特型钝体绕流动态特性的低速实验研究

特型钝体绕流动态特性的低速实验研究（通用2篇）

篇1：特型钝体绕流动态特性的低速实验研究

在低速自由射流风洞上,利用热线及相关设备对由半球头部、颈部及旋成体构成的特型钝体周围非定常流动的基本特性、联合特性及湍流度分布进行了测试与分析,实验工况为迎角α=-15°～+15°、侧滑角β=0°～10°.结果表明,在上述工况范围内,该钝体周围流场中速度脉动的`能量分布平坦,属宽频带随机信号,流场中没有发生明显的流动分离,流场动态品质良好;凹陷区内气流的脉动以不同的速度向下游空间传播;在上述α、β变化范围内,钝体颈部凹陷区的最大湍流度高达10.9～24.8%.

作 者：李学来 任三星 郭荣伟 Li Xuelai Ren Sanxing Guo Rongwei 作者单位：南京航空航天大学,南京,210016刊 名：空气动力学学报 ISTIC EI PKU英文刊名：ACTA AERODYNAMICA SINICA年，卷(期)：18(2)分类号：V211.4 V271.4关键词：钝体 动态特性 湍流度 热线 频谱分析

篇2：特型钝体绕流动态特性的低速实验研究

光子晶格作为集成光学系统的基础材料,在未来的光通信发展中有极其重要的作用。但传统制作光子晶格的方法[1]工艺复杂、造价昂贵且不易在材料内部制作光子晶格,因此对光子晶格的研究与应用造成了很大得困难。近年来随着光折变材料的出现,使得制作光子晶格可以通过光诱导这种简单方便且价格低廉的方法实现,这为光子晶格的制作与研究提供了广阔的实验平台,也为光子晶格的广泛应用带来了可能性。掺铁铌酸锂(LiNbO3∶Fe)晶体是目前被公认为优质的光折变材料之一,在光通讯方面有着广泛的应用前景[2,3]。目前,人们已经成功的在光折变晶体中制作出光折变光子晶格[4,5]光子晶格具有与电子在周期性势场中类似的性质即带隙结构,但在实际应用中还是有很大的限制,因为人们希望像控制电路一样可以实现对光的控制,从而实现光路集成。如果在光子晶格中嵌入缺陷或参入杂质后,由于光子晶格的周期对称性遭到破坏便会使光子晶格带隙结构发生变化,从而产生频带可以将处于带隙内一定频率的光波“捕获”在缺陷处,使一定频率的光波在缺陷中传播,从而实现光的选择性传播。这是由于缺陷的植入使得在晶格内产生缺陷模,只有当缺陷模的频率与光波频率相同时,光波才可以通过,而其它频率的光不可以通过,利用这一性质人们已经成功地制作了光子晶体波导[6]和光子晶体光纤[7]。因此,研究缺陷型光子晶格的光学性质对全光学光通讯的实现有重要意义。本文利用实验的方法对影响缺陷态光子晶格光学性质的因素进行了研究,并给与了初步的理论解释。

2 实验装置及原理

实验装置如图1所示。

该装置是由两个YAG倍频激光器产生的波长为线偏振光经过扩束准直后分别通过具有点对称排列的四孔点阵振幅掩膜Mask1和具有轴对称性的并排十九孔振幅掩膜Mask2分别得到4束相干光和并排19束相干光束;再分别经过傅里叶变换透镜L1(f1=225mm)和L2(f2=300mm)同时聚焦在LiNbO3∶Fe晶体(Fe的质量分数为0.03%,尺寸为x×y×z=27mm×20mm×4mm,晶体光轴为在X-Y平面内45°)前表面上,使得两个方向产生的相干图样可以叠加在晶体同一处。该晶体处于两个傅立叶变换透镜的焦点上,光束通过晶体后的两列光的光强分布由透镜L3(f3=70mm)成像在CCD上,CCD输出经PC处理后,可在PC屏幕上直接观察到晶体后表面的光强分布情况。同时实验中Mask2的孔直径为d2=0.4mm,孔间距为a2=1mm。

3 实验结果与分析

3.1 格点对缺陷光学特性的影响

缺陷在有无晶格的情况下其光学传播方式是不一样的,在有晶格的情况下由于晶格的布拉格反射使得光波被局域在缺陷内,而没有晶格时则光波不会沿缺陷传播。首先打开激光器1可以在晶体中写入缺陷,如图2(a)、(b)所示分别是输入图像与经过t=45min辐照后读出的计算机输出图像。然后同时打开激光器1、2,写入格点与缺陷,如图2(c)、(d)分别是输入图像与经过t=45min辐照后计算机输出的读出图像。其中掩膜Mask1(孔直径为d2=0.4mm,孔间距2a1=8mm)通过傅立叶变换写入晶体中晶格的周期为Λ=14.1。

从图2中对比可以看到在没有格子的情况下缺陷处是没有光通过的,而在有格子的情况下缺陷处明显有光通过,即光在缺陷中传播,实现了光波的局域,这与文献[5]中观察到的结果是一致的。同时在上述实验中读出光是准直扩束后的平面波,在探测光束从0°～90°(探测光束与晶体前表面光轴方向的夹角)范围内的扫描过程中观察到了上述实验现象,当探测光的掠射角达到一定值时,即Bragg角θ=0.1°时,缺陷中开始出现局域光的现象,但此时的光波被局域在缺陷光强较弱。在探测光束的掠射角逐渐以微小角度持续缓慢增加的过程中,缺陷中局域光波的逐渐加强,当θ=0.9°左右时,探测光被局域在了缺陷的中间,并且光强也达到最大。随着掠射角度的继续微小增加,缺陷中光波的强度又会逐渐的减弱,如果掠射角θ继续增加达到2.5°时,光场中的能量便迅速转移到邻近光子晶格中,缺陷中的局域现象也会随即消失。

从以上实验中观察到探测光的入射角度(或掠射角度)对缺陷局域光的影响非常灵敏。具体的来说就是,缺陷中局域光波的强度会随着探测光的角度发生改变。只有当探测光束的入射角度处于一定范围内时缺陷中才会出现局域现象当入射角偏离该角度范围时,局域现象就会消失。在严格的理论计算中,探测光束只有以这个特定的角度即布拉格角入射时,缺陷才能将光波局域。而在实验中观察到当θ在一定的角度范围0°～2.5°内变化时,缺陷均可以将光波局域在其中,只是所局域光波的强度及光波所在缺陷中的位置有所不同。分析认为,这样的角度范围只是由于光子晶格带隙结构中的缺陷模具有一定的宽度所造成的。通过计算可以求得本实验条件下的布拉格角θ=0.44°,这与我们在实验中所观察到的光波被局域在缺陷中心位置附近光强达到最大值时所对应的角度基本吻合。

3.2 不同角度的缺陷在晶格中的局域光特性

实验中,其他实验条件不变的情况下,如果四方晶格中的缺陷方向不同的话其局域光的能力也是不同的,如图3所示。

从图3(a)、(c)可以观察到,当缺陷平行或是垂直时,其局域光的能力明显不如45°时,分析认为这是由于当缺陷是45°时,四方晶格在这一方向可以看做是三角晶格,由于三角晶格中缺陷的局域光能力要比四方格子更好,这在实验中已经得到证实[8],因此,实验中看到四方晶格中缺陷为45°时局域光的能力最强。同时对比图3(b)、(d)可以看到,相对于晶格平面同样是45°的缺陷,但图3(d)中缺陷的局域光波现象明显要比图3(b)好。这是因为图3(d)中的缺陷写入角度和晶体光轴垂直,入射光方向与c轴垂直时光生伏打电压可以达到很高,通过电光效应形成的n更大,光生载流子为电子,电子沿+c轴方向迁移,所以光折变现象明显,局域效果更好。

3.3 晶格周期的不同对缺陷局域光的影响

晶格周期也是影响缺陷型光子晶格光学性质的重要因素,在实验中其它实验条件不改变的情况下,通过选取不同掩膜孔间距的Mask1就可以实现不同周期晶格的制作,(根据公式Λ=λf/2 2α[4],可算出晶格周期,其中2α表示2个相邻孔间距、λ表示激光波长,f表示傅立叶变换透镜的焦距)。为了研究晶格周期对其光学性质的影响,实验中写入不同周期的晶格折射率变化量都达到饱和(即折射率不再随时间发生改变),而写入缺陷的光束辐照时间在实验中都控制为t=35min。如图4(a)、(b)、(c),分别是晶格周期为Λ=11.2、Λ=14.1、Λ=18.4在最佳角度读出的实验图像。

从上述实验图像可以得到,在晶格周期为Λ=11.2和Λ=18.4时,缺陷的局域光能力较弱,如图4(a)、(c),而在晶格周期为Λ=14.1时局域光的能力最好,如图4(b)所示。

3.3缺陷间晶格列数不同对缺陷局域光的影响

因为光子晶格中缺陷的局域光现象是由于晶格发生多重布拉格反射后将光局域在缺陷内的,因此缺陷间晶格列数的多少对缺陷局域光的能力也就十分重要。实验中在其他条件不变的情况下,通过选用不同孔空间距的掩膜Mask2来控制缺陷间晶格的列数来观察缺陷间晶格列数的不同对局域光的影响。如下图5(a)、(b)、(c)所示,分别是缺陷间晶格列数为N=3、N=5和N=8的线缺陷四方晶格的读出图像。

从实验结果图中可以看到,缺陷间晶格列数的不同对缺陷局域光的能力有明显的影响,在用光束对线型缺陷态的四方晶格扫描的过程中可以看到:缺陷间晶格列数N=3时,缺陷中只有很微弱的光通过,光场能量大部分泄露在了晶格中,缺陷的几乎没有局域光能力,如图5(a);当缺陷间晶格列数达到N=5时,缺陷此时已具有了明显的局域光波能力,缺陷中有了较强的光通过,但此时明暗对比度较差,仍有相当一部分的能量留在晶格位置,如图5(b);当晶格间列数达到8时可以看到,光场的绝大部分能量都集中在了缺陷位置,缺陷像一根“管道”一样引导光波在其中传播此时缺陷具有了很强的局域光能力如图(c)。晶格中缺陷局域光波的能力主要是由于光在晶格中发生重复的布拉格反射形成的,因此,缺陷间晶格的列数对局域光波的能力也就有很重要的影响,只有缺陷间的晶格列数达到一定值时才会有局域光波的能力。理论上认为,当缺陷间晶格列数达到3以上就会产生局域光波的能力,并且局域能力也不会再随着晶格间列数的增加而改变,在实验中观察到,缺陷间晶格列数达到7以上其局域光的能力才达到最佳,并且其局域光波的能力也不再发生变化。可以看到理论与实验基本是一致的,就是晶格间列数必须达到一定数量才可以。理论与实验间出现的微小差异,分析认为主要是因为理论与实验中的边界条件不一样造成的,但结论上基本还是一致的。

4 结论

文中通过实验的方法对自散焦LiNbO3∶Fe晶体中构造的缺陷态四方光子晶格的光学性质进行了研究。实验表明有无格子、晶格周期的不同,还有缺陷在晶格中的角度和缺陷间晶格列数都对缺陷态光子晶格光学性质有很大影响,同时文中对影响实验现象的因素也做了初步的理论解释,这对缺陷态光子晶格的制作与应用有一定的指导意义。

参考文献

[1]R G Hunsperger.Integrated Optics Theory and Technol-ogy[M].Springer-Verag,Berlin,1982.38-44.

[2]Zhang Wenfu,Fang Qiang,Cheng Yihua,et al.Narrowbandinterleaver based on one-di mensional photonic crystalwith positive-negative index alternant multilayer[J].ActaOptica,Sinica,2007,27(9):1695-1699.

[3]Yang Xudong,Xu Xinguang,Shao Yaopeng,etal.Photovoltaic effect in doped photorefractive Li NbO₃crystal[J].Acta Optical sinica,2003,23(4):398-401.

[4]杨立森,陈小虎,刘思敏,等.(2+1)维光折变波导阵列的制作[J].光子学报,2002,31(10):1200-1204.

[5]崔俊杰,杨立森,陈宝东,等.二维光折变缺陷光子晶格的制作[J].信息记录材料,2008,9(4):23-25.

[6]Tao Song,Si Min Liu,Ru Guo.Observation of compositegap solitons in opticallyinduced nonlinear lattices in Li N-bO₃∶Fe crystal[J].Optics Express,2006,14(5),1924.

[7]Philip Russell.Photonic Crystal Fibers[J].Review Ap-plied Physics,2007,299(10),358-362.