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关键词： 上转换发光   高温共沉淀法   棱镜耦合   有机聚合物光纤   表面等离激元  

摘要： 上转换纳米晶体可以通过吸收低能光子,从而可以发射高能光子,这种独特的性质引起许多科学家的关注。这些材料通常具有较高的物理化学稳定性、较深的组织穿透深度、较低的生物毒性等优点,广泛应用于固态激光器、传感器、生物医学等领域。如今,我们在上转换发光材料领域的探索大部分还是专注在镧系掺杂的稀土上转换发光纳米材料。但是,这种材料的发光效率通常还相当低,即使是对于比较有效的材料品种,如:β-Na YF:Yb/Er等,其量子利用率一般也不足1%,这就严重抑制了稀土上转换发光材料的应用,所以找到一种提高上转换发光效率的方法势在必行。表面等离激元具有局域场增强效应,当表面模式与含有稀土纳米颗粒的有机光纤发生耦合,稀土离子的荧光衰减速率、吸收截面等方面都有望得到改善。上转换发光材料在光纤中的应用已经得到了一定的发展,但借助表面等离激元来激发并且增强光纤环境的上转换效应的相关研究尚有不足。本文采用高温共沉淀法制备上转换纳米颗粒β-Na YF:Yb/Er。通过使用氯仿对所制备的上转换纳米晶进行分散,并将PMMA颗粒掺入其中从而得到透明溶胶,进而拉制出掺有上转换纳米颗粒的有机聚合物光纤。将如上方法制备的光纤固定在棱镜上(在棱镜的表面镀50 nm厚的银膜),在980 nm的激光照射下,通过棱镜-光纤耦合法研究了该结构的上转换发光特性。在满足耦合条件时,光纤侧面距离光斑不同位置处及端面处的光谱信息并且加以分析。最后通过FDTD(meep)模拟棱镜耦合,优化耦合效率。实验结果表明:本文所制备的上转换纳米颗粒具有良好的上转换发光性能;通过棱镜耦合法激发的表面等离激元可以耦合到所制备的有机光纤的传导模式中,并且能够激发有机光纤中所掺纳米晶的上转换发光效应。本文为光纤环境中的上转换发光效应的应用提供了新思路。

关键词： 弹性成像法   波速反演   唯一可解性   椭圆切片采样算法   混合算法  

摘要： 生物学和医学表明,肿瘤等病变组织同周围健康组织在硬度上有着较为明显的区别.临床医学中的触诊技术作为一项基本且有效的检查方法,可使医生通过触摸发现人体组织中硬度异常的病变组织.然而触诊是一种定性的检查方法,且很大程度上受医生触觉敏感性的限制,应用范围较局限.随着科学技术的发展,出现了一种新型的医学影像技术—弹性成像法,它可以用来模拟实现触诊,对人体组织中的硬度异常部位进行发现诊断.弹性成像法的主要思想是先测量得到位于人体内部传播的弹性横波的位移量的信息,即内部测量值,再通过反演算法得到人体内部波速分布的信息,进而通过波速与硬度的对应物理关系得到人体组织的硬度分布,最后通过硬度的差异区分病变组织和非病变组织.本文基于简化后的一维弹性波模型,针对弹性成像法对应的正问题和反问题,进行了严谨的阐述.特别是对于反问题,即通过内部测量值反演波速的问题,进行了唯一可解性的证明.之后在数值反演部分,本文尝试采用一种统计反演算法—椭圆切片采样算法.该采样算法具有不依赖于初值,无需设定建议分布,拒绝率较低的优点.通过对波速为光滑函数形式和分片常数形式这两种情形下的数值反演算例,验证了该采样算法的有效性以及相较传统常用数值反演算法—Levenberg-Marquardt算法的优势.进一步,本文融合了这两种算法,提出了一种新的算法—混合算法.相关数值算例实验也显示该混合算法能够兼具椭圆切片采样算法不依赖初值和Levenberg-Marquardt算法反演速度快的优点,可用作弹性成像法的一种高效的数值反演算法.

关键词： Berry相位   几何相位   磁单极子   张量磁单极   非绝热演化  

摘要： 相位在量子力学中具有非常重要的地位,几何相位概念的发展也是现代量子力学的主要发展之一,特别是在1984年阐明贝里相位（Berry phase）的存在以来,几何相位的概念就引起了众多物理学家极大的研究兴趣。贝里在论文中指出,如果一个量子体系的哈密顿量是取决于一个含时变量的,并且随周期演化,如果体系的哈密顿量随时间变化的足够缓慢,即量子绝热定理成立,那么哈密顿量随着含时参数在参数空间中演化一周后,得到的量子态与初始的量子态可能相差一个相因子,在这个相因子中不仅包含了通常的动力学相因子,还包含了不依赖于路径的几何相因子。现在贝里相位的概念几乎已经渗透到量子力学基本原理、凝聚态体系、冷原子研究等领域。贝里联络的应用之一是可以实现参数空间中的磁单极构型,这在一些凝聚态系统中具有实验观测效应。贝里联络在量子系统的参数空间中扮演着规范势的作用,通常能带的锥形奇异点对应于磁单极子。本论文包含作者在张量贝里联络中的磁单极构型的非绝热演化方面的研究结果。作者考虑了一个具有四维参数空间的含时哈密顿量模型,其动量空间受到周期调制,并研究其非绝热演化。首先分析了该模型在绝热极限下的本征解,该解含有一个张量磁单极构型。接着,在调制周期有限的情况下,分析了该模型的解的演化及其相关贝里相位的拓扑变化。通过解析计算和数值分析,作者得到了张量磁单极子在参数空间中的几何联络和场强变化会随着频率ω的变化而变化。该研究将有助于进一步研究张量贝里联络和张量磁单极子的非绝热演化,并探讨在实验上可能的观测效应。

关键词： 加速度计   MOEMS   泰伯效应  

摘要： 加速度计是惯性测试系统中的重要组成部分,广泛应用在地震监测,资源勘探等领域。MEMS加速度计凭借其体积小、重量轻,低成本、低功耗以及易集成、高灵敏等优势,已成为主流发展方向。而目前使用较多的硅电容式MEMS加速度计的动态范围较小,并且电容敏感的原理方式也容易受到电磁干扰和寄生电容的影响,去除噪声较为困难。因此,探求新型的高性能MEMS加速度计亟不可待。MOEMS加速度计是结合了光学检测效应,在MEMS加速度计的基础上兼具高精度、抗电磁干扰等优良特性的新型MEMS加速度计。本文提出了一种基于光栅泰伯效应的MOEMS加速度计,首先以近场泰伯效应光栅位移检测理论为基础,验证了光栅加速度检测的理论可行性,通过理论基础建立双层光栅离面检测模型。其次,通过加速度计敏感结构的受力模型,建立了位移-加速度的简单联系,并设计了四个回折型悬臂梁-质量块的加速度计传感结构,通过COMSOL有限元仿真得到其结构灵敏度为0.66μm/g,交叉轴灵敏度为3.03%（1g加速度下）,且拥有50g的动态测试范围。然后,以双层光栅透射检测为基础建立仿真模型,对光栅参数进行了优化仿真,得到最优参数,并对线性区域进行拟合,得到双层光栅光学效应灵敏度12.05%/μm。接下来,对双层光栅MOEMS加速度计制造工艺进行了设计,并按照设计步骤完成了加速度计的器件加工。最后,对加工的加速度计芯片进行了质量和形貌表征,其阳极键合的平均剪切强度为19.5MPa。在大气环境中对MOEMS进行了静态力学测试,得到其加速度灵敏度为3.1V/g,噪声等效分辨力达到484μg,零偏稳定性为0.15mg。

关键词： 里德堡原子   宇称-时间对称   电磁诱导透明   布拉格衍射   孤子偏折  

摘要： 近年来,超冷里德堡原子的相关研究已成为原子、分子、光物理中的一个重要研究方向。和普通原子相比,里德堡原子的最外层电子处于高激发态,因此具有很大的原子尺寸、电偶极矩、极化率、以及较长的寿命。此外,里德堡原子之间的偶极-偶极相互作用能在12个数量级的范围内进行调控,导致了集体拉比振荡、里德堡阻塞等很多独特的物理现象。里德堡原子具有的物理特性使其具有广泛的潜在应用,包括实现量子信息与计算、多体物理模拟、以及发展量子非线性光学等。另一方面,电磁诱导透明（electromagnetically induced transparency,简称EIT）效应的发现,实现了共振条件下入射光在介质内的无损传播。因此,在很弱的入射光强条件下,光学介质也可以具有显著增强的光学克尔（Kerr）非线性,极大地推动了弱光非线性光学的发展及其在高次谐波的产生、全光开关、以及光信息处理与传输方面的应用。由于EIT效应可将里德堡原子之间的长程相互作用有效地转化为非局域克尔非线性,基于里德堡原子的EIT系统（简称为里德堡-EIT系统）中的非局域克尔非线性可比传统EIT系统中的局域克尔非线性大4到5个数量级。非厄米光学系统也是近年来备受人们关注的一个领域。当光学介质的折射率是空间的偶函数、增益/损耗是空间的奇函数时,入射光在光学介质中可以稳定的传播,不受到介质增益/损耗的影响。事实上,介质的折射率和增益/损耗分别对应光学势的实部和虚部。如果介质的光学势满足上面所说的对称性,该光学介质即满足宇称-时间（Parity-Time,简称PT）对称。利用原子系统,尤其是里德堡原子系统,实现具有PT对称的光学介质不仅具有重要的科学意义,还具有重大的应用价值。本文研究了基于里德堡原子的PT对称电磁诱导光栅（electromagnetically induced grating,简称EIG）中光的线性和非线性布拉格衍射。此外,本文还研究了PT对称EIG引起的空间光孤子的偏折及其操控。本文的主要内容包括以下三个部分:1.提出了里德堡-EIT系统中PT对称EIG的实现方案。在处理光与原子相互作用时我们首先写出了系统的哈密顿量,从而导出系统的布洛赫（Bloch）方程以及刻画探测光传播的麦克斯韦（Maxwell）方程。然后,我们采用超越平均场理论得到了体系的非线性响应函数,并得到了体系的一阶线性极化率以及三阶非线性极化率;其中,系统的光学势由一阶线性极化率给出。最后,我们通过引入控制光和辅助光对空间的依赖关系,实现了满足PT对称的光学势,进而实现了满足PT对称的EIG。2.研究了PT对称EIG引起的光的线性和非线性布拉格衍射。通过使用格林函数以及写出布拉格衍射方程,我们发现当入射PT对称EIG上的探测光较弱时,EIG可使探测光产生独特的不对称衍射图案,且衍射图案的不对称度和EIG增益/损耗系数有关,并当EIG的PT对称发生破缺时达到峰值。当探测光的输入功率较高时,系统的克尔非线性大小以及非局域度均可影响衍射图案的形貌和不对称度。由于系统具有很大的克尔非线性效应,非线性布拉格衍射图案的产生功率可以很弱。此外,通过外加梯度磁场也可以利用磁场梯度来控制布拉格衍射图案的形貌和不对称度。3.研究了PT对称EIG引起的弱光孤子偏折及其操控。通过使用数值模拟,我们研究了探测光场在到达EIG前形成光孤子的过程以及经过EIG后产生的孤子偏折。由于系统具有很大的克尔非线性效应,探测光形成光孤子所需的产生功率可以很弱。此外,我们可以改变EIG的增益/损耗系数,EIG的周期,以及原子的克尔非线性大小和非局域度来控制孤子的偏折程度和状态,实现了孤子传播方面的主动操控。本论文所提出的理论模型、计算方法与研究结果对研究基于里德堡原子的PT对称EIG中光的布拉格衍射和PT对称EIG引起的孤子偏折及其操控具有重要的理论意义,对探索布拉格衍射、空间光孤子偏折等物理现象在精密测量、光信息处理与传输方面的潜在应用具有一定的指导意义。

关键词： 双锥对撞点火   受激布里渊散射   角分辨全口径背向散射诊断  

摘要： 受激布里渊散射(SBS)是激光聚变研究领域长期关注的一个重要物理过程,它对激光与靶丸的能量耦合效率、内爆压缩的对称性有重要影响。为了对SBS过程进行详细研究,本文针对双锥对撞点火(Double cone ignition,DCI)方案[***,et al.,***.,378(2020)11]实验中受激布里渊散射过程的诊断需求,在神光-ⅡU装置上发展了一套独具特色的角分辨全口径背向散射诊断系统。本文设计了光纤阵列,对神光-ⅡU装置打靶伺服反射镜上的SBS散射信号进行收集,并由门控型弱光探测设备增强型电荷耦合器件(ICCD)对信号进行记录,利用神光-ⅡU装置上背向SBS反射信号的时间特性,通过相对测量的方式,获得了角分辨的背向SBS散射能量份额。将角分辨实验结果对角度积分,所得到的背向SBS反射率与其他诊断系统给出的结果基本一致。为了提高能量测量的准确性,在实验前本文测试了 ICCD门控的时间特性,以确保ICCD计数正比于信号能量;为了进一步验证诊断数据的可信度,本文还利用光栅谱仪和条纹相机,对伺服反射镜上多个诊断区域的背向SBS信号时间演化光谱进行了测量,同样应用相对测量的方式,获得了到达伺服反射镜上7个不同区域的散射能量份额,其结果与采用ICCD所得到的结果相吻合。这些结果表明本文所发展的诊断系统能够给出可靠的背向SBS份额。利用这套诊断系统,作者发现背向SBS信号的角分布敏感依赖于激光焦斑在球壳表面的叠合方式,为DCI内爆过程的相关物理提出了新的研究内容。

关键词： T-乘积   张量core-EP逆   张量Moore-Penrose逆   稳定扰动   锐角扰动  

摘要： 本文主要利用张量T-乘积的相关概念和引理对张量core-EP逆和MoorePenrose逆的扰动进行讨论分析.首先引入T-乘积下张量core-EP逆的概念并给出其存在唯一性.通过T-乘积下张量Schur分解给出张量core-EP分解,进而得到张量core-EP逆的表达式,并研究core-EP逆的性质和特征.之后给出张量core-EP逆稳定扰动与锐角扰动的等价条件.接下来给出T-乘积下张量Moore-Penrose逆稳定扰动与锐角扰动的定义,并分别给出稳定扰动与锐角扰动的等价条件.最后,我们给出具体的例子对得到的结论加以说明.

关键词： 光纤光栅   金属化封装   低温测量   温度增敏   超声波  

摘要： 光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)作为一种重要的光学传感器件,凭借其体积小、全光传输、易于复用等优势被广泛应用于航空航天、桥梁隧道、石油工业等领域。一般情况下,FBG在作为传感器使用时,需要对其进行封装处理,以达到保护和增敏的目的,常见的封装方式是利用有机胶将FBG粘接在保护外壳内,但是在特殊环境条件下,如航天环境中,有机胶封装的FBG传感器在长期使用过程中容易出现蠕变、老化等问题,并且在超低温环境下容易失效,影响传感性能。本文通过理论仿真与实验验证结合的方式,对超声波金属化封装FBG的方案进行了模拟仿真和实验封装,并测试了其温度传感性能。本文主要研究内容如下:(1)介绍了FBG在温度传感方面的应用及研究进展。研究总结了国内外金属化封装FBG的方式,分析其优缺点。对FBG耦合模理论和矩阵传输理论进行了数学推导,并对FBG进行了数值仿真,得到了FBG的反射光谱和透射光谱,分析了光栅长度以及折射率调制深度对反射光谱的影响。然后结合FBG传感机理,推导了其温度传感模型。(2)建立了两种金属化封装FBG温度传感器的理论模型。结合力学知识,对基于嵌入式和基于片式金属化封装的FBG温度传感器的温度灵敏度进行了理论推导,分析了锡基合金厚度、封装长度以及基底材料对温度灵敏度的影响,为后续设计方案提供了指导。设计了基于嵌入式和基于片式超声波金属化封装FBG的方案,采用COMSOL与MATLAB结合的方式,对其进行模拟仿真,研究两种方案封装的FBG传感器在超低温下的温度传感性能。(3)对FBG进行了基于嵌入式和片式的超声波金属化封装。使用封装后的FBG传感器进行温度传感实验,结果显示两种封装方式得到的FBG传感器的温度灵敏度分别为封装前的3.52倍和3.73倍,验证了理论模型;基于嵌入式超声波金属化封装的FBG传感器具有良好的波长稳定性;基于片式超声波金属化封装的FBG传感器温度冲击响应时间约为2.516 s。同时,探究了不同金属基底对基于嵌入式超声波金属化封装的FBG传感器温度灵敏度的影响,以及不同金属基片厚度和不同种类金属基片对基于片式超声波金属化封装的FBG传感器温度灵敏度的影响。

关键词： 量子点发光二极管   光提取   微透镜阵列   Mie散射  

摘要： 量子点发光二极管(Quantum dot light-emitting diode,QLED)具有更窄的半峰宽和更好色彩还原度,有望成为下一代显示和照明技术,目前大量研究一直致力于进一步提高QLED的性能,以达到商业化应用的目标。虽然量子点的荧光量子产率(Photo-luminescence quantum yield,PL QY)已超过90%,但大多数的QLED外量子效率(External quantum efficiency,EQE)局限在20%～30%之间,这主要是由于光在不同折射率界面上发生的全反射、吸收以及金属电极表面等离子体极化模式的损耗而导致有限的外耦合效率。各种微纳尺度的光提取结构被引入到器件外部或内部来提高光提取效率。相比于内结构,外结构不会因破坏器件内部功能层而使器件的漏电流增大,且制作方法简单,成本低廉。作为外结构的微透镜阵列(Micro-lens arrays,MLAs)可以增大玻璃空气界面处的全反射角,从而有效提高器件的亮度及EQE,但同时会使器件存在角度依赖性,这对于QLED的显示与照明领域的应用是不利的;散射层作为一种非周期性外结构,可以有效改善器件出光的角度依赖,同时由于散射粒子的随机分布使器件在不同角度出光更加均匀。我们将结合MLAs与散射粒子做复合结构在提高QLED器件性能的同时抑制其角度依赖。本论文首先利用自组装水滴压印法制备MLAs模板,通过转印得到所需MLAs形貌,并结合Mie散射粒子共同作用于QLED器件基底作为光耦合外结构。利用Mie散射理论设计出适合绿光波长的散射粒子尺寸,并分别对不同参数膜层进行光学表征。同时测试标准玻璃基底器件、MLAs基底器件及具有散射粒子的散射型MLAs基底器件光电性能,探究MLAs膜层对器件角度特性的影响及散射型复合膜层对于器件角度依赖的改善,并测试器件基底表面的温度以确定外结构对于器件散热的影响。最后通过物理建模验证不同外结构膜层对于QLED器件光学性能的影响。具体研究内容主要分为以下三个部分:(1)自组装水滴压印法制备具有Si O散射粒子的微透镜阵列利用自组装水滴压印法可使得聚苯乙烯(Polystyrene,PS)基板在70%湿度的大气环境中得到所需凹型模板,并通过浇筑、纳米压印及转印技术得到单元直径在6～9μm之间的MLAs膜层。借助Mie理论计算可知,534 nm绿光经直径为400 nm、600 nm、800 nm微球散射后,三者中600 nm微球的前向散射较强;在MLAs膜层分别掺入不同浓度及不同直径的Si O微球,对比膜层的透过率及雾度以验证散射粒子的光学作用。通过实验测试可知在MLAs膜层中以15 wt%的比例掺入600 nm直径Si O微球可提高膜层总透过率及前向散射强度。(2)不同外结构绿色QLED器件的构筑及性能分析将最优光学性能的外结构膜层应用于绿色QLED器件,MLAs外结构器件最大亮度从标准器件的297930.8 cd/m提升到332307.5 cd/m,最大EQE从标准器件的19.84%提升到21.55%;在MLAs中掺入散射粒子的复合外结构器件最大亮度达到381962.6 cd/m,是标准器件的1.28倍,最大EQE达到24.21%,是标准器件的1.22倍。MLAs膜层虽然提高了器件的光提取效率,但在一定程度上恶化了器件的角度依赖性,散射粒子的引入在一定程度上改善了该结构的角度依赖,减少了不同角度下的色散,使得器件的出光更趋近于朗伯发射,并且由于Mie散射带来的前向散射增强作用,进一步提高了复合外结构器件整体的亮度及外量子效率。当外结构附着于工作器件基底上时,可以一定程度上提高基底处的散热能力,减少焦耳热的积累,提高器件的工作寿命。(3)仿真建模分析外结构对绿色QLED器件出光性能的影响为了验证外结构提升器件出光效率的作用,利用时域有限差分法对应的仿真软件FDTD Solutions对器件物理结构进行建模,定性分析偶极子光源经散射粒子散射后的电磁场分布,对比标准结构器件、MLAs外结构器件及具有Si O散射粒子的MLAs复合外结构器件三者在基底与空气界面处的电磁场强度分布。仿真结果表明MLAs外结构膜层能够降低玻璃基底光线的全反射,经Si O微球散射后,器件基底外电磁场分布更加均匀,有利于全角度下电磁场增强。通过蒙特卡罗光线追迹法对应的Light Tools软件定量追踪50万条随机从光源层出射的光线,球形空间接收器的仿真结果表明复合外结构具有宽视角的光强分布,且在基底平面接收器中接收到419898条光线,是标准结构器件229382条光线的近2倍。

关键词： 张量互补问题   Z张量   加权不动点方法   单调收敛性  

摘要： 张量互补问题是线性互补问题的自然推广,同时也是一种特殊的非线性互补问题。近年来,张量互补问题受到学者们的广泛关注。目前研究领域中,该问题的理论及算法方面的成果颇丰。本文进一步研究张量互补问题的数值算法,其中的张量互补问题所考虑的张量是一般Z张量,我们称之为Z张量互补问题。本文提出了一种加权不动点方法来求解这类张量互补问题。首先,将张量互补问题等价表述为加权不动点方程,基于此,提出加权不动点算法。其次,我们借助Z张量的本身结构特点,证明了该算法从初始可行点开始迭代,生成的迭代序列是单调递减的,并且单调序列的极限点就是相应的张量互补问题的解。最后,通过数值例子验证了算法的有效性和理论结果的正确性。