等离子体相对论微波发生器（PRMG）可以产生宽带高功率微波输出，同时又具有良好的频率可调谐性，因此在雷达、通信、电子对抗和物体探测等诸多领域均具有良好的应用前景。PRMG通常采用加载环形等离子体束的圆柱波导作为其波束互作用区，工作模式为慢等离子体波TM01模（下称P-TM01模）。P-TM01模的色散特性及其变化规律对PRMG输出性能有着重要影响。利用全电磁粒子模拟程序对加载环形等离子体束的圆柱波导中P-TM01模的色散特性和场分布进行了粒子模拟和分析，获得等离子体束密度np、径向厚度Δrp和径向位置rp以及外加引导磁场强度Bz和波导半径rw等参数对P-TM01模的色散特性和场分布的影响规律。主要研究结果包括：（1）一定范围内，np 和Δrp的变化对色散特性影响较大，rp，Bz和rw的变化对色散特性影响较小。值得关注的是，由于波导中环形等离子体束的存在，随着波导半径rw的增加，相同纵向波数kz对应的P-TM01模的频率没有降低而是略有提高。因此，在实际应用时，可以适当加大波导径向尺寸以提高器件功率容量；适当降低磁场，则有利于提高器件的紧凑性。（2）P-TM01模的纵向电场的方向不随径向位置变化，径向电场的方向在等离子体束内外两侧相反，外侧的场分布与同轴波导中TEM模相似。（3）主要物理参数变化时，场分布基本特点不会改变。但随着纵向模式数N和kz相应增加，电场能量向等离子体束收拢，不利于波束相互作用和电磁场的耦合输出。因此为了PRMG的高效运行，束波互作用的共振点最好落在kz相对较小的区域。上述研究结果对PRMG的设计和优化具有一定的理论参考价值。
等离子体相对论微波发生器 慢等离子体波 色散特性 场分布 粒子模拟 plasma relativistic microwave generator slow plasma wave dispersion characteristic field distribution particle simulation 强激光与粒子束
2024, 36(4): 043030
长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，吉林 长春 130022
采用新型多环形腔结构优化垂直腔面发射激光器（VCSEL）的光场分布，解决了大孔径器件严重的载流子聚集效应导致的输出功率低、光束质量差的问题。研究结果表明：新型结构VCSEL较孔径相同的传统结构器件呈现更低的阈值电流，特别是输出功率较传统结构提高了近56%，且远场呈高斯分布。研究工作为实现高光束质量大功率垂直腔面发射激光器提供了新的技术途径。
激光器 垂直腔面发射激光器 高功率 光场分布 光束质量
1 延安大学物理与电子信息学院, 陕西 延安 716000
2 陕西师范大学物理与信息技术学院, 陕西 西安 710119
利用有限元法对领结状金纳米二聚体结构的表面等离激元共振特性进行了探究, 研究发现在几何形状保持不变的条件下, 二聚体共振波长位移与粒子间距呈e的负指数变化, 并且指数衰减系数与粒子大小无关。进一步分析了纳米结构附近电场分布, 发现共振条件下单体结构的x 轴和y 轴电场分布都遵守e的负指数衰减规律, 且场强与入射电磁波的偏振方向有关；而受二聚体间表面等离激元耦合因素的影响, 二聚体之间的距离对场强的衰减速率有着巨大的影响。最后, 对二聚体共振吸收强度进行了研究, 发现吸收强度与二聚体距离之间的关系仍为e的负指数函数规律。本研究结果对微距传感、粒子捕获等具有重要的指导意义。
光谱学 指数衰减 有限元法 二聚体 共振波长 电场分布 spectroscopy exponential decay finite element method dimer resonant wavelength electric field distribution 王少业 1,2,3张剑波 1,2,3赵子文 1,2,3,*杜亦凡 1,2,3钟双栖 1,2,3
1 上海大学特种光纤与光接入网重点实验室，上海 200444
2 上海大学特种光纤与先进通信国际合作联合实验室，上海 200444
3 上海大学上海先进通信与数据科学研究院，上海 200444
采用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件模拟不同功率、不同扫描速度的CO2激光退火锗芯光纤过程中的温度场分布。通过分析激光退火过程中光纤温度场的分布和变化，得到较为适合的激光退火条件。结合退火后锗芯光纤的拉曼光谱测试，发现对于外径和内径分别为190 μm和28 μm的锗芯光纤而言，在所有退火条件中，2.153 W激光功率、6 mm/s扫描速度能明显改善光纤性能。本仿真研究为优化锗芯光纤特性的实验提供了参考。
光纤光学 锗芯光纤 COMSOL仿真 CO2激光 温度场分布 激光与光电子学进展
2023, 60(15): 1506005
1 陕西理工大学机械工程学院，陕西 汉中 723001
2 西北工业集团有限公司，陕西 西安 710043
倍增层对雪崩光电探测器内部载流子的碰撞电离至关重要，因此，采用三元化合物In0.83Al0.17As作为倍增层材料，借助器件仿真工具Silvaco-TCAD，详细探究了In0.83Ga0.17As/GaAs雪崩光电探测器的倍增层厚度及掺杂浓度对其内部电场强度、电流特性和电容特性的影响规律。研究表明，随着倍增层厚度的增加，器件的电场强度和电容呈减小趋势。同时，倍增层掺杂浓度的增大会引起电容和倍增层内的电场强度峰值增加。进一步研究发现，随着倍增层厚度的增加，器件的穿通电压线性增大，击穿电压先减小后增大，但倍增层掺杂浓度的增加会引起器件击穿电压的减小。此外，用电场分布和倍增因子的结合解释了器件穿通电压与击穿电压的变化。
探测器 雪崩光电探测器 倍增层 电场分布 穿通电压 击穿电压
强激光与粒子束
2022, 34(9): 095008
1 西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
2 西安电子科技大学物理与光电工程学院，陕西 西安 710071
为精准高效调校并检测微纳超构表面，基于时域多分辨分析（MRTD）方法研究了栅格微纳超构表面与掩埋微缺陷的耦合散射问题。从Maxwell方程出发，引入多分辨概念，建立耦合散射模型，推导出散射场，并与时域有限差分（FDTD）方法的计算结果进行比对，以验证MRTD方法的正确性并分析其优点。结合含微缺陷的栅格超构表面场分布，给出研究缺陷各参数对超构光学系统影响的必要性。通过数值计算分析缺陷尺寸、掩埋深度及相对方位等因素对耦合光散射特性的影响。上述结果为功能性表面设计、超灵敏检测、散射峰值方向及频率选择等领域和方向提供技术支持。
散射 栅格超构表面 微缺陷 场分布 耦合 光学学报
2022, 42(16): 1629001
华中光电技术研究所-武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430223
相比传统机械扫描, 光学相控阵技术在扫描精度、扫描速度、转动惯量等方面具有优势, 是实现大视场范围内多目标定位和三维成像的重要技术途径。随着微纳光子集成的发展, 硅基光波导光学相控阵器件得到了广泛研究, 并被视为全景光电成像和激光成像雷达的核心器件。介绍了硅基光波导光学相控阵的基本原理和数学模型, 并设计了一个16元相控阵器件, 对其温度场分布和热特性进行了分析。在此基础上, 对光栅耦合器、MMI分束器、波导光栅天线等关键元件进了有限元分析和仿真, 完成优化设计。基于该设计完成了器件的流片制备, 并搭建了性能测试验证平台。利用该平台对器件的扫描精度(1.2°)、扫描范围(大于 ±30°)和扫描速度(20 kHz)分别进行了测试, 验证了设计方法的可行性。
光波导 相控阵 电场分布 温度场 光栅天线 分束器 optical waveguide phase array electrical field distribution temperature field grating antenna beam splitter
长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林 长春 130022
具有高功率及高亮度激光特性的锥形半导体激光器在激光加工、自由空间通信、医疗等领域具有广泛的应用前景。本文基于广角差分光束传播法(WA-FD-BPM), 对980 nm锥形半导体激光器进行了仿真模拟, 详细分析了不同结构参数(脊形区刻蚀深度、锥形角度、不同脊形区/锥形区长度比、锥形区刻蚀深度、前腔面反射率)对器件光束质量和P-I-V特性的影响。分析认为, 锥形区波导的几何损耗是导致器件斜率效率降低的主要因素, 光泵浦效应是影响锥形激光器光束质量变差的重要因素, 可通过降低器件的前腔面反射率来改善光束质量。研究结果可为锥形激光器的性能优化提供参考。
锥形半导体激光器 广角差分光束传播法 光束质量 光场分布 tapered semiconductor laser wide-angle differential beam propagation beam quality optical field distribution
