表面等离子体激元透镜设计及其数值计算

提出了一种新的表面等离子体激元透镜的设计方案,该方案通过在两个亚波长小孔的外表面放置电介质光栅实现对入射光束的有效会聚。利用遗传算法研究了波导中表面等离子体激元的色散关系,结果表明,通过调节亚波长小孔的宽度和介电常数可以有效地调控有效折射率,从而实现对亚波长金属平板波导结构中表面等离子体激元传播特性的调控。利用时域有限差分方法(FDTD)结合完美匹配层(PML)边界条件数值模拟了此结构中的光场分布,讨论了光栅周期数对成像特性的影响,从而深入理解了纳米聚焦效应的物理机制。结果显示,随着表面光栅数的增多,焦距和焦斑大小都在增加。光栅数从5增加至11时,焦距由1.715μm增大至2.325μm,焦斑大小由0.615μm增大至1.715μm,这一结构有可能被用作未来集成光路中的纳米聚焦器件。     

表面激元共振(SPR)传感器理论分析

在基于ATR方法的SPR传感器设计和制作的工作中，为了得到更加优化的性能，对其原理进行了较为深入的分析。从表面激元波和全反射消逝波的数学模型入手，得到了共振角的数学关系及几个结论，并以金膜为例进行了计算机仿真。     

光栅耦合的可集成表面等离子体激射装置

为了能够更有效地调节和产生表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)的激射,设计了一种光栅耦合的可集成SPPs激射装置,利用电子束激发和光栅耦合方式实现了SPPs在无源金属层中的传播和激射.分析了该装置SPPs传播的波矢特性,通过某一条件下激射条件和光照波长的分析得出了结构的一般特性.结果表明:基于光栅耦合结构的装置产生的SPPs激射具有显著的强局域特性,通过控制注入电子束强度可有效调节SPPs的激射,该装置可在光照波长710 nm左右的可见光范围实现有效的SPPs传播.该装置的研制对于构建等离子体单元电路,探测纳米线结构和纳米级飞秒光学场极有意义.     

等离子体激元为光电探测器披上隐身衣

据物理学家组织网不久前报道，美国斯坦福大学和宾夕法尼亚大学组成的一个联合工程师团队首次使用等离子体激元创建出一个可以探测光同时也可以隐形的新设备，应用于先进的医学成像系统和数码相机中，可生成更为清晰、更准确的照片和影像。该研究成果发表于《自然光子学》在线版上。     

基于周期性光栅结构的表面等离激元探测

表面等离激元具有突破光学衍射极限、局域场增强等特点,有望代替电子和光子作为信号载体,综合光学系统的高带宽特性与电子系统的紧凑性,构建新一代高速、高集成化的光电集成电路。为了有效探测表面等离激元,基于时域有限差分法提出一种基于周期性光栅的平面型表面等离激元探测结构模型,其中包括耦合光栅、条形波导以及探测光栅。首先简要阐述了探测结构的工作原理,并建立了工作在670,1310和1550 nm波段的仿真模型;同时研究等离激元耦合效率随入射光偏振角度的变化以及等离激元吸收率与波导长度的关系;最后实验制备了相应的表面等离激元探测结构。结果表明:表面等离激元的耦合效率与偏振角度成余弦平方关系;在670 nm波段,吸收率在波导长度为5μm的条件下为4.3%,衰减长度为17.1μm,与表面等离激元传播长度的理论值17.5μm基本吻合;实验测得的光电流随偏振角度的变化趋势与仿真的吸收率变化趋势一致,证实了上述模型能够实现对表面等离激元的有效探测。所提出的表面等离激元探测结构模型为将来高速、集成化的新型光电集成电路提供了理论和实验基础。     

特殊部件的设计与数值计算

本文主要介绍了第七届国际压力容器技术会议发表的有关特殊部件的设计与数值计算的论文。其中包括：承受纵向弯矩的螺栓法兰连接；锥面无垫法兰的密封特性；塑料螺栓法兰连接的设计方法；瓣片焊接碟形和半球形压力容器端盖的外压失稳；平衡波纹管安全释放阀的性能；ＡＳＭＥ规范中安全阀的规则；受压设备安全阀装配的合理性。     

应用于微型成像的氮化镓超透镜设计

为了实现可见光入射时亚波长尺度内的聚焦,设计了以氮化镓(GaN)纳米柱为基本晶胞的超透镜,该透镜能够改进传统成像系统的笨重低效,可应用于微型成像系统。超透镜表面由宽度渐变高度不变的GaN纳米柱阵列构成,分析GaN在亚波长尺度内对相位的调控能力和机理,并基于时域有限差分法模拟仿真了在蓝光波长为460nm入射时透射场的高效率聚焦,对比超透镜尺寸为3.75μm×3.75μm、6.75μm×6.75μm、8.75μm×8.75μm、10.75μm×10.75μm时超透镜的聚焦能力,得出聚焦后透射场焦点处的半峰全宽分别为1,0.8,0.5,0.3μm,给出了强度分布、聚焦光斑等仿真模拟结果,发现实际焦距与设计值存在偏差,且随超透镜尺寸的变化而变化。文中所设计的超透镜能够在微米级别实现聚焦,有效降低了传统成像系统的复杂度。     

电子产品热设计中的数值计算

电子产品中的传热问题具有特征尺寸小、结构复杂等特点。结合这些特点,介绍了数值计算在分析微槽道、大功率LED、笔记本电脑、散热器等电子产品或散热部件内的传热与流体流动中的应用,探讨了电子产品散热中自然对流换热、紊流流动流场等的数值计算。此外,讨论了影响数值计算结果的一些因素以及对数值计算结果进行验证的必要性。     

基于PB相位的等离子体超透镜设计

相较于传统光学透镜,超透镜具有对光的可操纵性强、设计灵活和易于集成化等众多优点。然而基于电介质的超透镜需要亚波长尺度的高深宽比结构,对加工技术要求十分苛刻。提出了一种基于PB相位的等离子体超透镜设计方式,通过控制结构单元光轴方向可以实现对圆偏振光的调控,设计中采用的在金膜上刻蚀矩形孔的方式可以大大降低对加工条件的要求。基于时域有限差分(FDTD)的仿真计算表明,超透镜的焦距与设计值偏差约为2.5%,焦点半高宽(FWHM)与衍射极限偏差约为2.7%,具有较好的吻合度。     

光化学传感器及其最新进展

从传感器材料、检测方法及传感器结构几方面,围绕光化学传感器的灵敏度、选择性和稳定性展开讨论,总结了光化学传感器近年来的最新进展,并对其今后的发展方向做出展望。     

太赫兹超表面近场等离子体涡旋偏移器件设计

为了提升太赫兹（terahertz,THz）通讯容量,设计了一种基于单层超表面的激发近场等离子体涡旋偏移的太赫兹器件。基于几何相位超表面,采用FITD（时域有限积分）软件,对该器件的近场涡旋偏移进行了仿真研究。结果表明,所设计的器件在圆偏振光的入射下,能够实现空间任意位置的偏移。该类功能器件在一定程度上提升了太赫兹通讯容量,可应用于6G技术中。     

叶片式旋流发生器的设计与数值计算

应用NACA65系列叶型,设计了一套叶片式旋流发生器.利用CFD计算,对旋流发生器进行了各种可调参数组合的数值计算,分析了可调参数对旋流发生结果的影响.数值计算结果表明:所设计的旋流发生器能够产生整体涡强度达(8～22).的旋流;叶片数对旋流整体涡强度的影响最为显著.     

等离子体弧金属表面强化处理的数值模拟

给出了用有限元方法对金属材料等离子体弧金属表面强化处理过程数值模拟的数学模型。模型考虑了工件材料的热物理性质随温度的变化以及处理参数的影响。根据模型可以得出工件横截面的温度分布图像，可以预测强化处理的相变硬化层深度和硬化带形状，并可以据此优化强化处理的参数选择。通过与实验值的对比，验证了模型计算的合理性。     

基于计算流体动力学的两栖车辆水动力特性数值计算

应用计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)理论,建立某型两栖车模型带自由表面粘性绕流场的数学模型,阐述求解的数值计算方法.采用RNG κ-ε湍流模型、流体体积法(volume of fluid,VOF)和压力隐式算子分割(Pressure implicit with splitting ofoperators,PISO)算法,运用FLUENT软件对车体绕流场进行三维瞬态数值计算,得到绕流场的速度与压力分布、阻力和兴波特性,并结合相关试验数据验证了数值方法的正确性,解决了以往由于忽略兴波特性导致数值计算结果随航速提高误差不断增大的问题.在此基础上,对该两栖车外形提出了优化方案,计算分析车体首、尾端切角及车轮不同收、放状态对绕流场的影响.计算结果表明,两栖车改进后的水动力性能有了较大改善,航速10 km/h时,减阻效果可达原车总阻力的51.2%,为减阻提速的研究提供了一定的参考.     

基于自调式惯性激振的高方平筛动力学建模及数值仿真

针对高方平筛在起动阶段存在的迟滞共振现象,采用一种新型的自调偏心距式惯性激振方式,并对系统起动过程进行动力学建模和数值计算.在考虑三相异步电动机起动时的固有力学性能和滚动轴承摩擦转矩的前提下,建立筛体、悬吊装置和激振装置组成的系统起动过程非线性动力学模型,在Matlab中运用4阶Runge-Kutta算法对偏心距不变式和偏心距可调式两种激振方式下的起动过程进行数值仿真,分析新型激振装置中初始偏心距、刚度和阻尼等参数对起动阶段最大瞬态振幅的影响规律.结果表明,采用合适参数设置的新型激振装置能大幅度减少设备起动阶段的最大瞬态振幅和达到稳态强迫振动的游动时间.新型激振装置的提出对于提高高方平筛及同类振动机械的工作寿命具有重要的工程应用价值.     

喷丸工艺参数与齿轮表面粗糙度关联规律数值计算研究

喷丸强化除了会对齿轮表面的残余应力场产生影响外,还会改变齿轮表面粗糙度。齿轮齿根处与分度圆处的表面粗糙度会强烈影响其服役性能,因此,研究喷丸过程中齿轮表面粗糙度的演变过程十分必要。为此,建立随机丸粒有限元模型来模拟齿根处与分度圆附近区域的喷丸强化过程,提取冲击区域所有的离散数据用以计算表面粗糙度参数;数值模拟得到的结果与齿轮喷丸后的测试结果基本吻合;并研究了喷丸时间、弹丸大小、冲击速度对齿根处与分度圆附近表面粗糙度参数的影响,从而可以合理地选择喷丸工艺参数,以达到控制齿轮喷丸后表面粗糙度的目的。研究结果表明,在同样的喷丸工艺参数下,分度圆处表面粗糙度R_a值与R_z值明显小于齿根处;随着冲击速度及弹丸直径的增加,齿根处表面粗糙度R_a值、R_z值明显增加且弹丸直径对粗糙度参数的影响大于冲击速度;随着冲击速度及弹丸直径的增加,分度圆表面粗糙度R_a值、R_z值明显增加,R_(mr(-1))值减小,且弹丸直径对粗糙度参数的影响大于冲击速度。     

基于等离激元热电子效应的光电晶体管制备及其特性

为了解决典型宽禁带半导体光电探测器件的工作波段限制材料禁带宽度的问题,对基于表面等离激元热电子效应的光电晶体管进行了制备和光电性能研究,提出一种采用重掺杂的硅片作为背栅极、二氧化硅(SiO_2)氧化层作为绝缘层,且能利用等离激元热电子效应的光电晶体管,有望实现响应光谱的调控。利用热退火方法在绝缘层表面修饰金纳米颗粒,并结合射频溅射、物理掩模和真空热蒸镀的方法实现了热电子效应铟镓锌氧化物(IGZO)光电晶体管。器件的光学和电学性能测试结果表明:修饰金纳米颗粒的光电晶体管在658nm红光入射下产生明显的光电响应,外加90V栅极偏压时,光电流提升约为2.2倍。金纳米颗粒修饰的等离激元热电子结构有效调控了该型晶体管的响应光谱范围,不受材料禁带宽度的限制,而且晶体管的背栅调控进一步放大光电流,提高了器件的量子效率。     

高频电液激振冷挤压数值模拟及其减载实验研究

针对冷挤压成形过程中流动应力大、零件成形所需压力高的问题,提出了一种新的挤压工艺,设计了一种新的电液高频轴向振动激励冷挤压试验平台及相应冷挤压模具。利用Deform-3D软件建立了有限元分析模型,分析了在轴向振动激励下该模型的成形过程降载效果,精确地模拟了万向节轴套的冷挤压成形过程的挤压力的变化,比较了传统挤压形式下和轴向振动激励形式下的成形压力值,通过挤压试验验证了模型模拟的准确性。试验结果表明,该新的挤压成形工艺能使万向节杯套成形压力降低21.78%,减载效果明显。研究结果表明,这种新的成形工艺可以为一些难成形零件的冷挤压成形加工打下良好基础。     

均匀设计和遗传算法在板料成形数值模拟中的应用

介绍了均匀设计和遗传算法各自的特点,分析它们在板料成形数值模拟中的应用,并以方盒件成形为例,以凸模的运动速度凸模和压边圈与板料的摩擦系数凹模与板料的摩擦系数为决策变量,进行均匀实验设计,以成形后的最大减薄率为目标,优化成形工艺参数,提高成形质量,取得了令人满意的效果。     

数控车削加工中的数值计算

阐释了数控车削编程过程中数值计算的基本方法,介绍了关于基点、节点计算的几种方法：手工计算法（三角函数法,相似三角形法,联立方程组法）,软件辅助法,宏程序法。重点说明了手工计算法在数车编程中的实用性。