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光波导中光梯度力的研究

光波导中光梯度力的研究

作者：徐丽敏湖北大学

学位级别：硕士

随着信息时代的发展,人们对高速的大数据流量需求也越来越大。光子集成器件小型化、高速率、低功耗和低成本等优势为光通信发展提供了一个绝佳的方向。光子集成器件各种功能的实现都有赖于对介质折射率的调控,然而由于介质极低的光学非... 详细信息

随着信息时代的发展,人们对高速的大数据流量需求也越来越大。光子集成器件小型化、高速率、低功耗和低成本等优势为光通信发展提供了一个绝佳的方向。光子集成器件各种功能的实现都有赖于对介质折射率的调控,然而由于介质极低的光学非线性效应导致对介质折射率的调控非常困难。光梯度力效应可以使波导结构发生形变,从而改变波导的有效折射率,这种有效折射率的改变往往比光学非线性效应导致的折射率改变高几个数量级。因此,光梯度力为光子调控提供了一种新思路,这也使得光子集成器件中光梯度力的研究得到了广泛的关注。本文致力于光梯度力的研究,重点研究了两种光波导模型中的光梯度力,包括耦合波导和微环光波导,论文的具体研究内容如下:(1)研究了两端固定、中间悬空的耦合硅波导的模式与有效折射率。分析了有效折射率相对于两子波导间距的梯度关系,并基于此,计算了耦合波导两子波导之间的光梯度力。对比研究了硅波导横截面结构参数对光梯度力的影响,在波导具有相同横截面面积的情况下,两波导相邻接触面的面积越大时,光梯度力作用效果越明显。截面w×h=500×200 nm的模型空气间隙由120 nm变为20 nm所需的光功率为180 m W,光梯度力为40 n N,有效折射率变化了0.3。在此基础上,研究了一种用金属条取代其中一根硅波导的波导结构。在采用TM模式激发时,会在硅波导与金属之间产生光波导模式与金属表面SPP模式之间的耦合,并形成一个混合SPP的光波场。研究了该模场有效折射率相对于空气间隙宽度的梯度关系,并计算了金属条所受到的光梯度力。该金属模型空气间隙由120 nm变为20 nm所需的光功率为4.2 m W,产生的光梯度力为4.5 n N,有效折射率变化了0.6。因此这种硅-空气-金属的结构在相同光功率激发条件下,可以产生更大的波导间距的改变,相应地,更显著的影响了硅的有效折射率。(2)首先采用Lumerical软件系统仿真了直通型微环光波导的传输特性。然后研究了悬空微环光波导中的光梯度力,分析了入射光光功率与光梯度力的关系,计算了在光梯度力的作用下,微环与衬底之间空气间隙的改变量,以及间隙改变导致的微环谐振峰移动。在此基础上,探索了微环光波导-空气间隙-金属衬底的混合SPP模式下的微环光力作用。研究表明,混合SPP模式对微环与金属衬底之间的间隙更敏感,间隙改变量30 nm将导致微环谐振峰移动由0.21 nm增强为4.2 nm。另一方面,由于混合SPP波导具有更大的消逝场梯度,在相同光功率输入情况下,光在金属衬底悬空微环中产生的光梯度力也提升了6倍,这导致了微环与金属衬底间隙有更大的变化量。在两者共同作用下,包含金属衬底的悬空微环波导,谐振峰移动对注入光功率的灵敏度提升了2个数量级。

关键词：光子集成器件光梯度力耦合波导微环谐振器

利用激光光梯度力消除气溶胶雾霾粒子的机理研究

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物理学报 2016年第7期65卷 150-156页

作者：张永燕吴九汇曾涛钟宏民西安交通大学机械工程学院西安710049 四川理工学院机械工程学院自贡643000

针对气溶胶雾霾粒子在大气流中所受力的平衡体系(旋转升力平衡重力,粒子与粒子之间依靠斥力形成稳定的网状的力平衡体系)的问题,提出了用激光光梯度力破坏力平衡进而消除雾霾的新机理.首先,根据牛顿第二定理,得到了粒子所受力的非线性... 详细信息

针对气溶胶雾霾粒子在大气流中所受力的平衡体系(旋转升力平衡重力,粒子与粒子之间依靠斥力形成稳定的网状的力平衡体系)的问题,提出了用激光光梯度力破坏力平衡进而消除雾霾的新机理.首先,根据牛顿第二定理,得到了粒子所受力的非线性方程组,应用Runge-Kutta法积分求解了雾霾颗粒在大气流中所受的主要力(空气曳引阻力、范德瓦耳斯斥力、旋转升力)的数值,成功验证了西安市2013年12月17—25日、2014年2月20—26日两次雾霾检测试验结论:在雾霾过程中,粒径在0.5—0.835μm径段的粒子数浓度增加最明显.其次,在雾霾粒子形成的均匀介质中,计算了激光光梯度力的大小.研究发现,激光光梯度力的数量级恒大于雾霾颗粒所受主要力的数量级,激光光梯度力完全可以破坏雾霾颗粒所受力的平衡体系.因此,用激光光梯度力消除雾霾是可行的,这种新的解决雾霾的方法对人们的实际生活、环保及创建美丽的蓝天具有非常重要的意义.

关键词：雾霾粒子光梯度力激光

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激光光梯度力消除雾霾的实验研究

西安交通大学学报 2018年第10期52卷 57-63页

作者：张德峰陈晓伟王海容杜军姜久龙吴九汇西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室西安710049 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室西安710054 空军工程大学航空航天工程学院西安710038

利用激光光梯度力破坏雾霾粒子的力平衡体系从而加速雾霾沉降的新机理,搭建了模拟动态雾霾的实验舱。通过向悬浮的雾霾粒子辐射激光的方式验证了激光消除雾霾的可行性。大气中的雾霾粒子由于受到曳引阻力、范德瓦尔斯斥力、旋转升力等... 详细信息

利用激光光梯度力破坏雾霾粒子的力平衡体系从而加速雾霾沉降的新机理,搭建了模拟动态雾霾的实验舱。通过向悬浮的雾霾粒子辐射激光的方式验证了激光消除雾霾的可行性。大气中的雾霾粒子由于受到曳引阻力、范德瓦尔斯斥力、旋转升力等的作用,处于稳定的网状力平衡状态。激光与雾霾粒子的相互作用过程即为利用激光光梯度力俘获电介质粒子的过程。当激光产生的光梯度力打破雾霾粒子所处的平衡状态时,激光对雾霾粒子的捕获能力大于大气的悬浮能力,雾霾粒子便会脱离原有的力平衡体系而坠落。实验数据表明,功率为2.6mW的氦氖激光器产生的光梯度力足以打破直径分别为0.3、0.5和1.0μm的雾霾粒子原有的力平衡体系。激光开启时,实验舱内粒子浓度急剧衰减,衰减速率明显高于粒子的自然衰减速率,成功达到了加速粒子沉降的目的。实验结果还表明,烟雾粒子粒径越大沉降的效果越明显。这种治理雾霾的新机理对净化大气、消除工厂粉尘以及对人们的健康生活、经济持续发展等具有重要意义。

关键词：雾霾粒子光梯度力模拟方法实验研究

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一种新型微纳量级的推进概念研究

推进技术 2018年第6期39卷 1434-1440页

作者：于博焦蛟康小录赵青电子科技大学物理电子学院四川成都611731 上海空间推进研究所电推进事业部上海201112 上海空间发动机工程技术研究中心上海201112

皮纳卫星主要用于星群侦查任务,针对该量级卫星的推进系统,研究一种新型微纳量级的推进技术(光波纳米推进技术),该推进技术结合表面等离子体激元技术和聚焦光场中的"光镊"技术来产生推力。为验证工作原理的可行性,采用数值分析方法,对... 详细信息

皮纳卫星主要用于星群侦查任务,针对该量级卫星的推进系统,研究一种新型微纳量级的推进技术(光波纳米推进技术),该推进技术结合表面等离子体激元技术和聚焦光场中的"光镊"技术来产生推力。为验证工作原理的可行性,采用数值分析方法,对不同结构和材料的天线、不同级联通道形状以及不同推进工质下的推进效果进行仿真预估,对天线间隙的激元电磁场、其所产生的光梯度力以及级联后可实现的推力进行了研究,以确定工作原理可行。结果表明,光波纳米推进技术可以实现微牛量级的推力,可基本满足皮纳卫星的推进需要。

关键词：微纳推进表面等离子体激元光镊光梯度力光波纳米推进技术

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牵引光束发展概况

山西大学学报(自然科学版) 2014年第4期37卷 475-479页

作者：陈君崔新林山西大学理论物理研究所

通过光束来实现对物体的吸引一直是人们的梦想。近年来,对牵引光束的研究引起了人们极大的兴趣,而光吸引的理论证实则使得这种研究兴趣达到高峰。通过设计并调节牵引光束以及被操控微粒的参数,可以实现通过光力对微粒的逆光吸引。目前,... 详细信息

通过光束来实现对物体的吸引一直是人们的梦想。近年来,对牵引光束的研究引起了人们极大的兴趣,而光吸引的理论证实则使得这种研究兴趣达到高峰。通过设计并调节牵引光束以及被操控微粒的参数,可以实现通过光力对微粒的逆光吸引。目前,人们提出了多种牵引光束,并在实验中得到了证实。随着进一步研究,牵引光束将为基础和应用研究提供更多的机会,走出实验室,最终走向消费市场。

关键词：牵引光束光吸引力光散射力光梯度力

直波导及环型波导全光开关的光力耦合及控制机理研究

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直波导及环型波导全光开关的光力耦合及控制机理研究

作者：张杨哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

目前,随着当下芯片计算能力的增长越来越难以满足各种高性能计算需求,同时全球互联网所面临的高速需求与吞吐压力的逐步增大,人们迫切需要一种更加高效的信息传递方式。大规模集成光路有可能协同甚至取代大规模集成电路成为下一代高性... 详细信息

目前,随着当下芯片计算能力的增长越来越难以满足各种高性能计算需求,同时全球互联网所面临的高速需求与吞吐压力的逐步增大,人们迫切需要一种更加高效的信息传递方式。大规模集成光路有可能协同甚至取代大规模集成电路成为下一代高性能计算与高速通信网络的重要组成部分。光学微环谐振器具有增强光功率、结构紧凑、良好的波长选择等特性成为极具竞争力的集成光学基本元器件。目前,光开关的驱动方式一般基于电光效应、热光效应和静电效应,这些类开关不能实现全光控,且不便于集成、或驱动功率高。现有研究表明因波导倏逝场而形成的光梯度力可以作为全光开关的一种新的驱动手段。本论文主要研究工作是对两种光梯度力驱动的光开关进行详尽的分析,并以此为基础设计了能够满足多种基本逻辑门需求的逻辑光开关,具体如下:对于以直波导为基础的全光开关,基于Euler–Bernoulli梁理论研究了控制光激发的光梯度力引起悬空信号光波导的横向变形,悬空的信号光波导受力产生横向位移,改变了两信号光波导之间的间距,进而改变波导耦合系数,让不断发生的功率交换周期不再是稳定的耦合长度,使原本从某一信号光波导输出端口输出的信号光因为相移从另一信号光波导的输出端口输出,实现了光路的切换。然后还分析了输入输出端口的弯曲波导对光路切换的影响。针对以微环谐振器为基础的全光开关分析了微环对光梯度力的增强作用。基于Timoshenko曲梁模型,通过伽辽金法求得光梯度力对微环局部产生的横向变形,并研究了其瞬间吸合现象。通过分析微环悬空部分与衬底间距变化导致的有效折射率变化得到微环的谐振光波长的偏移。推导其谐振光谱发生特定大小的偏移时所需要的微环光功率,特定大小的谐振波长偏移让原本不满足微环谐振条件的信号光满足谐振条件,信号光被耦合进微环中,从而发生光路切换。最后通过耦合模理论分析,以微环谐振器全光开关为基础,设计一种光逻辑开关,该逻辑光开关可以满足“与”(AND)、“非”(NOT)、“或”(OR)、“或非”(NOR)、“异或”(XOR)和“异同”(XNOR)这六个逻辑门的操作要求。并通过理论分析和仿真验证了光逻辑开关的正确性。

关键词：光梯度力微环谐振器全光开关光逻辑门伽辽金法

基于光力学马车轮效应的介质纳米粒子的双向分选

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基于光力学马车轮效应的介质纳米粒子的双向分选

作者：杨艺暨南大学

学位级别：硕士

对于不同的应用领域如生物医学、表面科学,对纳米粒子的尺寸要求不同,因此粒子分选具有很高的研究价值。在现有的分选方法中,对一般的介电纳米粒子进行分选的方法仍然比较匮乏。因此本文针对低折射率介质颗粒的分选提出了一种非常简易... 详细信息

对于不同的应用领域如生物医学、表面科学,对纳米粒子的尺寸要求不同,因此粒子分选具有很高的研究价值。在现有的分选方法中,对一般的介电纳米粒子进行分选的方法仍然比较匮乏。因此本文针对低折射率介质颗粒的分选提出了一种非常简易且实用的方法,我们的灵感来源于,我们对移动目标的视觉感知并不总是正确的。例如,正在快速正向转动的车轮可能看起来像在反向转动。这种现象被称为马车轮效应(Wagon-Wheel Effects,WWE),它是由视觉信息的采样不足引起的。我们通过理论推测在光学微操纵的场景中WWE概念的类似表现,即光力学马车轮效应(Optomechanical Wagon-Wheel Effects,OWWE),并将这种概念引入到扫描光镊中。我们通过实验以及数值计算发现,当以不同速率扫描光阱,粒子对其的动态响应可以完全相反,从而验证了OWWE。此外,我们通过数值计算得到了OWWE随尺寸变化的规律,发现这种行为可受颗粒尺寸的调节,可用于粒度选择。我们的研究结果揭示了一种独特的分选方式,并将介质粒子的双向光学分选范围扩展到200 nm以下,实验上的分离精度可达50 nm,理论上的分离精度可达20 nm。

关键词：纳米粒子粒子分选扫描光镊光梯度力

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集成宽带无源光学非互易器件

集成宽带无源光学非互易器件

作者：王哲奇华中科技大学

学位级别：硕士

随着通信和计算技术的高速发展,光通信光计算器件因其超大带宽、超高速率、抗干扰等优良的特性,得到了越来越广泛的应用。光学非互易器件,可用于制作光隔离器、光环形器、光二极管等基本元件,在光通信光计算领域起着重要作用。进入21世... 详细信息

随着通信和计算技术的高速发展,光通信光计算器件因其超大带宽、超高速率、抗干扰等优良的特性,得到了越来越广泛的应用。光学非互易器件,可用于制作光隔离器、光环形器、光二极管等基本元件,在光通信光计算领域起着重要作用。进入21世纪,随着光子集成概念的提出和发展,对光学非互易器件提出了新的要求。传统分立式的磁光非互易器件不再能满足要求,因而需要设计新型的集成无源光学非互易器件。本文的研究内容主要包括:从洛伦兹互易定理出发,介绍了实现光学非互易传输的方法。接着介绍了现有的实现光学非互易三大类方案及其原理:基于磁光效应的方案,基于空间-时间折射率调制的方案和基于非线性效应的方案。随后,本文针对现有的集成无源非互易方案所存在的带宽过小的缺点,提出了两种新型非互易器件。提出了一种基于非对称混合狭缝波导耦合结构的非互易器件。耦合器的两支为分别填充了不同材料的狭缝波导。耦合器的两支所具有的光学非线性系数差别很大,因而对正向输入的光和反向输入的光会有不同的透射率。此器件具有超大非互易带宽(66 nm),并能在连续光情况和超短脉冲光(200 fs)情况下工作。提出了一种基于光梯度力效应的非互易器件。光力耦合器的一支采用了悬空的波导。由于光梯度力的作用,波导会发生弯曲并导致其折射率改变,即力学克尔效应。由于力学克尔效应远强于光学非线性效应,使得器件的工作功率得以降低。此器件具有非常低工作功率(390μW)和较大的非互易带宽(13.1 nm)。

关键词：光学非互易非线性效应光梯度力混合狭缝波导

复杂激励作用下微纳谐振器非线性动力学特性研究

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复杂激励作用下微纳谐振器非线性动力学特性研究

作者：刘岩上海交通大学

学位级别：硕士

静电驱动是一种传统的谐振器驱动方式，其较好的稳定性和灵敏度使得其广泛应用于各类谐振器中。近年来，光梯度力作为纳谐振器的一种新型驱动方式，其优越的动力学特性，以及集光激励和光检测为一体的优点，也得到了广泛关注。本文分析... 详细信息

静电驱动是一种传统的谐振器驱动方式，其较好的稳定性和灵敏度使得其广泛应用于各类谐振器中。近年来，光梯度力作为纳谐振器的一种新型驱动方式，其优越的动力学特性，以及集光激励和光检测为一体的优点，也得到了广泛关注。本文分析了光梯度力的固有非线性特性、孔板间的静电力和压膜阻尼特性，并分别对光梯度力驱动圆环与辐条谐振系统、复合材料梁谐振器和静电力驱动矩形孔状极板式谐振器进行了动力学建模。利用多尺度法和有限元仿真方法进行分析研究，研究表明：1.光梯度力使系统呈现刚度软化效应，即随着入射光功率的增大，圆环与辐条谐振系统稳态幅值明显增大，且谐振频率随着振幅的增加而发生了较大偏移。基于立方刚度引起的系统刚度硬化现象，可以通过调节入射光功率来实现圆环辐条谐振器的频率调节。2.银和锗复合而成的两端固支梁间的光梯度力比普通材料梁间光梯度力大两个数量级，并随着银的体积填充率的增大而逐渐减小。3.在极板上穿孔会降低两极板间的压膜阻尼和静电力，分析静电力驱动孔板振动的稳态响应曲线，结果表明：随着矩形孔径的增大，压膜阻尼和静电力均减小，系统稳态幅值降低，刚度软化程度加深，品质因数增大。总之，本文的研究结论可以为光梯度力和静电力驱动微纳谐振器的动力学分析与设计提供了理论参考和依据。

关键词：光梯度力静电力微纳谐振器动力学分析孔板