含色散特异材料三明治结构的量子悬浮效应

在金属板与电介质材料板基底间插入色散特异材料板形成三明治结构,并对其Casimir作用力进行了研究.基于Casimir-Lifshitz理论,通过麦克斯韦应力张量计算了真空涨落的辐射压,并对三明治结构利用电磁模式传输矩阵方法进行了数值计算分析.计算结果表明,原本两板结构中存在的Casimir吸引力,在插入特异材料板后的三明治结构中将转变为斥力,从而使轻薄的金属板产生量子悬浮效应。讨论了特异材料板的色散电磁响应特性以及电介质板基底的影响,结果表明特异材料磁等离子频率越大、磁共振频率越小以及电介质板基底的介电常数越小时,三明治结构中获得的斥力越大.此外,板间距增加到一定范围时,三明治结构中将出现Casimir平衡回复力.特异材料填充因子越小、三明治结构中层距和层厚越大时,三明治结构间的回复力会出现在较长距的位置.三明治结构中的量子悬浮效应与平衡回复力可保证微纳米机械系统稳定性,展现出基于真空辐射压的应用前景.

NiC/Ti中子多层膜的微结构和界面研究

NiC/Ti中子超镜是一种高性能的中子多层膜光学元件,是提升中子导管、聚焦装置等中子光学系统的中子利用率的关键之一。为了提升NiC/Ti中子超镜的性能,本文面向具有不同厚度NiC膜层的NiC/Ti多层膜,分别采用X射线掠入射反射和X射线衍射的方法表征了NiC/Ti多层膜的膜层厚度、界面粗糙度和膜层晶向结构。研究结果表明:随着NiC膜层厚度的增长,除了在较小尺度(≤2.5nm),NiC-on-Ti界面的粗糙度基本保持不变;而Ti-on-NiC界面的粗糙度却呈现出较大的变化。具有不同厚度的NiC膜层的NiC/Ti多层膜的界面粗糙度呈现不对称性的变化,主要原因在于NiC膜层的微结构随着膜层厚度的增长而产生了变化。

X射线聚焦望远镜的支撑结构设计与力学实验分析

掠入射X射线聚焦望远镜的支撑框架结构设计是望远镜研制的关键技术之一。国内规划中的XTP卫星低能聚焦望远镜拟采用基于超薄玻璃的X射线聚焦望远镜方案,针对望远镜样机严苛的光学和力学性能要求,经过结构选型优化,设计了一种一体化的六边形桶式望远镜支撑结构。利用有限元软件对支撑结构进行了模态分析和频率响应分析,并与力学实验进行了对比验证。结果表明,该支撑结构具有较大的结构刚度,望远镜结构在发射环境下不会发生破坏性改变,满足力学性能要求。该支撑框架结构简洁、装配精度高,具有良好的工艺性,为望远镜的研制提供了参考。

含双曲超构材料的复合周期结构的带隙调控及应用

等频面的拓扑结构强烈影响光在材料中的行为.通常组成光子晶体原胞的材料都是介电材料,其等频面都具有相同的封闭拓扑结构.结构最为简单的光子晶体是由两种介电材料交替组成的一维光子晶体.然而,这种传统的光子晶体在横磁和横电偏振下的光子带隙将随着入射角的增大而向短波方向移动,既不利于全向带隙的产生与展宽,又使得基于光子带隙的一些应用限制在很窄的入射角度范围内.本综述利用双曲超构材料对电磁波相位的独特调控作用,在由具有开放的等频面的双曲超构材料和具有封闭的等频面的普通介电材料交替组成的复合周期结构中实现了随入射角零移以及红移的特殊带隙,为研制具有新型功能的光学器件提供了新机理.基于零移带隙,可设计具有固定带宽的全向反射器和宽角度的近完美光吸收器.基于红移带隙,可设计宽角度的偏振选择器和超灵敏折射率传感器.

基于球面弯晶聚焦结构的桌面型单能X射线源设计及实验

提出了一种采用球面弯晶聚焦结构获得高亮度桌面型单能X射线的方法。在子午方向利用晶体色散实现单能、在弧矢方向通过球面镜聚焦提高光强。理论建模和光学仿真评估了该结构的色散和聚焦性能,验证了球面弯晶聚焦结构相对于柱面弯晶在聚焦特性上的显著优势。针对Al靶Kα1线单能需求,设计和装调了基于低功率Al靶X射线管的单能装置,并实验验证了其性能。结果显示,当X射线管工作在7 W功率条件下,CCD曝光10 min,Al靶Kα1线全视场光谱的探测器计数大于2×105,能谱展宽约为0.592 eV;引入200μm限束光阑,能谱展宽进一步减小至0.493 eV,探测器计数约为2×104。研究结果证实了该装置可以有效获得高亮度Al靶Kα1谱线,也为精确测量光学器件和系统的光谱特性提供了一种新的获得高亮度单能X射线的技术途径。

非绝热近场光学诱导平滑硅表面微结构的电场模拟

如何进一步降低超光滑光学元件表面缺陷是现代超精密光学元件制作技术研究的热点之一。在传统抛光方法的基础上,引入非绝热近场光学诱导平滑硅表面微结构这一新型方法,进一步去除超光滑抛光表面残留的纳米级表面微缺陷,降低表面粗糙度。通过建立超光滑硅表面的微结构几何模型,采用时域有限差分法对表面微结构凸起在532 nm激光作用下的局域电场增强进行数值模拟。对比不同尺度的微结构所激发的最大电场强度表明,在基底峰谷值小于25.5 nm时,随微结构尺度递增,所激发的局域电场强度最大值约呈线性增长;随微结构倾斜率的逐渐递增,电场强度最大值也呈递增趋势。通过对激光诱导表面微结构调制电场的数值模拟,构建了硅表面微结构诱导平滑的物理图像,为描绘激光辐照下非绝热近场光学诱导平滑表面微结构的物理过程提供了有力的理论支持。

热处理对离子束溅射SiO_2薄膜结构特性的影响分析

采用离子束溅射沉积技术,在熔融石英基底上制备了SiO2薄膜,研究了热处理对离子束溅射SiO2薄膜结构特性的影响。热处理温度对表面粗糙度影响较大,低温热处理可降低表面粗糙度,高温热处理则增大表面粗糙度,选择合适的热处理温度,可以使表面粗糙度几乎不变。采用X射线衍射仪(XRD)物相分析方法,分析了热处理对离子束溅射SiO2薄膜的无定形结构特性的影响,当退火温度为550℃,离子束溅射SiO2薄膜的短程有序范围最大、最近邻原子平均距离最小,与熔融石英基底很接近,结构稳定。实验结果表明,采用合适的热处理温度,能大大改善离子束溅射SiO2薄膜的结构特性。

Nd:YAG固体脉冲激光器实验研究

介绍了Nd:YAG固体脉冲激光器相关的实验项目:静态和调Q状态的出光阈值、激光脉宽、倍频和激光光束形状等.采用普通相纸、红外相纸和激光能量计检测出不同的激光器静态和调Q出光阈值;采用散射、反射和透射方法研究了静态和调Q输出激光脉冲的宽度,发现用K9玻璃和多层膜镜测试的激光脉冲宽度比散射方法的大;采用激光能量计测试激光器静态和调Q的倍频效率和倍频激光能量与倍频晶体的位置关系;激光光束探测器表征激光器静态和调Q输出光的光斑形状.通过这些实验项目,学生将深入了解和掌握固体脉冲激光器的工作原理、性能参数,以及表征激光器性能参数的仪器设备,并深入地研究解决实验发现的问题,为今后激光相关领域的工作奠定坚实的基础.

人工晶体缺陷检测实验的教学设计

通过整合先进的科研实验室资源,搭建了人工晶体缺陷检测实验教学平台,开设面向本科生的研究性物理实验教学项目.通过理论课和实验课教学,学生了解晶体缺陷的种类及形成机理,使用检测设备直观检测晶体内部缺陷,并对晶体质量进行评价.通过学习人工晶体的生长和缺陷检测方法,学生可以了解规范的晶体制备工艺流程和晶体缺陷的检测标准,提高研究能力和实验水平,培养产业意识和创新精神.

线性交叉超构材料及其应用(特邀)

操控材料的等频率线可以有效的调控光与物质的相互作用。近年来,基于双曲超构材料的研究表明,等频率线从封闭圆形到开放双曲线的拓扑相变对光的传输和辐射特性有着显著的影响。本文主要综述了一类存在于双曲拓扑转变中的新型各向异性超构材料,其等频率线对应为两条相交的直线,因而被称为线性交叉超构材料。一方面,由于具有开放的等频率面,线性交叉超构材料类似于双曲超构材料,可以支持大波矢模式。另一方面,线性交叉超构材料类似于零折射率超构材料,线性的色散关系使得线性交叉超构材料中传播的电磁波的群速度方向与相速度方向垂直,这将导致电磁波沿着传播路径的零相位累积。本文系统性介绍了线性交叉超构材料的实现、物理特性以及相关重要应用,并在最后对线性交叉超构材料的发展进行了展望。

超短脉冲激光诱导透明材料多光子吸收的研究进展

超短激光脉冲可直接诱导透明材料的多光子吸收上转换荧光过程,它在红外探测、新型激光器、海底光学通信、高密度存储以及三维立体显示等前沿的国防和工业科技领域有着广泛的应用。上转换过程的研究目前主要集中在稀土离子和过渡金属离子能级跃迁的机制上,随着机制材料以及受激离子的不同,光子跃迁的机制也不完全相同,因此上转换机制始终伴随着新材料的出现而发展。介绍了上转换过程的种类,将多光子吸收上转换过程用依次吸收与同时吸收进行分类,给出了在实验研究中分辨上转换过程的方法,并讨论了多光子同时吸收的双光子与三光子过程的研究进展和应用,为今后研究不同光功能材料的多光子吸收过程和应用提供了理论依据。

X射线望远镜超薄镜片装配结构的粘结强度探究

基于超薄玻璃的嵌套式圆锥近似Wolter-Ⅰ型聚焦望远镜采用环氧树脂胶作为镜片装配的关键粘结材料,其微米级厚度的胶层粘结强度决定了望远镜的力学性能。文中研究了"超薄镜片-F131环氧树脂胶-石墨"组成的粘结结构在不同固化环境湿度、不同石墨表面粗糙度下的粘结强度。结果表明,粘结强度随着环氧树脂固化湿度的增加而减小,随着石墨表面粗糙度的增加而增加。进一步,通过比较石墨表面层剥离面积比,确定石墨表面层剥落是造成粘结结构失效的主要形式。最后,引入B基准值作为粘结强度评价指标,提高粘结性能评价的准确性和可靠性,为望远镜装配提供了参考。

Casimir-Polder力对左手材料板附近的原子的动力学作用

本文研究了初始处于激发态的两能级原子在左手材料附近运动时Casimir-Polder力对原子动力学的影响.左手材料有两个的作用:一是在距离界面波长区域内提供了较强的Casimir-Polder共振力,二是在这一范围原子的自发辐射受到抑制,延长了作用时间.这两种效应使得依靠原子自发辐射这一过程中的Casimir-Polder力能对原子的运动学产生影响,并将一定初速度的原子排斥远离界面.由于原子偶极矩的取向会影响Casimir-Polder力的性质,因此对于某些初始条件(初速度和初始位置),不同偶极矩取向的原子有不同的运动学结果,会被吸引到界面或反射出去,从而对具有不同偶极矩方向的原子进行筛选.当然由于Casimir-Polder力很小,能够反射的初速度也很小,但是已经可以反抗极低温的热涨落,我们的理论预估值约为15μK.如果和其他约束手段同时作用,便能对原子的动力学产生更为有利的控制.

几种紫外薄膜材料的光学及损伤特性分析

为进一步改善大型固体激光器3倍频用薄膜的光学及损伤特性,利用不同的测试方法系统对比研究了电子束蒸发方式制备的几种紫外薄膜的光学常数、晶体结构、表面粗糙度以及弱吸收和其激光损伤特性间的相互关系。研究表明:薄膜的弱吸收和其禁带宽度共同制约了其激光损伤阈值,而薄膜因晶相结构的产生而增大的表面粗糙度对其激光损伤阈值无影响。大弱吸收的薄膜其损伤表现为非常微小的吸收点向外扩张构成的较大的破坏点,而低弱吸收的薄膜其损伤则表现为瞬间吸收引起大的损伤。

低温退火的X射线W/Si多层膜应力和结构性能

W/Si多层膜反射镜在硬X射线天文望远镜中有重要应用.为减小其应力对反射镜面形和望远镜分辨率的影响,同时保证较高的反射率,采用150,175和200°C的低温退火工艺对采用磁控溅射镀制的W/Si周期多层膜进行后处理.利用掠入射X射线反射测试和样品表面面形测试对退火前后W/Si多层膜的应力和结构进行表征.结果表明,在150°C退火3 h后,多层膜1级峰反射率和膜层结构几乎没有发生变化,应力减少约27%;在175°C退火3 h后,多层膜膜层结构开始发生变化,应力减少约50%;在200°C退火3 h后,多层膜应力减小超过60%,但1级布拉格峰反射率相对下降17%,且膜层结构发生了较大变化.W,Si界面层的增大和相互扩散加剧是应力和反射率下降的主要原因.

不同本底真空制备的Yb/Al多层膜结构和反射率研究

为研究本底真空对Yb/Al多层膜微结构和光学性能的影响,使用直流磁控溅射设备,在本底真空度分别为4×10^(-5)Pa、8×10^(-5)Pa、1×10^(-4)Pa、2×10^(-4)Pa和4×10^(-4)Pa条件下,制备了一组结构相同的SiC/(Yb/Al)_(3)周期多层膜。使用X射线掠入射反射、原子力显微镜及大角X射线衍射等方法表征了样品表面和内部结构,结果表明:当本底真空度从4×10^(-4)Pa提高至4×10^(-5)Pa时,Yb/Al多层膜的平均界面宽度从2.15 nm减小到1.82 nm;表面粗糙度从1.87 nm减小到1.43 nm;膜层内有Yb、Yb2O3和Al结晶,结晶尺寸随真空度略有增加。SiC/(Yb/Al)_(3)周期多层膜为张应力,当本底真空度从4×10^(-4)Pa提升至4×10^(-5)Pa时,应力从85 MPa增大到142 MPa。测试了本底真空度为4×10^(-5)Pa时制备的多层膜样品的反射率,在波长为73.6 nm、入射角为5°时,反射率为31.3%。

二维材料非线性光学显微

二维材料的低维度特性带来了诸多新奇的光物理现象,其中微纳尺度上的物性在很大程度上影响甚至主导了二维材料的光学性质。因此,表征微纳尺度的物性及其带来的光学响应,是研究二维材料光物理现象潜在机制的重要手段。相较于光谱技术,光学显微技术可以更精准、更广泛、更详细地描述二维材料的光学响应信息;其中,基于非线性光学信号的显微技术可以有效表征二维材料的基本物性,在宽波段响应下具备高的信噪比和分辨率,为二维材料的基础研究和应用探索提供了重要支撑。本文首先回顾了非线性光学显微在二维材料层数、晶轴、晶界、堆叠和外界耦合等方面取得的研究进展,在此基础上,进一步分析探讨了当前领域的技术难点和发展趋势。

超构材料中的光学量子自旋霍尔效应

电子的量子自旋霍尔效应的发现推进了当今凝聚态物理学的发展,它是一种电子自旋依赖的具有量子行为的输运效应.近年来,大量的理论和实验研究表明,描述电磁波场运动规律的麦克斯韦方程组内禀了光的量子自旋霍尔效应,存在于界面的倏逝波表现出强烈的自旋与动量关联性.得益于新兴的光学材料:超构材料(metamaterials)的发展,不仅能够任意设定光学参数,同时也能引入很多复杂的自旋-轨道耦合机理,让我们能够更加清晰地了解和验证其中的物理机理.本文对超构材料中量子自旋霍尔效应做了简要的介绍,内容主要包括真空中光的量子自旋霍尔效应的物理本质、电单负和磁单负超构材料能带反转导致的不同拓扑相的界面态、拓扑电路系统中光量子自旋霍尔效应等.

基于有限元的X射线聚焦望远镜结构分析

针对我国X射线时变与偏振卫星(XTP)项目中高能X射线聚焦望远镜的研制需求,初步设计了嵌套式、类Wolter-I型X射线望远镜并进行了结构优化。基于X射线望远镜的光学设计理论,给出了嵌套式聚焦望远镜的光学结构参数。利用有限元分析软件ABAQUS,建立了嵌套式X射线聚焦望远镜的有限元模型。采用基础激励法模拟了X射线聚焦望远镜模型的随机振动,得到了望远镜结构的应力分布。通过切换层的方式,降低了望远镜结构的应力,达到了多层膜承受应力的要求。该研究为XTP项目中的X射线望远镜载荷设计提供了参考。

远紫外波段薄膜器件的研究进展(特邀)

远紫外波段在太阳物理学、天文和气象观测中都具有重要的科学意义和应用价值。远紫外薄膜器件是其中的基石和限制其性能的主要因素。本文介绍了远紫外波段薄膜材料的选择和光学常数的精确表征,回顾了宽带铝加氟化物反射薄膜保护薄膜技术的研究进展,介绍了远紫外波段窄带反射、透射薄膜的设计理念和制备技术,对远紫外波段薄膜材料、常用器件潜在的研究热点、发展趋势进行了展望。