[科普中國]-復(fù)合缺陷

復(fù)合缺陷是指將線缺陷作為主波導(dǎo)，將環(huán)形腔和點缺陷相結(jié)合作為負載波導(dǎo)來實現(xiàn)對特定波長的濾波。

概念復(fù)合缺陷可用于消除光子晶體環(huán)形腔濾波器的多模特性，通過在環(huán)形腔的輸出負載通道中引入點缺陷，提出了一種復(fù)合缺陷光子晶體濾波器結(jié)構(gòu)。分析光子晶體整體介質(zhì)柱折射率、點缺陷的折射率以及點缺陷的尺寸對濾波器濾波特性的影響。若改變點缺陷介質(zhì)柱半徑，則可實現(xiàn)濾波器的單縱模濾波和濾波特性的可調(diào)諧，這將對多通道濾波器結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供有效的理論參考。

復(fù)合缺陷光子晶體濾波器設(shè)計與數(shù)值研究隨著各種新型光學(xué)器件和集成光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光子晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為一個重要和具有發(fā)展?jié)摿Φ拈_發(fā)平臺。由于其波長的可控性、結(jié)構(gòu)的緊湊性和使用壽命長等諸多特點，已得到了廣泛的應(yīng)用，例如光濾波器、光開關(guān)、全反鏡、分插復(fù)用器、光分束器和解復(fù)用器等。其中，光濾波器已成為光通信和光傳感領(lǐng)域的核心器件之一。通過引入點缺陷、線缺陷或是環(huán)形腔等方式，可實現(xiàn)光子晶體濾波器結(jié)構(gòu)的設(shè)計。引入點缺陷可使光子晶體禁帶中的某個特定頻率的光信號得以傳播，而線缺陷可以實現(xiàn)光子局域，在其能帶范圍內(nèi)的光波均可得到較好的傳輸，且可以做到能量損耗很少，而引入環(huán)形腔可形成多個窄帶分布，與之相對應(yīng)的波長可以得到很好的傳輸，因此可將其作為濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。與此同時，光子晶體的空間分布、介質(zhì)材料的介電常數(shù)、光子晶體的周期結(jié)構(gòu)以及光子晶體缺陷的設(shè)置是影響光子晶體濾波器性能的主要因素?；谝陨戏治?，本文將點缺陷與環(huán)形腔相結(jié)合，通過復(fù)合缺陷實現(xiàn)了濾波器結(jié)構(gòu)的設(shè)計，實現(xiàn)了特定波長的濾波，并通過參數(shù)調(diào)整實現(xiàn)了濾波性能的優(yōu)化。

改進濾波器結(jié)構(gòu)的提出基于光子晶體環(huán)形腔的原濾波器結(jié)構(gòu)和改進的濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示。該21×21光子晶體結(jié)構(gòu)以空氣為背景，其晶格常數(shù)a=0.55μm，介質(zhì)柱折射率n=3.50，介質(zhì)柱半徑r=0.185a。信號光從A端口輸入，濾波信號從B端口輸出，AM構(gòu)成濾波器結(jié)構(gòu)的主波導(dǎo)，M為主波導(dǎo)輸出端。以高斯連續(xù)波為入射信號光，從A端口進入主波導(dǎo)，由于環(huán)形腔的耦合作用，特定頻帶的光信號被選擇而實現(xiàn)濾波，并從B端口輸出，其余光信號則從M端口輸出。由于環(huán)形腔的多模特性，B端口的輸出為多個窄帶信號，其輸出光譜如圖2(a)所示，而要實現(xiàn)具有單縱模特性的濾波器結(jié)構(gòu)，光子晶體諧振腔只能得到與其共振頻率相等的某個窄帶信號，基于此，在環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在負載通道中引入一組點缺陷，得到改進后的濾波器結(jié)構(gòu)，此時在B端口的輸出則為單一的窄帶信號，其輸出光譜如圖2(b)所示。由光譜分析可以得出，在引入點缺陷后，負載波導(dǎo)只選擇與點缺陷發(fā)生共振的頻帶輸出，而不發(fā)生共振的其他頻帶的信號則經(jīng)過負載通道返回到主波導(dǎo)內(nèi)，進而通過M通道輸出，使得M端口輸出能量加強。因此，改進后的濾波器結(jié)構(gòu)由于引入了點缺陷，在負載輸出端口只有單一頻帶的信號輸出，這便具有了良好的濾波效果。

數(shù)值模擬與分析時域有限差分法是常用的求解電磁波在介質(zhì)中傳播的數(shù)值計算方法，將利用FDTD分析光經(jīng)過缺陷態(tài)光子晶體環(huán)形諧振腔傳感結(jié)構(gòu)的傳輸特性，并用完全匹配邊界層作為吸收邊界條件?？臻g步長分別為Δx=Δy=a/20，時間步長為Δt。為了使離散后的差分方程組的解收斂且穩(wěn)定，時間步長Δt須滿足Courant穩(wěn)定性條件，其中c為真空中的光速，計算時取單個原胞進行20×20個分割離散。以高斯脈沖光信號作為輸入光源，分別分析光子晶體整體介質(zhì)柱的折射率變化、點缺陷介質(zhì)柱的折射率變化和點缺陷介質(zhì)柱的半徑變化等三方面因素對濾波器輸出特性的影響。

（1）光子晶體整體介質(zhì)柱折射率變化對濾波特性的影響

高斯連續(xù)脈沖信號從A端口輸入，當整體結(jié)構(gòu)的介質(zhì)柱折射率發(fā)生改變時，光子晶體濾波器在負載波導(dǎo)B端口的輸出將隨之發(fā)生變化。當介質(zhì)折射率（n－rods）分別為3.30、3.40和3.50，從B端口輸出的濾波波長將向長波長方向發(fā)生移動，如圖3所示。當n－rods1=3.30時，輸出波長為1.4368μm，透射率為90%；當n－rods2=3.40時，輸出波長為1.4442μm，透射率為84%；當n－rods3=3.50時，輸出波長為1.4515μm，透射率為67%?？梢园l(fā)現(xiàn)，選擇不同的介質(zhì)柱折射率將影響濾波波長和濾波效率，這將對濾波器設(shè)計中的參數(shù)起到有效的借鑒作用和理論參考。

（2）點缺陷介質(zhì)柱折射率變化對濾波特性的影響

當濾波器結(jié)構(gòu)確定不變且點缺陷半徑與其他介質(zhì)柱半徑相等時，改變點缺陷介質(zhì)柱的折射率n－point，觀察負載波導(dǎo)B端口處的輸出變化，如圖4所示。當n－point1=1.10時，a/λ=0.379，所對應(yīng)的濾波波長為1.4515μm；當n－point2=1.80時，a/λ=0.348，所對應(yīng)的濾波波長為1.5805μm；當a/λ3=1.95時，所對應(yīng)的濾波波長為1.6176μm；當a/λ4=2.05時，a/λ=0.334，所對應(yīng)的濾波波長為1.6467μm。由此可見，當點缺陷介質(zhì)柱折射率變大（或變?。r，B端口輸出信號的濾波波長將出現(xiàn)紅移（或藍移）。由于點缺陷耦合腔對特定頻率進行選擇的性質(zhì)，點缺陷的折射率改變也可以實現(xiàn)濾波器濾波特性的可調(diào)諧。

研究結(jié)論通過點缺陷與環(huán)形腔的有效結(jié)合，克服了傳統(tǒng)環(huán)形腔濾波器結(jié)構(gòu)的多模特性，實現(xiàn)了單縱模濾波特性。通過對光子晶體介質(zhì)柱折射率、點缺陷折射率和點缺陷半徑等參數(shù)的調(diào)整，分析了負載波導(dǎo)輸出端口光譜特性的變化?？梢园l(fā)現(xiàn)，選擇不同的光子晶體整體介質(zhì)柱折射率、點缺陷半徑和點缺陷折射率，可以實現(xiàn)濾波特性的可調(diào)諧，這為今后在集成光子晶體器件中設(shè)計多通道光濾波器提供了重要的理論依據(jù)。1

復(fù)合材料超聲檢測復(fù)合缺陷多層成像實驗分析復(fù)合材料構(gòu)件在制造和使用過程中，不可避免的會出現(xiàn)孔隙、疏松、空洞、夾雜、分層等缺陷和損傷，會嚴重影響材料的力學(xué)性能。因此，對復(fù)合材料構(gòu)件進行無損檢測研究就具有重要意義。超聲檢測是用于復(fù)合材料缺陷檢測的一種最為重要的方法。國內(nèi)外已有關(guān)于復(fù)合材料超聲檢測方面的研究。

將超聲C掃描技術(shù)用于陶瓷基復(fù)合材料的孔隙率的檢測評價；利用超聲C掃描技術(shù)評估RTM復(fù)合材料中微孔的數(shù)量。將超聲檢測用于復(fù)合材料沖擊損傷的檢測與評估中，并得到超聲C掃描成像方式能夠準確直觀的再現(xiàn)復(fù)合材料沖擊損傷區(qū)域及其分布、面積等。然而，傳統(tǒng)C掃描成像過程中，只能獲得沿復(fù)合材料層深方向一個平面的投影，對于處于同一平面位置卻分布在不同層的復(fù)合型缺陷不能得到有效的檢測，因此會出現(xiàn)漏檢情況，導(dǎo)致對缺陷或者損傷程度的錯誤評估。針對此問題，研究采用超聲掃描檢測系統(tǒng)，利用切片C掃描成像技術(shù)，對復(fù)合材料中同一平面位置卻分布在不同層深的復(fù)合缺陷進行超聲檢測。通過超聲B掃描、C掃描和切片C掃描圖像全面展現(xiàn)復(fù)合材料內(nèi)部缺陷的詳細信息。

檢測系統(tǒng)（1）系統(tǒng)組成

檢測系統(tǒng)為三軸水浸超聲掃描檢測系統(tǒng)見圖5。運動控制器控制一個三自由度的機械掃描裝置，實現(xiàn)豎直方向超聲探頭的上下調(diào)整對焦和水平方向的自動掃描。超聲發(fā)射/接收器通過超聲換能器發(fā)射超聲波并接收從被測試件反射回來的超聲回波，反射回波經(jīng)過濾波、放大后被高速數(shù)據(jù)采集卡采集并送入信號處理單元。同步邏輯控制器控制超聲發(fā)射/接收器，以保證超聲信號的發(fā)射和采集與機械運動同步。最后將經(jīng)過數(shù)據(jù)信號處理單元處理過的信息存入計算機進行再分析，通過成像顯示系統(tǒng)進行成像顯示。

（2）超聲檢測復(fù)合缺陷成像分析

利用圖5系統(tǒng)，在檢測系統(tǒng)計算機和分析軟件的共同作用下，能夠?qū)Ρ粰z測試件進行超聲A、B、C掃描和切片C掃描。超聲檢測時，典型的完好區(qū)和有缺陷處的超聲A掃描波形分別如圖6所示。

A掃描波形圖中，需要利用上閘門套住整個反射波并調(diào)節(jié)下閘門的位置使其套住整個底面回波U，以獲取整個超聲反射信號的信息。圖6(b)中表面回波S和底面回波U之間缺陷回波F的出現(xiàn)可以直接用來判斷該處缺陷的存在，并且利用表面回波S和缺陷波F之間的聲程差，通過計算，也可以求得缺陷的層深位置。

①B掃描和C掃描成像分析。提取計算機中整個掃描平面的底面回波高度并與不同的顏色對應(yīng)，通過計算分析，就可以得到整個試件掃描平面的圖像，即C掃描圖像，C掃描圖像中的坐標與被測試件的尺寸完全對應(yīng)。因此，通過C掃描圖像就可以發(fā)現(xiàn)缺陷或者損傷在復(fù)合材料平面的分布情況。提取掃描路徑任意一行中每點的掃描信號，通過數(shù)據(jù)重構(gòu)，同樣可以得到垂直于掃描試件平面的試件斷面的圖像，即B掃描圖像，B掃描圖像中橫坐標與換能器在試樣上掃描的實際位置一一對應(yīng)，縱坐標與試樣的厚度嚴格對應(yīng)。因此，通過B掃描圖像就可以揭示缺陷或者損傷在復(fù)合材料厚度方向的分布。B掃描和C掃描圖像中可以根據(jù)所顯示顏色的差別區(qū)分缺陷的存在與否。

②切片C掃描成像分析。圖5系統(tǒng)在對復(fù)合材料層合板進行掃描檢測時，A掃描波形中每點的表面回波S和底面回波U之間的聲程差與被檢測試件該點的厚度之間成正比例關(guān)系。因此，S與U之間的每一點就對應(yīng)被測試件的相應(yīng)厚度位置，每一點的超聲反射信號就是對應(yīng)厚度位置的反射信號。提取被測試件來自厚度方向同一深度的超聲反射信號，在同一平面進行成像顯示，就可以得到同一深度的超聲掃描圖像，即切片C掃描圖像，切片C掃描圖像中的坐標與被測試件的尺寸完全對應(yīng)。這種切片C掃描成像方法與超聲C掃描成像方法類似，區(qū)別在于，C掃描成像方法利用的底面回波成像，而切片C掃描利用的是被切截面的反射回波進行成像。因此，切片C掃描可以得到被檢測試件內(nèi)部缺陷或者結(jié)構(gòu)的詳細信息，對復(fù)合材料復(fù)合型缺陷的檢測和評估非常有益。將超聲B掃描、C掃描與切片C掃描結(jié)合可以實現(xiàn)復(fù)合材料缺陷的成像檢測與準確的定量評估。

研究結(jié)論(1)采用超聲檢測技術(shù)，可以有效提取復(fù)合材料中的反射信號，利用反射信號和超聲C掃描、B掃描成像技術(shù)能夠檢測到復(fù)合材料中的缺陷和缺陷的位置。

(2)基于入射波在復(fù)合材料內(nèi)部缺陷區(qū)形成的反射聲波信息，在A掃描波形的基礎(chǔ)上，提取厚度方向不同層深位置的缺陷反射信號，通過圖像重構(gòu)能夠得到復(fù)合材料在不同層深位置的切片C掃描圖像，可以觀察到其內(nèi)部的損傷情況。

(3)將超聲C掃描、B掃描與超聲切片C掃描成像相結(jié)合，能夠?qū)?fù)合材料中的復(fù)合缺陷進行有效檢測，并且進行多角度展示，為復(fù)合材料復(fù)合缺陷或損傷的檢測和定量評估，提供了一種有效的超聲成像檢測方法和可視化分析方法。2

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

李航 - 副教授 - 西南大學(xué)