不同物面所产生的光声信号需要不同的时间到达同一像面, 由于光速远大于声速, 因此可以利用时间分辨技术实现三维物体的同时光声层析成像. 实验结果表明, 该成像系统可以同时获得三维物体的不同层面的层析图像.     

苏北浅滩波浪传播速度的高频地波雷达探测

应用雷达波Doppler正频移与负频移信号联解波速和径向流速方法, 在2011年7月苏北浅滩高频地波雷达观测试验中实现潮间浅滩海面波浪传播速度的观测. 基于频移与波速两级数据质量控制后统计的苏北浅滩平均波速平面分布图, 可分辨出与潮间浅滩、水下岸坡和潮汐水道等浅滩地貌单元相关的波速分区格局. 同步检验表明： 雷达观测波速与现场观测水深的关系统计意义上遵循微幅波理论, 径向流速较大条件下的波速观测质量较好, 复杂地形所致双向波速不等现象导致波速观测质量降低, 高频地波雷达是潮间浅滩动态遥感监测的潜在工具.     

基于CUDA的格子Boltzmann方法:算法设计与程序优化

格子Boltzmann方法(LBM)由于其具有计算简单,天然并行,易于程序实现,易于处理复杂边界等优点而成为流体建模和模拟的一种重要方法.LBM的上述优点也使得其非常适合利用图形处理单元(graphic processing unit,GPU)进行大规模流体计算.基于GPU的CUDA(compute unified device architecture)编程平台,首先设计了相应的LBM算法,并以二维方腔流、二维圆柱绕流以及三维方腔流为例,着重探讨了存储器访问优化等优化技术的作用;此外,本文也对程序的性能进行了详细分析.结果表明,本文的算法取得了理想的加速效果,证实了GPU与LBM的良好匹配关系.     

基于Snake模型的图像边缘提取方法

描述了几个Snake算法,通过Snake算法与DP算法的有效结合来获取图像的特征边缘点,实验结果表明,基于Snake模型的图像分割方法,可以从图像中提取连续、封闭的边缘曲线,能够较好的将目标从图像中提取出来。