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基于H分形声学超材料研究的声聚焦透镜设计

基于H分形声学超材料研究的声聚焦透镜设计

作者：曹宇杰哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

一直以来,声学技术由其在军用与民用领域应用的重要性受到越来越多的关注。随着声学领域各类应用技术发展的不断加深,新型声学材料与新型声学器件的开发成为该领域研究重点。其中,声学人工材料,特别是声学超材料,能以非传统的方式处理... 详细信息

一直以来,声学技术由其在军用与民用领域应用的重要性受到越来越多的关注。随着声学领域各类应用技术发展的不断加深,新型声学材料与新型声学器件的开发成为该领域研究重点。其中,声学人工材料,特别是声学超材料,能以非传统的方式处理和调控声波,且往往具有传统材料所不具有的性能参数。近年来,基于声学超材料的开发与声学器件设计已经取得极大的进展,在军事、医疗、材料探伤等领域均取得了广泛应用。目前声学超材料设计主要存在两种方法,其一利用谐振特性设计超材料单元,其二基于等效媒质理论实现特殊等效参数以进行超材料结构设计,但这两种方法均存在一定局限性。本文中主要结合分形思想,设计了一种新型声学超材料,并以此设计了一种宽带宽声学聚焦透镜。声学超材料设计的相关基础理论。本文结合光学超材料中提取有效参数的二端口系统,讨论了声学超材料的有效参数与超材料单元透射系数与反射系数的推导关系,分析了声聚焦透镜的工作原理,为后续声学超材料与声聚焦透镜的设计奠定理论基础。H分形声学超材料的提出与性能探究。本文结合分形理论讨论了分形应用于声学超材料设计中的可能性与优势。设计了基于H分形的声学超材料并于COMSOL中进行了仿真。探究了H分形的性能参数,提出了开口中缝设计以对其性能进行改良,进一步降低了其等效阻抗并消除了其谐振特性以提高宽带宽响应的可能。探究了H分形结构参数对其性能的调制。声学聚焦透镜的设计。仿真得到H分形的透射相移,在利用H分形声学超材料阶数变化与结构参数变化的基础上获得了的宽透射相移取值范围。基于透射相位与结构参数的调制关系,设计了透射相位呈圆弧状分布、宽带宽、低阻抗的声聚焦透镜,并在COMSOL中仿真验证了其透射聚焦效果。研究了其各方面性能,验证了H分形结构与分形理论在声学超材料设计领域的应用前景。

关键词：声学超材料聚焦透镜分形宽带宽

基于相位变化的动态可调焦表面等离子体聚焦透镜的设计

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基于相位变化的动态可调焦表面等离子体聚焦透镜的设计

作者：黄薛林兰州大学

学位级别：硕士

表面等离子体激元是金属表面区域的自由电子与照射的光子之间相互作用而产生的电磁场,这种电磁模式被局限在金属表面很小的范围内,同时得到增强,具有突破传统光学衍射极限的优良性能,在超分辨成像、光电回路的集成、生物医学传感以及光... 详细信息

表面等离子体激元是金属表面区域的自由电子与照射的光子之间相互作用而产生的电磁场,这种电磁模式被局限在金属表面很小的范围内,同时得到增强,具有突破传统光学衍射极限的优良性能,在超分辨成像、光电回路的集成、生物医学传感以及光学存储等领域有着广阔的应用前景。特别是基于表面等离子体共振的平面透镜微纳光学结构不仅具有出色的超强光透射现象,又能在某一入射波长范围内使透射光于远场形成很强的汇聚现象,因而受到了人们的广泛关注。迄今为止已经有很多类型的平面透镜结构被提出来,比如纳米狭缝或者纳米孔阵列结构、波带片结构和光子晶体结构等。虽然这些光学方案有着不一样的结构组成,但其聚焦原理都基本一致,即通过透射光波在出射面形成特殊的相位分布,从而在特定的位置产生相长干涉形成焦点。通过不断的优化改进,各种平面透镜结构的性能也越来越优越。然而绝大部分的平面透镜结构由于一旦被加工制造出来以后,其各项参数便固定住了不可改变,因此缺乏动态调节焦距的能力。而对焦距位置的控制能力在光电回路以及光子器件的集成等领域起着至关重要的作用,因为这将影响到光学响应的微调性能和光路切换的效果。因此也有着一些光学方案试图使其提出的平面透镜具有这种焦距调节能力,比如通过改变入射光的入射角来使等离子透镜的焦距产生变化,或者利用各向异性的液晶材料修饰透镜使焦距位置改变等。虽然这些方法也能够使得透镜的焦点位置发生变化并使得焦斑在纳米尺度内,但他们只能严格控制入射光束或者利用复杂的光学控制系统来实现,不够简便也不易操控。本文提出了一种基于相位变化的动态可调焦表面等离子体聚焦透镜的设计,利用填充进透镜的离子液体的高度变化来改变透射光于出射面的相位分布。得益于现已比较成熟的微流体技术,改变离子液体的高度相比其他的方法要简单方便很多,从而方便、精确的实现对亚波长表面等离子体透镜焦点位置的控制。我们前后分别提出了银单缝表面等离子体透镜结构和金双缝表面等离子体透镜结构。当入射波长为532nm的TM平面波垂直照射该透镜,光波在通过狭缝时,在金属与空气表面产生表面等离子体激元,表面等离子波沿金属表面传播,经过上方离子液体的调制后,在远场形成汇聚图样。对于银单缝透镜结构,焦距调节的范围约有0.42μm,且其调节幅度相对较小,所以适用于焦距的微调场合;而对于金双缝透镜结构,焦距调节的范围达2.6μm是入射波长的4.89倍,且调节幅度相对较大,故而适合于大范围的焦距调节情形。与此同时,我们利用基于有限元法的仿真软件对这两个表面等离子体透镜结构做了模拟仿真,仿真结果与原理推导和理论计算的结果较为一致,表明我们设计的这两种亚波长表面等离子体透镜结构的聚焦及焦距调节方案可靠性较高,在光电回路的集成、生物医学检测传感和微纳加工等实际应用领域中有很大的前景。

关键词：表面等离子体聚焦透镜离子液体变化的相位可变焦距

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聚焦透镜棒的色差分析

物理学报 1982年第2期 226-233页

作者：刘德森中国科学院西安光学精密机械研究所

本文从光线光学出发,得到了聚焦透镜棒的色差方程式,对Tl-1,Cs-1,DAP MMA和CR39-8FMA聚焦透镜棒的色差作了数值计算,给出了色差方程在特殊情况下的解。

关键词：聚焦透镜光线焦距色差分析横向色差

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聚焦透镜对喇曼激光器的影响

应用光学 1993年第5期14卷 37-40页

作者：苑高强贾选军刘玉岩西安应用光学研究所

本文报导了在同样气压等条件下,喇曼池的聚焦透镜对自调Q及BDN调Q甲烷喇曼激光器的影响,并对两者进行了比较。

关键词：聚焦透镜自调Q 喇曼激光

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超短脉冲高斯光束经聚焦透镜的光场形式

中国激光 2001年第6期28卷 518-522页

作者：杨莉松王中阳王桂英徐至展中国科学院上海光机所强光光学开放研究实验室上海201800

考虑到激光腔模中光腰的频率依赖性 ,得到了超短脉冲高斯光束经消色差透镜聚焦后光场的解析形式 ,并讨论了此时透镜群速度色散对光束聚焦性质的影响。分析了单透镜色差和群速度色散对超短脉冲高斯光束聚焦的时间分布及脉冲波面的影响 ;... 详细信息

考虑到激光腔模中光腰的频率依赖性 ,得到了超短脉冲高斯光束经消色差透镜聚焦后光场的解析形式 ,并讨论了此时透镜群速度色散对光束聚焦性质的影响。分析了单透镜色差和群速度色散对超短脉冲高斯光束聚焦的时间分布及脉冲波面的影响 ;比较了消色差透镜及单透镜中脉冲初始光腰尺寸对聚焦的影响。

关键词：超短脉冲高斯光束光场形式聚焦透镜

聚焦透镜和加工环境对飞秒激光加工镍基合金的影响

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航空科学技术 2015年第11期26卷 109-113页

作者：张伟张晓兵冯强崔向中巩水利北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室北京100024 北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083

针对飞秒激光加工镍基合金材料,研究了4种数值孔径的聚焦透镜和3种加工环境(空气、真空和氩气)对飞秒激光加工效率和重铸层的影响。实验结果表明:聚焦透镜数值孔径越大,聚焦后激光能量密度越大,加工效率越高,而焦深越小,可加工材料厚度... 详细信息

针对飞秒激光加工镍基合金材料,研究了4种数值孔径的聚焦透镜和3种加工环境(空气、真空和氩气)对飞秒激光加工效率和重铸层的影响。实验结果表明:聚焦透镜数值孔径越大,聚焦后激光能量密度越大,加工效率越高,而焦深越小,可加工材料厚度越小。在空气、真空和氩气3种加工环境下,镍基合金飞秒激光加工的重铸层厚度随着脉冲个数的变化规律相似,在相同脉冲个数下,3种加工环境中加工深度差距不大。

关键词：飞秒激光镍基合金聚焦透镜加工环境

Boersch效应实验系统聚焦透镜的优化设计

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真空电子技术 1998年第5期11卷 7-11,16页

作者：程彬杰王莉萍唐天同西安交通大学光电子与物理电子工程系

聚焦透镜是Ｂｏｅｒｓｃｈ效应实验系统的一个关键部件。我们对聚焦透镜的结构进行了优化设计。根据优化的约束，选用了带有外点罚函数的Ｐｏｗｅｌｌ法。研究了其算法构造，并编制了相应的优化软件。用此软件进行优化计算后，得到了满... 详细信息

聚焦透镜是Ｂｏｅｒｓｃｈ效应实验系统的一个关键部件。我们对聚焦透镜的结构进行了优化设计。根据优化的约束，选用了带有外点罚函数的Ｐｏｗｅｌｌ法。研究了其算法构造，并编制了相应的优化软件。用此软件进行优化计算后，得到了满足Ｂｏｅｒｓｃｈ效应实验要求的聚焦透镜。此结构用于实验中，观测到了明显的Ｂｏｅｒｓｃｈ效应。证明此优化方法对Ｂｏｅｒｓｃｈ效应实验系统中的聚焦透镜设计非常有效。

关键词：优化聚焦透镜 Boersch效应电子束