负折射率薄膜热辐射的TM偏振特性研究

利用传输矩阵方法及基尔霍夫定律推导了TM偏振波的偏振特性计算公式. 在研究TM波特性的同时, 评估了体系参数对薄膜辐射方向性及相干性的影响, 以及倏逝波对TM偏振波偏振特性的影响. 结果表明负折射率薄膜的热辐射特性是由两个作用共同影响所产生的结果, 一个作用是薄膜结构对电磁波的干涉效应, 另一个作用是负折射率材料对倏逝波的放大导致的光子隧道效应. 通过调整薄膜结构的体系参数, 可以对其热辐射的方向特征和光谱特征进行相应的调制.     

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.     

表面等离激元的调控研究与应用

随着对表面等离激元(SPPs)研究的日益深入和高精度纳米加工技术的不断进步, 表面等离激元亚波长光学得到迅速的发展. 由于SPPs具有表面局域和近场增强等特性, 在纳米光子学、能源、传感探测、生命科学等领域均有重要应用. 基于SPPs的特点, 介绍了材料、结构、材料和结构的复合以及柱面矢量光场对SPPs的调控特性及其应用.     

表面增强光谱和表面等离激元共振传感器

表面等离激元光子学是研究光和金属表面自由电子耦合所引起金属表面电荷密度振荡的性质及其应用的一门学科. 金属中的自由电子在入射光的作用下产生集体振荡. 在垂直表面的方向上强度呈指数衰减, 使得亚波长金属结构中光场高度局域. 由于独特的光学性质, 使得其具有广泛的应用, 其中两个重要的分支为: 表面增强光谱和表面等离激元共振传感器. 表面增强光谱传感器是利用纳米结构的巨大表面增强效应来直接探测表面分子,表面等离激元共振传感器通过检测目标分子对等离激元共振峰的影响进行定性定量检测.这两种优势互补的传感器技术都可以达到单细胞甚至单分子的检测水平. 本文将论述表面等离激元光子学的原理、表面增强光谱和表面增强光谱传感器研究领域的国内外最新进展和发展趋势.     

喷砂-电刷镀制备疏水耐腐蚀复合结构

采用喷砂-电刷镀相结合的方法,在碳钢表面制备出具有疏水耐腐蚀性能的微-纳复合结构.在最佳工艺参数下,获得接触角达到149.3°±2.5°的疏水表面.对喷砂-电刷镀相结合制备试样表面形貌、接触角以及耐腐蚀性进行表征.结果表明:喷砂与电刷镀结合工艺构筑的表面复合结构具有优异的疏水特性和良好的耐腐蚀性,且试样表面的平均腐蚀电流密度下降1~2个数量级,腐蚀电位也均有所提高.可见,通过在碳钢表面设计喷砂-电刷镀结合工艺构筑微-纳复合结构可以获得优异疏水耐腐蚀特性.     

处理温度对聚合物蛋白石基光子

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。     

类水稻叶多尺度表面构筑与各向疏水性

采用高速电火花线切割加工方法与电刷镀工艺结合在铝合金表面构筑了类水稻叶多尺度层级结构表面.利用扫描电子显微镜(SEM)、激光共聚焦显微镜(LSCM)、X射线衍射仪(XRD)和接触角测量仪表征表面的形貌结构、物相组成和润湿特性.结果表明,电刷镀获得的双尺度(微-纳米)微观结构对表面疏水性起关键作用,而高速电火花线切割加工获得的规则排列亚毫米级槽棱结构进一步放大了其平槽方向表面的疏水性能,使其未经任何化学修饰即获得优异的超疏水特性,接触角可以达到151°,且展现平槽和垂槽方向不同的疏水特性.这一研究将对各向异性功能材料结合超疏水材料的应用起到一定的指导意义.     

杯形砂轮磨削氮化硅陶瓷表面形貌

磨削参数对工件表面加工质量有重要影响.杯形砂轮大切深缓进给端面磨削方法是一种高效、高精度硬脆材料加工方法.本文研究了利用此加工方法加工氮化硅陶瓷材料时,磨削深度参数与加工表面形貌之间的关系.利用一种非接触式白光干涉仪对工件表面形貌进行了测量和分析,发现随着磨削深度的增大,表面粗糙度无明显变化,而表面波纹度则受到显著影响.     

超快太赫兹表面等离子波与非谐振传输场的耦合

亚波长周期孔阵列的太赫兹脉冲透射光谱与孔宽度有关. 在最佳孔宽条件下, 绝对能量透过率达到最大值. 随着孔宽度的增加, 光谱的线宽增加, 峰值频率发生蓝移. 该现象是电磁场通过孔阵列时, 表面等离子波谐振激发与非谐振传输场之间互相耦合的结果. 采用Fano模型对其进行了理论拟合, 并实验测量了随入射角度变化的等离子波传输谱带结构.     

变加速直线运动黑洞的非热辐射

本文研究了作变加速直线运动的蒸发黑洞的非热辐射。利用弯曲时空中的Hamilton-Jacobi方程,计算出了Dirac正负能级的精确表达式,在视界附近出现了正负能级交错,这种交错会导致自发辐射的产生。黑洞的加速度和黑洞表面的电磁势是产生能级交错和非热辐射的根源。黑洞的蒸发也会对能级分布及非热辐射产生影响。值得注意的是,对于变加速直线运动的蒸发黑洞,非热辐射的频率范围与极角有关,这是不同于稳态黑洞的一个特点。     

蝾螈足垫形貌特征及黏附机制

为探讨东方蝾螈足垫的黏附特性,本文分别进行了蝾螈的黏附实验研究及其足垫的微观形貌分析.黏附实验结果显示:东方蝾螈能够黏附在超过90°的光滑干或湿的玻璃表面上,整体显示出较强的剪切抵抗能力,与蝾螈亚成体相比,蝾螈幼体表现出更强的垂直黏附效率.形貌分析结果显示:蝾螈亚成体的足垫表面存在大量的黏液腺孔,表皮细胞间存在窄裂缝,而蝾螈幼体的足垫表面黏液腺孔稀少,表皮细胞(大小约29?m)排列紧密,细胞被明显的凸起边界(宽度337±82 nm,高度180±55 nm)围绕.蝾螈亚成体和幼体的足垫表皮细胞表面均被一层尖端呈半球形的纳米柱阵列覆盖,纳米柱被小沟槽围绕.纳米柱的数量密度约为60个/?m2,其高度和宽度相当,约为160 nm,对应约1.0的高宽比.纳米压痕测试显示:蝾螈足垫表面较软,其有效弹性模量约为564.8±239.1 k Pa.基于黏附实验及形貌分析结果,文章重点讨论了足垫形貌特征与其相适应的黏附机制.本研究可为新一代仿生水下黏附材料的开发提供新颖的启发.     

掺铕碲铌锌玻璃的三阶非线性光学特性

运用前向简并四波混频技术对掺铕碲铌锌玻璃的三阶非线性光学特性进行了研究,获得了其非线性折射率系数和响应时间特性; 利用吸收光谱、折射率和Raman光谱的测量研究掺铕碲铌锌玻璃的结构特性以及铕掺杂对玻璃基质结构的影响; 探讨了掺铕碲铌锌玻璃的非线性形成机制. 发现三阶非线性极化率的强度、响应时间与掺杂浓度相关.     

Ag/Bi多层膜的结构研究

多层膜一般是由交替沉积而成的两种元素组成的亚层构成,在近十几年中,由于多层膜具有独特的电、磁、光和机械等优良性能,并且合成的多层膜结构提供一个高密度界面条件以研究非平衡情况下在界面处材料的相互作用,所以使它在技术应用和基础研究领域的应用日趋广泛,在许多性能应用中人们必须考虑来自结构的影响,如果亚层的厚度都很小,在纳米数量级,在垂直多层膜的膜面方向上成一维周期结构,则这种一维周期结构将产生Bragg衍射,不过所产生的Bragg衍射峰在0°<2θ<10°范围内,一般称为调制峰,不管采用什么沉积技术,一般制备的多层膜不是非常完整的,有许多可能的非完整情况,界面粗糙度就是这种非完整情况之一,多层膜的结构主要由调制波长L(两层不同元素组成的亚层厚度之和)、亚层结构和表面粗糙度等因素来表达,目前人们对具有负混合能的多层膜系统已经进行了大量的研究工作,但对具有正混合能的多层膜系统则研究的较少.     

聚合物S形脊波导的优化设计

首先利用变分有效折射率法对聚合物脊形多模光波导基模和高阶模的色散特性与横向场分布进行分析, 研究了波导结构参数对色散特性的影响, 计算出TM基模和高阶模的光场分布, 得出了聚合物脊形光波导的单模传输条件. 然后利用广角有限差分束传播法和有效折射率法研究了S形脊波导圆弧曲率半径与弯曲损耗的关系, 得出了如下结论: 当圆弧曲率半径大于5000 μm后, 即使波导曲率半径增大, 波导的弯曲辐射损耗已不会再明显减小, 光已可以在S形脊波导中稳定地传播了.     

氨基酸分子的太赫兹时域光谱

采用THz时域光谱(THz-TDS)测试技术, 在室温氮气环境中, 对4种氨基酸分子(酪氨酸、精氨酸、组氨酸和谷氨酰胺)在0.2~3.0 THz波段的光谱特性进行了探测. 根据提取材料THz光学参数的物理模型, 获取了吸收系数和折射率等光学参数, 得到了具有高分辨率的特征吸收谱和折射率谱; 所得结果填补了氨基酸在远红外区域的光谱空白, 为利用THz时域光谱技术研究其他氨基酸分子, 建立氨基酸类分子的指纹谱库以及分析分子构象等问题提供了科学依据.     

飞秒激光诱导周期性表面结构及其应用

近年来,飞秒激光微纳加工技术引起了科学界的广泛关注.飞秒激光脉冲凭借其超短脉宽及超强的瞬时功率,较传统的激光加工有着明显的优势:几乎可以加工任何材料,非接触加工,非热加工,加工精度高,能够加工亚微米级结构和三维复杂结构,加工过程耗能低.飞秒激光加工材料的过程中会产生周期性的表面结构,这些表面结构会对材料的表面性能产生明显的影响,并且在国防、医疗、高端制造等多个领域具有巨大的应用潜力.因此,国内外研究人员对飞秒激光诱导周期性表面结构进行了系统深入的理论研究和实验研究.本文简要阐述了飞秒激光的基本特点及飞秒激光微纳加工的独特优势,对近年来关于飞秒激光诱导周期性表面结构(laser induced periodic surface structure,LIPSS)的理论与实验研究进行了综述,并阐述了这种周期性表面结构对材料表面浸润特性、光学特性以及表面拉曼增强的影响和研究进展,最后对LIPSS未来的研究方向进行了预测和展望.     

多孔硅光致发光激发谱测量与机理分析

对多孔硅光致发光光谱(PL)和光致发光激发谱(PLE)的研究可以获得许多有关多孔硅发光机理的信息。已有许多文章报道了多孔硅发光的光谱特性和多孔硅的制备条件以及后续处理之间的关系,并据此提出了不同的发光模型。也有人对多孔硅的发光特性和激发条件间的关系进行了研究,并提出多孔硅的发光和表面态或荧光中心有关。我们用不同波长的单色光作激发源,测量了多孔硅发光的光谱特性,并用连续变化波长的单色光作激发源,测量     

晶体硅电池的价电子结构与光谱响应的相关性分析

晶体硅太阳能电池是第一种实现商业化的太阳能电池,也是我国唯一实现商业化生产的太阳能电池.目前的研究多关注于硅电池的制备工艺,本文用固体与分子经验电子理论(EET)研究了单晶硅太阳能电池的价电子结构,从价电子结构的角度分析了单晶硅太阳能电池的光谱响应值,多晶硅电池的光谱响应问题.理论计算结果与实验数据基本一致,计算结果表明:单晶硅光谱响应的起始波长为4603,其光谱响应的最大值在波长7482处,光谱响应截止波长为10062,相当于1.23eV的禁带宽度.多晶硅电池的光谱响应范围虽然跟单晶硅一致,但是影响光谱响应值变小,其原因在于晶粒排列杂乱导致电子状态转变的难度增加,降低了对光子的吸收.最后用同样的方法对Ge的光谱响应进行了分析.分析表明,Ge的光谱响应的起始值在波长5596处,截止值在12940处,最大值在波长9224处,从价电子结构的角度解释了Ge不适合做太阳能电池的原因.     

金纳米管结构的等离子体光子学性质

应用离散偶极子近似方法计算了金纳米管结构的消光光谱及其近场电场分布, 并与金纳米柱的计算结果进行了比较. 结果发现, 当以等离子体共振峰波长入射时, 管状纳米结构拥有更大面积的强电场分布. 故管状纳米结构更适合作为表面增强拉曼散射的衬底, 用于生物分子或者化学分子的探测. 另外, 我们还研究了纳米管结构参数对其等离子体共振峰的影响, 以调节等离子体共振峰的位置, 从而满足其在表面增强拉曼散射等等离子体光子学方面的应用.     

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.