基于微波光子晶体的温度传感方法研究

针对基于电子技术的测温传感器灵敏度低、尺寸大和易受环境影响等缺陷,提出一种基于镜像型一维微波光子晶体模型的温度测量方法。利用传输矩阵法计算了一维缺陷微波光子晶体在不同环境温度条件下的带隙和缺陷峰频谱,建立了缺陷峰波长或缺陷峰偏波长移量与环境温度之间的关系;通过自由空间法测量缺陷峰波长在待测温度条件下的缺陷峰波长或其偏移量,则可以反演环境温度。结果表明,该温度测量方法具有较好的温度传感灵敏度和较大的温度测度范围,为设计微波传感器提供了一种新理论和实践案例。

The effects of point defects on transmission coefficients in two-dimensional piezoelectric phononic crystals

Based on finite-difference time-domain(FDTD) method,the wave propagation and localization in two-dimensional defect-containing piezoelectric phononic crystals are investigated when the mechanical-electrical coupling is taken into account.The characteristics of localized defect modes are studied,and the effects of the number and direction of defects on the defect modes and transmission coefficients are discussed.Numerical results of defect modes and transmission coefficients are presented for BaTiO3/polymer piezocomposite,and from which we can see that the number and direction of defects have pronounced effects on the defect modes and transmission coefficients.The results also show the existence of elastic wave localization in piezoelectric phononic crystals containing defects.

接管焊缝超声相控阵多模全聚焦检测技术

接管角焊缝是承压设备的关键部位,也是易于出现危害性缺陷的薄弱环节,因此,针对该薄弱区域的定期检测非常重要。相对于传统超声无损检测,超声相控阵全聚焦对焊缝内部缺陷的定位和定量具有优势。提出了一种针对焊缝内部缺陷的超声相控阵全聚焦方法,将多模成像方法应用于小口径接管焊缝的缺陷检测,实现对焊缝内部缺陷的有效检出。同时,根据检测对象的实际尺寸,通过智能算法计算声束入射参数,选择最佳成像区域,获得了一种有效区域多模融合成像方法。试验结果表明,本方法可检出直径为0.53 mm的角焊缝内部气孔缺陷,相对于单视图成像和普通超声能够有效提高缺陷定量和定位的准确性。

水力发电站智能巡检机械设备缺陷自动识别方法

为了快速识别水力发电站的智能巡检机械设备的缺陷,提高水电站的安全性,提出水力发电站智能巡检机械设备缺陷自动识别方法。利用非下采样小波变换方法对智能巡检机械设备产生的信号展开去噪处理,采用EMD方法分解机械设备信号并对其展开自适应分析,提取信号特征值,在多维高斯贝叶斯原理的基础上,根据信号特征判断机械设备的状态,实现智能巡检机械设备的缺陷检测。实验结果表明,所提方法在去噪过程中的均方误差始终未超过0.97 dB2,缺陷识别时间低于3 s,ROC曲线面积大,缺陷识别信号的幅值与实际信号波动基本一致,具有良好的缺陷识别能力。

缺陷对光子晶体透射能带谱的简并效应研究

为了设计高品质、高性能的光学滤波器和光开关,利用传输矩阵法通过数值计算模拟的方式绘制1维光子晶体的透射能带谱,研究和分析了两缺陷之间距离和缺陷的厚度对光子晶体透射能带谱的简并效应。结果表明,当两缺陷之间距离越大,透射能带谱简并效应越明显,当间距增大到一定数值时,出现分立透射峰完全简并现象;当缺陷厚度整数倍增大时,光子晶体透射能带谱出现简并的趋势,但缺陷厚度奇数倍增大与偶数倍增大时,透射能带谱简并速度不一样,前者的简并速度小于后者的简并速度;缺陷厚度无论是奇数倍增大还是偶数倍增大,光子晶体透射能带谱简并的速度均逐渐减小。缺陷对光子晶体透射能带谱简并效应的调制规律,为光子晶体设计新型光学滤波器件、光学开关及其调制机制等提供了指导。

Suzuki晶格光子晶体的光子带结构

系统地研究了Suzuki晶格光子晶体能带结构,包括介质中周期排列的空气孔光子晶体和空气中周期排列的介质柱光子晶体。采用平面波展开法计算了空气孔和介质柱半径及折射率对光子带隙的影响。结果发现介质中周期排列的空气孔光子晶体主要形成TM模光子禁带,空气中周期排列的介质柱光子晶体主要形成TE模光子禁带,只有介质折射率较大时两类光子晶体才能够形成完全带隙。介质中周期排列的空气孔光子晶体能带结构中沿Г-X1和X1-M方向出现了群速度接近于零的色散曲线,而在另一类光子晶体中并未出现这种情况,在其它晶格类型的光子晶体中也未发现这种情况。

可见光波段SiO_2/CdSe一维光子晶体及缺陷模的研究

采用SiO_2/CdSe构建了可见光波段一维光子晶体结构,并在其中引入LiTaO_3缺陷层。利用传输矩阵法,分析了电磁波在无缺陷与含LiTaO_3缺陷层两种光子晶体中的带隙结构,研究了缺陷层参量对光子晶体可见光波段带隙结构的影响规律。计算结果表明:LiTaO_3的引入,有利于带隙宽度的增加,调整缺陷层结构参量,缺陷模的位置可在不同颜色区域出现,如红光、黄光等缺陷模。该结构有望用于制作可见光波段的滤波器。

确定一维声子晶体缺陷模的解析方法

为了确定一维声子晶体缺陷模位置,本文从周期结构的布洛赫原理出发,通过解析方法推导出一维声子晶体缺陷模式所满足的条件及确定的方法。所得结果与其它数值方法进行比较,两者完全吻合。

Compton散射对时变磁化等离子体光子晶体缺陷模的影响

应用多光子非线性Compton散射模型和分段电流密度卷积时域有限差分法,将入射光和Compton散射光作为形成缺陷模的机制,研究了Compton散射对具有单一缺陷模的时变磁化等离子体光子晶体缺陷模的影响。结果表明:与Compton散射前相比,入射光频率低于等离子体频率时,禁带中仍存在明显的缺陷模,其频率随等离子体驰豫时间的增大而缓慢增大;等离子体弛豫时间相等时,等离子体均匀分布的禁带透射系数峰值比Epstein分布时小,两者的缺陷模特征都比较明显,但两者的禁带宽度及缺陷模之间的区别明显减小。

正负折射率含缺陷1维光子晶体多通道滤波器

为了分析结构参量对正负折射率材料1维光子晶体缺陷模的影响,利用传输矩阵法计算了基于正负折射率材料含正折射率缺陷1维光子晶体B(AB)m(ACB)n(AB)mB的透射谱,分析了各参量对该结构1维光子晶体缺陷模的影响,并用波动理论定性分析了多通道滤波器形成的原因。结果表明,在各介质层的光学厚度绝对值都为λ0/4的情况下,每个禁带中都有n个超窄的透射峰,相邻两个透射峰间距比相同结构下正折射率情况的宽;当n=1时,随着C层介质光学厚度以λ0/4的k倍增加,透射谱中同一禁带内出现了k条透射峰;当n≥2时,透射谱中同一禁带内出现了n×k条透射峰。该研究结果对可调多通道滤波器的设计和研究有一定的参考价值。

一种研究一维光子晶体缺陷模的新方法——解析法

为了解析地研究一维光子晶体的缺陷模,利用多光束干涉原理和布洛赫定理,推导出一维光子晶体缺陷模的解析公式。利用它对一维光子晶体的缺陷模进行了解析研究,得到了缺陷模的变化规律。这一方法克服了特征矩阵法和F-P法不能对缺陷模进行解析分析的弱点,是一种研究一维光子晶体缺陷模的精确和有效的方法。

1维光子晶体缺陷模

利用光学传输矩阵理论对掺杂1维光子晶体的缺陷模进行了研究。计算和分析了缺陷层折射率、缺陷层厚度与缺陷峰的关系。得出结论:随着缺陷层厚度的增大,缺陷峰波长呈线性增加,但是当缺陷层厚度增加到一定值时,缺陷峰的个数也将不断增加;缺陷层折射率也与缺陷峰波长有线性正比关系。从而提出了一种在微波领域测量介质折射率和介电常数的有效方法。

二维正方晶格各向异性光子晶体缺陷模

为了得到对TM和TE模具有相同缺陷模的共振微腔,通过在完整各向异性碲介质柱二维正方光子晶体中,引入各向同性的介质圆柱作为点缺陷,利用超胞平面波展开法计算该光子晶体的缺陷模,系统计算了在同时改变点缺陷介质柱介电常数和半径两种情况下的两种偏振缺陷模的变化规律。结果表明,在完全禁带中,缺陷介质柱介电常数从5.44变化到38.44、半径与晶格常数的比从0.05变化到0.50的整个区域,均会出现对TM和TE模具有相同缺陷模,且随着介电常数的减小,缺陷模随着缺陷半径的变化趋于缓慢,归一化共振频率在0.2418～0.2432之间可调,在引入εe<εo的各向异性介质柱缺陷时,亦可得到对TM和TE模具有相同缺陷模,且共振频率的可调范围增大,该研究为光子晶体器件的设计提供了理论依据。

准周期结构一维光子晶体的缺陷模研究

利用传输矩阵方法,研究了光波在包含掺杂缺陷和替代缺陷的厚度渐变准周期结构一维光子晶体中的传播规律。研究结果表明,类似于传统的周期结构一维光子晶体,在准周期结构光子晶体引入缺陷,光子晶体禁带中也产生了缺陷模,并且两种缺陷所引起的缺陷模的性质基本一致;缺陷模的出现使带隙有了一定程度的加宽,而缺陷模的位置和强度与缺陷层所处的位置和缺陷层的光学厚度有关;随着缺陷层光学厚度的增大,缺陷模向长波方向移动。

基于磁流体的一维光子晶体磁场传感器的研究

基于磁流体的折射率对外加变化磁场的敏感特性,提出将磁流体作为缺陷层引入到一维光子晶体中实现磁场传感。由于缺陷的存在,使得光子晶体的透射谱中产生缺陷峰。该传感器可通过测量磁场变化时光子晶体缺陷模波长的移动对相应的磁场进行测量。利用传输矩阵法对不同结构参数下,缺陷模波长随在外加磁场的变化进行了模拟计算,为实际磁场传感器的设计提供了理论参考。

温度、密度对磁化等离子体光子晶体缺陷模的影响

采用等温近似,用磁化等离子体的分段线形电流密度卷积(Piecewise Linear Current Density Recursive Convolution,PLCDRC)时域有限差分(Finite-differentce Time-domain,FDTD)算法研究了具有单一缺陷层的一维磁化等离子体光子晶体的缺陷模特性;以高斯脉冲为激励源,用算法公式计算所得的电磁波透射系数,讨论了温度和等离子体层密度对其缺陷模的影响。结果表明:改变温度和等离子体层密度可以获得不同的缺陷模。

用成像法制作二维缺陷态光子晶格的实验研究

在制作二维光子晶格的实验基础上,通过两种带有缺陷的振幅掩膜,利用成像法在LiNbO3:Fe晶体中分别实时写入带有4个点缺陷和1个线缺陷的二维缺陷态光子晶格.实验结果显示,晶体厚度对晶格的形成有一定影响,厚度太大的晶体中不易写入理想的光子晶格.

材料色散对1维光子晶体缺陷模影响的研究

为了分析材料色散对缺陷模的影响,对色散材料采用洛伦兹振子模型,利用传输矩阵法计算了含缺陷1维光子晶体的透射谱,分析了各层的色散对该结构1维光子晶体缺陷模的影响。结果表明,无论是高、低折射率介质还是缺陷层的色散都可以引起缺陷模的频移或分裂;缺陷模的频移方向与考虑色散后光学厚度的变化有关,如果光学厚度增大,则发生红移,反之则发生蓝移;低折射率介质的色散使缺陷模频移的效果最显著。这一结果对光子晶体的设计和研究有一定的参考价值。

基于紧束缚理论的一维多镜像光子晶体特性研究

基于紧束缚理论,分析了一维多镜像光子晶体中多缺陷模的产生及缺陷模式分裂的机理,建立了缺陷模频率与缺陷层相对位置的关系模型.采用传输矩阵理论研究了双镜像光子晶体的光学传输特性,并讨论了光子晶体周期层数、入射角度、介质层厚度等及介质的相对折射率差等参数对光子晶体缺陷模特性的影响.模拟结果表明,调整光子晶体参数和缺陷层的相对位置可有效调控光子晶体的缺陷模特性,可为光子晶体多通道滤波器等光学器件的设计和应用提供一定的理论参考.

基于曲率模态的复合材料层合板分层损伤检测方法研究

基于振动信号应用曲率模态方法对复合材料层合板分层损伤进行损伤检测。首先由数值模拟所得不同状态下损伤以及未损伤层合板振动特性参数计算其振型曲率和均布载荷曲面值曲率;然后基于损伤与未损伤层合板曲率值的差分值建立损伤识别指标进行分层损伤检测。最后,为解决差分算法对结构未损伤模型参数的依赖性问题,引用曲面光滑算法和曲率模态变化率法直接对损伤结构进行损伤提取。结果表明,运用曲率参数差分法可以很好地识别各类损伤,且对于多层层合板来说损伤所处层的位置会影响损伤指标值的大小。曲面光滑算法和曲率模态变化率法均可不依赖于未损伤结构参数识别各类损伤,且曲面模态变化率法的检测效果优于曲面光滑算法。