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Vol. 69, No. 18 (2020)

2020年09月20日
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 专题: 低维材料非线性光学与器件
专题
气体、等离子体和放电物理 凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
基于结构反转二维光子晶体的拓扑相变及拓扑边界态的构建
方云团, 王张鑫, 范尔盼, 李小雪, 王洪金
2020, 69 (18): 184101. doi: 10.7498/aps.69.20200415
摘要 +
构建了二维六角蜂窝晶格的两种结构, 让散射体和基体材料反转. 由于特有的点群对称, 该晶格在布里渊区中心具有类比电子体系的p轨道和d轨道. 在散射体和基体反转的两种结构中, p轨道和d轨道也直接实现了反转. 定量分析了产生轨道反转的原因来自于低频局域共振产生空气带和介质带的反转. 通过p轨道和d轨道的宇称特性, 构建了类比电子体系量子自旋霍尔效应的赝自旋态. 通过Γ点处有效哈密顿量的分析, 揭示轨道反转导致的拓扑相变. 通过结构的优化, 构建了基于赝自旋的拓扑边界态. 电磁波仿真模拟和能流矢量分析证明了结构具有电子体系量子自旋霍尔效应的特性, 即自旋与传播方向锁定和拓扑保护. 结果也证明经典波量子自旋霍尔效应的实现可以不经历带隙关闭的过程. 与同类型的研究相比较, 本文的结构不需要晶格的缩放, 具有设计简单、带隙宽和边界态局域性较强的特点.
暗态多极赝局域等离子模式的太赫兹涡旋光激发
葛一凡, 吴毅萍, 臧小飞, 袁英豪, 陈麟
2020, 69 (18): 184203. doi: 10.7498/aps.69.20200695
摘要 +
理论分析和实验验证了太赫兹涡旋光与带有周期性亚波长金属褶皱圆盘中暗态多极赝局域等离子模式的相互作用. 研究结果表明, 携带不同轨道角动量和自旋角动量的太赫兹涡旋光可以决定最终激发出的太赫兹暗态多极等离子模式, 此结果和光频段的理论分析一致. 利用太赫兹近场扫描方法对涡旋光的自旋和轨道角动量与暗态多极等离子模式的对应关系进行了实验论证, 实验结果与理论仿真符合较好. 研究成果将对太赫兹物理、等离子体以及成像领域研究起到一定的促进作用.
用于光学薛定谔猫态制备的滤波设计与滤波腔腔长测量
翟泽辉, 郝温静, 刘建丽, 段西亚
2020, 69 (18): 184204. doi: 10.7498/aps.69.20200589
摘要 +
$ {l_{{\rm{FC}}}}$应满足条件$ 189 \;{\text{μm}}> {l_{{\rm{FC}}}} > 119\;{\text{μm}}$, 如此短的腔长用常规方法难以较准确地测量. 利用高阶横模的古依相移测得腔长为$ 141 \;{\text{μm}}$, 满足设计要求. 该测量方法不依赖于腔内任何介质的色散等特性, 具有一定的普遍性.">光学薛定谔猫态不仅是量子力学基本问题的主要研究对象之一, 也是连续变量量子信息的重要资源. 在其实验制备中, 对触发光路进行滤波操作是决定猫态的纯度、产率等重要参数的关键环节. 本文介绍实验中的滤波设计以及滤波腔腔长的测量方法. 依据设计要求, 腔长$ {l_{{\rm{FC}}}}$应满足条件$ 189 \;{\text{μm}}> {l_{{\rm{FC}}}} > 119\;{\text{μm}}$, 如此短的腔长用常规方法难以较准确地测量. 利用高阶横模的古依相移测得腔长为$ 141 \;{\text{μm}}$, 满足设计要求. 该测量方法不依赖于腔内任何介质的色散等特性, 具有一定的普遍性.
耦合光学微腔的频率调谐过程分析
徐昕, 金雪莹, 高浩然, 程杰, 陆洋, 陈东, 于连栋
2020, 69 (18): 184207. doi: 10.7498/aps.69.20200530
摘要 +
不同的频率失谐会在耦合光学微腔激发出不同的工作模式. 以两个耦合光场的非线性薛定谔方程为理论模型, 分别研究了失谐参量正调谐和负调谐过程中微腔内光场的变化. 理论分析结果表明, 在正失谐区域中, 腔内光场可由多脉冲形式演变为亮孤子, 但亮孤子存在范围较小, 当失谐参量过大时, 腔内光场会演化为直流分布. 在负失谐区域, 腔内可以形成较高功率“图灵环”形式的光场. 当耦合微腔没有发生频率失谐, 或者失谐参量接近0时, 腔内只能形成混沌形式的光场分布. 当耦合微腔内激发出光孤子后, 通过选取合适的失谐参量和抽运功率, 可在腔内维持稳定的亮孤子. 此外还可通过继续调谐第一个微腔的失谐参量, 将亮孤子转变为低功率的“图灵环”. 理论分析结果对耦合微腔的实验研究具有重要意义.
530 W全光纤结构连续掺铥光纤激光器
刘茵紫, 邢颍滨, 廖雷, 王一礴, 彭景刚, 李海清, 戴能利, 李进延
2020, 69 (18): 184209. doi: 10.7498/aps.69.20200466
摘要 +
采用改进的化学气相沉积工艺结合溶液掺杂法制备了掺Tm3+石英光纤预制棒, 并拉制成纤芯/包层尺寸约为25/400 μm的双包层掺Tm3+光纤, 通过电子探针显微分析测得其中Tm2O3和Al2O3的浓度分别为2.6 wt%和1.01 wt%, 在793 nm处测得的包层吸收为3 dB/m. 基于上述大模场掺Tm3+光纤, 搭建了一个高功率全光纤主振荡功率放大结构的掺Tm3+光纤激光器, 窄线宽掺Tm3+种子源经过一级放大后, 最高输出功率达到530 W, 对应的斜率效率为50%, 输出激光的中心波长为1980.89 nm. 实验中没有观察到明显的放大自发辐射和非线性效应, 输出功率仅受限于抽运功率. 该结果为目前国内2 μm波段全光纤结构激光器实现的最高输出功率, 验证了国产掺Tm3+石英光纤在高功率系统中的可靠性.
构建垂直金纳米棒阵列增强NaYF4:Yb3+/Er3+纳米晶体的上转换发光
高伟, 王博扬, 韩庆艳, 韩珊珊, 程小同, 张晨雪, 孙泽煜, 刘琳, 严学文, 王勇凯, 董军
2020, 69 (18): 184213. doi: 10.7498/aps.69.20200575
摘要 +
以金纳米棒垂直阵列(gold-nanorods vertical array, GVA)为衬底, SiO2为隔离层, 构建GVA@SiO2@NaYF4:Yb3+/Er3+纳米复合结构. 在近红外980 nm激发下, 通过改变中间隔离层SiO2的厚度, 研究GVA对NaYF4:Yb3+/Er3+纳米晶体上转换发光的调控规律. 实验结果表明, 当SiO2层的厚度增大至8 nm时, Er3+离子整体的上转换发射强度增大近8.8倍, 且红光强度增强尤为明显, 约为16.2倍. 为了进一步证实GVA对Er3+离子红光发射的增强效果, 以红光发射为主的NaYF4:40%Yb3+/2%Er3+纳米晶体为对象展开研究, 发现Er3+离子红绿比由1.84增加到2.08, 证实该复合结构更有利于提高红光的发射强度. 通过对其光谱特性、发光动力学过程的研究并结合其理论模拟, 证实了上转换发光的增强是由激发与发射增强共同作用, 而激发增强占据主导地位. 采用该套复合体结构实现上转换荧光发射的增强, 不仅有效地利用了贵金属的等离激元共振特性, 而且对深入理解等离激元增强上转换发光的物理机理提供理论依据.
可实现宽频带光波非对称传输的自准直效应光子晶体异质结构
费宏明, 严帅, 徐瑜成, 林瀚, 武敏, 杨毅彪, 陈智辉, 田媛, 张娅敏
2020, 69 (18): 184214. doi: 10.7498/aps.69.20200538
摘要 +
利用光子晶体的自准直效应和能带特性, 设计了一种能实现宽频带光波非对称传输的二维光子晶体异质结构. 该结构实现宽频带、高正向透射、非偏振选择的非对称传输. 横电(transverse electric, TE)偏振光非对称传输波长带宽可达532 nm, 在光通信波长1550 nm处正向透射率和透射对比度分别可达0.693和0.946; 横磁(transverse magnetic, TM)偏振光非对称传输波长带宽为128 nm, 在光通信波长1550 nm处正向透射率和透射对比度分别可达0.513和0.972; 通过进一步优化异质结界面, 在TE偏振光下非对称传输波长带宽可达562 nm.
超声悬浮甲醇液滴的热诱导雾化现象
魏衍举, 张洁, 邓胜才, 张亚杰, 杨亚晶, 刘圣华, 陈昊
2020, 69 (18): 184702. doi: 10.7498/aps.69.20200562
摘要 +
采用外部高温气体加热的方式研究了超声悬浮甲醇液滴的声致破碎雾化现象, 利用高速摄像手段记录并实验研究了不同直径液滴不同的破碎雾化特性. 结果表明: 超声悬浮液滴在高温气流吹扫后可发生边缘喷射雾化现象. 破碎方式包含边缘溅射、液膜割裂和法向溅射三类. 直径D0较小的液滴直接从赤道面开始边缘溅射直至完全雾化; 等效直径D0 > 2.8 mm的液滴, 在产生边缘溅射后, 剩余液核弯曲形成液膜, 其表面产生法拉第波, 使得液膜割裂破碎; 而D0 > 3.2 mm的液滴, 在变形过程中逐渐形成“碗状”空腔, 并在其底部的法向方向产生溅射, 同时开始液膜割裂的离散化解体过程并伴随着边缘溅射, 直至完全雾化. 这种声致液滴雾化现象丰富了多物理场耦合作用下的流体理论, 可为相关应用研究提供新思路.
声波激励下管路轴向分布双气泡动力学特性分析
李想, 陈勇, 封皓, 綦磊
2020, 69 (18): 184703. doi: 10.7498/aps.69.20200546
摘要 +
针对基于声学理论的管道气泡检测技术面临的声波作用下的气泡相互作用机理问题, 本文基于自由气泡Rayleigh-Plesset模型, 通过引入次Bjerknes辐射力, 构建能够考虑管道轴向气泡分布的可压缩性双气泡动力学模型. 利用四阶龙格库塔方法开展数值计算, 对比分析了不同激励声波频率与幅度作用下自由气泡与双气泡模型引起的气泡动力学特征的区别. 同时对比了液体可压缩与不可压缩假设引起的气泡动力幅频响应的区别, 表明可压缩假设下的次Bjerknes辐射力引起气泡发生受迫振动, 不改变气泡的线性共振特征; 而不可压缩假设引起气泡间发生强耦合, 从而改变气泡系统的线性共振特征. 气泡距离直接影响次Bjerknes辐射力大小, 导致气泡动力学趋向于非线性振动, 与线性振动的频谱特征差别明显. 气泡轴向位置的变化引起外界激励声波的变化, 从而改变气泡的初始振动特征. 初始特征的差异与次Bjerknes辐射力发生耦合作用, 影响气泡动力学特征, 甚至发生非线性振动. 研究表明, 小气泡在共振的情况下, 与次Bjerknes辐射力发生耦合作用, 使得双气泡系统更容易趋向于非线性特征; 而大气泡则能够较好地保持线性共振状态.
专题: 低维材料非线性光学与器件
基于铋纳米片可饱和吸收被动调Q中红外单晶光纤激光器
郝倩倩, 宗梦雨, 张振, 黄浩, 张峰, 刘杰, 刘丹华, 苏良碧, 张晗
2020, 69 (18): 184205. doi: 10.7498/aps.69.20200337
摘要 +
铋纳米片作为一种新型二维材料, 具有合适的带隙、较高的载流子迁移率和较好的室温稳定性, 加上优异的电学和光学特性, 是实现中红外脉冲激光的有效调制器件. 中红外单晶光纤兼备晶体和光纤的优势, 是实现高功率激光的首选增益介质. 本文采用超声波法成功制备了铋纳米片可饱和吸收体, 并首次将其用于二极管抽运Er:CaF2单晶光纤中红外被动调Q脉冲激光器中. 在吸收抽运功率为1.52 W时, 获得平均输出功率为190 mW的脉冲激光, 最窄脉冲宽度为607 ns, 重复频率为58.51 kHz, 对应的单脉冲能量和峰值功率分别为3.25 μJ和5.35 W. 结果表明, 使用铋纳米片作为可饱和吸收体, 是实现结构紧凑的小型中红外单晶光纤脉冲激光的有效技术途径.
偏振动态可调耗散孤子光纤激光器实验研究
赵畅, 黄千千, 黄梓楠, 戴礼龙, SergeyevSergey, RozhinAleksey, 牟成博
2020, 69 (18): 184218. doi: 10.7498/aps.69.20201305
摘要 +
实验搭建了一台基于碳纳米管的耗散孤子光纤激光器, 研究了耗散孤子的动态偏振特性. 在160 mW的抽运功率下, 得到了稳定的单脉冲耗散孤子. 通过调整腔内的偏振控制器, 得到了庞加莱球上为固定点形式吸引子的偏振锁定矢量耗散孤子. 单向机械调节腔内偏振控制器可以调控偏振锁定吸引子向极限环吸引子的演化, 且实现极限环区域可控. 对比不同偏振吸引子下的偏振度发现, 偏振度的高低和偏振吸引子覆盖区域面积成反比. 因此, 可以通过偏振度的大小定量地判断吸引子是否为偏振锁定. 该工作对于研究新型偏振可调激光器、探索激光器的物理机制具有指导意义.
气体、等离子体和放电物理
飞秒激光引导高压放电下的SF6等离子体时间分辨光谱特性
张云刚, 刘黄韬, 高强, 朱志峰, 李博, 王永达
2020, 69 (18): 185201. doi: 10.7498/aps.69.20200636
摘要 +
SF6作为气体绝缘介质广泛应用于气体绝缘设备中, 其电弧等离子体得到广泛研究, 但对SF6电弧等离子体时间分辨光谱特性的研究还未见报道. 本文在SF6环境中利用飞秒激光自聚焦产生的光丝引导高压放电, 诱导产生SF6等离子体; 利用光谱系统采集300—820 nm波长范围内的SF6等离子体光谱, 对光谱谱线开展了识别和归属研究, S和F谱线主要分布在300—550 nm和600—800 nm波段, 分析认为S和F原子主要由SF6被高能电子碰撞直接或间接产生, S离子由S原子被高能电子撞击产生. 给出了SF6等离子体的时间分辨光谱, 等离子体光谱强度先增大后减弱, 均由带状光谱和分立光谱叠加而成, 带状光谱主要是由轫致辐射和复合辐射共同作用导致, 基于时间分辨光谱得到了部分S和F的荧光寿命. 给出了电子温度和电子密度随时间的演化规律, 二者演化规律基本相同, 且都随延迟时间呈指数衰减. 最后, 利用Mc Whirter准则得到SF6等离子体处于局部热平衡. 研究结果对于开展SF6分解机理和高压设备运行状态在线监测技术研究具有重要意义.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
Mn掺杂Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3单晶微米尺度压电阵列的制备与铁电畴结构研究
王巨杉, 马金鹏, 赵祥永, 陈明珠, 王飞飞, 王涛, 唐艳学, 程玮, 林迪, 罗豪甦
2020, 69 (18): 187701. doi: 10.7498/aps.69.20200544
摘要 +
超声探头是高端医学超声诊疗设备的核心元件, 由弛豫型铁电单晶制备的新型压电器件可显著提高其性能. 由于高阵元密度阵列技术与微机电系统迅速发展, 传统切割填充法刀缝过宽, 难以降低阵元尺寸, 无法提高阵元密度, 更不利于高分辨率及高频率的应用需求. 采用紫外光刻-深反应离子刻蚀工艺的微机械制备方法, 可以降低缝宽、提升阵列密度. 制备了基于新型、高性能弛豫铁电单晶—Mn离子掺杂0.3Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.4Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3 (Mn-PIMNT)的微米尺度压电阵列. 研究了紫外光刻工艺参数、深反应离子刻蚀工艺参数对压电阵列形貌的影响规律, 得到了不同沟道深度与不同压电阵元形状的形成机制以及Mn-PIMNT单晶的刻蚀速率与天线功率、偏置功率及刻蚀气体比例之间的关系规律. 得到压电阵列阵元尺寸小于10 μm, 沟槽深度大于20 μm, 沟槽宽度小于5 μm, 侧壁角度高于87°. 通过压电力显微镜研究了微米尺度压电阵元的铁电畴结构及电场效应调控. 与传统切割填充法相比, 本文的加工方法不存在刀缝过宽, 可确保单晶晶向, 促进了高频率压电单晶复合材料、高密度超声换能器阵列以及新型压电微机械系统的发展.