1 天津大学光电信息技术教育部重点实验室, 天津 300072
2 崂山实验室, 山东 青岛 266234
3 电磁空间安全全国重点实验室, 天津 300308
海洋是丰富的资源宝库, 对海洋资源的开发和利用尤为重要。水空跨介质探测、通信、水下目标确定等技术一直是相关工作者关注的热点, 同时也是技术难题。声波作为一种机械波, 是水中良好的传播载体, 因此通过提取水下声波信息进行水空跨介质探测及通信不失为一种好方法, 但目前仍缺少完整的水下声信号传播模型及试验基础。本文提出一种基于有限元方法的水下声信号产生水面波纹振动的仿真模型, 并运用激光多普勒测振技术对水面波纹进行检测, 通过试验与仿真两种方式均能在水面以上精准得到水下声波信息。在相同水下声信号参数的条件下, 试验与仿真得到的水面波纹振幅大小一致, 验证了激光多普勒测振技术用于获取水下声波信息的可行性及所建立仿真模型的正确性, 为实现水空跨介质探测及通信的突破提供了试验基础及理论依据。
激光多普勒测振 跨介质探测 水声学原理 有限元方法 laser doppler vibration measurement cross-media detection hydroacoustic principle finite element method
给出了一种计算二维色散介质光子晶体能带结构的方法,研究二维色散介质光子晶体的特性。考虑色散光子晶体,即介电常数与频率相关,求解一个非线性特征值问题得到能带结构。首先,基于光子晶体电磁波传播的控制方程组推导出变分形式,对离散以后的非线性问题选择合适的解作为初始值,基于牛顿法对不同的波矢值求解该非线性问题,获得色散关系,从而得到光子晶体的能带结构分布。基于数值方法,求解了几种不同的色散介质光子晶体在横电(TE)、横磁(TM)模式下的能带结构,数值结果表明该方法是有效的。
色散光子晶体 能带结构 有限元方法 光子带隙 牛顿法 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0926001
1 北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100192
2 西安应用光学研究所, 西安 710065
为了实现深空探测系统对成像光束的高速和高精度控制, 以50 mm×4 mm的单晶硅反射镜作为负载, 采用理论和仿真分析相结合的方法, 对音圈电机驱动的快速反射镜进行了理论分析和实验验证。给出了该快速反射镜的一般构成、工作原理及数学模型, 采用有限元法分析计算了音圈电机线圈、永磁体和气隙尺寸对驱动力矩的影响, 最后设计、制作了快速反射镜样机, 并进行了测试。结果表明, 快速反射镜的转角范围大于±1°, 带宽(3 dB)大于500 Hz。该研究结果有助于推广光学快速反射镜在深空探测、激光通信、光电对抗等领域的应用。
光学设计 信息光学 深空探测 有限元方法 快速反射镜 音圈电机 optics design information optics deep space detection finite element method fast steering mirror voice coil actuators
基于电介质-旋电介质的磁表面等离激元(SMPs)模型,从色散方程出发,理论分析了存在表面波时旋电介质介电张量和电介质介电系数的关系,以实现单向传输的SMPs。提出Ce∶YIG/Ag超构旋电材料,根据有效介电张量理论构造满足SMPs条件的旋电介质的介电张量。分析了电介质-旋电介质表面波的色散特性,利用有限元方法对电介质-超构旋电介质模型的传输特性进行了仿真计算,在施加常规磁场(0.2 T)情况下实现了工作于近红外波段的SMPs单向传输,并在该结构中引入缺陷。仿真结果表明该SMPs单向波导具有很好的鲁棒性。
表面光学 磁表面等离激元 单向电磁模式 超构材料 近红外 有限元方法
1 山西大学, 物理电子工程学院 山西 太原 030006
2 山西大学激光光谱研究所, 量子光学与光量子器件国家重点实验室 山西 太原 030006
3 山西大学, 极端光学协同创新中心 山西 太原 030006
设计了一种由涂覆石墨烯的两根椭圆柱形和一根圆柱形电介质纳米线构成的基于石墨烯表面等离激元的纳米并行线波导。利用有限元方法, 对波导所支持的5个最低阶模式的传输特性进行了分析。结果表明, 波导所支持的这些模式均可由涂覆石墨烯的椭圆柱形和圆柱形电介质纳米线的基模和一阶模合成。工作波长或者石墨烯的费米能变化时, 这些模式的传输特性的变化趋势保持一致。模式1和模式2的传输特性受椭圆柱纳米线半长轴、中心间距和圆柱纳米线的高度的影响相对较大。模式3的传输特性受结构参数的影响相对较小。模式4和模式5的传输特性受椭圆柱纳米线半长轴、中心间距和圆柱纳米线的半径的影响相对较大。本文设计的波导采用了椭圆柱形结构, 增加了可调节的参数, 其传输性能优于由涂覆石墨烯的三根圆柱形电介质纳米线构成的波导。本文设计的波导在微纳光学器件集成和传感器领域具有一定的应用前景。
石墨烯 表面等离激元 纳米线 波导 有限元方法 graphene surface plasmon polaritons nanowire waveguide finite element method
1 山西大学物理电子工程学院,山西 太原 030006
2 量子光学与光量子器件国家重点实验室,山西大学激光光谱研究所,山西 太原 030006
3 极端光学协同创新中心,山西大学物理电子工程学院,山西 太原 030006
设计了一种涂覆石墨烯的混合型电介质纳米并行线波导。这种波导由两根圆柱形和一根椭圆柱形电介质纳米并行线组成。利用有限元方法对5个最低阶模式进行了分类,研究了工作波长、石墨烯的费米能和结构参数对5个最低阶模式的有效折射率实部、传播长度和品质因数的影响。结果表明:5个最低阶模式均可由圆柱形纳米线和椭圆柱形纳米线的低阶模合成。当调节工作波长和石墨烯的费米能时,5个模式的传输特性均可得到有效的调节。当结构参数变化时,前两个模式的传输特性变化比较显著,而其他三个模式的传输特性变化不明显。将所设计结构与由两根椭圆柱形和一根圆柱形电介质纳米并行线构成的波导相比较,发现所设计的结构具有更长的传播长度和更高的品质因数。该研究为涂覆石墨烯的混合型电介质纳米并行线波导的设计、制作和应用提供了参考。
表面光学 石墨烯 纳米线 波导 表面等离激元 有限元方法 光学学报
2022, 42(13): 1324001
采用MSC Marc软件建立了热力耦合有限元模型,分析了激光直接沉积过程中的温度与应力变形的演变过程。考虑高温下钛合金的应力松弛行为,通过多次迭代修正了材料本构方程。同时,基于热电偶与激光位移传感器开发了成形过程中的瞬态实时测量装置,对钛合金薄壁件实际成形过程中的温度和变形进行了原位测量。对修正后的模型的模拟计算值和实测值进行比较与分析,结果表明:原位测量结果与模拟结果的温度误差仅为7.9%,变形误差为19.6%,基板变形的规律一致;沉积层总体呈拉应力状态,主应力方向与沉积方向一致。
激光光学 激光直接沉积 原位测量 热力耦合模型 残余应力与变形 有限元方法 激光与光电子学进展
2022, 59(11): 1114007
西安工业大学光电工程学院,陕西 西安 710021
基于传统谐振开口圆环频率选择表面(FSS),在有限元方法和半谐振圆环周期孔径结构的基础上,利用Floquent周期条件模拟无限空间单元,通过频域求解器得到该结构的散射参数和带通特性。将该结构单元的形状拓展成上下表面为反向开口的月牙形双层结构并优化出顶部传输通带平坦的多层半谐振环耦合结构FSS。仿真结果表明,横磁波垂直入射时,半谐振环结构的谐振频率稳定在9 THz,中心频率处的回波损耗为-22 dB,且具有较好的角度稳定性。双层月牙形结构在谐振点5.9 THz、10 THz和11.7 THz处可实现多窄带带通,多层FSS结构在6.35~9.35 THz频段内的传输系数低于-3 dB,具有良好的极化稳定性,为FSS在太赫兹无损检测、通信及传感等领域内的应用提供了理论依据和技术支撑。
物理光学 频率选择表面 带通特性 太赫兹 有限元方法 激光与光电子学进展
2022, 59(7): 0726002