物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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用于光频传递的通信波段窄线宽激光器研制及应用
焦东东, 高静, 刘杰, 邓雪, 许冠军, 陈玖朋, 董瑞芳, 刘涛, 张首刚
物理学报. 2015, 64 (19): 190601
阿基米德螺旋微纳结构中的表面等离激元聚焦
李嘉明, 唐鹏, 王佳见, 黄涛, 林峰, 方哲宇, 朱星
物理学报. 2015, 64 (19): 194201
二进制信号的混沌压缩测量与重构
郭静波, 李佳文
物理学报. 2015, 64 (19): 198401
物理学报  
   物理学报--2015, 64 (19)   发布日期: 2015-10-05
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综述

隔离段激波串流场特征的试验研究进展
Review of recent experimental studies of the shock train flow field in the isolator

易仕和, 陈植
物理学报. 2015, 64 (19): 199401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.199401
全文: [PDF 1819 KB] 下载:(316)
摘要

高超声速推进技术是国际前沿研究, 其中双模态超燃冲压发动机的发展受到极大关注. 作为超燃冲压发动机的重要部件, 隔离段对发动机的性能和高超声速飞行的实现至关重要, 其中所涉及的流动机理问题也极为复杂. 自从高超声速飞行的概念被提出和论证以来, 相关的理论、试验和仿真研究不断取得进展, 但是对其中的机理问题研究仍有待进一步深入. 本文将从试验研究的角度回顾并综述近年来超燃冲压发动机隔离段的研究进展, 结合精细流动测试技术(Nano-tracer Planar Laser Scattering, NPLS)的发展分析了隔离段流场特征, 包括了激波串流场复杂的三维时空结构特点、湍流特性、非线性迟滞运动、不启动流场特征以及激波前缘检测等. 从风洞设备、隔离段设计、测试技术等方面对隔离段的试验研究进行了分类比较和论述, 对今后隔离段试验研究提出了建议.

总论

一种新的复杂网络影响力最大化发现方法
A new approach for influence maximization in complex networks

胡庆成, 张勇, 许信辉, 邢春晓, 陈池, 陈信欢
物理学报. 2015, 64 (19): 190101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.190101
全文: [PDF 927 KB] 下载:(561)
摘要

复杂网络中影响力最大化建模与分析是社会网络分析的关键问题之一, 其研究在理论和现实应用中都有重大的意义. 在给定s值的前提下, 如何寻找发现s个最大影响范围的节点集, 这是个组合优化问题, Kempe等已经证明该问题是NP-hard问题. 目前已有的随机算法时间复杂度低, 但是结果最差; 其他贪心算法时间复杂度很高, 不能适用于大型社会网络中, 并且这些典型贪心算法必须以了解网络的全局信息为前提, 而获取整个庞大复杂且不断发展变化的社会网络结构是很难以做到的. 我们提出了一种新的影响力最大化算法模型RMDN, 及改进的模型算法RMDN++, 模型只需要知道随机选择的节点以及其邻居节点信息, 从而巧妙地回避了其他典型贪心算法中必须事先掌握整个网络全局信息的问题, 算法的时间复杂度仅为O(s log(n)); 然后, 我们利用IC模型和LT模型在4种不同的真实复杂网络数据集的实验显示, RMDN, RMDN++算法有着和现有典型算法相近的影响力传播效果, 且有时还略优, 同时在运行时间上则有显著的提高; 我们从理论上推导证明了方法的可行性. 本文所提出的模型算法适用性更广, 可操作性更强, 为这项具有挑战性研究提供了新的思路和方法.

对应负二项式光场的热真空态及其应用
Thermo-vacuum state in a negative binomial optical field and its application

万志龙, 范洪义
物理学报. 2015, 64 (19): 190301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.190301
全文: [PDF 258 KB] 下载:(144)
摘要

有限温度下的光场理论的核心是引入热真空态,它也是利用量子统计手段全面研究电磁场的基础.本文在Takahashi和Umezawa的热场动力学理论基础上, 首次采用有序算符内的积分方法对负二项式光场,ρs=γs+1(1-γ)n|n><n|寻找相应的热真空态. 发现该热真空态是基于在混沌光场所对应的热真空态上的虚模激发, 或取负二项式纯态的形式γs+1(1-γ)n|n+ñ>,其中代表虚模自由度. 对此热真空态求纯态平均可方便地得到负二项式光场的Wigner 函数和光子数涨落.

横场中非束缚类准周期伊辛链的赝临界点
Quantum pseudocritical point in the unbounded quasiperiodic transverse field Ising chain

张振俊, 李文娟, 朱璇, 熊烨, 童培庆
物理学报. 2015, 64 (19): 190501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.190501
全文: [PDF 328 KB] 下载:(163)
摘要

本文系统地研究了有限尺寸下非束缚类准周期量子伊辛链在横场中的赝临界点的行为. 首先, 通过计算平均磁矩和协作参量, 发现这两个量的导数随着横场的变化都会出现两个清晰的峰. 这与束缚类伊辛链和无序伊辛链的结果明显不同. 其次, 研究了横场中赝临界点的概率分布情况, 发现概率分布并不是高斯型的. 这也与无序的结果不同. 最后, 分析了赝临界点产生的原因, 发现赝临界点是由非束缚类准周期伊辛链中的集团结构造成的.

用于光频传递的通信波段窄线宽激光器研制及应用 Hot!
Development and application of communication band narrow linewidth lasers

焦东东, 高静, 刘杰, 邓雪, 许冠军, 陈玖朋, 董瑞芳, 刘涛, 张首刚
物理学报. 2015, 64 (19): 190601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.190601
全文: [PDF 754 KB] 下载:(239)
摘要

通信波段窄线宽激光器在基于光纤的光学频率传递中有着重要应用. 本文报道了1550 nm超窄线宽光纤激光器的研制及其在光学频率传递中的初步应用结果. 利用一台激光光源, 分别锁定到两个参考腔上(精细度分别为344000和296000), 锁定后经拍频比对测得单台激光线宽优于1.9 Hz, 秒级频率稳定度为1.7×10-14, 优于国内同类报道. 将研制的超窄线宽激光器用于光纤光学频率传递, 在50 km光纤盘上实现了 7.5×10-17/s的传递稳定度, 较采用商用光纤激光器提高了3.2倍.

磁梯度张量不变量的椭圆误差消除方法研究
Research on the asphericity error elimination of the invariant of magnetic gradient tensor

吕俊伟, 迟铖, 于振涛, 毕波, 宋庆善
物理学报. 2015, 64 (19): 190701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.190701
全文: [PDF 411 KB] 下载:(222)
摘要

基于磁梯度张量不变量定位方法, 可以实现对目标的单点实时定位, 且定位目标不限于静止目标, 这一方法目前得到了人们的广泛关注, 但该方法由于存在着椭圆系数导致目标定位误差较大的问题. 针对该问题, 提出了一种基于正六面体磁梯度张量测量系统的单点实时定位改进方法, 该方法通过消除原定位方法中不变量存在的椭圆系数, 从而克服椭圆误差对定位精度的影响. 具体做法是通过求解测量系统中正六面体的六个平面中心点处磁梯度张量的特征值, 并把这些特征值按照一定关系进行组合来消除椭圆系数, 来获得六个平面的新不变量, 再对这些新不变量求其梯度值, 根据这些梯度值对目标进行定位, 这样该定位方法可以有效的克服椭圆误差, 可对目标进行单点实时定位. 对改进定位方法进行了仿真实验分析, 结果表明改进方法可以实现目标的单点实时定位, 定位的平均相对误差较现有方法减少10.9%. 改进方法对所搭载平台的机动性要求较低, 其平台可做直线或曲线运动对目标实现单点实时定位.

基于激光诱导叶绿素荧光寿命成像技术的植物荧光特性研究
Study of plant fluorescence properties based on laser-induced chlorophyll fluorescence lifetime imaging technology

万文博, 华灯鑫, 乐静, 闫哲, 周春艳
物理学报. 2015, 64 (19): 190702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.190702
全文: [PDF 480 KB] 下载:(347)
摘要

针对植物荧光遥感探测中信号易受干扰的问题, 提出了一种用于评估植物生长状况及环境监测的荧光寿命成像技术. 采用凹透镜对355 nm波长的激光扩束, 再照射植物激发叶绿素荧光, 由增强型电荷耦合器件接收荧光信号. 采用时间分辨测量法, 连续用相同激光脉冲照射植物以激发相同的荧光信号, 同时不断改变激光脉冲触发探测器启动的延时时间, 从而能够得到完整的离散荧光信号分布图像. 对植物特定位置点产生的离散荧光信号进行拟合, 再运用一种改进型的迭代解卷积法可反演高精度的荧光寿命; 进而反演图像各点的荧光寿命以生成植物的荧光寿命分布图. 该方法所绘制的荧光寿命图比荧光强度图能更准确地反映植物内部的叶绿素含量, 并对活体植物叶绿素荧光寿命的物理特性进行了初步研究, 证明叶绿素荧光寿命与植物生理状态存在一定关联; 并且叶绿素荧光寿命与活体植物所处环境存在着复杂的关系. 未来将与生物物理学家们合作, 继续探寻叶绿素荧光寿命与植物生存环境的关系.

原子和分子物理学

In2O3晶体电子结构和光吸收机理研究
Study on the electronic structures and the optical absorption mechanism of In2O3 crystals

刘检, 刘廷禹, 李海心, 刘凤明
物理学报. 2015, 64 (19): 193101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.193101
全文: [PDF 462 KB] 下载:(228)
摘要

为了得到准确的In2O3晶体电子结构, 本文分别采用GGA, GGA+U, HSE06的方法计算了电子结构, 并进行了G0W0修正, 通过比较计算结果, 得到HSE06+G0W0方法计算得到的禁带宽带最接近实验结果. 在此基础上使用Hedin的G0W0近似方法和Bethe-Salpeter方程计算得到了In2O3晶体的光学性质, 计算结果与实验结果吻合很好, 在此基础上通过对准粒子能带结构、光学跃迁矩阵和光学吸收谱的分析, 给出了In2O3晶体的光学跃迁机理.

He-He-Ba三原子体系弱束缚态计算
Calculations of the binding energies of weakly bound He-He-Ba molecules

勾庆东, 李勇
物理学报. 2015, 64 (19): 193102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.193102
全文: [PDF 700 KB] 下载:(131)
摘要

本文利用含有绝热近似的超球坐标方法计算了碱土金属原子Ba和氦原子组成的弱束缚三原子分子体系He2Ba的基态性质. 系统地研究了该系统的道函数和超球势曲线特征, 进而得到体系的束缚能. 研究结果显示, 138Ba 与4He, 3He 的各种组合4He-4He-138Ba, 4He-3He-138Ba和3He-3He-138Ba都分别只有一个束缚态.

空间非均匀啁啾双色场驱动下氦离子的高次谐波以及孤立阿秒脉冲的产生
High-order harmonics and attosecond pulse generation of a He+ ion by a chirped two-color inhomogeneous laser field

罗香怡, 贲帅, 葛鑫磊, 王群, 郭静, 刘学深
物理学报. 2015, 64 (19): 193201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.193201
全文: [PDF 619 KB] 下载:(203)
摘要

本文理论上研究了初态为基态与第一激发态等权叠加的一维氦离子在空间非均匀啁啾双色场驱动下氦离子的高次谐波发射及孤立阿秒脉冲的产生. 研究表明, 一维氦离子在空间非均匀啁啾双色场驱动下发射的高次谐波相对于均匀场情况截止位置得到明显扩展, 得到了光滑的超连续谱,并应用半经典三步模型解释了高次谐波发射的物理机理. 通过小波变换的方法对连续谱进行了时频分析, 并且与电子的经典运动轨迹进行了对比分析, 结果显示在空间非均匀场中长量子轨道消失, 短量子轨道加强. 讨论了空间非均匀啁啾双色场中时间延迟对谐波和孤立阿秒脉冲产生的影响, 发现适当调整时间延迟值可以得到较大延展的光滑的超连续谐波谱, 本方案中时间延迟为t0=1.6πup/ω1时得到了最大延展, 通过对谐波中600次到680次(80次)谐波合成得到32 as的孤立脉冲.

电场诱导(MgO)12储氢的从头计算研究
The electric field effect on the hydrogen storage of (MgO)12 by ab intio calculations

尹跃洪, 陈宏善, 宋燕
物理学报. 2015, 64 (19): 193601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.193601
全文: [PDF 513 KB] 下载:(250)
摘要

管状(MgO)12是(MgO)n的幻数团簇, 非常稳定. 为研究电场对其储氢性能的影响, 本文在B3LYP/6-31G**水平上研究了电场中H2在(MgO)12管状结构上的吸附性质. 结果表明 (MgO)12能承受强电场而保持管状结构并被极化, 其偶极矩增大为场强0.01 a.u. 和0.02 a.u.时的9.21和19.39 deb (1 deb=3.33564×10-30C·m). H2能稳定吸附在单个Mg/O原子上. 无电场时H2在Mg上为侧位吸附, 而在O上为端位吸附; 电场中, H2在Mg和O上均为端位吸附, 且其分子取向沿外电场方向. 由于(MgO)12 及H2均被电场极化, 因此H2在(MgO)12部分位置上的吸附强度显著提高. H2在3配位的Mg/O上的吸附能由无电场时0.08/0.06 eV分别提高到场强为0.01 a.u.和0.02 a.u.时的0.12/0.11 eV 和0.20/0.26 eV. 电子结构分析表明H2吸附在Mg原子上时, 向团簇转移电荷, 电场极化效应是其吸附能较无电场时增大的主要原因. 吸附在O原子上时, 一方面由于O阴离子极化效应更强; 另一方面, H2从(MgO)12得到电荷, 其价轨道与团簇价轨道重叠形成化学键, 因此电场效应更显著. 电场中(MgO)12最多能吸附16个H2, 相应的质量密度为6.25 wt%.

电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

电力线谐波辐射在分层各向异性电离层中的传播特点
Propagation characteristics of power line harmonic radiation into the stratified anisotropic ionosphere

吴静, 周志为, 闫旭
物理学报. 2015, 64 (19): 194101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.194101
全文: [PDF 424 KB] 下载:(117)
摘要

电力线谐波辐射特指在电离层或磁层中观测到的来源于地面电力系统输电线的电磁波辐射, 其在电磁场时频功率谱中表现为400 Hz至5 kHz范围内, 频率间隔为50/100 Hz或60/120 Hz 的平行谱线, 已成为近地空间环境的一种人为污染源. 对于该现象的形成机理尚缺乏定量研究. 本文研究了非理想导电大地上方由电偶极子源产生的电磁场在分层各向异性电离层中的传播模型, 提出了一种新的求解方法, 有效解决了编程计算中的数值溢出问题, 并利用已有解析解对所提方法进行了验证. 在此基础上, 利用实际电力线、大地、电离层的相关参数, 研究了偶极子源频率、电离层下边界高度、大地电导率、地磁场方向等对电力线谐波辐射在电离层中的传播的影响. 结果表明, 频率等于地-电离层波导导波模截止频率时透入电离层的电力线谐波辐射强度更大; 谐波电流一定时, 大地电导率小的地区, 电力线谐波辐射的功率更大; 电力线谐波辐射在电离层中沿地磁场方向传播. 本文所得结果有益于阐释电力线谐波辐射现象的形成机理.

阿基米德螺旋微纳结构中的表面等离激元聚焦 Hot!
Focusing surface plasmon polaritons in archimedes' spiral nanostructure

李嘉明, 唐鹏, 王佳见, 黄涛, 林峰, 方哲宇, 朱星
物理学报. 2015, 64 (19): 194201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.194201
全文: [PDF 925 KB] 下载:(266)
摘要

研究光在微纳结构中的分布与传播, 实现在纳米范围内操纵光子, 对于微型光学芯片的设计有着重要意义. 本文利用聚焦离子束刻蚀方法, 在基底为石英玻璃的150 nm厚金膜上刻制了不同参数的阿基米德螺旋微纳狭缝结构, 通过改变入射光波长、手性、及螺旋结构手性和螺距等方式, 在理论和实验上系统地研究了阿基米德螺旋微纳结构中的表面等离激元聚焦性质. 我们发现, 除了入射激光偏振态、螺旋结构手性之外, 结构螺距与表面等离激元波长的比值也可以用来控制结构表面电场分布, 进而在结构中心形成0阶、1阶乃至更高阶符合隐失贝塞尔函数的涡旋电场. 通过相位分析, 我们对涡旋电场的成因进行了解释. 并利用有限时域差分的模拟方法计算了不同螺距时, 结构中形成的电场及相应空间相位分布. 最后利用扫描近场光学显微镜, 观测结构中不同的光场分布, 在结构中心得到了亚波长的聚焦光斑及符合不同阶贝塞尔函数的涡旋形表面等离激元聚焦环.

电磁波在大面积等离子体片中传播特性的分析
Analysis of propagation properties of electromagnetic waves through large planar plasma sheets

夏俊明, 徐跃民, 孙越强, 霍文青, 孙海龙, 白伟华, 柳聪亮, 孟祥广
物理学报. 2015, 64 (19): 194202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.194202
全文: [PDF 431 KB] 下载:(199)
摘要

脉冲磁约束线形空心阴极放电形成的大面积等离子体片可应用于等离子体天线、隐身及模拟超音速飞行器表面的等离子体鞘套. 本文首次利用实测等离子体片电子密度时空分布和横向场传播矩阵法, 研究了电磁波在等离子体片中反射率、透射率、吸收率随频率及脉冲放电时间的变化特征. 结果表明: 极化方向平行磁场的电磁波, 在小于截止频率的低频带内具有较高的反射率和吸收率, 增大电流, 反射率增加, 吸收率下降, 在大于截止频率的高频带内反射率和吸收率较低, 增大电流, 透射率下降, 吸收率升高; 极化方向垂直磁场的电磁波在高混杂谐振频率附近存在吸收率明显增强的吸收带, 谐振吸收峰值与放电电流无关; 脉冲放电期间, 电磁波的反射率、透射率与吸收率由不稳定过渡到稳定的时间约为100 μs, 过渡时间随着放电电流的增加而增大, 极化方向垂直磁场、小于截止频率的电磁波在稳定放电阶段谐振吸收较强. 本文的研究成果对利用等离子体片实现对电磁波的稳定高反射作用具有重要意义.

牙齿组织光热动态特性仿真与试验研究
Simulation and experimental investigation of tooth tissue in photothermal radiometry dynamic response induced by modluated laser

刘俊岩, 王飞, 王晓春, 马莹, 王扬
物理学报. 2015, 64 (19): 194203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.194203
全文: [PDF 529 KB] 下载:(135)
摘要

调制激光作用牙齿组织发生散射形成光子密度波, 而由于光热效应产生热波, 基于一维介质辐射传输漫射近似方程与一维热传导方程建立了调制激光作用牙齿组织半透明混合介质的一维热波数学模型. 利用该模型仿真分析了牙齿龋损特性参数(牙釉质龋损层光吸收系数、散射系数、热扩散系数及龋损深度)对光热辐射动态响应特性的影响与规律. 利用红外探测器(HgCdTe, 2–12 μm)记录808 nm半导体激光激发牙齿组织产生的热波信号, 由锁相放大器计算热波信号的幅值与相位. 通过频率扫描试验获得了牙齿组织的光热动态响应, 利用多参数最佳统计拟合方法得到了牙齿组织特性参数. 结果表明光热辐射测量对牙齿组织不均匀性和龋损特性均具有较高敏感性与特异性.

基于脉冲耦合神经网络和图像熵的各向异性扩散模型研究
Study of anisotropic diffusion model based on pulse coupled neural network and image entropy

郭业才, 周林锋
物理学报. 2015, 64 (19): 194204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.194204
全文: [PDF 982 KB] 下载:(180)
摘要

在图像去噪过程中, 大部分基于偏微分方程的各向异性扩散模型均使用梯度信息检测边缘, 当边缘部分被噪声严重污染时, 这些方法不能有效检测出这些边缘, 因而无法保留边缘特征. 为了较完整的保留图像的区域信息, 用脉冲耦合神经网络(PCNN)能使具有相似输入的神经元同时产生脉冲的性质对噪声图像做处理, 得到图像熵序列, 并将图像熵序列作为边缘检测算子引入到扩散方程中, 不仅能克服仅用梯度作为边缘检测算子易受噪声影响的弊端, 而且能较完整地保留图像的区域信息. 然后, 用最小交叉熵准则搜索使去噪前后图像信息量差异最小的阈值, 设计最佳阈值控制扩散强度, 建立基于脉冲耦合神经网络与图像熵改进的各向异性扩散模型(PCNN-IEAD). 分析与仿真结果表明, 该模型与经典模型相比, 保留了更多的图像信息, 能够兼顾去除图像的噪声和保护图像的边缘纹理等细节信息, 较完整的保留了图像的区域信息, 性能指标同样也证实了新模型的优越性. 另外, 该模型的运行时间较经典模型的短, 因此, 该模型是一个理想的模型.

石墨烯被动锁模全正色散掺镱光纤激光器中的暗脉冲及其谐波
Dark pulses and harmonic mode locking in graphene-based passively mode-locked Yb3+-doped fiber laser with all-normal dispersion cavity

傅宽, 徐中巍, 李海清, 彭景刚, 戴能利, 李进延
物理学报. 2015, 64 (19): 194205      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.194205
全文: [PDF 1251 KB] 下载:(247)
摘要

报道了一种基于石墨烯被动锁模的全正色散掺镱环形光纤激光器. 在激光器腔中应用激光诱导沉积法制备的石墨烯可饱和吸收体, 通过调节抽运光功率和偏振控制器的角度分别得到了明脉冲及其二阶谐波, 暗明脉冲对和暗脉冲及其二、三阶谐波这三类不同的脉冲. 其中, 暗明脉冲对和暗脉冲在基于石墨烯被动锁模的掺镱光纤激光器实验中都是第一次被观察到. 本文根据实验结果结合模拟分析了暗脉冲的产生机理, 并研究对比了明脉冲谐波和暗脉冲谐波产生的原因.

弱锚泊对液晶微波相位调制的影响
Influence of weak anchoring on the microwave phase modulation of liquid crystals

叶文江, 王梦莹, 邢红玉, 安亚帅, 秦相磊
物理学报. 2015, 64 (19): 194206      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.194206
全文: [PDF 351 KB] 下载:(211)
摘要

液晶对微波的调制取决于外加电压作用下液晶分子的取向, 而基板的锚泊对液晶取向有重要影响, 必然导致微波调制的变化. 本文研究了无手性掺杂的弱锚泊90°扭曲向列相液晶的微波调制特性. 基于液晶弹性理论和变分原理得到了液晶盒系统的平衡态方程和边界条件, 采用差分迭代方法数值模拟了不同锚定强度大小和不同预倾角下单位长度相移随电压的变化. 结果表明: 1)预倾角对微波相移的影响与施加电压有关. 当液晶盒施加电压为0.5–1.6 V之间时, 随预倾角增大, 单位长度微波相移及其与强锚泊0°预倾角90°扭曲液晶相移差均增大, 且相移差达到最大时的电压值也随倾角增大而减小; 1.6–3.0 V之间, 单位长度微波相移及相移差随预倾角增大而减小; 1.6 V附近及3.0 V之后, 相移基本没有变化. 2)表面锚定强度大小对微波相移的影响非常大. 随锚定强度减小, 单位长度微波相移及相移差均会增大, 微波相移的可调范围也增大, 且增加越来越明显. 此研究为液晶微波调制器件的设计提供了理论依据.

硅基槽式微环谐振腔型偏振解复用器全矢量分析
Full-vectorial analysis of a polarization demultiplexer using a microring resonator with silicon-based slot waveguides

肖金标, 罗辉, 徐银, 孙小菡
物理学报. 2015, 64 (19): 194207      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.194207
全文: [PDF 478 KB] 下载:(145)
摘要

提出一种紧凑型偏振解复用器, 其中两条常规硅基波导作为输入/输出信号通道, 居于其中的槽式微环谐振腔用于偏振态/波长选择组件. 采用全矢量频域有限差分法详细分析了硅基常规及槽波导的模式特性, 结果发现其横磁模的模场布及其有效折射率相似, 而其横电模相应的特性则差异明显, 结果输入横磁模能够在谐振工作波长下从下路端口输出, 而输入横电模与微环耦合可以忽略, 直接从直通端口输出, 从而实现两偏振态的高效分离. 采用全矢量时域有限差分法详细分析了该偏振解复用器的光波传输特性, 结果表明, 当微环半径为3.489 μm时, 在1.55 μm工作波长下, 横磁模与横电模的消光比与插入损耗分别为 ~ 26.12 (36.67) dB与 ~ 0.49 (0.09) dB. 另外, 论文详细讨论了器件关键结构参数的制作容差, 并给出了输入模场在器件中的传输演变情况.

质子与中子辐照对电荷耦合器件暗信号参数的影响及其效应分析
Effects of proton and neutron irradiation on dark signal of CCD

曾骏哲, 李豫东, 文林, 何承发, 郭旗, 汪波, 玛丽娅, 魏莹, 王海娇, 武大猷, 王帆, 周航
物理学报. 2015, 64 (19): 194208      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.194208
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摘要

对科学级电荷耦合器件(charge-coupled device, CCD)进行了质子和中子辐照试验及退火试验, 应用蒙特卡洛方法计算了质子和中子在CCD中的能量沉积, 分析了器件的辐射损伤机理. 仿真计算了N+埋层内沉积的位移损伤剂量, 辐照与退火试验过程中主要考察暗信号的变化规律. 研究结果显示, 质子与中子辐照均会引发暗信号退化, 其退化的规律与位移损伤剂量变化一致; 退火后, 质子辐照所致CCD暗信号大幅度恢复, 其体暗信号增加量占总暗信号增加量的比例最多为22%; 中子辐照引发的暗信号增长主要为体暗信号. 质子和中子在N+埋层产生相同位移损伤剂量的情况下, 两者导致的体暗信号增长量相同, 质子与中子辐照产生的体缺陷对体暗信号增长的贡献是同质的.

声子晶体中的半狄拉克点研究
Semi-Dirac points in two-dimensional phononic crystals

曹惠娴, 梅军
物理学报. 2015, 64 (19): 194301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.194301
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摘要

在本文中, 构建了一种易于实现的二维声子晶体: 截面为正方形的铁柱以三角晶格形式排列在水中. 研究发现, 在此声子晶体的布里渊区中心Γ点有半狄拉克点出现: 其带结构沿ΓY方向是线性的, 但沿着ΓX方向却是二次型的. 若散射体绕中心轴旋转角度θ = 45°, 则半狄拉克点的二次型带结构则会转至ΓY方向, 与ΓX相互垂直. 接着, 本文采用k· p 微扰法系统研究了在不同旋转角θ 值下, 简并点附近的带结构特点, 并在此基础上分析了半狄拉克点的出现原因. 在半狄拉克点附近, 以布洛赫简并态为基矢, 文中构造了一个有效哈密顿量, 根据它能准确计算贝利相位, 并发现其值为零. 此外, 通过有限元仿真, 还研究了在半狄拉克点频率附近声波沿着不同方向穿过该声子晶体的透射现象. 本文可以为经典体系中半狄拉克点色散关系的起源、有关传播性质的研究以及其在声子晶体的应用提供理论参考.

流体力学拉氏守恒滑移线算法设计
Conservative sliding algorithms for hydrodynamics

刘全, 于明, 林忠, 王瑞利
物理学报. 2015, 64 (19): 194701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.194701
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摘要

本文在Wilkins滑移线算法的基础上, 设计了从区网格边人工黏性对主点施加算法. 结合拉氏“相容性格式”, 通过定义“接触力”和“接触力做功”, 利用局部修正内能的方法设计了总能量守恒的流体力学拉氏格式. 该修正方法可保证对称性、守恒性; 提高数值模拟分辨率.

干斜压大气拉格朗日原始方程组的半解析解法和非线性密度流数值试验
Semi-analytical solution of the dry baroclinic Lagrange primitive equation and numerical experiment of a non-linear density current

郝世峰, 楼茂园, 杨诗芳, 李超, 孔照林, 裘薇
物理学报. 2015, 64 (19): 194702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.194702
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摘要

以差分方程代替微分方程给大气原始方程组求解带来了诸多难以解决的问题, 对于(半)拉格朗日模式来说质点轨迹的计算与Helmholtz方程的求解是两大难题. 本文通过对气压变量代换, 并在积分时间步长内将原始方程组线性化, 近似为常微分方程组, 求出方程组的半解析解, 再采用精细积分法求解半解析解. 半解析方法可同时计算风、气压和位移, 无需求解Helmholtz方程, 质点的位移采用积分风的半解析解得到, 相比采用风速外推的计算方法, 半解析方法更科学合理. 非线性密度流试验检验表明: 半解析模式能够清晰地模拟Kelvin-Helmholtz 切变不稳定涡旋的发生和发展过程; 模拟的气压场和风场环流结构与标准解非常相似, 且数值解是收敛的, 同时, 总质量和总能量具有较好的守恒性. 试验初步证明了采用半解析方法求解大气原始方程组是可行的, 为大气数值模式的构建提供了一个新的思路.

气体、等离子体和放电物理

稀疏膨胀过程中几何位形对于电子非局域热传导的影响
Influence of spatial geometrical curvature on nonlocal electron heat transport in expanding plasmas

郑伟真, 赵斌, 胡广月, 郑坚
物理学报. 2015, 64 (19): 195201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.195201
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摘要

发展了考虑一维柱对称、球对称位型下流体演化的Fokker-Planck程序, 在流体力学极限下对程序进行了校验. 利用程序模拟研究了球对称位型、平板位型下等离子体在自由稀疏演化过程中电子热流的非局域热输运行为, 分析了几何位型对电子非局域热传导的影响. 非局域卷积理论的计算研究发现, 稀疏过程中空间的几何效应会减小外向电子热输运的非局域性.

非均匀磁场尘埃等离子体中颗粒的复杂运动
Complex motions of grains in dusty plasma with nonuniform magnetic field

宫卫华, 张永亮, 冯帆, 刘富成, 贺亚峰
物理学报. 2015, 64 (19): 195202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.195202
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摘要

本文研究了在非均匀磁场尘埃等离子体中不规则尘埃颗粒的复杂运动, 包括圆滚运动、尖头圆滚运动、圆周运动以及波浪运动等. 放置在电极上的圆柱形磁铁的主要作用是改变鞘层的径向分布, 进而对颗粒产生径向约束, 使尘埃颗粒悬浮于圆柱形磁铁周围, 其磁场并不足以磁化颗粒使其做圆滚运动. 通过与球形尘埃颗粒的对比实验发现, 圆滚运动是不规则尘埃颗粒在等离子体中特有的一种运动. 我们提出了一种新的机理: 由于不规则颗粒的自旋而引起的横向反Magnus力对颗粒的圆滚运动起了重要的作用. 文中通过受力分析定性地对实验中观察到的非球形颗粒的各种运动给出了合理的解释.

甚多束激光直接驱动靶面辐照均匀性研究
Capsule illumination uniformity illuminated by direct laser-driven irradiation from several tens of directions

邓学伟, 周维, 袁强, 代万俊, 胡东霞, 朱启华, 景峰
物理学报. 2015, 64 (19): 195203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.195203
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摘要

针对甚多束激光辐照下的直接驱动靶面光强均匀分布开展了系统研究. 利用球谐模分析选定了可实现均匀辐照的靶面弹着点极角分布, 并通过数值模拟确定了以等效48束激光直接驱动辐照下靶面三环弹着点极角位置分别为22.4°, 47.7°和73.6°. 基于特定装置构型分析了实现极向直接驱动时对各路激光指向的修正, 并对光束截面焦斑进行了优化, 实现了极向直接驱动下的靶面均匀辐照.

气流对微秒脉冲滑动放电特性的影响
Effect of flow rate on the characteristics of repetitive microsecond-pulse gliding discharges

牛宗涛, 章程, 马云飞, 王瑞雪, 陈根永, 严萍, 邵涛
物理学报. 2015, 64 (19): 195204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.195204
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摘要

脉冲电源驱动的滑动放电能够在大气压下产生高能量、高功率密度的低温等离子体. 为了研究微秒脉冲电源在针-针电极结构中产生滑动放电的特征, 本文采用电压幅值为0–30 kV, 脉冲宽度约8 μs, 脉冲重复频率为1–3000 Hz的微秒脉冲电源, 通过测量电压、电流波形和拍摄放电图像, 研究了微秒脉冲滑动放电的电特性. 实验结果表明, 随着施加电压的增加微秒脉冲滑动放电存在三种典型的放电模式: 电晕放电、弥散放电和类滑动放电. 不同放电模式的电压、电流波形和放电图像之间差异显著. 脉冲重复频率对微秒脉冲滑动放电特性有影响, 表现为当气体流量较小(2 L/min)时, 类滑动放电的放电通道随着脉冲重复频率的增大逐渐集中, 而当气体流量较大(16 L/min)时, 类滑动放电的放电通道随着脉冲重复频率的增大逐渐分散. 不同气流下重复频率对滑动放电特性的影响与放电中粒子的记忆效应和气流的状态有关.

凝聚物质:结构、力学和热学性质

B/N掺杂类直三角石墨烯纳米带器件引起的整流效应
Rectifying behaviors induced by B/N-doping in similar right triangle graphene devices

陈鹰, 胡慧芳, 王晓伟, 张照锦, 程彩萍
物理学报. 2015, 64 (19): 196101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.196101
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摘要

基于密度泛函理论结合非平衡格林函数的方法, 研究了硼(氮)非对称掺杂类直三角石墨烯纳米带器件的电子输运性能. 计算结果表明: 单个硼或氮原子取代类直三角石墨烯纳米带顶点的碳原子后, 增强了体系的电导能力, 并且出现了新颖的整流效应. 分析表明: 这是由于硼氮掺杂类直三角石墨烯纳米带器件在正负偏压下分子能级的移动方向和前线分子轨道空间分布的不对称而产生的. 最重要的是, 当左右类直三角石墨烯纳米带的顶端原子同时被硼和氮掺杂后, 体系的整流效应显著增强, 而且出现负微分电阻效应.

La3+存在形式对白云鄂博稀选尾矿微晶玻璃性能的影响
Effect of existence form of La3+ on the properties of the Bayan Obo Mine tailing glass ceramics

陈华, 李保卫, 赵鸣, 张雪峰, 贾晓林, 杜永胜
物理学报. 2015, 64 (19): 196201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.196201
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摘要

选取白云鄂博稀选尾矿和粉煤灰为主要原料, 采用熔铸法制备了0–4 wt%La2O3掺杂的CaO-MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃. 利用DTA, XRD, SEM, TEM+EDS和性能测试手段研究La3+在白云鄂博稀选尾矿微晶玻璃中的存在形式及其对该微晶玻璃显微结构、抗折强度和耐腐蚀性的影响. 结果表明, La3+以置换固溶方式进入辉石主晶相, 1 wt%的La2O3可促进辉石主晶相形成. 超过1 wt%的La2O3与基础玻璃组分反应生成Ca3La6(SiO4)6第二相, 并与辉石相争夺Ca2+和Si4+离子来阻碍辉石相形成. 添加1 wt% La2O3的微晶玻璃综合性能最优, 其抗折强度和密度分别为198 MPa和3.18 g/cm3.

基于基液连续假设的大体系Cu-H2O纳米流体输运特性的模拟研究
Simulation studies on the transport properties of Cu-H2O nanofluids based on water continuum assumption

何昱辰, 刘向军
物理学报. 2015, 64 (19): 196601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.196601
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摘要

分子动力学模拟是研究纳米流体的输运特性的重要手段, 但计算量庞大. 为研究能体现流动传热过程的大体系纳米流体的输运特性, 本文对基液采用连续介质假设, 将基液的势能拟合在纳米团簇的势能中, 大幅度减小了计算量, 使得大体系输运特性的模拟成为可能, 且模拟结果与多组实验结果吻合较好. 采用此方法模拟研究了速度梯度剪切对Cu-H2O纳米流体颗粒聚集过程和聚集特性的影响, 进而对Cu-H2O纳米流体在流动传热过程中的热导率和黏度进行了模拟计算, 定量揭示了宏观流动传热过程中不同的速度梯度、速度、平均温度和温度梯度对于Cu-H2O纳米流体热导率和黏度的影响.

限位液滴瞬时失重自激振荡
Self-excited oscillation of droplets on confined substrate with instantaneous weightlessness

石峰, 李伟斌, 李景庆, 蓝鼎, 王育人
物理学报. 2015, 64 (19): 196801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.196801
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摘要

为探索重力瞬变引起的约束液滴自激振荡机理, 本文利用落塔装置模拟短时微重力环境并借助高速CCD记录圆形限位基片上液滴整个过程的运动情况. 自激振荡是微重力下液滴形态的重整恢复过程, 边界的限位作用使得液滴在整个运动过程接触线钉扎不变, 具体可分为两个阶段: 首先是振荡的高低点位置高度渐进上升的液滴形态变化阶段, 与重力环境渐进变化有关; 而后是平衡位置附近的阻尼衰减振荡阶段, 此时振荡的频率恒定, 振幅衰减类似孤立黏性液滴的指数衰减过程. 对于第二阶段, 在高低点等位置处存在高度不变过程, 高度起伏变化时液滴振荡模式类似自由液滴二阶振荡, 高度不变时振荡模式类似自由液滴三阶振荡. 此外, 对于本实验体系的恒定接触面积的钉扎约束, 液滴的体积量不同时, 内驱振荡的阶段和模式不变, 但具体的振荡过程有所不同. 对于大体积液滴, 会在初始振荡的中间位置出现高度不变现象, 并且随振荡逐渐消失; 而小液滴中间位置则不存在此现象, 波形较一致; 第二阶段小体积液滴振幅衰减的阻尼率更大, 无量纲频率也更高.

凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

含硫宽禁带Ga2Te3基热电半导体的声电输运特性
Acoustic charge transport behaviors of sulfur-doped wide gap Ga2Te3-based semiconductors

刘海云, 刘湘涟, 田定琪, 杜正良, 崔教林
物理学报. 2015, 64 (19): 197201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.197201
全文: [PDF 684 KB] 下载:(181)
摘要

目前对宽禁带半导体热电材料的研究开始升温, 原因是本征情况下宽禁带半导体往往具有低的热导率和高的Seebeck系数. Ga2Te3 是一类带有缺陷的宽禁带半导体, 其在临界温度680± 10 K和757± 10 K处会参与共析转变和包晶反应, 因此会产生反应热. 本次工作采用少量的S元素等电子替换Ga2Te3中的Te元素, 观察到在临界温度附近热焓的变化, 但没有相变发生. 受热焓变化的影响这类材料在临界温度附近出现了较活跃的声电输运行为, 具体表现为热容和Seebeck系数(α)明显增大及热扩散系数(热导率)和电导率下降. 例, 对于x=0.05的材料, 其α值从596 K 时的376.3(μV·K-1)迅速增大到695 K时的608.2(μV·K-1), 然后又随温度升高到764 K时迅速降低到213.8(μV·K-1). 在596 K到812 K范围, Seebeck系数和电导率几乎随温度均呈Z字形变化. 这些输运行为的变化揭示了在Ga2Te3基半导体中声子和载流子的临界散射特点, 这种临界散射特征对以后的继续研究具有重要的参考价值.

单轴应变SiNMOSFET源漏电流特性模型
A Model of channel current for uniaxially strained Si NMOSFET

吕懿, 张鹤鸣, 胡辉勇, 杨晋勇, 殷树娟, 周春宇
物理学报. 2015, 64 (19): 197301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.197301
全文: [PDF 328 KB] 下载:(121)
摘要

本文在建立单轴应变Si NMOSFET迁移率模型和阈值电压模型的基础上, 基于器件不同的工作区域, 从基本的漂移扩散方程出发, 分别建立了单轴应变Si NMOSFET源漏电流模型. 其中将应力的影响显式地体现在迁移率和阈值电压模型中, 使得所建立的模型能直观地反映出源漏电流特性与应力强度的关系. 并且对于亚阈区电流模型, 基于亚阈区反型电荷, 而不是采用常用的有效沟道厚度近似的概念, 从而提高了模型的精度. 同时将所建模型的仿真结果与实验结果进行了比较, 验证了模型的可行性. 该模型已经被嵌入进电路仿真器中, 实现了对单轴应变Si MOSFET 器件和电路的模拟仿真.

多晶TaN1-δ薄膜的电输运性质研究
Electrical transport properties of polycrystalline TaN1-δ films

周定邦, 刘新典, 李志青
物理学报. 2015, 64 (19): 197302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.197302
全文: [PDF 485 KB] 下载:(119)
摘要

利用射频溅射法在石英玻璃基底上制备了一系列面心立方结构的多晶TaN1-δ薄膜, 并对其晶体结构和2–350 K温度范围的电子输运性质进行了系统研究. 薄膜呈多晶结构, 并且平均晶粒尺寸随着基底温度的升高逐渐增大. 电输运测量结果表明, TaN1-δ薄膜在5 K以下表现出类似超导体-绝缘体颗粒膜的电输运性质; 随着温度的升高, 薄膜在10–30 K表现出类似金属-绝缘体颗粒膜的性质; 在70 K以上, 热涨落诱导的遂穿导电机理主导着电阻率的温度行为. 我们的结果表明: TaN1-δ多晶薄膜的类颗粒膜属性使其具有较高的电阻率和负的电阻温度系数.

AlN插入层对AlxGa1-xN/GaN界面电子散射的影响
Effect of inserted AlN layer on the two-dimensional electron gas in AlxGa1-xN/AlN/GaN

杨鹏, 吕燕伍, 王鑫波
物理学报. 2015, 64 (19): 197303      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.197303
全文: [PDF 336 KB] 下载:(143)
摘要

本文研究AlN作为AlxGa1-xN/GaN插入层引起的电子输运性质的变化, 考虑了AlxGa1-xN和AlN势垒层的自发极化、压电极化对AlxGa1-xN/AlN/GaN双异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)中极化电荷面密度、二维电子气(2DEG) 浓度的影响, 分析了AlN厚度与界面粗糙度散射和合金无序散射的关系; 结果表明, 2DEG 浓度、界面粗糙度散射和合金无序散射依赖于AlN层厚度, 插入一层1–3 nm薄的AlN层, 可以明显提高电子迁移率.

不同电场下碳纳米管场致发射电流密度研究
Field-emission current densities of carbon nanotube under the different electric fields

王益军, 严诚
物理学报. 2015, 64 (19): 197304      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.197304
全文: [PDF 305 KB] 下载:(172)
摘要

本文运用密度泛函理论和金属电子论, 深入研究了碳纳米管场致发射电流的变化规律. 结果显示其发射电流密度取决于体系的态密度、赝能隙、管长和局域电场, 在不同范围电场下的变化规律不同. 在较低电场下, 发射电流密度随电场增强而近似线性增大(对应的宏观电场须小于18 V· μm-1); 但在较高电场下, 发射电流密度随外电场增加呈现非周期性振荡增长趋势, 碳纳米管表现为电离发射. 本文进一步研究了金属性碳纳米管电导率在不同电场下的变化规律.

MgO/Pt界面对增强Co/Ni多层膜垂直磁各向异性及热稳定性的研究
Enhancement of perpendicular magnetic anisotropy and thermal stability in Co/Ni multilayers by MgO/Pt interfaces

俱海浪, 向萍萍, 王伟, 李宝河
物理学报. 2015, 64 (19): 197501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.197501
全文: [PDF 563 KB] 下载:(118)
摘要

采用直流磁控溅射法在玻璃基片上制备了Pt底层和MgO/Pt双底层的Co/Ni多层膜样品, 通过反常霍尔效应研究了不同MgO厚度和退火温度对样品垂直磁各向异性(perpendicular magnetic anisotropy, PMA)的影响. 随着底层中MgO厚度的逐渐增加, 样品的矫顽力也随之增强, 霍尔电阻变化不大; 对样品进行退火处理后发现, 单纯Pt底层的Co/Ni多层膜随着退火温度的升高, 霍尔电阻逐渐降低, 矫顽力则迅速降低, 热稳定性较差; 而当MgO/Pt双底层的样品在200 ℃退火后矫顽力大幅增加, 霍尔电阻略微有所减小, 更高的退火温度使得Co和Ni合金化, 导致多层膜的PMA特征减弱.

利用扫描透射X射线显微镜观测磁涡旋结构
STXM observation and quantitative study of magnetic vortex structure

孙璐, 火炎, 周超, 梁建辉, 张祥志, 许子健, 王勇, 吴义政
物理学报. 2015, 64 (19): 197502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.197502
全文: [PDF 748 KB] 下载:(178)
摘要

利用上海光源软X射线谱学显微光束线站(STXM)并结合X射线的磁圆二色效应, 我们对方形、圆形和三角形的Ni80Fe20薄膜微结构中的磁涡旋结构进行了定量实验观测, 并利用同步辐射光源的元素分辨特性, 分别在Fe和Ni的L3吸收边对涡旋磁结构进行了观测. 我们还对磁涡旋中磁矩的分布进行了定量分析, 发现实验结果与微磁学模拟结果完全符合.

NH4H2PO4和ND4D2PO4晶体微结构的拉曼光谱研究
Raman spectroscopic study on the micro-structure of NH4H2PO4 and ND4D2PO4 crystals

周海亮, 顾庆天, 张清华, 刘宝安, 朱丽丽, 张立松, 张芳, 许心光, 王正平, 孙洵, 赵显
物理学报. 2015, 64 (19): 197801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.197801
全文: [PDF 2181 KB] 下载:(173)
摘要

本文利用偏振拉曼光谱和第一性原理, 对磷酸二氢铵(NH4H2PO4, ADP)和不同氘含量磷酸二氢铵DADP晶体的晶格振动模式进行了研究. 实验测得了不同几何配置、200–4000 cm-1范围的偏振拉曼光谱, 分析在不同氘含量条件下921 cm-1和3000 cm-1附近拉曼峰的变化. 在ADP晶体中, 基于基本结构单元NH4+ 和H2PO4-基团的振动模, 用第一性原理进行了数值模拟, 进一步明确拉曼峰与晶体中原子振动的对应关系; 通过洛伦兹拟合不同氘含量DADP晶体的拉曼光谱中2000–2600 cm-1处各峰的变化讨论了DADP 晶体的氘化过程, 结果表明氘化顺序是先NH4+ 基团后H2PO4-基团, 研究结果为今后此类材料的生长和性能优化奠定了基础.

物理学交叉学科及有关科学技术领域

基于FTO/VO2/FTO结构的VO2薄膜电压诱导相变光调制特性
Optical modulation characteristics of VO2 thin film due to electric field induced phase transition in the FTO/VO2/FTO structure

郝如龙, 李毅, 刘飞, 孙瑶, 唐佳茵, 陈培祖, 蒋蔚, 伍征义, 徐婷婷, 方宝英, 王晓华, 肖寒
物理学报. 2015, 64 (19): 198101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.198101
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摘要
采用直流磁控溅射和后退火工艺在掺氟的SnO2(FTO)导电玻璃衬底上制备VO2薄膜, 研究了不同退火时间和不同比例的氮氧气氛对VO2薄膜性能的影响, 对VO2薄膜的结晶取向、表面形貌、表面元素的相对含量和透过率随波长变化进行了测试分析, 结果表明在最佳工艺条件下制备得到了组分相对单一的VO2薄膜. 基于FTO/VO2/FTO结构在VO2薄膜两侧的透明导电膜上施加电压并达到阈值电压时, 观察到了明显的电流突变. 当接触面积为3 mm×3 mm时, 阈值电压为1.7 V, 阈值电压随接触面积的增大而增大. 与不加电压的情况相比, FTO/VO2/FTO结构在电压作用下高低温的红外透过率差值可达28%, 经反复施加电压, 该结构仍保持性能稳定, 具有较强的电致调控能力.

单层石墨烯带传输模式及其对气体分子振动谱的传感特性研究
Transmission mode of a single layer graphene and its performance in the detection of the vibration spectrum of gas molecular

杨晶晶, 李俊杰, 邓伟, 程骋, 黄铭
物理学报. 2015, 64 (19): 198102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.198102
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摘要

自2004年石墨烯被成功制备以来, 相关研究引起了广泛关注, 其中, 传感应用是一个重要方向. 目前, 有关石墨烯传感特性的研究都集中在低频, 即根据分子附着引起的电导率变化来实现检测. 然而, 由于大部分分子吸附都会使电导率发生变化, 因此该方法难以区分不同分子的特征. 论文基于Kubo公式, 结合数值仿真方法研究了单层石墨烯带的传输模式, 分析了有效模式指数与模式传输特性的关联, 证实了波导模的局域性和宽带特性. 同时, 利用一阶波导模与气体作用引起的传输强度的变化反演分子振动谱. 以SO2, CO和C7H8气体的传感为例, 基于本征分析验证了方法的有效性. 结果表明, 传输模式与分子作用能够产生耦合共振增强, 并且其变化趋势与气体分子振动谱一致; 在传输方向上, 分子与传输模式的作用范围越大, 则模式传输强度的变化越大. 该研究为实现气体分子指纹的识别和检测奠定了理论基础.

温度对Ib型和IIa型金刚石大单晶(100)表面特征的影响
Effect of temperature on the (100) surface features of type Ib and type IIa large single crystal diamonds

张贺, 李尚升, 宿太超, 胡美华, 周佑默, 樊浩天, 龚春生, 贾晓鹏, 马红安, 肖宏宇
物理学报. 2015, 64 (19): 198103      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.198103
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摘要

本文在5.6 GPa, 1250–1340 ℃的条件下, 利用温度梯度法, 以FeNiMnCo 合金为触媒, 沿籽晶的(100)晶面成功合成了不同晶形的优质Ib型和IIa型金刚石大单晶. 利用激光拉曼附件显微镜, 分别对上述不同温度下合成的两类金刚石样品上表面(100)面的中心区域及棱角区域进行观察分析. 研究发现, Ib型和IIa型金刚石大单晶(100)晶面上从中心到棱角处黑色纹路的分布逐渐变黑变密集; 另外, 随着金刚石合成温度的升高, Ib型金刚石大单晶(100)面上黑色纹路由稀疏逐渐变稠密, 而IIa型金刚石大单晶的黑色纹路较为稀疏; Ib型金刚石大单晶的形貌特征表现为从低温晶体的不规则分布过渡到中温、高温晶体的典型树枝状分布. IIa型金刚石大单晶(100)面特征随温度变化规律与Ib型的类似. 这两类金刚石大单晶表面特征的差异可能是由于IIa 型金刚石具有比Ib型更小的生长速度和更少的氮含量. 最后, 对两类塔状金刚石大单晶进行拉曼光谱测试分析, 结果表明IIa型金刚石大单晶的品质较Ib型金刚石大单晶好.

单晶硅纳米切削中C–C键断裂对金刚石刀具磨损的影响
Effect of C–C bond breakage on diamond tool wear in nanometric cutting of silicon

王治国, 张鹏, 陈家轩, 白清顺, 梁迎春
物理学报. 2015, 64 (19): 198104      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.198104
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摘要

本文基于分子动力学方法模拟金刚石刀具纳米切削单晶硅, 从刀具的弹塑性变形、C–C键断裂对碳原子结构的影响以及金刚石刀具的石墨化磨损等方面对金刚石刀具的磨损进行分析, 采用配位数法和6元环法表征刀具上的磨损碳原子. 模拟结果表明: 在纳米切削过程中, 金刚石刀具表层C–C键的断裂使其两端碳原子由sp3杂化转变为sp2杂化, 同时, 表面上的杂化结构发生变化的碳原子与其第一近邻的sp2杂化碳原子所构成的区域发生平整, 由金刚石的立体网状结构转变为石墨的平面结构, 导致金刚石刀具发生磨损; 刀具表面低配位数碳原子的重构使其近邻区域产生扭曲变形, C–C键键能随之减弱, 在高温和高剪切应力的作用下, 极易发生断裂; 在切削刃的棱边上, 由于表面碳原子的配位严重不足, 断开较少的C–C键就可以使表面6 元环中碳原子的配位数都小于4, 导致金刚石刀具发生石墨化磨损.

非对称耦合两层可激发介质中的螺旋波动力学
Dynamics of spiral waves in an asymmetrically coupled two-layer excitable medium

李伟恒, 潘飞, 黎维新, 唐国宁
物理学报. 2015, 64 (19): 198201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.198201
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摘要

本文采用Bär-Eiswirth模型研究了两层可激发介质中螺旋波的动力学, 两层介质采用抑制和兴奋性非对称耦合. 数值模拟结果表明: 兴奋性非对称耦合可以促进两个不同频率的螺旋波锁频, 即使初始频率相差大, 两螺旋波也能实现锁频, 这种耦合使两个螺旋波具有最强的锁频能力; 当两层介质采用抑制性非对称耦合时, 只有当两个初始螺旋波的频率差比较小才能实现锁频, 而且比一般扩散耦合的锁频范围窄, 两螺旋波锁频能力达到最低水平; 当耦合强度和控制参数适当选取时, 抑制性和兴奋性非对称耦合既可以使其中一层介质维持螺旋波态, 使另一层介质中的螺旋波演化到静息态或低频靶波态, 也可以使两层介质中的螺旋波都漫游, 或都转变成靶波, 最后这两个靶波要么消失, 要么转变成平面波状的振荡斑图, 而且两层介质振荡是反相的, 此外在模拟中还观察到两螺旋波局部间歇锁频现象, 这些结果有助于人们理解在心脏系统中出现的复杂现象.

二进制信号的混沌压缩测量与重构 Hot!
Chaotic compressive measurement and reconstruction of binary signals

郭静波, 李佳文
物理学报. 2015, 64 (19): 198401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.198401
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摘要

二进制信号的压缩感知问题对应超奈奎斯特信号系统中未编码的二进制符号的检测问题, 具有重要的研究意义. 已有的二进制信号压缩测量采用高斯随机矩阵, 信号重构采用经典的l1最小化方法. 本文利用混沌映射构造基于Cat序列的循环测量矩阵, 并提出一种针对二进制信号的全新的重构算法——平滑函数逼近法. 文章构造的混沌循环测量矩阵兼具确定性和随机性的优点, 能够抵御低信令效率和低信噪比的影响, 取得更好的压缩测量效果. 文章提出的平滑函数逼近法利用非凸函数代替原问题不连续的目标函数, 将组合优化问题转化为具有等式约束的优化问题进行求解. 利用稀疏贝叶斯学习算法进一步修正误差, 得到更准确的重构信号. 在信道含有加性高斯白噪声的条件下对二进制信号进行了压缩测量与重构的数值仿真, 仿真结果表明:基于Cat 序列的循环测量矩阵的压缩测量效果明显优于传统的高斯随机矩阵; 平滑函数逼近法对二进制信号的重构性能明显优于经典的l1最小化方法.

基于扩展信源熵值的穿墙成像雷达墙体强杂波抑制
A method of wall clutter removal for through-wall radar based on entropy of expanded antenna source

李家强, 蔡洪渊, 陈金立, 李鹏, 葛俊祥
物理学报. 2015, 64 (19): 198402      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.198402
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摘要

提出了基于扩展信源熵值理论的超宽带穿墙成像雷达墙体强杂波抑制方法. 首先将回波信号离散化, 计算离散信源的概率空间并对该离散信源进行扩展, 计算得到扩展后含有墙体强杂波和目标回波的新信源的熵值. 然后根据墙体杂波熵值与目标信号熵值的差异设定门限, 自适应选取最佳门限调节因子, 对回波信号进行杂波抑制处理. 经过墙体强杂波抑制处理后, 利用后向投影方法对目标进行成像. 以基于时域有限差分方法(Finite Difference-Time Domain, FDTD) 的仿真软件GprMax2D/3D所获得的穿墙雷达数据进行仿真实验, 分别通过基于信源熵值的方法与本文所提方法来抑制墙体强杂波并成像, 通过对比结果可知, 前者的目标-杂波比增量为15.51 dB, 后者的目标-杂波比增量为19.74 dB. 因此, 本文所提方法能够在相同测量方式下得到更为精确的成像, 而且可以在保证成像效果的前提下大大减少天线扫描次数.

基于高阻ZnO薄膜的光电导型紫外探测器
Photoconductive UV detector based on high-resistance ZnO thin film

祁晓萌, 彭文博, 赵小龙, 贺永宁
物理学报. 2015, 64 (19): 198501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.198501
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摘要
本文通过射频磁控溅射法在玻璃衬底上沉积一层ZnO薄膜, 制备了Al-ZnO-Al 结构光电导型紫外探测器件, 并在室温下测试了所制备器件的暗场特性及其对紫外线的响应特性. 暗场条件下器件电流特性测试结果表明所制备的ZnO薄膜电阻率达到了3.71×109 Ω · cm, 是一种高阻薄膜. 在波长365 nm, 光强303 μW/cm2的紫外线照射下, 薄膜的电阻率为7.20×106 Ω · cm, 探测器明暗电流比达到了516. 40 V偏置电压条件下周期性开关紫外线照时, 探测器的上升和下降时间分别为199 ms和217 ms, 响应速度快且重复性好, 并利用ZnO半导体表面复合慢过程和体复合快过程对瞬态响应过程进行了理论拟合分析. 本文研究结果表明, 高阻ZnO薄膜紫外探测器具有良好的紫外光电响应特性.

面内形状各向异性能对自旋转矩振荡器零场振荡特性的影响
Effect of the intrinsic in-plane shape anisotropy on the oscillation characteristics of zero-field spin torque oscillator

郭园园, 蒿建龙, 薛海斌, 刘喆颉
物理学报. 2015, 64 (19): 198502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.198502
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摘要

利用Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski方程, 在理论上研究了由磁矩垂直于膜面的自由层和磁矩平行于膜面的极化层组成的自旋转矩振荡器的振荡特性. 数值结果表明面内的形状各向异性能, 可以使自旋转矩振荡器在无磁场情形下产生自激振荡. 此特性可以用能量平衡方程解释, 即面内形状各向异性能可以导致系统中自旋转矩提供的能量与阻尼过程所消耗的能量之间的平衡. 特别是, 面内的形状各向异性能越大, 自旋转矩振荡器的可操控电流范围越大, 并且产生微波信号的频率越大, 但其阈值电流几乎不变.

梯度耦合下神经元网络中靶波和螺旋波的诱发研究
Investigation of emergence of target wave and spiral wave in neuronal network induced by gradient coupling

徐莹, 王春妮, 靳伍银, 马军
物理学报. 2015, 64 (19): 198701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.198701
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摘要

神经系统内数量众多的神经元电活动的群体行为呈现一定的节律性和自组织性. 当网络局部区域存在异质性或者受到持续周期性刺激, 则在网络内诱发靶波, 且这些靶波如'节拍器'可调制介质中行波的诱发和传播. 基于Hindmarsh-Rose 神经元模型构造了最近邻连接下的二维神经元网络, 研究在非均匀耦合下神经元网络内有序波的诱发问题. 在研究中, 选定网络中心区域的耦合强度最大, 从中心向边界的神经元之间的耦合强度则按照阶梯式下降. 研究结果表明, 在恰当的耦合梯度下, 神经元网络内诱发的靶波或螺旋波可以占据整个网络, 并有效调制神经元网络的群体电活动, 使得整个网络呈现有序性. 特别地, 当初始值为随机值时, 梯度耦合也可以诱发稳定的有序态. 这种梯度耦合对网络群体行为调制的研究结果有助于理解神经元网络的自组织行为.

快中子照相模拟分析与实验验证
Simulation analysis and experimental verification of fast neutron radiography

鲁昌兵, 许鹏, 鲍杰, 王朝辉, 张凯, 任杰, 刘艳芬
物理学报. 2015, 64 (19): 198702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.198702
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摘要

首次系统地推导出快中子照相像素值形成解析式, 建立图像反差不等式, 并利用该不等式首次对图像对比度与源强、照射时间和散射之间的关系进行说明. 并在像素值解析式基础上编制快中子照相模拟程序, 利用该程序对空间分辨率和图像对比度进行模拟, 并与实验对照, 研究结果表明空间分辨率模拟效果好于实验, 图像对比度模拟效果与实验相当. 最后通过对狭缝、方孔以及多材质组成的复杂样品模拟并与实验对照, 结果显示模拟效果与实验照片在反差灵敏度效果上非常一致, 该模拟计算方法可为实验设计和工程应用提供参考.

后退火增强氢化非晶硅钝化效果的研究
Investigation of post-annealing enhancement effect of passivation quality of hydrogenated amorphous silicon

陈剑辉, 杨静, 沈艳娇, 李锋, 陈静伟, 刘海旭, 许颖, 麦耀华
物理学报. 2015, 64 (19): 198801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.198801
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摘要

在本征氢化非晶硅(a-Si:H(i))/晶体硅(c-Si)/a-Si:H(i)异质结构上溅射ITO时, 发现后退火可大幅增加ITO/a-Si:H(i)/c-Si/a-Si:H(i)的少子寿命(从1.7 ms到4 ms). 这一增强效应可能的三个原因是: ITO/a-Si:H(i)界面场效应作用、退火形成的表面反应层影响以及退火对a-Si:H(i)材料本身的优化, 但本文研究结果表明少子寿命增强效应与ITO和表面反应层无关; 对不同沉积温度制备的a-Si:H(i)/c-Si/a-Si:H(i)异质结后退火的研究表明: 较低的沉积温度(<175 ℃)后退火增强效应显著, 而较高的沉积温度(>200 ℃)后退火增强效应不明显, 可以确定“低温长高温后退火”是获得高质量钝化效果的一种有效方式; 采用傅里叶红外吸收谱(FTIR)研究不同沉积温度退火前后a-Si:H(i)材料本身的化学键构造, 发现退火后异质结少子寿命大幅提升是由于a-Si:H(i)材料本身的结构优化造成的, 其深层次的本质是通过材料的生长温度和退火温度的优化匹配来控制包括H含量、H键合情况以及Si原子无序性程度等微观因素主导作用的一种竞争性平衡, 对这一平衡点的最佳控制是少子寿命大幅提升的本质原因.

有倾向性重连产生的反匹配网络
Disassortative networks generated by directed rewiring

屈静, 王圣军
物理学报. 2015, 64 (19): 198901      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.198901
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摘要

在具有网络结构的系统中度关联属性对于动力学行为具有重要的影响, 所以产生适当度关联网络的方法对于大量网络系统的研究具有重要的作用. 尽管产生正匹配网络的方法已经得到很好的验证, 但是产生反匹配网络的方法还没有被系统的讨论过. 重新连接网络中的边是产生度关联网络的一个常用方法. 这里我们研究使用重连方法产生反匹配无标度网络的有效性. 我们的研究表明, 有倾向的重连可以增强网络的反匹配属性. 但是有倾向重连不能使皮尔森度相关系数下降到-1, 而是存在一个依赖于网络参数的最小值. 我们研究了网络的主要参数对于网络度相关系数的影响, 包括网络尺寸, 网络的连接密度和网络节点的度差异程度. 研究表明在网络尺寸大的情况下和节点度差异性强的情况下, 重连的效果较差. 我们研究了真实Internet网络, 发现模型产生的网络经过重连不能达到真实网络的度关联系数.

地球物理学、天文学和天体物理学

层结流体中在热外源和β效应地形效应作用下的非线性Rossby孤立波和非齐次Schrödinger方程
Nonlinear solitary Rossby waves with external heating source and β effect topographic effect in stratified flows described by the inhomogeneous Schrödinger equation

李少峰, 杨联贵, 宋健
物理学报. 2015, 64 (19): 199201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.199201
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摘要

在层结流体中, 从带有地形、热外源耗散的下边界条件以及带有热外源的准地转位涡方程开始, 使用小参数展开方法和多尺度时空伸长变换推导出了具有热外源、β效应和地形效应的强迫Rossby孤立波方程, 得到孤立Rossby振幅满足的带有地形与热外源的非齐次非线性的Schrödinger方程. 通过分析Rossby孤立波振幅的变化, 指出了热外源、β效应和地形效应都是诱导Rossby孤立波产生的重要因素, 给出了切变基本流下地形、热外源和层结流体中Rossby的相互作用.

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