物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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利用Sagnac干涉仪实现光子轨道角动量分束器
付栋之, 贾俊亮, 周英男, 陈东旭, 高宏, 李福利, 张沛
物理学报. 2015, 64 (13): 130704
243 nm稳频窄线宽半导体激光器
侯磊, 韩海年, 张龙, 张金伟, 李德华, 魏志义
物理学报. 2015, 64 (13): 134205
半导体量子点在白光LED器件上的应用研究
高小钦, 卓宁泽, 王海波, 崔一平, 张家雨
物理学报. 2015, 64 (13): 137801
物理学报  
   物理学报--2015, 64 (13)   发布日期: 2015-07-05
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总论

科赫分形基底上受限固-固模型动力学标度行为的数值研究
Numerical investigations of dynamic behaviors of the restricted solid-on-solid model for Koch fractal substrates

杨毅, 唐刚, 张哲, 寻之朋, 宋丽建, 韩奎
物理学报. 2015, 64 (13): 130501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.130501
全文: [PDF 475 KB] 下载:(306)
摘要
为分析基底结构对离散生长模型动力学性质的影响, 本文在随机游走指数十分接近而分形维数和谱维数均不相同的科赫格子和科赫曲线分形基底上对受限固-固(restricted solid-on-solid)模型的生长过程进行数值模拟研究. 通过分析表面宽度和饱和表面极值高度的统计行为发现: 随机游走的动力学指数能够对饱和粗化表面的动力学行为起主要贡献. 尽管分形基底具有不同的分形维数和谱维数, 但是在两种分形基底上得到了在误差范围内相同的粗造度指数. 两种分形基底上饱和表面相对生长高度极大(小)值分布分别可以很好的塌缩在一起, 且很好的满足Asym2Sig函数分布.

基于对偶数理论的资料同化新方法
A new data assimilation method based on dual-number theory

曹小群, 皇群博, 刘柏年, 朱孟斌, 余意
物理学报. 2015, 64 (13): 130502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.130502
全文: [PDF 560 KB] 下载:(292)
摘要
针对变分资料同化中目标泛函梯度计算精度不高且复杂等问题, 提出了一种基于对偶数理论的资料同化新方法, 主要优点是: 能避免复杂的伴随模式开发及其逆向积分, 只需在对偶数空间通过正向积分就能同时计算出目标泛函和梯度向量的值. 首先利用对偶数理论把梯度分析过程转换为对偶数空间中目标泛函计算过程, 简单、高效和高精度地获得梯度向量值; 其次结合典型的最优化方法, 给出了非线性物理系统资料同化问题的新求解算法; 最后对Lorenz 63混沌系统、包含开关的不可微物理模型和抛物型偏微分方程分别进行了资料同化数值实验, 结果表明: 新方法能有效和准确地估计出预报模式的初始条件或物理参数值.

两级式光伏并网逆变器建模与非线性动力学行为研究
Numerical modeling and research on nonlinear dynamic behaviors of two-stage photovoltaic grid-connected inverter

廖志贤, 罗晓曙, 黄国现
物理学报. 2015, 64 (13): 130503      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.130503
全文: [PDF 801 KB] 下载:(340)
摘要
本文首先建立了两级式光伏并网逆变器严格的分段光滑状态方程, 分析级联情况下光伏阵列电压对光伏并网逆变器非线性动力学行为的影响, 然后探讨拓展两级式光伏并网逆变器输入电压范围的策略, 并研究前后级电路内部参数变化引起并网逆变器输出电流的快变尺度分岔和慢变尺度分岔现象. 研究发现: 若对光伏阵列电压进行分段控制, 可以有效展宽两级式光伏并网逆变器的输入电压范围; 适当增加前级输出电容值、电感量, 可以避免系统产生混沌运动, 而后级参数的取值需避开多个不连续的混沌区域. 研究结果对提高光伏发电系统的效率与稳定性有较重要的参考价值.

一种识别关联维数无标度区间的新方法
A novel method to identify the scaling region of correlation dimension

周双, 冯勇, 吴文渊
物理学报. 2015, 64 (13): 130504      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.130504
全文: [PDF 371 KB] 下载:(258)
摘要
在计算关联维数过程中, 为了减少人为因素识别无标度区间带来的误差, 提出一种基于模拟退火遗传模糊C均值聚类识别无标度区间的新方法. 该方法根据无标度区间对应曲线的二阶导数在零附近波动的变化特征, 利用分类算法进行识别. 首先对双对数关联积分的离散数据进行二阶差分; 然后利用模拟退火遗传模糊C均值聚类方法对该数据进行分类, 选出在零附近波动的数据; 再剔除粗大误差保留有效数据; 最后进行统计分析识别出线性度最好的作为无标度区间. 应用新方法对两个著名的混沌系统Lorenz 和Henon 进行了仿真, 计算结果与理论值非常符合. 实验表明, 所提出的新方法与主观识别、K-means和2-means方法比较, 可以有效自动识别无标度区间, 减少误差, 计算结果更加精确.

单模光腔中N个二能级原子系统的有限温度特性和相变
Finite-temperature properties of N two-level atoms in a single-mode optic cavity and phase transition

贾树芳, 梁九卿
物理学报. 2015, 64 (13): 130505      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.130505
全文: [PDF 369 KB] 下载:(160)
摘要
本文研究单模光场中N个二能级原子Dicke模型的有限温度特性和相变. 把原子赝自旋转换为双模费米算符, 用虚时路径积分方法推导出系统的配分函数, 对作用量变分求极值得到系统的热力学平衡方程, 及原子布居数期待值和平均光子数随原子-光场耦合强度变化的解析表达式. 重点研究了在量子涨落起主导作用的低温区, 由耦合强度变化产生的从正常相到超辐射相的相变, 指出该相变遵从Landau连续相变理论, 平均光子数可作为序参数, 零值表示正常相, 大于零则为超辐射相. 在零温极限下本文的结果和量子相变理论完全符合. 另外, 本文也讨论了系统的热力学性质, 比较有限温度相变和量子相变的异同. 发现, 在强耦合区低温稳定态的光子数和平均能量都和绝对零度的值趋于一致, 而超辐射相的熵则随耦合强度的增强迅速衰减为零.

锶玻色子的“魔术”波长光晶格装载实验研究
Experimental research on loading strontium bosons into the optical lattice operating at the “magic” wavelength

田晓, 王叶兵, 卢本全, 刘辉, 徐琴芳, 任洁, 尹默娟, 孔德欢, 常宏, 张首刚
物理学报. 2015, 64 (13): 130601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.130601
全文: [PDF 530 KB] 下载:(148)
摘要
光晶格中性原子光钟的不确定度已达到10-18量级. 本文介绍了碱土金属锶原子玻色子88Sr在“魔术”波长处的一维光晶格装载, 实现冷锶原子的囚禁并使锶原子的钟跃迁能级(5s2) 1S0-(5s5p) 3P0在此波长处的交流斯塔克光频移一致. 实验中半导体激光器产生“魔术”光波长(813 nm), 通过实验搭建光学驻波场并获得晶格激光聚焦光束, 束腰半径为38 μm. 经过一级冷却和二级冷却后温度约为2 μK的冷锶原子被此“魔术”波长光晶格囚禁. 通过实验测量得到锶原子玻色子88Sr光晶格寿命为270 ms, 数目约为1.2×105, 温度在3.5 μK左右, 此外研究了晶格光功率对晶格囚禁原子数目及温度的影响作用. 原子的光晶格装载为后续的钟跃迁提供了长的探测时间, 为进一步的光钟闭环提供了实验基础.

基于电学调制相消法和高功率蓝光LD的离轴石英增强光声光谱NO2传感器设计和优化
Design and optimization of off-beam NO2 QEPAS sensor by use of E-MOCAM with a high power blue laser diode

尹旭坤, 郑华丹, 董磊, 武红鹏, 刘小利, 马维光, 张雷, 尹王保, 贾锁堂
物理学报. 2015, 64 (13): 130701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.130701
全文: [PDF 515 KB] 下载:(158)
摘要

使用中心波长为450 nm的高功率多模蓝光激光管(LD)作为激励光源, 结合电学调制相消法和离轴石英增强光声光谱(QEPAS)配置, 设计了一款高灵敏二氧化氮传感器. 电学调制相消法使离轴QEPAS传感器的背景噪声降低至1/269, 在标准大气压和1 s积分时间下, 获得的探测灵敏度为4.5 ppb, 对应的归一化噪声等效吸收系数(1σ )为2.2×10-8 cm-1·W/Hz1/2. 延长积分时间到46 s, 灵敏度能够进一步下降到0.34 ppb. 气体流速对该传感器的影响也被研究.

交替寻优生成元素幅值结合混沌随机相位构造循环测量矩阵
Constructing circulant measurement matrix through alternating optimizing amplitudes together with chaotic stochastic phases of the matrix generating elements

郭静波, 汪韧
物理学报. 2015, 64 (13): 130702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.130702
全文: [PDF 810 KB] 下载:(143)
摘要
循环矩阵由于其对应离散卷积且具有快速算法被广泛应用于压缩测量矩阵. 本文从循环测量矩阵生成元素的幅值和相位两个方面探索循环测量矩阵的优化构造, 提出交替寻优生成元素的幅值并结合混沌随机相位实现循环测量矩阵的最优构造. 由一维和二维信号循环测量矩阵的不同表示形式出发, 将等价字典列向量之间互相干系数的Welch界作为逼近目标, 推导出了一维和二维信号循环测量矩阵生成元素幅值优化的统一数学模型, 提出采用交替寻优方法求解生成元素幅值的最优解. 利用混沌序列构造循环测量矩阵生成元素的随机相位. 与已有的典型循环测量矩阵相比, 本文优化构造的循环测量矩阵所对应的等价字典列向量之间具有更低的互相干性, 这正是所构造的循环测量矩阵优越性的本质所在.

准直系统热光学效应对静态傅里叶变换红外光谱仪光谱复原的影响研究
Influence on the recovered spectrum caused by thermal optics effect of the collimation lens used in static Fourier transform infrared spectrometer

陈成, 梁静秋, 梁中翥, 吕金光, 秦余欣, 田超, 王维彪
物理学报. 2015, 64 (13): 130703      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.130703
全文: [PDF 719 KB] 下载:(138)
摘要
在以多级微反射镜为核心器件的静态傅里叶变换红外光谱仪中, 由于准直系统距离红外光源较近, 光源的热辐射会导致其局部温度升高, 从而引起材料折射率发生改变, 使得由准直系统出射的光束存在一定的发散角, 进而影响光谱仪系统复原光谱所能达到的分辨率水平. 本文研究了光谱仪系统正常工作状态下准直系统各区域的温度分布情况, 由此计算出了相应的离焦量. 通过计算准直光束发散角在光程差采样区域内的分布, 分析了由此引入的附加光程差对光谱复原的影响. 通过计算光谱结构误差随准直系统温度的变化, 得到了准直系统温度控制的合理范围. 最后, 对基于SiC光源的光谱仪进行了实验, 结果显示制冷光源复原光谱的光谱结构误差与非制冷光源的光谱结构误差相比有明显改善. 因此, 降低光源温度对减小准直系统热光学效应的影响是非常有效的. 本文的研究结果将为解决同类问题提供参考.

利用Sagnac干涉仪实现光子轨道角动量分束器 Hot!
Realisation of orbital angular momentum sorter of photons based on sagnac interferometer

付栋之, 贾俊亮, 周英男, 陈东旭, 高宏, 李福利, 张沛
物理学报. 2015, 64 (13): 130704      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.130704
全文: [PDF 430 KB] 下载:(349)
摘要

光子轨道角动量量子态具有高维和光学涡旋特性, 在经典和量子领域展示出了巨大的应用潜力, 目前对其的研究已成为物理学的一个热点. 本实验研究了利用Sagnac干涉仪干涉的方法将具有不同轨道角动量的光束无破坏地分离到不同的路径, 即实现光子轨道角动量分束器. 实验中利用此分束器验证了对几种不同轨道角动量态(包含叠加态)的分离, 得到了与理论预期相符的实验结果. 这种对轨道角动量态的区分的方法相比已有的其他区分方法具有较好的稳定性, 而且可用于区分叠加态, 也可以达到单光子水平, 最重要的是实现了不同的轨道角动量本征态无破坏的与路径比特耦合. 这种新方法对高密度通信、量子纠缠、量子保密通信、量子计算与量子信息等方面有着重要的意义.

基于O2-O2吸收的非相干宽带腔增强吸收光谱浓度反演方法研究
A concentration retrieval method for incoherent broadband cavity-enhanced absorption spectroscopy based on O2-O2 absorption

凌六一, 谢品华, 林攀攀, 黄友锐, 秦敏, 段俊, 胡仁志, 吴丰成
物理学报. 2015, 64 (13): 130705      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.130705
全文: [PDF 612 KB] 下载:(151)
摘要
针对传统非相干宽带腔增强吸收光谱浓度反演方法的定量结果易受镜片反射率标定误差的影响问题, 提出了一种基于测量大气O2-O2吸收的浓度反演方法. 该方法是将非相干宽带腔增强吸收光谱技术的光学增强腔等效成吸收光程不随波长变化的多次反射池, 首先根据测得的宽带腔增强大气吸收谱和参考谱计算出光学厚度, 并应用差分光学吸收光谱算法拟合修正后的气体吸收截面到光学厚度, 反演得到大气中O2-O2以及被测气体的柱浓度, 然后根据O2-O2在大气中的含量已知且相对稳定这一特性, 确定出等效多次反射池的吸收光程, 最后从被测气体的柱浓度中扣除吸收光程信息得到被测气体的浓度值. 以监测大气中NO2实验为例, 应用该方法在454-487 nm波段反演得到了大气NO2的浓度(1-30 ppbv范围内), 并将反演结果与传统浓度反演方法的结果进行了对比, 发现两者的不一致性在7%以内. 实验结果表明, 非相干宽带腔增强吸收光谱技术可以利用大气O2-O2的吸收来定量其他被测气体的浓度, 而且定量结果对镜片反射率的标定误差不敏感.
原子和分子物理学

Ar-H2(D2, T2)碰撞体系的振转相互作用势及散射截面的理论计算
Theoretical calculation of the vib-rotational interaction potential and the scattering cross section for the Ar-H2 (D2, T2) collision system

底马可, 沈光先, 赵云强, 曾若生, 汪荣凯
物理学报. 2015, 64 (13): 133101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.133101
全文: [PDF 962 KB] 下载:(217)
摘要

用量子力学从头算的耦合族CCSD(T)方法, 使用相关一致基组aug-cc-pV5Z并加3s3p2d1f1g高斯键函数计算了Ar原子与H2分子的振转相互作用和电荷分布, 采用Boys和Bernardi提出的均衡法消除了基组重叠误差(BSSE). 然后用Tang-Toennies势能函数拟合得到Ar-H2体系相互作用势的解析表达式. 在该相互作用势下, 用密耦方法计算了Ar原子入射能量为83 meV时, Ar-H2(D2, T2)碰撞体系的散射截面. 计算Ar-D2体系的微分截面与实验值比较符合很好. 计算结果及分析表明, 在长程吸引势的散射中, 色散能起主要作用; 在短程排斥势的散射中, 交换能起重要作用. 当碰撞参数在0.27 nm至0.47 nm的范围时, Ar-H2(D2, T2)碰撞体系的径向偶极发生两次转向.

改善Si3N4俘获层过擦现象的第一性原理研究
First-principles study on the minimization of over-erase phenomenon in Si3N4 trapping layer

代月花, 金波, 汪家余, 陈真, 李宁, 蒋先伟, 卢文娟, 李晓风
物理学报. 2015, 64 (13): 133102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.133102
全文: [PDF 789 KB] 下载:(181)
摘要
采用第一性原理方法对如何改善电荷俘获存储器的过擦现象进行了研究. 过擦是由于氮空位中Si原子对电荷的局域能力弱导致, 因此, 在Si3N4超胞中分别建立了以C, N, O替换氮空位中的Si原子的缺陷结构作为本文的研究模型. 分别计算了擦写之后体系的巴德电荷分布、相互作用能、态密度, 借以分析替位原子对过擦的影响. 巴德电荷分布的计算结果表明, Si3N4在O替位128号Si后的过擦现象被明显改善; C替位128号Si也可以改善过擦, 但由于C替位对电荷的局域作用变弱, 不利于电荷的存储实现; N替位128号Si则不能改善过擦; 而在162和196号Si位置, 三种原子的替换均无法改善过擦现象. 相互作用能的研究表明, 在128号Si位置, 三种原子都能够和氮空位形成团簇, 在体系中稳定存在. 特别地, O替位Si后, 体系中两缺陷的相互吸引作用最弱, 从而写入的电荷能够短暂的打破O团簇的稳定性, 实现电荷重构, 将电荷局域在O团簇周围. 此外, 态密度的分析结果表明O在128号Si位置能够在Si3N4禁带中引入深能级缺陷, 深能级局域电荷的能力强. 以上分析证明, O替位可以很好的改善Si3N4中的过擦现象. 本文的研究结果为电荷俘获存储器改善过擦提供了一种方法, 对提高器件的电荷保持特性和优化存储窗口具有指导意义.

碱金属原子的光激发与光电离
Photoexcitation and photoionization of alkali atoms

戚晓秋, 汪峰, 戴长建
物理学报. 2015, 64 (13): 133201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.133201
全文: [PDF 556 KB] 下载:(157)
摘要
本文研究了碱金属原子在三步激光脉冲作用下的光激发和光电离过程的动力学特性, 重点关注和比较了锂和铯原子的异同. 针对多种激发模式, 本文不但建立了其原子布居数在各个跃迁态的速率方程组, 还给出了各相关态的光激发和光电离过程的解析解. 通过精心设计并选择了特殊情况, 显著简化了解析解的数学表达式, 从而凸显和讨论了其物理内涵. 通过自行编程, 系统地计算和观察了各种激发模式对锂原子的光激发和光电离过程的可能影响, 研究和讨论了电离率随激光参数的变化规律. 在相同激发模式下, 比较和分析了采用两种不同激发路径所导致的各态原子布居率的变化, 凸显了改变原子参数所产生的作用. 探讨了锂和铯原子在类似的激发条件下在电离率方面的差别. 最后, 基于本文的研究结果, 本文指出了优化电离率的多种途径.

长程铯里德堡分子的势能曲线
Potentials of long-range cesium Rydberg molecule

韩小萱, 赵建明, 李昌勇, 贾锁堂
物理学报. 2015, 64 (13): 133202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.133202
全文: [PDF 408 KB] 下载:(139)
摘要
本文介绍了半经典近似下的低能电子-原子散射理论, 引入贋势描述里德堡电子与基态原子的相互作用, 数值计算了铯原子nS (n=30-60)里德堡态与6S基态原子形成的长程里德堡分子的势能曲线. 并对最外层势阱进行分析, 获得长程里德堡分子的势阱深度、平衡距离与主量子数n的关系. 为实验制备里德堡分子并进一步分析其性质提供理论依据. 里德堡分子对外界非常敏感, 可用于微弱信号的检测.

红外激光载波包络相位对氦原子的极紫外光(XUV)吸收谱的量子调控研究
Quantum control of the XUV photoabsorption spectrum of helium atoms via the carrier-envelope-phase of an infrared laser pulse

杨增强, 张力达
物理学报. 2015, 64 (13): 133203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.133203
全文: [PDF 661 KB] 下载:(213)
摘要
本文通过数值求解双电子含时薛定谔方程, 研究了利用红外(IR)超短超强激光的载波包络相位(CEP)对氦(He)原子的极紫外光(Extreme Ultra-Violet, XUV)吸收谱进行量子调控的可能性. 当XUV作用到He原子上时, 原子存在两个电离通道: 无明显电子关联的直接电离和带强烈电子关联的间接电离(即通过双激发态自发电离). 两个通道相互干涉可在XUV吸收谱中形成人们所熟知的Fano共振线型, 并且谱线的形状由两个通道间的比例决定. 通过引入另外一束IR激光, 我们发现, 原子的XUV吸收谱将发生明显改变, 即伴随着超短脉冲CEP的改变而 呈现出从Fano线型到Lorentz线型的周期性连续变化. 上述结果表明, 通过合理地控制超短脉冲的CEP可以有效地调控两个电离通道之间的量子干涉, 进而为探测和操控原子中的极端超快电子关联提供可能.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

部分相干径向偏振光束传输中相干性研究
Research on the coherence of partially coherent radially polarized beam during propagation

陈顺意, 丁攀峰, 蒲继雄
物理学报. 2015, 64 (13): 134201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.134201
全文: [PDF 680 KB] 下载:(170)
摘要
根据广义惠更斯理论及相干偏振统一理论, 研究部分相干径向偏振光束在自由空间中传输时, 不同参考点处复相干度随传输距离的变化规律. 研究表明, 部分相干径向偏振光束在自由空间中传输, 不同参考点处, 复相干度模值随距离的变化规律有所差别. 当参考点位于原点时, 随着传输距离增大, μxx模值及μxy模值分布形式不变, 分布范围增大; 当参考点位于x轴上时, μxx模值由单峰值向三峰两谷对称形式演化, μxy模值由单侧两峰向四峰四谷对称形式演化, 完成演化所需传输距离与参考点距离x轴中心的远近有关, 参考点距离x轴中心越近, 完成演化所需的传输距离越短; 当参考点位于y轴时, 随着距离增大, μxx模值分布形式不变, 分布范围增大, μxy模值由上侧两峰向四峰四谷对称形式演化, 演化所需传输距离与参考点距y轴中心远近有关, 参考点距y轴中心越近, 完成演化所需的传输距离越短; 当参考点位于其他位置时(非特殊位置), μxx模值及μxy 模值分布规律, 遵从各自参考点在x轴, y轴上的分布规律的结合即参考点位于其他位置时, μxx模值及μxy模值分别随距离变化逐渐演化成三峰结构、四峰结构.

基于指导滤波的图像盲复原算法
Guided filter-based blind image restoration method

李鑫楠, 黄贺艳, 贾小宁, 马驷良
物理学报. 2015, 64 (13): 134202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.134202
全文: [PDF 580 KB] 下载:(4222)
摘要
作为图像处理领域的重要分支和研究热点之一, 图像复原方法 的研究始终具有重要理论意义和广泛的应用价值, 图像盲复原一直以来都 是图像复原中比较困难的问题之一. 针对相机与所拍摄景物之间由于相对 位置移动而使所获得图像发生运动模糊的情况, 本文提出了一种基于指导滤波 的图像盲复原算法. 我们首先通过频域迭代算法对点扩散函数 进行估计. 然后, 由于指导滤波具有较好的保持图像边缘的特性, 我们应用基于指导滤波的图像非盲复原算法恢复目标图像. 对以上两步进行反复迭代, 直到获得最终的清晰图像. 为了验证本文所提算法的有效性, 给出了多组对比实验. 实验结果表明, 本文所提算法能够在有效地抑制噪声和振铃 效应的同时, 还能够更好的保持图像的边缘和纹理细节. 因此, 本文算法可以获得更高质量的复原图像.

相干布居数拍频信号与基态超精细子能级相干性关系的研究
Study on the relationship between coherent population beating signal and the coherence of ground-state hyperfine sublevels

赵晓娜, 庄煜昕, 汪中
物理学报. 2015, 64 (13): 134203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.134203
全文: [PDF 572 KB] 下载:(140)
摘要

相干布居数拍频(coherent population beating, CPB)现象, 产生于一个Λ型三能级原子系统中, 当双色相干激光场的频率差和两基态能级频率间隔近失谐的时候, 原子在激发态能级上的布居数会产生一个弛豫振荡, 且振荡频率等于失谐量. 当将此现象运用于原子标准频率的提取时, CPB频标的稳定度与CPB信号的幅度及信噪比直接相关. 本文理论推导了描述CPB 现象的表达式, 数值模拟并实验研究了87Rb基态超精细子能级的相干性对CPB信号的影响, 通过控制与基态子能级共振相干激光场的抽运时间来控制能级的相干程度, 观测不同相干程度对CPB信号质量的影响. 研究结果表明CPB信号振荡的幅度与基态子能级相干程度成正比关系. 要改善CPB信号信噪比、提高原子频标稳定度, 建立、提高和保持基态超精细能级的相干性是关键. 本文还讨论了CPB现象用于弱磁场测量及其他方面应用的可行性.

基于量子相干控制吸收的准Λ型四能级原子局域化研究
Study on atomic localization of Λ-type quasi-four level atoms based on absorption with quantum coherent control

张蕾, 戈燕, 张向阳
物理学报. 2015, 64 (13): 134204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.134204
全文: [PDF 643 KB] 下载:(121)
摘要
提出了一种基于量子相干控制吸收的对准Λ型四能级原子进行二维局域化方案. 利用密度矩阵微扰理论, 得到了确定原子空间位置信息的筛选函数解析表达式. 在缀饰态表象中, 分析了在相干控制场作用下原子初始状态对原子局域的影响. 数值模拟了控制场参量对原子局域化结果的影响. 研究发现原子局域化结果与初始时刻在控制场作用下原子在下能态的布局、下能级间产生的极化密切相关; 不管探测场与耦合场是否满足电磁感应透明配置条件, 通过改变控制场中的行波场的振幅和探测场的失谐量, 均可实现高精度原子局域化, 在亚波长范围内测量到原子的概率达到100%.

243 nm稳频窄线宽半导体激光器 Hot!
A narrow linewidth diode laser at 243 nm

侯磊, 韩海年, 张龙, 张金伟, 李德华, 魏志义
物理学报. 2015, 64 (13): 134205      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.134205
全文: [PDF 696 KB] 下载:(242)
摘要

243 nm是氢原子1S-2S能级跃迁光谱波长. 本文利用Pound-Drever-Hall稳频技术将972 nm光栅反馈外腔半导体激光稳定在一个高精细度低膨胀系数的超稳法布里-珀罗腔上, 通过锥形放大器放大和腔内两次共振增强倍频得到243 nm激光, 最终实现用于探测氢原子1S-2S双光子跃迁的243 nm窄线宽激光.

高速线性光采样用被动锁模光纤激光器重复频率优化
Repetition rate optimization of passively mode-locked fiber laser for high-speed linear optical sampling

彭汉, 刘彬, 付松年, 张敏明, 刘德明
物理学报. 2015, 64 (13): 134206      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.134206
全文: [PDF 879 KB] 下载:(130)
摘要
线性光采样是一种测量基于先进调制码型的高速光信号的有效手段, 而被动锁模光纤激光器是其实施所需的关键组件. 本文在介绍线性光采样工作原理的基础上, 首次分析得到被动锁模光纤激光器重复频率与待测信号光线宽的约束关系, 对于正交相移键控(QPSK)信号, 当信号光线宽与采样光脉冲重复频率的比值小于1.5×10-3 时, 高速信号的相位噪声对线性光采样带来的损伤可以忽略不计. 利用95.984 MHz重复频率的被动锁模光纤激光器对线宽为100 kHz速率为28 Gbaud的QPSK信号开展相关实验, 通过标准数字相干接收算法可以得到与传统高速示波器相同的星座图, 理论分析与实验结果完全符合. 这一研究结果有助于线性光采样用被动锁模光纤激光器的优化设计.

基于同步探测的脉冲钠导星聚焦非等晕性实验研究
Experimental research on focusing anisoplanatism of sodium guide star via synchronous pulse detection

陈天江, 周文超, 王锋, 黄德权, 鲁燕华, 张建柱
物理学报. 2015, 64 (13): 134207      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.134207
全文: [PDF 576 KB] 下载:(131)
摘要
本文提出在大气Greenwood时间常数内采用同步探测技术实现钠导星聚焦非等晕性测量, 开展了脉冲体制钠导星探测实验, 实现了对大气平流层顶端钠导星和同路径自然星可见光波段的哈特曼点阵的同步探测, 并获得钠导星回光单帧波面, 从波面一致性对比、Zernike系数比较、模拟成像校正等方面对实验结果进行较全面分析. 实验结果表明, 在当前实验条件下, 虽然脉冲钠导星的单帧哈特曼点阵的成像对比度较低, 制约了波面恢复精度, 但同步测量的两组波面始终能保持相似性, 其Zernike系数在前36阶一致性较好, 模拟结果表明钠导星探测波面有助于实现对自然星成像的有效校正, 扣除波面恢复误差后的聚焦非等晕性方差小于0.1 rad2, 十分接近理论结果.

基于高级统计能量分析的周期加筋板振动特性研究
Study of vibration propagation in periodic rib-stiffened plates using advanced statistical energy analysis

尹剑飞, 温激鸿, 肖勇, 温熙森
物理学报. 2015, 64 (13): 134301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.134301
全文: [PDF 579 KB] 下载:(174)
摘要
统计能量分析(statistical energy analysis, SEA)是复杂耦合系统中、高频动力学特性计算的有力工具. 本文以波传播理论和SEA的基本原理为基础, 研究周期加筋板中弯曲波传播特性. 分析了周期结构的频率带隙特性和加强筋对板上弯曲波的滤波特性对SEA计算结果的影响规律, 发现经典SEA由于忽视了加筋板中物理上不相邻子系统间存在的能量隧穿效应, 而导致响应预测结果产生最高近 40 dB的误差. 为了解决这一问题, 本文应用高级统计能量分析(advanced statistical energy analysis, ASEA)方法, 考虑能量在不相邻子系统间的传递、转移和转化的物理过程, 从而大幅提高子系统响应的预测精度, 将误差在大部分频段降低至小于5 dB. 设计了模拟简支边界条件的加筋板振动测试实验装置, 实验测试结果与有限元结果符合较好, 对理论模型进行了验证.

研究激光激发的声表面波与材料近表面缺陷的振荡效应
Research on the oscillation effect of near-surface metal defect based on laser-generated acoustic surface wave

曾伟, 王海涛, 田贵云, 胡国星, 汪文
物理学报. 2015, 64 (13): 134302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.134302
全文: [PDF 438 KB] 下载:(143)
摘要
根据激光激发声表面波的热弹运动方程及热传导方程, 采取有限元技术对方程进行求解, 得到声表面波传播波形图. 当声表面波经过近表面缺陷时, 声表面波与近表面缺陷之间产生一种振荡效应, 通过近表面缺陷的振荡波形幅值存在一个逐渐增加后又逐渐减小的过程. 当声表面波经过不同深度的近表面缺陷时, 振荡信号中心频率存在一定的变化规律. 数值仿真结果表明: 当近表面缺陷深度从0.1 mm到0.5 mm变化时, 振荡效应产生的振荡信号中心频率从0.4 MHz到0.76 MHz变化, 振荡信号中心频率与近表面缺陷深度呈近似线性关系, 这为近表面缺陷的定量检测提供了一种理论基础.

圆柱形分层五模材料声学隐身衣的理论与数值分析
Theoretical and numerical analysis of layered cylindrical pentamode acoustic cloak

张向东, 陈虹, 王磊, 赵志高, 赵爱国
物理学报. 2015, 64 (13): 134303      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.134303
全文: [PDF 416 KB] 下载:(271)
摘要
声学隐身衣物性参数分布的连续对制备造成了很大困难, 需要采用分层的方法进行近似. 研究分层对隐身衣性能的影响具有重要意义. 本文首先推导了圆柱形分层声学隐身衣散射声压场的理论解, 然后通过数值算例验证了理论推导的正确性, 最后针对层数、层厚分布对隐身衣性能的影响进行了计算研究. 结果表明, 选取恰当的层数和层厚分布可在不增加制备难度的同时改善隐身衣性能.

相对运动完整系统Appell方程Mei对称性的共形不变性与守恒量
Conformal invariance and conserved quantity of Mei symmetry for Appell equation in a holonomic system in relative motion

张芳, 张耀宇, 薛喜昌, 贾利群
物理学报. 2015, 64 (13): 134501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.134501
全文: [PDF 300 KB] 下载:(114)
摘要
研究相对运动完整系统Appell方程Mei对称性的共形不变性与守恒量. 引入无限小单参数变换群及其生成元向量, 给出相对运动完整系统Appell方程的Mei对称性和共形不变性的定义, 导出系统Mei对称性的共形不变性确定方程, 重点讨论系统共形不变性和Mei对称性的关系, 然后借助规范函数满足的结构方程导出系统Mei对称性导致的Mei守恒量表达式, 最后举例说明结果的应用.

二维晶格颗粒堆积中侧壁的压力分布与转向系数
Lateral pressure distribution and steering coefficient in two-dimensional lattice pile of granular material

杨林, 胡林, 张兴刚
物理学报. 2015, 64 (13): 134502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.134502
全文: [PDF 535 KB] 下载:(121)
摘要
颗粒物质是大量颗粒聚集在一起的软凝聚态物质, 其微观结构与宏观力学性质的联系非常复杂. 本文用实验的方法观测了二维竖直晶格堆积颗粒, 在竖直方向外加正压力作用下其侧壁的受力分布情况, 根据实验结果详细讨论和分析了颗粒体系中正压力的转向行为. 实验结果表明: 在缓慢压缩颗粒体系的过程中, 正压力的变化呈现非线性和线性两段不同的规律; 对于确定堆积结构的颗粒体系, 竖直方向施加的正压力通过颗粒力链转向, 且水平方向不同堆积高度处所受压力值不同, 中部的压力大于顶部和底部的压力; 转向系数k的饱和值随堆积角θ 的增大而减小. 对颗粒堆的几何结构与受力情况进行分析, 给出了转向系数与堆积角之间的数学表达式, 理论值与实验值符合较好.

振动颗粒混合物中的周期性分聚现象与能量耗散
Energy dissipation and periodic segregation of vibrated binary granular mixtures

何菲菲, 彭政, 颜细平, 蒋亦民
物理学报. 2015, 64 (13): 134503      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.134503
全文: [PDF 524 KB] 下载:(201)
摘要
在垂直振动的激励下, 铜和玻璃珠组成的二元颗粒混合样品存在依次出现分界清晰的三明治, 巴西果, 反巴西果三种分聚结构的周期循环变化现象, 其中出现三明治结构的时段最长(大于90%). 循环周期随振动台频率的增加而增大, 随加速度的增加而减小. 对三种分聚结构的样品能量耗散功率的测量显示, 在相同的振动条件下反巴西果结构的能耗功率最大, 巴西果结构的最小. 利用Hong的凝聚和渗透两机理相互竞争的观点, 并结合能耗功率的测量结果, 可定性解释这个周期性分聚现象.

多孔未极化Pb(Zr0.95Ti0.05)O3铁电陶瓷单轴压缩力学响应与相变
Mechanical properties and phase transformation of porous unpoled Pb(Zr0.95Ti0.05)O3 ferroelectric ceramics under uniaxial compression

蒋招绣, 辛铭之, 申海艇, 王永刚, 聂恒昌, 刘雨生
物理学报. 2015, 64 (13): 134601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.134601
全文: [PDF 2077 KB] 下载:(151)
摘要
通过添加造孔剂的方法制备了四种不同孔隙率未极化PZT95/5铁电陶瓷. 采用非接触式的数字散斑相关性分析(digital image correltation, DIC)全场应变光学测量技术, 对多孔未极化PZT95/5 铁电陶瓷开展了单轴压缩实验研究, 讨论了孔隙率对未极化PZT95/5铁电陶瓷的力学响应与畴变、相变行为的影响. 多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的单轴压缩应力-应变关系呈现出类似于泡沫或蜂窝材料的三阶段变形特征, 其变形机理主要归因于畴变和相变的共同作用, 与微孔洞塌缩过程无关. 多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的弹性模量、压缩强度都随着孔隙率的增加而明显降低, 而孔隙率对断裂应变的影响较小. 预制的微孔洞没有改善未极化PZT95/5铁电陶瓷材料的韧性, 这是因为单轴压缩下未极化PZT95/5铁电陶瓷的断裂机理是轴向劈裂破坏, 微孔洞对劈裂裂纹传播没有起到阻碍和分叉作用. 准静态单轴压缩下多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷畴变和相变开始的临界应力都随着孔隙率的增大而呈线性衰减, 但相变开始的临界体积应变却不依赖孔隙率.

低速湍流模拟的预处理技术研究
Study of precondition for simulating low-speed turbulence

陈勇, 郭隆德, 彭强, 陈志强, 刘卫红
物理学报. 2015, 64 (13): 134701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.134701
全文: [PDF 2390 KB] 下载:(17286)
摘要
本文开展低速湍流的预处理技术研究. 该预处理技术采用守恒型变量及主控方程与湍流方程相耦合的隐式求解方法, 并为确保迭代求解稳定性, 发展了合理的参考马赫数定义、双时间步无矩阵方法迭代求解形式以及湍流源项隐式处理方法等, 从而真正实现全速湍流软件平台统一形式. 在喷管、翼型和方柱等低速湍流数值模拟中, 本文方法正确刻画了流场结构特征, 计算与理论、实验等相关结果符合较好, 具有很强的迭代收敛性和结果精度.

微液滴振荡过程的光滑粒子动力学方法数值模拟
Numerical simulation on oscillation of micro-drops by means of smoothed particle hydrodynamics

马理强, 苏铁熊, 刘汉涛, 孟青
物理学报. 2015, 64 (13): 134702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.134702
全文: [PDF 677 KB] 下载:(495)
摘要
本文对传统的光滑粒子动力学方法进行了改进, 改进的光滑粒子动力学方法对传统粒子方法中的核梯度进行了修正, 采用了一种新型的核函数和离散格式, 应用改进的光滑粒子动力学方法对微液滴振荡过程进行了数值研究. 研究了不同纵横比和雷诺数(Re)下振荡阻尼与振荡的周期、振幅与Re数的关系. 研究表明: 对于纵横比λ≤ 4时的微液滴振荡过程, 其他参数恒定不变的前提下, Re数越大, 液滴形状变化越剧烈, 波的阻尼作用越弱, 液滴振荡周期变长; 在Re数一定的前提下, 随着液滴初始的纵横比的增大, 液滴振动的振幅增大, 液滴振荡的周期变长.

高速通道压裂裂缝的高导流能力分析及其影响因素研究
Theoretical analysis of high flow conductivity of a fracture induced in HiWay fracturing

严侠, 黄朝琴, 辛艳萍, 姚军, 李阳, 巩亮
物理学报. 2015, 64 (13): 134703      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.134703
全文: [PDF 660 KB] 下载:(7263)
摘要
高速通道压裂是近年在非常规致密油气资源开采中出现的新工艺, 已在世界范围内推广实施, 并取得了良好的增产效果. 该技术可使支撑剂在人工压裂缝中形成簇团式分布, 从而形成油气高速流动通道, 提高裂缝的导流能力. 但目前对于高速通道压裂裂缝高导流能力的形成机理及其影响因素尚不清楚. 对此, 本文从流体力学理论出发, 首先将高速通道压裂裂缝内形成的支撑剂簇团视为渗流区域, 簇团间的大通道视为自由流动区域; 然后基于Darcy-Brinkman方程建立了裂缝内的流动数学模型, 采用均匀化理论对该流动数学模型进行了尺度升级, 推导得到了高速通道压裂裂缝的渗透率, 揭示了其高导流能力的形成机理; 并以此为基础, 分析了不同支撑剂簇团形状、大小以及分布方式等因素对其导流能力的影响, 可为高速通道压裂工艺参数设计与优化提供基础.

液滴撞击加热壁面传热实验研究
Experimental study of heat transfer from droplet impact on a heated surface

沈胜强, 张洁珊, 梁刚涛
物理学报. 2015, 64 (13): 134704      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.134704
全文: [PDF 424 KB] 下载:(240)
摘要

本文采用高速摄像仪对水滴和乙醇液滴撞击加热壁面后的蒸发过程进行了实验观测, 分析了液滴撞击加热壁面后的蒸发特性参数. 实验中, 两种液体初始温度均为20 ℃, 不锈钢壁面初始温度范围为68-126℃. 水滴初始直径为2.07 mm, 撞击壁面时Weber 数为2-44; 乙醇液滴初始直径为1.64 mm, Weber数为3-88. 结果表明, 液滴受到重力、表面张力及流动性的影响, 在蒸发过程的大部分时间内, 水滴高度持续降低而接触直径几乎不变; 蒸发后期, 液滴发生回缩, 水滴的接触直径、高度和接触角出现振荡现象. 乙醇液滴的接触角随时间的增加呈现先减小随后保持不变的趋势, 而接触直径和高度则持续减小, 直到液滴完全蒸发. 液滴蒸发总时长与液体物性和壁面温度有关, 随壁面温度的升高而减小, 与液滴撞击壁面时的Weber 数无关. 同时, 随着壁面温度的升高, 液滴显热部分占总换热量的比重增大, 显热部分能量不可忽略, 本文实验条件下得到水滴的平均热流密度为0.014-0.110 W·mm-2.

自驱动Janus微球近壁运动特性实验与数值模拟研究
Experiment and numerical study on the characteristics of self-propellant Janus microspheres near the wall

崔海航, 谭晓君, 张鸿雁, 陈力
物理学报. 2015, 64 (13): 134705      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.134705
全文: [PDF 527 KB] 下载:(200)
摘要
自驱动Janus微球是形状规则但表面构成不同的特殊活性颗粒. 针对微米级Pt-SiO2型Janus 微球近壁面自驱动现象, 实验测得了微球的自驱动速度VJanus, 并观察到微球运动过程中与垂直方向存在一偏转仰角ψ, 且ψ角随H2O2溶液浓度的增大呈减小趋势. 在此基础上, 建立自驱动Janus微球的数值模型, 通过模拟得到了微球在不同浓度H2O2溶液中的偏转仰角ψ及距底面的高度δ, 模拟与实验一致. 利用这些数据进一步讨论了壁面效应对微球旋转特征时间τR的影响. 这一工作对于理解Janus 微球的运动机理及发展相关应用具有重要意义.
凝聚物质:结构、力学和热学性质

基于分数阶流变模型的铁基块体非晶合金黏弹性行为研究
Investigation on the viscoelastic behavior of an Fe-base bulk amorphous alloys based on the fractional order rheological model

廖光开, 龙志林, 许福, 刘为, 张志洋, 杨妙
物理学报. 2015, 64 (13): 136101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.136101
全文: [PDF 749 KB] 下载:(167)
摘要
采用分数阶黏弹单元替代经典模型中的黏壶, 结合非晶合金在外加载荷作用下的微观结构演化, 建立了以分数阶微积分表示的非晶合金黏弹性本构模型. 并根据Hertz弹性理论及分数阶黏弹性本构模型, 推导了块体非晶合金在纳米压痕球形压头下的位移与载荷及时间关系式. 基于推导的解析式, 对铁基块体非晶合金在表观弹性区的纳米压痕位移与载荷及时间曲线进行了非线性拟合分析. 相较于整数阶模型, 分数阶模型不仅具有较高的拟合精度, 其拟合参数能敏锐地反应加载速率对块体非晶合金黏弹性行为的影响, 且参数的变化规律与载荷作用下非晶合金微观结构演化呈现出较强的相关性.

0.18 μm部分耗尽绝缘体上硅互补金属氧化物半导体电路单粒子瞬态特性研究
Single event transients in a 0.18 μm partially-depleted silicon-on-insulator complementary metal oxide semiconductor circuit

赵星, 梅博, 毕津顺, 郑中山, 高林春, 曾传滨, 罗家俊, 于芳, 韩郑生
物理学报. 2015, 64 (13): 136102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.136102
全文: [PDF 779 KB] 下载:(128)
摘要

利用脉冲激光入射技术研究100级0.18 μm部分耗尽绝缘体上硅互补金属氧化物半导体反相器链的单粒子瞬态效应, 分析了激光入射器件类型及入射位置对单粒子瞬态脉冲传输特性的影响. 实验结果表明, 单粒子瞬态脉冲在反相器链中的传输与激光入射位置有关, 当激光入射第100级到第2级的n型金属-氧化物-半导体器件, 得到的脉冲宽度从287.4 ps增加到427.5 ps; 当激光入射第99级到第1级的p型金属-氧化物-半导体器件, 得到的脉冲宽度从150.5 ps增加到295.9 ps. 激光入射点靠近输出则得到的瞬态波形窄; 靠近输入则得到的瞬态波形较宽, 单粒子瞬态脉冲随着反相器链的传输而展宽. 入射器件的类型对单粒子瞬态脉冲展宽无影响. 通过理论分析得到, 部分耗尽绝缘体上硅器件浮体效应导致的阈值电压迟滞是反相器链单粒子瞬态脉冲展宽的主要原因. 而示波器观察到的与预期结果幅值相反的正输出脉冲, 是输出节点电容充放电的结果.

电子辐射环境中NPN输入双极运算放大器的辐射效应和退火特性
Radiation damage effect and post-annealing treatments of NPN-input bipolar operational amplifier in electron radiation environment

姜柯, 陆妩, 胡天乐, 王信, 郭旗, 何承发, 刘默涵, 李小龙
物理学报. 2015, 64 (13): 136103      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.136103
全文: [PDF 363 KB] 下载:(154)
摘要
本文对不同偏置下的NPN输入双极运算放大器LM108分别在1.8 MeV和1 MeV两种电子能量下、不同束流电子辐照环境中的损伤特性及变化规律进行了研究, 分析了不同偏置状态下其辐照敏感参数在辐照后三种温度 (室温, 100 ℃, 125 ℃) 下随时间变化的关系, 讨论了引起电参数失效的机理, 并且分析了器件在室温和高温的退火效应以讨论引起器件电参数失效的机理. 结果表明, 1.8 MeV和1 MeV 电子对运算放大器LM108主要产生电离损伤, 相同束流下1.8 MeV电子造成的损伤比1 MeV 电子更大, 相同能量下0.32 Gy(Si)/s束流电子产生的损伤大于1.53 Gy(Si)/s束流电子. 对于相同能量和束流的电子辐照, 器件零偏时的损伤大于正偏时的损伤. 器件辐照后的退火行为都与温度有较大的依赖关系, 而这种关系与辐照感生的界面态密度增长直接相关.

基于1/f噪声的NPN晶体管辐照感生电荷的定量分离
Quantitative separation of radiation induced charges for NPN bipolar junction transistors based on 1/f noise model

赵启凤, 庄奕琪, 包军林, 胡为
物理学报. 2015, 64 (13): 136104      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.136104
全文: [PDF 407 KB] 下载:(103)
摘要

本文针对NPN双极性晶体管, 在研究辐照感生的氧化层电荷及界面态对晶体管基极电流和1/f噪声的影响的基础上, 建立辐照感生氧化层电荷及界面态与基极电流和1/f噪声的定量物理模型. 根据所建立的模型, 提出一种新的分离方法, 利用1/f噪声和表面电流求出氧化层电荷密度, 利用所求得氧化层电荷密度和表面电流求出界面态密度. 利用本方法初步实现了辐照感生氧化层电荷及界面态的定量计算.

170keV质子辐照对多壁碳纳米管薄膜微观结构与导电性能的影响
Effect of 170 keV proton irradiation on structure and electrical conductivity of multi-walled carbon nanotubes film

杨剑群, 李兴冀, 马国亮, 刘超铭, 邹梦楠
物理学报. 2015, 64 (13): 136401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.136401
全文: [PDF 605 KB] 下载:(156)
摘要

碳纳米管具有优异的导电性, 是未来电子元器件的理想候选材料, 应用前景广阔. 针对碳纳米管在空间电子元器件的应用需求, 本文研究了170 keV质子辐照对多壁碳纳米管薄膜微观结构与导电性能的影响. 采用扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱仪(Raman)、X射线光电子能谱仪(XPS)及电子顺磁共振谱仪(EPR)对辐照前后碳纳米管试样的表面形貌和微观结构进行分析; 利用四探针测试仪对碳纳米管薄膜进行导电性能分析. SEM分析表明, 170 keV质子辐照条件下, 当辐照注量高于5×1015 p/cm2 (protons/cm2)时, 碳纳米管薄膜表面变得粗糙疏松, 纳米管发生明显弯曲、收缩及相互缠结现象. 目前, 质子辐照纳米管发生的收缩现象被首次发现. 基于Raman和XPS分析表明, 170 keV质子辐照后碳纳米管的有序结构得到改善, 且随辐照注量增加, 碳纳米管的有序结构改善明显. 结构的改善主要是由于170 keV质子辐照碳纳米管所产生的位移效应导致缺陷重组. EPR分析表明, 随着辐照注量的增加, 碳纳米管薄膜内的非局域化电子减少. 利用四探针测试分析表明, 碳纳米管薄膜的导电性能变差, 这是由于170 keV质子辐照导致碳纳米管薄膜中的电子特性及形态发生改变. 本文研究结果有助于利用质子辐照对碳纳米管膜结构和性能进行调整, 从而制备出抗辐射的纳米电子器件.

含随机裂纹网络孔隙材料渗透率的逾渗模型研究
Permeability of cracked porous solids through percolation approach

李乐, 李克非
物理学报. 2015, 64 (13): 136402      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.136402
全文: [PDF 756 KB] 下载:(165)
摘要

采用逾渗理论对含随机裂纹网络的孔隙材料渗透性进行研究. 开裂孔隙材料渗透率的影响因素包括裂纹网络的几何特征、孔隙材料本体渗透率以及裂纹开度, 本文使用连续区逾渗理论模型建立了渗透率的标度律. 对于裂纹网络的几何特征, 本文基于连续区逾渗理论并考虑裂纹网络的分形特征提出了有限区域内二维随机裂纹网络的连通度定义; 对随机裂纹网络的几何分析表明, 随机裂纹局部团簇效应会降低裂纹网络的整体连通性, 随机裂纹网络的标度指数并非经典逾渗理论给出的固定值, 而是随着网络的分形维数的减小而增大. 本文在网络连通度和主裂纹团的曲折度的基础上, 提出了开裂孔隙材料渗透率标度律的解析表达, K=K0(Km,b)(ρ-ρc)μ, 分别考虑了裂纹网络的几何逾渗特征 (ρ-ρc)μ、孔隙材料渗透率Km 以及裂纹开度比b; 对有限区域含有随机裂纹网络的孔隙材料渗透过程的有限元模拟表明, K0 在裂纹逾渗阈值附近与b呈指数关系, 但当裂纹的局部渗透率与Km比值高于106 后, 开度比b对渗透率不再有影响.

多重分形降趋波动分析法和移动平均法的分形谱算法对比分析
A comparative study of multifractal detrended fluctuation analysis and multifractal detrended moving average algorithm to estimate the multifractal spectrum

奚彩萍, 张淑宁, 熊刚, 赵惠昌
物理学报. 2015, 64 (13): 136403      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.136403
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摘要
多重分形降趋波动分析法(MFDFA)和多重分形降趋移动平均法(MFDMA)是用来估算一维随机分形信号多重分形谱的两种算法, 已被拓展应用于二维和高维分形信号的分析. 本文简要介绍了MFDFA和MFDMA算法及其在一维时间序列中的应用. 首次系统地从算法模型、计算统计精度、样本量的敏感性、无标度区选取的敏感性、矩选择的敏感性和计算量这六个方面对两种算法进行了对比分析, 以典型多重分形信号BMC信号为例, 分析两种算法的适用性和优劣性. 为实际应用中, 针对具体信号如何选用MFDFA或MFDMA算法, 以及两种算法的参数设置提供了有价值的参考.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

一个非晶InGaZnO薄膜晶体管线性区陷阱态的提取方法
A technique for extracting the density of states of the linear region in an amorphous InGaZnO thin film transistor

徐飘荣, 强蕾, 姚若河
物理学报. 2015, 64 (13): 137101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.137101
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摘要
非晶InGaZnO(a-IGZO)薄膜在制备过程中形成的缺陷和弱键以陷阱态的形式非均匀分布在a-IGZO的带隙中, 这些陷阱态会俘获栅压诱导的电荷, 影响a-IGZO薄膜晶体管线性区迁移率、沟道电子浓度等, 进而影响线性区的电学性能. 本文基于线性区沟道迁移率与沟道内的自由电荷与总电荷的比值成正比, 分离出自由电荷以及陷阱态电荷. 由转移特性和电容电压特性得到自由电荷以及陷阱态电荷对表面势的微分, 分离出自由电子浓度和陷阱态浓度. 通过对沟道层与栅绝缘层界面运用泊松方程以及高斯定理, 考虑了沟道表面势与栅压的非均匀性关系, 得出自由电子浓度以及陷阱态浓度与表面势的关系, 最后通过陷阱态浓度与表面势求导得到线性区对应的态密度.

银纳米颗粒/多孔硅复合材料的制备与气敏性能研究
Preparation and gas-sensing properties of the silver nanoparticles/porous silicon composite

严达利, 李申予, 刘士余, 竺云
物理学报. 2015, 64 (13): 137102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.137102
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摘要
采用双槽电化学腐蚀法以电阻率为10-15 Ω·cm的p型<100>晶向的单晶硅片制备了孔径约为1.5 μm, 孔深约为15-20 μm的p型多孔硅, 并以此多孔硅作为基底采用无电沉积法通过调控沉积时间在其表面沉积了不同厚度的银纳米颗粒薄膜. 采用扫描电子显微镜和X 射线衍射仪表征了银纳米颗粒/多孔硅复合材料的形貌和微观结构, 结果表明银纳米颗粒较均匀的分布于多孔硅的表面上且沉积时间对产物的形貌有重要影响. 采用静态配气法在室温下研究了银纳米颗粒/多孔硅复合材料对NH3的气敏性能. 气敏测试结果表明沉积时间对产物的气敏性能影响较大. 当沉积时间较短时, 适量银纳米颗粒掺杂的多孔硅复合材料由于其较高的比表面积以及特殊的形貌和结构, 对NH3气体表现出较高的灵敏度、优良的响应/恢复性能. 室温下, 其对50 ppm 的NH3气体的气敏灵敏度可以达到5.8左右.

温度和应变速率耦合作用下纳米晶Ni压缩行为研究
Compressive behavior of nanocrystalline nickel at various temperatures and strain rates

杨剑群, 马国亮, 李兴冀, 刘超铭, 刘海
物理学报. 2015, 64 (13): 137103      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.137103
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摘要

本文利用低温力学测试系统研究了电化学沉积纳米晶Ni在不同温度和宽应变速率条件下的压缩行为. 借助应变速率敏感指数、激活体积、扫描电子显微镜及高分辨透射电子显微镜方法, 对纳米晶Ni的压缩塑性变形机理进行了表征. 研究表明, 在较低温度条件下, 纳米晶Ni的塑性变形主要是由晶界位错协调变形主导, 晶界本征位错引出后无阻碍的在晶粒内无位错区运动, 直至在相对晶界发生类似切割林位错行为. 并且, 在协调塑性变形时引出位错的残留位错能够增加应变相容性和减小应力集中; 在室温条件下, 纳米晶Ni的塑性变形机理主要是晶界-位错协调变形与晶粒滑移/旋转共同主导. 利用晶界位错协调变形机理和残留位错运动与温度及缺陷的相关性揭示了纳米晶Ni在不同温度、不同应变速率条件下力学压缩性能差异的内在原因.

铁磁/重金属双层薄膜结构中磁性状态的稳定性分析
Stability of magnetization states in a ferromagnet/heavy metal bilayer structure

王日兴, 贺鹏斌, 肖运昌, 李建英
物理学报. 2015, 64 (13): 137201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.137201
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摘要
本文在理论上研究了铁磁/重金属双层薄膜结构中自旋霍尔效应自旋矩驱动的磁动力学. 通过线性稳定性分析, 获得了以电流和磁场为控制参数的磁性状态相图. 发现通过调节电流密度和外磁场, 可以获得不同的磁性状态, 例如: 平面内的进动态、平面内的稳定态以及双稳态. 当外磁场的方向在一定的范围时, 通过调节电流密度可以实现磁矩的翻转和进动. 同时, 通过数值求解微分方程, 给出了这些磁性状态磁矩的演化轨迹.

金属离子掺杂对CuO基纳米复合材料的交换偏置调控
Exchange bias tuning of metal ions doped in CuO nanocomposites

刘奎立, 周思华, 陈松岭
物理学报. 2015, 64 (13): 137501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.137501
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摘要
为了研究反铁磁基体中掺杂的金属离子对交换偏置效应的影响, 本文采用非均相沉淀法制备了纳米复合材料. X射线衍射图(XRD)和场发射扫描电子显微镜(SEM) 照片清晰表明CuO纳米复合样品具有统一的颗粒尺寸, 约为80 nm. 通过体系中掺杂磁性金属离子Ni和Fe, 实现了亚铁磁MFe2O4 (M=Cu, Ni)晶粒镶嵌在反铁磁(AFM) CuO 基体中. 在CuO基体中加入少量的Ni能改变两相交界面的磁无序从而生成类自旋玻璃相, 相应提高对铁磁相磁矩的钉扎作用. 同时, 场冷过程中反铁磁相内形成磁畴, 冻结在原始状态或磁场方向上, 畴壁也起到钉扎铁磁自旋的作用, 进而提高交换偏置效应. 随后加入的Ni 会生成各向异性能较大的NiO, 也能够提高交换偏置场. 在带场冷却下, 所有样品均发生垂直交换偏置, 也证明了样品在场冷过程中形成了自旋玻璃相, 正是由于亚铁磁与自旋玻璃相界面上的磁交换耦合, 才导致回线在整个测量范围内发生了向上偏移. 零场冷却和场冷却(ZFC/FC)情况下磁化强度与温度变化曲线(M-T)说明在这些复合材料中的交换偏置效应是由于存在亚铁磁颗粒和类自旋玻璃相界面处的交换耦合作用. 研究发现随着持续掺杂Ni离子, 交换偏置场先缓慢增加后又急剧增加, 生成各向异性能高的反铁磁相NiO 和反铁磁相内的畴态组织是这一结果的原因.

基于电子顺磁共振的锌卟啉敏化TiO2光催化性机理的研究
Study on the photocatalytic mechanism of tio2 sensitized by zinc porphyrin

李佩欣, 冯铭扬, 吴彩平, 李少波, 侯磊田, 马嘉赛, 殷春浩
物理学报. 2015, 64 (13): 137601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.137601
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摘要
为了研究锌卟啉/TiO2复合光催化剂的光催化效率及电子转移问题, 本文采用溶胶凝胶法制备了锌卟啉/TiO2的混合光催化材料, 并利用紫外可见光谱、电子顺磁共振谱对锌卟啉/TiO2复合光催化剂进行了表征与分析. 采用溶胶凝胶法制备了锌卟啉-TiO2的混合光催化材料, 通过比较纯P25型TiO2和掺入质量比分别为0.2%, 0.5%, 0.9%锌卟啉敏化剂的锌卟啉/TiO2混合光催化材料的紫外可见光谱图可知, 加入适量锌卟啉敏化剂可提高TiO2对甲基橙溶液的降解效率, 过多的掺入锌卟啉敏化剂会导致TiO2表面被敏化剂覆盖, 从而影响了其对光子的吸收, 降低TiO2的光催化效率, 降低TiO2的光降解率, 甚至低于纯TiO2的光降解率. 应用电子顺磁共振技术对锌卟啉敏化TiO2光催化剂的光催化机理进行了合理的解释, 当使用紫外可见光源对粉末样品进行辐照时, 锌卟啉受光辐照产生的激发态电子促进具有强氧化性的Ti3+和超氧根自由基的生成, 从而有效的促进了光生空穴-电子对的分离, 提高了TiO2的光催化性能.

横磁模下介质表面二次电子倍增的抑制
Suppression of secondary electron multipactor on dielectric surface in TM mode

李爽, 常超, 王建国, 刘彦升, 朱梦, 郭乐田, 谢佳玲
物理学报. 2015, 64 (13): 137701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.137701
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摘要
在介质加载加速器结构(DLA)内, 提出采用刻槽结构结合外加磁场的方法用于在电磁场横磁(TM)模式下抑制介质表面的电子倍增. 通过理论分析和数值模拟, 比较了刻槽结构和纵向磁场对斜面上电子碰撞能量和渡越时间的影响, 得到了在介质表面同时存在法向RF电场及切向RF电场时, 采用刻槽结构并施加一定的纵向磁场强度, 可有效抑制二次电子倍增的发展, 提高介质面的击穿阈值.

半导体量子点在白光LED器件上的应用研究 Hot!
Application of semiconductor quantum dots to white-light-emitting diodes

高小钦, 卓宁泽, 王海波, 崔一平, 张家雨
物理学报. 2015, 64 (13): 137801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.137801
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摘要

以CdSe, CuInS2和CdS:Mn量子点为例, 本文基于量子点白光LED器件的电光转换过程, 引入量子点的“类”光谱光效率函数, 给出了该器件的色坐标、光效和量子点配比等计算公式, 理论计算结果和实验结果基本一致. 研究结果表明量子点的荧光峰位和峰宽对白光器件的显色指数有显著影响.

凝聚物质: 电子结构、电学、磁学和光学性质

银纳米颗粒/多孔硅复合材料的制备与气敏性能研究
Preparation and gas-sensing properties of the silver nanoparticles/porous silicon composite

严达利, 李申予, 刘士余, 竺云
物理学报. 2015, 64 (13): 137104      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.137104
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摘要

采用双槽电化学腐蚀法以电阻率为10-15 Ω·cm的p型<100>晶向的单晶硅片制备了孔径约为1.5 μm, 孔深约为15-20 μm的p型多孔硅, 并以此多孔硅作为基底采用无电沉积法通过调控沉积时间在其表面沉积了不同厚度的银纳米颗粒薄膜. 采用扫描电子显微镜和X 射线衍射仪表征了银纳米颗粒/多孔硅复合材料的形貌和微观结构, 结果表明银纳米颗粒较均匀的分布于多孔硅的表面上且沉积时间对产物的形貌有重要影响. 采用静态配气法在室温下研究了银纳米颗粒/多孔硅复合材料对NH3的气敏性能. 气敏测试结果表明沉积时间对产物的气敏性能影响较大. 当沉积时间较短时, 适量银纳米颗粒掺杂的多孔硅复合材料由于其较高的比表面积以及特殊的形貌和结构, 对NH3气体表现出较高的灵敏度、优良的响应/恢复性能. 室温下, 其对50 ppm 的NH3气体的气敏灵敏度可以达到5.8左右.

物理学交叉学科及有关科学技术领域

Ba5SiO4Cl6: Yb3+, Er3+, Li+荧光粉的制备及上转换发光性质研究
Preparation and upconversion luminescence properties of Ba5SiO4Cl6: Yb3+, Er3+, Li+ phosphors

杨健芝, 邱建备, 杨正文, 宋志国, 杨勇, 周大成
物理学报. 2015, 64 (13): 138101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.138101
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摘要

本文采用高温固相反应法制备了Ba5SiO4Cl6: Yb3+, Er3+, Li+ 荧光粉, 并对其上转换发光性质及其发光机理进行了研究. 在980 nm 激光的激发下, Ba5SiO4Cl6: Yb3+, Er3+ 荧光粉呈现较强的红色(662 nm) 和较弱的绿色(550 nm) 的上转换发光, 红色和绿色的上转换发光分别对应于Er3+ 离子的4S3/2/2H11/24I15/24F9/24I15/2 跃迁, 且随着掺杂的Er3+ 和Yb3+ 离子浓度增加, 样品的上转换发光强度增加, 这是因为Yb3+ 离子和Er3+ 离子之间的能量传递效率增加引起的. 在0.5—0.8 W 功率激发下,样品属于双光子发射, 而在0.9—1.2 W 功率激发下样品具有新的上转换发光机理——光子雪崩效应. 探讨了Li+ 掺杂对Ba5SiO4Cl6: Yb3+, Er3+ 样品的上转换发光性质的影响, Li+ 离子的掺杂引起Ba5SiO4Cl6:Yb3+, Er3+ 上转换发光强度增加, 这是由于Li+ 离子的掺入降低了晶体场的对称性引起的.

弯曲Cu纳米线相干X射线衍射图的计算
Calculation of coherent X-ray diffraction from bent Cu nanowires

高凤菊
物理学报. 2015, 64 (13): 138102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.138102
全文: [PDF 599 KB] 下载:(187)
摘要
本文提出了一种计算弯曲纳米线的相干X射线衍射图的方法, 即倒空间旋转法. 我们利用该方法计算了弯曲Cu纳米线的相干X射线衍射图, 并与常规方法的计算结果进行了比较. 发现利用倒空间旋转法计算所需的时间约为常规方法的1/(2N+1) (N为镜像盒子的个数). 另外, 倒空间旋转法可以拓展到其他纳米线的变形情况, 如拉伸(压缩)和扭转, 本文也对其作了相应的讨论.

力和扩散机理下外延形貌的演化分析
Analysis of epitaxial morphology evolution due to stress and diffusion

陈振飞, 冯露, 赵洋, 齐红蕊
物理学报. 2015, 64 (13): 138103      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.138103
全文: [PDF 740 KB] 下载:(204)
摘要
本文提出了一个新的基于扩散界面的相场模型来描述外延生长中岛的形核、生长及熟化过程. 该模型同时考虑了弹性场、表面能、沉积、扩散、解吸和能量势垒等热力学及动力学过程对表面纳米形貌的影响. 采用经典的BCF模型来描述生长中的扩散形核过程, 而采用一个新的包含弹性应变能的自由能函数, 通过变分得到一个描述多层岛生长的相场方程, 该方法可以有效地描述外延生长中复杂的外延形貌. 采用有限差分格式对非线性耦合方程组进行求解. 数值结果显示, 该模型可以真实地再现外延生长中多层岛结构(即山丘状形貌)的演化过程, 模拟结果与已有实验结果一致. 同时模拟了生长过程中随外延形貌演化而形成的复杂生长应力, 研究表明, 在生长过程中, 岛中存在着复杂的应力分布, 且在岛边界处应力达到局部最大, 这与实验结果定性一致. 此外, 本文的重要发现是, 外延生长中的应力演化明显地影响原子的扩散过程, 当应力存在时, 外延结构变化较无弹性场时变快. 该项研究对理解外延生长中各物理机理的协同作用有重要的指导意义.

脉冲偏压电弧离子镀Cr-O薄膜结构及光学性能研究
Structure and optical property of Cr-O films deposited by pulsed bias arc ion plating

刘海永, 张敏, 林国强, 韩克昌, 张林
物理学报. 2015, 64 (13): 138104      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.138104
全文: [PDF 605 KB] 下载:(137)
摘要
采用脉冲偏压电弧离子镀技术在单晶硅基片及石英玻璃上制备了一系列均匀透明的Cr-O薄膜. 用场发射扫描电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子谱、纳米压痕仪、紫外可见光分光光度计等方法对薄膜的表面形貌、膜厚、相结构、成分、元素的化学价态、硬度和光学性能等进行表征, 主要研究了偏压幅值对薄膜结构和性能的影响. 结果表明, 施加偏压可使薄膜的沉积质量明显提高, 其相结构由非晶态转变为晶体态, 并随着偏压幅值的增加, 由Cr2O3相向CrO相转变; 薄膜的硬度先增大后减小, 当偏压为-300 V时, 硬度达到最大值24.4 GPa; 薄膜具有良好的透光率, 最高可达72%; 当偏压为-200 V时, 薄膜的最大光学帯隙为1.88 eV.

基于对数解调的递变能量CT成像方法
CT imaging method with varying energy based on logarithm demodulation

陈平, 韩焱, 潘晋孝
物理学报. 2015, 64 (13): 138701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.138701
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摘要
复杂结构件由于有效厚度差异大和成像系统动态范围受限, 单一能量下的投影数据信息不完整, 常用CT重建算法及不完全数据重建算法无法在数据缺失严重的情况, 有效实现复杂结构件的CT重建. 为此论文提出基于对数解调的递变能量CT成像方法. 该方法在分析直接高动态CT成像所存在问题的基础上, 提出利用对数变换压缩递变能量投影序列动态范围, 并利用现有的基于图像灰度一致性的融合方法, 计算融合加权系数, 再经常规重建算法实现复杂构件的CT成像. 论文并以某复杂仪表为对象, 进行实验, 相比传统的固定能量成像方式, CT信息完整, 质量高. 从而说明论文所提出的方法, 能够实现CT系统动态范围的扩展, 实现复杂结构件的高动态CT成像.
地球物理学、天文学和天体物理学

蝎虎天体OJ287中等时标光变的周期特性研究
A study of the middle time-scale periodic behavior of light curve of BL Lac object OJ287

丁楠, 张皓晶, 张雄, 欧建文, 罗丹
物理学报. 2015, 64 (13): 139801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.139801
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摘要
收集了蝎虎天体OJ287光学B, V, R, I波段37年的观测数据, 获得了从1972年至2009年的光变曲线. 运用Lomb-Scargle傅里叶变换方法分析中等时标光变的周期性特性, 发现存在52.0±1.1 d与255±23 d的主要周期成分,并模拟了存在倍周期分岔的准周期信号, 与不同时段观测数据的相图和关联维数进行对比. 结果表明, OJ287具有多周期尺度特征, 不同时段准周期光变中谐波成分不同, 谐波成分的变化与次黑洞对主黑洞吸积流的扰动有关, 光变中的谐波成分可能是主黑洞吸积流受强扰动时分岔形成的.

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