基于准正则模式的全电介质超材料宽带反射器机理

全电介质超材料宽带反射器具备损耗低、反射效率高、结构紧凑等优点,深入理解其反射带的形成机理对超材料结构和性能的优化、以及进一步设计新型光子器件均具有重要意义.本文利用离散的硅纳米柱阵列和硅膜底层连接的硅纳米柱阵列分别构造了两个全电介质超材料宽带反射器,通过求解其准正则模式,结合散射矩阵理论拟合出了超材料的反射谱.发现零频准正则模式对拟合准确性有重要影响,并提出了用色散关系分析法准确求解零频准正则模式.进一步用高Q值和低Q值准正则模式分别拟合出共振反射谱和背景反射谱.结果表明,超材料反射器的宽带反射源于低Q值的准正则模式造成的背景反射.本文提出的研究方法可进一步拓展,用于分析Mie共振、准连续域束缚态等共振现象,为超材料光谱特性的解释提供新的思路.

基于含单负材料光量子阱结构的全向多通道滤波器

分析了含单负材料的光量子阱结构中的振荡透射模的性质.用两种单负(负介电常量或负磁导率)材料交替周期堆叠形成的两个光子晶体构造了一维光量子阱结构,该结构中仅其中一个光子晶体含有零有效位相带隙.数值计算结果发现,在零有效位相带隙内存在振荡透射模.通过改变井区域光子晶体内单负材料层的厚度及周期数,振荡透射模的数目、频率及频率间隔均可调节.振荡透射模对入射角度的依赖均很弱;随着入射角度的改变,缺陷模频率的相对改变量保持在0.02以下.该研究结果可用于设计多通道全向滤波器.

双圆柱定程干涉法测量空气黏度

本文通过改变声波信号的频率,在一个固定尺寸的封闭型双圆柱腔体内形成驻波的方法测量空气的黏度.基于声学微扰理论,空气黏滞性会造成声波传播过程中能量的耗散,导致实际共振频率偏离理想共振频率.利用扫频仪得到频谱图,通过读取频谱图上空气的实际共振频率,与理论计算得到的频率进行对比,最后计算出空气的黏度.本文首先测量了室温下24.5℃时空气的黏度,测量结果为1.78×10^(-5)pa·s,与公认值较吻合,相对误差为2.94%.进一步测量了不同温度下的空气黏度,验证了空气黏度随温度升高而增大的规律.

含负折射率材料的一维光子晶体中的全向缺陷模

发现由正、负折射率材料交替堆叠构成的一维光子晶体中的零平均折射率(zero-n)带隙中的缺陷模具有3种类型的角度色散,分别为正色散、负色散和近零色散。利用近零色散特性可实现全向缺陷模,此缺陷模的频率在任意角度下均保持不变。研究了具有近零色散的缺陷模与光子晶体的结构参数之间的关系。通过改变光子晶体的结构参数,对缺陷模的近零色散进行优化,实现了分别对应TE波或TM波的单偏振全向缺陷模。此外,发现全向缺陷模的频率不对应光子晶体平均折射率为零的频率,全向缺陷模为光子晶体器件(如全向滤光片)的设计提供了新的思路。

狭义相对论教学的探讨

针对大学《普通物理》中狭义相对论的知识要点,结合大学生学习中遇到的问题,通过在教学过程中的具体例子分析培养学生的狭义相对论时空观。

含单负材料的一维光子晶体异质结构的缺陷模分裂

由两种单负(负介电常数或负磁导率)材料交替堆叠而成的一维光子晶体异质结的周期结构中,发现了缺陷模的孪生分裂现象。在此异质结中,仅有一光子晶体存在零有效位相(zero-φeff)带隙。计算结果显示,随着异质结的周期数增加,zero-φeff带隙内的缺陷模将发生分裂,分裂后的缺陷模对称地分布在带隙中央的两侧。当异质结的周期数为偶数时,总能在zero-φeff带隙中找到两缺陷模,其频率与异质结的周期数为2时的缺陷模相同;对应这两缺陷模频率的电场在异质结构中传播时,呈周期的丛生状分布。

《普通物理实验》教学的思考及其改革的探讨

针对《普通物理实验》的教学特点,结合实验教学过程中存在的问题,从实验教材选择、实验操作、实验报告、评分制度等方面阐述了对提高实验教学质量的一些体会。提出了利用设计性实验提高学生解决问题能力的思路。

含负折射率材料一维光子晶体异质结构的吸收特性研究

利用传输矩阵理论,研究了含负折射率材料一维光子晶体异质结构的吸收特性。发现光子晶体异质结构某些带隙内出现单向吸收峰。结果表明异质结构带隙内单向吸收峰的频率范围由构成异质结构的两个光子晶体各自的能带结构决定。另外发现异质结构在带隙单向吸收带内的吸收普遍高于其在通带内的吸收。该研究结果可用于制造单向吸收光学器件和提高光子晶体对光波的吸收。

单负超材料多层结构的表面态研究

利用谐振腔模型,研究了单负超材料构造的多层结构中的表面态的物理机制。发现当满足谐振条件时,在多层结构中将产生表面态,该谐振条件取决于谐振腔内的相位变化。基于上述理论,以单负超材料构造的6层结构为例,分析了该结构的表面态的产生条件和分布情况。该研究为设计含奇特电磁局域特性和隧穿特性的超材料设备提供了有效的途径。

零折射率超材料研究进展

近年来,具有自然界中天然媒质所不具备的特殊性质的电磁超材料在很多领域引起了广泛关注。零折射率超材料(ZRIM)是一种相对介电常数和磁导率为零的特征材料,在光学领域具有很多独特的特征,主要表现在波长拉伸、相位一致以及隧道效应等方面。介绍了几种典型的ZRIM结构以及ZRIM结构中实现的性质,包括无限大波长、均匀场分布等。讨论了ZRIM结构的实现在物理光学中的重要应用,比如定向发射、发射增强、边界态分析以及光的捕获。基于零折射率的性质以及特征的研究,为新器件开发、新光学元件的基础研究提供了相应的参考和指导。

倾斜底涂法制备聚苯乙烯胶体晶体及其光学特性研究

采用倾斜底涂法将单分散的聚苯乙烯胶体微球自组装生长成为胶体晶体,并用扫描电子显微镜和紫外-可见光分光光度计对其形貌和光学特性进行测量。结果表明,聚苯乙烯微球自组装为面心立方密堆积结构,胶体晶体的光子带隙位于可见光波段。分别对不同胶体颗粒的粒径、悬浮液的浓度、基片倾斜角度及环境温度等制备条件下生成的聚苯乙烯光子晶体样品逐一分类对比,分析了影响光子带隙宽度和深度的因素。

介电常数近零模式与表面声子极化模式的耦合杂化研究

介电常数近零模式为在纳米尺度上控制光与物质相互作用提供了新途径。利用衰减全反射原理分别激发Al2O3衬底的声子极化激元和GaN薄膜的介电常数近零模式,并且通过调整薄层厚度和优化空气层的间隙来实现双层结构模式的耦合杂化。使用传输矩阵法和有限时域差分法数值模拟计算了混合模式的电场分布和色散,结果表明两种模式由于满足强耦合条件而发生耦合劈裂。在有限时域差分法模拟的光谱中,色散关系的高频和低频分支在反交叉点都显示出强耦合,从电场图中可以观察到混合模式。混合模式具有高度传播特性和亚波长光限制的特点,可以作为未来红外和太赫兹纳米光子集成和通信设备的基础。

ITO薄膜的近零介电常数波长的调控研究

近年来,氧化铟锡(ITO)薄膜因其可实现介电常数近零(Epsilon-Near-Zero,ENZ)且易于调制的特性,已经成为非线性光学和微纳光学等领域的研究热点。文章先使用射频磁控溅射法在硅基底上制备ITO薄膜,再通过椭圆偏振光谱仪测试并拟合其光学参数,探究了本底真空度、溅射功率、溅射气压、衬底温度和膜厚等因素对ITO薄膜ENZ波长的调节机制。通过优化工艺,使ITO薄膜最短ENZ波长蓝移至1094.4nm,突破了以往文献报道的极限。该研究将ITO薄膜的ENZ波长延伸至近红外短波区域,有望实现微纳光电器件相关领域向短波方向的应用拓展。

纳米共振单元阵列的结构色研究进展

纳米结构色是一种可见光与纳米结构相互作用产生的颜色。为了分析不同纳米共振单元阵列对可见光的调控特性,本文总结了纳米光栅、金属-绝缘体-金属(MIM)、亚波长孔洞阵列、纳米棒阵列和纳米盘-孔洞阵列这几种等离激元结构的显色机理和滤波效果,同时介绍了纯硅及非纯硅两大类Mie共振纳米结构色。除此以外,文章还讨论了动态调控结构色的方法和大面积制备纳米结构的方法,使基于等离激元和Mie共振的结构色能应用于实际。纳米结构有优良的显色效果并能整合到光电器件中,使其在超高分辨显示、图像信息存储、图像信息加密等领域具备巨大应用潜力。

单负材料构成光子晶体零有效相位带隙的研究

根据微波传输线理论,结合集总元件构造的复合左/右手传输线,分别实现了负介电常数材料和负磁导率材料,并进一步制作了由这两种单负材料交替组成的一维光子晶体。仿真与测量结果显示,该光子晶体结构可产生零有效相位带隙。若结构参数能同时满足阻抗匹配条件和相位匹配条件,零有效相位带隙将消失。若两个匹配条件无法同时被满足,零有效相位带隙将始终存在,带隙中心处在阻抗匹配频率。此外,在阻抗匹配频率处,若结构参数偏离相位匹配条件越大,零有效相位带隙将越宽且越深,通过此规律可实现对带隙的调制。

介电常数近零模式与表面等离激元模式耦合实现宽带光吸收

介电常数为零或近零模式在微纳结构中提供了一个新的方式调控光与物质的相互作用.本文首先利用金属圆盘阵列结构激发了表面等离激元共振,在共振频率处实现了光的局域效果;然后通过在金属-绝缘体-金属超表面微纳结构中加入掺杂半导体材料,利用上层金属圆盘阵列激发的表面等离激元共振诱导介电常数近零模式的产生,从而使得介电常数近零模式与表面等离激元模式发生耦合,在中红外波段实现了一个470 nm的宽带吸收效果;数值模拟结果显示,在宽带吸收处存在光场的强局域效果.与窄带吸收相比,宽带吸收有更广泛的应用,比如吸收器、传感器、滤波器、微测辐射热计、光电探测器、相干热发射器、太阳能电池、指纹识别和能量收集装置等.

单层ITO薄膜在ENZ波段增强非线性光学效应的研究

在玻璃基底上镀35nm厚的ITO薄膜,通过椭偏仪测量ITO薄膜的线性介电常数。由于ITO具有高掺杂浓度,因此其介电常数可以用Drude模型来进行量化计算,得到其介电常数近零(ENZ)波长约为λ=1100nm。借助双温模型计算电子温度和晶格温度随时间的变化,根据电子温度的升高计算等离子体频率的变化,将其带入Drude模型中,可以得到一个新的介电常数,最后可以通过计算折射率的变化,从而求出非线性折射率n_(2)。计算结果表明,在ENZ波长入射时,可以得到最大非线性折射率n_(2)=4.66×10^(-15) m^(2)/W。因此,实验中选取的材料可在低功率光照下得到显著的折射率变化,可望应用于全光存储、全光开关等纳米光子器件的设计。

自组装纳米球热压印制备金属纳米盘阵列的研究

本文采用自组装纳米球热压印技术,在旋涂有聚丙烯酸(PAA)薄膜、聚苯乙烯(PS)薄膜的基底上,旋涂SiO2纳米球溶液,通过自组装形成纳米球三维密排结构,接着进行热熔-沉陷处理,在PS薄膜形成周期性、六角密堆积纳米碗状阵列,接着利用PAA的水解特性去除PAA薄膜,将PS薄膜翻转并移至硅片基底上,通过氧离子刻蚀,得到纳米孔阵列掩模,最后结合电子束蒸发镀Al,制备出大面积、周期性的Al纳米盘阵列。同时也研究了三层膜结构的均匀性对制备大面积、周期性纳米盘阵列的重要性。基于自组装压印技术制备圆盘阵列的研究比传统纳米制作技术操作更简单、效率高、成本低;同时在新光学元件的基础研究、太阳能光伏设备方面具有潜在应用。

基于角度独立的OTS的宽角度滤波器

光学Tamm态(optical Tamm states,OTS)是在两种介质的界面形成的一种光学界面态,光学Tamm态对光的控制和操作具有独到优势,因此在光子器件方面有着广阔的应用前景。但是由于对电磁波的入射角度敏感,也限制了其在某些方面的应用。双曲超材料是一种各向异性的超材料,具有独特的色散关系。基于双曲超材料实现的相位变化补偿效应,利用金属-DBR(分布式Bragg反射镜)结构,实现了不依赖角度的光学Tamm态,进而实现了宽角度的滤波器。

硅纳米颗粒阵列中准连续域束缚态诱导三次谐波增强效应

由高折射率介质材料制备的亚波长人工结构,通过电磁谐振效应为在纳米尺度操控光提供了一种有效方法.这类结构的吸收损耗通常较低,然而辐射损耗降低了其非线性响应的效率.通过连续域束缚态(bound states in the continuum,BICs)可望解决这个问题.BICs是一种处于连续域内而保持局域的非常规光学态,存在于光锥线以内并且具有无限大的Q值.本文提出通过破坏硅纳米颗粒阵列原胞的对称性将BIC转变成准BIC,使得结构的透射谱中出现高Q的窄共振谷,当调节泵浦波长至共振波长时,非线性响应显著增强,三次谐波激发的强度提高了6个数量级,转化效率可提升至约2.6×10^(-6),该结果有望应用于硅基光学非线性器件的设计.