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超紧凑型飞秒电子衍射仪的设计
罗端, 惠丹丹, 温文龙, 李立立, 辛丽伟, 钟梓源, 吉超, 陈萍, 何凯, 王兴, 田进寿
2020, 69 (5): 052901.
摘要 +
由于空间电荷效应的限制, 产生百飞秒的极短电子脉冲是超快电子衍射技术的一大难点. 同时, 电子的穿透深度随着电子能量的增加而增加, 而电子的散射几率却具有相反的规律. 因而, 除了时间分辨的提升, 还需要可宽范围调节的电子能量以优化不同厚度样品对其的需求. 基于此, 提出并设计了一种新型超紧凑电子枪, 结合均匀场阴极和可移动阳极的配置, 可在10—125 kV加速电压范围内实现100 fs量级时间分辨率. 通过优化设计高压电极轮廓, 使得其轴上和整个阴极面的场增强因子在不同阴阳极间距下均小于约4%, 从而保证了不同加速电压下最大轴上场强均可达10 MV/m量级, 有效地抑制了电子脉冲的展宽效应; 进一步将阳极小孔设计成可放置致密电镜载网的阶梯孔, 一方面可将载网支撑的样品紧贴小孔后方放置, 最大程度上缩短了电子从阴极到样品的时间弥散, 同时也可以有效地减弱阳极孔对电子束的散焦效应, 提升电子束的横向聚焦性能.
基于人工表面等离激元的厚度渐变镀银条带探针实现太赫兹波的紧聚焦和场增强
王晓雷, 赵洁惠, 李淼, 姜光科, 胡晓雪, 张楠, 翟宏琛, 刘伟伟
2020, 69 (5): 054201.
摘要 +
为提高太赫兹近场显微成像技术的分辨率, 设计了一款在Teflon探针的尖锥形表面镀上厚度渐变、具有相同占空比的超薄金属银制条带的探针, 用于实现探针尖端处人工表面等离激元的激发和太赫兹波的亚波长聚焦. 研究表明, 对于频率为0.1 THz的入射波, 厚度渐变镀银条带探针产生的紧聚焦光场的尺寸可稳定在20 μm左右(λ/150), 探针尖端处最大电场强度为入射电场强度的849倍. 研究还发现, 周期性金属条带的数目和入射电场的偏振方向可对探针尖端处产生的紧聚焦光斑的尺寸和电场强度等进行灵活有效的调控.
基于等效介质原理的宽角超材料吸波体的理论分析
吴雨明, 丁霄, 王任, 王秉中
2020, 69 (5): 054202.
摘要 +
目前, 很少有文章就如何实现宽角度吸波材料进行详细的理论分析和设计指导, 设计宽角度吸波材料仍然是一件很困难的事情. 本文基于等效介质理论对带有反射地板的单层介质超材料吸波体进行较为详细的理论分析. 从基础电磁理论出发, 推导TE波(横电波, 电场方向与入射面垂直的平面电磁波)和TM波(横磁波, 磁场方向与入射面垂直的平面电磁波)照射下吸波体的反射系数, 分析实现宽角度吸波效果所需的等效电磁参数, 为宽角度超材料吸波体的设计提供了理论基础. 此外, 论文还理论分析了实现宽带宽角吸波等效电磁参数所要满足的条件, 并做了计算检验. 结果表明, 当介质等效电磁参数按照特殊曲线随频率发生变化时, 理论上能实现宽带宽角的吸波效果.
高功率垂直外腔面发射半导体激光器增益设计及制备
张继业, 张建伟, 曾玉刚, 张俊, 宁永强, 张星, 秦莉, 刘云, 王立军
2020, 69 (5): 054204.
摘要 +
垂直外腔面发射半导体激光器(vertical external cavity surface emitting laser, VECSEL)兼具高功率与良好的光束质量, 是半导体激光器领域的持续研究热点之一. 本文开展了光抽运VECSEL最核心的多量子阱增益区设计, 对量子阱增益光谱及其峰值增益与载流子浓度及温度等关系进行系统的理论优化, 并对5种不同势垒构型的量子阱增益特性进行对比, 证实采用双侧GaAsP应变补偿的发光区具有更理想的增益特性. 对MOCVD生长的VECSEL进行器件制备, 实现了VECSEL在抽运功率为35 W时输出功率达到9.82 W, 并且功率曲线仍然没有饱和; 通过变化外腔镜的反射率, VECSEL的激光波长随抽运功率的漂移系数由0.216 nm/W降低至0.16 nm/W, 证实外腔镜反射率会影响VECSEL增益芯片内部热效应, 从而影响VECSEL激光输出功率. 所制备VECSEL在两正交方向上的发散角分别为9.2°和9.0°, 激光光斑呈现良好的圆形对称性.
基于Si3N4/SiNx/Si3N4三明治结构的偏振无关1 × 2多模干涉型解复用器的设计
汪静丽, 陈子玉, 陈鹤鸣
2020, 69 (5): 054206.
摘要 +
提出一种基于Si3N4/SiNx/Si3N4三明治结构多模干涉波导的偏振无关1 × 2解复用器, 用于分离1310和1550 nm两个波长. 通过合理选择三明治结构中间层SiNx的折射率, 可以调节同一波长两个正交偏振态的拍长相等, 实现偏振无关; 根据多模干涉原理, 通过合理选择多模干涉波导的长度与宽度, 可以使两个波长的输出像点分别成正像和反像, 实现解复用功能. 运用三维有限时域差分法进行建模仿真, 对结构参数进行优化, 并对器件关键结构参数的制作容差进行了分析. 结果表明: 该器件多模干涉波导的尺寸为4.6 μm × 227.7 μm, 插入损耗低至0.18 dB, 输出波导间的串扰低至-25.7 dB, 3 dB带宽可达60 nm. 另外, 本文提出的器件采用Si3N4/SiO2平台, 可有效减小波导尺寸, 提高集成度, 不仅实现了偏振无关, 而且结构紧凑、损耗低, 在未来的集成光路中具有潜在的应用价值.
圆柱型光纤螺线圈轨道角动量模式
赵超樱, 范钰婷, 孟义朝, 郭奇志, 谭维翰
2020, 69 (5): 054207.
摘要 +
$m\hbar $的光有一定的难度. 针对上述问题, 本文建立以波面不变, 光束主光线变化为基础的理论框架, 利用微分几何理论验证不沿z轴圆柱型光纤螺线圈传输的光线可以携带高$m\hbar $ OAM的理论设想. 研究发现: 利用流动坐标$(\alpha ,\beta ,\gamma )$计算光线在绕圆柱体的光纤中传输时光纤截面的衍射分布图呈现涡旋特征, 有高阶OAM模式. 当$\theta = {\theta _0}$时, 圆柱形轨道光纤过渡到直线轨道光纤. 计算光线沿直线传输时光纤截面的衍射分布图是Airy斑, 即圆孔衍射斑, 无高阶OAM模式.">传统的沿z轴光纤传输光线的轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)光束的制备方法共同之处都是从内部结构着想, 光束的主光线基本上不变, 只是波面在变. 但要获得携带高$m\hbar $的光有一定的难度. 针对上述问题, 本文建立以波面不变, 光束主光线变化为基础的理论框架, 利用微分几何理论验证不沿z轴圆柱型光纤螺线圈传输的光线可以携带高$m\hbar $ OAM的理论设想. 研究发现: 利用流动坐标$(\alpha ,\beta ,\gamma )$计算光线在绕圆柱体的光纤中传输时光纤截面的衍射分布图呈现涡旋特征, 有高阶OAM模式. 当$\theta = {\theta _0}$时, 圆柱形轨道光纤过渡到直线轨道光纤. 计算光线沿直线传输时光纤截面的衍射分布图是Airy斑, 即圆孔衍射斑, 无高阶OAM模式.
离子浓度及表面结构对岩石孔隙内水流动特性的影响
尹玉明, 赵伶玲
2020, 69 (5): 054701.
摘要 +
酸性环境引发的岩石孔隙表面溶解增加了孔隙内水溶液的盐离子浓度, 破坏了孔隙的表面结构. 本文采用分子动力学模拟的方法研究了纳米级岩石孔隙内水溶液的流动特性, 分析了盐离子浓度和孔隙表面结构对水流速度分布的影响及原因. 研究结果表明: 纳米级岩石孔隙内的水溶液流动符合泊肃叶流动特性, 流速呈“抛物线”分布; 随盐离子浓度增加, 水溶液内部氢键网络变得更为致密, 水黏度随其呈线性增长; 水溶液中离子浓度越大, 孔隙表面对水流动的阻力越大, 最大流速越小, 速度分布的“抛物线”曲率半径越大; 岩石孔隙表面结构的破坏改变了流动表面的粗糙程度, 增加了孔隙表面对H2O分子的吸引力. 随表面结构破坏程度的增大, 水溶液在近壁区域的密度增大, 流速降低; 当表面破坏程度达到50%时, 水溶液在近壁区域出现了明显的负边界滑移现象.
东方超环上低杂波驱动等离子体环向旋转实验研究
杨进, 陈俊, 王福地, 李颖颖, 吕波, 向东, 尹相辉, 张洪明, 符佳, 刘海庆, 臧庆, 储宇奇, 刘建文, 王勋禺, 宾斌, 何梁, 万顺宽, 龚学余, 叶民友
2020, 69 (5): 055201.
摘要 +
旋转和旋转剪切能抑制磁流体不稳定性和增强等离子体约束. 低杂波电流驱动作为未来聚变堆上可能的旋转驱动手段,探索低杂波在现有托卡马克装置上驱动等离子体旋转的驱动机制, 可以为未来的聚变堆上旋转预测提供重要参考. 在东方超环托卡马克装置上, 早期发现了2.45 GHz的低杂波能有效驱动等离子体旋转的现象, 认为是边界旋转的改变导致芯部旋转的同电流方向的增加造成的. 更高频率下4.6 GHz低杂波电流驱动可以更有效地驱动同电流方向的等离子体旋转. 本论文分析在欧姆背景等离子体下, 不同功率的低杂波对等离子体环向旋转的影响, 研究安全因子剖面变化对环向旋转的关系, 利用功率调制获得了低杂波驱动旋转实验中的环向动量输运系数变化情况, 发现环向动量扩散系数(χφ)、环向动量箍缩系数(Vpinch)的数值大小趋势是从芯部向靠外的区域逐渐变大. 这与低杂波驱动环向旋转时, 环向旋转速度由靠外的区域向芯部传递的特性吻合.
14 nm FinFET和65 nm平面工艺静态随机存取存储器中子单粒子翻转对比
张战刚, 雷志锋, 童腾, 李晓辉, 王松林, 梁天骄, 习凯, 彭超, 何玉娟, 黄云, 恩云飞
2020, 69 (5): 056101.
摘要 +
使用中国散裂中子源提供的宽能谱中子束流, 开展14 nm FinFET工艺和65 nm平面工艺静态随机存取存储器中子单粒子翻转对比研究, 发现相比于65 nm器件, 14 nm FinFET器件的大气中子单粒子翻转截面下降约40倍, 而多位翻转比例从2.2%增大至7.6%, 源于14 nm FinFET器件灵敏区尺寸(80 nm × 30 nm × 45 nm)、间距和临界电荷(0.05 fC)的减小. 不同于65 nm器件对热中子免疫的现象, 14 nm FinFET器件中M0附近10B元素的使用导致其表现出一定的热中子敏感性. 进一步的中子输运仿真结果表明, 高能中子在器件灵敏区中产生的大量的射程长、LET值大的高Z二次粒子是多位翻转的产生诱因, 而单粒子翻转主要来自于p, He, Si等轻离子的贡献.
石墨烯/柔性基底复合结构双向界面切应力传递问题的理论研究
白家豪, 郭建刚
2020, 69 (5): 056201.
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界面力学性能是影响石墨烯/柔性基底复合结构整体力学性能的关键因素, 因此对该结构界面切应力传递机理的研究十分必要. 考虑了石墨烯和基底泊松效应的影响, 本文提出了二维非线性剪滞模型. 对于基底泊松比相比石墨烯较大的情况, 利用该模型理论研究了受单轴拉伸石墨烯/柔性基底结构的双向界面切应力传递问题. 在弹性粘结阶段, 导出了石墨烯双向正应变和双向界面切应力的半解析表达式, 分析了不同位置处石墨烯正应变和界面切应力的分布规律. 导出了石墨烯/柔性基底结构发生界面滑移的临界应变, 结果表明该临界应变低于利用经典一维非线性剪滞模型得到的滑移临界应变, 并且明显受到石墨烯宽度尺寸以及基底泊松比大小的影响. 基于二维非线性剪滞模型建立有限元模型 (FEM), 研究了界面滑移阶段石墨烯双向正应变和双向界面切应力的分布规律. 与一维非线性剪滞模型的结果对比表明, 当石墨烯宽度较大时, 二维模型和一维模型对石墨烯正应变、界面切应力以及滑移临界应变的计算结果均存在较大差别, 但石墨烯宽度很小时, 二维模型可近似被一维模型代替. 最后, 通过与拉曼实验结果的对比, 验证了二维非线性剪滞模型的可靠性, 并得到了石墨烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 基底结构的界面刚度 (100 TPa/m) 和界面剪切强度 (0.295 MPa).
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