Vol. 64, No. 2 (2015)
2015年01月20日
总论
2015, 64 (2): 020202.
doi: 10.7498/aps.64.020202
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以往的研究大多考虑线性谐振子模型受频率涨落噪声的影响, 而当布朗粒子处于具有吸附能力的复杂环境时, 粒子质量也存在随机涨落. 因此, 本文研究具有质量及频率涨落两项噪声的二阶欠阻尼线性谐振子模型的随机共振现象. 利用Shapiro-Loginov公式和Laplace变换, 推导了系统响应一阶稳态矩及稳态响应振幅的解析表达式. 并根据稳态响应振幅的解析表达式, 建立了稳态响应振幅关于质量涨落噪声及频率涨落噪声各自的噪声强度能够诱导随机共振现象产生的充分必要条件. 仿真实验表明, 当系统参数满足本文所给出的充分必要条件要求时, 系统稳态响应振幅关于噪声强度的变化曲线具有明显的共振峰, 即此选定参数组合能够诱导系统产生随机共振现象.
2015, 64 (2): 020701.
doi: 10.7498/aps.64.020701
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为了提高相机空间操控(CSM)系统的预测精度, 提出一种基于混合交叉操作的差分进化算法.该方法将CSM系统的视觉参数初值和平化距离参数Zo进行组合作为混合交叉差分进化算法的个体, 以CSM系统对目标点位置的预测精度作为个体的适应度函数, 通过进化迭代获得最优的参数组合.使用了实际机器人视觉系统获取的数据进行实验, 结果表明使用优化后的参数组合可以提高系统的预测精度.
2015, 64 (2): 020602.
doi: 10.7498/aps.64.020602
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在超短飞秒激光技术中, 基于BaF2晶体三阶非线性效应的交叉偏振波技术是目前最重要的提高脉冲时域对比度的手段之一. 针对不同入射脉冲强度下入射脉冲的线性啁啾对BaF2晶体交叉偏振波的输出特性, 包括转换效率、光谱加宽和时域压缩的影响进行了详细的数值模拟和讨论.特别地, 详细对比研究了非饱和及强入射脉冲情况下线性啁啾对交叉偏振波输出脉冲光谱加宽的影响. 结果表明, 在强入射脉冲情况下, 交叉偏振波的光谱加宽量从非饱和情况下相对于零点线性啁啾时的对称结构, 变得不再具有对称性, 并对产生非对称性的原因进行了详细的物理解释.
2015, 64 (2): 020201.
doi: 10.7498/aps.64.020201
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通过下列步骤,构造了一类非线性发展方程的无穷序列复合型双孤子新解: 步骤一, 给出两种函数变换,把一类非线性发展方程化为二阶非线性常微分方程; 步骤二, 再通过函数变换, 二阶非线性常微分方程转化为一阶非线性常微分方程组,并获得了该方程组的首次积分; 步骤三, 利用首次积分与两种椭圆方程的新解与Bäcklund 变换, 构造了一类非线性发展方程的无穷序列复合型双孤子新解.
2015, 64 (2): 020702.
doi: 10.7498/aps.64.020702
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提出了一种新型的用于差分吸收激光雷达中脉冲式光学参量振荡器的种子激光器的频率稳定方法. 详细介绍了该稳频方法的工作原理和实验装置, 并在理论上对该方法的稳频精度及其影响因素进行了分析. 利用该方法, 在实验中将种子光激光器稳定在水汽的吸收峰中心(935.6849 nm)处, 频率抖动的标准差小于8 MHz. 测试了种子注入后的光学参量振荡器输出的脉冲光的频率抖动, 测试结果表明, 脉冲光频率能够与种子光保持一致, 频率抖动的标准差小于28.7 MHz, 该稳频结果完全能够满足差分吸收激光雷达的需求.
2015, 64 (2): 020502.
doi: 10.7498/aps.64.020502
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以微弱周期信号激励的非对称双稳系统为模型, 以信噪比增益为指标, 首先针对加性和乘性α 稳定噪声共同作用的随机共振现象展开了研究, 然后针对单独加性α 稳定噪声激励的随机共振现象进行了研究, 探究了α 稳定噪声特征指数α 和对称参数β 分别取不同值时, 系统结构参数a, b, 刻画双稳系统非对称性的偏度r以及α 稳定噪声强度放大系数Q或D对非对称双稳系统共振输出的作用规律. 研究结果表明, 无论在加性和乘性α 稳定噪声共同作用下还是在单独加性α 稳定噪声作用下, 通过调节a和b或者r均可诱导随机共振, 实现微弱信号的检测, 且有多个参数区间与之对应, 这些区间不随α 或β 的变化而变化; 在研究噪声诱导的随机共振现象时发现, 调节噪声强度放大系数也可使系统产生随机共振现象, 且达到共振状态时D的区间也不随α 或β 的变化而变化. 这些结论为α 稳定噪声环境下参数诱导随机共振中系统参数以及噪声诱导随机共振中噪声强度的合理选取提供了依据.
2015, 64 (2): 020601.
doi: 10.7498/aps.64.020601
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详细分析了光学频率梳光谱干涉的原理, 建立了较全面的光谱干涉的数学模型, 为实现绝对距离测量提供理论分析基础. 基于光谱干涉, 指出通过光谱干涉条纹的振荡频率, 即一次傅里叶变换, 可以实现绝对距离测量, 数值模拟结果表明, 最大测量误差为1.5 nm; 提出了一种等效的多波长并行零差干涉的方法, 分析了多波长并行零差干涉法的测距原理. 数值模拟结果表明, 多波长并行零差干涉法的最大误差为8.7 nm; 通过脉冲啁啾实现绝对测距, 分析了基于脉冲啁啾实现绝对测距的原理, 数值模拟结果表明, 最大测距误差为5.3 nm.
2015, 64 (2): 020501.
doi: 10.7498/aps.64.020501
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Lorenz系统是一种最具有代表性、典型性的混沌模型之一, 一直被众多学者深入研究和广泛应用.为了获取结构和动力学行为更为复杂的混沌吸引子, 不断改善Lorenz系统已成为混沌动力系统研究中的重要课题之一. 为此, 本文提出了一个具有复杂系统动力学行为的改进的Lorenz系统, 并将其用于图像信息安全保护. 在现有各种改进的Lorenz系统的基础上, 首先通过增加Lorenz系统的控制参数和改变非线性项相结合的方法构造出一种新的Lorenz 混沌系统; 其次采用微分动力系统方法深入研究该系统并获得与Lorenz系统、Bao系统、Tee系统和Y系统等具有相似的耗散性、对称性、稳定性, 以及更加复杂的混沌特性和动力学行为, 同时分析该系统所产生随机序列具有良好的相关性和复杂性; 最后将其所产生的离散伪随机序列用于图像置乱和扩散加密, 通过对图像加密结果的相邻像素相关性分析、灰度空间相关特性不确定性分析、抗差分攻击以及密钥敏感性测试, 表明本文所构造的改进的Lorenz系统应用于图像加密能获得相对较高的安全性.
2015, 64 (2): 020101.
doi: 10.7498/aps.64.020101
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识别复杂网络中的关键节点对网络结构优化和鲁棒性增强具有十分重要的意义. 经典的关键节点测量方法在一定程度上能够辨识网络中影响力节点, 但存在一定局限性: 局部中心性测量方法仅考虑节点邻居的数目, 忽略了邻居间的拓扑关系, 不能在计算中反映邻居节点间的相互作用; 全局测量方法则由于算法本身的复杂性而不能应用于大规模社会网络的分析, 另外, 经典的关键节点测量方法也没有考虑社会网络特有的社区特征. 为高效、准确地辨识具有社区结构的社会网络中最具影响力节点, 提出了一种基于节点及其邻域结构洞的局部中心性测量方法, 该方法综合考虑了节点的邻居数量及其与邻居间的拓扑结构, 在节点约束系数的计算中同时体现了节点的度属性和“桥接”属性. 利用SIR(易感-感染-免疫)模型在真实社会网络数据上对节点传播能力进行评价后发现, 所提方法可以准确地评价节点的传播能力且具有强的鲁棒性.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2015, 64 (2): 027501.
doi: 10.7498/aps.64.027501
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建立了一种简便的、适用于磁畴模型应用的Tb0.3Dy0.7Fe2 合金本构参数辨识方法. 针对Tb0.3Dy0.7Fe2合金磁畴模型中本构参数不明确且直接实验测试困难的问题, 提出了一种数值计算与实验测试相结合的参数辨识方法. 采用坐标变换与绘制自由能等势曲线相结合的方法, 简化了载荷作用下Tb0.3Dy0.7Fe2 合金内磁畴角度偏转的数值计算, 研究了合金磁畴角度偏转模型的参数依赖性. 在此基础上, 结合简单的实验测试, 建立了Tb0.3Dy0.7Fe2合金各向异性常数K1 和K2、能量分布因子ω、晶轴取向分布的辨识及修正方法. 该方法能够简单、快速地完成Tb0.3Dy0.7Fe2 合金磁畴模型中本构参数的辨识, 对完善磁致伸缩材料磁畴偏转的数值计算模型非常有意义. 理论分析可为类磁致伸缩材料磁机耦合模型的建立、完善, 以及材料本构参数的辨识、获取提供参考.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2015, 64 (2): 024302.
doi: 10.7498/aps.64.024302
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在对一次试验数据进行匹配场定位处理时发现, 选取声速剖面有轻微失配的情形下, 水面弱声源显现, 水下强声源反而消失. 基于该现象研究了声速剖面失配对不同深度声源定位的影响. 首先通过仿真试验排除海上试验中不确定因素的影响, 进一步得出深处声源定位受声速剖面失配影响较大的结论, 并针对夏季负跃层情形进行跃层深度失配的仿真, 初步得出在跃层下边界以下10 m附近处的声源对声速剖面失配最敏感. 最后从简正波的角度进行理论分析, 分两点对这一现象进行了合理解释.
2015, 64 (2): 024209.
doi: 10.7498/aps.64.024209
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通过在互耦合垂直腔面发射激光器(VCSELs)系统中增加外光注入, 建立了一种基于偏振可调光反馈VCSEL驱动互耦合VCSELs混沌系统模型, 分析了增加外光驱动对互耦合激光器随机特性的影响. 以不可预测度作为随机特性的评价指标, 采用信息论中的排列熵作为相应量化工具, 对系统输出混沌信号的不可预测性进行定量分析.数值研究了光强度、时延、偏振旋转角度以及驱动激光器与耦合激光器间的频率失谐对输出信号随机特性的影响.结果表明: 外光注入能够增大互耦合VCSELs输出混沌信号的排列熵, 即外光注入能够有效提高耦合系统的随机特性; 驱动激光器可调偏振片偏转角度调节到45° 附近, 注入强度适中, 满足耦合强度大于驱动激光器自反馈强度条件, 系统输出信号的排列熵较大; 在耦合时延与驱动激光器反馈时延不相等的同时, 增加驱动激光器与耦合激光器频率失谐, 外光注入互耦合VCSELs的随机特性能够得到进一步提高.
2015, 64 (2): 024216.
doi: 10.7498/aps.64.024216
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理论分析了激光瞄准系统中视轴误差与目标照明回光的关系. 介绍了同时具备激光束发射与瞄准偏差校正功能的自适应光学器件––自适应光纤准直器的原理. 搭建了光束经200 m水平大气传输的激光瞄准实验平台. 基于二维目标和三维目标的照明回光, 利用随机并行梯度下降算法分别实现了不同初始视轴误差下的瞄准闭环校正. 实验结果表明, 闭环后二维目标和三维目标的视轴校正残差评价参数分别小于6%和10.8%, 校正精度均在理论范围内. 最后, 分析了算法参数对动目标瞄准的影响.
2015, 64 (2): 024219.
doi: 10.7498/aps.64.024219
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设计并制备了一种基于人工磁导体(artificial magnetic conductor, AMC)的覆盖X和Ku波段的宽带低雷达散射截面(radar cross section, RCS)反射屏. 将双频带耶路撒冷十字形AMC结构和宽带双金属方形AMC结构复合, 通过参数优化, 使耶路撒冷十字形结构的反射相位反转频点与方形结构的反射相位零值频点重合或者非常接近, 进一步扩宽有效相位差区域, 从而拓展RCS减缩带宽. 给出了反射能量峰值方位的一般理论计算公式, 当入射角度、棋盘单元尺寸和观察频率确定后, 可通过公式计算出反射峰的方位. HFSS软件仿真结果与理论计算结果符合较好, 验证了理论公式的正确性. 同时与等尺寸金属平板相比, 在7.4–17.0 GHz 频带内, 除9.8 GHz附近的少数频点外, 天线后向RCS均有-10 dB以上的减缩, 基本覆盖X波段和Ku波段, 相对带宽为78.7%, 在11.6 GHz时, 减缩量最大, 达到40.3 dB. 加工了反射屏实物并进行测试, 测试结果与仿真结果基本一致, 证实了反射屏具有宽带的低RCS特性.
2015, 64 (2): 024206.
doi: 10.7498/aps.64.024206
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提出了一种基于21单元变形镜与全息波前传感器的全息自适应光学系统, 并对其像差校正能力进行了分析. 首先描述了全息波前传感器基本原理, 并在薄全息图近似下给出基于快速傅里叶变换算法的全息波前传感器数值模型; 然后基于21单元变形镜的数值模型, 分析了该变形镜的波前校正能力; 在此基础上, 数值模拟并实验验证了全息自适应光学系统对静态像差的闭环校正能力.
2015, 64 (2): 024208.
doi: 10.7498/aps.64.024208
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基于垂直腔表面发射激光器(VCSELs)的自旋反转模型, 研究了互注入VCSELs系统中参数连续变化所引起的多次偏振转换(PS)特性. 研究结果表明: 连续改变互注入强度ξ、两个互注入VCSELs中一个激光器的激射频率以及同时连续改变两个激光器的激射频率, 均可产生多次的PS. 详细分析了上述三种参数连续变化所引起的多次PS的特性, 并讨论了耦合延时时间对多次PS特性的影响.
2015, 64 (2): 024220.
doi: 10.7498/aps.64.024220
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针对卫星轨道上的空间环境辐射引起电子元器件参数退化问题, 为了研究光电器件空间辐射效应、损伤机理以及参数退化规律, 对某国产埋沟科学级电荷耦合器件(charge-coupled devices, CCD)进行了10 MeV质子辐照试验、退火试验及辐射效应理论模型研究. 试验过程中重点考察了器件的暗信号和电荷转移效率特性的变化. 试验结果表明, 器件的主要性能参数随着质子辐照注量的增大明显退化, 在退火过程中这些参数均有不同程度的恢复. 通过对CCD敏感参数退化规律及其与器件工艺、结构的相关性进行分析, 并根据半导体器件辐射效应理论, 推导了器件敏感参数随质子辐照注量变化的理论模型, 得到了暗信号及电荷转移效率随辐照注量退化的半经验公式. 上述工作可为深入开展CCD抗辐射性能预测、抗辐射工艺改进与结构优化提供重要参考.
2015, 64 (2): 024305.
doi: 10.7498/aps.64.024305
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海洋波导的存在使得信号在水中传播过程中产生频散, 从而降低了信号处理质量. 基于声场的波导不变特性, 给出了一种具有普遍意义的Warping变换, 这种变换可以将波导中的信号频散特性简单化. 数值仿真结果表明, 只需要知道波导不变量的取值范围就可以很好地提取出波导的频散曲线, 数值仿真和海上实验数据给出了较为理想的结果.
2015, 64 (2): 024701.
doi: 10.7498/aps.64.024701
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为了减小流体对固体壁面的阻力, 基于蚯蚓生物学特征, 对蚯蚓背孔射流特性进行分析, 建立仿蚯蚓背孔射流的仿生射流表面计算模型, 采用SST k-ω 湍流模型对仿生射流表面的减阻特性进行数值模拟, 同时对数值模拟结果进行实验验证, 并以此研究了仿蚯蚓背孔射流表面的减阻机理.结果表明, 在一定条件下, 仿蚯蚓背孔射流的仿生射流表面具有较好的减阻效果; 在同一射流方向角下, 随着射流速度的增加, 减阻率逐渐增大; 在同一射流速度下, 随着射流方向角的增加, 减阻率呈先减小后增大的变化趋势; 数值模拟与实验均在射流速度为1 m·s-1、射流方向角为-30°时达到最大, 分别为8.69%, 7.86%; 射流表面改变了原有光滑壁面的边界层结构, 对壁面边界层进行了有效的控制, 减小了壁面的剪应力, 降低了壁面边界层的速度.
2015, 64 (2): 024702.
doi: 10.7498/aps.64.024702
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高超声速流动是高复杂性的可压缩黏性流动, 其中存在激波、剪切层、激波/激波干扰、激波/边界层干扰、旋涡与分离流动等复杂流场结构. 对其进行准确模拟需要使用低耗散、强鲁棒性的激波捕捉方法. 本文基于一类新型的通量项分裂方法, 提出了一种耗散低且鲁棒性好的激波捕捉格式K-CUSP-X. 对该格式的耗散性和激波稳定性进行了详细的理论分析, 得到了格式激波稳定的数值条件. 推论认为, 迎风格式激波稳定的充分条件为速度扰动量具有衰减性, 数值实验验证了该推论. 研究表明, 该格式与Toro提出的通量分裂格式K-CUSP-T相比, 在保证精确捕捉接触间断的同时, 又具有更好的稳定性, 在激波处不会产生“红玉”现象.
2015, 64 (2): 024704.
doi: 10.7498/aps.64.024704
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对空气气氛中甲烷/氧气反扩散火焰的形态和推举滞后特性进行了实验研究. 实验中通过改变气体流量考察了气速变化对火焰形态演变及滞后特性的影响, 并利用紫外相机系统研究了气速对不同形态火焰中OH*分布的影响. 研究结果表明: 甲烷气速、氧气气速和火焰的历史状态是决定火焰形态的三个重要参数, 并以此对实验范围内的火焰形态进行了分区; 氧气气速对不同形态反扩散火焰轴线上的OH*分布有相似的影响, 当氧气缺乏时, 反扩散反应区较短, 当氧气富余时, 反扩散反应区在轴向分布较广; 同轴甲烷的气速对反扩散火焰的滞后特性影响显著, 随着甲烷气速的增加, 反扩散火焰的推举速度和再附着速度呈线性减小, 部分预混火焰向反扩散火焰转变的速度呈线性增加.
2015, 64 (2): 024501.
doi: 10.7498/aps.64.024501
摘要 +
基于NaSch元胞自动机交通流模型, 考虑司机复杂的性格特征和驾驶行为差异, 引入相邻车辆的动态车间距, 提出了一个改进的单车道元胞自动机交通流模型. 通过数值模拟得到了流量-密度关系, 在中高密度区域呈现出一种弥散分布的状态而非惟一确定的关系, 再现了交通系统中的自由流、同步流及宽幅运动阻塞, 表明道路上即使没有交通瓶颈也会出现同步流和拥挤交通, 同时揭示了在同步流中存在的车辆高速跟驰现象, 高速跟驰率与交通实测结果较为符合.
2015, 64 (2): 024101.
doi: 10.7498/aps.64.024101
摘要 +
对具有涂覆层目标的太赫兹波段粗糙表面的散射特性进行了研究. 考虑到表面粗糙度的影响, 可先对反射系数进行修正, 再利用反射系数对等效电磁流进行修正, 得到粗糙涂覆表面的等效电磁流, 然后在物理光学方程的基础上得到粗糙表面涂覆目标的雷达散射截面; 最后进行图形电磁学可视化计算, 并采用Visual C++对模型进行OpenGL显示, 提取像素面元的有效信息对所得理论进行了仿真分析, 研究了不同入射角度、不同频率、不同介质、不同粗糙度和不同涂层厚度下的太赫兹波电磁散射特性, 得到了一些有参考价值的结论.
2015, 64 (2): 024102.
doi: 10.7498/aps.64.024102
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提出了一种利用电谐振器与磁谐振器集成于一体的单面左手介质结构设计方案, 该方案采用两个十字架型金属结构镜像并列放置在介质基板的同一侧形成一个左手单元, 并将其排列成周期结构. 软件仿真和优化提取了一系列有效电磁参数, 结果表明, 该结构在9.4–16 GHz的频率范围内等效介电常数和等效磁导率同时为负, 其相对带宽达到了52%, 并且单元电长度和损耗都小于同类型的结构. 对该结构进行了加工、制作并通过波导法测试再次证明了其优良左手特性的存在性. 为左手材料的广泛应用打下了基础.
2015, 64 (2): 024103.
doi: 10.7498/aps.64.024103
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尾喷管作为飞行器后向强散射源之一, 可通过特殊结构设计和介质涂覆缩减其雷达散射截面(RCS). 本文采用迭代物理光学法和阻抗边界条件的混合计算模型, 研究了6种涂覆方案和不涂覆时双S弯排气系统的电磁散射特性, 采用所提出的射线行程追踪方法提高了几何消隐计算效率, 利用前后向迭代方法加速收敛并采用openMP和MPI并行技术缩短计算时间, 获得了在X波段下7种模型的RCS随探测角度的变化规律. 研究结果表明, 介质涂覆能够有效抑制双S弯排气系统的RCS; 合理的介质涂覆方案不仅具有明显的抑制效果, 同时又具有经济性好、重量轻及涂覆方便等优势; 相比全涂覆方案, 仅在喷管出口附近涂覆的方案, 可减少73.6%的涂覆材料, 且其RCS的最大增幅不超过15.6%, 相比未涂覆方案, RCS 至少降低18.5%. 同时所开发的计算程序可用于任意腔体电磁散射特性的计算, 可为带介质涂覆腔体试验提供技术支撑.
2015, 64 (2): 024210.
doi: 10.7498/aps.64.024210
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介绍了一种新型增益导引-折射率反导引大模场光纤的结构、基本理论以及其在光纤激光器领域的重要应用. 在综合分析了不同抽运条件下的激光输出特性以及光纤的热效应特征后, 得出侧面抽运是增益导引-折射率反导引大模场光纤的最佳抽运方案的结论; 重点介绍了增益导引-折射率反导引大模场光纤侧面抽运的理论模拟以及基于V形槽技术的侧面抽运实验研究过程, 为相关领域的实验研究提供了参考; 最后分析了实验结果与理论差距较大的原因, 并提出了改进的方向.
2015, 64 (2): 024212.
doi: 10.7498/aps.64.024212
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为了改善其检测极限和定量分析的线性拟合系数, 同时满足实时在线监测的需求, 采用气雾化辅助激光诱导击穿光谱技术, 对水溶液中钙(Ca), 铬(Cr), 钾(K), 镁(Mg), 钠(Na), 铅(Pb)六种元素进行了定性和定量检测. 通过对离焦量、横向距离、激光能量以及延时4个主要参数的优化, 获得上述六种元素的检测极限分别为1.2, 3.2, 19.1, 3.4, 2.8和15.9 ppm, 其线性拟合系数均达到0.99以上. 实验结果表明, 气雾化辅助激光诱导击穿光谱技术是一种快速在线检测液体中痕量金属元素的有效方法.
2015, 64 (2): 024211.
doi: 10.7498/aps.64.024211
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在周期力调制噪声驱动下单模激光系统的光强方程中加入调幅波, 用线性化近似方法计算了系统的光强关联函数和输出信噪比, 并对信噪比进行数值计算和分析, 发现低频调制频率Ω、高频载波频率ω和周期力频率Ωλ对系统的输出信噪比有很大的影响. 具体表现为信噪比R 随低频调制频率Ω 的变化过程中出现了多重随机共振和极强的单峰共振, 当Ω ω 时, 系统出现的是多峰共振, 且随着Ωλ 增加, 共振峰间的距离增大, 峰值位置不变; 当Ω → ω 时, 输出信噪比R迅速增大, 而Ωλ 的影响被削弱甚至可以忽略, 多峰共振消失; 当Ω = ω 时, 系统出现了极强的单峰共振. 此外, 信噪比随周期力频率的变化呈现振幅减小的多重随机共振, 而随载流频率的变化出现单峰随机共振.
2015, 64 (2): 024204.
doi: 10.7498/aps.64.024204
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对离轴椭圆矢量光场的传输特性进行了研究. 推导出离轴椭圆矢量光场在自由空间传输电场和光强的解析表达式. 数值分析结果表明, 离轴高阶圆柱矢量光场具有非对称的光强分布, 传输后的光强分布由传输距离、错位位移、椭圆率决定. 在传输过程中除了光斑会展宽外, 光场中的暗斑会逐渐消失, 最终趋于一种稳态光强分布; 相对于初入射平面的椭圆光斑, 稳态椭圆光斑长短轴互换了. 研究结果有助于深入理解离轴情况下椭圆矢量光场的动态传输特性, 同时可以指导实际椭圆矢量光场的校准.
2015, 64 (2): 024205.
doi: 10.7498/aps.64.024205
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在Demons算法的基础上, 将扩散过程看作图像配准, 建立一种新的基于图像配准的Demons 去噪模型. 实验表明, 该模型去噪效果优于经典的Perona-Malik模型, 排除了模型的病态性. 考虑到新模型在图像去噪过程中仅靠梯度信息表示图像的局部特征还不完善, 故将水平集曲率作为控制图像结构的驱动力因素引入到此模型中, 提出了一种新的梯度和曲率双重驱动力的图像去噪模型. 分析和仿真结果表明, 两种新模型都可有效抑制噪声, 清晰度也有明显的提高, 其中双重驱动力的图像去噪模型去噪效果更具优越性.
2015, 64 (2): 024201.
doi: 10.7498/aps.64.024201
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针对基于白光LED室内可见光无线光通信技术的应用需求, 设计了等齿距平面菲涅尔透镜. 相比常规透镜光接收天线, 菲涅尔透镜具有聚焦能力强、焦距短、透镜厚度薄、重量轻、成本低等优点. 利用Trace pro软件对设计进行了模拟仿真, 分析了透镜不同设计参数对接收天线光学增益、光学效率及光斑尺寸的影响, 讨论了透镜在平行光斜入射时的会聚情况. 结果表明, 平面点聚焦菲涅尔透镜的光学效率可达92.1%, 适用于小视场、高增益接收光学系统前端.
编辑推荐
2015, 64 (2): 024213.
doi: 10.7498/aps.64.024213
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在高功率固体激光器的终端光学组件内, 大口径薄型KDP (KH2PO4)晶体的精密装配和校准是实现惯性约束核聚变的关键技术之一. 为了达到晶体在线安装高效高精度的要求, 需要测量高功率激光三次谐波转换效率达到最高时的晶体相位匹配角分布. 本文针对Ⅰ/Ⅱ类大口径薄型KDP晶体三次谐波转换的方式, 根据晶体的非线性光学属性获得了晶体不同位置相位匹配角之间的关系; 根据激光束在晶体内的传输路径分析得到了晶体面形、相位匹配角与激光三次谐波转换效率达到最高时 晶体最佳偏转角之间的相互关系. 在此基础上, 建立了Ⅰ/Ⅱ类KDP晶体相位匹配角的理论预测模型, 并利用实验进行了验证和分析. 实验结果表明, 晶体相位匹配角的预测值与实验值之差在10.0 rad以内, 验证了Ⅰ/Ⅱ类KDP晶体相位匹配角理论预测模型的正确性, 为获得晶体全口径相位匹配角分布提供了简单、高效的预测方法.
2015, 64 (2): 024203.
doi: 10.7498/aps.64.024203
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利用数值模拟的方法对飞秒激光脉冲中光波振荡一个周期内不同时刻的光场进行了计算、比较, 获得了输出端平面内各空间点处光场的最大值及达到最大值时对应的时间, 得到了探针近场的振幅和相位分布. 在研究振幅分布的过程中发现, 在探针输出端的有些区域振幅始终为零, 即在光波振荡的一个周期内这些区域始终为相位奇异点; 通过分析相位分布得到了相位奇异随时间的演化及相位奇异的特点.
2015, 64 (2): 024207.
doi: 10.7498/aps.64.024207
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基于Husimi算符具有压缩相干态投影子形式, 首先介绍了一个新的量子算符表示, 即压缩相干态表示.当高斯展宽参数κ = 1时, 该函数约化为通常的P函数. 作为例子, 研究了热态的压缩相干态表示, 通过图示说明了压缩相干态表示与P函数的区别. 为更好地在量子光学问题中使用该表示, 我们揭示了压缩相干态表示与Wigner函数、Q函数以及Husimi函数间的积分变换关系.
2015, 64 (2): 024218.
doi: 10.7498/aps.64.024218
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在线偏振飞秒激光激发下, 菌紫质通过双光子光化学反应可以生成具有永久光致各向异性的蓝移产物F540态. 基于F540态的永久光致各向异性, 通过调控飞秒激光空间光场分布, 可以在菌紫质薄膜中实现永久光信息存储. 本文使用纯相位型空间光调制器调制飞秒激光光场, 在物镜焦平面上生成光学点阵图案, 可以将信息快速记录在菌紫质薄膜中. 同时, 通过改变入射激光偏振方向, 可以实现偏振复用光存储, 这在高密度光存储和数据加密领域具有潜在应用.
2015, 64 (2): 024215.
doi: 10.7498/aps.64.024215
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从实验上研究了不同大气环境(温度、湿度、气压)条件下532 nm激光在水中的衰减特性. 实验结果显示大气环境对激光的衰减系数有着重要的影响. 衰减系数随大气压强的增加而减小, 随温度的增加而增加, 最大衰减系数出现在最高水温和最低气压条件下. 当气压低并且温度高时, 衰减系数最大, 最大衰减系数值是最小衰减系数的三倍.在实验测量的基础上, 详细分析了大气环境影响激光衰减特性的物理机理, 研究结果对分析布里渊激光雷达海洋遥感探测具有重要意义.
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2015, 64 (2): 024301.
doi: 10.7498/aps.64.024301
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藻酸钙凝胶具有三维立体多孔结构, 能为细胞生长提供充分的附着空间, 且具有良好的生物相容性和一定的机械强度, 是一种理想的细胞支架材料. 本文研究了藻酸钙三维支架材料的力学特性与氯化钙/藻酸钠的配比的关系, 并提出采用低强度脉冲超声处理藻酸钙凝胶、基于超声空化效应增强藻酸钙凝胶孔隙率的新方法. 实验采用交联合成方法制备藻酸钙凝胶支架材料, 测量力学特性、孔洞的联通性与孔隙率, 并利用绿色荧光蛋白的表达评价细胞的增殖能力. 结果表明, 当氯化钙/藻酸钠的配比为3:5时, 凝胶的机械强度和弹性较好, 力学性能稳定, 为最佳配比参数. 采用声压0.055 MPa的脉冲超声作用20 min, 可以有效提高凝胶支架的孔隙率; 且细胞在该支架中生长状态良好, 呈现团簇状生长趋势.
2015, 64 (2): 024304.
doi: 10.7498/aps.64.024304
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针对水听器阵列近场强多途环境下的校正需求, 提出了一种高精度的多辅助源阵列位置校正方法.综合近场点源非平面波模型和泰勒近似原理, 构建了近场阵元位置二维误差模型, 进而获得信号特征向量与阵元位置误差的线性映射关系.推导并计算了校正模型的克拉美罗界(CRB).研究了多途对阵元位置校正的影响, 将多途干扰视为位置已知的相干源, 提出了多途补偿策略.理论及仿真结果表明, 近场多辅助源阵列位置校正方法具有较高的精度, 在低信噪比时接近CRB, 对于辅助源位置等误差具有一定的容忍度, 且适用于强多途环境.湖试验证了方法结论的正确性.
2015, 64 (2): 024217.
doi: 10.7498/aps.64.024217
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由于傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术在定量反演中受到气体温度、压强等气体特性以及水汽交叉吸收的影响, 使其在温室气体及碳同位素比值高精度检测领域的应用受到限制. 本文首先研究了气体特性与水汽吸收敏感性修正方法; 然后,结合实验研究中建立的敏感性修正函数, 对标准气体实测数据进行了气体特性敏感性修正, 修正后,五种测量组分的精密度均有明显提高, 其标准偏差降低倍数分布在1.80到3.38之间. 研究结果对于FTIR技术在大气本底温室气体及碳同位素比值高精度监测领域的应用具有重要意义.
2015, 64 (2): 024303.
doi: 10.7498/aps.64.024303
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在浅海波导中, 未知声源的本征声线相对到达时延估计是非常困难的. 声源位置在邻域内变化和声速剖面扰动对本征声线相对达到时延的影响是类似的. 基于这种思想, 提出了基于单水听器宽带信号自相关函数的水下目标定位稳健方法. 通过设计邻域位置约束, 构造加权函数, 将宽带信号自相关函数包含的交叉干扰峰值转化为能够改善目标定位性能的有用信息. 该方法不仅不需要估计本征声线的相对到达时延, 而且对搜索网格失配和环境参数失配具有相当的宽容性. 利用典型浅海环境下的仿真数据和海上实验数据(Shallow Water 2006 experiments)对所提出方法的有效性进行了验证.
2015, 64 (2): 024703.
doi: 10.7498/aps.64.024703
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纳米流体作为一种较高的导热介质, 广泛应用于各个传热领域. 鉴于纳米颗粒导热系数和成本之间的矛盾, 本文提出了一种混合纳米流体. 为了研究混合纳米流体颗粒间相互作用机理和自然对流换热特性, 在考虑颗粒间相互作用力的基础上, 利用多尺度技术推导了纳米流体流场和温度场的格子Boltzmann方程, 通过耦合流动和温度场的演化方程, 建立了Cu/Al2O3水混合纳米流体的格子Boltzmann模型, 研究了混合纳米流体颗粒间的相互作用机理和纳米颗粒在腔体内的分布. 发现在颗粒间相互作用力中, 布朗力远远大于其他作用力, 温差驱动力和布朗力对纳米颗粒的分布影响最大. 分析了纳米颗粒组分、瑞利数对自然对流换热的影响, 对比了混合纳米流体(Cu/Al2O3-水)与单一金属颗粒纳米流体(Al2O3-水)的自然对流换热特性, 发现混合纳米流体具有更强的换热特性.
2015, 64 (2): 024202.
doi: 10.7498/aps.64.024202
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太赫兹时域光谱技术可以为中药材鉴别和研究提供新方法. 视每种中药材标准样品为一个太赫兹电磁波低通滤波器, 用三参数二阶微分方程或频域系统函数H(f) 描述滤波器的特性. 利用中药材的透射太赫兹电磁波电场强度时域波形采样数据和频域幅频数据, 可以计算出中药滤波器的阻尼系数α 、固有频率β 、放大系数γ. 数据分析发现, 所用的5种中药材都有惟一确定的滤波器参数, 若用中药材的二阶阻尼振子的三个参数作为中药材的指纹数据, 可以有效地区分不同种类的中药材.
2015, 64 (2): 024214.
doi: 10.7498/aps.64.024214
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非局域非线性是目前非线性光学乃至非线性科学研究领域的热点. 本文研究了时间非局域系统中的脉冲啁啾特性, 发现了一个非常有趣的现象：当系统的时间非局域程度很强时, 由自相位调制引起的非线性啁啾可以近似成为脉冲强度的“镜像”, 并且, 这种特性与脉冲包络的具体形式无关. 利用这种特性, 分析了脉冲在强时间非局域系统中传输的时间演化过程.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2015, 64 (2): 026601.
doi: 10.7498/aps.64.026601
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三维集成电路堆叠硅通孔结构具有良好的温度和热特性. 提出了一种协同考虑延时、面积与最小孔径的堆叠硅通孔动态功耗优化办法. 在提取单根硅通孔寄生电学参数的基础上, 分析了硅通孔的直径对多层硅通孔的功耗与延时性能的影响, 由此构建了分层逐级缩减堆叠硅通孔结构, 分析了硅通孔高度与氧化层厚度的影响. 结果表明, 该模型可在牺牲少许延时的情况下显著优化动态功耗, 在允许牺牲延时5%的情况下, 堆叠硅通孔的动态功耗最多可减少19.52%.
2015, 64 (2): 026101.
doi: 10.7498/aps.64.026101
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用双离子束镀膜方法在W基底表面制备不同厚度的Cr薄膜. 用冷场扫描电镜能谱分析仪对镀膜样品成分深度分布进行分析, 使用重离子加速器对镀膜样品进行高能、低束流的氢或氘辐照, 用扫描电镜对样品表面形貌变化进行分析, 运用粒子注入射程模拟软件SRIM对氢粒子在Cr/W双层块体中的射程进行模拟分析. 实验结果表明, 运用双离子束镀膜法能够在膜与基底的接触面区域制得Cr/W混合过渡层; 在高能、低束流的氢或氘辐照下, Cr/W混合过渡层易于使气体滞留而起泡, 双离子束制备的Cr膜层不易聚集氢或氘气体成泡.
2015, 64 (2): 026602.
doi: 10.7498/aps.64.026602
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基于密度泛函理论, 采用第一性原理计算方法研究了C, N, O原子在金属V中的扩散行为. 首先, 讨论了C, N, O原子在V体心立方晶格中的间隙占位情况, 分析了其在间隙位置与V晶格的相互作用, 并探究了这种相互作用对金属V电子结构的影响. 研究结果表明: C, N, O原子在V的八面体间隙位置更为稳定, 并且C, N, O原子的2p电子与V的3d电子之间有比较强的成键作用; C, N, O原子的扩散势垒分别为0.89, 1.26, 0.98 eV, 并得出了其扩散系数表达式; 最后, 通过阿仑尼乌斯关系图对比了三者在V中扩散系数的大小, 并计算出体系温度在500–1100 K之间时其在V中的扩散系数, 计算结果与实验值基本符合.
地球物理学、天文学和天体物理学
2015, 64 (2): 029201.
doi: 10.7498/aps.64.029201
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选取全球历史气候网日值数据集中4个具有长时间大气温度序列的站点并统计其逐月距平值, 利用二阶去趋势的涨落分析法分析研究站点不同时段的气温序列长程相关性特征, 并计算4站在不同时段的最高气温、最低气温的相对变化趋势. 利用傅里叶滤波法生成具有与各站不同时段气温序列相同的长程相关性强度及数据长度相等的代用序列, 并估算出其源于系统内部自然变率的“增/降温”范围, 经分析可知气温序列内部自然变率导致的趋势变化范围与其长度成反比, 而与序列的长程相关性强弱成正比. 最后对比实际温度序列的相对变化趋势以及在95%和99%的置信概率下自然变率的趋势范围, 除SAGINAW MBS INTL AP站日最高气温序列外, 各站点的日最高气温和最低气温长时间序列普遍表现为明显的外部变化趋势, 近30年各站最高、最低气温序列的变化趋势则未超自然变率的趋势范围, 虽不能排除外部趋势的存在, 但与气候系统内部各因子相互作用的影响相比, 这种外部趋势并不显著. 该方法可判别全球变暖背景下气候因子的变化趋势是否显著地由气候系统外部因子引起, 从而能有针对性地对系统外(内)部影响因子展开进一步的研究.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2015, 64 (2): 028401.
doi: 10.7498/aps.64.028401
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提出了一种基于掺金硅的全光学宽带太赫兹波幅度调制器, 研究了金(Au)点阵掺杂后硅(Si)体内的少数载流子寿命及其太赫兹波调制特性. 实验结果表明, 掺杂的Au原子为Si中的光生电子- 空穴对提供了有效复合中心, 使其少数载流子寿命由原来十几微秒降低至110 ns左右. 利用波长915 nm 调制激光作为抽运光源, 在340 GHz载波的动态调制测试中获得4.3 MHz的调制速率和21%的调制深度, 使Si基调制器的调制速率提高了两个数量级. 该全光太赫兹调制器可工作在整个太赫兹频段内, 具有极化不敏感特性, 因而在太赫兹波高速和宽带调控方面具有重要的应用价值, 也是构建光控型Si 基太赫兹功能器件的重要基础.
2015, 64 (2): 028101.
doi: 10.7498/aps.64.028101
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应用微波等离子体化学气相沉积技术, 在低气压下对(100)晶面金刚石膜的表面形貌、质量、取向和生长率进行了可控性生长研究. 结果表明: 基片温度与甲烷浓度对(100)晶面金刚石膜的生长存在耦合规律. 为了获得表面形貌相似的(100)晶面金刚石膜, 在沉积过程中, 增加碳源浓度的同时需要同时升高基片温度; 当甲烷浓度为3.0%, 基片温度从740 ℃上升至1100 ℃ 的过程中, 金刚石膜的晶面取向变化可分为五个阶段, 其中当基片温度在860 ℃至930 ℃时, 很适合高取向(100)晶面金刚石膜生长; 另外, 金刚石膜的质量和生长速率分别与基片温度和甲烷浓度成正比. 为了获得高质量高取向(100)晶面金刚石膜, 应当选择合适的基片温度和甲烷浓度.
2015, 64 (2): 028901.
doi: 10.7498/aps.64.028901
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有倾向随机行走是研究网络上数据包路由策略的有效方法. 由于许多真实技术网络包括互联网都具有负的度关联特征, 因此本文研究这种网络上的有倾向随机行走性质. 研究表明: 在负关联网络上粒子可以在连接度较大的节点上均匀分布, 而连接度小的节点上粒子较少; 负关联网络上随机行走的速度比非关联网络更快; 找到了负关联网络上的最佳倾向性系数, 在此情况下负关联网络上随机行走的速度远快于非关联网络. 负关联网络既可以利用度小的节点容纳粒子, 又可以利用度大的节点快速传输, 这是负关联网络上高行走效率产生的机制.
2015, 64 (2): 028102.
doi: 10.7498/aps.64.028102
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通过在自由能泛函中引入各向异性参数得到了一个基于高斯内核的改进晶体相场模型, 并采用该模型研究了体心立方结构(BCC)枝晶生长的原子堆垛过程. 结果表明, 在BCC由正十二面体平衡形貌演化为枝晶组织过程中, 形核位置经历了由面心({110}面)到尖端(取向)的转移, 进而发生界面失稳形成枝晶组织; 枝晶生长过程中, 新的固相原子首先在枝晶尖端附近形核, 并快速向尖端及根部生长, 枝晶尖端被新原子完全包覆后将再次诱发液相原子附着形核及生长; 随初始液相密度的增加, 固-液界面移动速率增加, 速率系数的各向异性也增强.
2015, 64 (2): 028402.
doi: 10.7498/aps.64.028402
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针对无线携能通信系统中存在能量获取不均衡的问题, 提出了一种基于能量获取比例公平的波束成形设计方案. 该方案在满足信息接收者的信干噪比以及发送端的最大发送功率等约束条件的基础上, 通过优化波束矢量实现能量获取的比例公平. 此设计在数学上是一个很难直接求解的非凸优化问题.为此, 本文首先利用半定松弛技术将其转换为半定规划问题, 然后结合二分法提出了可以获得最优波束矢量的迭代算法.此外, 在发送端仅知道部分信道状态信息且知道信道误差范围的情况下, 采用最差性能最优的方法对原优化问题进行了鲁棒波束成形设计, 并提出了相应的迭代算法. 仿真结果表明所提算法均可实现能量获取的比例公平且性能达到全局最优.
2015, 64 (2): 028501.
doi: 10.7498/aps.64.028501
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GaN基发光二极管(LED)中的残余应力状态对器件的性能和稳定性有很大影响. 通过使用三种不同的键合衬底(Al2O3衬底, CuW衬底和Si衬底)以及改变键合温度(290 ℃, 320 ℃, 350 ℃和380 ℃), 并且使用不同的激光能量密度(875, 945和1015 mJ·cm-2) 进行激光剥离, 制备了不同应力状态的GaN基LED器件. 对不同条件下GaN LED进行弯曲度、Raman 散射谱测试. 实验结果表明, 垂直结构LED中的残余应力的状态是键合衬底和键合金属共同作用的结果, 而键合温度影响着垂直结构LED中的残余应力的大小. 激光剥离过程中, 一定能量密度下激光剥离工艺一般不会对芯片中的残余应力造成影响, 但是如果该工艺对GaN 层造成了微裂缝, 则会在一定程度上起到释放残余应力的作用. 使用Si衬底键合后, 外延蓝宝石衬底翘曲变大, 对应制备的GaN基垂直结构 LED中的残余应力为张应力, 并且随着键合温度的上升而变大; 而Al2O3和CuW衬底制备的LED中的残余应力为压应力, 但使用Al2O3衬底键合制备的LED中压应力随键合温度上升而一定程度变大, CuW 衬底制备的LED中压应力随键合温度上升而下降.
2015, 64 (2): 028701.
doi: 10.7498/aps.64.028701
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基于单分子定位的荧光纳米分辨显微成像中, 系统漂移会使得单分子定位出现额外偏差, 从而使重构图像的分辨率降低, 造成图像模糊. 因此, 对系统漂移量的控制至关重要. 近年来, 防漂移的方法层出不穷. 本文针对其中一种利用光学测量原理和引入负反馈的防漂移方法做了系统的研究, 分析了其原理和实现过程, 对整个系统进行了误差分析, 通过实验标定了整个防漂移系统的精度. 该系统可以主动实时地校正漂移量, 实现了显微镜轴向9.93 nm的防漂移精度. 与现有商用的显微镜自带的防漂移装置相比, 防漂移精度提高了一个量级.
原子和分子物理学
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2015, 64 (2): 023201.
doi: 10.7498/aps.64.023201
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用连续窄线宽激光器将超冷铯里德堡原子分别激发到47D3/2, 47D5/2精细态, 观察了处于里德堡精细态的铯原子向超冷铯等离子体自由演化的过程, 详细对比了不同精细态的铯里德堡原子预电离时间、电离速率以及等离子体的转化效率. 将里德堡原子快速转化为等离子体的过程解释为局域势阱内由预电离产生的电子与里德堡原子的快速碰撞导致的雪崩电离.
