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[硕士论文] 涂超
凝聚态物理 四川师范大学 2017(学位年度)
摘要:3d1离子是重要的过渡金属离子,比如掺杂V4+离子的晶体是一类具有激光特性和非线性光学特性的晶体,因而对于掺杂材料性质的研究就显得非常有意义。前人研究发现掺杂材料的性质与杂质中心的缺陷结构密切相关,并且光谱和电子顺磁共振谱对杂质缺陷畸变有灵敏的依赖关系,因此,可以通过光谱和电子顺磁共振谱研究杂质离子在晶体中的光学和磁学性质与缺陷的关系。近年来,人们主要考虑晶体场(CF)机制并基于分子轨道理论和自旋哈密顿理论的方法,在处理掺杂金属离子的EPR参量和光谱性能方面取得了很大的进展。对于本文中研究的掺杂V4+离子价态比较高,电荷转移(CT)跃迁能相对较小,我们需要考虑CT机制对EPR参量的定量贡献。本文创新工作如下:
  (1)本文突破CF机制的限制,我们考虑了CT机制对EPR参量的贡献,推导出了3d1离子的高阶微扰公式。我们进一步完善了理论公式,并且还建立了对应参量之间的定量关系。
  (2)根据理论公式,解释了KZnClSO4·3H2O∶VO2+晶体中掺V4+离子的g因子和超精细结构常数A,并获得了V4+中心缺陷结构的信息。
  (3)结合光谱数据研究了V4+杂质在ZnKPO4.6H2O∶VO2+晶体六配位八面体中的EPR参量,理论研究和实验结果一致,并且发现CT机制对g因子和A值的贡献与CF机制的三阶微扰项也有相同数量级的贡献。
  (4)通过数据分析说明CT机制对EPR参量的影响不能被忽略,这在理论上,对g因子和A值的理解有指导意义。
[硕士论文] 徐婷
凝聚态物理 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:在光学光路中,光波经过光学器件时由于器件表面的反射作用而发生部分光反向传播,干扰了有源器件的性能,因此为了降低反向传输光造成的影响,在光学器件中构建全光二极管必不可少。由于光子晶体中光子的快速运动可以被有效地控制,而利用光子代替电子传输大容量信息已成为科技发展的现实要求,因此可以用光子晶体来设计微纳尺度下的全光二极管,使得光波可以单向高效传输。
  基于磁光子晶体的全光二极管虽然满足了光波传输高透射对比度的要求,但需要引入外加磁场来产生旋光效应,不利于全光集成。而利用非线性材料构建光子晶体光二极管,能实现较高的正向透射率和透射比,但是这种方法需要很高的光强以产生足够大的光学非线性效应。利用光子晶体的方向能带失配也能实现光波的单向传输,但是由于光子晶体的散射效应,正向透射率和对比度都还太低,不能满足光通信和光信息处理的需求。以上这三种方法都不利于集成光路的应用。
  我们发现将全反射界面应用到光子晶体异质结构中,可以使得反向入射光在界面发生全反射,从而降低反向透射率,因此在本文中,基于全反射异质界面,通过构建光子晶体异质结构来拓宽光波的单向传输范围,提高其透射对比度,并对其能带结构和等频图展开分析,研究内容和成果如下:
  1)选用全反射异质界面,观察了光波传输的透射谱及电场图,发现正向入射光波在界面处存在反射,且透射光由于折射会偏离原入射方向输出;而反向入射时光波在界面处由于全反射效应几乎零透射,但此结构正向透射率很低。为提高正向透射率,在界面左侧构建二维介质柱型光子晶体PC1以减少界面反射,提高了界面透射;在界面右侧构建二维介质柱型光子晶体 PC2,利用其准直效应将光波准直到与原入射光方向平行,从而提高光波的正向透射率,得到了单向传输性能较好的光子晶体异质结构。
  2)在二维光子晶体结构中,偏振态不同的光波传输效果也不同。由于高折射率柱子周期排列在低折射率介质中便于 TM偏振态光波控制;低折射率柱子周期排列在高折射率介质中便于TE偏振态光波控制。为了得到性能较好的偏振无关光波单向传输,我们将两种四角晶格光子晶体PC1和PC2结合组成新的光子晶体异质结构,基于全反射界面和光子晶体自准直效应,通过对其结构周期和光波输出波导宽度进行优化,得到了 TM模式下,在1423.81nm-1920nm波段范围内近500nm宽的高性能光波单向传输,最高正向透射率可达0.87,光通信波段中心1550nm处正向透射率可达0.834,透射对比度近乎为1。TE模式下,在1447.94nm-2000nm波长范围内近550nm宽的光波单向传输,最高正向透射率可达0.754,光通信波段中心1550nm处正向透射率可达0.678,透射对比度近乎为1。实现了偏振无关的光通信1550nm波段透射对比度近乎为1的高性能光波单向传输,但 TE模式下1550nm的正向透射率还不够高,其单向性能还有待提高。
  3)而在光子晶体结构中,介质中打空气孔便于TE偏振态光波控制,因此为了提高TE模式的传输性能,我们设计了基于全反射界面和自准直效应的二维空气孔型四角晶格光子晶体异质结构,并对空气孔半径、异质界面与相邻空气孔之间距离和输出波导宽度对光波单向传输性能的影响进行了分析,优化后得到的光子晶体异质结构可实现0.75的正向透射率,透射对比度近乎为1,正向透射带宽约260nm,单向传输带宽为600nm,使得TE模式下光通信波段1550nm附近的光波单向传输效果得到了极大地提升。
[硕士论文] 马立辉
光学工程 北京交通大学 2017(学位年度)
摘要:光子晶体因可以实现对入射电磁波有效的操控而被广泛的应用于生物化学传感等方面,但由于光子晶体本身的局限性,并不能实现对微弱信号的精准操控,而金属等离子激元是一种表面波,可以实现对特定入射频率的电磁波强度的放大,利用金属等离子激元的这种效应,制备了一种新型的纳米微结构,这种微结构即具有光子晶体的特性又能激发金属等离子激元,可以实现对微弱信号精准的操控,称这种特殊的纳米微结构为金属等离子激元晶体。相比于一维和二维的金属等离子激元晶体,三维的结构有着更加优异的光学性能,金属银可以在300-1200nm的波长下都可激发强烈的等离子激元效应,因此研究中以采用水凝胶辅助解离三维连续银纳米结构去制备三维非连续银等离子激元晶体,并采用电磁仿真与实验光谱测试去分析其光学性能。具体如下:
  (1)三维银等离子激元晶体的制备。以胶体晶体为模板,水凝胶为基,采用恒压电化学抛光,设置抛光参数为6V,0.02s,抛光30-80圈后将三维连续的银纳米微结构解离,通过扫描电子显微镜表征的表面与截面图,确定得到了三维非连续银等离子激元晶体;研究表明抛光电流与银等离子激元晶体被解离的程度存在内在的联系,因此可以通过抛光电流的变化去判断解离的进程,实现了抛光解离过程的可控。
  (2)三维银等离子激元晶体光学性能的研究。对于晶体光学性能的研究,采用电磁模拟仿真和实验光谱仪测试去得到银等离子激元晶体的透射、反射光谱,并研究了各个参数改变对晶体的光谱的影响,为之后的应用做好理论基础。研究结果显示:当模板粒径从220nm变化至380nm时,反射光谱中由纳米银颗粒阵列衍射共振形成的波峰从500nm红移至900nm,且呈现线性规律性的变化;仿真了模板粒径为394nm的晶体在不同抛光度下的光谱,当抛光度为从0%变化至21.8%时,反射光谱从没有明显的反射峰到有突出的反射峰,透射率从0%变化至80%以上,因此非连续结构的三维结构呈现出更加优异的光学性能;同一模板粒径,同一抛光度下,当晶体内部填充水凝胶的折劓率每增加0.1,晶体光谱的反射峰位红移60nm,晶体对内部填充物的折射率响应非常灵敏;仿真了不同模板层数的银等离子激元晶体的光谱响应情况,结果显示当模板层数由4层变化至6层时,因法布里珀罗干涉形成的峰呈现规律的移动;通过电磁仿真得到的能带图与场强分布图以及光谱随不同模板粒径和抛光度的变化情况,确定了布拉格晶体衍射和法布里珀罗干涉等效应在光谱上表现。
  (3)pH响应传感器的研究。首先在银等离子激元晶体中填充pH敏感型水凝胶,这种水凝胶在不同pH值下会呈现出不同的溶胀程度,水凝胶的溶胀会改变晶体原有的结构,在其光谱上也会有响应。实验中当滴加的pH值由8变化至12时,晶体的反射峰位由490nm移动到了590nm。
[硕士论文] 杨瑞琳
凝聚态物理 广西大学 2017(学位年度)
摘要:由于晶界的预熔化可以改变多晶材料的宏观性能,所以引起了科学家的重视。然而晶界却是只有几个原子层厚的,从而使得在现有的实验条件下,很难观察到这些较微观的现象,所以研究者们决定使用功能强大的计算机模拟软件技术,以此弥补这种由于样品尺寸而引起的实验缺点。对于性能提高的材料,为了开发预测该材料的功能特性,以及为了该材料的预熔和熔解的现象,很有必要建立一种从微观尺度出发的数值模拟技术。本文采用三维晶体相场方法,研究温度在固-液共存区域下小角度对称倾侧晶界,预熔及熔解状态下应力作用的位错运动过程以及现象,探索位错运动的机理,研究位错熔解半径与温度的关系,主要成果如下:
  1.制备样品到达一定温度时,△B=0.0250,位错出现明显熔解现象,并且随着温度△B的升高,位错向外熔解的区域不断扩大,熔解半径不断增大,说明体系在接近熔点温度时晶界处的位错首先诱发晶界出现预熔化现象,当熔解趋于稳定后在应力作用下,同一水平直线上的一组位错对相互靠近,最终湮灭变为一个完整晶界;当温度△B更高时,△B>0.0250,位错出现更加明显的熔解,并且随着温度△B的升高,位错向外熔解的区域也不断扩大,熔解半径也不断增大,由此可以得到,体系的温度决定了位错的熔解程度,体系温度越高,就越容易发生熔解现象。但是,熔解现象不仅是在熔点处发生的,而是在低于熔点时就在晶体的缺陷处产生了预熔,当熔解趋于稳定后在应力作用下,同一水平直线上的一组位错对相互靠近,最终连通。
  2、对样品施加X轴单向应力时,位错对彼此靠近,相互吸引,最终连通,位错对由升温稳定后的圆形逐渐被X轴压缩变为扁圆形;相反对样品施加Y轴单向应力时,位错对由升温稳定后的圆形逐渐被Y轴拉伸变为扁圆形,但位错对并不相互吸引。但是这两种作用方式的自由能曲线趋势相同,证明其运动机理相同。
  3、对样品施加剪切应力后,位错对在X轴方向做滑移运动,在Y轴方向攀移做攀移运动,对错对依旧是相互吸引彼此靠近。由模拟结果可以得出越靠近原子层中心截面图中位错对越多,其熔解区域也越小,熔解半径也越小,熔解发生的越剧烈,对错位最终连通;越远离原子层中心位错对越少,位错对相互吸引靠近,其熔解区域也越大,熔解半径也越大。
  本研究采用了三维晶体相场法模拟研究了位错在应力作用下的预熔及熔解行为,得到的理论研究结构与实验相符合,对改变多晶材料的宏观性能等有重要指导意义。
[硕士论文] 刘辉阳
光电子材料与器件 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,随着通信技术的发展,人们对通信的要求越来越高,在光通信系统中,光信号的顺利传输已经成为了研究的焦点。光在从一端向另一端传输的过程中,如果发生散射或反射,影响输入端的信号,就会对整个传输效果产生影响,因此有必要研究光在光路中的单向传输问题。
  目前实现光波单向传输的方式有很多种,研究中采用较多的主要有利用法拉第磁光效应、在光子晶体结构中添加非线性材料、引入缺陷打破结构的空间或时间反演对称性等方法。但是这些方法在实际应用过程中都存在一定的缺陷,利用法拉第磁光效应时需要在结构外添加磁场以实现旋光;结构中添加非线性材料时,对入射光功率的要求较高,很难实现;打破结构空间或时间反演对称性的方法实现的光波正向透射率较低,单向传输效果不够好。在后来的研究中,研究人员又通过具有不同能带特性(一侧禁带,另一侧导带)的异质结构之间的能带失配来实现光波的单向传输。但是这种方法不仅对结构中光子晶体的能带有要求,还必须调整界面处的晶格排布,才可能实现单向传输。而通常情况下准确的晶格排布较难寻找,因此该方法的使用受到限制。
  本文设计了具有全反射倾斜界面的异质结构,只要结构的材料合适、界面的倾斜角度合适,就可以实现光波在TE模式、TM模式下的单向传输。在此异质结构基础上分别添加光子晶体波导,使光波沿着光子晶体波导进行传输,从而减少光在均匀介质中的反射和散射,提高光波单向传输效率。
  主要研究内容和结果如下:
  1.用二氧化硅(SiO2)和锗(Ge)设计了一种可以实现光波单向传输的基础异质结构,该结构实现全反射的入射角临界角为20.47°,在满足全反射条件下选择界面与水平方向的夹角为60°。该基础异质结构在双偏振模式光在波长1000~2000nm波长范围内透射对比度接近于1,TE偏振模式光正向透射率达到0.66,TM偏振模式光正向透射率达到0.74。
  2. TE模式下,在基础结构左侧SiO2背景中添加光子晶体波导,其中光子晶体具有完全禁带,介质柱为 Ge,得到异质结构一。该结构实现了在1000~2000nm波长范围内正向透射率基本高于0.7,透射对比度接近于1的单向传输。在异质结构一右侧Ge背景中也添加光子晶体波导,其中光子晶体具有完全光子禁带,介质柱为 SiO2,得到异质结构二。该结构正向透射率在完全禁带的波长范围内进一步提高,但是反向透射率也相应有所增加,导致透射对比度降低。分别改变TE模式下异质结构二左、右两侧背景下光子晶体波导的宽度d1E和d2E,对单向传输特性进行分析。当d1E增大时,反向透射率会逐渐升高,影响单向传输效果。当d2E增大时,正向透射率逐渐增大,反向透射率降低明显,透射对比度逐渐升高并趋于平稳。
  3. TM模式下,在基础结构左侧SiO2背景中添加光子晶体波导一,其中光子晶体具有方向带隙,介质柱为Ge,得到异质结构零;将其中的光子晶体替换为具有完全禁带的光子晶体,即添加光子晶体波导二,得到异质结构一;在异质结构一右侧Ge背景中也添加光子晶体波导二,其中光子晶体具有完全带隙,介质柱为 SiO2,得到异质结构二。分别分析这三种结构的光波单向传输特性,正向透射率逐渐升高,异质结构二中正向透射率在1480~1680nm波长范围内基本高于0.9。分别改变TM模式下异质结构二左、右两侧光子晶体波导宽度d1M和d2M,对单向传输特性进行分析。当d1M逐渐增加时,正向透射率会逐渐下降;当 d2M逐渐增大时,正向透射率增大并更加平稳。
  4.在 TE、 TM模式下分别选用新材料组成可以实现全反射的结构,并添加光子晶体波导,对其单向传输特性进行研究。TE模式下,利用空气(Air)和二氧化硅(SiO2)作为背景,在两个背景中分别放置不同参数的Ge介质柱,形成光子晶体波导。调整左侧接收波导的位置,实现了在波长1392~1723nm范围内正向透射率接近于0.98,透射对比度高于0.9的单向传输。TM模式下,利用砷化镓(GaAs)和锗(Ge)作为背景,在两侧背景材料上打空气孔形成三角晶格光子晶体波导,通过调整左侧接收波导的位置,实现了1000~2000nm波长范围内正向透射率基本高于0.95,透射对比度高于0.82的光波单向传输。
[博士论文] 胡强强
材料学 山东大学 2017(学位年度)
摘要:激光作为20世纪最伟大的发明之一,被誉为“最快的刀”、“最准的尺”和“最亮的光”。而激光晶体作为激光的核心部件,无疑是这刀之刃、尺之标、光之源。近年来,无序结构晶体因兼具玻璃的无序性和晶体的有序性,展现出优异的光谱特质,在超快激光等领域发挥出极大的优势和无限的潜能。
  本论文瞄准激光领域最前沿的发展需求,以无序结构晶体为研究对象,开展了包括红外激光、可见光激光、超快激光、以及磁光等多种功能的新型无序结构晶体的生长、优化、性能和应用等方面的研究。研究对象具体针对两大类三种系列的无序结构晶体,即:属于K2NiF4结构类型的CaGdAlO4(CGA)系列晶体,和属于石榴石结构类型的YSGG、TSAG系列晶体。具体研究内容表述如下:
  CGA晶体的生长、物理性能和色心研究以及其在可见波段的应用预测
  不同气氛环境下成功定向生长了棕色和无色的高质量CGA单晶。CGA晶体在含氧气氛下生长呈现出反常的棕色。运用密度泛函理论对该着色原因进行理论计算,结果表明氧缺陷和氧缺陷引起的可见波段吸收是导致晶体着色的原因。其中,棕色晶体着色主要源于间隙氧缺陷的增加,该计算结果与实验现象吻合较好。之后,我们系统表征比较了不同颜色的CGA晶体的基本性能,包括密度、硬度、热学性质和光学性质等。其中,惰性气体气氛下生长的无色CGA晶体具有结构无序、热学性能优、透过光谱宽(227-7140 nm),且最大声子能量低(618cm-1)等特点,在紫外可见波段的超快激光输出方面具有潜在的应用价值。
  Pr∶CGA可见光激光增益晶体的生长改性、性能提升和光谱性质
  直接泵浦输出的高功率可见光激光在数据存储、医学、光谱学、荧光显微镜以及全色显示等领域具有重大的应用需求。但受限于激光增益介质,可见波段激光的发展还很不成熟。CGA晶体具备声子能量低、热学性质优、机械加工性能好、透过光谱宽等优点,是一种潜力巨大的可见光激光基质晶体。此外,其无序的晶体结构也为未来锁模激光输出提供了无限可能。因此,该部分展示了关于Pr∶CGA晶体生长改性和性能表征的相关内容。其中,我们创造性的采用助熔剂提拉法对Pr∶CGA晶体进行了优化生长,优化后的晶体在晶体结晶性、光学均匀性以及热学性质等方面都展现出巨大的提升。另外,我们也对Pr∶CGA晶体的光谱性质进行了详细的研究。多项结果表明,Pr∶CGA晶体在可见光激光输出方面拥有巨大的潜能。
  Yb∶CLGA晶体的设计生长、光谱展宽和超快激光输出
  我们通过向Yb∶CGA晶体中引入Lu3+离子的方式设计了结构更加无序的Yb∶CLGA晶体,并对该晶体进行了生长探索和性能表征。其中,Yb∶CLGA晶体的低温(9.6 K)吸收光谱很好的证明了其结构的无序性;而与Yb∶CGA相比,Yb∶CLGA晶体也在发射光谱中表现出了明显的展宽性能。之后,我们对结构无序度最高的Yb∶CLGA晶体的晶体质量和光谱性能进行了全面的表征。此外,基于Yb∶CLGA1#晶体的SESAM锁模激光实现了69.3 fs的超快激光输出。超快激光输出中心波长为1054 nm,平均功率为232 mW,最高峰值功率达到63.7 kW水平。该晶体实现了在1023.1-1088.8 nm波长范围内,调谐宽度达65.7 nm,分辨率为0.1nm的连续可调谐激光输出。而且,以黑磷为饱和吸收体的Yb∶CLGA1#锁模激光实验也实现了基于此饱和吸收体迄今为止功率最高且脉宽最窄的超快激光输出。因此,光谱性质更优的Yb∶CLGA2#晶体有望在更窄脉宽和更高功率的超快激光输出方面实现新的突破。
  Nd∶CGA/Nd∶CLGA系列晶体的生长改性和光谱分析
  成功生长了Nd∶CGA和Nd∶CLGA系列晶体,并重点研究了Lu3+对晶体性质的影响。研究表明,Nd3+离子在CGA晶体和CLGA系列晶体中的分凝系数达到0.78,远大于其在GGG(~0.4)和YAG(~0.2)晶体中的分凝系数,有利于Nd3+离子掺杂晶体浓度分布的均匀性。经过Lu3+改性的Nd∶CLGA晶体较Nd∶CGA晶体比热性能有所提高,a切样品光谱也发生了明显展宽。其中,Nd∶CLGA晶体主峰位置的半峰宽可达22 nm,这将大大有利于锁模超快激光的输出。因此,可以预测Nd∶CLGA晶体是一种具有潜在应用的优秀的Nd3+掺杂超快激光晶体。
  Er∶YSGG中远红外激光晶体的高质量生长和高效率激光输出
  采用60 mm口径的坩埚,成功生长了不同尺寸的高质量的Er∶YSGG单晶,最大直径为35 mm,最长等径长度为100 mm。高分辨X射线衍射和激光干涉实验表明所生长的Er∶YSGG单晶(444)而的摇摆曲线为32.61弧秒,光学均匀性均方差达到10-6量级,证明该晶体结晶性好,光学均匀性高。热学性质表明掺杂浓度为30at.%的Er∶YSGG晶体室温下热导率为3.27 W·m-1·K-1。开展了Er∶YSGG晶体端泵连续激光输出实验。实验样品吸收泵浦效率达到93%,实现了最高输出功率745mW中心波长位于2978.7 nm的红外激光输出,输出最高斜效率达到31%。该激光输出斜效率优于目前报道的Er∶YSGG连续激光输出最高斜效率水平。
  TSLAG晶体的生长、改性、磁光性能和隔离器表现
  使用低成本Sc2O3原料探索了TSLAG的生长习性,初步解决了其生长方面的问题。TSLAG晶体莫氏硬度为7.6,具有较好的机械加工性能。晶体性光学性能测试表明:磁光方面,TSLAG晶体具有较低的吸收系数,大的法拉第旋转能力,高的磁光优值,各项数据指标优于商用的TGG(Tb3Gd2Ga3O12)晶体;激光方面,TSLAG晶体在486 nm处存在特征吸收峰,在492 nm、543 nm、552 nm、591 nm和662 nm等处存在发射峰,且荧光寿命达到14.7μs,具有可见光激光输出的潜能。TSALG晶体成功装配成高功率激光用隔离器产品,各项指标并满足商业化产品要求。此外,我们从籽晶、坩埚、原料、晶体直径等方面进一步优化改进,使用60mm口径的坩埚实现了等径尺寸(φ)35×60mm3的高质量TSLAG晶体生长,磁光性能达到TGG晶体的1.2倍,相应的隔离器水平有望进一步提升。
[硕士论文] 王慈
材料物理与化学 山东大学 2017(学位年度)
摘要:中远红外(3-20μm)激光器在非线性光学检测与医疗、光伏器件和激光通讯,如IR对抗、微量气体检测,等方面,有着非常广阔的应用前景。而目前,非氧系统的含磷或硫红外非线性光学材料由于其卓越的红外光谱透过性和可大于4μm的激光输出而受到了广泛的关注。其中,一种典型的非氧系统三元化合物——黄铜矿结构ABC2,由于其优良的光学性质受到了广泛研究,并被认为是很有前景的候选材料。一般地,为了达到实际的应用需求,中远红外非线性光学材料在作为激光转换装置时应满足几个要求。其中一个非常重要的条件便是在3-5μm和8-12μm窗口要有较好的IR透过率。
  中远红外非线性光学晶体可以通过利用双折射效应和位相匹配将激光进行频率转换来达到输出可调谐激光的目的。CdSiP2(CSP)晶体因其显著的双折射效应、高的非线性光学系数、良好的位相匹配特性等而众所周知,其透光范围理论上可以达到0.5-10μm。然而,当透过光为o-偏振光时,它在1.3μm,2μm和3.5μm存在较强的吸收峰;当透过光为e-光时,强吸收峰出现在1.34μm和1.78μm附近。这一现象既严重降低了CSP的光学损伤阈值,又会影响其作为光频装换器件的效率。然而通过实验检测手段,如EPR、ESR等方法目前很难直接准确地研究晶体本征缺陷类型与光学性质尤其是吸收谱之间的具体联系。基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法可以不必局限于实验限制,从晶体本身结构出发解释其内在的物理规律。
  本文通过DFT第一性原理方法,根据实验中具体的化学环境和晶体生长热力学过程,确定了晶体元素化学势的范围,并根据缺陷形成能公式,计算比较了不同类型和带电态的缺陷形成能的大小,得知了主要的点缺陷和复合缺陷;然后,通过对主要点缺陷几何形态、电子结构和光学性质等的研究,总结出了缺陷-吸收谱之间的内在联系,从而为实验中判别缺陷类型和缺陷行为提供了参考。本文的研究内容和主要创新点有:
  1、首先使用DFT-GGA和DFT-HSE方法研究了完美CSP晶体的几何构型、电子结构、光学性质和热学性质等。通过以2×2×1(含64原子)超胞为基胞,对比了不同大小超胞(2×2×2,2×2×3和3×3×2)的中性缺陷形成能,确定了使用2×2×2的超胞不仅资源消耗小,而且完全可以满足计算要求。并且,通过参考实际实验中不同化学环境和晶体生长热力学过程,我们确定了CSP各种元素化学势的大小。
  2、计算研究了不同化学环境下CSP晶体材料中不同类型和不同带电态本征点缺陷形成能和带隙的分布关系以及几何构型、电子结构和差分电荷密度等,发现CSP晶体主要的缺陷为-2价的VCd,+2价的SiCd,-4价的Vsi可以自发形成,这一结果也与实验相吻合。
  3、在上一步计算的基础上进一步探究了主要缺陷态对光学性质的具体物理行为,并提出缺陷SiCd的存在是e偏振吸收峰1.34μm和1.78μm的主要来源,而VCd2-和Vsi的产生则会引起比较明显的吸收谱截止边的红移。
  4、初步探索了CSP晶体中可能存在的中性缺陷簇和杂质态Fe的缺陷行为。研究指出在所有考虑的中性复合缺陷之中,SiCd2+-VCd2-缺陷簇的形成能相对是最低的,并发现杂质如Fe等会对光学性质产生一定的影响。
[硕士论文] 王光强
材料学 山东大学 2017(学位年度)
摘要:激光自发明以来,极大地促进了科技的发展和社会文明的进步,被誉为20世纪最伟大的发明之一。在基础科学方面,激光出现以后,通过研究激光与物质相互作用时表现出的许多新的物理现象,人们对基础物理的认识进一步深化,对许多物理现象的本质都有了更深刻的理解;在技术应用方面,许多以激光技术为基础的应用技术得到发展,如激光医疗、光纤通讯、激光精密加工、激光显示、激光探测、激光传感等技术极大地改善了人类的生活。
  产生激光的方式有直接泵浦激光物质发光和光学非线性频率变换等方式,由于可以直接产生激光的激光工作物质种类有限,因此光学非线性频率变换是一种获得新波长激光的重要手段。光学非线性频率变换属于强光光学的范畴,是与激光技术一同发展起来的一门学科,当强激光与物质相互作用时,由于物质的内部电场被光电场所极化,极化的电场又反作用于光电场,使光的频率发生改变,从而实现频率变换的效果。晶体材料由于其非线性转换效率高、光学透过性好、机械性能稳定、可以实现器件全固态化等优点,一直是光学非线性材料的重点研究对象。
  受激拉曼散射效应是一种重要的三阶非线性光学效应,具有受激拉曼散射效应的拉曼激光材料目前已被广泛用于拉曼激光器件的研究。拉曼晶体是重要的拉曼激光材料,传统的拉曼晶体材料以体块的无机晶体材料为主,其晶体生长和加工工艺较为成熟,热学和机械性能优良,目前已经实现器件化和标准化。传统无机拉曼晶体材料的拉曼频移多在1000cm-1以下,且需要较高能量的激光泵浦。近年来,随着相关学科领域的发展,激光材料和激光器件的小型化、低维化和低能化成为新的需求。就拉曼激光材料来讲,有机晶体材料可以提供较大的拉曼频移(3000cm-1以上),种类丰富、来源广泛、成本低廉等优势,近年来逐渐引起研究者的关注。为发展有机拉曼激光晶体新材料,本论文研究了四苯基溴化膦体块晶体和光纤单晶的生长、晶体结构、表征、光波导以及受激拉曼散射性质的研究,并对光纤晶体的生长动力学进行讨论。
  本论文的研究内容主要可以分为两大部分:
  第一部分包括第二章、第三章,主要利用传统的溶液降温法生长了厘米级的四苯基溴化膦体块单晶,总结了有机晶体材料的生长方法和遇到的问题,并对所生长的四苯基溴化膦晶体的单晶结构进行了确认,对晶体的基本物理性能进行了表征,对晶体进行了定向和加工,并尝试进行了受激拉曼散射激光测试。
  第二部分包括第四章、第五章、第六章,主要利用水溶液自组装的方法,通过合理选择衬底和调控生长条件,成功制备了长度达数毫米级,直径低至数微米级的具有较大长径比的高质量四苯基溴化膦单晶光纤,并通过课题自搭建的光学测试系统对制各的四苯基溴化膦单晶光纤的光波导性质和受激拉曼散射性质进行了研究,以532nm低功率连续激光为泵浦源,成功获得了多色的受激拉曼散射激光输出,并研究了拉曼散射光强度与泵浦光功率的定量关系。最后,结合对四苯基溴化膦单晶光纤生长过程中的实时观察,基于晶体结构和PBC理论,对四苯基溴化膦单晶光纤的一维生长机制提出了定性的解释。
  本论文的主要创新点如下:
  1.首次通过水溶液缓慢降温法,采用顶部籽晶方法生长了四苯基溴化膦厘米级体块单晶,晶体外形规则,透光性好,质量较高。
  2.针对四苯基溴化膦原有晶体结构信息年代久远,数据不完整的问题,本论文完善了四苯基溴化膦单晶结构数据,首次测量了四苯基溴化膦单晶的硬度、热学性能、透过光谱等基本物理性质。
  3.通过溶液自组装的方法,成功制备了微米级、大长径比的四苯基溴化膦单晶光纤。
  4.对四苯基溴化膦单晶光纤的光波导性能和受激拉曼散射性能进行了测试,成功获得三个波长的受激拉曼散射激光输出。
  5.对四苯基溴化膦单晶光纤的一维生长过程进行了实时观测记录,并对其一维生长的动力学机制提出了定性的解释。
[硕士论文] 李倞
凝聚态物理 山东大学 2017(学位年度)
摘要:全固态短脉冲激光器以其结构简单、稳定性好、使用寿命长、光束质量高、效率高、热效应小等优势,在工业、军事、医疗等多个领域都有很重要的应用。全固态脉冲激光器的发展很大程度上得益于固体激光增益介质的探索与拓展。目前使用最广泛的激光增益介质是掺杂激活离子晶体,其中以Nd3+离子掺杂晶体的研究与应用最为广泛,Nd∶YAG、Nd∶YVO4、Nd∶YLF、Nd∶YAP等晶体为代表的激光增益介质已有大量的研究和应用。但是近年来,随着各行各业对激光器件的要求越来越高,探索新的激光晶体及其特性就成为人们不断追求的方向和目标。
  1998年,俄罗斯研究者首次报道并详细分析Ca3NbGa3Si2O14(CNGS)晶体的性能,证明它是一种性能优良的压电晶体。近年来,研究者针对CNGS晶体良好的热学和光学性能,提出此类晶体有望成为一种新型激光晶体的基质材料。本重点实验室郭世义老师课题组通过大量的调研和实验探索,首次获得一系列掺杂浓度不同的Nd∶CNGS晶体。在此基础上,我们课题组与郭世义教授课题组展开合作,对Nd∶CNGS晶体的力学、热学、光谱及多功能复合特性研究,并提出Nd∶CNGS晶体在超短脉冲激光器件领域中存在一定的发展前景。因此,本论文主要工作是在前期Nd∶CNGS晶体物理光学性质测试和连续波激光特性研究基础上,开展Nd∶CNGS晶体调Q和锁模短脉冲激光器特性研究。主要研究工作包括:
  Ⅰ对调Q原理进行简单介绍,分析了声光调Q技术的基本理论;采用声光Q开关,实现主动调QNd∶CNGS晶体脉冲激光输出;通过设置不同重复频率,测量在不同泵浦功率下,相应的平均输出功率和脉冲宽度,计算相应的峰值功率和单脉冲能量。其中,最窄脉冲宽度为13.8ns,最大单脉冲能量为92.7μJ,最高峰值功率为6.3kW。
  Ⅱ简单介绍了Cr∶YAG、V∶YAG晶体;以Cr∶YAG晶体为可饱和吸收体为例,详细分析了被动调Q的理论;并在实验上得到Cr∶YAG和V∶YAG被动调QNd∶CNGS晶体脉冲激光。最终,采用y切Nd∶CNGS晶体得到最大平均输出功率为0.59W、脉宽为22.89ns、重频为11.7kHz、最大单脉冲能量为50.43μJ、最高峰值功率为2.20kW的脉冲激光。
  Ⅲ对层状黑磷可饱和吸收镜的制备方法进行简单介绍;采用少层黑磷作为调制元件,实现Nd∶CNGS晶体1.3μm被动调Q激光输出,对应最窄脉宽0.99μs,最大单脉冲能量1.88μJ。
  Ⅳ对锁模原理进行了简单分析,提出了抑制锁模中经常出现的调Q锁模趋势的解决方法;采用SESAM为调制元件,得到Nd∶CNGS晶体1.0μm皮秒激光输出,最短脉宽1.0ps、中心波长1065nm、重频49.2MHz、最大输出功率115mW、对应单脉冲能量2.33nJ和峰值功率2.23kW。
  Ⅴ对锁模激光器中的色散补偿进行简单分析;并且对Nd∶CNGS晶体皮秒脉冲激光腔内加入色散补偿啁啾镜对腔内的正色散进行补偿,成功将锁模脉宽压缩至759fs,最大输出功率为133mW、单脉冲能量和峰值功率为3.1nJ和4.1kW。实验结果表明Nd∶CNGS晶体对实现飞秒量级的超快激光很有优势。
[硕士论文] 张磊
材料加工工程 山东大学 2017(学位年度)
摘要:KDP晶体不但具有优良的光学性质,如较高的电光系数和非线性光学系数,而且抗激光损伤性能优异,更为重要的是KDP晶体可以通过溶液法生长出具有高光学质量的大尺寸单晶,这些优异的性质让KDP晶体在大功率激光器的制备中扮演着不可或缺的角色。然而,人们在KDP晶体的生产、加工乃至使用过程中发现,无论是溶液当中的还是大气当中的水分子都会不可避免地吸附到KDP晶体的表面,进而对KDP晶体的表面电子结构和物理性能产生各种影响,为了控制水分子带来的影响,研究水分子在KDP晶体表面上的吸附是非常有必要的。通过研究单个水分子在KDP晶体表面的吸附行为,我们可以发现KDP晶体表面与水分子相互作用的官能团,探究KDP晶体表面与水分子的作用方式,为实验中发现的氢键联系现象提供理论上的支撑,也可以帮助人们从理论上理解靠近KDP晶体表面水分子层的有序结构出现的原因,这为人们深层次地理解KDP晶体与水环境之间的复杂作用打下良好的基础。
  本文通过使用基于密度泛函理论的第一性原理计算,对单个水分子在KDP晶体两个主要惯习面(100)面和(101)面上的吸附行为做了较为详尽的研究。通过对这两个表面不同吸附位点的吸附能,吸附体系的几何构型变化,差分电子密度,相互作用原子的分波态密度等进行分析,确定了水分子在不同表面上吸附时的吸附方式,并得到了KDP晶体表面上主导水分子吸附的功能性原子等信息:
  1.水分子表面上可以与水分子发生作用的功能性原子主要有三种,即氢原子,氧原子和钾原子。其中表面上暴露的氢原子和钾原子会与水分子中的氧原子发生相互作用,从而将水分子的氧原子拉向表面,表面上暴露的氧原子则会与水分子中的氢原子发生相互作用,从而将水分子的氢原子拉向表面。这些功能性原子的存在主导了水分子在KDP晶体(100)面和(101)面的吸附行为。
  2.水分子在KDP晶体(100)面上的最佳吸附位置为e位置(磷原子顶位,实际上为磷酸根基团中的氢-氧桥位)和h位置(磷-钾原子桥位,实际上为磷酸根基团中氧原子与表面暴露的钾原子所构成的氧-钾原子桥位),而水分子在KDP晶体(101)面上的最佳吸附位置为o位置和p位置(两个位置都是氧-钾原子桥位)。这些最佳吸附位置均为两个功能性原子所组成的桥位。
  3.水分子在KDP晶体的(100)面吸附时存在两种吸附方式,一种为与表面暴露的磷酸根基团中氢原子和氧原子分别形成两个氢键(e位置),另一种则为与表面暴露的氧原子和钾原子分别形成一个氢键和一个氧钾键(h位置)。而水分子在KDP晶体的(101)面吸附时只存在一种吸附方式,无论是在o位置还是p位置,都是与表面暴露的氧原子和钾原子分别形成一个氢键和一个氧钾键。这种吸附方式的不同是由于KDP晶体(100)面和(101)面不同的原子结构造成的。
[硕士论文] 刘一平
凝聚态物理 山东大学 2017(学位年度)
摘要:自2004年,实验上利用机械剥离法制备出石墨烯后,石墨烯就成为了物理学、材料科学等领域的研究的重点。石墨烯仅具有原子层厚度,且具有比传统的半导体材料更高的载流子迁移率,更好的柔韧性和良好的稳定性能,以及独特的光学特性,单层厚的的石墨烯在可见光范围几乎是百分之百透明,对入射光的吸收约为0.0233,因此将石墨烯应用到透明电极、光电探测器等光电设备具有重要意义。但是,由于像光电探测器这类设备是需要材料与光的强相互作用,而石墨烯与光的较弱的相互作用将限制了它的应用,因此如何增强石墨烯与光相互作用已成为近些年的研究热门。
  光子晶体的概念自1987年提出后,在各个领域就受到了极大的重视。它的晶格尺度可以与电磁波波长相比拟,基本特征是可以调控电磁波的传播。完美的光子晶体具有光子带隙,可以禁止电磁波在特定波长范围内的传播。如果在完整的光子晶体中插入缺陷层来破坏它的周期性,则可以在光子禁带中出现缺陷模,缺陷模频率处的电磁波可以百分百的透射。因此利用光子晶体这种简单的结构来增强石墨烯的光吸收具有重要意义。
  本文实验上采用电子束蒸发法制备一维全介质光子晶体、湿转移方法制备石墨烯薄膜,理论上采用传输矩阵的方法,主要研究了利用一维全介质光子晶体来增强可见光范围内石墨烯薄膜的光吸收。
  论文第二章中,我们主要研究了表面含石墨烯的一维光子晶体的光学特性。较多周期数的一维全介质光子晶体在禁带频段可以作为反射镜,禁带波长范围内的入射光完全反射。将石墨烯薄膜放置于一维光子晶体表面后,在光子禁带范围石墨烯对光的吸收则大大提高。我们在实验上证明了将一、二、三层石墨烯薄膜放置在一维光子晶体表面,整个光子禁带范围的光吸收都被增强。光波垂直入射、TE和TM偏振下斜入射时,石墨烯薄膜的最大光吸收率都提高了大约4倍。并且我们理论研究发现,用本章方法来增强石墨烯光吸收的一维光子晶体必须具有较多的周期数,且与组成光子晶体的介质层的排列顺序有关。
  论文的第三章主要研究了缺陷中心含石墨烯的一维光子晶体的光学特性。周期排列的完整的光子晶体中插入缺陷层后,光子晶体禁带中会产生缺陷模。当缺陷层为较低折射率的材料时,在缺陷处电场强烈局域;缺陷层具有较高的折射率时,缺陷模处的电场强度几乎为零。我们研究发现将石墨烯薄膜插入在较低的折射率材料构成的缺陷层处时,可以大大提高其光吸收,若将石墨烯薄膜插入在较高折射率介质形成的缺陷层处时,则石墨烯的光吸收减小到几乎为零。这里我们考虑了完全对称和非对称光子晶体两种不同光子晶体结构。
  第四章我们主要从理论上研究了利用棱镜激发布洛赫表面波来实现单层石墨烯薄膜的完美光吸收。被棱镜激发的布洛赫表面波沿着空气与截断的一维全介质光子晶体组成的界面传播,是一种表面局域模式。我们研究发现将石墨烯薄膜置于截断的一维光子晶体表面,布洛赫表面波则可在石墨烯薄膜中传播,此时石墨烯层中的电磁场强烈局域。理论研究表明,在TE和TM两种偏振状态下的特定入射角度,利用激发的布洛赫表面波都可以实现单层石墨烯薄膜在激发波长下的完美光吸收。
[硕士论文] 杜蕾
凝聚态物理 山东大学 2017(学位年度)
摘要:光子晶体是近年来发展迅速的一项纳米光学技术。利用光子晶体的优良特性可制作超棱镜、高效发光二极管、无阈值激光器、传感器、数据存储器等器件。近几年,能够完全吸收光波的光子器件应用广泛,目前可以实现光波增强的吸收机制主要有:表面等离子激元共振、光学Tamm态、F-P腔共振等。其中,表面等离子激元共振的原理是使光波局域在金属与介质交界面处,在界面处有明显的场增强。曾有人利用金属纳米颗粒激发出表面等离子激元共振实现了对光波的增强吸收,大大提高了其光电转换效率。光学Tamm态的原理则是由于金属中自由电子与光子相互作用,电磁场被局域在金属-介质分界面处。由于电磁场的高度局域,它在极化激元激光器、非线性光学器件等方面有潜在的应用价值。除此之外,F-P腔共振以及光学Tamm态的混合模式也可通过场局域进而实现增强吸收。我们利用F-P腔共振、光学Tamm态和表面等离子激元共振等机制来实现增强吸收,并基于此原理开展了一些增强吸收的研究。
  在文章第二部分,我们主要研究含金属的三明治结构在可见光范围实现多通道增强吸收。文中设计的三明治结构,由一个金属薄膜和一个光子晶体异质结构中间插入一个对称的光子晶体,发现可以在可见光范围实现多通道增强吸收,并且这种吸收器具有良好的单向性。我们调整吸收器的周期数,就可以实现从单重至多重通道增强吸收。通过分析电磁场的分布,我们发现,近完全吸收的物理机制主要来源于F-P腔共振、光学Tamm态或者是两者的共同作用。此外,我们还研究了吸收器的其他特性。光子晶体异质结构不仅可以替代金属材料作为高性能的反射镜来使用,减少了能量损耗,还可以选择禁带范围,使共振频率可调。改变金属薄膜的厚度、偏振态和入射角度会影响吸收频率和吸收率。
  在文章第三部分,我们主要研究在红外区域含透明导电薄膜光子晶体的增强吸收。含金属的光子晶体可激发出表面等离子激元共振和光学Tamm态,但由于金属损耗比较大,我们尝试使用透明导电薄膜ITO、GZO、AZO替换金属薄膜。首先,在可见光范围用包络线法计算出单层ITO、GZO、AZO薄膜的厚度,在近红外根据Drude模型分别拟合出ITO、GZO、AZO薄膜的介电常数。然后,分别设计了Kretschmann结构:Prism-SiO2-ITO,Prism-SiO2-GZO以及Prism-SiO2-AZO,结果证明,在红外范围内,当光波以一定角度入射,在TM偏振态下就可以实现近完全吸收。分析电磁场分布,发现在界面处磁场最强,说明含透明导电薄膜光子晶体可以激发出SPPs,实现增强吸收。最后,我们设计了结构:ITO-光子晶体、GZO-光子晶体以及AZO-光子晶体。证明,当光波正入射时,在红外范围内TE、TM偏振态下都可以实现近完全吸收。分析电磁场分布,发现是由于光学Tamm态作用的结果。证明了透明导电薄膜具有类金属的特性,在某一条件下也可以激发出SPPs和光学Tamm态。
[硕士论文] 何爱国
材料加工工程 西安工业大学 2017(学位年度)
摘要:Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3[PSN-PMN-PT]铁电单晶具有优异的铁电、压电、热释电及电致应变特性,近年来受到科研人员的极大关注。然而弱的光学性能极大限制了晶体在彩色显示器、光学数据存储器、短波长激光器等光学元器件和光-电耦合器件中的应用。本文引入稀土离子Er3+、Ho3+和Yb3+,利用晶体场作用下稀土离子的发光来使晶体获得一定的光学性能,同时研究稀土离子对晶体结构和电学性能的影响,以及分析晶体生长过程中可能存在的生长机制。
  本研究主要内容包括:⑴采用高温溶液法成功生长了纯PSN-PMN-PT和稀土离子(Er3+、Ho3+、Er3+/Yb3+和Ho3+/Yb3+)掺杂的PSN-PMN-PT晶体。XRD测试结果表明:所生长的晶体均为纯的钙钛矿相结构,稀土离子进入晶体后没有形成任何杂相,但使晶格产生一定程度的畸变。SEM分析揭示了晶体典型的层状生长机制,在Ho3+掺杂体系中观察到了“搭桥式”生长的存在。⑵电学性能测试结果表明三元PSN-PMN-PT具有更高的铁电-顺电相变温度(TF-P~169℃),克服了二元PMN-PT低相变温度(TF-P~150℃)的不足;Ho3+/Yb3+离子的掺入使晶体的介电常数由2389增加到3180,损耗减小了0.7%;Er3+掺杂体系晶体沿最优方向压电常数的最小值为1740pC/N。⑶稀土离子的掺入,诱导晶体在可见-近红外波段具有了光吸收性能。在波长980nm激光激发下,晶体实现了由近红外到绿光和红光的上转换发射。Yb3+的加入,使Er3+、Ho3+掺杂体系的上转换发光强度分别增加了一个和三个数量级,同时使Er3+、Ho3+掺杂晶体的最大吸收峰(654nm和643nm)对应的吸收截面分别由9.82×10-21cm2和7.067×10-21cm2增加到1.17×10-20cm2和1.13×10-20cm2。此外, Yb3+的加入使 Er3+掺杂晶体的最强发射带(4S3/2?4I15/2)对应的平均荧光寿命由53.05μs增加到98.07μs,量子产率由0.0048%增加到0.015%。这些结果为开发弛豫铁电晶体的光学性能提供了一种行之有效的路径,为今后该类材料光学特性及光电耦合特性的深入研究提供了实验支撑。
[硕士论文] 杨婷婷
化学;无机化学 安徽大学 2017(学位年度)
摘要:光电化学水解产氢是决当前能源与环境问题的理想技术之一,广受国内外学者关注。一个完整的光电化学水解产氢过程包括以下三个步骤:光能捕获、光生电荷产生与转移、电极界面处的氧化还原反应。反蛋白石结构的光子晶体一方面可以由于光子在其内部发生的多重折射和衍射增强了基体对光子的捕获,另一方面由于较短的载流子传输路径,提升了光生电子和空穴的分离效率。因此,光子晶体是一种理想的光电化学水解产氢的纳米结构。ZnO由于环境友好、形貌可控、资源丰富,被认为是合适的光电化学水解产氢的半导体材料。但ZnO较宽的禁带宽度(3.2 eV),限制了其在光电化学水解产氢方面的进一步应用。本论文通过界面结构设计调控ZnO基光子晶体的光电化学活性,提高光子捕获效率及载流子分离效率,具体研究结果有如下:
  1.利用层层自组装的方法制备了三维有序堆积的聚苯乙烯(PolystyreneSphere,PS)微球薄膜,以此为模板浸入氧化锌前驱体溶液,通过高温煅烧除去PS微球得到ZnO光子晶体。之后浸入铁盐的前驱体溶液,利用高温条件下的固相反应原位合成三维多孔结构ZnO/ZnFe2O4光子晶体。分析了不同浸入次数对光子晶体形貌和性质的影响,探索了最佳性能参数。利用固相转化反应制备的复合光子晶体界面电阻较小,光生载流子的迁移速率快,ZnO和ZnFe2O4能带结构匹配,提高了光生电子与空穴的分离效率。复合光子晶体展示出优异的光电转换效率,在偏压为0.38V无助催化剂存在的条件下高达0.81%几乎是纯的氧化锌的6倍。制备的光电极光稳定性很好,经过十个小时的持续光照光电流还保持了95.1%(在相同条件下衰减了89%)。展示出了良好的光电催化性能和优异的稳定性。通过DFT理论计算和电化学性能分析,很好的佐证了较快的载流子动力学促进了ZnO/ZnFe2O4反蛋白石结构光电极性能的提升。
  2.以ZnO光子晶体为前驱体,通过阴阳离子交换的方法原位制备了全光谱响应的ZnO/CdSe复合光子晶体。这种三维多孔结构的复合光子晶体对光子的捕获从紫外区拓宽到了近红外区,低的界面电阻提高了光生载流子的转移与分离。在波长小于400nm光的辐射下,ZnO/CdSe复合光子晶体光电流可高达17.5 mA cm-2,并且样品展现了令人满意的光稳定性。ZnO/CdSe复合光子晶体的产氢速率为148μmol cm-2h-1,法拉第效率高达95%以上。相较于在相似条件下文献中报道的结果,我们制备的三维多孔结构的ZnO/CdSe复合光子晶体体现了优异的竞争力。这为制备可实际应用的高活性和稳定性的光电极提供了新的思路。
[硕士论文] 鲁万成
材料物理与化学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:Nd∶YAG晶体是当前应用最广泛的激光工作物质,是高功率固体激光的首选激光工作介质,其有着高效率、低阈值、热学和机械性能优良等优点。但Nd3+离子在YAG中的有效分凝系数仅为0.2,在制备大体积高均匀性激光工作物质时成为重要的制约因素;同时该晶体的抗辐射性能也很差,影响了其在空间激光中的应用,另外Nd3+离子在高掺杂时会引起激光效率降低,且荧光谱线较窄,难以实现皮秒激光输出。在YAG晶体中通过Sc3+离子部分取代Al3+离子,可提高Nd3+离子的有效分凝系数,缓解高掺杂时的浓度猝灭,且仍能保持优良的激光性能。因此,本文以Nd∶YSAG晶体为研究对象,研究了它的晶体生长工艺,检测了晶体质量,测定了它的分凝系数及晶体结构,研究了它在γ射线辐照前后的光谱和激光特性,主要结果如下:1)初步获得了Nd∶YSAG晶体的生长工艺,制备了(φ)30mm×60mm的(1.55at.%)Nd∶YSAG晶体,X射线摇摆曲线半高全宽0.05°,结晶完整性较好;Nd3+离子在YSAG中的有效分凝系数为0.35,较在YAG中的0.2更有利于生长高均匀性大尺寸激光晶体。
  2)用Rietveld精修方法给出了Nd∶YSAG的结构数据。Nd∶YSAG属空间群Ia(3)d,晶格参数a=12.2582(A),Nd和Y占据Wyckoff位置24c,Sc、Al、O原子分别占据Wyckoff位置16a、24d、96h,O原子分数坐标为(0.0302,0.0512,0.6564)。
  3)研究了Nd∶YSAG晶体吸收和发光性能,Nd∶YSAG在808.9nm吸收最强,吸收截面为1.176×10-19cm2,FWHM为2.8nm;它的跃迁强度参数Ω2、Ω4、Ω6=0.314×10-20cm2、3.78×10-20cm2、4.27×10-20cm2,来自于4F3/2→4I11/2、4I9/2的最强发射峰为1059nm、942.6nm,发射截面分别为1.1×10-19cm2、2.21×10-20cm2,比相应的Nd∶YAG的跃迁在1064nm、946nm的发射截面0.98×10-19cm2、2.07×10-20cm2略高,表明Nd∶YSAG具有和Nd∶YAG相当或略好的激光性能。
  4)通过LD泵浦,在2mm×2mm×6mm的(1.55at.%)Nd∶YSAG晶体中实现了激光输出,激光阈值为0.85W,斜效率为21.1%,获得了最高1.1W的激光输出。
  5)在10Mradγ射线辐照后,Nd∶YSAG在900nm~1500nm波段产生的额外吸收损耗非常小,约为10-2cm-1数量级,在808nmLD泵浦光处产生的额外吸收损耗约为0.15cm-1,4F3/2能级寿命由辐照前的233μs变为225μs,辐照前的激光输出斜效率为18.6%,辐照后激光输出斜效率为18.0%。在这一辐照剂量下,Nd∶YSAG的激光输出的稳定性优于Nd∶YAG。
  结果表明Nd∶YSAG的激光性能和Nd∶YAG相近,但更大的有效分凝系数更有利于制备高均匀性大尺寸激光晶体元件,同时在10Mrad的γ射线辐照后激光性能稳定,初步表明该晶体具有一定的抗辐照性能。
[硕士论文] 李政阳
力学 北京交通大学 2017(学位年度)
摘要:在急速传热的系统中,由于时间尺度或空间尺度及其微小,这使得傅里叶导热定律在这些极端条件下不在适用。且傅里叶导热定律暗含的假设是热量传播的速度是无穷大。因此,为了解决上述问题,Cattaneo和Vernotte对傅里叶导热定律进行了修正提出了非傅里叶导热的单相弛豫模型(Cattaneo-Vernotte模型,CV模型)。CV模型的引入,使得传统的温度扩散方程转化为一个双曲的波动方程,即热波波动方程。CV模型暗含的假设为热流产生的温度梯度的传播速度为无穷大,这显然不符合实际,为了解决这一问题,Tzou于1995年提出了双相弛豫模型(Dual Phase Lag模型,DPL模型)。
  若热量是以波的形式传播,就不得不提在经典波(电磁波、弹性波、声波、格波等)领域,抑或是非经典波领域(de Broglie波)领域,一个极端重要而又极具挑战性的问题,波的调控。借助于光子晶体、声子晶体的研究,本文从波的调控角度入手,提出一种可以调控热量传播行为的人工周期结构-热波晶体。分别基于CV和DPL模型,利用传递矩阵法、时域有限差分方法研究一维热波晶体中的非傅里叶导热问题。计算了热波在其中传播时的频散曲线,初步探讨了热波晶体控制热量传播行为的机理,并分析了结构参数、材料参数对热波能带结构的影响。为了能够将理论结果应用于实际,本文将实际生活中常见的界面热阻引入热波晶体,并分析了其影响。主要的研究结果表明:
  1、影响带隙的结构参数和材料参数为填充率、无量纲长度、导热率比、体积热比、弛豫时间比。其中,导热率比和弛豫时间比为控制带隙产生的主要参数,两者为一定值时带隙接近消失。除无量纲长度结构外,其他的参数和材料均能影响带隙内热波的衰减速度,其中对衰减速度最大的为弛豫时间比、体积热比。
  2、用以表示结构尺寸和声子自由程的无量纲长度和导热率比成为控制带隙频率范围高低的主要因素,其中如果无量纲长度过大即结构尺寸远远大于声子自由程时,带隙被淹没。
  3、界面热阻会使热波衰减更快,且令CV模型和DPL模型频散曲线趋近一致。基于傅里叶定律的热阻会在低频率处增加一条带隙。
[硕士论文] 李鑫
化学 浙江理工大学 2017(学位年度)
摘要:盘状液晶分子因为柔性侧链和平面对称结构的刚性核共同作用而展现出液晶性能。但是柔性侧链过多或过长、刚性中心核不规则、乃至分子是多聚体或高分子等原因都影响了盘状液晶分子的自组装性能。通过掺杂其他分子进行诱导可以改善分子的自组装性能,例如通过掺杂富电子的2,4,7-三硝基芴酮(TNF)与盘状液晶形成电荷转移复合物就是一种常见的方法。以往在研究烷氧基苯并菲(HAT)与TNF复合的工作中,关于两者的作用模式存在争议。Boden等人认为TNF是以ABABAB型掺杂在HAT分子之间的;而Mulder等人则认为TNF只是分布在由HAT分子堆叠的柱状组装体之间。
  本研究主要内容包括:⑴HAT5是典型的盘状液晶分子,可自组装成六方柱状相。通过添加TNF分子形成电子给体-受体复合物后,HAT5液晶相温度区间由原来的70℃-115℃扩宽到0℃-250℃,极大改善了其液晶的稳定性。X-小角散射实验发现,随着TNF掺杂浓度的增加,HAT5组装结构中的六方晶胞参数在减小,而两个柱状组装体之间的距离仍然是一个定值(0.34 nm)。这表明TNF分子并不是分布在HAT5堆叠的柱状组装体之间的位置,而是通过电荷转移作用位于两个HAT5分子之间,形成了ABABAB...型结构。显微镜测试结果也佐证了这一点,并得出二者的最佳复合比是2∶3(HAT5∶ TNF),当二者比例达到1∶1时,TNF达到饱和状态。⑵设计合成了两种新型苯并菲四聚体衍生物,分别是以柱[5]芳烃为中心体的苯并菲四聚体(4HAT-P5A)和以四苯乙烯为中心体的苯并菲四聚体(4HAT5-TPE)。通过核磁共振和可见-紫外光谱测试表明,两种苯并菲四聚体分别与TNF分子形成了电子给体-受体络合物。通过核磁滴定研究了主客体之间的络合比和络合常数,发现溶液中两种络合物主客体的络合比均为1∶2,络合常数4HTA-P5A与TNF的Ka=0.215×104M-1,4HTA-TPE与TNF的K=8.807×104 M-1。进一步我们研究了两种苯并菲四聚体的液晶性质以及TNF掺杂后的诱导作用。结果发现,单独的苯并菲四聚体4HTA-P5A或4HTA-TPE均不能形成液晶态;在加入TNF诱导后,4HTA-P5A仍然没有液晶性质,而4HTA-TPE则表现出液晶性质,从常温到107℃出现柱状相液晶态。通过4HTA-TPE和TNF的二组分相图,得出了固态下二个化合物最佳的复合比例为1∶3,这与HAT5和TNF最佳复合比是2∶3是吻合的。这些研究工作扩展了苯并菲低聚物的研究领域,并有助于更深入了解电荷转移复合物的液晶行为,便于更好的设计和制备性能优良的液晶材料。
[硕士论文] 赵敏
光学 山东大学 2017(学位年度)
摘要:光折变空间孤子具有在低功率、短时间内形成且能稳定传播的特性,在光纤通信、光波导等方面也存在着较大的应用价值,因而其一直是科研人员研究的热门课题。本文将在实验中平移中心对称光折变晶体钽铌酸钾使其产生空间光孤子,并对此在理论上进行分析。鉴于此,本文的主要工作如下:
  首先,综述了光折变空间孤子的相关研究,重点介绍了国内外关于中心对称光折变晶体中空间光孤子的研究进展。
  其次,简述了钽铌酸钾晶体的结构特点、物理性质及其相关应用。钽铌酸钾晶体在室温下具有较强的二次电光效应;晶体加压后会由光学各向同性体变为各向异性体,折射率椭球由一个球体变成椭球体。据此,推导了不同轴向偏压的立方相钽铌酸钾折射率变化△n的表达式和晶体光轴的变化;重点分析了b轴偏压下晶体折射率变化及折射率椭球方程的数学表达式,分析了施加电场前后晶体折射率曲面、晶体折射率椭球方程的变化情况。
  再次,通过在偏压条件下相对平移晶体的方式,增强了晶体的光折变效应,实验研究了钽铌酸钾晶体中空间光孤子的传播特性。
  (1)观测了外电场条件对对光束传播形态的影响,实验结果表明:当只给晶体施加电压时,光束会出现短暂的自聚焦现象,随后便义恢复到自散焦状态;当给晶体施加不同的电压时,光束的自聚焦程度会随着电压值的不断增加而加强。
  (2)采用控制变量法进行了外电场、平移两个外势场下的对比实验,结果表明:只有在外电场作用下进行实验,才有可能通过平移的方法使晶体中形成稳定的空间光孤子。
  (3)观测了平移条件对晶体内光束传播形态的影响,实验结果表明:外电场作用下,移动晶体可以使晶体内光束发生自聚焦现象并有自陷成亮空间孤子的趋势;晶体移动的速度越大,光束的自聚焦效应越明显;从外形上看,伴随着移动速度的增加,晶体内光束会逐渐变细。若晶体在特定的速度下平移,改变给其施加的电压值,光束的传播行为也会发生相类似的变化效果。
  最后,根据文献及相关理论分析,修正了平移机制下中心对称光折变晶体中的空间电荷场理论模型。利用模型,理论上分析了晶体平移导致空间光孤子现象形成的原因;数值求解了新模型理论下光束传播的波动方程;模拟了光束在不同平移速度下的传播行为及其演化过程。
[硕士论文] 尚娟娟
光学 山东大学 2017(学位年度)
摘要:光折变晶体因具有优良的电光性能而被广泛地应用于光电子技术领域。改善和提高晶体材料的光折变性能有利于提高其潜在的应用价值。多年来,人们在改善和提高晶体材料光折变性能方面做了大量工作,如对晶体掺杂、施加外电场、改变背景光强度、改变温度及对晶体进行相对平移操作等。但是,有关频率不同但沿相同的传播轨迹导入晶体的多束光对晶体光折变性能影响的研究基本没有。基于此,本文主要在无偏压条件下,研究当频率不同但传播轨迹相同的多束光导入晶体时,其对晶体光折变性能的影响。
  主要研究内容如下:
  1.综述了改善和提高晶体材料光折变性能的研究进展。改善晶体材料光折变性能的方法有很多,如向晶体中掺入光折变敏感杂质能提高晶体光折变性能;对晶体施加外电场使晶体内部形成非均匀屏蔽,可以改变晶体形成的空间电荷场;对晶体施加背景光并改变背景光强度可改变晶体中迁移载流子的密度,影响晶体中形成的空问电荷场,进而影响晶体光折变性能;改变环境温度可影响晶体内部载流子的迁移速度,进而影响晶体中形成的空间电荷场;晶体被相对平移是在晶体内引入了附加场,改变了晶体中空间电荷场的分布。
  2.在无偏压条件下,实验研究了当掺铁铌酸锂晶体中存在频率不同但传播轨迹相同的双光束时,其光折变性能的变化。根据实验要求,合理搭建了实验平台,并在实验中,保持信号光(目标光束即研究对象)的光强不变。首先,通入信号光,当晶体的折射率变化达到饱和时,信号光束呈自散焦状态。其次,沿相同的传播轨迹导入另一束光(在文中被称为辅助光,并通过斩波器控制其脉冲频率),信号光束由自散焦向自聚焦转变。然后,分别改变辅助光的脉冲频率、光强进行对比实验,发现脉冲频率或光强越大,信号光束的自聚焦程度越大。最后,移去辅助光,信号光恢复到自散焦状态。实验研究表明:当掺铁铌酸锂晶体中存在频率不同但传播轨迹相同的双光束时,晶体的光折变性能发生改变。
  3.理论探讨并通过数值法模拟了频率不同但传播轨迹相同的多束光对晶体中光束传播特性的影响。理论研究了等效附加场、等效暗辐射对晶体中空间电荷场的影响,并尝试对空间电荷场的表达式进行了推导。修正了非线性波动方程,确定了相关参数,并对其数值求解。通过数值法模拟了在双光束耦合条件下,掺铁铌酸锂晶体中信号光束的传播特性。理论分析及数值模拟的结果进一步佐证了实验结果。
[博士论文] 鲁仲杰
计算数学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:本文主要研究与光子晶体有关的微分算子谱的逼近理论与应用。
  光子晶体是具有折射率的材料在空间中周期排布形成的结构。在适当的材料特性和晶体的几何形状的条件下,某些频率的光是不能在里面传播的,而且反射率可达百分之百,而其他电磁波可以几乎无损耗地传播,这一特性可以用来控制电磁波的传播和辐射。Maxwell方程可以用来描述电磁波在其中传播时的行为,而且模型精确性很高,其模拟结果和实验观测相差较小,是研究光子晶体电磁特性的一种重要途径。
  首先,我们分析了带周期系数的Maxwell方程的间断有限元离散。全空间中的Maxwell算子的谱是连续的,无法通过数值计算来逼近。通过Bloch/Floquet理论,将R3中的带周期系数的Maxwell算子转化为具有周期边界的问题,这样就可以采用修正的Nédélec基函数来构造间断有限元格式进行数值逼近。我们证明了混合间断有限元格式的收敛性。然而,这种收敛只是点点收敛,而对于有界算子,数值特征值的正确收敛与其数值算子的一致收敛是充要条件。为此,我们分析数值解空间的离散紧性,证明了该数值算子是一列相对紧算子,继而证明了其收敛是一致收敛。我们还证明了数值特征值的收敛速度是基函数次数与解的正则性最小值的两倍,该结果在二维和三维的数值例子上得到了验证。最后我们应用这些方法计算了几种常见的光子晶体模型的能带结构。
  当光子晶体的材料性质为非线性时,会导出非线性特征值问题。我们主要研究了Drude模型和Lorentz模型等有理型非线性模型所产生的多项式特征值问题。我们将多项式特征值问题处理成与其具有相同谱的线性化算子来分析。而线性化算子通常不是有界算子,不能再用范数来描述其数值算子的收敛性。为此我们引入gap作为衡量算子间距离的工具,将紧算子或有界算子谱的逼近理论推广到了一般的线性算子,然后应用其构造了多项式特征值问题的逼近理论。我们研究了多项式特征值问题中的本质谱,证明了本质谱在相对紧摄动下的稳定性。对于用具有有理型非线性介电常数的材料制成的晶体,即使其几何形状不同,其本质谱保持不变。这样我们通过分析就能精确地知道其本质谱的位置。在数值计算相应的离散形式的多项式矩阵特征值问题时,可以避开本质谱附近聚集了大量数值特征值的小区域,从而只需要计算一小部分数值特征值,就能知道谱的分布情况。计算量的降低使计算机可以相对容易地处理大型离散的多项式特征值问题,从而允许网格进一步细化,提高数值特征值的精度。
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