光耦合器（共4篇）
光耦合器 篇1
0前言
按光学图像耦合方式的不同,透射电镜数字成像装置主要分为透镜耦合和光纤耦合两种类型[1]。虽然Gatan公司和Direct Electron公司都推出了具有高速动态成像功能的基于直接电子探测(Direct Eletron Detection,DED)的透射电镜数字成像产品,但透镜耦合和光纤耦合装置依然占绝对主流。
笔者自2006年起开始研制透射电镜数字成像装置[2,3,4],调查发现 :AMT和Tvips公司分别只有透镜耦合型和光纤耦合型产品 ;OSIS公司的侧装型产品只有透镜耦合型,底装型产品只有光纤耦合型 ;Gatan公司的侧装型产品既有透镜耦合型也有光纤耦合型。调查结果说明,透镜耦合和光纤耦合两种技术均可应用于底装以及侧装,但有较大区别。因此,通过研究透镜耦合和光纤耦合的主要性能参数,有利于在透射电镜数字成像装置的研制中更好地利用其优势。
王耀祥[5]、王宇华[6]等对光纤器件与电荷耦合器件(CCD)耦合的光传输效率进行了研究并得到了计算表达式,可为光传输效率的理解提供有价值的信息,但由于计算公式涉及的有些变量是对实际情况的抽象,很难测量等因素,特定光纤器件与CCD耦合的光传输效率的具体计算仍然比较困难。王耀祥[7]等又计算并测试了一些光锥与CCD耦合的光传输效率,发现理论值与实际测试值的差别很大,如锥度比(大端直径 / 小端直径)为2:1的光锥从大端向小端传输的透过率理论值为14.1%,实测值为24.6% ;而高应俊[8]等测得的锥度比为2:1的光锥从大端向小端传输的透过率为72.6%。很明显,对于光传输效率,理论值和实际值、不同作者所测值之间的差别很大[9,10]。
由此可以看出,光纤器件的光传输效率受多种因素影响,很难计算,而锥度比(光锥大端直径 / 小端直径)是影响光传输效率的最直接因素 :对于从光锥大端向小端的传输,光传输效率与锥度比的平方成反比[5]。在文献[10]给出的透镜光传输效率计算公式中,图像放大倍数(物的大小 / 像的大小)越大,光传输效率越低,其他参数与透镜的设计、材质、工艺等有关,光传输效率同样难以计算。
1 实验材料和方法
1.1 成像装置
光纤耦合成像装置 :包括天文数码相机(QHY8)以及由丝径6μm的传像光纤拉制而成的锥度比为1.96:1的光锥(大端面60 mm,山西长城微光器材股份有限公司生产),在百级超净环境下用机械方式切除天文数码相机CCD的保护玻璃,再用光学胶把光锥耦合到CCD上。透镜耦合成像装置 :包括天文数码相机(QHY8)以及摄影镜头(AF Micro-Nikkor 60 mm F/2.8D,日本尼康公司生产),二者通过转接环连接。透镜耦合成像装置及光纤耦合成像装置结构图,见图1。透镜耦合成像装置利用透镜对光线的折射把物体发出的光线聚焦到CCD上,光线利用率低 ;光纤耦合成像装置利用光纤对光线的全反射把物体发出的光线传输到CCD上,光线利用率高。
图1 透镜耦合及光纤耦合成像装置结构图(左侧为透镜耦合成像装置,右侧为光纤耦合成像装置)。
1.2 实验条件和测试方法
(1)实验条件 :室内普通光照条件,使用数字式照度计(泰仕TES-1332A,中国台湾)测量成像水平面的照度为138.4 lux,环境温度为24℃。两台天文数码相机的致冷模块都不工作,其他设置为 :Gain=30、Offset=80。
(2)测试方法 :将SMPTE 133-1991测试图以4×6格式缩小打印在250 mm×350 mm胶片上,剪裁下来作成像物面,用于对焦和视野的确定 ;将白色打印纸作为均匀发光物面用于透过率的有关实验。实验拍摄时,胶片和打印纸都水平放置在同一水平面上,成像装置从他们的正下方进行拍摄。在成像装置输入输出响应线性最好的区域,以光纤耦合和透镜耦合成像装置获得相同输出(像素的平均值)时所需要的曝光时间来衡量他们的光传输效率。
1.3 实验步骤
(1)用光纤耦合成像装置拍摄胶片,确定成像视野见图2左图 ;仔细调焦并调整透镜耦合成像装置的物距,使其视野与光纤耦合成像装置尽量一致,见图2右图,此时透镜耦合成像装置的物像比为2.08:1。
(2)用透镜耦合成像装置以不同的曝光量拍摄打印纸,寻找合适的大致曝光条件 ;确定曝光时间为300 ms,此时打印纸物面照度为37.8 lux,从光圈数F/2.8开始,间隔1档曝光量依次曝光,记录图像像素的平均值。
(3)分别固定光圈为F/2.8、F/4和F/5.6,自15 ms起,随每增加1档曝光量依次曝光,记录图像像素的平均值。
(4)在透镜耦合成像装置线性响应范围的中部,选择合适曝光条件下的图像像素平均值,用光纤耦合成像装置拍摄打印纸,记录达到此平均值所需的曝光时间。
(5)比较相同曝光量(像素平均值)条件下透镜耦合与光纤耦合成像装置的拍摄时间。
2 结果
2.1 光纤耦合和透镜耦合的图像结果
图2是光纤耦合和透镜耦合(F/4)成像装置在其他相同条件下按各自最合适的曝光量所拍摄的质量最好的图像。图2左图为光纤耦合技术所得图像,右图为光圈F/4的透镜耦合技术所得图像。可以看出,左图的灰阶分辨率、图像清晰度都比右图略差,还存在较明显的几何失真。
图2 光纤耦合和透镜(F/4)耦合成像装置所得图像(左图为光纤耦合技术所得图像,右图为光圈F/4的透镜耦合技术所得图像)。
2.2 不同曝光条件下透镜耦合的图像像素的平均值
透镜耦合成像装置在不同曝光条件下所拍摄图像像素的平均值,见表1~4。
注:*表示大量像素已经饱和溢出,下同。
2.3 光纤耦合和透镜耦合图像像素平均值及曝光时间的比较
光纤耦合和透镜耦合图像像素平均值及曝光时间的比较,见表5~6。
注:△表6第3行数据由表5第3、4行数据计算生成;☆表6第5行数据为由表6第4行数据折算成F/4透镜时的值。
3 讨论和结论
3.1 基于CCD技术的相机的成像特性
一般认为CCD的输入输出关系线性良好,本实验以图像像素的平均值作为输出,由表1~ 表6可以看出 :实验所采用的天文数码相机(QHY8)的输入输出并没有呈现理想的线性关系,这可能是因为图像像素值并不是传感器的像素单元对输入信号的原始直接反应,而是在原始数据基础上受Gain、Offset等设置影响后的一个综合结果。本实验采用线性最好区域的中段数据进行分析,以尽量符合实际。
3.2 光纤耦合与透镜耦合的图像质量和光传输效率
透镜耦合技术的成像质量与透镜光圈大小关系密切。本实验中透镜耦合技术在光圈为F/4时得到了较理想的图像质量,因此本实验以光圈为F/4的透镜的数据与光纤耦合技术(物像比2:1)进行比较。由图2可知,光纤耦合技术所得图像在清晰度、对比度和几何失真等方面都略逊于光圈F/4的透镜耦合技术所得图像 ;另外,在光纤耦合技术所得图像的亮度70%~90% 的区域可以明显看到边长约660μm的正六角形网格,这与孔德鹏[11]等指出的熔界面相同,会影响图像质量。由表6可知,在曝光量(像素平均值)相同的条件下,光圈为F/4的透镜耦合的曝光时间是光纤耦合技术的15.49倍。而理论上,物像比2:1时,光纤耦合的光传输效率是透镜耦合的119倍[9,10]。本实验结果与理论值差别巨大(119/15.49=7.68倍),应该不是一般的实验或计算误差所致,其原因尚待进一步研究探讨。
3.3 光纤耦合和透镜耦合技术在透射电镜成像装置中的应用
透射电镜成像装置按位置不同一般分为侧装和底装两类,底装部位(胶片曝光位置以下)的放大倍数一般为侧装部位的3倍以上,即侧装部位的电子图像密度是底装部位的9倍以上。光纤耦合技术应用于底装型装置在灵敏度上有明显优势 ;而对于侧装型装置,由于其电子图像密度高,则选择透镜耦合技术较好。
光耦合器 篇2
接下来, 先针对此3种元件的基本结构作说明, 再说明A B I4000M对此3种元件的测试方式, 最后再说明如何操作ABI4000M来测试上述3种元件。
ABI4000M的部分测试连接说明:
一、场效型元器件, 光耦合元件及继电器 (Relay) 的基本组成及测试方式
1. 场效型元器件的基本测试电路
在此我们只利用简单的I R F950 (P通道) 的元件来做说明。
2. ABI4000M的VI曲线功能对MOSFET的测试方式
利用Circuit Master 4000M作测试时, 可依照上图将MOSTFET与仪器作连接测试。
Probe+:为图中的红色探棒。Probe-:为图中的黑色探棒 (因为GND与Probe-为同一点, 所以只要选其中一者来连接即可) 。
3. ABI4000M的操作方式
与元件的连接方式可以依照上一步的方式来连接。以下用颜色区别来说明操作方式:
Step1红色:旋转此旋钮来设定“VI Curve”VI曲线功能。蓝色:此软件来设定所测试的通道为C h1或C h2。黄色:以上设定完成之后, 便按下此键来进入所设定的测量功能。
Step2红色:按下此旋钮来进入Setup的功能画面 (如下图) , 蓝色:可以利用此旋钮来选择同步信号的输出 (P1, P2或P1+P2) 。黄色:利用此软件可以选择显示模式 (V-I或V-T) , 但目前必须选在V-T模式。
Step3黃色:可按下此旋钮来设定同步脉冲的输出幅度。按下之后会出现下图所示的设定画面 (目前下方所出现的正弦波型是尚未接上任何元件的波型) 。
Step4红色:按下此旋钮来进入P1的同步脉冲信号的智能及设定向量的画面。黄色:按下此按钮来进入P2的同步脉冲信号的智能及设定向量的画面。
Step5黄色:按下此键来设定输出负向的同步脉冲 (若选择Enable为输出) 。
因为目前是在Negpulse (负向脉冲) 的设定页面, 所以只能选择负向脉冲的参数。
若要选择正向脉冲的设定, 必须在上一步时, 按下红色步骤的键即可进入Pospulse (正向脉冲) 的设定页面。
红色及蓝色:此2个旋钮可以用来调整同步脉冲的起始相角 (Start phase) 及截止相角 (Stop phase) 。
绿色:可利用此软件回到上一设定页面。
Step6在此阶段可以接上测试的组件, 可回到第一页参考其所提供的接法。
红色及蓝色:可以在此设定页面中调整此2个旋钮, 可任意调整同步脉冲的输出振幅, 而量测的波形会实时地反应在画面上。
Step7到目前为止, 我们可以看到下图所示的波形, 但在不同的组件测试时, 电压、频率及输出的匹配阻抗, 都是较为关键的调整参数。测试人员可以照下方的调整方式, 设定所要测试的各参数值。
V-I信号的电压振幅设定 (10Vpp) :可利用上图红色所示的旋钮来调整 (由1Vpp到50Vpp) 。
V-I信号的输出频率设定 (1KHz) :可利用上图蓝色所示的旋钮来调整 (由10Hz到10KHz) 。
V-I信号的输出负截设定 (1K) :可利用上图黄色所示的旋钮来调整 (由100R到1M) 。
V-I信号的波形设定 (sin) :可利用上图绿色所示的旋钮, 按一下来切换目前所设定的V-I信号类型 (正弦波→三角波→方波→斜波→反斜波→正脉冲波→反脉冲波) 。
特别说明:
在此针对所设定的参数作下列的图表说明:
在上一步中的2个参数设定, 一个为“Pulse+V”及“Pulse–V”, 另一个为“Start Phase”及“Stop Phase”。
在上述的示意图中, 红色的部分为正向脉冲信号, 可以设定正向电压幅度与起始及截止的工作周期设定。蓝色为负向脉冲信号, 一样可以设定上述的参数。
二、光耦合器 (Photo-optocoupler)
光耦合器的接法如下图所示, 而设定的方式与MOSFET的设定方式相同。
三、继电器 (Relay)
光耦合器 篇3
高级氧化技术是利用活性极强的自由基(如·OH)氧化分解水中有机污染物的新型氧化除污染技术。高级氧化技术包括Fenton试剂法、O3氧化法、高能电子辐射法、超临界水氧化法、电化学法及光催化法等[1]。光催化法作为非生物技术去破坏和矿化多种有机污染物,因其处理周期短,降解较为完全,反应条件温和,在废水处理方面取得了突破性的进展,为解决复杂高分子及有毒有害污染物的处理开辟出新的研究领域。外场耦合光催化过程可以加速光生载流子的界面迁移率,降低复合率,提高光催化过程的量子效率和能量利用率。本文通过研究不同外场(如超声场、磁场、电场、微波场等)耦合光催化降解有机污染物的特点,指出了外场耦合光催化降解有机污染物存在的问题和今后的研究重点。
1 超声波场耦合光催化
20世纪80年代声化学作为一门边缘学科兴起,它是利用超声波加速化学反应,提高化学反应速率的一门新兴的交叉学科。Collin G Joseph等[2]综述了超声耦合光催化的应用,超声对有机污染物的降解不是声波作用,而是由于声空化效应作用和由空化产生的增强化学反应的活性自由基作用。影响超声降解有机污染物的影响因素较多,其中主要的影响因素有超声频率、超声功率、溶液温度、底物浓度、溶液pH、溶液中溶解气体、共存离子以及有机污染物的物理化学性质。张萃等[3]综述了超声波辅助光催化氧化技术在废水处理中的应用,分别讨论了溶液pH值、超声功率、催化剂、溶液温度等参数对光催化活性的影响,认为超声波辅助下的光催化氧化反应器结构的设计、反应特性研究以及光催化剂活性的提高等方面还需要做大量的工作。陈桂娟等[4]在超声光催化反应器中对苯酚进行超声光催化反应,发现超声耦合光催化的优化反应条件为超声功率140 W、超声频率45 kHz、溶液pH值9、催化剂用量210 g·L-1、苯酚初始浓度14 g·L-1、反应温度42 ℃,与无超声场作用相比,苯酚溶液降解率提高约20%。
Jun Wang等[5]采用不同催化剂超声耦合光催化降解酸性红B,发现超声耦合TiO2/ZnO复合催化剂降解酸性红B的降解效果大于超声耦合纯TiO2和ZnO,认为超声耦合TiO2/ZnO复合催化剂可以应用于低浓度有机废水处理。Zhonghai Zhang等[6]采用光催化和超声耦合光催化同时降解甲基橙,发现超声耦合光催化可以显著提高甲基橙的降解率,且符合准一级反应动力学,降解反应速率常数分别为0.0073 min-1(超声耦合光催化)和0.0035 min-1(光催化)。
Jiang等[7]对4-硝基苯酚(pKa=7.08)和苯胺(pKa=4.6)进行超声降解实验,发现4-硝基苯酚降解率随pH的增大而减小,相反苯胺降解率随pH的增大而增大,表明4-硝基苯酚和苯胺以中性分子存在有利于超声降解。Wang Liming等[8]研究发现超声光催化降解有机物具有协同效应,这主要基于超声波产生的声空化作用具有加速传质,活化催化剂表面等作用,降解的主要途径为自由基氧化,因而可提高光催化效率。
2 磁场耦合光催化
磁场能有效地促使自由基从单线态向三线态跃迁,而自由基的复合只能在单线态的自由基对之间发生,磁场有利于以单线态为起始点的自由基反应。在光催化降解反应体系中,磁场除对溶液中的自由基产生作用外,还能有效地促使晶体内的光生电子-空穴对分离。磁场耦合光催化分为弱磁物质和强磁物质掺杂二氧化钛光催化。对于磁导率接近于零的弱磁物质的粒子(离子或分子团簇等)基本不改变外加磁场的空间分布,只能形成深度较浅的势阱和高度较低的势垒。对于强磁物质(铁磁性、亚铁磁性物质)的粒子(原子或分子团簇),周围磁场强度的空间分布改变较大,在粒子周围的一片小区域中由内而外依次出现深势阱和高势垒[9]。
尹荔松等在自制磁场耦合光催化装置中对掺杂不同磁性离子的光催化剂进行研究,发现掺杂Fe3+等强磁物质离子不利于光催化过程中的电荷循环,从而降低催化剂的光催化活性;而掺杂离子La3+等弱磁性物质则有利于光生电子-空穴对的分离,提高光催化过程中的电荷循环,从而提高催化剂的光催化活性。赵景联等[10]研究磁场耦合TiO2光催化降解酸性大红3R,讨论了磁场强度、反应时间、催化剂用量、反应物初始浓度等因素对TiO2光催化活性的影响,结果表明磁场的作用强化了TiO2光催化对酸性大红3R 的降解作用,在光催化反应180 min后,酸性大红3R 的降解率从80%提高到96.4%。反应时间、催化剂用量、通气量以及紫外光照距离的增加均有利于磁场TiO2光催化降解酸性大红3R 降解率的提高。
张雯等[11]研究了Pt/TiO2光催化降解苯的磁场效应,发现外加磁场减缓了Pt/TiO2样品的光电导衰减速率,增大了相应的载流子有效寿命,光生载流子有足够的时间可以迁移到半导体催化剂表面,有利于光催化降解反应。外加磁场显著提高光催化剂表面羟基自由基的生成速率,从而提高了表面羟基自由基的浓度,提高光催化反应的性能。Masanobu Wakasa等[12]通过磁场强度为1.5 T的磁场耦合光催化降解叔丁醇,结果表明其主要产物为丙酮和甲烷,当磁场强度由0增加到1.5 T时,丙酮产量增加3%~4%。
Satoshi Horikoshi等[13]研究了微波辐射条件下,采用TiO2 (P-25)和ZnO分别在磁场和磁场/电场耦合光催化降解四氯苯酚,发现ZnO的光催化活性在微波/磁场作用下高于微波/电场作用。Wakasa等[14]通过比较有无磁场下反应体系吸收光谱变化认为,磁场不是通过影响自由基而是通过阻碍光生电子和空穴的复合提高了光催化过程的效率。
3 电场耦合光催化
将TiO2以粒子膜的形式固载到钛片、OTE(光学透明电极)等材料上制成二维光电极,在光电催化反应体系中,半导体/电解质界面空间电荷层的存在有利于光生载流子的分离;而光生电子和空穴注入溶液的速度不同,电荷分离的效果也不同。在半导体电极/电解液界面上可形成3种双电层,分别是半导体空间电荷层,介于固体与外Helmholtz面(ohp)间的Helmholtz双层和固体附近溶液中的Gouy-Chapman双层。TiO2电极/溶液界面处价带空穴的电位(Evs)约为+2.7 V/标准氢电极(NHE),氧化能力极强,电子的电位(Ecs)约为-0.3 V/HE,具有一定的还原能力。当半导体受到光照而电子和空穴移到表面时,电子会使表面上的物质还原,同时空穴会使表面上的物质氧化。
Vinodgopal等[15]首次报道了外加电场能促进光生载流子的分离,提高催化氧化降解氯苯酚的降解速率。Yon S等[16]发现通过超声法制备的TiO2纳米管电极活性高于搅拌法制备的,光电催化降解甲基橙的研究表明,偏电压由+0.0 V/SCE(标准甘汞电极)增加到+0.1 V/SCE(标准甘汞电极)时,甲基橙降解率从22%增加到57%,当电压为+0.1 V/SCE(标准甘汞电极)时,30 min内40 μm甲基橙完全降解。
Jiang等[17]研究电场方向、电压、电极材料等对电场辅助TiO2薄膜光催化降解染料X-3B性能的影响,发现电场和催化剂同时作用下,对电极施加0.5~2 V电压时,X-3B的降解率从40%逐步提高到80%左右;电压从0.5 V加大到1 V时,降解率提高幅度最大;而当电压从1.5 V加大到2 V时,降解率则几乎不变。付川等[18]采用溶胶-凝胶法制备TiO2/Ti膜电极,在自行设计的三维电极电助光催化降解反应装置中降解双酚A,结果表明反应120 min后双酚A降解率可达100%,最佳阳极偏电压为8 V,当溶液的电导率较小时,增大电导率有利于对双酚A的降解,但当电导率较大时双酚A的降解率反而随电导率的增大而逐渐减小。
李宣东等[19]采用TiO2/Ti薄膜电极制备和光电催化用于光催化氧化水中的罗丹明B,该电极对其降解有很好的光催化活性,同时,外加一定的偏电压可以提高光催化氧化的效率。
4 微波场耦合光催化
微波场组合光催化氧化提高反应性能的因素有以下原因[20]:(1)增加催化剂的光吸收。由于微波场对催化剂具有极化作用,因此在催化剂表面将产生附加的悬空键和不饱和键,从而在能隙中形成更多的附加能级(缺陷能级),非辐射性的多声子过程使光致电子-空穴对的生成更容易,最终提高了光的吸收利用率;(2)促进表面羟基生成羟基自由基。微波辐射使表面羟基的振动能级处于激发态的数目增多,使表面羟基活化,有利于羟基自由基的生成,最终提高光催化反应性;(3)抑制光生电子-空穴的复合。由于微波场作用给催化剂所带来的附加缺陷,将成为光生电子或空穴的俘获中心,从而降低光生电子-空穴的复合概率;(4)促进水的脱附。微波场打断水分子间的氢键从而促进了催化剂表面上的水脱附,同时也抑制了水在催化剂表面上的吸附,使更多的表面活性中心参与反应,提高催化剂的活性。
Shaogui Yang等[21]采用一种新型F-Si共掺杂光催化剂降解五氯苯酚污染物,发现微波耦合光催化降解率远大于光催化直接降解、微波降解和自然降解,20 min内浓度为40 mg·L-1的五氯苯酚在微波耦合光催化条件下完全降解。Zhong HE等[22]采用活性炭负载TiO2微波耦合光催化降解罗丹明B,结果表明浓度为30 mg·L-1的罗丹明B在10 min内完全降解,其矿化率为96.0%(20 min)。
Zhihui Ai等[23]采用微波场耦合光催化降解四氯苯酚,考察了光催化剂用量、溶液初始pH值、气泡、紫外灯功率和H2O2用量,结果表明磁场通过阻碍光生电子和空穴的复合提高了光催化过程的效率,反应中间产物主要是氯苯、苯酚、对苯二酚、苯醌和4-氯邻苯二酚。在紫外光(UV)照射和微波场(MW)存在时,水溶液中4-氯酚在TiO2催化下,Cl-迅速从4-氯酚分子的苯环上断裂,反应120 min溶液中Cl-离子浓度达7.95 mg·L-1,4-氯酚降解率为82.85%;而无MW存在时(其它条件相同),反应120 min后溶液Cl-离子浓度仅为3.79 mg·L-1,4-氯酚降解率仅为38.76%。Xiwang Zhang等[24]采用一种新型微波辅助光催化装置降解偶氮染料酸性红7,考察了羟基自由基(·OH)、空穴和H2O2用量等因素对降解偶氮染料酸性红7过程中活性氧的影响,发现降解过程主要包括3个路径,即紫外光降解、可见光光敏降解和直接降解,其降解率分别为31.1%,39.0%和19.5%。Gao Zhanqi等[25]使用微波耦合二氧化钛纳米管降解除草剂莠去津,发现5 min内莠去津可以完全被降解,其原因可能是微波辐射增加了羟基自由基(·OH)的含量。
5 热场耦合光催化
热场耦合光催化即通过提高反应体系的温度来提高反应速率,增加催化剂的光吸收,常用的TiO2半导体的本征光吸收是间接跃迁过程,需要吸收或发射声子,使跃迁的动量守恒。Falconer等[26]研究Pt/TiO2高温光催化降解乙醛,发现140 ℃时,光催化反应速率有一个最大值。上述结果表明,热场组合光催化使高温下的反应速率高于单纯光催化氧化和热催化氧化的线性组合。韩世同等[27]认为温度的提高加剧了TiO2微晶内的晶格振子热运动,使导带电子在光照下吸收和发射声子的概率增加,从而带间间接跃迁概率增加,TiO2的光吸收效率也随之提高。
Fu等[28]在研究Pt/TiO2为催化剂降解苯的过程中发现热场耦合光催化现象。35 ℃下光催化反应的转化率为16.2%,120 ℃下热催化反应的转化率为3.3%,而120 ℃热场耦合光催化苯的转化率为52.3%。同时,协同效应使苯的矿化率大大提高,CO2的产率接近完全氧化。付贤智等[29]认为,提高温度会影响反应基质在催化剂表面的吸附行为,进而影响到光催化降解的动力学行为;热场与催化剂的协同作用,导致反应物分子的活化方式和反应途径发生变化,从而使得反应速率和矿化率提高。
6 展望
外场耦合光催化在不同程度上促使了光生载流子的有效分离,从而提高光催化反应的总量子效率,改善了半导体光催化剂的催化性能。但是,外场耦合光场的协同降解有机污染物机理仍没有突破性进展,另外复合外场耦合光催化法降解有机污染物的研究还有待进一步开展。
光耦合器 篇4
慢光是实现光缓存的一项关键的技术,国内外学界对该领域的研究很多。实现慢光的方法很多,其中主要包括电磁诱导透明(EIT),相干布局(CPO),受激拉曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)等[1,2]。其中电磁诱导透明技术对实验环境要求很高,只有在超低温/压下才能实现;相干布局技术只能工作在特定频率内,且该频率不在通信频率范围内,并且所形成的带宽也很窄;受激拉曼散射和受激布里渊散射实现慢光成本高昂且不易小型化。
光子晶体以其特有的带隙和慢光性能使得光缓存技术成为可能,而且光子晶体波导具有大带宽、体积小、波导结构设计多样化等特性,且便于与其他光器件集成,可用于慢光特性的人为调控。因此,光子晶体慢光波导具有广阔的应用前景。在光子晶体慢光波导的研究中多采用线缺陷波导(PCW)来研究慢光和光子晶体耦合微腔波导(PC-CCW),以实现较低的群速度[3,4,5]。近期对于常规PC-CCW的研究,主要集中在光子晶体的结构参数对慢光的影响,例如改变填充因子或者微腔距离;虽然这些研究成果也取得了良好的慢光效果,慢光群速度的数量级可以达到10-3c(c为真空中的光速),但是在降低群速度的同时,带宽牺牲很大,低于0.000 25,甚至仅有10-5数量级[6,7,8];因此研究慢光效应下带宽的增加具有很重要的意义。文章通过改变光子晶体耦合腔间介质柱的位置,探索在实现慢光的前提下,增加带宽。
1 物理模型及数学方法
1.1 物理模型
将两个半径不同的二维方形晶格A与B(RA≠RB)相互嵌套在一起,保证晶格A与晶格B的原胞几何中心分别包含晶格B与晶格A的一个介质柱,得到完美形二维嵌套光子晶体晶格结构[4]。在该结构中心处构造一个点缺陷,构成点缺陷二维嵌套光子晶体耦合腔结构如图1所示。在点缺陷二维嵌套PC-CCW基础上,对原缺陷腔附近的四个介质柱进行调整,选取点缺陷左右两个介质柱C,对应半径RC=0.09 a(a为晶格常数,a=1μm),上下两个介质柱半径保持不变。模型中介质柱采用介电常数εb=1的空气材料,背景介质底为介电常数为εc=27的NdSCO3材料,其中晶格A中介质柱半径RA设为0.35 a,晶格B中介质柱半径RB为0.12 a。在介质柱内填充0.25%浓度的磁性纳米颗粒型磁流体(MnFe2O4),其载体为水,折射率在环境温度下(T=24.3℃)为1.349 6。通过改变点缺陷垂直方向上两个介质柱与点缺陷间的距离,如图1(d)蓝色虚线框所示,从而改变点缺陷波导的引导模式,以此达到改变慢光特性的目的。
1.2 数学方法
光子晶体耦合腔波导中的色散关系运用平面波展开法(PWE)中的超胞算法[9]来计算。通过超胞算法得到了光子晶体导模的色散曲线后计算色散曲线的斜率,即为群速度,其具体表达式为:
其中,ω和k分别为归一化频率和波矢量。
对于慢光器件,慢光的特性也可以由群折射率来表示。群折射率定义为真空光速c与群速度之比:
同时,对于耦合腔波导,一般希望慢光的带宽越大越好,但是大的带宽一般伴随延迟的减小,即在增大带宽的同时慢光程度就会减小,仅仅单一的考虑带宽和群折射显然是不够的。因此,为了彻底描述清楚器件的慢光性能,研究将利用归一化延迟带宽积(normalized delay-bandwidth product,NDBP)进行描述。首先给出平均折射率的计算公式:
归一化延迟带宽积公式为:
其中Δω是以ω0为中心频率的慢光带宽。延迟带宽积是描述慢光器件自身对光的最大存储/延迟能力的一个很好的指标。
除了NDBP外,群速度色散(GVD:group velocity dispersion)的影响同样需要关注。因为它是衡量慢光器件优劣的重要参考量,如果设计的不当会导致传播信号的失真。GVD的参数β2是由色散关系函数的二阶导数得到的:
慢光通常伴随着很大的β2的值,但是大的GVD则意味着导模带宽的缩小。
文章将采用紧束缚法[10]来分析光子晶体耦合腔波导中的慢光特性。由于耦合腔的周期性结构,波矢量可以折叠在[0,π/L]区间,因此,色散关系可以描述为:
定义耦合系数κ为:
把式(8)代入式(1)中,由于sin(KL)的取值范围为-1~1,因此群速度可以写为:
由式(10)可以看出,群速度的大小是由微腔间距L和耦合系数κ共同决定的。通过分析式(9)和式(10),可以得知如果要获得较慢的群速度,可以采用降低耦合系数κ、缩短腔间距L或者降低传输的频率三种途径。
2 仿真结果与分析
设定RA=0.35 a,RB=0.12 a,RC=0.09 a。如图2所示,选定蓝虚线框中的两个介质柱,红色带箭头实线为这两个介质柱的移动方向,定义移动的距离为Δd,每次位移量为0.1 a,Δd的变化范围0~0.6 a。最终仿真结果如图3所示。
图3红色实线为介质柱向点缺陷处移动时的NDBP,都在0.340以上,优于文献[4],[7],[11];特别当Δd=0.4 a时,NDBP达到了0.404,比介质柱位移其他距离时的NDBP值提高了0.05左右;蓝色虚线表示介质柱位移时的最大群速度,由图可知,除介质柱移动0.5 a和0.6 a外,其他情况下群速度均保持在10-3数量级上。下面具体分析:
图4(a)、(b)、(c)分别是导模曲线、群速度色散和群速度的示意图。由图4(a)可以发现,除Δd=0.6 a外,随着介质柱向点缺陷移动,相应的导模向高频移动;相比较其他几种情况,当Δd=0.5 a,Δd=0.6 a时,导模曲线变得比较陡峭,结合式(1):,这意味着此时导模群速度很大。当Δd=0.6 a时,群速度变为2.529×10-2c,仅能达到光速的10-2数量级,但此时的带宽高达0.001 50;同样,当Δd=0.5 a时,群速度为1.68×10-2c,带宽为0.001 02,两种情况下的NDBP分别为0.369,0.373。由此可见,尽管这两种情况下带宽很大,但其群速度只能达到10-2c,这也正是光子晶体慢光研究中不可避免的矛盾———群速度和带宽间的矛盾:群速度越大,延迟减小,带宽就越大,反之,当达到很低的群速度时,带宽也就会相应的变得很小。
通过表1可以发现,介质柱向点缺陷处移动0.2 a和0.3 a时,可以获得0.000 40和0.000 51的带宽,此时的群速度分别为6.93×10-3c和6.94×10-3c,导模曲线较为平坦,分别为0.237 27(ωa/2πc)~0.237 67(ωa/2πc)和0.237 72(ωa/2πc)~0.238 23(ωa/2πc);可以保证在10-3c慢光条件下,得到很宽的带宽。比较这两种情况可以发现,当Δd=0.3 a时,可以达到和Δd=0.2 a时几乎一样的群速度,但其带宽比Δd=0.2 a时的带宽宽0.000 11,此时的NDBP的值为0.355,群速度色散维持在(-0.29~1.96)×107,可以说其慢光效果比Δd=0.2 a好。同时考虑了将垂直方向介质柱固定在0.3 a处,调节水平方向介质柱位置,移动0.4 a时得到最佳慢光效果,结果如表1所示:与垂直缺陷腔相比,在相近带宽下,水平缺陷腔的群速度明显提高了1.03×10-3c。特别在垂直方向Δd=0.4 a时,NDBP可以高达0.404,其群速度、带宽分别为3.45×10-3c,0.000 26;与未嵌套点缺陷PC-CCW相比[6,7],带宽增加了0.000 17。同时也仿真了保持垂直方向介质柱初始位置不变,调节水平方向介质柱位置的情况,最终结果表明:水平方向调节介质柱得到的慢光效果比垂直方向调节时差。
改变缺陷腔介质柱的位置其实就是调节单一腔结构的介电常数的分布,随着介质柱位置的不断变化,其介电常数也在不断发生变化。由式(9)可知,耦合系数κ将随着介电常数不断变化。根据波导模的微带宽度公式Δω=2|κ|Ω可知,当传输的频率Ω保持不变时,可以通过改变耦合系数κ来改变微带宽度Δω,这也和最终仿真得出的结果相符。
3 结论
针对点缺陷二维嵌套光子晶体耦合腔结构,优化调节缺陷周围水平、垂直方向四个介质柱的位置;当垂直方向介质柱位移0.3 a时,可以在保证10-3c慢光条件下,达到0.000 51的相对带宽;当垂直方向位移0.4 a时,NDBP值达到0.404,具有很好的慢光效果。与未嵌套二维光子晶体点缺陷耦合腔相比[6,8],群速度相近时,带宽增加了0.000 17,NDBP的值可提高0.25。通过优化点缺陷附近介质柱的位置,可以实现在降低光子晶体慢光的群速度的同时适当增加带宽,为慢光效应下增加带宽提供了一种新的思路和方法。
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