随着微纳光子学与技术的发展,在纳米尺度上操纵和控制光子, 发展体积更小、速度更快的光子器件, 实现全光集成,已成为国际研究前沿和新技术领域竞争的热点。其中以光子晶体、表面等离子体激元微纳结构 为代表的微纳光子学研究及应用在国际上得到了广泛的重视。利用上述微纳结构的独特物理特性,与非线性光 学材料相结合,可有效增强或调控材料的三阶光学非线性,实现全光器件的设计,如全光开关等。结合我 们的部分研究工作,就几种微纳结构增强的三阶光学非线性及其非线性全光调控相关方面的研究做一概述。

空间外差光谱 (Spatial heterodyne spectroscopy, SHS) 技术是一种新型的光谱分析技术。 基于空间外差光谱仪的基本原理和特点,研究了实际测量中 干涉仪两光臂不平衡造成的畸变干涉图的修正方法,模拟计算了干涉仪两光臂不平衡时干涉图的强度变化, 并对其进行了模拟修正,修正后的干涉图与理想的SHS干涉图一致性较好。修正方法主要是测量干涉图的非调制 项(即未发生干涉时单个光臂的光强), 以及在干涉图数据处理中引入一个修正因子。通过对干涉仪两臂不 平衡的修正,可以有效地提高干涉图反演光谱的精度。

采用共沉淀法,在不同的烧结气氛下制备了Y2 O3 :Ti3 + 粉体,测量了它们的激发、 发射光谱以及 XRD 光谱,观测了形貌。在紫外光激发下,微晶Y2 O3 :Ti3 + 在439 nm附近有较强的发射带, 而纳米Y2 O3 :Ti3 + 在 400～500 nm范围内 出现了强的发射带。随纳米粉体的晶粒尺寸减小,它的发光明显增强,覆盖了整个可见光区。结果表明Y2 O3 :Ti3 + 纳米 粉体有望成为新一代白光 LED 或汞灯的光转换荧光粉。

采用高温固相合成法制备了ZnO 基荧光粉,并利用XRD、SEM等方法分析表征样品。实验结果表明, 以氯化铵为助剂,在900°C煅烧2 h制得了晶粒较小晶形完整分散性较好的 ZnO:Zn2 + 荧光粉,用387 nm的紫外 光激发,获得了较宽的绿光发射;掺入Eu3 + 离子,在800°C煅烧合成了 ZnO:Eu3 + 荧光粉,说明Eu3 + 离子掺杂有降低烧结温度的作用,另外用465 nm光激发 ZnO:Eu3 + 荧光粉获得了612 nm和700 nm的红光发射。

采用晶体场理论和3d9电子组态在平面四角晶场中的g因子和超精细结构常数A的三阶微扰计算公式以及 CdCl2 :Cu2 + 晶体的局域结构与 EPR 谱之间的定量关系,合理解释了 CdCl2 :Cu2 + 晶体的 EPR 谱及局域晶体结构, 所得 EPR 参量与实验观测相符合。研究发现芯极化常数约为0.2827。平面四角键长的变化约为 0.013 nm。因此,CdCl2 晶体中掺杂Cu2 + 后,由于静态 Jahn-Teller 效应引起的晶格驰豫,导致晶格在平面四角内发生了 略微伸长的畸变。

应用 Wigner 分布函数的二阶矩定义和拓展 Huygens-Fresnel 原理研究了圆形平 顶高斯光束阵列在湍流 大气传输中的光束性质,得到其传输质量因子 (M2因子) 的解析表达式,进行了相应的数值计算和模拟。结果表明:在湍流 大气中传输时,圆形平顶高斯光束 阵列的传输质量因子随传播距离、湍流大气结构常数的增大和束腰宽度的减小而增大;当光束阵列阶数一定, 阵列个数不断增加时,其传输质量因子先保持不变,然后开始减小,最后不再减小而保持这个定值不变; 当光束阵列的个数一定,阶数不断增加时,其传输质量因子减小,最后不再减小而保持不变。在自由空间中 传输时,圆形平顶高斯光束阵列的传输质量因子保持不变。

针对C-V方法对非二值图像分割不理想,运行效率不高的问题,提出一种改进的C-V方法。 在C-V方法只运用图像灰度信息的 基础上,加入基于图像局部方差的信息,并且设置加权参数k, 通过k来控制基于图像的灰度信息和方差信息的驱动力在整个图像 分割驱动力中的比重,使得改进C-V方法能利用图像区域灰度信息和区域方差信息对非二值图像进行分割,同时应用隐式方案的数 值实现方式对改进方法进行数值实现。图像分割实验结果表明,该方法能够更为准确地提取非二值图像边界,减少迭代次数。

应用试探函数方法求解了mBBM方程和Vakhnenko方程。通过引入试探函数, 把难于求解的非线性偏微分方程化为 易于求解的代数方程,然后用待定系数法确定相应的常数,从而简洁地求得方程的精确解。

随着2.94 μm 激光在医学中的应用日益广泛,控制工作激光参数提高医疗安全性能显得尤为重要,对工作的 激光进行调Q是很有必要的。介绍了利用双布儒斯特角切割的 LiNbO3 晶体作为电光Q开关的 Er:YAG 调Q激光器,在工作频率5 Hz,脉冲泵浦能量92 J条件下,获得了脉宽 103～110 ns,能量达到87 mJ的调Q脉冲激光输出。 并分别在静态和调Q模式下对龋牙进行了窝洞制样,利用扫 描电子显微镜对样本扫描,对比显示调Q激光制样的效果更好。

讨论两种散射,导出相应的分布函数,运用蒙特卡罗法模拟光子在无序介质中的 随机行走过程,得到非相干背散射空间分布及反射率。计算结果表明:散射不同,非相干背散射空间分布和反射率不同,非相干背散 射反射率随光入射角增大而增大;非相干背散射反射率随无序介质吸收系数增大而减小,通过测量非相干 背散射反射率可得吸收系数,进一步可得每次散射光子被微粒吸收的概率;非相干背散射反射率随光子 平均自由程增大而减小,通过测量非相干背散射反射率可得平均自由程,这比检测相干背散射来得到平均自 由程要容易。最后,讨论了背散射对无序激光器的影响。

在无测量状态下,对三量子位纠错电路进行设计和优化,提出模块化概念设计和优化量子纠错电路。 随着量子位的增加, 三量子位纠错电路作为模块可用于五量子位纠错电路中,五量子位纠错电路作为模块可用于七量子位纠错电路中,以此类推。 少量子位纠错电路作为多量子位纠错电路的部分模块使用,可使得多量子位纠错电路设计简化,冗余位减少,使之量子代价较低。

应用颗粒膜电介质晶体在低频极限下的准静态折射率 εeffμeff 和静态折射率 εeff 的关系,分析和计算了光子晶体低频折射率。结果表明:由于低频电磁波诱导的 涡流 (或极化电流), 使非磁性光子晶体显现反磁性共振,这个共振依赖于周期性颗粒的半径a 和趋肤深度δ0之间的关系。即,如果 δ0a, 包含物内部电磁场被屏蔽,使每一种包含物的行为像μ=0的 理想反磁性体。对于平行颗粒膜平面 (H偏振)的电磁波,光子晶体的反磁性磁导率 (μeff=1－f) 总体上是随填充数的增加而线性地减少;相反地,当趋肤层大于半径,则反磁性体 共振可以忽略。周期性颗粒的磁化引起静态和准静态折射率的结论,解释了非对易限制的问题。

红外非线性晶体材料CdSe具有透光波段宽广,吸收系数低等优点, 在中长波尤其是 8～12μm红外波段的频率转换 方面有广阔的应用前景,目前已引起国外众多科研机构的极大重视。采用高温元素反应法直接合成 CdSe 多晶料, 利用温度梯度熔体区熔法生长出 CdSe 单晶,晶体棒毛坯尺寸达Φ19×70 mm; 通过X射线粉末衍射、感应耦合等离子 体质谱等对多晶原料进行成分分析,原料纯度可达5N; 利用低倍率红外显微镜、红外分光光度计检测了晶体的基本光学性能, 3～20μm波段晶体平均吸收系数α约为0.08 cm-1, 品质良好,已能满足激光实验要求。

证明了在双光束耦合外加偏压的双光子光伏光折变晶体中存在一种新的全息屏蔽光伏空间孤子。 在信号光远小于抽运光的条件下得出了亮(暗)孤子的解析解。数值模拟了这种孤子在稳态条件下的演化特性。 结果表明:在给定的参量情况下,在晶体中可形成稳定的双光子明(暗)全息屏蔽光伏空间孤子。

基于具有双光子光伏光折变效应的介质,数值研究了双光子Manakov光伏孤子的温度特性。 结果表明:在室温范围内,亮-亮、暗-暗和亮-暗Manakov光伏孤子对成分的峰值光强和半峰全宽均受 温度影响。亮-亮Manakov光伏孤子对的强度包络随着晶体温度的升高,其两孤子成分的峰值光强都逐 渐减小,而其半峰全宽逐渐增加。暗-暗和亮-暗Manakov光伏孤子对具有类似的温度特性。在一定的温 度范围内,两孤子成分可以克服温度扰动而演化为稳定孤波。

用相干函数法研究了Compton散射下圆形部分相干光束在全内反射光子晶体中的自陷行为。 研究发现,散射使光谱中非相干成分和衍射效应降低,形成孤子的几率提高。传输中孤子振荡幅值、 压缩程度、变化周期、半径均比散射前小,相干半径比散射前大,自聚焦起主导作用。

利用离散偶极近似(Discrete dipole approximation, DDA)方法分析了入射光偏振状态 对单个金纳米棒状颗粒的光学性质的影响,并给出了单个金纳米棒状颗粒底面和 剖面的近场分布图,对于设计实现基于金属微纳结构的纳米光子器件具有一定的指导意义。研究结果表明,不同的 入射光偏振方向会激发不同的表面等离子体模式(横向表面等离子体共振和纵向表面等离子体共振), 这将影响棒状颗粒的消光谱峰和近场分布。

分析了脑局部皮层的近红外漫反射光谱在研究脱水剂脱水作用中的可行性。将60只SD大鼠随机 分成A、B、C三组,每组分别在尾静脉推注0.9% NaCl、20%甘露醇和7.5% NaCl (均为10 ml/kg), 利用双光纤微 创探头实时在位采集推注前后大鼠局部脑皮质的近红外漫反射光谱,分析光谱变化。A组(0.9% NaCl) 推注前后光谱未见明显变化,B组(20%甘露醇)和C组(7.5% NaCl)推注后近红外区光谱斜率绝对值的相对变化率 分别上升 (5.5±1.2)%和(10.5±2.5)%, 三组间的差别存在统计学意义。可见,脑局部皮质的漫反射光谱可作为一 种评估脱水剂脱水作用的新方法。

给出了具有椭球边界量子棒经过坐标变换成球形边界的哈密顿量。采用线性组合算符 和幺正变换的方法研究了在非均匀抛物限制势下量子棒中弱耦合极化子的振动频率λ、第一内部激发态能量E1、 激发能量ΔE 和从激发态到基态跃迁谱线频率ω 随椭球的纵横比e′、电子-声子耦合强度α和横向和纵向有效受限长度lp和lz的变化关系。 数值计算结果表明:振动频率、第一内部激发态能量、激发能量和跃迁谱线频率随横向和纵向有效受 限长度的减少而迅速增大。第一内部激发态能量随电子-声子耦合强度的增加而减少。振动频率随椭球纵横比的 增加而减少。当 e′>1 时,激发能量和跃迁谱线频率随椭球纵横比的增加而增加。当 e′<1 时,随椭球纵横比的减少而增大。当e′=1 时,它们取极小值。

功率控制技术是无线网络的关键技术之一。为改进多业务无线网络中 基于非合作博弈的功率控制算法中 纳什均衡的帕累托有效性,引入数据终端的最佳等信干比概念,使得系统中所有数据终端都工作在最佳的 等信干比下,语音终端工作在语音通信服务质量门限的目标信干比门限之下。推导出一个新的分布式基于 最佳等信干比的功率控制算法。仿真表明,该算法明显提高了系统的服务质量,系统中终端均具有相对较 高的效用和较低的发射功率,还使得无线网络资源的使用更加合理和公平。

光纤放大器用于补偿光信号在光纤中的传输损耗,是全光通信网中的核心器件。 建立了光孤子在分布式 光纤放大器中传输的物理模型,采用分步傅里叶变换法数值模拟了光孤子的传输放大特性,讨论了增益色散对 光孤子形状和频谱的影响。结果表明：在放大器的反常色散区,随着光孤子的放大,会不断地产生啁啾孤子, 孤子频谱会加宽并且产生振荡结构。放大介质的增益色散将会使光孤子幅度下降,宽度展宽,频谱窄化。因此, 光纤放大器的色散、非线性效应和增益色散均会对光孤子的传输特性产生影响。