大地极化声子测深技术的调研与试用

大地极化声子测深是探测地球内部电磁扰动的一种被动源地球物理勘查新技术。与传统的地球物理电磁勘查技术相比,该技术具有仪器设备轻便、工作方法灵活多样、测量简单快速、测量成本低廉等诸多优势。本文分析了该技术的原理、仪器设备、数据采集与处理分析方法,并提供了河北和陕西两处油田的合作勘查试验结果,为开拓国内新型地球物理勘查技术提供参考。

基于压电效应的大地极化声子模拟研究

大地极化声子测深技术是一种利用自然电磁辐射的被动源地球物理电磁勘探方法。本文从岩石的压电效应出发,导出了岩石压裂过程中产生的电磁辐射表达式,分析了电磁辐射频率的影响因素,通过数值模拟研究了压裂电磁辐射的频率响应特征。结果表明:基于岩石压电效应的大地极化声子测深具有与其他电磁探测方法相似的电磁响应特性,大地极化声子测深具有潜在的应用价值。

声子极化激元干涉条纹周期的精密测量研究

二维材料由于其独特的物理化学性质,对纳米光子学及光电子学的应用与发展具有重要研究价值。特别是二维材料中声子与光子耦合激发产生的声子极化激元高度局域在纳米尺度,在片上光子学的光学操控和能量传输等前沿研究领域具有极大的应用潜力。同时,光电器件制造进入纳米节点,器件应用对材料表征精度具有纳米级的要求。然而目前对声子极化激元特性分析的关键之一在于测量其干涉条纹周期,测量结果准确性依赖于仪器设备校准。因此,为实现对声子极化激元干涉条纹的精确测量,文中提出构建铬原子自溯源型光栅与二维材料的复合结构,分析金属光栅结构周期性变化对二维材料的声子极化激元耦合增强与调制作用,以及基于该原理实现对声子极化激元干涉条纹周期的精密测量。研究实现了测量干涉条纹周期为(261.01±0.34)nm的亚纳米级高精度测量,相比具有不确定度为4 nm的传统拟合测量方式具有可溯源的计量精度,同时实现了对测量仪器的亚纳米级精密校准。自溯源光栅天然溯源至基本自然常数的特性使得测量结果具备极好的准确性和可靠性,为二维材料在微纳光子学器件领域的应用提供了保障。

三元混晶薄膜的导波声子极化激元

采用改进的无规元素等位移模型和玻恩-黄近似,结合麦克斯韦方程组和边界条件,研究了局域于三元混晶薄膜内部的导波声子极化激元的色散关系和电场的空间分布,以及导波模的能量随三元混晶的组分和薄膜厚度的变化关系,并分析了导波模在实验上的可观测性。数值计算结果表明:在三元混晶薄膜系统中存在三组导波声子极化激元,每一组导波声子极化激元都是由许多支离散的导波模组成的,并分别位于由真空中光子的色散曲线和三元混晶体声子极化激元的色散曲线以及三元混晶的体纵、横光学声子的频率曲线围成的三个频率区间内。随着三元混晶组分的增大,其中两组导波模的能量非线性增大,而另外一组导波模的能量则非线性减小。此外,导波模中除了有一支模的频率随薄膜厚度几乎没有变化以外,其余导波模的频率则随薄膜厚度的增加非线性减小。

外尔半金属调制的范德瓦耳斯声子极化激元色散性质

极性电介质支持的表面声子极化激元(surface phonon polaritons,SPhP)在红外波段增强光与物质相互作用过程中引起了广泛的关注,然而存在光场操控有限、调制波段限定在剩余射线带区域的问题.提出了一种由双轴范德瓦耳斯材料(a-MoO_(3))和外尔半金属组成的异质结构,用来研究各向异性SPhP的主动可调谐性.在横磁波入射条件下,通过4×4传递矩阵法准确地求解异质系统中的反射系数以及场分布,描述各向异性SPhP的色散性质.研究结果表明:模式杂化和色散操控可以通过方位角度及a-MoO_(3)的厚度大小实现.更重要的是外尔半金属中费米能级的大小能够启用动态色散曲线调节,而费米能级依赖于外界温度的变化.因此研究有助于进一步优化和设计基于范德瓦耳斯材料的可控光电器件,在红外热辐射和生物传感等方面具有较好的应用前景.

α相三氧化钼中各向异性双曲声子极化激元的耦合性质

天然双曲声子极化激元材料-α相三氧化钼(α-MoO_(3))能够支持高度局域的表面声子极化激元(surface phonon polaritons,SPhPs),达到在中红外波段对光与物质相互作用的过程进行揭示以及调节的目的.我们理论上提出并研究了基于Kretschmann结构的单层和多层α-MoO_(3)的面内各向异性表面声子极化激元(ASPhPs).通过4×4传递矩阵法(TMM)快速准确地求解多层各向异性介质系统中的反射系数,描述多层系统中激发的SPhPs及色散性质.结果证实层间耦合可以通过多层膜的堆叠以及层厚来调制.当入射角度大于全内反射角时,满足SPhP激发的相位匹配条件.在40°角范围内,SPhP谐振随着入射角度的增加迅速蓝移,但是随后色散曲线不再随着入射角的增大而移动.间隙层的增大会还会致使法布里-珀罗(FP)共振模式的激发.层状异质结构中的ASPhPs是当今纳米光子技术的重要组成部分,我们的研究有助于进一步优化和设计基于极化双曲材料的可控光电器件.

基于VO_(2)和石墨烯实现hBN声子极化激元和自发发射率的主动调谐

鉴于极化激元对介电环境异常敏感的特性,本文中提出了双曲材料六方氮化硼(hBN)和石墨烯与相变材料二氧化钒(VO_(2))组成的异质结构,用来研究hBN声子极化激元(PhPs)的主动可调谐性.研究结果表明,通过控制hBN/VO_(2)异质结构中VO_(2)相变可实现对hBN PhPs的主动调谐,获得主动可调谐的自发发射(SE)率.当在hBN/VO_(2)异质结构中添加石墨烯时,会在hBN双曲线带内耦合产生双曲等离子体-声子极化激元(HPPPs),而在双曲线带外产生表面等离子体-声子极化激元(SPPPs),通过控制VO_(2)相态和调节石墨烯化学势亦可实现石墨烯/hBN/VO_(2)异质结构的耦合色散及SE率的主动调谐.该研究为使用诸如相变材料和石墨烯等功能材料调谐各向异性光学材料与光的相互作用机制提供了理论指导.

在极化声子共振区基于级联差频产生高频太赫兹波

提出了一种在晶体极化声子共振区利用级联差频在Mg O∶Li Nb O_(3)平板波导中产生高频太赫兹波的方法。不同于传统的基于两束近红外光直接差频产生太赫兹波,本文首先利用两束近红外光在周期极化铌酸锂(PPLN)晶体中产生低频太赫兹波和一系列级联光,然后将上述级联光耦合导入平板波导中,通过改变平板波导的尺寸优化各阶差频的相位失配分布,经级联差频高效产生高频太赫兹波。借助Mg O∶Li Nb O_(3)晶体极化声子共振区巨大的非线性光学系数,以及Mg O∶Li Nb O_(3)平板波导中被降低的太赫兹波吸收系数,在室温下通过输入两束强度均为100 MW/cm^(2)的差频光,得到了频率为5 THz的高频太赫兹波,太赫兹波强度为88.2396 MW/cm^(2),能量转换效率为44.12%。本文为产生高频、高功率太赫兹波提供了一种全新方法,可以推动高频太赫兹波在未来高速无线通信领域的应用。

量子梯度存储器中极化声子演化的研究

本文从量子梯度回声存储器(GEM)存储光脉冲时的麦克斯韦-布洛赫方程组出发,推导了GEM在k空间的极化声子描述及其满足的微分方程。我们解出了k空间行波通解,得到极化声子演化规律的数学表达式,加深了对已有的实验和数值模拟结果的理解。然后,我们考虑了实际原子系综量子态的退相干效应,解出了带有退相干参数的通解,发现了退相干效应对存储失真影响的定量关系。基于此,我们提出了GEM存储的一个优化方案。这个优化方案不但使存储的保真度有所提高,还缩短了翻转梯度外场与回声脉冲读取的时间间隔,为量子存储器走向实际应用提供了理论帮助。

n层耦合量子阱中的极化光学声子振动:电-声子相互作用哈密顿(英文)

在介电连续近似下,推导和讨论了任意层的耦合量子阱系统中的受限纵光学(LO)声子模与界面光学(IO)声子模。为了描述受限纵光学声子的振动,采用了一个正确的LO声子势函数,同时,为了处理系统中的界面光学声子,采用了行列式解线性方程组的方法,得到了量子化的LO与IO声子场以及它们的电-声子相互作用哈密顿.本项工作可以看作是对以前一些工作的普遍化。它提供了一种解决声子效应对多层耦合量子阱系统影响问题的统一方法.

含三元合金缺陷层有限超晶格中的界面声子-极化激元模

采用转移矩阵方法,研究了含三元合金缺陷层(AlxGa1-xAs)有限超晶格(GaAs/AlAs)中的界面声子-极化激元模性质.结果表明,这种有限超晶格中的声子-极化激元模在剩余射线区[ωTO,ωLO]的分布依赖于缺陷层含Al的浓度x,部分类GaAs(AlAs)声子-极化激元模随着浓度x的增加向低(高)频区移动.此外,而且还可以清晰地看到它们在局域模、表面模和扩展模之间的演变.还发现声子-极化激元模的分布随着组份层和缺陷层厚度的改变,其局域位置和特性发生显著变化.

三元混晶三层系统的表面和界面声子极化激元

运用改进的无规元素等位移模型和玻恩-黄近似,结合电磁场的麦克斯韦方程和边界条件,研究了真空/极性三元混晶薄膜/极性二元半导体衬底三层系统的表面和界面声子极化激元,以AlxGa1-xAs/GaAs和ZnxCd1-xSe/ZnSe为例,获得了表面和界面声子极化激元模的色散关系以及表面和界面模的频率随混晶组分和薄膜厚度的变化关系.结果表明:与二元晶体三层系统以及三元混晶单层薄膜不同,在三元混晶三层异质结系统中存在五支表面和界面声子极化激元模,这五支表面和界面模的频率曲线位于二元晶体和三元混晶的体声子极化激元的禁带区间内,且其能量随混晶组分和薄膜厚度呈非线性变化,三元混晶的"单模"和"双模"性也在色散曲线中体现了出来.

薄膜厚度对三元混晶四层系统的表面和界面声子极化激元的影响

运用改进的无规元素等位移模型和玻恩-黄近似,结合电磁场的麦克斯韦方程和边界条件,研究了薄膜厚度对真空/极性二元晶体薄膜/极性三元混晶薄膜/半无限大极性二元半导体衬底构成的四层异质结系统的表面和界面声子极化激元的影响,以GaAs/Al0.4Ga0.6As四层异质结系统为例,获得了表面和界面声子极化激元模的频率随薄膜厚度的变化关系.结果表明:三元混晶四层异质结系统中存在七支表面和界面声子极化激元模,且当薄膜厚度发生变化时,只对位于其表面或界面处的极化激元模有影响,对其余的极化激元模几乎没有任何影响.

膜厚对三元混晶双层系中声子极化激元模的影响

采用改进的无规元素等位移模型和玻恩-黄近似,运用电磁场的麦克斯韦方程和边界条件,研究了薄膜厚度对由极性三元混晶组成的双层薄膜系统中的表面和界面声子极化激元的影响.以GaAs/AlxGa1-xAs双层系统为例,获得了其中表面和界面声子极化激元作为膜厚之函数的数值结果并进行了讨论.结果指出:在双层系统的六支表面和界面声子极化激元模中,当两种薄膜材料的厚度均变化时,只有三支界面声子极化激元的频率随之变化,而另外三支表面声子极化激元的频率则几乎不变.而当只有其中一种薄膜材料的厚度发生变化时,则只对其与另一种薄膜材料界面处且位于此种材料的纵横光学声子频率区间内的界面极化激元的频率有影响,而对其他的表面和界面极化激元的频率则没有太大的影响.

三元混晶三层薄膜系统的表面和界面声子极化激元

运用改进的无规元素等位移模型和玻恩-黄近似,结合电磁场的麦克斯韦方程和边界条件,研究了三元混晶三层薄膜系统的表面和界面声子极化激元.以Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族三元混晶三层薄膜系统为例,获得了表面和界面声子极化激元模的色散关系以及表面模和界面模的频率随三元混晶组分和薄膜厚度的变化关系.结果表明,由于表面和界面数量的增加,与三元混晶量子阱和双层薄膜系统不同,在Al_xGa_(1-x)As/GaAs/Al_xGa_(1-x)As和ZnSe/Zn_xCd_(1-x)Se/ZnSe三层薄膜系统中分别存在十支和八支表面和界面模,且三元混晶的组分和薄膜厚度变化时,表面和界面声子极化激元模的频率随之呈非线性变化,其色散曲线也很好地表征了三元混晶的"单模"和"双模"性.

实用极化声子激光器

新的设计将对片上光学互连产生重要意义。 目前，激光已经大规模地取代过去的钢线，在大型数据中心的服务器之间快速传输数据。工程人员们一直幻想着在数据拥塞的服务器处理器中也利用激光进行数据传输。现在，挡在他们面前的一个问题便在于．即使是效率最高的激光器，在激发之前也需要大量的电流。但是，一款名为极化声子激光器的新型设备却可以只利用少量电子解决这一问题。然而．直到最近为止，这款设备仍只能在非实用环境下运行。

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中二维电子气的极化光学声子散射

AlGaN/GaN界面处的二维电子气迁移率是描述高电子迁移率晶体管特性的一个重要参数,极化光学声子散射是高温时限制二维电子气迁移率的主要散射机制.本文对极化光学声子散射进行计算,结果表明在二维电子气浓度为6×10^11-1×10^13 cm^–2,温度为200-400 K范围内,极化光学声子散射因素决定的迁移率随温度的变化近似为μPO=AT-α(α=3.5);由于GaN中光学声子能量较大,吸收声子对迁移率的影响远大于发射声子的影响.进一步讨论了极化光学声子散射因素决定的迁移率随光学声子能量变化的趋势,表明增加极化光学声子能量可提高二维电子气的室温迁移率.

太赫兹声子极化激元在LiNbO3微结构中的衍射和干涉动态过程的时间分辨成像

利用飞秒激光脉冲,在50μm厚的铌酸锂晶体薄片中产生了太赫兹声子极化激元波。使用飞秒加工技术在铌酸锂晶体薄片上刻制了针对太赫兹声子极化激元波的衍射和干涉微结构。利用已经构建的偏振门探测成像系统实时动态地记录了太赫兹声子极化激元波的时间和空间传播过程。对不同频率的声子极化激元波在不同尺寸狭缝的动态衍射和干涉的过程进行了时间分辨的二维成像探测和分析,直观地展示了其衍射和干涉的时空特性。

反铁磁超晶格体磁/声极化子分布性质研究

利用等效介质法推导得到了反铁磁超晶格的等效介电系数和等效磁导率,进而得到体系的体磁/声极化子方程.以FeF2/SnTe超晶格为例进行了数值模拟.结果表明,在反铁磁共振频区附近体系存在具有负群速的高频和低频两个体模带.通过外磁场的变化,可以在不改变反铁磁超晶格结构和尺寸的情况调节负群速体模带的频率位置与宽度.研究结果将为新型慢光器件开发提供一定指导意义.