应用于热光伏电池的一维Si/SiO_2光子晶体滤光器研究

光谱控制方法被广泛应用于热光伏系统以提高系统的热电转换效率.针对锑化镓(GaSb)电池热光伏系统的光谱控制要求,选用Si和SiO2设计了8层一维光子晶体滤光器结构;重点结合滤光器与高温辐射源辐射光谱功率分布和GaSb电池量子效率的匹配,对设计结构加以改进优化得到最佳匹配滤光器结构;采用光学镀膜技术加工了滤光器结构,并测试其光谱特性,根据测试结果计算滤光器的光谱控制效率、系统转化效率和能量密度.最后,测试了滤光器的抗高温性能.     

宣布式可控波形单光子的产生和应用

在时域上操控单光子的波形不但可以应用到基础量子物理研究,也可以应用到量子信息处理.窄线宽纠缠光子对的成功产生让时域上操控单光子的波形成为可能.本文首先介绍了利用四波混频和慢光技术在大光学厚度的冷原子系综中产生窄线宽纠缠光子对,进而获得宣布式可控波形单光子的工作.在此基础上,本文进一步介绍了宣布式可控波形单光子波形的操控.然后介绍宣布式可控波形单光子在基础量子物理和量子通信方面的应用,具体包括:(1)单光子光前驱波;(2)宣布式可控波形单光子与二能级原子相干相互作用;(3)宣布式可控波形单光子差分相位编码量子密钥分发.     

应用于热光伏电池的一维Si／SiO2光子晶体滤光器研究

光谱控制方法被广泛应用于热光伏系统以提高系统的热电转换效率．针对锑化镓（GaSb）电池热光伏系统的光谱控制要求，选用Si和SiO2设计了8层一维光子晶体滤光器结构；重点结合滤光器与高温辐射源辐射光谱功率分布和GaSb电池量子效率的匹配，对设计结构加以改进优化得到最佳匹配滤光器结构；采用光学镀膜技术加工了滤光器结构，并测试其光谱特性，根据测试结果计算滤光器的光谱控制效率、系统转化效率和能量密度．最后，测试了滤光器的抗高温性能．     

掺稀土光子玻璃近中红外发光与激光

掺稀土光子玻璃在光纤通信、激光雷达、远程遥感、红外探测以及生物医疗等领域有着重要的应用前景.目前,所广泛采用的石英基光子玻璃存在稀土掺杂量低、发光带宽窄、声子能量大和增益系数低等本征因素,制约着相关材料和元器件的发展.因此,研究和发展新型光子玻璃和光纤以适应新波段尤其是近中红外材料与器件的需求非常必要.本文概述了掺稀土光子玻璃在光纤放大器和光纤激光器中的重要应用,归纳了实现近中红外发光与激光对稀土离子和基质材料的基本要求,重点阐述了发射波长在1.0,1.5,2.0和3.0?m波段掺稀土光子玻璃及光纤与元器件的最新研究进展,指出了掺稀土光子玻璃近中红外发光与激光所面临的挑战,对其未来的应用和发展方向做出了展望.     

高精度光学元件控时磨削方法研究

高精度、大口径光学元件的需求量与日俱增,传统铣磨-研抛-修形工艺路线因其较低的加工效率面临挑战.为提高光学元件制造效率,使其能快速达到最终修形工序的入口条件,本文将柔性砂带磨削工具引入光学确定性加工.通过研究光学元件控时磨削材料去除机理,提出一种新的材料去除方法,通过控制关键加工参数,成功获得了高效可控的去除函数.根据理论分析搭建了光学元件控时磨削样机,在一块200 mm×200 mm的平面微晶玻璃上进行控时磨削实验.结果表明面形误差由2.31μm PV、0.38μm RMS收敛至1.76μm PV、0.27μm RMS,过程用时仅53 min,效率为同尺寸磁流变抛光轮的10倍以上.控时磨削在修形同时可将微晶玻璃的毛面迅速抛亮,满足波面干涉测量要求.结果验证了光学元件高效控时磨削方法误差收敛的可行性,有望大幅缩短最终修形工艺前的研磨抛光加工周期.     

硅基光电子学研究进展与趋势

近年来硅基光电子材料和器件受到高度的重视.利用外延生长和键合技术成功研制出硅基应变赝衬底、GexSi1-x/Si量子阱、高密度锗量子点、硅基InGaAsP/Si异质结,这些进展为硅基光电子器件提供了坚实的材料基础.同CMOS工艺相结合,实现了硅量子点1.17 μm的受激发射,研制出硅基Raman激光器、1.55 μm混合型激光器、高灵敏度的Si/Ge探测器、谐振腔增强型的SiGe光电二极管、调制频率30 GHz的SOI CMOS光学调制器和16×16的SOI光开关阵列等.硅光电子学将在光通信、光计算等领域获得重要应用.本文综述了国内外硅基光电子材料和器件的进展、我们的研究结果和硅基光电子学的发展趋势.     

无机功能晶体材料的结晶过程研究

功能晶体材料作为光、声、电等转换的重要介质,已经被广泛应用于能源、信息、航空航天等高新技术领域,是目前国际材料科学与工程学科发展的热点和前沿课题.结晶过程是制备功能材料的核心环节,结晶习性直接影响材料的光、电、磁、催化等功能特性.在无机材料的结晶过程中,晶体组成在微观上经历了从自由态离子到结晶态固体的相变过程.可以借助晶体组成离子的电负性及基团微观对称性的变化,研究结晶过程中聚集体的形成和结构演变规律.利用分子振动光谱能够从分子尺度上揭示非线性光学晶体材料在水溶液结晶过程中结晶学结构的形成过程,克服了传统原位观测手段中缺乏对非长程有序结构的确定.利用结晶生长的化学键合理论从热力学和动力学两个方面指导大块晶体的生长实践,合理调控晶体的生长表/界面热力学和动力学.将结晶生长的化学键合理论应用到大尺寸晶体提拉生长参数的设计和优化,成功搭建了大尺寸晶体智能生长系统,并成功生长了φ2″蓝宝石晶体、φ3″YAG晶体和φ4″铌酸锂晶体.     

FAD非晶金刚石薄膜的场电子发射性能研究

利用真空磁过滤弧沉积(FAD)技术制备得到了无氢的非晶碳膜.由于非晶碳膜中数量极高的四面体键(sp~3键)的存在,这种非晶碳膜也可被称作非晶金刚石薄膜.报道了这种非晶金刚石膜的场电子发射特性,并对其能带结构和发射机理进行了研究.实验结果表明,在阈值电场为15V/μm的情况下,测得的场发射电流超过20μA,薄膜的电子发射行为符合Fowler-Nordheim场发射理论.非晶金刚石膜具有负电子亲合势和较小的有效功函数.如此低的阈值电场和高的发射电流,表明这种非晶金刚石薄膜的场电子发射性能已达到甚至超过目前文献上报道的最好结果,为非晶金刚石膜作为场发射材料在平板显示器等真空微电子器件中的实际应用提供了可能性     

光子增强热离子发射太阳能电池混合功率系统参数的优化设计

考虑实际系统中存在的多种传热损失,本文建立一类不可逆光子增强热离子发射太阳能电池与温差热电发电器组合而成的混发电系统模型.基于太阳能电池与温差热电发电器之间的能量平衡方程,导出该混合系统输出功率和效率的表达式.通过数值计算,详细分析了光增热离子太阳能电池的面积、阴极半导体材料的禁带宽度、电子亲和势以及温差热电发电器的无量纲电流对混合系统优化性能的影响,确定混合发电系统运行于最大效率下光子增强热离子太阳能电池阴极材料的禁带宽度,电子亲和势,电池面积和温差热电发电器的无量纲电流的优化值.结果表明,采用混合发电系统,太阳能转换效率与工作于相同条件下的单一光增热离子太阳能电池的效率相比可提高约10%,而光增热离子太阳能电池阴极半导体材料禁带宽度在最大效率下的优化值则比单一光增热离子太阳能电池的小.本文所得结果可为实际光子增强热离子太阳能电池混合发电系统的设计和优化运行提供理论依据.     

有机非线性光学晶体DAST及其在太赫兹领域的应用研究进展

主要介绍DAST晶体的基本结构和物理性能参数,几种不同生长方法及基于有机DAST晶体通过光学差频法产生THz波.重点研究了基于DAST晶体利用光学差频法产生太赫兹(THz)波过程中,泵浦光源的双波长调谐范围及光束质量对THz调谐范围及转换效率的影响,及其利用光整流法产生THz波的过程中,泵浦光(飞秒激光的波长、脉冲宽度和能量)对THz脉冲输出能量和转换效率的影响.综合分析影响THz辐射性能的因素及其获得大尺寸高质量晶体的主要挑战.本课题组在系统分析利用自发成核、斜板、籽晶和双温区法生长晶体优缺点的基础上,利用自发成核结合顶部籽晶法生长出高质量、尺寸为25 mm×22 mm×2 mm的晶体.下一步计划从晶体生长和泵浦光束的质量两方面改善THz输出能量及光-THz波转换效率.     

光整流法产生THz辐射转化率的理论分析

从理论上分析了超短激光脉冲在二阶非线性晶体中光整流效应产生THz辐射的过程，讨论了影响激光能量转换为THz辐射能量的效率的各种因素；入射激光脉冲宽度对转换效率影响非常大．对于一般二阶非线性晶体，当晶体厚度等于相干长度Lc时，光对THz的转换效率最高．对于周期性极化的非线性晶体，在忽略介质吸收的情况下，转换效率与介质厚度成正比．考虑介质对THz的吸收，晶体的有效长度Leff=0．63／α,再增大晶体长度，转化效率将没有明显增加，并最终趋于常数．     

航天成像光谱仪CHRIS辐射与光谱性能评价

CHRIS是欧空局于2001年10月成功发射的PROBA卫星上搭载的探索性高光谱遥感器,它共有5种可选择的作业模式,在可见光到近红外(0.4～1.05μm)范围,最多可以获取62个波段.文中采用基于图像自身的大气校正方法(模型法ACORN和经验法),在图像上选取最具代表性的植被和土壤光谱,对CHRIS这一新型的航天成像光谱仪进行了光谱与辐射性能评价.计算显示,ACORN校正得到的玉米反射率在498～750nm波长区间能够较好地表征植被的反射率光谱特征(如红边特征),尤其是在对气溶胶敏感的蓝光部分比经验方法更有优势,但是在750nm之后就有很大偏差,表明CHRIS在750nm之后的波段存在光谱定标误差;土壤光谱反射率在800nm之后有递减的误差趋势,表明CHRIS在部分波长区间还不能满足模型法大气校正的要求;ACORN反演得到的水汽含量分布图上存在的竖条纹,则表明CHRIS的辐射定标性能的不足.CHRIS仪器作为欧空局第一个真正意义上的航天高光谱遥感器在光谱和辐射性能上仍有待改善.     

植被含水量光学遥感估算方法研究进展

利用光学遥感技术定量估测植被含水量,有助于森林火险评估、农业干旱监测和作物产量估计.本文评述利用光谱反射率、光谱水分指数和辐射传输模型方法反演植被含水量的研究进展,从观测数据和辐射传输模型评估了光谱水分指数估测植被含水量的可靠性.重点针对植被含水量的两个主要定义—可燃物含水量(FMC)和等效水厚度(EWT),分析了植被水分指数对FMC和EWT的反演精度.而且利用观测数据和数据库估算植被含水量,结果表明三类水分指数(WSI,NDII,NDWI1640,WI/NDVI)均与冬小麦冠层FMC有较好的相关性(n=45).最后,本文总结了光学遥感探测植被含水量进一步的发展方向.     

基于分段辐射校正的星载TDI-CCD成像数据辐射处理方法

文中在分析现有的相对辐射校正方法的局限性基础上,提出了一种基于分段辐射校正的星载TDI-CCD成像数据辐射处理方法.该方法利用实验室定标数据对探元不同感光范围的光电响应模式采用不同的模型进行拟合,从而提高定标系数或者查找表的拟合精度.文中选取资源1号02BHR光学影像进行实验,实验结果表明文中提出的方法与现有的方法相比有较大提高.     

对“辐射热力学的新进展——辐射有效能 光量子等效温度 光量子熵常数”一文的讨论

陈则韶等人在"辐射热力学的新进展——辐射有效能光量子等效温度光量子熵常数"(中文版见中国科学E辑:技术科学,2009,39(4):609～617;英文版见Sci China Ser E-Tech Sci,2008,51(8):1096―1109)—文中,通过赋予单个光子以有效能和熵等宏观热力学参数,提出了光子等效温度和光子熵常数概念.本文证明若将这些概念及其推论用于宏观热力学系统,将得到违背宏观热力学定律的结论,说明光子等效温度和光子熵常数概念是错误的.     

GaN基β辐射伏特效应微电池的优化设计研究

β辐射伏特效应同位素微电池具有体积小、工作稳定性好、寿命长、能量密度高、抗干扰性强等优点，逐渐成为微能源研究的方向．本文以半导体物理理论为基础，提出基于宽禁带半导体材料GaN和放射性同位素^147Pm的同位素微电池最优化设计方案．引入对同位素源自吸收效应的考量，通过蒙特卡罗程序MCNP模拟计算β粒子在半导体材料中的输运过程，对同位素源与半导体材料的最优化厚度，半导体材料PN结结深、耗尽区厚度、掺杂浓度，以及电子空穴对的产生及收集情况进行了研究和分析．提出的β辐射伏特效应同位素微电池最优化设计方案可实现：^147Pm单次衰变在能量转换单元中沉积的能量为28．2keV；同位素电池的短路电流密度为1．636μA／cm^2，开路电压为3．16V，能量转化率为13．4％．     

尾矿砂放射性物质豁免标准制定中的理论研究

从理论上建立了稀土尾矿砂天然放射性物质(NORM)的活度浓度与等效组织吸收剂量率间的关系式,由此计算出单位活度浓度样品到等效组织中的吸收剂量率转换系数.研究了样品所发射γ光子注量率的空间角分布,结合MCNP对样品有效厚度等理论计算结果,给出了尾矿砂放射性现场测量模型的几何参数.参考国际原子能机构(IAEA)报告,NORM样品对公众造成的γ外照射剂量上限为人均0.3 m Sv y?1,以此值作为控制目标,计算了在此标准下几种不同活度浓度样品造成的空气吸收剂量率,提出了尾矿砂排放的豁免水平:扣除现场本底后,测量得到的空气吸收剂量率低于55 n Gy h?1.依据理论推导给出的相关参数,进行了现场验证实验,同时对所测样品取样进行实验室分析,最终结果表明两者所测得数据基本符合,相对误差为15.8%.     

铋层状化合物Na0.5Ho0.5-xYbxBi4Ti4O15陶瓷材料的上转换发光、铁电、介电性能研究

采用传统的固相烧结法,制备了Na0.5Ho0.5-xYbxBi4Ti4O15铋层状结构陶瓷.经X射线衍射（XRD）表征,新合成材料为单相结构,且扫描电子显微镜下的表面和断面图像均为层状,说明合成材料为新型铋层状材料.室温时,在可见光波长范围内,有2个峰,分别为546 nm处的绿光峰和656 nm处的红光峰,分别对应于Ho3＋离子的5F4＋5S2→5I8和5F5→5I8跃迁.为研究其机理,测试了变功率条件下的发光强度,经计算,绿光和红光发射均为双光子过程.研究陶瓷样品在变温（-130~270°C）条件下的发光性能时,发现红光与绿光的强度比值与温度呈线性关系,该材料有望应用于光学温度传感器领域.经介电性能测试发现当Ho：Yb=1：9时,样品的居里温度为686.4°C.研究铁电性能发现当Ho：Yb=3：2时,剩余极化Pr为9.3μC/cm2,矫顽场强为Ec=82 k V/cm,表明具有一定的铁电性能.以上研究结果表明,制得的新材料是一种具有优异光学性能的多功能材料.     

颗粒球复合材料负折射象影响因素分析

本文基于有效介质理论和Mie理论对表征电磁波与颗粒复合材料相互作用过程等效光学常数进行计算分析,比较Ge和Ag两种球形颗粒嵌埋于LiTaO3基体中所构成复合材料负折射现,发现半导体Ge颗粒球要比贵金属Ag颗粒球更容易在较高频段实现负折射现.以含Ge颗粒球复合材料为例,分析颗粒球尺寸和数密度对其负折射现影响,发现通过适当调整这两个因素能够使颗粒复合材料负折射现移高频段.     

Si基^63Ni辐射伏特效应同位素电池的优化设计与分析

目前国内外研究的各类微能源中,β辐射伏特效应同位素电池因能量密度高、寿命长、输出性能稳定等优点在许多领域具有广泛的应用前景.本文从辐射伏特效应的基本原理出发,通过蒙特卡罗程序MCNP模拟计算β粒子在半导体材料中的输运过程,得出了辐生电流、开路电压等性能参数的计算公式,探讨了少子扩散长度、掺杂浓度、结深等对性能的影响,并提出了采用硅基63Ni源的同位素电池的最佳设计参数：63Ni源质量厚度为1mg/cm2,单晶硅半导体P区掺杂浓度为1×1019cm？3,N区掺杂浓度为3.16×1016cm？3,结面积为1cm2,结深为0.3？m,总厚度不超过160？m.得到的短路电流、开路电压、最大输出功率及转化率分别为：573.3nA,0.253V,99.85nW,4.94%.为低功率场所,如微型机电系统、心脏起搏器等所需的微能源提供参数依据.