人工晶体学报

高博锋, 任梦昕, 郑大怀, 兀伟, 蔡卫, 孙军, 孔勇发, 许京军

2021, 50(7): 1183-1199.

摘要 ( 681 )

PDF (10577KB) ( 1179 )

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铌酸锂集压电、倍频、电光和光折变等特性于一身,被认为是非线性光学的模型晶体,已经表现出巨大的实用价值。铌酸锂在其诞生以来的近百年中,已经在国土安全、医学检测、高能物理、工业探测等领域占据着不可或缺的地位。随着微纳技术的发展,近年来铌酸锂微纳结构中新型光学效应的研究,已经成为国际上竞相争夺的前沿热点之一,相关研究对于产生新型微纳光子学器件具有重要推动作用。本文主要围绕铌酸锂的光学性质综述了其发展历史,同时介绍其在微纳光学领域的研究现状,并对其未来发展进行了展望。

基于人工微纳结构的平板衍射透镜

何俊, 黄坤, 庄继成

2021, 50(7): 1200-1221.

摘要 ( 115 )

PDF (12457KB) ( 44 )

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现代显微镜中的物镜受限于瑞利衍射极限,其分辨率不能满足生物成像、材料科学以及光刻等领域的需求。目前,突破瑞利衍射极限的方法可分为近场(如扫描近场光学显微镜、超透镜、微球透镜)和远场(如受激辐射损耗显微镜、光激活定位显微镜、随机光学重建显微镜)方法。然而,前者利用纳米探针散射物体表面一个波长范围内的倏逝波,极具挑战性;而后者对样品有选择性,只适用于荧光分子样品,且会对样品造成损伤。近年来,平板透镜利用波带片、光子筛以及梯度超构表面等人工微纳结构来控制光的衍射,具有小型化、高数值孔径、大焦深、亚衍射极限聚焦等功能,为远场无标记超分辨率成像提供了一个可行的解决方案。本文从衍射聚焦光学的统一理论出发,总结平面衍射透镜的最新进展,揭示基于光场调控实现纳米聚焦的物理机制,介绍平板衍射透镜的设计原理、光学性能、微纳结构特性和材料影响,详细讨论平板衍射透镜的光学像差(如离轴像差和色差)及其校正,平板衍射透镜在纳米成像、光刻以及光电子能谱仪中的应用,最后展望其未来的发展方向和机遇。

隔声超构材料的研究进展

陈应航, 陈键, 徐驰, 钟雨豪, 黄唯纯, 卢明辉

2021, 50(7): 1222-1233.

摘要 ( 212 )

PDF (13125KB) ( 253 )

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声学超构材料的概念起源于局域共振型声子晶体。作为一种新型复合人工结构材料,声学超构材料具备许多优异的特性,如相对于传统隔声材料可以灵活、精准地操控声波,采用小型化、轻质化的结构解决宽频带、低频隔声等问题。本文综述了声学超构材料在隔声方面的最新研究进展,从带隙理论和表征参数出发论述了声学超构材料隔声机理,重点介绍了相关代表性工作,包括Helmholtz式隔声超构材料、薄膜薄板式隔声超构材料、折叠卷曲空间式隔声超构材料以及组合式隔声超构材料的设计理念和方法,最后对这一新兴领域的应用进行了展望。

仿生声学超材料的声波控制及水下应用研究进展

王兆宏, 罗怡坤, 楚杨阳

2021, 50(7): 1234-1247.

摘要 ( 178 )

PDF (18598KB) ( 129 )

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声学超构材料作为一种新型的人工结构材料,拥有天然材料所不具备的超常物理特性,比如:负质量、负刚度等。声学超材料通过对其声学特性参数的研究和控制可以实现声隐身、波束控制等功能。与传统声学材料相比,声学超材料具有设计性强、拓展性强等优点,可以突破传统声学材料的物理极限,为小尺寸、轻量化结构解决低频减震降噪、低频宽带声波控制等瓶颈问题提供新思路。仿生学是利用生物学原理发展起来的新兴学科。将仿生学与声学超材料相结合,国内外学者开展了大量的研究工作,尤其在空气动力学及流体动力学降噪方面取得了卓越的研究成果。本文简要回顾过去几十年仿生声学超材料的研究进展,并介绍了相关的代表性工作,期望未来仿生声学超材料能够在低频声波控制、水下应用等方面发挥更大的作用和优势。

光子准晶研究进展

车治辕, 石磊

2021, 50(7): 1248-1258.

摘要 ( 128 )

PDF (19290KB) ( 93 )

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准晶是具有长程有序但不具有周期性的奇特结构。光子准晶以其优越的调控电磁波的能力和广阔的应用前景受到国内外学者的广泛关注。光子准晶不仅具有全带隙、局域态、负折射、近零折射率等一般特性,还因其独特的旋转对称性在激光和非线性频率转换等方面具有优势。本文简要回顾近年来光子准晶的发展历程,从理论研究与应用研究两方面介绍光子准晶研究的主要方向,并对其未来发展趋势进行了展望。

一维等离激元晶格中的能带结构调控

曹凤朝, 吕博昆, 丁宇峰, 石锦卫

2021, 50(7): 1259-1274.

摘要 ( 123 )

PDF (17981KB) ( 231 )

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由于具有将电磁波聚集到深亚波长体积的能力,表面等离激元在纳米光子技术研究工作中得到了广泛的应用。根据其性质,表面等离激元基本可以分为两大类:沿金属与介质界面传播的表面等离极化激元(SPPs)和束缚在金属表面的局域表面等离激元(LSPRs)。SPPs和对应的自由空间电磁波之间存在明显的动量失配,光栅,即一维等离激元晶格,经常被用于弥补动量失配,从自由空间激发SPPs。LSPRs是指在外部光场激发下局域在单个纳米结构周围的表面等离激元。当LSPRs被激发时,会形成近场增强效应,增大对入射光的吸收和散射。事实上,一维等离激元晶格既支持SPPs又支持LSPRs,是研究表面等离激元及其光学性质的很好的基本结构。由于LSPR这个自由度的存在,其中存在着比光子晶体更丰富的能带结构。本文将以一维等离激元晶格为研究对象,分别从能带调控、表面晶格共振、连续域中的束缚态以及玻色-爱因斯坦凝聚四个方面阐述金属等离激元的新颖性质和最新进展。这些性质对于进一步推动表面等离激元的应用具有重要意义。

基于非弹性电子隧穿的表面等离激元激发

郑钧升, 刘璐芳, 潘陈馨钰, 郭欣, 童利民, 王攀

2021, 50(7): 1275-1286.

摘要 ( 158 )

PDF (12032KB) ( 189 )

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表面等离激元是一种存在于金属(或掺杂半导体)-介质界面的电磁极化和振荡现象,可以显著增强纳米尺度光与物质的相互作用,在波导、生化传感、超快调制、探测以及非线性光学等领域具有重要应用前景。表面等离激元的激发主要采用受衍射极限限制的光学激发方式,通常需要棱镜、光栅等大尺寸光学元件的辅助,这极大限制了等离激元器件的小型化和片上高密度集成。通过将等离激元纳米结构和隧道结集成起来,低能量的隧穿电子可以直接激发该结构的等离激元模式,具有超小尺寸、超快调制速度等优点。本文将回顾基于电子隧穿效应的表面等离激元激发的研究历史,并着重介绍该领域的最新研究进展。

多层膜结构色滤光片的原理、制备及应用

王丹燕, 李墨馨, 陆如斯, 张诚

2021, 50(7): 1287-1306.

摘要 ( 134 )

PDF (35124KB) ( 123 )

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多层膜结构色滤光片不仅结构简单适合大规模生产,而且所呈现的颜色纯度高、亮度大、不易褪色,因此在光学显示、彩色印刷、美学装饰以及新型光伏等领域有着潜在的应用价值。本文将总结基于多层膜结构设计的彩色滤光片在近年来的研究进展,包括产生不同颜色的两种典型结构及背后的物理机制,多层膜结构色滤光片的制备方法(包括磁控溅射、电子束蒸发、电化学沉积等)以及在彩色太阳能电池、彩色印刷以及新型显示等领域的应用现状,并对多层膜结构色滤光片的发展前景进行展望。

压致响应碳基晶体材料的设计与构筑

陈德斯, 董家君, 翟春光, 姚明光, 刘冰冰

2021, 50(7): 1307-1313.

摘要 ( 105 )

PDF (12285KB) ( 32 )

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材料在压力作用下可出现不同的响应行为,如硬化、压缩性、光学性质改变等,依此设计出具有优异力学、机械以及发光性能的材料,是设计新型功能材料的重要途径。本文将介绍课题组近年来在新型压致响应功能晶体材料研究中取得的进展,基于碳及碳骨架分子,设计不同的碳基分子共晶,利用高压技术,设计构筑出系列具有潜在超硬特性、负体积压缩性的材料以及反常压力响应的发光材料。

多孔硅-Au/Ag枝晶复合材料研究进展

葛道晗, 倪超, 丁杰, 张立强, 祝世宁

2021, 50(7): 1314-1326.

摘要 ( 96 )

PDF (41346KB) ( 182 )

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基于金属包裹的多孔硅衬底具有制备成本低、检测能力强的优点。自20世纪表面增强拉曼散射(SERS)现象被发现以来,多孔硅-Au/Ag复合材料逐渐展现出作为SERS衬底的优势,被广泛应用于生物、化学、医疗等领域。本文综述了近些年来基于多孔硅复合Au/Ag纳米颗粒混合平台的研究,重点讨论了将贵金属Ag/Au复合于多孔硅衬底上的制备方法,介绍了它们在不同制备条件下枝晶结构的生长形貌和检测性能,并对多孔硅-Ag/Au枝晶复合结构作为SERS衬底的未来发展进行简要分析。

铌酸锂基光伏微流体操控技术

张雄, 高作轩, 高开放, 师丽红, 李菲菲, 樊博麟, 陈立品, 昝知韬, 陈洪建, 阎文博

2021, 50(7): 1327-1339.

摘要 ( 121 )

PDF (23797KB) ( 70 )

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光伏微流体操控技术利用非均匀光伏电荷场对流体目标的静电作用来实现非接触操控。近年来,基于铌酸锂的光伏微流体操控技术逐渐引起人们的关注,并有望成为铌酸锂基生物光子芯片微流体操控功能的关键支撑技术。与传统的全电微流体操控和光镊操控相比,铌酸锂基光伏微流体操控不需要外部电源供电,不需要复杂电极的制备,所需操控光强低,作用范围广,因此可以最大程度地避免外界对内部生物环境的污染和干扰。本文介绍了铌酸锂基光伏微流体操控的理论基础,系统阐述了铌酸锂基光伏微流体操控的近期研究进展。

Floquet规范转变诱导拓扑π模产生的理论分析

宋万鸽, 祝世宁, 李涛

2021, 50(7): 1340-1347.

摘要 ( 236 )

PDF (1536KB) ( 126 )

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拓扑绝缘体是一类内部绝缘而在表面可以导电的物态,其倒空间的能带具有非平庸的拓扑特性,而在其实空间的边界上具有可以单向传播的边界态。这种拓扑界面态出现往往依赖于界面处的拓扑相变。而最近有研究在一类Floquet的拓扑体系中实验观测到一种规范场相变诱导产生的拓扑π模,这种拓扑态的产生可能不依赖于拓扑相变。本文对于这种规范场诱导的拓扑π模的产生机理做出了理论解释。两个Floquet规范相反的体系的哈密顿量由于规范相变而具有相反的π能隙质量项,类似于Jackiw-Rebbi模型,从而导致拓扑界面态的出现。本文的研究为规范场相变诱导拓扑模式的产生提供了理论基础,并加深了人们对于Floquet规范场的理解。

基于群表示论的微波等离激元谐振器模式响应研究

杨杰, 王甲富, 贾宇翔, 陈维, 屈绍波

2021, 50(7): 1348-1355.

摘要 ( 59 )

PDF (4828KB) ( 49 )

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作为光频段局域表面等离激元的低频对应物,人工局域表面等离激元因其深亚波长局域场增强和高Q值谐振的特点而受到广泛关注。微波等离激元谐振器是产生人工局域表面等离激元的典型器件,其特点是具有多重离散旋转对称性和镜面反射对称性。以往的研究提出了等效媒质法和等效色散法分析微波等离激元谐振器的模式响应,但这两种方法都未能充分考虑谐振器的几何对称性从而未能全面揭示其模式特性。本文针对谐振器的几何对称性提出了群表示论方法分析其模式响应。通过对称性分析,发现谐振器的几何对称性所构成的群的不可约表示数等于谐振器所能支持的人工局域表面等离激元模式的数目。以对称性构成C_7v群的谐振器为例,C_7v群的5个不可约表示数对应了5种人工局域表面等离激元模式,分别为零阶模式(也即磁偶极子)、偶极子、四极子、六极子和十四极子。受限于几何对称性,谐振器将不能支持更多阶的模式。为验证群表示论方法,设计了对称性构成C_7v群的微波等离激元谐振器,全波仿真结果很好地证明了上述理论。本文提出的群表示论方法也可推广到其他频段如光频,因而具有广泛的适用性。

近红外可调辐射方向的非线性光学天线

程林, 张磊

2021, 50(7): 1356-1361.

摘要 ( 93 )

PDF (4562KB) ( 25 )

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目前研究人员提出了各种光学天线以线性方式控制辐射图,而较大的非线性效应可以引起天线的折射率的变化,从而改变辐射方向图。通过修正电子的有效质量进而完善Drude模型,可得到氧化铟锡(ITO)的非线性折射率与频率和强度的函数关系,进而可知由ITO制成的纳米天线会表现出极大的光学Kerr效应。本文研究了ITO天线的线性和非线性响应。利用ITO的Kerr效应控制天线的辐射方向图。基于该模型,设计了一种非线性光学天线,实现了覆盖近红外波段(1 000~1 650 nm)的可调谐辐射方向图。进一步,基于ITO和介电材料硅(Si)设计了一种杂化的非线性光学天线。该杂化天线可以更好地利用ITO的强Kerr效应,可以较大程度上对光场辐射进行调控。该工作突破了新型非线性材料的强Kerr效应仅局限于特定共振频率点或者零折射率点这一特点。本研究提供一种用于超快动态控制超材料的新颖方法,可应用于光束转向和光学调制等。

声学超表面的非对称声分束特性研究

宋爱玲, 孙超彧, 陈天宁, 项延训, 轩福贞

2021, 50(7): 1362-1370.

摘要 ( 89 )

PDF (4335KB) ( 36 )

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非对称声分束超表面是由人工微单元结构按照特定序列构建的二维平面结构,可将垂直入射的声波分成两束传播方向和分束比自由调控的透射波,在声功能器件设计及声通信领域具有广泛的应用前景。本文系统研究了一种实现非对称声分束的设计理论和实现方法,基于局域声功率守恒条件研究了声分束器的设计理论、阻抗矩阵分布、法向声强分布、声压场分布等。利用遗传算法对四串联共振腔结构进行参数优化实现了声分束器所需的阻抗矩阵分布,声压场分布表明声波入射到声分束器后在入射侧激发出两列传播方向相反且幅值和衰减系数均相同的表面波,实现了入射侧与透射侧的局域声功率相互匹配。声波经过声分束器后被分为两束透射波,两束透射波的折射角和透射系数与理论值十分吻合,证明了设计理论及实现方法的正确性和可行性。本文的研究工作可以为新型非对称声分束结构设计提供理论参考、设计方法和技术支持,并促进其在工程领域的实际应用。

声子晶体中波传播的自准直效应

张昭, 张磊, 郭江川, 李加瑞, 王艺飞

2021, 50(7): 1371-1377.

摘要 ( 105 )

PDF (26152KB) ( 38 )

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本文针对不同介质形成的周期性阵列结构进行了不同频率的波传输计算,发现波在阵列声子晶体结构中的传输特性与光在光子晶体中的自准直类似,具有波传播的自准直效应。进一步计算发现,波在声子晶体中传输的自准直特性与外部介质和阵列结构的材料属性密切相关,也与阵列结构单胞中金属柱的截面几何特性相关。波传播的自准直效应产生的频率范围随模量比的增加出现先增加后减小的现象,并且随密度比的增加而减小。设置合理的模量比、密度比等材料性质和截面几何性质,能够实现对阵列结构自准直效应中的波传播频率范围的控制,其中,等频线是周期性结构阵列自准直效应的重要设计依据。

单面柱局域共振声子晶体低频带隙特性分析及结构改进研究

孙向洋, 燕群, 郭翔鹰

2021, 50(7): 1378-1385.

摘要 ( 79 )

PDF (5239KB) ( 29 )

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基于有限元法对单面柱局域共振声子晶体进行带隙特性分析,研究了结构参数对该类型声子晶体的影响。结果表明:随着散射体高度的增加,单面柱声子晶体的第一完全带隙的起始频率逐渐降低,带宽逐渐增大;随着基板厚度的增大,单面柱声子晶体的起始频率逐渐升高,截止频率先增大后减小。并且在经典单面柱声子晶体的基础上,组合了两种新型的三组元单面柱声子晶体结构:嵌入式单面柱声子晶体(以下简称结构Ⅰ)和粘接式单面柱声子晶体(以下简称结构Ⅱ)。通过对其带隙特性的分析得出:这两种新结构与经典的单面柱声子晶体相比,都具有更低频的带隙,这对于低频减振降噪是非常有利的。本文的结果将对实际的工程应用提供一定的理论指导。

基于级联PPMgLN晶体的双倍/三倍频双波长激光器

孙杰, 陈怀熹, 张新彬, 冯新凯, 李广伟, 粱万国

2021, 50(7): 1386-1390.

摘要 ( 102 )

PDF (2819KB) ( 41 )

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本文演示了紧凑的绿色和近红外双色连续波激光光源,其发射波长分别为516 nm和775 nm。设计并制造了级联的周期性极化掺镁铌酸锂晶体,用于同时转换通信波长的二次谐波(SHG)和三次谐波(THG),可以在相同温度下获得绿色和近红外激光的输出。通过建立一个单程激光测量系统,在2 W泵浦功率下获得516 nm的0.15 mW绿光和775 nm的1.19 mW的光,晶体温度控制在30.8 ℃。实验结果将为单激光器泵浦的紧凑型双波长共线激光器提供重要的案例。

Sm∶YAG/Sm∶Y₃ScAl₄O₁₂单晶光纤的生长及光谱性能

徐杰, 宋青松, 刘坚, 丁雨憧, 李东振, 徐晓东, 徐军

2021, 50(7): 1391-1396.

摘要 ( 151 )

PDF (3257KB) ( 130 )

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采用微下拉法成功生长出Sm∶YAG和Sm∶Y₃ScAl₄O₁₂单晶光纤。XRD结果表明晶体为立方晶系,晶胞参数分别为a=1.199 3 nm和a=1.200 0 nm。测试了室温下单晶光纤的拉曼光谱、吸收光谱、荧光光谱和荧光寿命。Sm∶Y₃ScAl₄O₁₂最大声子能量为766 cm^-1。Sm∶YAG和Sm∶Y₃ScAl₄O₁₂ 在可见波段的最强吸收位于405 nm附近,非常适合InGaN/GaN二极管泵浦。404 nm激发下,最强发射带位于618 nm处, 对应于Sm³⁺的⁴G_5/2→ ⁶H_7/2能级跃迁, 测得Sm∶YAG和Sm∶Y₃ScAl₄O₁₂上能级⁴G_5/2的荧光寿命分别为1.86 ms和1.83 ms。实验结果表明Sm∶YAG和Sm∶Y₃ScAl₄O₁₂单晶光纤是有潜力的红橙光波段激光增益介质。

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