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关键词： 光子自旋霍尔效应   双曲材料   一维光子晶体   α-Li3N型拓扑半金属  

摘要： 一束线偏振光在具有折射率梯度的结构中发生反射或折射时,光束会沿垂直于折射率梯度的方向分裂成两束圆偏振光(左旋光和右旋光),这种现象被称为光子自旋霍尔效应(photonic spin Hall effect)。光子自旋霍尔效应不仅在精密测量技术领域具有潜在的应用前景,而且为微纳米光子器件的设计提供了一种调控光子的全新手段,因此,近年来得到了越来越多的关注。光子自旋霍尔效应是一种弱效应,对于常规材料和结构,其横向与纵向位移通常只有入射光波长的几十分之一,这极大地限制了光子自旋霍尔效应的实际应用。目前,许多研究者正致力于通过改进弱测量技术、探索非常规光学材料、设计新的共振结构等方法以增强光子自旋霍尔效应。本论文以基于二维过渡金属硫化物的一维光子晶体和α-LiN型拓扑半金属为研究对象,详细研究了高斯光束入射到一维光子晶体和α-LiN型拓扑半金属上时发生的光子自旋霍尔效应随入射光的波长(或光子能量)、入射角、膜厚度等多种物理参数的演变规律,并揭示了两种结构材料对光子自旋霍尔效应的调控机制。具体研究工作及取得的研究成果如下:(1)研究了在由超薄Au膜、单层过渡金属硫化物(TMDCs)和缺陷层组成的一维光子晶体表面发生的光子自旋霍尔效应。通过调节一维光子晶体中Au膜的厚度(变化范围为2.4～40.0 nm)发现,超薄Au膜比体材料Au膜更有助于增强光子自旋霍尔效应,特别的是,当Au膜的厚度为4.4 nm时,光子自旋霍尔效应横向位移是入射光波长的37.94倍,比Au膜的厚度为40.0 nm时的最大光子自旋霍尔效应横向位移(波长的3.05倍)高出12倍以上。此外,在四种单层TMDCs(即Mo S、Mo Se、WS、WSe)中,WS更适合被用于增强光子自旋霍尔效应,这可能是由于超薄Au膜中的短程表面等离子激元更容易与单层WS中的B激子共振发生相互耦合。此外,光子自旋霍尔位移的极值通常出现在表面等离子共振(SPR)角附近,当Au膜的厚度≤8.5 nm时,SPR角出现在33.0°附近,几乎不受入射光波长变化的影响;当Au膜的厚度≥13.0 nm时,由于一维光子晶体有效介电常数主分量的实部在特定波段满足Re(ε)Re(ε)<0(即一维光子晶体在特定波段为双曲材料),所以SPR角会随入射光波长的变化而变化,进而导致光子自旋霍尔位移的极值随入射光波长的变化而变化。(2)有学者基于第一性原理计算研究了α-LiN型拓扑半金属的电子能带结构,结果表明,α-LiN型拓扑半金属为天然双曲材料。在本论文中,仿真模拟了线偏振光入射到α-LiN型拓扑半金属薄膜后,透射光的光子自旋霍尔效应,绘制了光子自旋霍尔位移随入射光子的能量和入射角的变化光谱。仿真结果表明,光子自旋霍尔位移光谱的极大值或极小值出现在比α-LiN型拓扑半金属带间跃迁能量略高的一侧,且随着入射角或出射介质介电常数的增加而出现红移。当α-LiN型拓扑半金属受到压缩应变时,光子自旋霍尔位移的极大值或极小值出现蓝移;形成鲜明对比的是,拉伸应变会引起晶格膨胀,从而导致极大值或极小值出现红移。此外,空穴掺杂α-LiN以及将Li原子替换为K原子而形成的LiKN均会引起晶格膨胀,所以空穴掺杂与合金化会导致光子自旋霍尔位移的极大值或极小值出现红移。

关键词： 自旋轨道进动效应   自旋轨道矩   磁化翻转   单向磁电阻  

摘要： 在普通的铁磁层/非磁性层构成的双层膜中观察到的自旋轨道矩和磁阻效应通常都来自磁矩与面内自旋极化σy之间的相互作用,由于受其结构对称性的限制,无法实现电流驱动的确定性无场翻转。最近发现在铁磁层/非磁性层/铁磁层结构中由于铁磁层的磁化打破了结构对称性,可以通过电流诱导产生σx和σz的自旋极化及其相关自旋轨道矩,这为电流驱动的确定性无场翻转提供了新的思路。本文利用两个铁磁层各向异性互相垂直的Co/Cu/Co结构,通过对SOT有效场的测量、SOT驱动的磁化翻转过程以及单向磁电阻效应来研究体系中存在的自旋轨道效应。研究的主要内容如下:1)为了清楚地理解体系中SOT效应,我们利用二次谐波霍尔电压(HHV)技术通过xy面内转角对体系中的SOT进行系统性研究。结果表明体系中存在自旋霍尔效应(SHE)和自旋轨道进动效应(SOPE)引起的自旋极化相关的DL-SOT和FL-SOT,两者引起的SOT二次谐波信号的角度依赖关系相差90°,其相关的 SOT 效率为ξSR,DL=0.079,ξSH,DL=0.106,ξSR,FL=0.012,ξSH,FL=0.048。此外,通过研究该体系中电流驱动的垂直磁化翻转过程,发现该体系可以实现电流驱动的确定性无场翻转,其翻转极性与面内Co层磁化方向有关,最终通过排除层间耦合相互作用和杂散场等因素,证明了体系中存在σz相关自旋极化流。2)为了验证体系中存在具有自旋旋转对称性的单向磁电阻效应(SR-UMR),我们采用二次谐波纵向电压(HLV)研究了体系中的单向磁电阻效应,发现体系中除了单向自旋霍尔磁电阻效应(USMR)之外,确实存在SR-UMR,且SR-UMR来源于自旋积累相关的自旋散射机制;此外还发现DL-SOT效应对二次谐波纵向电阻也有贡献;并且USMR和σx相关的DL-SOT效应满足sinφ,SR-UMR和σy相关的DL-SOT效应满足cosφ。我们认为该体系中存在的自旋轨道效应与σx,σy,σz三种自旋极化有关,并且SR-UMR的发现为FM/NM/FM结构中自旋旋转对称的自旋极化流的存在提供了另外一个有力证据,对其在自旋电子器件中的应用具有重要意义。

关键词： 表象训练法   篮球教学效果   运动技能   参与动机   参与程度  

摘要： 为了探讨表象训练法对高中生篮球运动技能、竞赛能力以及篮球运动参与动机和参与程度的影响,本研究采用文献法,综述表象训练、篮球运动参与动机与行为和篮球教学的研究现状,提出研究问题与假设;采用调查法,了解高中生运动表象能力、篮球运动动机和参与程度水平,采用表象训练法进行随机自然班的干预实验,进一步验证表象训练对高中生篮球技能、参与动机和行为的促进效果。调查结果显示,高中生篮球运动参与动机、参与程度和运动表象能力均处于中等水平;篮球运动参与动机、参与程度和运动表象能力存在性别差异;篮球运动参与动机、参与程度存在年级差异性。实验结果显示,表象训练组被试在投篮、全场综合往返运球和行进间双手胸前传接球等篮球基本技能水平提高幅度大于对照组(P<0.05);表象训练组战术水平高于对照组(P<0.05);表象训练组被试的动机和参与水平高于对照组(P<0.05),表象训练对被试的表象能力提高显著(P<0.05)。本研究得出的结论:(1)调查研究发现高中生篮球运动参与动机、参与程度和运动表象能力处于中等程度水平,并表现性别、年级的差异性。(2)表象训练法较传统训练法来说,对提高学生的单手肩上投篮、全场综合往返运球和双手胸前传接球技术有着明显的优势。(3)表象训练法促进学生运动表象能力,提高篮球运动技能水平,提升篮球教学效果优于传统教学法。(4)表象训练法可以提升兴趣,促进篮球参与动机、参与程度和教学效果。

关键词： 运动表象   运动执行   老年人   工作记忆   近红外脑光谱成像技术  

摘要： 研究目的:工作记忆能够将视觉信息暂时存储到记忆系统中,并通过前额叶皮层对信息进行进一步的加工处理。随着年龄的增长,老年人工作记忆的衰退不可逆转。有关运动有益性的研究发现了锻炼能够促进老年人工作记忆成绩和前额叶激活水平,并且不同时长锻炼对老年人具有不同的效果,其中短时锻炼对工作记忆的改善效果更好。虽然锻炼对改善老年人工作记忆具有显著的影响,但是由于老年人锻炼风险的加大,急需更加安全的锻炼模式。近年来对运动表象训练的研究发现,仅在头脑中进行的动作模拟与实际运动所带来的运动效益和认知效益相似。因此本研究运用近红外脑光谱成像技术研究一次15分钟八段锦运动表象结合运动执行训练对老年人空间工作记忆表现和脑激活表现的作用,探讨运动干预对老年人记忆保持作用的神经机制,比较老年人在高低工作记忆任务中的皮层激活差异。此外,还运用横断研究比较老年人在完成运动执行和运动表象上的前额叶皮层激活差异。研究方法:本研究选取60岁以上老年人为被试,研究一被试进行15分钟八段锦联合运动运动表象训练,在干预前后运用近红外脑光谱成像技术结合N-back任务测量被试前额叶氧合血红蛋白浓度。研究二中被试需按照屏幕提示交替进行八段锦的运动执行与运动表象任务,同样运用近红外脑光谱成像技术测量被试在完成任务时的前额叶氧合血红蛋白浓度。研究结果:研究一结果显示,一次短时运动表象结合运动执行即可增强老年人在空间记忆任务上的成绩,同时伴有相关脑区的激活。干预后,老年人在右侧缘上回、右侧颞上回和左侧颞中回脑区的氧合血红蛋白浓度显著增加(p<0.05)。研究二结果显示运动执行显著激活了被试的左侧中央后回,运动表象时被试的右侧颞中回的氧合血红蛋白浓度显著增加。研究结论:短时运动表象联合干预能显著增强老年人在空间工作记忆上的成绩及其诱导的相关脑区的激活,对老年人认知功能具有显著的功效,同时,运动表象可作为一种有效的替代干预方式。运动执行和运动表象增加了额-顶网络系统的激活,证实了运动执行与运动表象具有相似的神经基础,也为运动表象促进老年人的工作记忆提供了实证依据。

关键词： 氧化锌   外延生长   蓝宝石图形衬底   第一性原理计算  

摘要： 氧化锌(ZnO)是典型的第三代半导体材料,具备高激子束缚能(60 meV)、宽带隙(3.37 eV)以及抗辐射性能强等优点,使其在激光和紫外发光二极管器件等领域有广泛的用途。随着材料科学技术的不断发展,ZnO的单晶制备技术不断成熟,质量得到了极大地提高,制备路径也变得多样化,已经做到了绿色无污染,充分符合当下环保发展路径。高质量ZnO薄膜制备是获得高性能ZnO基光电器件的关键。为了探索高质量ZnO薄膜生长方法,我们在蓝宝石图形衬底上进行了 ZnO薄膜的外延生长。因为蓝宝石图形衬底表面的规则立体图形能够让薄膜的生长具有一定的选择性,位错和缺陷都能够得到一定程度地减少,从而提升了薄膜的生长质量、内量子效率和光提取效率,使图形衬底在发光LED器件中得到了广泛地运用。基于此,本工作利用分子束外延(MBE)在蓝宝石图形衬底上生长了厚度为1 nm的氧化锌(ZnO)薄膜和氧锌镁(MgZnO)薄膜。通过扫描电子显微镜(SEM)分析表明,相较于MgZnO薄膜,ZnO薄膜在蓝宝石图形衬底上具有更明显的生长取向性。根据这一现象,我们后期采用原子层沉积(ALD)方法,在图形衬底上生长了不同厚度的ZnO薄膜来探索薄膜厚度对薄膜性能的影响。表面形貌分析表明,ZnO薄膜趋向于在图形衬底的侧面上优先生长。结构和光学特性分析表明,随着薄膜厚度的增加,一方面会出现越来越多的晶面,但这些晶面始终为纤锌矿结构的晶面,另一方面薄膜的质量也得到了提升,并且样品发生了蓝移现象,禁带宽度得到了加宽。为了进一步拓宽ZnO基半导体材料的应用场景,往往能够通过成熟的能带工程和自旋调控等途径对其各方面性能进行调控。比如,通过Mg原子掺杂形成三元合金MgZnO来拓宽ZnO带隙的能带工程;或是通过在ZnO中掺杂磁性过渡金属离子或稀土金属离子来替代非磁性Zn元素,实现自旋调控并形成稀磁半导体材料等。基于此,我们将ZnO能带工程及自旋调控进行了有机结合,利用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,计算并分析了 Fe-Mg共掺ZnO体系的结构性质、结构稳定性和电磁性能。结构分析表明,Fe原子的掺杂是体系产生畸变的主要原因,而Mg原子虽然不会给ZnO带来畸变,但其与Fe原子的强相关性会影响Fe原子给体系带来的畸变程度。稳定性分析表明,体系的稳定性和畸变程度呈正相关关系。电磁性能分析表明,Fe原子和Mg原子的掺杂虽然能够一定程度上调制ZnO的带隙,但并不会改变其直接带隙特性。此外,Fe原子的掺杂会在体系中引入一定的磁性和杂质能级。通过对Fe原子初始磁矩方向的调控能够进一步调制体系的能带结构和带隙。在2.78%Fe掺杂浓度和1.39%Mg掺杂浓度的Fe-Mg共掺ZnO体系中,从其自旋电荷密度和能带结构中可以发现,O原子总是与周围Fe原子发生顺磁耦合,并且当Fe元素的初始磁矩平行时,在其相反的通道中带隙会变宽。而当Fe原子的初始磁矩反平行时,体系的自旋向上和自旋向下通道的带隙均会变窄。这说明Fe原子的初始磁矩对能带结构有很大的影响,为动态调节带隙提供了另一种方法,使体系成为带隙可控的稀磁半导体(DMS)。

关键词： 声子晶体   谷霍尔相变   拓扑绝缘体   声源定位  

摘要： 具有谷赝自旋相关输运的拓扑声子晶体是将凝聚态物理中拓扑和谷自由度的概念引入到声子晶体中发展出的一种人工结构,也可称为声谷霍尔拓扑绝缘体,具有谷选择性激发、抑制声波反向散射等特性。目前声谷霍尔拓扑绝缘体主要由C3v或C3对称性的六方晶格周期排列而成,构型和功能较为单一、固化。由于对散射体形状及晶格对称性变化条件下声谷霍尔拓扑绝缘体的色散性质和拓扑相变特性缺乏系统研究,导致谷声子晶体设计方法无规律可循。本文通过系统研究散射体形状对声谷霍尔拓扑绝缘体的色散性质的影响,揭示了声谷霍尔拓扑绝缘体中散射体形状变化与动量空间中狄拉克点的位置关系,通过晶格对称性变化构建具有新形状散射体的谷声子晶体。采用数值模拟和实验测量研究晶格对称性的改变对谷状色散关系的影响,发展准晶构型的声谷霍尔拓扑绝缘体的综合构建方法。在此基础上,研究入射声波进入拓扑边界的传递路径及方向关联性,提出利用声谷霍尔拓扑绝缘体进行三维空间中声源定位的方法。本文主要研究内容和研究结果如下: 1、研究了六方晶格中散射体形状变化与声子晶体中狄拉克点移动的关系,通过晶格对称性变化构建具有新形状散射体的谷声子晶体。以C3v对称性的六方晶格中正三角形散射体的几何形状为代表,类比电子系统中狄拉克点的移动,揭示了六方晶格中散射体形状变化导致的狄拉克点的移动规律。对于Cs对称的六方晶格,其狄拉克点随着散射体形状的变化沿着布里渊区高对称边方向移动。对于C1对称的六方晶格,其对应的狄拉克点会同时偏离于布里渊区中的高对称点和高对称边。另外Cs和C1对称性的晶格散射体形状的极端变化可导致狄拉克点附近的能带打开,形成能谷,但该类型的能谷不具有声谷赝自旋态。 2、通过旋转低对称性晶格中的散射体形成具有赝自旋态的声能谷,构建了低对称性晶格组成的声谷霍尔拓扑绝缘体。对C1对称性的晶格组成的声子晶体,通过散射体旋转角度的变化获得了声谷霍尔相变,基于体-边对应原理,对不同谷霍尔相的声子晶体进行组合得到了谷投影声学边缘态,通过仿真和实验验证了其拓扑保护的边缘态对缺陷的鲁棒性以及对声波传输路径的调控。通过对不同声学谷态的声子晶体进行综合,构建出准晶构型的声谷霍尔拓扑绝缘体。实验验证了准晶构型的声谷霍尔拓扑绝缘体拓扑保护的边缘态和良好的抑制声波反向散射的效果。 3、基于界面波矢匹配机制,研究了外声场对声谷拓扑边缘态的方向敏感性激发。通过在扶手形（armchair）声谷霍尔拓扑绝缘体入射端的不同位置施加声波激励,发现拓扑边界内部声波由体边界和拓扑边界入口两条路径进入,揭示了拓扑边界入口的局部声学传输行为和拓扑边缘态方向敏感性的激发路径相关性。 4、在拓扑边界内部声波传入路径研究基础上,提出了通过调整拓扑边界入口路径上的声压提高拓扑边缘态方向敏感性的方法。研究表明,拓扑边界入口处设置薄膜材料提高了声谷拓扑边缘态对中心方向入射声波的方向敏感性。除此之外,通过研究双声源激励下的边缘态,发现拓扑边界入口处的薄膜提高了对双声源方向的识别度,验证了边缘态对双声源之间的强干涉具有较强的抑制效果。 5、研究三维空间中外声源对声谷拓扑边缘态的方向敏感性,提出了基于声谷霍尔拓扑绝缘体的三维空间中声源定位方法,通过实验验证了所提出方法可实现声源的高精度定位。

关键词： 低维半导体   胶体量子点   自旋动力学   能量转移   光子上转换  

摘要： 随着现代社会不断朝向高信息流、高能耗发展，人类对信息传递、能源的开发利用产生了新的需求，促使人们不断开发颠覆性的信息与能源技术。在此背景下，对半导体载流子的研究也从初始的电荷属性逐渐向自旋属性深入。作为低维半导体中的一员，胶体量子点(QDs)在信息与能源技术领域具有广阔的应用前景。一方面，这类QDs可通过低成本的溶液方法进行精准合成与调控;另一方面，它们兼具独特的自旋轨道耦合效应和量子限域效应，其载流子表现出特殊的自旋性质。近年来，QDs不仅成为研究自旋器件、量子信息的新型材料平台;在光化学领域，作为具备“室温自旋混合”性能的吸光材料也被认为具有潜在的应用价值。本文主要利用超快时间分辨光谱技术，对CsPbBr3QDs空穴和CsPbI3QDs的激子自旋动力学机理进行了研究，并且在深入了解QDs的载流子自旋特性后，进行了有关QDs三线态能量转移及其光子上转换光化学应用探究。　　本论文的主要创新成果如下:　　一、CsPbBr3QDs的空穴自旋弛豫机理研究　　以往基于光学选择定则研究CsPbBr3QDs的自旋性质时，电子、空穴、激子会同时存在，这使得单载流子自旋性质的研究变得非常复杂。除此之外，QDs的强电子-空穴交换作用往往会导致激子的自旋寿命只有几皮秒，限制了其在自旋方面的应用。在此，我们使用羧基蒽醌(AQ)分子作为电子受体，在电子-空穴交换作用诱导空穴发生自旋翻转之前将电子提取出来，延长空穴的自旋寿命至约50ps（室温）。在此基础上，我们测定了CsPbBr3QDs空穴的纵向弛豫时间T1以及室温、外加磁场条件下的非均匀横向退相干时间T2*。结果显示T1与QDs尺寸无关，但对温度表现出弱依赖性;通过施加约0.2T的外磁场，可以抑制内部有效磁场，延长T2*至80ps。这表明在室温下，Elliott-Yafet(EY)自旋弛豫机制和D''yakonov-Perel(DP)自旋弛豫机制同时对CsPbBr3QDs空穴的自旋弛豫起作用。　　二、CsPbI3QDs的激子相干自旋动力学研究　　QDs是量子信息科学(QIS)研究领域的重要材料之一。近年来，由于铅卤钙钛矿拥有辐射发光速率快、光学相干时间长等特性，在单光子源方面被认为具有应用前景。此外，量子相干和量子纠缠也是量子信息科学的重要技术之一。电子-空穴各向异性交换作用使得QDs产生激子精细结构，为其提供了一个天然的研究平台。精细结构裂分能(FSS)对量子点的大小和形状非常敏感，通常只能在液氦温度下测定单个QD或少数QDs的FSS，在系综水平上测量和操控FSS似乎是不可能的。在本研究中，我们通过系综量子拍光谱测定了CsPbI3QDs亮态激子的FSS。CsPbI3QDs激子的系综FSS具有QD尺寸不均匀、形状不均匀性鲁棒性，并且可以通过温度进行调控。我们通过有效质量模型计算，发现FSS与CsPbI3QDs正交晶格的畸变有关。计算结果表明，观测到的系综FSS来自其亮态激子之间的避免交叉“精细结构的能量间隙”。该研究揭示了CsPbI3QDs在量子信息技术中的潜力。　　三、可见光驱动的CsPbBr3QDs用于敏化萘的三线态　　多环芳烃分子(PAHs)的自旋三线态在太阳能、光催化和发光领域都有潜在的应用前景。三线态为光学暗态，且PAHs的系间窜跃(ISC)效率低下，其三线态多是通过敏化方法产生。传统敏化剂通常含有重金属，可以发生快速的ISC，但是ISC过程会损失大量能量(通常大于0.5eV)。萘作为三线态能量较高的PAHs(约2.6eV)，传统敏化剂难以敏化其三线态。我们注意到QDs的电子-空穴的交换作用较弱，因此其激子的亮-暗态之间的劈裂能较小（几到几十meV）。在此，我们尝试使用CsPbBr3QDs来敏化产生萘的三线态。通过光谱测试表明，我们在可见光下实现了CsPbBr3QDs对于萘三线态的敏化，并且其三线态能量转移(TET)速率与QDs表面电子波函数的概率密度近似呈线性关系。这说明在此体系中，给-受体的电子波函数耦合是影响TET的主导因素。　　四、无毒CuInS2/ZnS QDs的自缺陷激子用于敏化分子三线态及其高效光子上转换　　QDs具有较大的比表面积，在各类QDs中缺陷态普遍存在。且不同的QDs样品批次间，缺陷态存在很大的差异，人们通常难以定义其在QDs中确切的空间及能量位置。因此，缺陷态对TET的影响以及被缺陷捕获的激子是否可以进行有效的TET等问题尚不清楚。在本工作中，我们采用CuInS2/ZnS(CIS/ZnS)QDs作为模型体系对该问题进行研究。CIS/ZnS QDs的光生空穴在亚皮秒时间尺度被带隙内的Cu缺陷态捕获，而电子仍然存在于带边。这样的光生“自缺陷激子”既有缺陷态激子的局域特性又有明确的能级排布，是一个理想的研究体系。通过光谱动力学研究发现，尽管CIS/ZnS QDs到并三苯

关键词： 有机单晶   各向异性   极化激元   凝聚   光学活性   光子自旋轨道耦合  

摘要： 由于有机半导体中Frenkel激子具有高的激子结合能和大的振子强度,因此其相对于无机半导体来说可实现室温下Rabi劈裂大于150 me V的激子-光子强耦合。并且由于有机分子的易裁剪性,因此很容易实现整个可见光光谱内的极化激元凝聚。除此之外,有机单晶高度有序的分子排列使其吸收和发射具有强的各向异性,以上特点直接为研究有机单晶微腔中的强偏振依赖的极化激元凝聚奠定了基础。并且由于有机晶体中的强的各向异性性质(线性双折射),可使其横向电场-横向磁场(TE-TM)模式在波矢6)=0的位置发生劈裂,这可以作为光子自旋轨道耦合以及拓扑光子学研究的基础。因此,本文通过制备经典的三明治有机微腔结构,实现了玻色子凝聚和光子的自旋轨道耦合,主要研究内容如下:(1)有机单晶中高度有序的分子排列使其具有强的各向异性,在其吸收和发射光谱上表现地尤为显著。因此我们在由夹在两个银反射镜之间的H-聚集的有机单晶微米带(DPAVBi)组成的微腔中,证明了强烈偏振依赖的激子极化激元。并且得益于H-聚集体中的振动耦合和正失谐下的重激子极化激元的优势,观察到了宏观的激子极化激元基态占据和高能的量化模式。对低阈值极化激元凝聚的观察和易于制造使有机半导体微腔成为在室温下运行的连续波泵浦和电泵浦功能性光子极化激元电路和有机极化激元激光器的极具吸引力的候选者。(2)将具有光学各向异性的有机微晶(α-相Perylene)集成到法布里-珀罗(Fabry-Pérot)微腔中,由于微腔整体的旋光性、腔膜TE-TM模式劈裂和材料线性双折射三种偏振劈裂效应并存,组合起来构成了一个等效的光子规范场。微腔光子在场的作用下发生自旋轨道耦合,光子能带在特定的波矢处发生反交叉,出现了打开的狄拉克锥点,实现了微腔光子能带的局部拓扑非平庸几何结构。因为在整个实验过程中,没有引入外加磁场等因素,因此保留了时间反演对称性,拓扑能带在整体上是平庸的。在这项工作中,实现了对平面腔光子模式的贝里(Berry)曲率和量子度规的直接测量。该实验在室温和可见光波长下进行,不需要外加磁场,不依赖光子晶格结构等诸多优点,为进一步实现光子芯片上的自旋与能谷霍尔效应、自旋轨道耦合操纵提供了新的方法。(3)控制光学微腔中光子的自旋轨道相互作用(SOI)的能力对于未来的光子学至关重要。有机微晶由于其巨大的光学各向异性,在自旋光学和拓扑光子学中发挥着至关重要的作用。在这里,我们构建了填充有机微晶(β-相Perylene)的光学微腔,由于β-相Perylene晶体中强的各向异性激子响应,使得其中竖直偏振(V)的光腔模式与激子发生强相互作用导致其腔模式曲率变得平缓;而水平偏振(H)腔模式不受影响,因此可使得奇偶不同的H腔模式和V腔模式在较大波矢处发生自旋轨道耦合,使能带发生劈裂,出现打开的狄拉克锥点。并且在波矢k=0处,不同奇偶的正交偏振腔模式(H-V偏振)可发生Rashba-Dresselhaus(RD)自旋轨道相互作用。我们通过激子-光子相互作用人为设计了自旋轨道耦合,除了它基本的效应外,还有望应用于自旋控制的片上集成纳米光子元件,以开发非磁性和低成本的自旋光子器件。

关键词： 计算电磁学   矩量法   格林函数   快速汉克尔变换法   最陡下降路径法  

摘要： 随着现代计算机科学科技的提升,以及无线通信技术在往高频方向发展,电子通信系统设计的越来越小,越来越精密,其工作环境也日益复杂,所以对于目标的电磁特性分析就成为了电磁学领域研究的热点,相比于使用实验测量的手段,利用数值仿真的技术更具有高效率、低成本等优势。如今计算电磁学的各种理论已经被广泛应用于各种电磁问题,也在应用电磁数值仿真技术方面做了许多的研究,但是在面对有着多层介质的复杂电磁仿真问题时仍然存在挑战性。由于射频集成电路是平面的金属介质堆叠结构,使用平面分层格林函数可以将介质的效应包含在内,所以介质层不需要进行网格剖分,从而减小了计算量。本文的工作主要是对射频集成电路的平面多层格林函数进行了研究并提出了一种新的混合快速汉克尔变换(Fast Hankel Transform,FHT)方法。首先,由于传统的FHT方法在计算平面多层介质的空间域格林函数时,因为积分路径上的分支切割奇点和表面波极点,难以得到准确的数值计算结果,虽然可以通过将汉克尔变换从复平面上的实轴到第一象限的积分路径进行变换,这样可以明显的避免奇点,但是积分核的参数却变成了一个复数,因此不能直接使用FHT方法进行求解。本文在传统的FHT方法进行了一些改进,将具有复数参数的贝塞尔函数表示为含有参数实数部分的贝塞尔函数和含有参数虚数部分的贝塞尔函数乘积项的和,克服了传统FHT方法无法处理半开放和开放的多层介质问题,同时克服了奇异点带来的计算不准确问题。然后,在改进FHT方法的基础上整合了最陡下降路径(Steepest Descent Path,SDP)方法以及结合了拉格朗日插值技术,使用该方法极大的降低了平面分层介质电磁模拟仿真时间,且对于电大尺寸的电路设计以及设计很精密的芯片的电磁仿真有着准确的数值计算结果。对于一般的多层介质问题,整合后的混合FHT与传统的SDP方法相比,在消耗差不多的计算机内存资源情况下,计算时间减少48%以上,本文提出的方法不仅扩展了传统FHT方法的适用性,并且提高了格林函数计算的效率,尤其在复杂的多层介质问题中效果更加突出。最后,为了验证所提出方法的有效性,本文将提出的方法应用于集成电路仿真的计算当中,将所提出方法的计算结果与实验测试结果以及商用软件的仿真结果进行对比,证明了本文设计的方法的正确性。

关键词： 激光除漆   声学监测   小波包变换   K均值聚类   策略研究  

摘要： 激光除漆是激光清洗的重要应用之一,然而在实际的生产应用中,激光清洗过程中的物体表面清洁状态很大程度上还依赖人眼的观察判断,缺乏有效的在线监测手段,这大大制约了其智能化的程度。激光除漆过程中,激光束与漆层相互作用产生等离子声波,并随着清洗进程中漆层的变化而改变,这就使得通过声学分析对基底表面清洁状态进行监测成为可能。为实现除漆效果的声学在线监测,本文搭建了实验平台,通过对除漆声信号的采集与分析,利用无监督的机器学习方法研究了激光除漆效果的声学监测模型,并对激光除漆声学的整体监测策略进行了设计,实现了对激光除漆效果的有效监测。主要研究内容如下:(1)论述了激光除漆效果声学监测原理和无监督的机器学习方法用于声学监测的优良性。对于样品表面清洁状态呈现多样性的激光除漆,人为定性其某些清洁状态较为困难,因此无监督的机器学习方法对除漆效果监测具有量化优势。针对除漆效果声学监测要求搭建激光除漆声学监测实验平台,能够为除漆声学监测提供实时、稳定、精确的除漆声信号数据。(2)为最大程度遵循声信号自身的规律,实验从样品制备、样品表面清洁状态判定标准以及实验流程等方面研究获得最佳的声信号数据,并将整个面的声信号进行了微元面分割,采用了更为精细的小波包变换对其分析,并在其重构信号上提取多种特征参数来表征每个微元面声信号。(3)为实现高效、无监督的清洁状态监测,除漆效果检测模型采用了主成分分析法和K均值聚类算法,并训练出适用于聚类检测分析的参考库。实验研究确定了4种清洁状态,并采用微元面占比的方法实现对样品表面清洁状态的有效检测,该模型检测效果总体达到预期要求,且对最重要“干净”状态的检测准确率达95.98%。(4)设计了除漆效果声学监测的整体流程,并考虑到清洗与监测效率问题,从滞后性问题和高激光能量密度清洗易损伤问题两方面入手,通过策略研究加以缓解。最后依据本文研究成果制定了整体监测策略,实现对激光除漆效果较为全面的监控。