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金红石TiO2材料热电子弛豫动力学第一性原理计算研究

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中国科学:物理学力学天文学 2025年第1期 113-121页

作者：师展郑镇法郑奇靖赵瑾中国科学技术大学物理系中国科学技术大学精准智能化学重点实验室中国科学技术大学合肥国家实验室中国科学技术大学合肥国家微尺度物理科学研究中心美国匹兹堡大学物理与天文系

在太阳能转化过程中,激发态热载流子的动力学行为决定了能量转化的效率.我们采用动量空间非绝热分子动力学（NAMDk）方法研究了金红石TiO2体系中的热电子弛豫过程.研究中,我们选择了两种初始能量的热电子,其动量都位于Γ点,能量分别为Ei... 详细信息

在太阳能转化过程中,激发态热载流子的动力学行为决定了能量转化的效率.我们采用动量空间非绝热分子动力学（NAMDk）方法研究了金红石TiO2体系中的热电子弛豫过程.研究中,我们选择了两种初始能量的热电子,其动量都位于Γ点,能量分别为Eini=0.64 eV和Eini=2.75 eV.结果显示,热电子弛豫过程主要包括两个阶段:（1）首先,热电子被散射到第一布里渊区的等能面上,形成热电子系综,此过程能量基本保持不变,只有动量发生变化,称为动量弛豫过程.对于Eini=0.64 eV和Eini=2.75 eV两种情况,动量弛豫时间均在15-25 fs之间;（2）随后,热电子系综作为一个整体逐渐弛豫至导带底,这一阶段称为能量弛豫过程,其中Eini=0.64 eV和Eini=2.75 eV的能量弛豫时间分别为39和97 fs.在热电子弛豫过程中,其能量通过电声耦合转移给体系晶格,激发更多的声子,TiO2是一种离子晶体,在热电子弛豫过程中,Fr?hlich电声耦合起到了关键作用,导致大部分热电子的能量转移至Γ点的A1g声子,激发了Ti-O拉伸的纵光学支声子.我们的研究为理解金红石TiO2体内的热电子弛豫与能量转化过程提供了新的理论基础.

关键词：第一性原理计算电声耦合热电子弛豫动量空间非绝热分子动力学

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用于视向速度测量的法珀标准具性能测试(特邀)

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光子学报 2024年第10期53卷 85-94页

作者：陆彦婷叶慧琪唐靓翟洋张凯肖东中国科学院南京天文光学技术研究所南京210042 中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所) 南京210042

通过国家天文台兴隆观测基地2.16 m望远镜高色散光纤光谱仪,对一套置于真空恒温系统中的标准具进行测试分析。实测定标谱线频率间距~29.87 GHz,波长覆盖500~685 nm,波长范围内共有5425条谱线,谱线自身宽度小于光谱仪最小分辨单元。与激... 详细信息

通过国家天文台兴隆观测基地2.16 m望远镜高色散光纤光谱仪,对一套置于真空恒温系统中的标准具进行测试分析。实测定标谱线频率间距~29.87 GHz,波长覆盖500~685 nm,波长范围内共有5425条谱线,谱线自身宽度小于光谱仪最小分辨单元。与激光频率梳同步对比测试表明,稳定后法布里-珀罗标准具谱线超过5 h的稳定性好于0.61 m/s,可以满足天文观测一个观测夜的稳定性需求。使用这些谱线对此光谱仪重新进行波长定标,并将激光频率梳作为已知的波长标准对定标结果进行检验,法布里-珀罗标准具波长解的残差标准差约为钍氩灯波长解的一半,说明其定标精度更高。

关键词：视向速度多谱勒频移天文光谱仪波长定标标准具

激光频率梳同步定标的千万分辨率VIPA光谱装置设计及应用(特邀)

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光子学报 2020年第11期49卷 154-164页

作者：朱小明何晋平中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所南京210042 中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所) 南京210042

在虚拟成像相位阵列光谱特性基础上,对激光频率梳同步定标的千万分辨率虚拟成像相位阵列光谱仪器进行了可行性研究,通过数值计算,给出了针对不同应用的两个方向设计思路;并采用一般的常见参数,模拟出了满足同步定标千万分辨率光谱仪的... 详细信息

在虚拟成像相位阵列光谱特性基础上,对激光频率梳同步定标的千万分辨率虚拟成像相位阵列光谱仪器进行了可行性研究,通过数值计算,给出了针对不同应用的两个方向设计思路;并采用一般的常见参数,模拟出了满足同步定标千万分辨率光谱仪的二维光谱图.最后,对该类装置几个代表性应用领域及应用中的主要性能进行了简要讨论.

关键词：超高分辨率光谱技术虚拟成像相位阵列激光频率梳布里渊散射多普勒频移极多波长干涉测距

1040nm泵浦的光子晶体光纤超连续光谱产生性能退化研究

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光谱学与光谱分析 2021年第11期41卷 3588-3594页

作者：吴元杰叶慧琪韩建肖东中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所江苏南京210042 中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所) 江苏南京210042

光子晶体光纤已经被广泛应用于由飞秒脉冲激光源产生超连续光谱。当激光源的重复频率较低时,由光子晶体光纤产生的超连续光谱随时间的变化过程较为缓慢,通常不被注意到。而在天文光谱仪定标等应用中,需要使用GHz至几十GHz量级的高重复... 详细信息

光子晶体光纤已经被广泛应用于由飞秒脉冲激光源产生超连续光谱。当激光源的重复频率较低时,由光子晶体光纤产生的超连续光谱随时间的变化过程较为缓慢,通常不被注意到。而在天文光谱仪定标等应用中,需要使用GHz至几十GHz量级的高重复频率激光源。此时,可观察到光子晶体光纤的超连续光谱产生性能在有限时间内产生显著的退化。在1 040 nm飞秒激光泵浦条件下,通过测试三种不同气孔占空比的光子晶体光纤的超连续光谱产生性能演化,发现超连续光谱的退化进程随光纤气孔占空比的增大而加速。观察发生光谱退化后的光子晶体光纤样品,发现在光纤上超连续光被产生的区段出现多个不同颜色的亮点,呈现有方向性的光泄露现象。针对光泄露现象,通过测量光纤的吸收光谱线,证实了实验中超连续光谱退化的主因并非是光纤熔融石英材料中大量非桥氧色心产生。针对光泄露具有方向性这一特征,提出了经由多光子吸收作用在光纤纤芯中形成长周期光栅的理论。为探究影响光子晶体光纤超连续光谱产生性能的退化的因素,以达到光谱退化抑制的目的,首先通过改变了光纤的拉锥参数,期望增强光纤熔融石英材料的光子耐受性。实验结果证实了该方法的有效性较为有限。其次,从保持激光源的平均功率,降低激光脉冲的峰值功率和保持激光脉冲的峰值功率,降低激光源平均功率两个方面入手,对激光源进行调制。实验结果证明,光纤单位时间内接受的高峰值功率脉冲总量是影响其超连续光谱产生性能的最重要因素。在天文光谱仪定标的应用中,对超连续光谱光功率的需求并不高,使用斩波器降低光子晶体光纤入射光的平均功率是减缓超连续光谱产生性能退化过程的有效且简单可行的方法。

关键词：光子晶体光纤飞秒脉冲激光超连续光谱产生光谱演化

基于差分运算的望远镜驱动系统非预期故障重构方法

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振动与冲击 2024年第14期43卷 267-274页

作者：邓壮壮杨世海李运徐灵哲刘睿强中国科学院南京天文光学技术研究所南京210042 中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所) 南京210042 中国科学院大学北京100049

极端环境下的望远镜驱动系统永磁同步电机传感器容易面临非预期故障,导致系统观测性能下降,甚至可能造成望远镜停机。在这种情况下,提出一种用于望远镜驱动系统电流传感器的故障重构方法,主要包含故障检测、隔离和重构等几个方面。其中... 详细信息

极端环境下的望远镜驱动系统永磁同步电机传感器容易面临非预期故障,导致系统观测性能下降,甚至可能造成望远镜停机。在这种情况下,提出一种用于望远镜驱动系统电流传感器的故障重构方法,主要包含故障检测、隔离和重构等几个方面。其中,故障检测由三阶级联差分运算完成,对不同的故障类型、即使微小故障也能有很好的鲁棒性;决策逻辑电路根据故障检测提供的故障信号flag执行隔离操作;Switches开关根据隔离动作选择合适的电流,以达到故障重构目的。仿真试验表明,该方法从故障状态切换到健康状态是平稳的,且不影响系统的动态性能,确保驱动系统的可靠性和稳定性。

关键词：望远镜驱动系统永磁同步电机非预期故障故障重构差分运算

基于通道光谱的长基线恒星光干涉光程差检测方法研究

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光子学报 2024年第11期53卷 214-221页

作者：魏炜徐腾侯永辉张晓杰陈亮中国科学院南京天文光学技术研究所南京210042 中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所) 南京210042 中国科学院大学北京100049

干涉条纹快速捕获及稳定跟踪是长基线恒星光干涉的关键技术,其难点在于如何实现大动态范围、高精度光程差检测。面向天文观测需求,提出一种基于通道光谱的光程差检测方法,该方法将干涉星光进行色散,在光谱上形成多个探测通道,有效提升... 详细信息

干涉条纹快速捕获及稳定跟踪是长基线恒星光干涉的关键技术,其难点在于如何实现大动态范围、高精度光程差检测。面向天文观测需求,提出一种基于通道光谱的光程差检测方法,该方法将干涉星光进行色散,在光谱上形成多个探测通道,有效提升了相干检测范围,结合周期图与充零算法实现高精度光程差检测。实验结果表明,该方法在500~600 nm检测范围,检测精度可以达到0.75μm,动态范围达到±195μm,相关研究工作可为我国正在建设中的百米长基线恒星光干涉仪提供关键技术支撑。

关键词：干涉仪长基线恒星光干涉通道光谱光程差检测干涉测量

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光子灯笼技术及在天文中的应用(特邀)

光子学报 2023年第5期52卷 37-56页

作者：韩子健袁祥岩中国科学院国家天文台南京天文光学研究所南京210042 中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所) 南京210042

天文观测仪器的蓬勃发展推动了对小体积、低成本、高效率的新一代仪器的研究工作。近年来,集成光学元件的发展为天文技术与方法带来了新机遇,天文光子学应运而生,为天文观测提供低成本、集成化的新一代高性能天文光学仪器。光子灯笼是... 详细信息

天文观测仪器的蓬勃发展推动了对小体积、低成本、高效率的新一代仪器的研究工作。近年来,集成光学元件的发展为天文技术与方法带来了新机遇,天文光子学应运而生,为天文观测提供低成本、集成化的新一代高性能天文光学仪器。光子灯笼是一种低插入损耗、高模式选择性的新型全光纤线性光学器件,以综合单模光纤系统与多模光纤系统的优势,并实现模式转换与模式控制,可用于天文红外光谱滤波、光纤扰模、波前传感等方面。本文就光子灯笼器件的概况、工艺制备、天文领域前沿应用、挑战与前景等方面进行介绍。

关键词：天文光学光纤光学光子灯笼光谱测量波前传感

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基于多视场星点椭圆率的望远镜主动准直方法

光子学报 2021年第4期50卷 218-227页

作者：李博袁祥岩李正阳卢海平中国科学院南京天文光学技术研究所南京210042 中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所) 南京210042 中国科学院大学北京100049

光学元件的准直失调会引起天文望远镜在观测过程中的像质退化,该问题在大口径快焦比的天文光学系统中更为突出。针对此问题,本文提出一种用于望远镜日常观测过程中的主动准直方法,通过星像解算实时校正副镜位置及姿态达到维持望远镜像... 详细信息

光学元件的准直失调会引起天文望远镜在观测过程中的像质退化,该问题在大口径快焦比的天文光学系统中更为突出。针对此问题,本文提出一种用于望远镜日常观测过程中的主动准直方法,通过星像解算实时校正副镜位置及姿态达到维持望远镜像质的目的。该方法基于多视场星点椭圆率,利用粒子群优化算法迭代求解望远镜光学元件失调量,从而校正由光学元件失调引起的低阶像差。利用1.6 m多通道测光巡天望远镜光学系统进行模拟仿真,求解副镜失调量残余误差小于1%,在系统设计公差范围以内。利用南极巡天望远镜AST3-3模拟及实验验证,表明该方法可高精度求解望远镜光学元件的失调误差。

关键词：光学望远镜椭圆率分布主动准直粒子群优化算法失调量

基于焦面复制方法的自适应光学系统静态像差校正技术

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中国光学 2022年第3期15卷 545-551页

作者：张天宇王钢张熙窦江培中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所南京210042 中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所) 南京210042 中国科学院大学北京100049

限制自适应光学(Adaptive Optics,AO)系统表现的一个关键因素是由波前传感器所在路径和科学成像路径之间差异引起的非共光路像差(Non-Common Path Aberration,NCPA),同时AO系统共光路部分也会不可避免地引入静态像差。为此,本文提出了... 详细信息

限制自适应光学(Adaptive Optics,AO)系统表现的一个关键因素是由波前传感器所在路径和科学成像路径之间差异引起的非共光路像差(Non-Common Path Aberration,NCPA),同时AO系统共光路部分也会不可避免地引入静态像差。为此,本文提出了一种基于焦面点扩散函数(Point Spread Function,PSF)复制的技术,用于校正AO系统中的静态像差。此技术利用点光源产生的PSF图像作为参考图像,通过迭代优化算法控制可变形镜改变其面型,将参考PSF图像复制到AO系统科学成像路径。实验结果表明,校正后的斯特列尔比(Strehl Ratio,SR)从初始的0.312提高到0.995。此技术可以稳定、快速地获得全局校正结果,特别是在系统具有较大的初始静态像差时。

关键词：自适应光学像差校正高对比度成像

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