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基于改进强耦合振子的微弱脉冲信号检测方法

物理学报 2023年

作者：李远芳姜园赵磊中山大学电子与通信工程学院

强耦合振子可用于微弱脉冲信号的检测和波形恢复,但其对微弱脉冲信号的检测频率会受到系统内置频率的限制.在系统内置频率固定的情况下,系统只能对一定频率范围内的脉冲信号进行有效检测和波形恢复,在检测更高频率的脉冲信号时会出现波... 详细信息

强耦合振子可用于微弱脉冲信号的检测和波形恢复,但其对微弱脉冲信号的检测频率会受到系统内置频率的限制.在系统内置频率固定的情况下,系统只能对一定频率范围内的脉冲信号进行有效检测和波形恢复,在检测更高频率的脉冲信号时会出现波形失真.本文分析了耦合振子内置频率和微弱脉冲信号检测频率之间的关系,提出两种改进强耦合振子结构以扩展微弱脉冲信号的频率检测范围.通过引入非线性恢复力耦合项,非线性恢复力强耦合振子可以有效保留信号的高频分量,在更高频率的脉冲信号输入时也能较好地保留信号特征.双振子强耦合系统通过引入Van der Pol-Duffing振子,加强了系统内部结构的稳定性,同样达到了扩展脉冲信号频率检测范围的效果.此外基于变迭代步长和混沌检测的频率相关性,提出了一个未知频率脉冲信号检测方法,以改变迭代步长的方法代替改变系统内置频率来进行频率扫描,并且利用混沌检测的频率相关性,将接收信号和恢复信号的相关系数和纯噪声输入情况下的相关系数进行对比,根据两个相关系数之间的明显差异可以有效检测出脉冲信号.通过仿真实验进行验证,所提方法可以有效检测出未知频率的脉冲信号,并且所提的改进强耦合振子结构相对于强耦合振子有较大的性能提升.

关键词：强耦合非线性恢复力强耦合振子双振子强耦合系统微弱脉冲瞬态脉冲

金属光栅表面等离激元与二硫化钨激子的强耦合特性

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光学学报 2023年

作者：苏盈文陆华石首浩李頔琨王向贤赵建林兰州理工大学理学院光场调控与信息感知工业和信息化部重点实验室陕西省光信息技术重点实验室西北工业大学物理科学与技术学院

本文研究了金属光栅表面等离激元与单层二硫化钨激子的耦合共振特性。利用时域有限差分法模拟了一维金光栅/单层二硫化钨混合结构的光谱响应及电场强度分布。结果表明，金光栅表面等离激元与单层二硫化钨激子耦合可产生光谱劈裂。当改... 详细信息

本文研究了金属光栅表面等离激元与单层二硫化钨激子的耦合共振特性。利用时域有限差分法模拟了一维金光栅/单层二硫化钨混合结构的光谱响应及电场强度分布。结果表明，金光栅表面等离激元与单层二硫化钨激子耦合可产生光谱劈裂。当改变金光栅的结构参数时，混合结构的反射光谱出现了明显的反交叉现象。采用时域耦合模理论拟合了混合结构不同参数时的反射光谱，拟合结果与数值模拟符合较好。金光栅表面等离激元与单层二硫化钨激子的耦合作用满足强耦合判据。耦合振荡器模型分析结果表明，当金光栅周期为400 nm，宽度为300 nm时，混合结构强耦合光谱的拉比劈裂为54.6 meV，其与时域耦合模理论结果一致。该工作将为表面等离激元与激子强耦合作用的深入研究与器件开发开辟新途径。

关键词：表面等离激元一维金光栅二硫化钨激子强耦合

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强耦合超宽带共形相控阵低散射技术研究

强耦合超宽带共形相控阵低散射技术研究

作者：张昭电子科技大学

学位级别：硕士

随着现代无线电技术的飞速发展,相控阵天线的应用越来越广,对其要求也越来越高。一方面,相控阵天线需要满足超宽带、宽角波束扫描等基本电性能,另一方面为了满足现代军事装备应用需求,需要综合考量小型化、低剖面、低散射、可共形等因... 详细信息

随着现代无线电技术的飞速发展,相控阵天线的应用越来越广,对其要求也越来越高。一方面,相控阵天线需要满足超宽带、宽角波束扫描等基本电性能,另一方面为了满足现代军事装备应用需求,需要综合考量小型化、低剖面、低散射、可共形等因素。近年来对于强耦合相控阵天线实现超宽带、宽角波束扫描的研究比较常见,但是对于其低散射性能的探究比较少见。因此,本文针对强耦合超宽带相控阵天线辐射与散射综合性能进行较深入研究,并对其进行共形处理。本文的主要内容或创新点如下:首先,本文介绍了有关强耦合超宽带相控阵天线的研究背景、意义及国内外的研究发展概况。同时,对天线的电磁散射缩减技术研究现状以及发展态势进行了阐述。其次,本文详细论述了传统宽带相控阵天线的实现方法以及基于强耦合效应的超宽带相控阵的设计思想,介绍了该种思想的起源、等效电路等基本原理。回顾了阵列天线低散射的基本理论与实现方法。第三,设计仿真实现了一款工作频带在6-18GHz的强耦合偶极子型超宽带相控阵天线,能够实现带内E面±60扫描,H面±45扫描,且单元有源驻波比小于3。文中详细给出了模型的设计过程与改进措施。第四,提出并设计了一种新型电磁超材料结构加载于上述天线之上,可以与原来的天线单元形成180散射相位差;进一步通过异构组阵的方式在不影响天线辐射性能的前提下实现工作带宽内RCS的有效缩减。第五,将上述天线阵列基于圆柱形载体进行共形设计,对其整体散射以及辐射性能进行仿真与优化设计;创新地设计了一款可安装上述强耦合共形阵的橄榄状低散射载体,可用于该共形阵的低RCS测量。最后,加工组装了强耦合低散射共形阵列及其低散射载体,并对实物进行测试,测试结果与仿真结果较为吻合,从而验证了本文提出的强耦合超宽带共形相控阵散射缩减方法的可行性。

关键词：超宽带相控阵强耦合非平衡馈电结构电磁散射缩减共形天线

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强耦合声振薄板结构的降噪阻尼层优化

华中科技大学学报（自然科学版） 2021年第9期49卷 120-125页

作者：李宗吉王旭东朱拥勇王德石海军工程大学兵器工程学院湖北武汉430033 中国人民解放军92064部队广东东莞523900

研究了平稳激励下附加阻尼层薄板结构的声辐射优化问题.考虑了声介质与薄板间的耦合作用和位移约束弹簧边界,建立了含弹性边界的有限元/边界元声振强耦合模型.在优化设计问题中,将声功率和声压转化为以结构位移为变量的表达形式,提出声... 详细信息

研究了平稳激励下附加阻尼层薄板结构的声辐射优化问题.考虑了声介质与薄板间的耦合作用和位移约束弹簧边界,建立了含弹性边界的有限元/边界元声振强耦合模型.在优化设计问题中,将声功率和声压转化为以结构位移为变量的表达形式,提出声功率和声压灵敏度的直接求解方法;根据薄板厚度与质量和刚度矩阵的关系推导并建立了以阻尼层相对厚度为设计变量的人工阻尼材料模型,讨论了强弱耦合模式、弹性边界条件、激励频率和阻尼系数对优化设计的影响,数值优化算例证明了所提方法的有效性.

关键词：声辐射薄板结构强耦合附加阻尼声功率灵敏度声压灵敏度

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光学腔与原子强耦合的实验研究进展

光学学报 2022年第3期42卷 70-95页

作者：李刚张鹏飞杨鹏飞王志辉张天才量子光学与光量子器件国家重点实验室山西大学光电研究所极端光学省部共建协同创新中心山西太原030006 山西大学大数据科学与产业研究院山西太原030006

光学腔与原子强耦合系统是量子物理研究的基本系统,不但具有重要的物理意义,而且为量子信息、量子计算和量子精密测量中关键技术的产生和关键器件的研发提供了理想系统。强耦合腔与原子相互作用实验从20世纪90年代开始发展,经过多年的研... 详细信息

光学腔与原子强耦合系统是量子物理研究的基本系统,不但具有重要的物理意义,而且为量子信息、量子计算和量子精密测量中关键技术的产生和关键器件的研发提供了理想系统。强耦合腔与原子相互作用实验从20世纪90年代开始发展,经过多年的研究,在单原子与光学腔强耦合和原子系综与光学腔的耦合研究方面取得了重大进展。随着多原子阵列量子操控技术的进步,可控的多原子阵列与光学微腔强耦合系统近年来成为腔量子电动力学的重要研究方向。然而,目前实现确定性可控的多原子阵列与腔的强耦合仍面临巨大的技术挑战,可控原子数还停留在两个。简要回顾了近年来光频区强耦合腔量子电动力学系统在上述方面的主要实验进展和相应的实验方案,并展望了未来的发展。

关键词：量子光学腔量子电动力学光学微腔强耦合量子调控

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强耦合条件下非接触滑环工作特性分析与控制

电力系统自动化 2018年第23期42卷 105-111页

作者：陈欣陈乾宏何广明南京航空航天大学自动化学院江苏省南京市211106

非接触滑环系统中旋转变压器工作气隙一般小于10mm,耦合系数一般大于0.5,属于强耦合条件。在此工作条件下,非接触滑环系统对耦合系数变化敏感度较小,但变换器中谐波含量较大,导致基波近似分析方法误差增加。为此,文中推导出串/串补偿时... 详细信息

非接触滑环系统中旋转变压器工作气隙一般小于10mm,耦合系数一般大于0.5,属于强耦合条件。在此工作条件下,非接触滑环系统对耦合系数变化敏感度较小,但变换器中谐波含量较大,导致基波近似分析方法误差增加。为此,文中推导出串/串补偿时非接触谐振变换器原、副边电流精确的表达式。此外,为消除3次谐波,采用无中线的三相星形结构。建立了三相系统的数学模型,研究了三相系统的控制策略,并指出采用不对称控制方式调宽时,实现软开关的调节范围比对称控制方式更大。最后,搭建了一台200 W的原理样机,实验结果验证了理论分析的有效性与正确性。

关键词：非接触滑环系统无线电能传输强耦合三相系统控制策略

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阵列式强耦合压电体声波器件的高频振动分析

阵列式强耦合压电体声波器件的高频振动分析

作者：石浩宁波大学

学位级别：硕士

近年来压电体声波器件在生物化学传感方面表现出了良好的应用前景。随着传感器高精度、微型化、多参数同时测量等发展趋势,体声波阵列器件应运而生。传统的压电体声波阵列器件的压电材料是石英晶体,横向场激励下的石英晶体器件,其压电... 详细信息

近年来压电体声波器件在生物化学传感方面表现出了良好的应用前景。随着传感器高精度、微型化、多参数同时测量等发展趋势,体声波阵列器件应运而生。传统的压电体声波阵列器件的压电材料是石英晶体,横向场激励下的石英晶体器件,其压电耦合系数较低,应用范围有限。3m点群强耦合压电晶体(LiTaOLi Nb O等)拥有高压电耦合常数,应用于横向场激励体声波阵列器件时优势明显。然而由于压电耦合系数高,强耦合横向场阵列器件电场和位移分布比石英晶体阵列器件更加复杂,振动能陷特性还不明确,需要进一步研究。本文以横向场激励下的阵列式强耦合压电体声波器件为研究对象,利用Mindlin板理论和有限元仿真对阵列器件的振动特性以及谐振单元之间的耦合情况进行了研究,主要内容包括:基于Mindlin一阶板理论,推导了3m点群晶系压电晶体板的声波振动方程,对晶体板进行自由振动分析得到电极区与非电极区的色散关系,确定截止频率区间,之后求解频谱关系,选择晶体板最优长厚比;对横向场激励下的阵列器件（双谐振单元）进行受迫振动分析,根据求解出的动态电容图,确定符合能陷特性的谐振频率;理论分析了谐振单元电极质量比R、电极宽度b、电极间距d参数相同和不同时对振动特性的影响。用理论分析和有限元仿真研究两个谐振单元的电极宽度b和b、电极间距d和d不同尺寸下,改变两个谐振单元之间的间距d对RU-A频率位移和频率干涉的影响,得到谐振单元间的安全间距d。理论结果通过有限元方法进行了验证。本文提出的阵列式3m点群强耦合压电体声波器件的高频振动的分析方法,可以为横向场激励下的强耦合阵列器件的尺寸优化设计提供可靠的理论指导。

关键词：横向场激励阵列振动强耦合钽酸锂晶体

基于二维钙钛矿的光学法布里—珀罗微腔强耦合作用的研究

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基于二维钙钛矿的光学法布里—珀罗微腔强耦合作用的研究

作者：王曾源吉林大学

学位级别：硕士

法布里-珀罗(Fabry-Perot cavity,F-P)微腔是一种精密光学系统,其内部具有极小的体积,并且能够形成腔镜结构,可以限制光场,使微腔内部光子态重新分布。在微腔内嵌入半导体材料后,激发光激发产生激子,腔内产生激子和光子的耦合效应。考... 详细信息

法布里-珀罗(Fabry-Perot cavity,F-P)微腔是一种精密光学系统,其内部具有极小的体积,并且能够形成腔镜结构,可以限制光场,使微腔内部光子态重新分布。在微腔内嵌入半导体材料后,激发光激发产生激子,腔内产生激子和光子的耦合效应。考虑到微腔内的耦合强度与嵌入材料的光学特性密切相关,因此选择合适的嵌入层可以优化腔内空间结构,提高耦合强度,有利于进一步研究强耦合的动力学特征。耦合强度对卤素成分较为敏感,因此本课题选用准二维钙钛矿作为嵌入材料。区别于三维材料,能够在微腔中发生更强的耦合。另外,大多数半导体材料一般会在低温下发生内部激子和外部光子的耦合效应,而钙钛矿材料在室温下就能表现出较为明显的激子-光子的耦合,故而选用钙钛矿材料是研究室温下强耦合机制的良好对象。本文旨在嵌入二维钙钛矿层后,研究F-P微腔内部的强耦合效应。当强耦合发生时,激子与光场的耦合强度要大于被弛豫的速率,这时会发生原子基态与激发态的拉比震荡,在超快时间光谱中的表现为耦合峰的拉比劈裂,同时形成半光半物质状态的激子极化激元(Exciton-Polaritons)。以此为根据,本课题拟通过搭建飞秒泵浦系统,探测二维钙钛矿和F-P微腔复合体内部的稳态光谱、瞬态光谱及相干动力学,研究的主要内容如下:1、首先,对光学微腔的发展历程和发展瓶颈进行了讨论,概述了光学微腔体系的结构特性和腔内强耦合效应的产生原理,并介绍了激子效应和极化激元的发生机制;接下来,本文讨论了嵌入介质,即钙钛矿材料的结构特点、光学性质以及二维钙钛矿材料的应用优势;对于飞秒泵浦探测技术的原理进行了介绍,分析了二维钙钛矿-F-P微腔复合体的结构特征和光学特性。2、在微腔设计方面,我们采用蒸镀法和旋涂法制备五层结构的二维钙钛矿和法布里-珀罗光学微腔的复合体,准二维钙钛矿(PEA)(MA)PbI被嵌入在第三层。通过旋涂PMMA隔离钙钛矿层和F-P微腔的银镜面层,这种设计既增强了光程稳定性又有效地防止了钙钛矿同F-P腔内银镜面间荧光猝灭的发生。经过设计和实验,最终得到结构稳定的二维钙钛矿-光学微腔复合体。3、通过稳态反射和荧光光谱表征二维钙钛矿在光学微腔内的基本光学性质,和银平面上二维钙钛矿的表现相比较,以证明强耦合的发生;拟发现在不同腔模式下的耦合结果,表明半光子和半激子的高能、低能激子极化激元满足反交叉色散关系,进一步证明强耦合的真实性,拉比劈裂高达142me V。4、通过超快光谱技术研究二维钙钛矿-光学微腔复合体的瞬态光谱和杂化激子动力学过程。F-P微腔内和银平面上二维钙钛矿的瞬态光谱比较显示,基态漂白峰出现了明显劈裂,与稳态结果完全对应;另一方面,通过动力学比较,可以发现半光子和半激子的极化激元继承了纯钙钛矿激子的自旋极化特性,遵循圆偏振光学选择定则;同时,在微腔中,比较激子动力学自旋极化和弛豫时间和纯钙钛矿的激子弛豫时间,拟证明腔可以增强激子间的相互作用。

关键词：准二维钙钛矿薄膜法布里-珀罗微腔超快时间分辨光谱强耦合动力学

二能级材料与微纳光学结构间强耦合现象的FDTD仿真研究

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二能级材料与微纳光学结构间强耦合现象的FDTD仿真研究

作者：王丽兰厦门大学

学位级别：硕士

近年来,随着微纳加工技术的提高以及对光学研究的逐渐深入,光与物质间的强耦合现象引发了研究学者们的浓厚兴趣,而且由于强耦合所引起的独特性质使其具有广泛的应用前景。通常FDTD模拟仿真强耦合现象的过程中,作用物质采用洛伦兹模型来... 详细信息

近年来,随着微纳加工技术的提高以及对光学研究的逐渐深入,光与物质间的强耦合现象引发了研究学者们的浓厚兴趣,而且由于强耦合所引起的独特性质使其具有广泛的应用前景。通常FDTD模拟仿真强耦合现象的过程中,作用物质采用洛伦兹模型来表示,然而很多情况下,在物理上作用物质使用二能级材料来进行描述更为准确,基于此,本论文的主要研究内容如下:首先,通过构建二能级材料与DBR微腔的仿真模型,探究利用二能级材料进行FDTD仿真以研究强耦合过程的可行性。结果表明,可观察到典型的强耦合特征:能量反交差行为,并通过能量劈裂值与二能级材料电子布居密度的关系进一步证明了系统中强耦合现象的发生,证明了可利用二能级材料进行FDTD仿真的方法来研究强耦合现象。其次,进一步探究了金属光栅与二能级材料间的强耦合现象。仿真结果表明,针对该复合结构,当入射光为TM波(横电波)时,入射光可与金属光栅耦合形成表面等离极化激元(SPP),进而和二能级材料发生强耦合。然而,当入射光为TE波(横磁波)时,则无法激发SPP,因此无法进一步与二能级材料实现强耦合。最后,我们进一步研究了一种实际相对较容易实现的强耦合器件的模拟,在金属光栅与二能级材料之间引入一层介质薄膜,并将二能级材料置于介质薄膜中,形成金属光栅-光学腔-二能级材料的复合结构。研究结果表明,增加光学腔后的复合系统中,在TM波入射的模式下,依然可以观察到强耦合现象。并且,不同于前述的金属光栅-二能级材料复合系统,在TE波入射的模式下,也可观察到强耦合现象,这是由于光学腔所形成的波导模式可以与二能级材料之间发生强耦合。最后,研究了光栅金属种类对强耦合的影响,结果表明,金属光栅的性质可对强耦合现象产生较大的影响。但引入波导后,由于波导的耗散比金属低,不同金属种类对强耦合现象的影响将大幅减小。综上分析,使用二能级材料模型替代传统的洛伦兹材料模型来对作用材料进行描述,依然可以使用FDTD仿真手段来研究光与物质间的强耦合现象。这对研究冷原子、染料分子、稀土元素之类二能级材料的强耦合现象提供了一种物理上更为准确的方法。同时,本文利用这种方法研究了金属光栅-光学腔-二能级材料之间的强耦合现象,发现其在不同入射波偏振模式下,具有不同类型的强耦合模式,为将来进一步实验验证奠定了基础。

关键词： FDTD 二能级材料强耦合 SPP 波导