物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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不同原子在飞秒强激光场中的里德堡态激发和双电离
赵磊, 张琦, 董敬伟, 吕航, 徐海峰
物理学报. 2016, 65 (22): 223201
用推广的量子轨迹蒙特卡罗方法研究强场光电子全息
林呈, 张华堂, 盛志浩, 余显环, 刘鹏, 徐竟文, 宋晓红, 胡师林, 陈京, 杨玮枫
物理学报. 2016, 65 (22): 223207
分子轨道高时空分辨成像
祝晓松, 张庆斌, 兰鹏飞, 陆培祥
物理学报. 2016, 65 (22): 224207
物理学报  
   物理学报--2016, 65 (22)   发布日期: 2016-11-20
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编者按:
        利用光与物质相互作用是人类探索微观物质结构及运动规律的重要手段. 飞秒强激光技术的出现与发展为揭示极端强场条件下的原子物理新现象、新效应, 认识分子、原子及其内部电子的超快运动规律提供了强有力的技术手段和研究条件. 超快强激光驱动原子分子过程的研究进展还直接推动了新兴学科领域——阿秒科学的发展, 强激光驱动原子分子的高次谐波辐射已成为产生极紫外阿秒光源的重要途径, 利用强场电离及高次谐波产生过程可实现对分子结构及动力学的超快成像, 在原子级时间与空间尺度上的电子调控已成为可能.
        “超快强激光驱动的原子分子过程”专题结合对超快强激光驱动的原子分子电离、高次谐波产生、中性里德堡态原子产生及分子解离等基本物理过程的研究, 介绍该领域的一些基本理论方法、实验技术以及研究成果, 以帮助读者了解该研究领域的最新进展, 推动对超快强激光与原子分子相互作用相关研究的进一步深入.

   (客座编辑: 中国科学院武汉物理与数学研究所柳晓军)

专题:超快强激光驱动的原子分子过程

强激光场中原子单电离的半经典方法
Semiclassical methods for strong field ionization of atoms

肖相如, 王慕雪, 黎敏, 耿基伟, 刘运全, 彭良友
物理学报. 2016, 65 (22): 220203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.220203
全文: [PDF 20711 KB] 下载:(853)
摘要

随着激光器技术的发展,实验室中可获得的激光场强度不断增大,可以观测到各种高度非线性的实验现象,比如原子分子中的电子可以从强激光场中吸收比克服电离能需要的光子数更多的光子而发生电离,被称为阈上电离.这些非线性现象向量子力学的微扰理论提出了挑战,而精确求解含时薛定谔方程的方法只局限在少数的简单原子或分子,并且计算复杂.在这种情形下,基于电子轨迹的半经典理论由于其物理过程清晰、计算简单等优点应运而生,在强场光电离领域已经广泛应用.本文从原子分子电离的经典描述出发,介绍了半经典理论的发展.半经典理论结合了量子力学隧穿效应、电子经典的轨道描述以及量子的相位信息,能够很好地解释在强场隧穿区的各种实验现象.文中重点介绍两种已经发展得较为成熟的半经典方法,即量子轨道蒙特卡罗方法(quantum trajectory Monte Carlo)和库仑修正下的强场近似方法(Coulomb-corrected strong field approximation).这两种方法的优点在于同时考虑了电子轨迹的库仑势作用以及电子轨迹之间的干涉效应,能够通过追踪电子的运动轨迹对电离电子动量谱中各种结构的形成给出直观清晰的解释.

不同原子在飞秒强激光场中的里德堡态激发和双电离 Hot!
Rydberg state excitations and double ionizations of different atoms in strong femtosecond laser field

赵磊, 张琦, 董敬伟, 吕航, 徐海峰
物理学报. 2016, 65 (22): 223201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.223201
全文: [PDF 493 KB] 下载:(348)
摘要

利用质量分辨的脉冲电场电离方法结合飞行时间质谱,系统地研究了He,Ar和Xe原子在800 nm飞秒强激光场中的里德堡态激发过程,并将其与非序列双电离过程进行了比较,探讨了激发与非序列双电离过程的区别,以及不同原子里德堡态激发过程的规律性变化.研究结果有助于深入了解强激光场中原子里德堡态激发的物理机理.

原子多光子激发对电离阈值附近谐波发射的影响
The influences of multiphoton excitation on near-threshold Harmonic emission in atoms

张頔玉, 李庆仪, 郭福明, 杨玉军
物理学报. 2016, 65 (22): 223202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.223202
全文: [PDF 1460 KB] 下载:(223)
摘要

基于动量空间和坐标空间含时伪谱方法,通过求解氢原子在强激光作用下的含时薛定谔方程,系统地研究了原子在强激光作用下电离阈值附近的高次谐波发射随着激光电场强度的变化关系.研究发现,随着入射激光强度的增加,九次谐波发射效率呈现周期性振荡结构.结合原子的激发几率计算,发现电离阈值附近的谐波增强与高激发态的布居存在相互竞争关系.

利用“类维格纳分布函数”方法研究阈上电离
Study of above-threshold ionization by “Wigner-distribution-like function” method

郭丽, 韩申生, 陈京
物理学报. 2016, 65 (22): 223203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.223203
全文: [PDF 1232 KB] 下载:(264)
摘要

提出了一种类维格纳分布函数并用该分布函数计算了氢原子在少周期、不同偏振方向和不同激光频率的激光脉冲中电离后光电子的各种分布:线偏振下的时间-能量分布、时间电离率分布和椭圆偏振下的时间-出射角分布、角度分布和时间电离率分布.结果显示:随着激光频率降低,所有分布清楚直观地展现出电子从多光子区域到隧穿区域的转变过程.对线偏振情况,伴随着这种转变,电离时间与最终动量之间的半经典关系与时间-能量分布越来越一致.同时,时间-能量分布清楚地展现了隧穿区域中的干涉结构,并给出了干涉原因是由不同时刻电离出的具有相同能量的电子干涉形成的.对椭圆偏振,通过量子计算与半经典结果的比较,分别得到了角度分布的角度偏移和时间分布的时间偏移.计算发现时间偏移远小于角度偏移,两者之间并不对应.因此,基于两种偏移相对应原理的“阿秒测量技术”是不准确的.而且计算表明时间偏移的数值有正有负,因此该偏移也不能解释为隧穿时间.

超快强场下低能光电子的研究进展——解析R矩阵半经典轨迹理论
Progress in study of low-energy photoelectron in ultra-fast strong fields-analytical R-matrix theory based semiclassical trajectory method

黄文逍, 张逸竹, 阎天民, 江玉海
物理学报. 2016, 65 (22): 223204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.223204
全文: [PDF 843 KB] 下载:(280)
摘要

该综述回顾了近期解析R矩阵方法结合半经典理论的发展,介绍其应用于线偏振光场下单活跃电子系统中的求解强场电离概率幅的过程[Torlina L,Smirnova O 2012 Phys.Rev.A 86 043408].解析R矩阵方法通过内外区域分割,可以获得对外区光电子的半解析描述.内区能够提供良好定义的边界条件,外区光电子波函数则可近似为Eikonal-Volkov解.进一步,使用稳相近似,可以将电离概率幅中的积分近似为半经典轨迹及相应相因子对应的分量之和.基于该方法讨论了不同电离时刻隧穿而出波包的形状,近似表现为以半经典轨线为中心的高斯型.在外光场与库仑势同时存在的情况下,亚周期非绝热修正对电离概率有不同的影响.作为特殊的案例,文中重点讨论在复时间平面上使用纯光驱动轨迹与库仑修正相因子研究光电子返回母核附近发生软回碰过程中的一系列关键环节以及对低能结构的影响[Pisanty E,Ivanov M 2016 Phys.Rev.A 93 043408].在引入库仑势后,使用传统积分曲线存在一定的问题,因积分路径可能遭遇分支-切割面导致积分函数丧失解析性.为了克服该问题,隧穿电离后演化过程的时间被拓展到复平面,电子轨迹允许具有虚部.当回碰发生时,需要谨慎处理复时间平面上的分支-切割面.研究发现,复平面上的导航方法与最接近时间有关,最接近时间总存在于一对分支-切割面之间,它可以帮助规避不连续路径.最接近时间解的集合形成丰富的几何结构,使电子在回碰过程中表现出有趣的性质,与低能结构有关的回碰信息就隐藏在这些几何结构中,我们讨论了最接近时间方程解的拓扑结构随参数的变化以及设计路径搜索算法的依据,介绍了实验上与低能结构相关的可能观测到的现象.

中红外激光驱动激发态Na原子产生单个短脉冲
A single short pulse produced by the excited state of Na atom exposed to an infrared laser

贾妍雯, 郭巧玲, 李鹏程, 王国利, 周效信
物理学报. 2016, 65 (22): 223205      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.223205
全文: [PDF 536 KB] 下载:(192)
摘要

利用伪谱法数值求解碱金属Na原子在中红外激光场中的含时薛定谔方程,在计算中使用了精确的原子模型势函数,通过该模型势能够得到与实验一致的束缚态能级,从而能够研究Na原子处在激发态时发射高次谐波的特点.研究结果表明,在过垒电离区域,当Na原子初态处于4s或5s激发态时发射的高次谐波在阈值之下具有超连续的特点,通过叠加阈值以下到阈值附近的高次谐波,能够得到中心频率从可见光高频波段到中紫外的单个脉冲.通过分析原子的电离概率及谐波的时频特性表明,在过垒电离区域原子发射低阶谐波的过程与隧穿区域发射的过程有所不同.

双色场控制与测量原子分子超快电子动力学过程的研究进展
Research progress of the control and measurement of the atomic and molecular ultrafast electron dynamics using two-color field

刘灿东, 贾正茂, 郑颖辉, 葛晓春, 曾志男, 李儒新
物理学报. 2016, 65 (22): 223206      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.223206
全文: [PDF 2048 KB] 下载:(341)
摘要

超短超快激光脉冲的出现为人们探索原子分子中超快电子动力学过程提供了强有力的工具.阿秒脉冲和强激光脉冲电场整形技术能够获得电子波包在亚飞秒时间尺度的动力学信息,发展出了一系列阿秒超快光谱学技术,如阿秒条纹相机、阿秒瞬态吸收谱等,成功地应用于原子、分子和固体中电子运动的探测.其中双色激光场就是通过电场整形技术实现电子相干运动控制和探测的一种重要手段,本文综述了中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室近几年来在双色场控制与测量原子分子超快过程方面的研究工作.

用推广的量子轨迹蒙特卡罗方法研究强场光电子全息 Hot!
Strong field photoelectron holography studied by a generalized quantum-trajectory Monte Carlo method

林呈, 张华堂, 盛志浩, 余显环, 刘鹏, 徐竟文, 宋晓红, 胡师林, 陈京, 杨玮枫
物理学报. 2016, 65 (22): 223207      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.223207
全文: [PDF 1217 KB] 下载:(327)
摘要

强场光电子全息因其二维光电子动量谱中携带着电子和离子的时空动力学信息,所以在实验中被发现后迅速成为近年来强场超快物理中的一个热点研究领域.本文主要介绍一种推广的量子轨迹蒙特卡罗计算方法.利用这种方法可在更广泛的实验条件下探讨原子分子光电子全息现象背后深层次的物理机理.与含时薛定谔方程的对比发现利用推广的量子轨迹蒙特卡罗方法计算的光电子全息干涉结构的截止能量位置能清楚地反映非绝热隧穿电离效应.而且,我们发现了深隧穿电离条件下一种新颖的圆环干涉结构.这一圆环状干涉结构遮蔽了光电子全息条纹,因此,这一结果表明:深隧穿区并非是形成光电子全息的有利实验条件.在非绝热隧穿区,长程库仑势对于光电子全息的形成起着至关重要的作用.

频域图像下的强场非序列电离过程
Frequency-domain view of nonsequential double ionization in intense laser fields

金发成, 王兵兵
物理学报. 2016, 65 (22): 224205      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.224205
全文: [PDF 5284 KB] 下载:(205)
摘要

自20世纪60年代激光发明以来,激光与物质的相互作用就一直成为物理学领域的一个重要研究方向.通过最近几十年激光技术的发展,大大拓展了激光的频率、强度及脉宽范围,使得复杂体系在激光场中的激发、辐射及电离过程得到更精细而深入的研究.本文总结了处理单色和双色激光场中双电子原子非序列电离的频域理论;归纳了碰撞-电离和碰撞-激发-电离两种机理下原子非序列电离在单色和双色激光场中的动量谱分布,并对动量谱上的干涉条纹利用量子通道相干的理论进行了分析;归纳了前向碰撞和背向碰撞在不同激光场条件下对非序列电离的不同贡献,以及高频激光场在非序列电离中所起的作用.

吸收多个远紫外光子生成的高次谐波的多重截止结构
Multiple cutoffs in high harmonic generation via multi-XUV-photon absorption

俞祖卿, 何峰
物理学报. 2016, 65 (22): 224206      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.224206
全文: [PDF 516 KB] 下载:(259)
摘要

本文通过数值求解含时薛定谔方程研究He+在远紫外和红外激光场作用下产生高次谐波的过程.在电子隧穿并从红外激光场获得能量后,其在与母离子碰撞过程中可能吸收额外的远紫外光子,并导致高次谐波中出现以远紫外光子能量为间隔的多重截止结构.我们进一步通过傅里叶频谱分析的方法证实了这一结构产生的物理机制;并分析了高次谐波的多重截止频率强度和远紫外强度的关系.我们的研究为产生高能量谐波提供了一种方案.

分子轨道高时空分辨成像 Hot!
Molecular orbital imaging with high spatial and temperal resolutions

祝晓松, 张庆斌, 兰鹏飞, 陆培祥
物理学报. 2016, 65 (22): 224207      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.224207
全文: [PDF 1978 KB] 下载:(396)
摘要

在超短激光脉冲的激发下,原子分子会发生强场阈上电离、高次谐波辐射等高阶非线性的强场物理过程.通过对这些过程中产生的光、电子信号的分析,可以实现对原子分子结构及其超快动力学过程同时具有埃量级空间分辨和亚飞秒量级时间分辨的探测,为人们在极端条件下研究微观世界的物质结构和基本物理过程提供了强大的工具.自2004年发展起来的基于分子高次谐波的分子轨道层析成像方法,可以实现对分子轨道波函数本身的高时空分辨层析成像.这将帮助人们更加深刻地认识化学反应过程的物理本质.本文介绍了分子轨道层析成像的理论方法,并综述了十余年来分子轨道层析成像理论的新进展.

中红外飞秒激光场中氮分子高次谐波的多轨道干涉特性研究
Signature of multi-channel interference in high-order harmonic generation from N2 driven by intense mid-infrared pulses

李贵花, 谢红强, 姚金平, 储蔚, 程亚, 柳晓军, 陈京, 谢新华
物理学报. 2016, 65 (22): 224208      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.224208
全文: [PDF 467 KB] 下载:(227)
摘要

通过系统研究氮分子高次谐波产生过程中的电子超快动力学过程,实验上发现在中红外飞秒强激光场驱动下高次谐波谱的截止区附近存在清晰的谐波谱极小值.进一步研究表明谐波谱极小值对应的光子能量强烈依赖于驱动激光脉冲的光强和波长,而与分子取向角无关,由此推断该极小值来源于氮分子最高占据分子轨道和次最高占据分子轨道产生的高次谐波之间的相消干涉.本研究结果将对极端强场条件下多轨道电子超快动力学研究起到积极推动作用.

双色圆偏振飞秒脉冲驱动CO分子不对称解离
Directional bond breaking of CO molecules by counter-rotating circularly polarized two-color laser fields

林康, 宫晓春, 宋其迎, 季琴颖, 马俊杨, 张文斌, 陆培芬, 曾和平, 吴健
物理学报. 2016, 65 (22): 224209      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.224209
全文: [PDF 485 KB] 下载:(236)
摘要

利用反旋圆偏振双色飞秒激光脉冲,结合电子-离子三维动量符合测量,实验研究了CO分子的单电离和双电离解离过程.在激光偏振平面内观测到碳离子C+三叶草状的不对称动量分布.通过调节双色场中基频光和倍频光的相对相位,可以控制C+的出射方向,实现CO分子的二维不对称解离.

总论

不同粒径Janus微球的自驱动:实验及驱动机制对比
Two differet self-propulsion types of Janus microspheres: from the comparative experiments and driving mechanisms

王雷磊, 崔海航, 张静, 郑旭, 王磊, 陈力
物理学报. 2016, 65 (22): 220201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.220201
全文: [PDF 807 KB] 下载:(174)
摘要

Janus颗粒是两侧具有不同性质的非均质颗粒的统称.利用Pt-SiO2型Janus微球的Pt一侧催化分解H2O2溶液,可以使得颗粒自驱运动.本文首先从实验角度对比了不同粒径、相同浓度下的两类自驱动现象,结果表明在d~O(1 μm)时为扩散泳驱动,d~O(10 μm)为气泡驱动,二者在运动轨迹、驱动速度上存在很大差异.随后,分析了主导的力学因素,并根据简化后的受力平衡关系建立了多场耦合的数值模型,重点研究了大粒径下浓度及速度场的分布,据此解释了气泡产生的位置及尺寸,并推断壁面滑移系数是数值模型中的关键匹配参数,及其在不同粒径下变化的可能机理.这一研究将为深入理解自驱动的机理及提高自驱动器件的驱动能力提供理论基础.

聚合物充模过程的基于高阶Taylor展开的改进光滑粒子动力学模拟
Simulation of polymer filling process by an improved smoothed particle hydrodynamics method based on higher-order Taylor expansion

蒋涛, 陆伟刚, 任金莲, 徐磊, 陆林广
物理学报. 2016, 65 (22): 220202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.220202
全文: [PDF 1067 KB] 下载:(153)
摘要

基于高阶Taylor展开提出一种改进的光滑粒子流体动力学(CSPH_HT)方法,并试探性地应用于涉及界面变形的黏弹性聚合物熔体充模过程的模拟.首先,针对传统光滑粒子流体动力学(SPH)方法和已有改进SPH方法的缺点,基于高阶Taylor展开,建立了一种新的改进SPH格式.然后通过基准算例验证了新的改进SPH方法的优势.最后,运用改进SPH方法模拟了环形腔和方形腔内的聚合物熔体充模过程,展示了XPP熔体和FENE-P熔体充模过程中界面演化的不同之处,分析了型腔参数对流动的影响.数值结果表明:CSPH_HT方法具有较高的数值精度和较好的数值稳定性,XPP(extended pom-pom)熔体和有限拉伸非线性弹簧(FENE-P)熔体具有不同的流动特性,型腔参数的微小变化能够对流动造成很大影响.

用两比特海森伯XY模型研究热几何失协
Thermal geometric discords in a two-qubit Heisenberg XY model

范竑锐, 袁亚丽, 侯喜文
物理学报. 2016, 65 (22): 220301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.220301
全文: [PDF 334 KB] 下载:(158)
摘要

研究磁场、温度及相互作用参数对两量子比特海森伯XY模型的热量子关联影响,其中量子关联用两种改进的几何失协,以及共生度来描述.结果表明:在低温和弱磁场区域,这三个量呈现类似的行为;但是,两种几何失协在对抗温度和磁场上比共生度更强大;在合适的条件下,一种改进的几何失协随磁场的增加而增加,而另一种失协是减小的;特别是,这种改进的几何失协出现突然变化,而另一种失协和共生度没有这种变化.这些结果有助于深入理解不同的几何失协量度以及两类量子关联.

量子隐形传态保真度的新公式及应用
New formula for calculating the fidelity of teleportation and its applications

贾芳, 刘寸金, 胡银泉, 范洪义
物理学报. 2016, 65 (22): 220302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.220302
全文: [PDF 341 KB] 下载:(268)
摘要

基于传统的Kimble-Braunstein量子隐形传态方案,利用纠缠态表象方法导出了平均意义下输出量子态的密度算符表示——输出态算符与输入态、纠缠源的特征函数的关系,以及输出态特征函数与以上特征函数的简洁关系.基于此,对于任意的双模纠缠源,进一步推导了传输相干态的保真度公式——它仅仅表示成纠缠源的Q函数的一个简洁积分.这为保真度计算提供了一条方便有效的途径.作为应用,我们考察了包括高斯与非高斯纠缠态作为纠缠源实现相干态传输的保真度.

基于频域信息交换的随机共振研究
Stochastic resonance based on frequency information exchange

刘进军, 冷永刚, 赖志慧, 谭丹
物理学报. 2016, 65 (22): 220501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.220501
全文: [PDF 629 KB] 下载:(175)
摘要

针对经典随机共振检测大参数信号的困难,提出了基于频域信息交换的随机共振方法,并根据相移的单边带信号调制理论阐述了频域信息交换的随机共振机理.为了克服变尺度随机共振采样频比的制约,给出了基于变尺度频域信息交换的随机共振信号检测方法.数值模拟和信号检测性能分析表明,基于变尺度频域信息交换的随机共振方法具有更有效的采样频比,更便于工程实际的应用.

电压型buck-boost变换器的混沌控制
Chaos control of voltage mode controlled buck-boost converter

郑连清, 彭一
物理学报. 2016, 65 (22): 220502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.220502
全文: [PDF 591 KB] 下载:(254)
摘要

由于科学技术发展水平的限制,还无法利用处于混沌态的DC-DC变换器来达成一些期望的目标,所以对于DC-DC变换器中的混沌现象几乎都是抑制它的出现.本文针对工作在断续模式的电压型buck-boost变换器的混沌分岔现象,分别采用两种方法控制系统稳定工作在单周期态.第一种是无源延时反馈控制,它具有动态响应速度快、不改变系统频率的优点,但它在扰动过大时失效.第二种是改进的滑模控制,它具有动态响应特性好、鲁棒性好的优点.仿真结果表明,两种控制方法都能使buck-boost变换器稳定工作在单周期态,达到抑制其进入混沌态的目的.

电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

近表面层黏性模量梯度变化的复合平板中激光热弹激发声表面波的传播特性
Propagation characteristics of laser-generated surface acoustic waves in composite plate with gradient changes of near-surface viscous moduli

管义钧, 孙宏祥, 袁寿其, 葛勇, 夏建平
物理学报. 2016, 65 (22): 224201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.224201
全文: [PDF 853 KB] 下载:(164)
摘要

考虑复合平板近表面层的黏性模量变化特性,建立激光在复合平板中热弹激发声表面波的有限元模型,系统研究复合平板中声表面波的传播特性,并讨论近表面层的黏性模量、厚度与Lamé常数对声表面波衰减特性的影响,在此基础上,结合理论计算的色散与衰减曲线对声表面波传播特性进行验证.本研究为激光超声技术无损评估复合平板近表面层的力学性能提供理论指导,同时也为研究复合平板表面微裂纹问题提供可行性思路.

交流作用下电润湿液体透镜动态过程的测试与分析
Test and analysis of the dynamic procedure for electrowetting-based liquid lens under alternating current voltage

谢娜, 张宁, 赵瑞, 陈陶, 郝丽丽, 徐荣青
物理学报. 2016, 65 (22): 224202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.224202
全文: [PDF 442 KB] 下载:(320)
摘要

基于高斯光束传输理论,研制了一种透镜焦距动态变化的测试装置,给出了测试机理.并采用该测试装置测试了自制的基于电润湿技术的液体透镜焦距随交流信号的动态变化过程,结果表明,液体透镜的焦距随着工作电压幅值和极性的变化而发生相应变化.在一个周期内,依次出现了4个频率为50 Hz的峰值信号1,2,3和4,峰值1和2分别是由工作电压极性引起的,峰值3和4是由振荡模态引起的,且峰值的幅度随电压的增大而增大.这是由于在低压时液体透镜液面的形状随时间按球形变化,高压时液面的形状不再按球形变化,而是会产生新的振荡模态.

基于偏振延时干涉技术的光子波形产生技术研究
Photonic microwave waveform generation based on polarization delay interference

张华芳, 王文睿, 于晋龙, 王菊, 杨恩泽
物理学报. 2016, 65 (22): 224203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.224203
全文: [PDF 458 KB] 下载:(107)
摘要

提出并验证了一种新型的微波波形产生方案,该方案基于偏振延时干涉技术,仅采用一个激光器和马赫-曾德尔调制器(MZM),通过光子微波技术产生高速率微波波形.利用正弦微波信号对MZM进行调制,通过控制MZM的调制度,同时调节差分延迟线的延时量实现偏振延时干涉技术,成功实现了三角波和方波波形的输出.理论分析了基于偏振延时干涉技术的方波和三角波的产生原理,数值计算得到了最佳调制指数.实验中,通过5 GHz正弦波得到了同频方波和三角波的输出.实验结果与之相符合,验证了方案的可行性.

18 mJ,100 Hz飞秒钛宝石激光放大器
A 18 mJ femtosecond Ti: sapphire amplifier at 100 Hz repetition rate

张伟, 滕浩, 沈忠伟, 何鹏, 王兆华, 魏志义
物理学报. 2016, 65 (22): 224204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.224204
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摘要

采用环形腔再生放大及四通放大的两级放大方案,在重复频率100 Hz、单脉冲能量75.1 mJ的倍频Nd:YAG激光抽运下,通过啁啾脉冲放大飞秒钛宝石激光,获得了单脉冲能量25.4 mJ的放大输出,对应能量转换效率33.8%.经光栅压缩器补偿色散后的单脉冲能量为18.3 mJ,脉冲宽度为37.8 fs,对应峰值功率0.48 TW.测量其脉冲能量稳定性为3.6%,光束质量M2因子在X和Y方向上分别为1.8,1.6.

气体、等离子体和放电物理

旋转圆柱等离子体中撕裂模和Kelvin-Helmholtz不稳定性的激发特性
Excitations of tearing mode and Kelvin-Helmholtz mode in rotating cylindrical plasmas

毕海亮, 魏来, 范冬梅, 郑殊, 王正汹
物理学报. 2016, 65 (22): 225201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.225201
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摘要

采用约化的磁流体力学模型,数值研究了柱位形等离子体中q剖面和极向旋转剖面对q=1撕裂模不稳定性和Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性的影响.随着旋转强度的增加,m/n=1/1模被逐渐抑制,而高阶谐波模式(如m/n=2/2,m/n=3/3等)会经历四个区间:撕裂模失稳区间、撕裂模致稳区间、稳定窗口区间和K-H不稳定性激发区间.更进一步,我们发现,m/n=1/1模的增长率随旋转强度的改变与剪切层所处位置有关,并且剪切层分布在有理面内外的结果基本一致;然而高阶谐波模式却没有此类现象.另外,有理面处磁剪切越小,撕裂模越容易被剪切流抑制,并且越容易激发K-H不稳定性.

凝聚物质:结构、力学和热学性质

嵌段共聚物受限于接枝混合刷板间的相行为
Self-assembly diblock copolymers confined between mixed brush-grafted surfaces

范文亮, 孙敏娜, 张进军, 潘俊星, 郭宇琦, 李颖, 李春蓉, 王宝凤
物理学报. 2016, 65 (22): 226401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.226401
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摘要

采用自洽场理论研究了AB两嵌段共聚物受限于交替接枝两种不同性质的聚合物刷平行板间的相行为.考虑了嵌段共聚物对称性、聚合物刷接枝周期、聚合物刷体积分数、平板间距以及AB嵌段间的相互作用参数对体系相形貌的影响,获得了四角柱状与六角柱状的交替相、四角柱状与八角柱状的交替相、平行的斜层状相以及弯层状相等结构;同时发现,接枝周期性混合刷有利于减少体系无序相的产生,并且较小周期的聚合物刷体系有利于六角柱状相的形成;在一定条件下,通过调节聚合物刷体积分数能够实现由水平层状到垂直层状的转变,这对纳米平板制造具有重要的意义;随着平板间距的减小,也获得了从水平层状到垂直层状的转变.本文所提出的调控共聚物结构的新方法以及获得的新颖结构,可对新型功能材料的设计提供一定的指导.

利用扫描隧道显微镜研究水分子在Cu(110)表面的吸附与分解
Adsorption and dissociation of water on oxygen pre-covered Cu (110) observed with scanning tunneling microscopy

庞宗强, 张悦, 戎舟, 江兵, 刘瑞兰, 唐超
物理学报. 2016, 65 (22): 226801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.226801
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摘要

利用扫描隧道显微镜研究水分子在吸附有氧原子的Cu(110)表面的吸附与分解过程.室温条件下,氧原子(O)在Cu(110)表面吸附并自组装形成规则的沿[001]方向的(2×1)Cu-O链状结构.将吸附有氧原子的Cu(110)样品置于77 K低温条件下观察水分子的吸附与分解,发现在低温下水分子通过氢键与Cu-O链中的氧原子键合而吸附于Cu-O链的顶部和周围,吸附于Cu-O链周围的水分子自组装形成规则的六边形网状结构.通过针尖隧穿电子激发,六边形网状结构中的水分子与氧原子发生化学反应,反应生成的羟基与未参与反应的水分子键合在裸露的Cu(110)表面形成蜂窝网状结构.研究结果表明,Cu(110)表面吸附的氧原子有助于水分子在金属表面的吸附和组装,同时可以催化金属表面水分子的分解反应,对水汽转换实验研究具有一定的指导意义.

凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

1 kΩ量子霍尔阵列电阻标准器件研制
A 1 kΩ standardresistor device based on quantum Hall array

钟青, 王雪深, 李劲劲, 鲁云峰, 李正坤, 王文新, 孙庆灵
物理学报. 2016, 65 (22): 227301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.227301
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摘要

基于量子霍尔效应的整数值量子电阻标准计量器件,能够有效缩短电阻的量值传递链,减少传递过程引入的不确定度,实现电阻传递的量子化和扁平化.本文系统报告了基于GaAs/AlxGa1-xAs异质结的1 kΩ量子霍尔阵列电阻标准器件的设计、制作和测试.该器件在1.5 K下的测量结果与设计值的相对偏差为-1.96×10-7,测试数据的离散性为2.07×10-7.表明我们实现了1 kΩ量子霍尔电阻标准阵列器件.

双自旋过滤隧道结中的隧穿时间
Tunneling times in double spin-filter junctions

曾绍龙, 李玲, 谢征微
物理学报. 2016, 65 (22): 227302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.227302
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摘要

基于自由电子近似和Winful的隧穿时间模型,研究了普通金属/自旋过滤层/非磁绝缘层/自旋过滤层/普通金属(NM/SF/I/SF/NM)双自旋过滤隧道结中自旋相关的居留时间(dwell time)和相位时间(phase time).分别以居留时间和相位时间随入射电子能量、势垒高度和势垒宽度、以及分子场大小的变化情况做了讨论.计算结果表明:在低能隧穿区域(入射电子的能量小于势垒高度),由于自旋相关的自相干项的影响,不同自旋方向电子的相位时间总是大于居留时间;在高能隧穿区域(入射电子的能量大于势垒高度),自旋相关的自相干项的影响减小,不同自旋方向电子的相位时间和于居留时间趋于一致.NM/SF/I/SF/NM双自旋过滤隧道结中的居留时间和相位时间基本不受非磁绝缘层势垒高度和宽度变化的影响,该现象不同于常规的铁磁金属/非磁绝缘层/铁磁金属(FM/I/FM)隧道结.但当非磁绝缘层势垒高度低于自旋过滤层势垒高度时,改变非磁绝缘层的势垒高度和宽度会使居留时间和相位时间出现相峰值,该峰值的出现与不同自旋方向电子的共振隧穿有关.自旋过滤层的势垒高度的变化对NM/SF/I/SF/NM双自旋过滤隧道结中的居留时间和相位时间影响大,但宽度变化的影响较小.自旋过滤层中分子场的变化对不同自旋方向的电子的居留时间和相位时间有明显影响,且上自旋电子的居留时间和相位时间随分子场的增大而减少,而下自旋电子的情况刚好相反.

BaO掺杂对单畴GdBCO超导块材性能的影响
Influences of BaO doping on the properties of singe domain GdBCO bulk superconductors

王妙, 杨万民, 杨芃焘, 王小梅, 张明, 胡成西
物理学报. 2016, 65 (22): 227401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.227401
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摘要

采用改进后的顶部籽晶熔渗生长(M-TSIG)工艺,通过在固相先驱粉体中掺杂不同含量的BaO来有效地抑制GdBCO样品生长过程中出现的Gd/Ba替换现象,从而成功地制备出了一系列单畴GdBCO超导块材,并且对样品的宏观形貌、磁悬浮力、捕获磁通密度及临界温度等超导性能进行了研究.结果表明,随着BaO掺杂量的增加,样品的熔化温度(Tm)及包晶反应温度(Tp)均出现逐渐降低的趋势;同时,当样品中BaO的添加量在2 wt%–4 wt%时,可以在一定的程度上有效提高GdBCO样品的磁悬浮力、捕获磁通密度及临界温度等超导性能.

物理学交叉学科及有关科学技术领域

三元(Co0.5Cu0.5)100-xSnx合金的热物理性质与液固相变机理
Thermophysical properties and liquid-solid transition mechanisms of ternary (Co0.5Cu0.5)100-xSnx alloys

刘金明, 翟薇, 周凯, 耿德路, 魏炳波
物理学报. 2016, 65 (22): 228101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.228101
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摘要

本文系统研究了三元(Co0.5Cu0.5100-xSnxx=10,20,30,40,50 at%)合金的热物理性质及其在近平衡条件下的微观凝固组织特征.采用差示扫描量热法(DSC)确定了合金的液相限、固相限温度和熔化潜热,并建立了它们与合金成分之间的函数关系.实验发现,Sn元素的引入提高了液态三元(Co0.5Cu0.5100-xSnx合金的过冷能力,当Sn含量为50 at%时,合金的过冷度达到最大值68 K.基于DSC曲线和微观组织形态确定了近平衡条件下合金的液固相变过程和室温下的相组成,发现当Sn含量低于30 at%时,初生相为(Co)相,而当Sn含量超过30 at%时,Co3Sn2相成为领先形核相.在293–473 K温度范围内,实验测定了固态三元(Co0.5Cu0.5100-xSnx合金的热扩散系数和比热.结合所测定的固态合金密度,导出了三元(Co0.5Cu0.5100-xSnx合金在室温293 K下的热导率,发现其随Sn含量的增加呈现先增大后减小的变化规律.

一种用于中微子探测的3-inch光电倍增管的优化设计
Optimization of the 3-inch photomultiplier tube for the neutrino detection

郭乐慧, 田进寿, 卢裕, 李红伟
物理学报. 2016, 65 (22): 228501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.228501
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摘要

光电倍增管(PMT)作为当前中微子振荡研究的核心探测器件要求具有尽可能大的阴极有效探测面积与较小的渡越时间弥散,其时间特性直接决定了中微子的探测精度.针对高能粒子探测需求,本文优化设计了一种大阴极面超短型3-inch光电倍增管,基于Furman模型与电子轨迹追踪法展示了第一倍增极产生的二次电子向第二倍增极渡越的电子轨迹过程,据此对倍增极结构进行了局部优化;将Monte Carlo法与有限积分法相结合比较了不同分压下PMT内部电势分布对电子轨迹的影响并对优化后的大阴极面PMT的均匀性、收集效率、阴极至第一倍增极间渡越时间弥散(TTSCD1)等关键参数进行了统计与分析;利用particle-in-cell经典算法获得了此款PMT的增益特性.结果表明,优化后的大阴极面超短型PMT阴极有效探测面积较传统模型相比有效提升了30.87%,总长度仅103 mm,为目前最短的3-inch PMT设计结构;在1000 V阳极电压下,阴极顶点单光电子TTSCD1为0.75 ns,较传统3-inch PMT模型相比提升了2.73倍,平均收集效率可达96.40%;当阳极电压为1100 V时,其增益可达106以上.

航空旅客群体移动行为特性分析
Analyses of characetristics of air passenger group mobility behaviors

黄飞虎, 彭舰, 由明阳
物理学报. 2016, 65 (22): 228901      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.228901
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摘要

利用民航旅客订座数据分析了航空旅客群体移动的特性.研究发现:航空网络对于旅客的出行有一定的限制,从而使得群体的出行距离更符合拉伸指数分布且没有无标度特性;旅客的出行时间间隔满足截断幂律分布而不是幂律分布;同时,节假日等时间因素对旅客的出行有很大影响,特别是春节、暑假、国庆这些时间节点使得旅客的出行量远大于其他时间节点,而且在假节日出行的旅客,更喜欢提前购票.通过对吞吐量的分析,发现吞吐量具有一定的周期性,易受节假日的影响.另外,机场之间的吞吐量与其相互通航的城市数量有很大关系.


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