物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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生物分子膜门电极AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)生物传感器研究
李加东, 程珺洁, 苗斌, 魏晓玮, 张志强, 黎海文, 吴东岷
物理学报. 2014, 63 (7): 070204
Cu, Zn离子注入SiO2纳米颗粒合成及氧气氛围下的热稳定性研究
许蓉, 贾光一, 刘昌龙
物理学报. 2014, 63 (7): 078501
二维光栅角度信号响应函数研究
鞠在强, 王研, 鲍园, 李盼云, 朱中柱, 张凯, 黄万霞, 袁清习, 朱佩平, 吴自玉
物理学报. 2014, 63 (7): 078701
物理学报  
   物理学报--2014, 63 (7)   发布日期: 2014-04-05
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综述

应用于弱光探测的热敏超导谐振器
Thermal-sensitive superconducting coplanar waveguide resonator used for weak light detection

周品嘉, 王轶文, 韦联福
物理学报. 2014, 63 (7): 070701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.070701
全文: [PDF 3954 KB] 下载:(9679)
摘要
近几十年来,超导单光子探测技术被越来越广泛的应用于量子保密通信与线性光量子计算等重要领域中. 其中,基于超导共面波导谐振器的单光子技术以其结构简单,高探测效率及可分辨光子数目等特性吸引了人们越来越多的关注. 随着科研工作者对样品制备工艺的不断改进,对选用超导薄膜材料的不断优化,以及对相关背景理论的深入研究,共面波导谐振器单光子探测技术在近几年中取得了巨大的突破. 本文将从共面波导谐振器单光子探测器的工作原理,相关理论研究,样品参数设计等方面出发,结合本实验室近期测试得到的实验结果,对共面波导谐振器单光子探测技术的发展近况进行简要的综述.
总论

阻尼最速落径问题和约束与运动定理的联系
Damped brachistochrone problem and the relation between constraint and theorem of motion

丁光涛
物理学报. 2014, 63 (7): 070201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.070201
全文: [PDF 190 KB] 下载:(1049)
摘要
研究阻尼的和带有非零初速的最速落径问题;根据这些问题的讨论,指出对某些系统运动定理能够作为约束,而且这种约束是完整的或是非完整的 与微分运动定理是可积的或是不可积的相关联.

基于跟驰模型列车运行优化控制模拟研究
Simulation of optimal control of train movement based on car-following model

叶晶晶, 李克平, 金新民
物理学报. 2014, 63 (7): 070202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.070202
全文: [PDF 397 KB] 下载:(782)
摘要
列车运行的优化控制是降低运输成本,提高运输服务质量以及实现轨道交通可持续发展的重要方式. 本文在传统优化速度跟驰模型的基础上,以能量节约为目标提出了一种改进的模拟模型,用以模拟分析城市轨道交通系统中列车运行的优化控制. 所提出的模型是通过在经典的优化速度跟驰模型(见Phys. Rev. E 51 1035 Bando等,1995)中引入新的目标优化速度函数来实现在复杂限速条件下列车运行的优化控制. 数值模拟则是以北京市地铁亦庄线为例,利用亦庄线实测数据开展研究. 结果表明,所提出的模型能够很好地描述复杂限速条件下列车运行的动态特性,模拟测量得到的结果和亦庄线的实测数据较为符合,由此说明所提出模型的有效性. 进一步,通过分析列车运行时空图,列车运行的速度变化及运行时间等,讨论了复杂环境下列车流的时空演化特性.

双色散模型的辛时域有限差分算法
Symplectic FDTD algorithm for the simulations of double dispersive materials

王辉, 黄志祥, 吴先良, 任信钢, 吴博
物理学报. 2014, 63 (7): 070203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.070203
全文: [PDF 312 KB] 下载:(670)
摘要
结合有耗的Drude-Lorentz色散模型,提出了处理双色散模型的辛时域有限差分算法. 基于矩阵分裂,辛传播算子和辅助差分方程技术,结合严格而巧妙的公式推导,构建了算法框架,并给出了详细的公式推导过程. 为了验证本文算法的有效性和精确性,首先计算了一维空间双色散平板的透射系数,并与解析解对比,结果较好地符合,证明了该算法是有效而精确的. 然后计算了三维空间中有实际意义的银分裂环,金属银的介电参数由Drude 模型拟合. 计算了该结构的透射系数,反射系数和吸收系数,得到了银分裂环的谐振频率和吸收频率,为实际实验结果提供了可供参考的计算结果.

生物分子膜门电极AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)生物传感器研究 Hot!
Research on biomolecule-gate AlGaN/GaN high-electron-mobility transistor biosensors

李加东, 程珺洁, 苗斌, 魏晓玮, 张志强, 黎海文, 吴东岷
物理学报. 2014, 63 (7): 070204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.070204
全文: [PDF 602 KB] 下载:(782)
摘要

设计并制作了结构尺寸为毫米量级的AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(HEMT)生物传感器,采用数值分析的方法分析了器件传感区域长度与宽度比值及待测物调控二维电子气(2DEG)距离与感测信号之间的关系,给出了结构尺寸为毫米量级的AlGaN/GaN HEMT生物传感器的设计依据,以不同浓度的前列腺特异性抗原(PSA)为待测物,对制作的AlGaN/GaN HEMT生物传感器进行了初步测量,测试结果表明,在50 mV的电压下,毫米量级的AlGaN/GaN HEMT生物传感器的对PSA的探测极限低于0.1 pg/ml.实验表明毫米量级的AlGaN/GaN HEMT生物传感器具有灵敏度高,易于集成等优点,具备良好的应用前景.

乘性和加性α稳定噪声环境下的过阻尼单稳随机共振现象
Stochastic resonance in an overdamped monostable system with multiplicative and additive α stable noise

焦尚彬, 任超, 李鹏华, 张青, 谢国
物理学报. 2014, 63 (7): 070501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.070501
全文: [PDF 395 KB] 下载:(547)
摘要
本文将α 稳定噪声与单稳随机共振系统相结合,研究了乘性和加性α 稳定噪声环境下的过阻尼单稳随机共振现象,探究了α 稳定噪声特征指数α(0 < α ≤ 2)、对称参数β(-1 ≤ β ≤ 1),单稳系统参数a及乘性α 稳定噪声放大系数D对共振输出效应的作用规律. 研究结果表明,在不同分布的α 稳定噪声环境下,在一定范围内通过调节aD均可诱导随机共振来实现单个或多个高、低频微弱信号的检测,且aD分别存在一个最优值可使系统产生最佳的随机共振效应;不同αβ 均可对系统共振输出效应产生规律性的影响,且αβ在高、低频微弱信号检测中的作用规律相同;在研究α 稳定噪声环境下单、多频单稳随机共振现象时所得结论是相同的. 本研究结果可为实现α 稳定噪声环境下单稳随机共振系统参数的自适应调节奠定基础.

电感电流伪连续模式下Boost变换器的分数阶建模与分析
Modeling and simulation analysis of fractional-order Boost converter in pseudo-continuous conduction mode

谭程, 梁志珊
物理学报. 2014, 63 (7): 070502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.070502
全文: [PDF 398 KB] 下载:(1189)
摘要
基于电感和电容本质上是分数阶的事实,采用分数阶微积分理论建立了电感电流伪连续模式下Boost变换器的区间分数阶数学模型. 依据状态平均建模方法,建立了Boost变换器工作于电感电流伪连续模式下的分数阶状态平均模型. 通过所建的分数阶数学模型对其电感电流和输出电压进行了理论分析以及传递函数的推导,并比较了与整数阶数学模型的区别. 根据改进的Oustaloup分数阶微积分滤波器近似算法,采用电感和电容的等效分数阶电路模型,在Matlab/Simulink的仿真环境下,对其数学模型和电路模型进行了仿真对比,分析了模型误差产生的原因,验证了所建的分数阶数学模型以及对其理论分析的正确性. 最后,指出了分数阶Boost变换器工作于电感电流伪连续模式与连续模式、断续模式的区别与联系.

基于双重傅里叶级数的混沌SPWM频谱量化分析
Spectrum calculation of chaotic SPWM signals based on double fourier series

刘永迪, 李虹, 张波, 郑琼林, 游小杰
物理学报. 2014, 63 (7): 070503      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.070503
全文: [PDF 7648 KB] 下载:(1038)
摘要
混沌SPWM控制因其可以有效地降低变换器的电磁干扰而得到越来越多的关注,目前对于电磁干扰效果的分析主要以仿真和实验为主,缺乏一种量化的分析方法. 本文利用双重傅里叶级数的方法,首先给出了多周期及准随机SPWM的频谱量化表达式,并且针对多周期SPWM进行了频谱计算与仿真的对比验证,然后本文将此计算方法拓展应用到混沌SPWM中,并分析了混沌频谱计算的可行性. 为了验证不同映射及不同载波周期波动范围对频谱的影响,文中选择了常用的Tent和Chebyshev 映射分别进行了对比实验,实验结果表明,载波周期波动范围对扩频效果具有较大的影响,而且从长期看,混沌序列的分布概率密度会影响扩频的效果,从短期来看,序列的初始值选取也会对扩频效果有较大影响. 本文的频谱分析方法对混沌SPWM抑制电磁干扰原理提供了一定的理论基础,而且可以为其工程实践提供设计参考.

双信道偏振复用保密通信系统的完全混沌同步的操控性研究
Manipulation of the complete chaos synchronization in dual-channel encryption system based on polarization-division-multiplexing

钟东洲, 邓涛, 郑国梁
物理学报. 2014, 63 (7): 070504      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.070504
全文: [PDF 698 KB] 下载:(649)
摘要
针对双信道偏振复用保密通信系统,利用线性电光效应,提出了一种新的完全混沌同步的控制方案. 在该方案中,每一个线性偏振模的完全混沌同步质量随外加电场成准周期性变化. 其变化规律:完全混沌同步 ↔ 剧烈振荡;固定一定的外加电场,电光调制促使其完全混沌同步质量对偏置电流和反馈强度的稳健性获得极大的加强. 在较大的偏置电流和反馈强度范围内,每一个线性偏振模能够实现完全混沌同步,并且调制到每一个线性偏振模的加密信号基本上能够恢复.

一种用于一次谐波背景消除与基线校正的新型方法
A new method of background elimination and baseline correction for the first harmonic

张锐, 赵学玒, 胡雅君, 郭媛, 王喆, 赵迎, 李子晓, 汪曣
物理学报. 2014, 63 (7): 070702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.070702
全文: [PDF 402 KB] 下载:(1017)
摘要

针对可调谐半导体激光吸收光谱一次谐波信号中具有背景信号及较大的基线信号,提出一种新型的背景消除与基线校正的处理方法. 分析了一次谐波背景中的激光器相关强度调制信号,电子学噪声和光学干涉条纹,采用无吸收谱线区域检测谐波方法消除背景信号. 给出了激光器不同工作温度时的电流和强度之间的关系曲线,由此设计出消除背景后剩余基线的校正方法. 文中给出了背景搜索方法的原理以及LabView软件流程图. 设计了检测氟化氢气体的实验系统,根据谱线选取原则确定吸收谱线为1312.59 nm,设置激光器的工作温度为27.0 ℃,对应的背景温度为30.2 ℃. 一次谐波信号经过背景消除和基线校正后,信号的畸变得到明显改善,基线得到校正,验证了该方法在激光器其他工作温度(26.7–27.2)是有效的,并对HF气体浓度精度的改善进行了定量分析,为一次谐波信号的后续处理提供了方便.

原子和分子物理学

μ介子氢原子在双色激光场驱动下产生单个仄秒脉冲
Single zeptosecond pulse generation from muonic atoms under two-color XUV fields

李志超, 崔森, 何峰
物理学报. 2014, 63 (7): 073201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.073201
全文: [PDF 5631 KB] 下载:(539)
摘要
本文利用强场近似理论研究了一束强度稍弱的X射线脉冲辅助另一束强X射线脉冲作用于μ介子氢原子产生高次谐波的过程. 研究发现当弱X射线的频率为强X射线频率的一半时,可以生成超宽高次谐波频谱. 通过合成高次谐波的连续谱,得到宽度为130 zs的单个仄秒脉冲. 单个仄秒脉冲为超快变化过程的研究提供了工具.

多色宽带相干反斯托克斯拉曼散射过程的理论与实验研究
Theoretical and experimental study on the multi-color broadband coherent anti-Stokes Raman scattering processes

尹君, 余锋, 侯国辉, 梁闰富, 田宇亮, 林子扬, 牛憨笨
物理学报. 2014, 63 (7): 073301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.073301
全文: [PDF 790 KB] 下载:(530)
摘要
宽带相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS)光谱技术能够同时获取完整的分子CARS光谱信息,以准确识别和定量分析混合物中的不同成分或未知成分. 在宽带CARS光谱技术中,由于超连续谱激光有效光谱范围内各光谱成分的作用不同,分别会产生双色和三色CARS过程. 这里我们在理论上分析了宽带激发条件下两种CARS过程的产生条件,以及不同CARS光谱信号强度与各激发光功率之间的关系. 在此基础上,搭建了基于SC激光的宽带CARS光谱系统,分别实现了双色和三色CARS过程. 通过对获得的苯甲腈样品的CARS光谱信号进行函数拟合分析,实验验证了上述两个过程中CARS信号的强度与各激发光强度之间的函数关系. 理论和实验研究结果为进一步优化宽带时间分辨CARS光谱探测和显微系统,实现同时获取物质分子完整的CARS光谱信号提供了指导.

从头计算研究BP分子的势能曲线和光谱性质
Ab initio calculation of the potential energy curves and spectroscopic properties of BP molecule

王文宝, 于坤, 张晓美, 刘玉芳
物理学报. 2014, 63 (7): 073302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.073302
全文: [PDF 354 KB] 下载:(723)
摘要

利用高精度的量子化学从头计算MRCI+Q方法结合相关一致aug-cc-pVQZ基组计算了磷化硼分子X3Π,3Σ-5Π和5Σ-态的势能曲线,计算所得的电子态在大键长位置处收敛于同一个离解极限B(2Pu)+P(4Su). 为了得到更精确的结果,计算中首次纳入了旋轨耦合(SOC)效应,使得BP分子的4个Λ-S态分裂成为15个Ω态,其中3Π0+ 态被确定为基态. 此外,SOC效应还使两个三重态X3Π和3Σ-分裂出的0+和1态的势能曲线产生了避免交叉,表明在当前的计算中考虑SOC效应是非常必要的. 利用LEVEL8.0程序对计算所得的Λ-S态和Ω态的势能曲线进行拟合,得到了相应的光谱常数,通过与其他理论和实验工作进行比较,可知我们的结果更加精确、完整,可以为实验和理论方面进一步研究BP分子的光谱性质提供可靠的参考.

电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

新型发光二极管透镜产生局域空心光束
Optical bottle beam generated by a new type of light emitting diode lens

何西, 杜团结, 吴逢铁
物理学报. 2014, 63 (7): 074201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.074201
全文: [PDF 2464 KB] 下载:(5083)
摘要
首次提出采用发光二极管和二次光学透镜直接产生单个局域空心光束的方法. 首先从几何光学角度分析发光二极管点光源结合二次光学透镜产生局域空心光束的原理,推算出所得局域空心光束长度及最大暗域半径计算公式,随后用数值计算软件Matlab,3D建模软件Soidworks及光学仿真软件Tracepro计算得出一款二次光学透镜并进行了仿真验证. 同时计算了可能获得的局域空心光束的最小尺寸和囚禁粒子的散射力. 结果显示:该透镜能够产生单个局域空心光束,所得局域空心光束的长度及最大暗域半径都在误差允许范围内与理论计算符合. 研究成果为采用发光二极管光源产生局域空心光束提供一种现实可行低成本的有效方法.

基于普通汞灯光源的横向塞曼效应背景校正大气汞检测方法研究
New transverse Zeeman effect method for mercury detection based on common mercury lamp

李传新, 司福祺, 周海金, 刘文清, 胡仁志, 刘凤垒
物理学报. 2014, 63 (7): 074202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.074202
全文: [PDF 444 KB] 下载:(821)
摘要
精确的背景校正决定着冷原子吸收法检测痕量汞的检测下限,研究了基于普通汞灯光源的横向塞曼效应背景校正大气汞检测方法. 汞灯光源253.65 nm共振谱线在磁场中垂直于磁场方向产生σ-σ+和π 三个线偏振光. 利用超高分辨率光谱仪获取不同磁场强度下汞样品池对σ-σ+和π 线偏振光的吸光度,分析横向塞曼效应背景校正方法所需的最小磁场强度;在1.78 T强磁场强度下,分析了窄带吸收气体苯、宽带吸收气体丙酮对横向塞曼效应背景校正大气汞检测方法可能存在的干扰;利用σ-σ+作为背景光,π 线偏振光作为吸收光,对不同长度的饱和汞蒸气样品池测量,精确背景校正后,吸光度拟合曲线R值达到0.99. 实验结果表明基于普通汞灯光源的横向塞曼效应背景校正大气汞检测方法可以实现精确背景校正,能够应用于大气环境痕量汞检测.

Er3+掺杂玻璃腔内增强激光冷却理论分析
Theoretical analysis on cavity-enhanced laser cooling of Er3+-doped glasses

贾佑华, 高勇, 钟标, 印建平
物理学报. 2014, 63 (7): 074203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.074203
全文: [PDF 432 KB] 下载:(491)
摘要
近年来,掺Er3+的CdF2-CdCl2-NaF-BaF2-BaCl2-ZnF2玻璃已成为固体材料激光冷却领域中新的研究材料之一. 本文利用激光器输出理论和驻波腔内共振增强原理分析了该材料的两种腔内增强激光的冷却,计算结果表明腔增强可获得几十到几百倍的增强因子. 此外,比较了内腔和外腔这两种增强方案,研究结果表明,当材料的吸收比较小时,特别是材料长度小于0.3 mm时,采用内腔增强方案,腔内抽运功率高,冷却材料对激光的吸收大. 然而当材料的吸收比较大时,特别是材料长度大于3 mm时,外腔增强方案更具优越性. 最后,根据Er3+掺杂材料制冷工作波长和功率的要求,指出腔增强实验可通过半导体激光器来实现.

光束通量空间分布随机变化的统计分析
Statistical analysis of shot-to-shot variation of laser fluence spatial distribution

韩伟, 周丽丹, 李富全, 王芳, 冯斌, 郑奎兴, 巩马理
物理学报. 2014, 63 (7): 074204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.074204
全文: [PDF 2243 KB] 下载:(474)
摘要
基于高功率激光装置研究了大口径激光束通量空间分布随机变化的统计规律. 统计分析表明,多发次累积的光束最大通量分布服从高斯分布,平均值随累积发次的增加而上升,但标准差保持不变,与单发次光束通量分布的标准差基本一致. 这一统计规律是由大口径光束通量空间分布的大面相似性和局域差异性所决定的.

金电极的激光组装制备研究
Study on the fabrication of gold electrode by laser assembling

张然, 吕超, 肖鑫泽, 骆杨, 何艳, 徐颖
物理学报. 2014, 63 (7): 074205      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.074205
全文: [PDF 4909 KB] 下载:(544)
摘要
本研究提出了利用激光组装金纳米粒子制备金微电极以及光栅电极,实现了单根碳纳米管的自由电互联,制备条件温和,降低了对碳纳米管的损伤. 对纳米粒子直接加工制备微纳元器件结构可以很好的解决离子加工存在的质量输运不充分等问题,且金微纳结构置于空气中不易变质,具有很好的连续性、完整性和电学特性,具有广泛的应用前景.

交连值对斜率响应矩阵和迭代矩阵稀疏度的影响
Influence of coupling coefficient on sparseness of slope response matrix and iterative matrix

程生毅, 陈善球, 董理治, 刘文劲, 王帅, 杨平, 敖明武, 许冰
物理学报. 2014, 63 (7): 074206      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.074206
全文: [PDF 946 KB] 下载:(747)
摘要
基于529单元自适应光学(AO)系统,分析了变形镜到哈特曼波前传感器的斜率响应矩阵的稀疏特性、波前复原中迭代矩阵的稀疏特性. 在变形镜驱动器间距不变的条件下,研究了驱动器交连值对斜率响应矩阵稀疏度、迭代矩阵稀疏度以及AO系统校正能力的影响. 研究表明,斜率响应矩阵和迭代矩阵的稀疏度随交连值的增大而减小;交连值过大或者过小都会影响AO系统的稳定性和校正能力. 最后,综合斜率响应矩阵和迭代矩阵的稀疏度、系统稳定性和校正能力,给出了交连值的合理取值范围.

晶体的双参量调制及其应用
Crystals modulated by two parameters and their applications

李长胜
物理学报. 2014, 63 (7): 074207      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.074207
全文: [PDF 236 KB] 下载:(586)
摘要

利用折射率椭球分析法,分析了某些具有多重光学效应的光学晶体在两个外场同时作用下的一些特有调制规律. 结果表明,当晶体的折射率椭球方程的三个交叉项中只有一项x1x2不为零时,可以得到其外场诱导新主轴折射率及其主轴取向的简单计算式. 据此可以揭示出某些晶体在两个外加电场同时作用下将具有双横向电光Pockels效应,例如6点群的电光晶体. 但一般晶体在双横向应力作用下不具有与双横向电光效应类似的调制特性,其弹光双折射大小与其应力差成正比,其双折射主轴方向一般为固定值. 在相互垂直的外加应力和电场同时作用下,某些晶体(例如43m点群晶体)的双折射大小与外加应力和外加电场的加权几何平均值成正比,且新折射率主轴旋转角由外加应力和外加电场的比值来确定. 晶体的上述双参量调制特性对设计新型光学调制器或传感器具有重要指导意义.

基于分块速度域改进迭代运动目标检测算法的红外弱小目标检测
A block-based improved recursive moving-target-indication algorithm

侯旺, 于起峰, 雷志辉, 刘晓春
物理学报. 2014, 63 (7): 074208      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.074208
全文: [PDF 7208 KB] 下载:(595)
摘要
提出一种基于分块速度域的迭代红外运动目标检测算法来解决传统算法计算量巨大这一难题.首先,采用二维最小均方差滤波器对红外序列图像进行滤波,获得包含弱小目标以及残差的红外序列图像.然后,通过在序列图像块的速度域上应用改进的迭代运动目标检测算法进行能量累积,从而将弱小目标的运动速度在速度域进行累积增强,达到检测弱小运动目标的目的.最后在解算出的速度值附近进行搜索,得到弱小目标运动的精确速度.利用此速度进行空域能量累积,得到叠加图像,在此图上进行目标检测.与传统方法相比较,几组实验结果显示,本文提出的方法大大缩短了检测的时间,而且本文方法的检测效果也较好.

紧聚焦飞秒脉冲与石英玻璃相互作用过程中的电子动量弛豫时间研究
Analysis of electron momentum relaxation time in fused silica using a tightly focused femtosecond laser pulse

卞华栋, 戴晔, 叶俊毅, 宋娟, 阎晓娜, 马国宏
物理学报. 2014, 63 (7): 074209      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.074209
全文: [PDF 1429 KB] 下载:(505)
摘要
本文通过数值模拟(3+1)维扩展的广义非线性薛定谔方程,研究了紧聚焦飞秒激光脉冲在诱导石英玻璃的非线性电离过程中电子动量弛豫时间对于该电离过程的影响. 计算结果证明电子动量弛豫时间会直接影响入射脉冲在焦点区域所形成的峰值场强、自由电子态密度和能流等参量的分布态势,因此在与实验结果相比较后发现适合于相互作用过程的电子动量弛豫时间的理论值约为1.27 fs. 进一步的研究表明,电子动量弛豫时间与逆韧致吸收效应、雪崩电离的概率、等离子体密度、等离子体的自散焦效果以及间接引起的焦平面位置的移动都有着密切的联系. 当前的研究结果表明电子动量弛豫时间在飞秒激光脉冲与物质相互作用的过程中发挥着重要作用.

1550 nm低损耗单模全固态光子带隙光纤研究
Study of 1550 nm low loss single mode all-solid photonic bandgap fibers

程兰, 罗兴, 韦会峰, 李海清, 彭景刚, 戴能利, 李进延
物理学报. 2014, 63 (7): 074210      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.074210
全文: [PDF 3260 KB] 下载:(679)
摘要
全固态光子带隙光纤由于其独特的带隙和色散特性以及易于和传统光纤熔接的优势,引起了国内外研究人员的广泛关注. 本文采用等离子体化学气相沉积工艺结合堆叠拉制法制备了全固态光子带隙光纤,并运用频域有限差分法模拟了其损耗和色散特性. 该光纤1550 nm处有较低损耗且单模传输,计算得到1550 nm处的有效模场面积和色散分别为191.81 μm2和16.418 ps/(km·nm),在测试范围1500–1650 nm内损耗小于0.15 dB/m. 结合实验结果,对光纤参数做了进一步模拟优化.

基于视角无关转换的深度摄像机定位技术
Calibration of D-RGB camera networks by skeleton-based viewpoint invariance transformation

韩云, 钟圣伦, 叶正圣, 陈启军
物理学报. 2014, 63 (7): 074211      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.074211
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摘要

通过整合深度和颜色信息,深度摄像机Kinect能够稳健的侦测出人体及人体骨架关节点,为计算机视觉、人体行为识别、机器人学的发展带来了革命性的进步. 然而单台深度摄像机的侦测范围有限. 虽然采用多台深度摄像机所构建的摄像机网可有效的扩大侦测范围,但是必须依赖深度摄影机之间的相对位置与朝向的精确标定. 论文采用作者之前提出的以人体骨架为基础的视角无关转换技术,能快速稳健的标定出深度摄像机之间的位置关系. 通过利用相邻两台深度摄影机同时侦测到的人体骨架,论文能直接利用深度摄影机所量测的人体上半身中稳定的关节点为新坐标系的参考点,实时的计算出两摄影机之间的平移向量和旋转矩阵,而不依赖其他额外的校正设备或人为介入处理. 通过在室内环境中安装两台摆放于不同位置与朝向的深度摄影机,从而,验证了该方法的实时性与易用性. 该实时标定方法解决了深度摄影机侦测范围有限的限制,同时,可由两两相邻的标定扩展到多台深度相机的全局标定,从而,可以被广泛的应用于人体行为识别、情境感知服务等领域.

硅功能化石墨烯热导率的分子动力学模拟
Molecular dynamics simulation of the thermal conductivity of silicon functionalized graphene

惠治鑫, 贺鹏飞, 戴瑛, 吴艾辉
物理学报. 2014, 63 (7): 074401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.074401
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摘要
采用Tersoff势函数与Lennard-Jones势函数,结合速度形式的Verlet 算法和Fourier定律,对单层和两层硅功能化石墨烯沿长度方向的导热性能进行了正向非平衡态分子动力学模拟. 通过模拟发现,硅原子的加入改变了石墨烯声子的模式、平均自由程和移动速度,使得单层硅功能化石墨烯模型的热导率随着硅原子数目的增加而急剧地减小. 在300 K至1000 K温度变化范围内,单层硅功能化石墨烯的热导率呈下降趋势,具有明显的温度效应. 对双层硅功能化石墨烯而言,少量的硅原子嵌入,起到了提高热导率的作用,但当硅原子数目达到一定数量后,材料的导热性能下降.

一类含时变间隙的强非线性相对转动系统分岔和混沌
Bifurcation and chaos of some strongly nonlinear relative rotation system with time-varying clearance

刘彬, 赵红旭, 侯东晓, 刘浩然
物理学报. 2014, 63 (7): 074501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.074501
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摘要

建立一类具有时变间隙的两质量相对转动系统的强非线性动力学方程. 应用MLP方法求解出变换参数,并运用多尺度法求解该系统发生1/2亚谐共振时的分岔响应方程,采用奇异性理论分析得到系统稳态响应的转迁集,并且得到系统在非自治情形下的分岔特性以及系统的分岔形态. 最后通过数值仿真得到系统在间隙和阻尼参数变化下的分岔和混沌行为,发现随着系统参数变化系统将出现周期运动、倍周期运动以及混沌等多种不同的运动形态.

间歇湍流的分数阶动力学
Fractional derivative dynamics of intermittent turbulence

刘式达, 付遵涛, 刘式适
物理学报. 2014, 63 (7): 074701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.074701
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摘要
间歇湍流意味着湍流涡旋并不充满空间,其维数介于2和3之间. 湍流扩散为超扩散,且概率密度分布具有长尾特征. 本文将流体力学的Navier-Stokes(NS)方程中的黏性项用分数阶的拉普拉斯算子表达. 分析表明,分数阶拉普拉斯的阶数α 和间歇湍流的维数D相联系. 对于均匀各向同性的Kolmogorov湍流α=2,即用整数阶NS方程描述. 而对于间歇性湍流,一定用分数阶的NS方程来描述. 对于Kolmogorov湍流,扩散方差正比于t3,即Richardson扩散. 而对于间歇性湍流,扩散方差要比Richardson扩散更强.

基于微空泡效应的疏水性展向微沟槽表面水下减阻研究
Drag reduction on hydrophobic transverse grooved surface by underwater gas formed naturally

王宝, 汪家道, 陈大融
物理学报. 2014, 63 (7): 074702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.074702
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摘要
超疏水表面在水下的减阻效果随着来流冲刷时间的增加会逐渐减小甚至会出现粗糙增阻的现象,而这种现象的本质在于超疏水表面裂隙中驻留的气相结构在来流的作用下会不断地从表面脱离. 针对超疏水表面的裂隙中驻留的气相结构在水下不稳定的情况. 本文通过对表面微结构的设计,利用疏水性展向微沟槽结构使驻留在沟槽内部的气相结构被相邻沟槽间的脊状结构挡住,从而不能轻易的被水流冲刷掉. 实验结果表明该表面不仅能使气相结构在表面微结构内稳定驻留,而且基于稳定驻留在表面结构内的气相结构,在来流作用下会有新的气相结构生成. 虽然表面上不稳定的气相结构会随流速的增加而加剧地脱离表面,但是可再生的气相结构能够补充由于冲刷从表面脱离的气体. 最终在固/液界面间构建相对稳定的气模. 通过粒子图像测速系统(PIV)对近壁面流场进行分析,可得到大于15% 的速度滑移量.

任意复杂流-固边界的格子Boltzmann处理方法
A novel lattice Boltzmann method for dealing with arbitrarily complex fluid-solid boundaries

史冬岩, 王志凯, 张阿漫
物理学报. 2014, 63 (7): 074703      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.074703
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摘要
本文提出了一种适用于流固耦合领域中任意复杂边界条件的lattice Boltzmann处理方法. 该方法基于half-way反弹模型,在流固耦合处构建了一层虚拟边界,并结合有限差分的方法,获取虚拟边界上的变量值. 改进后的方法确保了粒子反弹位置与宏观速度采集点的位置相同,计入了实际物理边界与网格线不重合时,偏移量对计算结果的准确影响,而且其适用范围被扩展到了任意静止或运动、平直或弯曲的复杂边界. 文中研究了该方法在Poiseuille流、圆柱绕流和Couette流等经典条件下的边界处理能力,结果表明该方法与理论值符合良好,且当实际物理边界与网格线不重合时,与已发表文献中的结果相比,具有更高的精度.

基于回转体型艇身的电磁流体表面推进与矢量控制特性研究
Investigation of electromagnetic hydrodynamics propulsion and vector control by surfaces based on a rotational navigation body

刘宗凯, 顾金良, 周本谋, 纪延亮, 黄亚冬, 徐驰
物理学报. 2014, 63 (7): 074704      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.074704
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摘要
电磁流体表面推进是在推进体周围的导电流体中(海水、等离子体等)激励出电磁体积力,并利用电磁体积力的反作用力达到推进的目的. 本文基于电磁场和流体力学的基本控制方程,通过电磁场有限元方法探讨了电磁流体表面推进在回转体型艇身上的矢量控制效果,并分析了在两种不同的电磁力作用区域下航行器周围的场强的分布特征以及受力情况. 结果表明:这种控制方式可以在不改变航行器攻角和推力方向的情况下通过调控电磁力的作用范围来实现航行器姿态调整,进而达到矢量推进与控制的目的;在航行器表面施加控制方式A的电磁力可以使航行器获得一个抬头力矩,而在控制方式B作用下航行器可以同时对俯仰力矩和偏航力矩进行调整. 因此作为一种新兴的推进方式,电磁流体推进不仅具有高速高效、操作简单、高有效载荷等特点,而且矢量推进也成为电磁流体表面推进另外一个优势.
气体、等离子体和放电物理

光抽运多层石墨烯太赫兹表面等离子体增益特性的研究
Study on the gain characteristics of terahertz surface plasma in optically pumped graphene multi-layer structures

刘亚青, 张玉萍, 张会云, 吕欢欢, 李彤彤, 任广军
物理学报. 2014, 63 (7): 075201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.075201
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摘要
本文建立了光抽运多层石墨烯表面等离子体模型,计算了光抽运多层石墨烯等离子体传播系数的实部和吸收系数,讨论了动量弛豫时间、温度、层数、准费米能级对表面等离子体传播系数的实部和吸收系数的影响. 研究结果表明,光抽运多层石墨烯使其动态电导率的实部在太赫兹频段内出现负值时,石墨烯表面等离子体实现增益. 通过光抽运剥离层石墨烯和含有底层石墨烯结构表面等离子体传播系数和吸收系数比较,表明光抽运剥离层石墨烯能更有效地实现表面等离子体的增益. 同时,在低温下,光抽运具有合适层数的石墨烯比光抽运单层石墨烯能获得更大的表面等离子体增益.
凝聚物质:结构、力学和热学性质

Fe-Pb合金凝固多相体系内偏析形成过程的三维数值模拟
Three-dimensional modelling and numerical simulation on segregation during Fe-Pb alloy solidification in a multiphase system

王哲, 王发展, 王欣, 何银花, 马姗, 吴振
物理学报. 2014, 63 (7): 076101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.076101
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摘要
基于Eulerian-Eulerian方法和流体体积技术,建立了三维多相流体动力学凝固模型,并将其与质量、动量、溶质和热焓守恒方程相耦合,对Fe-Pb合金侧向凝固过程进行了数值模拟. 首先,分析了分布面积二次梯度(SPb))和浓度二次梯度(CPb))对偏析模式的影响,结果表明:液、气两相的流动相变使偏析模式表现为上端X形下端V形,X偏析由气相相变驱动力和多取向相变作用下的“散射”形成;t >tc时,随SPb)和CPb)曲线降低,X偏析的下偏析角增大,上偏析角和V偏析角减小,Pb收得率增大,有利于获得含量稳定弥散的凝固组织. 此外,还研究了液、气两相交互流动下通道偏析的形成机理,结果表明:通道偏析仅存在于流动-相变交互作用(ul·∇clug·∇cg)为负值的区域,该区域的流动扰动抑制合金的局部凝固,促进偏析通道生长;流动-相变交互作用负值越小,偏析通道持续增长越稳定. 模拟结果与实验结果相符合,验证了模型的准确性.

低聚壳聚糖几何结构和物理化学属性的理论研究
Theoretical study on geometry and physical and chemical properties of oligochitosan

李鑫, 张梁, 羊梦诗, 储修祥, 徐灿, 陈亮, 王悦悦
物理学报. 2014, 63 (7): 076102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.076102
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摘要
运用密度泛函B3LYP/6-31G+(d)方法对gg构象的低聚壳聚糖进行了结构优化、频率计算和电子结构,并用更高精度的WB97XD/6-311+G(d,p)方法计算了平均结合能及零点能校正,分析了热力学性质. 结果表明,由于低聚壳聚糖中的氢键作用,使其形成螺旋结构;聚合度的增加,使平均结合能随之下降,结构的稳定性增强;在降解过程中,均为放热反应,验证了利用降温来提高降解产率的实验的可行性;此外,聚合度的增加,使能隙减小且快速收敛于聚合度为7的6.99 eV,稳定的反应活性与实验相符;HOMO、LUMO的电子密度分布表明,化学活性集中在C2位的氨基、C6位的羟基以及链的两端位置. 该结果对低聚壳聚糖模型的建立和低聚壳聚糖降解过程、活性位置以及物理化学属性的尺寸依赖等现象的研究有着指导意义.

Cu刃型扩展位错附近局部应变场的原子模拟研究
Atomistic simulation study on the local strain fields around an extended edge dislocation in copper

邵宇飞, 杨鑫, 李久会, 赵星
物理学报. 2014, 63 (7): 076103      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.076103
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摘要
通过结合virial应变分析技术的准连续介质多尺度模拟方法研究了金属Cu刃型扩展位错的局部应变场. 结果表明在距离位错核心几十纳米的区域内晶体处于小变形状态,virial应变计算结果与弹性理论预测结果符合得相当好,当距离位错核心仅几纳米时,晶格畸变加剧,virial应变极大值出现在扩展位错两端的Shockley分位错芯部. 进一步分析表明Shockley分位错芯部严重畸变区大致呈长轴7b1、短轴3b1的椭圆形,其中b1为分位错柏氏矢量的长度.

基于量子修正的石墨烯纳米带热导率分子动力学表征方法
Characterization of thermal conductivity for GNR based on nonequilibrium molecular dynamics simulation combined with quantum correction

郑伯昱, 董慧龙, 陈非凡
物理学报. 2014, 63 (7): 076501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.076501
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摘要
本文提出了基于量子修正的非平衡态分子动力学模型,可用于石墨烯纳米带热导率的表征. 利用该模型对不同温度下,不同手性及宽度的石墨烯纳米带热导率进行了研究,结果发现:相较于经典分子动力学模型给出的热导率随温度升高而单调下降的结论,在低于Debye温度的情况下,量子修正模型的计算结果出现了反常现象. 本文研究还发现,石墨烯纳米带的热导率呈现出明显的边缘效应及尺度效应:锯齿型石墨烯纳米带的热导率明显高于扶手椅型石墨烯纳米带;全温段的热导率及热导率在低温段随温度变化的斜率均随宽度的增加而增大. 最后,文章用Boltzmann 声子散射理论对低温段的温度效应及尺度效应进行了阐释,其理论分析结果说明文章所建模型适合在全温段范围内对不同宽度和不同手性的热导率进行精确计算,可为石墨烯纳米带在传热散热领域的应用提供理论计算和分析依据.

电极间距对μc-Si1-xGex:H薄膜结构特性的影响
Influences of electrode separation on structural properties of μc-Si1-xGex:H thin films

曹宇, 张建军, 严干贵, 倪牮, 李天微, 黄振华, 赵颖
物理学报. 2014, 63 (7): 076801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.076801
全文: [PDF 4370 KB] 下载:(533)
摘要
采用射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)技术,使用SiH4加GeH4的反应气源组合生长微晶硅锗(μc-Si1-xGex:H)薄膜. 研究了电极间距对μc-Si1-xGex:H薄膜结构特性的影响. 发现薄膜中的Ge含量随电极间距的降低逐渐增加. 当电极间距降至7 mm时,μc-Si1-xGex:H薄膜具有较大的晶粒尺寸并呈现较强的(220)择优取向,同时具有较低的微结构因子. 通过薄膜结构特性的变化分析了反应气源的分解状态,认为Ge含量的提高主要是SiH4的分解率降低所导致的. 在较窄的电极间距(7 mm)下,等离子体中GeH3基团的比例较大,增强了Ge前驱物的扩散能力,使μc-Si1-xGex:H薄膜的质量得到提高.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

F, Na共掺杂p型ZnO的第一性原理研究
First-principles study on p-type ZnO codoped with F and Na

邓胜华, 姜志林
物理学报. 2014, 63 (7): 077101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.077101
全文: [PDF 1944 KB] 下载:(1038)
摘要
本文基于密度泛函理论(DFT),用第一性原理的方法,计算了ZnO在掺杂F和Na情况下的电子态密度、有效质量和形成能,研究分析了掺杂对ZnO的影响,结果表明:单掺F或Na并不能得到p型ZnO;而将F和Na共掺,能够使ZnO表现出p型导电的倾向. 尤其当F和Na按1:2的原子比例共掺时,能够获得p型ZnO,这可以为实验上制备p型ZnO提供参考依据.

Zn0.97Cr0.03O的PLD制备及其铁磁性
Ferromagnetism of Zn0.97Cr0.03O synthesized by PLD

谢玲玲, 陈水源, 刘凤金, 张建敏, 林应斌, 黄志高
物理学报. 2014, 63 (7): 077102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.077102
全文: [PDF 727 KB] 下载:(467)
摘要
采用脉冲激光沉积(PLD)的方法在石英基片上制备了不同氧分压(0,0.05,0.15和0.20 Pa)下Zn0.97Cr0.03O薄膜,并测量了它们的磁性、XRD谱、PL谱及XPS谱等. 实验结果表明,所有的样品都具有良好的结晶性,且都沿c轴高度取向;磁测量结果表明,四个样品都具有铁磁性,且在氧压为0.15 Pa下沉积的薄膜磁性最强;四个样品都存在VZn,Oi,ZniVZn-VO缺陷,尤其是VZn对应共振峰面积占所有缺陷总面积的百分比和样品的饱和磁化强度具有相同的变化趋势,表明Zn0.97Cr0.03O磁性与锌空位密切相关;四个样品中都存在Cr3+离子,且在0.15 Pa时Cr3+的含量最多. 上述实验结果表明,Cr3+VZn的缺陷复合体是ZnO:Cr样品具有稳定的铁磁有序的最有利条件,它证实了早先的基于第一性原理的计算结果.

碳纳米管光混频器产生太赫兹功率的理论分析
Theoretical analysis of carbon nanotube photomixer-generated terahertz power

贾婉丽, 赵立, 侯磊, 纪卫莉, 施卫, 屈光辉
物理学报. 2014, 63 (7): 077201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.077201
全文: [PDF 257 KB] 下载:(830)
摘要
以光混频器电路模型为基础,理论分析了碳纳米管(CNT)材料光混频器产生太赫兹功率的大小. 通过对光混频器电导、天线的阻抗和外加偏置电压的模拟结果表明:提高光混频器电导、天线阻抗和外加偏置电压都能够提高输出太赫兹波功率,在小信号输入条件下,输出功率理论上能够达到数十微瓦.

基于一维光子晶体的新型背反射器及其在非晶硅薄膜太阳电池中的应用
One-dimensional photonic crystal(1D PC)-based back reflectors for amorphous silicon thin film solar cell

陈培专, 侯国付, 索松, 倪牮, 张建军, 张晓丹, 赵颖
物理学报. 2014, 63 (7): 077301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.077301
全文: [PDF 1337 KB] 下载:(1153)
摘要
本文研究制备一种由低折射率的SiOx层与高折射率的a-Si层周期性交叠构成的新型一维光子晶体(1D PC)背反射器. 研究结果表明,随着SiOx/a-Si交叠周期数的增加,一维光子晶体的反射率逐步提高. 当周期数大于3时,在空气中500–750 nm波长范围的平均反射率达到96%. 将该一维光子晶体作为背反射器应用于NIP型非晶硅电池(电池结构为玻璃/1D PC/AZO/NIP a-Si:H/ITO),当光子晶体周期为4时,效率达到7.9%,略优于传统的AZO/Ag背反射电极结构电池(7.7%),明显高于不锈钢衬底电池(6.9%),相对效率提升14.5%.

封装进过渡金属原子的单壁碳纳米管:密度泛函理论研究
Transition metals encapsulated inside single wall carbon nanotubes:DFT calculations

刘曼, 闫强, 周丽萍, 韩琴
物理学报. 2014, 63 (7): 077302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.077302
全文: [PDF 835 KB] 下载:(647)
摘要
运用基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)的非平衡格林函数(NEGF)方法对过渡金属原子嵌入后的单壁碳纳米管(SWCNT)的电子输运性质进行了研究. 构建并优化不同过渡金属原子填充进不同类型碳纳米管的模型,研究其对应的电荷和自旋传输性质. 发现所有体系都在费米面附近出现自旋相关的电导下降峰,数值为一个量子电导(2e2/h). 碳管内封装两个铁原子的体系,磁性状态的改变导致不同的电输运行为,这一性质提供了新的有前景的方法来检测原子尺度上的磁特性.

铌酸锂波导电光重叠积分因子的波长依赖特性分析
Analyses of wavelength dependence of the electro-optic overlap integral factor for LiNbO3 channel waveguides

李金洋, 逯丹凤, 祁志美
物理学报. 2014, 63 (7): 077801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.077801
全文: [PDF 1474 KB] 下载:(743)
摘要
通过测量铌酸锂(LN)单模波导在不同波长下的半波电压,结合半波电压与电光重叠积分因子的依赖关系,实验发现了LN单模波导电光重叠积分因子随波长增大而迅速减小. 另一方面,通过数值求解法分别得出了LN单模波导在不同波长的导模场分布和调制电场分布以及二者的重叠积分因子,在理论上获得了与实验数据十分近似的结果. 进一步的仿真分析指出LN单模波导电光重叠积分因子随波长增大而减小的规律主要来自于导模的光场中心随波长增大逐渐远离波导表面,向低电场强度区域靠近. 这种电光重叠积分因子的波长依赖特性是导致LN波导半波电压随波长增大而非线性上升的原因之一,它将为基于LN波导的器件的设计和优化提供重要参考.

Ba2Ca(PO4)2:Eu2+蓝色荧光粉的合成及其发光特性
Synthesization and luminescent properties of blue emitting phosphor Ba2Ca(PO4)2:Eu2+

王志军, 刘海燕, 杨勇, 蒋海峰, 段平光, 李盼来, 杨志平, 郭庆林
物理学报. 2014, 63 (7): 077802      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.077802
全文: [PDF 2024 KB] 下载:(621)
摘要
采用高温固相法合成了Ba2Ca(PO42:Eu2+蓝色荧光粉,研究了合成温度、合成时间、Ba/Ca比值以及Eu2+掺杂量等对材料的物相及发光特性等的影响. 研究结果显示,合成温度为900/1200 ℃,合成时间为4 h时,可以获得纯相的Ba2Ca(PO42;以343 nm紫外线作为激发源时,Ba2Ca(PO42:Eu2+呈非对称的宽谱特征,主峰位于454 nm,分析认为,Eu2+在Ba2Ca(PO42中占据不同的晶体学格位,形成了不同的发光中心,造成材料呈非对称发射;监测454 nm发射峰,对应的激发光谱覆盖200–450 nm区域,主峰位于343 nm,且在长波紫外段(350–410 nm)有很强的激发带;增大Eu2+掺杂量,Eu2+ 在Ba2Ca(PO42中的发射出现了浓度猝灭现象,且材料的发射峰出现了明显的红移;减小基质中Ba/Ca配比,材料在绿色区域的发射逐渐增强,材料的发光颜色由蓝逐渐变为蓝绿色,分析认为,Eu2+进入Ba2Ca(PO42基质体系后,不但取代Ba2+的格位,而且取代Ca2+的格位,形成不同的发光中心,从而影响材料的发光特性.

不同激发波长下Ce3+-Tb3+-Sm3+共掺白光玻璃的发光性能
Luminescence property of Ce3+-Tb3+-Sm3+ co-doped borosilicate glass under various ultraviolet excitations

陈乔乔, 戴能利, 刘自军, 褚应波, 李进延, 杨旅云
物理学报. 2014, 63 (7): 077803      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.077803
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摘要
本文采用高温熔融技术制备了Ce3+-Tb3+-Sm3+三种离子共掺杂的硼硅酸盐透明玻璃. 测试了紫外LED激发下Ce3+ 离子、Tb3+离子及Sm3+离子单掺与共掺样品的激发光谱及荧光光谱,通过对单掺及共掺样品荧光寿命的测试研究了Ce3+离子、Tb3+离子及Sm3+离子在玻璃基质中的能量传递机理. 通过调整紫外LED灯的激发波长调整发光样品所发射光谱的色度坐标、显色指数及色温,得到适合人类生活、学习、工作的白光发光.

高亮度蓝绿色长余辉材料Ba4 (Si3O8)2:Eu2+, Pr3+的发光性能及其余辉机理研究
Bluish-green high-brightness long persistent luminescence materials Ba4(Si3O8)2:Eu2+Pr3+, and the afterglow mechanism

王鹏久, 徐旭辉, 邱建备, 周大成, 刘雪娥, 程帅
物理学报. 2014, 63 (7): 077804      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.077804
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摘要
通过高温固相法在还原气体保护下合成Ba4(Si3O82:Eu2+,Pr3+样品及一系列参比样品. 分别利用两种模式测得光致发光与余辉光谱. 结果显示:光致发光与余辉的发光中心均是Eu2+离子;共掺Pr3+在基质中引入新的俘获载流子的缺陷. 热释光与余辉衰减测试表明,与单掺Eu2+所形成的陷阱深度相比,共掺Pr3+导致余辉强度增强是归因于:在浅陷阱区(T1区)的陷阱深度变得更浅. 而余辉时间增长是归因于:在深陷阱区(T2区)深陷阱密度大幅度减少. 同时发现在不同激发波长下激发,余辉机理中的激发路径归结于以下两种过程. 其一:268 nm 激发时,是基质中的电子被直接激发至陷阱. 其二:330 nm或365 nm激发时,电子从Eu2+基态激发至激发态. 随后部分电子通过导带运输被陷阱中心所俘获. 因此,余辉强度的不同归结为以上两种载流子俘获路径的不同.
物理学交叉学科及有关科学技术领域

通过AC-HVAF方法制备铁基非晶合金涂层的结构分析
Structured analysis of iron-based amorphous alloy coating deposited by AC-HVAF spray

叶凤霞, 陈燕, 余鹏, 罗强, 曲寿江, 沈军
物理学报. 2014, 63 (7): 078101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.078101
全文: [PDF 1411 KB] 下载:(828)
摘要
本研究通过活性燃烧高速燃气喷涂(AC-HVAF)方法制备出了均匀致密的铁基非晶化合金涂层. 通过调制AC-HVAF喷涂过程的工艺参数,研究了喷涂枪长、喷涂距离和送粉率对涂层非晶化程度的影响,得出控制枪长是形成高质量非晶化涂层的关键,而喷涂距离和送粉率决定了涂层的厚度和形成速率. 制备出的铁基非晶合金与基体结合致密,孔隙率较低,完全的非晶化结构有效的保持了铁基非晶合金优异的力学性能,可以对基体材料进行很好的防护.

重力场作用下微管自组装过程中向列相取向的空间模式的形成
Nematic ordering pattern formation in the process of self-organization of microtubules in a gravitational field

胡健, 邱锡钧
物理学报. 2014, 63 (7): 078201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.078201
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摘要
通过引入函数标度变换的方法,在理论上提出了细胞骨架微管溶液系统在重力场中的自由能函数,并在此基础上研究了重力场对微管系统自组装过程的影响. 微管蛋白溶液中浓度梯度和排列具有向列相特征的空间结构模式的形成是重力场作用下出现的新特征. 理论计算结果表明重力场会促使微管蛋白溶液从各向同性相向向列相转变,具体表现在它很大程度地拓宽了相变区域(即相共存区域),而且随着重力加速度或微管浓度的增加,相变区域会变得更宽. 最后对定域微管浓度随溶液高度的变化情况及某些相变性质进行了讨论.

基于信任度的双门限协作频谱感知算法
Double-threshold cooperative spectrum sensing for cognitive radio based on trust

张学军, 鲁友, 田峰, 孙知信, 成谢锋
物理学报. 2014, 63 (7): 078401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.078401
全文: [PDF 450 KB] 下载:(579)
摘要
提出了一种兼顾认知无线电系统可靠性和低负载的基于信任度的双门限协作频谱检测算法.系统首先使满足双门限要求的认知节点参与协作感知,当满足双门限要求的认知节点数目不足时,增加满足信任度参数要求的认知节点参与协作感知.融合中心存储了认知节点的检测记录,并以此为局部检测结果设置融合权重.理论分析和仿真结果表明,该算法所需传输的感知参数减少了,占用的信道带宽降低.同时,由于不可靠用户的减少,算法的检测性能进一步提高了.此外,算法通过调整参数nt 使系统适应于不同类型的无线业务,具有一定的灵活性.

具有陡降特性的新型混合单元频率选择表面
A novel frequency selective surface of hybrid-element type with sharply decreased stop-band

王岩松, 高劲松, 徐念喜, 汤洋, 陈新
物理学报. 2014, 63 (7): 078402      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.078402
全文: [PDF 1482 KB] 下载:(764)
摘要
频率选择雷达罩是频率选择表面(FSS)的重要应用之一,为了获得频率选择雷达罩更好的隐身性能,设计了一种基于开孔单元FSS新型单元FSS. 这种新型单元是在原有开孔单元周期边界处增加条形孔构成,其传输性能兼具开孔型和贴片型FSS的特征,因此称作混合单元频率选择表面. 以FSS 在某导弹雷达罩上的应用为背景,采用周期矩量法及离散粒子群算法进行设计优化. 仿真结果表明,新型混合单元FSS与对应的开孔型FSS相比具有更陡峭的过渡带和更低的阻带透过率;与双屏FSS相比具有更低的通带插入损耗和更薄的厚度,且结构和制作工艺相对简单. 采用自由空间法对等效平板样件进行传输性能测试,测试和仿真曲线符合较好,验证了设计的准确性和可行性. 新型混合单元FSS特别适用于敌我双方工作频段接近的情形,它的提出为FSS隐身雷达罩研制提供了一条可行性较高的新途径.

基于变量解耦的俯冲加速段弹载SAR大场景成像算法
An imaging algorithm for missile-borne SAR with downward movement based on variable decoupling

江淮, 赵惠昌, 汉敏, 张淑宁
物理学报. 2014, 63 (7): 078403      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.078403
全文: [PDF 12139 KB] 下载:(585)
摘要
俯冲加速阶段导弹运动状态复杂,成像范围需求大,回波处理困难的特点使得传统的成像算法难以运用. 针对这一问题,本文首先建立了精确的斜距几何和回波模型,并在分析二维频谱的基础上,提出了一种基于变量解耦下的非线性变标算法,有效的补偿了随场景纵向和横向的多普勒调频率,改善了方位聚焦质量和位置的正确性,提高成像质量的同时简化了后期图像几何校正操作. 多个散射点的仿真数据和结果表明了算法的有效性.

Cu, Zn离子注入SiO2纳米颗粒合成及氧气氛围下的热稳定性研究 Hot!
Synthesis of nanoparticles in SiO2 by implantation of Cu and Zn ions and their thermal stability in oxygen atmoshphere

许蓉, 贾光一, 刘昌龙
物理学报. 2014, 63 (7): 078501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.078501
全文: [PDF 6112 KB] 下载:(625)
摘要

通过45 keV,1.0×1017 cm-2的Cu离子注入SiO2基底合成了嵌入式的Cu纳米颗粒,采用不同剂量的50 keV Zn离子对Cu纳米颗粒进行后续辐照,详细研究了Zn离子后续辐照对Cu纳米颗粒结构、光学性质的影响及其氧气气氛下的热演变规律. 研究结果表明,Cu和0.5×1017 cm-2的Zn离子顺次注入可在SiO2基底中形成Cu-Zn合金纳米颗粒,它们可以在516 nm附近引起独特的表面等离子共振(SPR)吸收峰. 后续O2气氛中450 ℃退火可以导致Cu-Zn 合金纳米颗粒分解,并在基体中形成了ZnO和Cu纳米颗粒. 研究结果还表明后续Zn离子的辐照可以有效地提高Cu纳米颗粒的抗氧化能力;同时基体中Cu 的存在也会加速Zn向样品表面的扩散,从而促进了ZnO 的形成.

二维光栅角度信号响应函数研究 Hot!
Response function of angle signal in two-dimensional grating imaging

鞠在强, 王研, 鲍园, 李盼云, 朱中柱, 张凯, 黄万霞, 袁清习, 朱佩平, 吴自玉
物理学报. 2014, 63 (7): 078701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.078701
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摘要

本文在平行相干光照明条件下,推导出了二维光栅剪切成像系统的角度信号响应函数,并描绘出了角度响应函数二维曲面. 虽然光栅剪切成像系统常用的分束光栅有四种,分析光栅有三种,分析光栅和分束光栅之间还存在多种不同组合,但是产生的角度信号响应函数曲面却只有三种,即峰型位移曲面、谷型位移曲面和峰谷对称型位移曲面. 其中峰型位移曲面和谷型位移曲面之间具有数值互补关系,由此还可以把峰型位移曲面和谷型位移曲面归纳为一种,最终只需要考虑两种位移曲面. 这个理论结果无疑显著简化了人们对二维光栅剪切成像的认识,将对今后讨论定量提取二维角度信号的工作奠定基础.

非均匀电磁介质中的等效源重构
Equivalent source reconstruction in inhomogeneous electromagnetic media

赵晨, 蒋式勤, 石明伟, 朱俊杰
物理学报. 2014, 63 (7): 078702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.078702
全文: [PDF 593 KB] 下载:(629)
摘要
本文提出了一种用于等效源重构的磁场极值信号法. 并通过给定不同的电流偶极子作为信号源,仿真研究了多腔体心脏磁场模型及非均匀介质情况下等效源重构的精度. 分析了体电导对心脏磁场的影响,以及磁场极值信号反映的体电导作用. 文中将该方法与其他四种源估计方法:磁场梯度极值法、Nelder-Mead单纯形算法、信赖域反射算法和粒子群优化算法作了比较. 分析了这些方法的源重构精度和计算所需时间. 结果表明,这种针对非均匀介质情况提出的心脏磁场逆问题求解方法有一定的实用价值.

基于SPCNN与改进型矢量CV模型的乳腺X射线肿块分割方法
Mass segmentation in mammogram based on SPCNN and improved vector-CV

韩振中, 陈后金, 李艳凤, 李居朋, 姚畅, 程琳
物理学报. 2014, 63 (7): 078703      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.078703
全文: [PDF 5913 KB] 下载:(570)
摘要
作为乳腺癌计算机辅助诊断系统的重要环节,肿块分割的结果严重影响到肿块良恶性的判别. 针对现有方法的不足,本文提出了一种基于简化型脉冲耦合神经网络和改进型矢量无边缘活动轮廓模型的乳腺X射线肿块分割方法. 首先,通过数学分析计算SPCNN的相关参数与终止条件,进而利用SPCNN模型分割出肿块的初始轮廓. 然后,针对传统CV模型的不足,进行相应的修正得到改进型矢量CV模型. 最后,结合SPCNN分割出的初始轮廓,利用改进型的矢量CV模型处理ROI分割出肿块. 采用北京大学人民医院乳腺中心提供的临床图像以及DDSM数据库的图像进行对比实验,实验结果表明,本文方法相比较现有方法分割结果更为准确,尤其是在处理东方女性致密性案例时,本文方法更有优势.

脑电信号的多尺度排列熵分析
Multiscale permutation entropy analysis of electroencephalogram

姚文坡, 刘铁兵, 戴加飞, 王俊
物理学报. 2014, 63 (7): 078704      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.078704
全文: [PDF 266 KB] 下载:(1075)
摘要
本文利用多尺度排列熵对正常脑电信号和癫痫脑电信号进行了详细的分析和比较,研究了脑电图信号多尺度排列熵值和年龄的关系以及尺度因子对多尺度排列熵值的影响. 通过对处于各个年龄段的22组正常人和22组患有癫痫人群的脑电图进行多尺度排列熵分析,发现在相同年龄段的人群中,正常脑电信号的多尺度排列熵值要高于癫痫脑电信号,熵值平均高出约0.19,约7.9%. 另外,在尺度因子小于15的情况下,对于在30到35的年龄段正常人群,其多尺度排列熵值最大,随着年龄段的增大或降低熵值都一定程度的降低. 结果证明,多尺度排列熵可以成功区分正常脑电信号和癫痫脑电信号,并且熵值可以正确地反映人体大脑发育的一般过程.

NPB阳极缓冲层对反型结构聚合物太阳能电池性能的影响
Effects of NPB anode buffer layer on the performances of inverted bulk heterojunction polymer solar cells

龚伟, 徐征, 赵谡玲, 刘晓东, 杨倩倩, 樊星
物理学报. 2014, 63 (7): 078801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.078801
全文: [PDF 415 KB] 下载:(801)
摘要
制备了给体材料为poly(3-hexylthiophene)(P3HT),受体材料为[6,6]-phenyl-C60-butyric acid methyl ester(PCBM),器件结构为ITO/ZnO/P3HT:PCBM/NPB(0,1,5,10,25 nm)/Ag的反型体异质结聚合物太阳能电池. 不同厚度的N,N’-diphenyl-N,N’-bis(1-naphthyl)-1,1’-biphenyl-4,4’-diamine(NPB)阳极缓冲层被用来改善器件性能,研究了NPB阳极缓冲层对器件特性的影响. 研究发现,1 nm厚的NPB改善了器件的载流子收集效率,增加了器件的短路电流与开路电压. 当NPB缓冲层的厚度达到25 nm时,过厚的NPB导致串联电阻增加,使得器件特性大幅下降. 通过电容-电压测试,进一步研究了不同厚度NPB对器件载流子注入与收集的影响,1 nm厚的NPB修饰并没有改善器件的载流子注入但是增加了器件对光生载流子的收集效率,过厚的NPB使得自由载流子的复合占据主导. 适合厚度的NPB可以作为一种阳极缓冲层材料应用于聚合物太阳能电池提高器件特性.

基于时滞耦合映像格子的多耦合边耦合网络级联抗毁性研究
Study on cascading invulnerability of multi-coupling-links coupled networks based on time-delay coupled map lattices model

彭兴钊, 姚宏, 杜军, 丁超, 张志浩
物理学报. 2014, 63 (7): 078901      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.078901
全文: [PDF 445 KB] 下载:(453)
摘要
现实中各网络之间的耦合促进了网络间的交流,但也带来了级联故障大范围传播的风险. 考虑到故障的传播一般存在时滞,并且一个节点可能拥有不止一条耦合边的情况,本文构建了基于时滞耦合映像格子的多耦合边无标度耦合网络级联故障模型. 研究表明,对于BA(Barabási-Albert)无标度耦合网络,存在一个阈值hT ≈ 3,当耦合强度小于此阈值时,耦合越强抗毁性越弱;反之,耦合越强抗毁性反而越强. 另外,研究发现时滞对耦合网络的影响不仅仅是延长了故障传播的时间,为采取防护措施争取了时间,而且也对最终故障规模产生了影响,具体地,当层内时滞τ1和层间时滞τ2可取任意值时,当两者成整数倍关系时其最终故障规模将更大. 本文的研究可为构建高抗毁性的耦合网络或提高耦合网络的级联抗毁性提供参考.

变曲率弯路车辆换道虚拟轨迹模型
Virtual trajectory model for lane changing of a vehicle on curved road with variable curvature

任殿波, 张京明, 王聪
物理学报. 2014, 63 (7): 078902      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.078902
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摘要

研究自动化公路系统车辆换道虚拟轨迹规划方法,建立基于奇次多项式的变曲率弯路换道轨迹模型. 假设车辆起始车道和目标车道具有相同的瞬时中心,把车辆在弯曲路段换道时的运动分解为向道路瞬心的直线运动和绕道路瞬心的圆周转动. 假设向心运动位移和转动角位移满足奇次多项式约束,由换道时间、位置要求以及车辆在换道开始时刻和结束时刻的期望状态确定两种运动满足的边界条件,利用边界条件确定多项式系数. 根据向心运动位移和转动角位移多项式模型,建立换道虚拟轨迹数学模型. 与现有弯路换道轨迹规划方法相比,取消道路曲率为常数的假定,得到的换道轨迹模型更具一般性. 仿真结果验证了文中提出的变曲率弯路换到轨迹规划方法的可行性.

地球物理学、天文学和天体物理学

基于区域逐步分析的集合变分资料同化方法
Ensemble variational data assimilation method based on regional successive analysis scheme

吴祝慧, 韩月琪, 钟中, 杜华栋, 王云峰
物理学报. 2014, 63 (7): 079201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.079201
全文: [PDF 679 KB] 下载:(574)
摘要
集合变分数据同化方法的同化效果对集合样本容量具有很强的依赖性,研究发现此问题的出现是因为其计算过程中分析增量被表示为集合扰动向量或其展开正交基向量的线性组合. 这样的处理方法虽然避免了计算梯度而引入伴随模式,但是因为物理控制变量个数远大于集合样本容量,就会导致物理量的同化分析值对集合样本容量很敏感. 根据此原因,提出了区域逐步分析方法,减小了同化分析区域内物理变量个数与集合样本容量数之间的比值,使问题得到解决. 利用浅水方程模式进行资料同化数值试验表明,基于区域逐步分析的集合变分资料同化方法可以得到较好的结果,能明显提高同化的精度.

准线性扩散系数与空间高能电子特征物理量的关系研究
Relationship between the quasi-linear diffusion coefficients and the key parameters of spatial energetic electrons

张振霞, 王辰宇, 李强, 吴书贵
物理学报. 2014, 63 (7): 079401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.079401
全文: [PDF 409 KB] 下载:(882)
摘要
研究已经证实,地面电磁波进入电离层与高能粒子发生波粒相互作用,通过改变其投掷角、动量等发生扩散,导致粒子沉降,进而形成粒子暴. 近几十年来,从卫星观测到很多电离层中的粒子暴与地震有关系. 本文利用波粒回旋共振耦合理论,结合低轨卫星的观测范围,研究场向电磁波的准线性投掷角扩散系数分布与VLF电磁波频率、带宽、电子能量(0.1–50 MeV)、磁壳层(L=1.1–3)等特征物理量的关系,并研究在某个确定的投掷角条件下,电磁波频率与其所引发的电子沉降对应的最小耦合能量的关系. 利用这些物理量之间的关系,为卫星观测的高能粒子沉降事例提供理论解释,为从卫星高能粒子探测中提取与地震相关的信息提供理论支持,也为我国计划2016年底将发射的电磁监测试验卫星的数据分析奠定基础.

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