物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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腔模可调的高平均功率飞秒激光再生放大器
何鹏, 滕浩, 张宁华, 刘阳阳, 王兆华, 魏志义
物理学报. 2016, 65 (24): 244201
冲击加载下“V”形界面的失稳与湍流混合
李俊涛, 孙宇涛, 潘建华, 任玉新
物理学报. 2016, 65 (24): 245202
新型全腔输出半透明阴极相对论磁控管的理论和数值研究
杨温渊, 董烨, 董志伟
物理学报. 2016, 65 (24): 248401
物理学报  
   物理学报--2016, 65 (24)   发布日期: 2016-12-20
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综述

神经元模型对比分析
Contrastive analysis of neuron model

徐泠风, 李传东, 陈玲
物理学报. 2016, 65 (24): 240701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.240701
全文: [PDF 505 KB] 下载:(1004)
摘要

近年来,生物神经元模型的建立与应用已经获得了越来越多的关注,逐渐成为神经科学的一个重要分支.神经元模型不仅在仿生学、存储器设计、逻辑运算、信号处理等方面有重大应用,对分析研究神经系统的动力学特性也具有重要意义.本文总结了自1907年第一个神经元模型建立以来的发展历程,归纳出17种最具代表性的数学模型,分为电导依赖模型和非电导依赖模型进行比较分析,重点展示包括最新神经芯片TrueNorth上的神经元在内的5种经典模型,分析其仿真特性,以及电路实现的需求,方便研究者根据具体需求选择和改进神经元模型.

总论

基于最小刚性图代数特性的无线网络拓扑优化算法
Topology optimization algorithm for wireless networks based on the algebraic properties of minimum rigid graph

罗小元, 李昊, 马巨海
物理学报. 2016, 65 (24): 240201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.240201
全文: [PDF 507 KB] 下载:(353)
摘要

对于能量受限的无线传感器网络,拓扑优化能够降低能耗,优化通信链路结构.本文基于最小刚性图原理提出了一种新的拓扑优化算法,算法综合考虑了生成拓扑链路图中通信链路的权值与生成刚性图的代数特性问题,既保证了通信链路较短,有利于延长网络的生命周期,同时使生成的通信链路图结构更加稳定,网络具有较好的鲁棒性.仿真实验表明,与相关算法比较,提出的算法中通信链路较短,具有较好的网络连通性与结构稳定性,同时生成刚性图矩阵的迹较大,具有较好的刚度代数性能.

(2+1)维高阶Broer-Kaup系统的非局域对称及相互作用解
Nonlocal symmetries and interaction solutions of the (2+1)-dimensional higher order Broer-Kaup system

辛祥鹏, 刘汉泽, 刘希强
物理学报. 2016, 65 (24): 240202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.240202
全文: [PDF 1115 KB] 下载:(340)
摘要

利用非局域对称方法及相容tanh展开法研究了(2+1)维高阶Broer-Kaup系统.通过对Broer-Kaup系统的留数对称进行局域化,把非局域对称转化成等价的李点对称,同时得到了相应的对称群.利用相容tanh展开方法,得到了(2+1)维高阶Broer-Kaup系统的多种形式的波与孤立子的相互作用解,如椭圆周期波与孤立子等.为了研究这些解的动力学行为,本文给出了解的相应图像.

基于亥姆霍兹定理计算动力学系统的哈密顿能量函数
Calculation of Hamilton energy function of dynamical system by using Helmholtz theorem

王春妮, 王亚, 马军
物理学报. 2016, 65 (24): 240501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.240501
全文: [PDF 300 KB] 下载:(317)
摘要

亥姆霍兹定理表明任意空间矢量场可以分解为涡旋场和梯度场的叠加.由于电磁场变化和电磁波传播则导致电磁场能量的迁移,动力学振子和神经元处于复杂电磁环境下必然伴随能量的吸收和释放.在非线性混沌电路、电容器充电放电以及电感线圈感应过程中都伴随着能量的转换和迁移.包含量纲的非线性振荡电路可利用标度变换方法转换为无量纲的动力学方程.利用平均场理论,电场能量和磁场能量的转换可用若干非线性振荡电路的动力学方程来刻画.基于亥姆霍兹定理来研究一类无量纲非线性动力学系统的哈密顿能量计算问题,对于实际的非线性振荡电路,通过标度变换可快速计算其能量函数.该结果对于动力学系统自适应控制有重要的参考价值.

柔性杆与凸轮斜碰撞特性分析
Dynamical analysis of the flexible beam-cam oblique-impact system

杨永锋, 冯海波, 陈虎, 仵敏娟
物理学报. 2016, 65 (24): 240502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.240502
全文: [PDF 407 KB] 下载:(197)
摘要

在计入柔性杆横向变形及其二阶耦合量的条件下,利用Hamilton最小作用原理建立柔性杆与凸轮斜碰撞系统的动力学方程,提出了柔性杆与凸轮碰撞点的确定方法,实现了柔性杆自由下落后的碰撞前、碰撞过程和碰撞后3个阶段的动力学行为仿真.通过分析柔性杆的碰撞运动规律,发现杆的柔性、大范围运动和碰撞三者间存在耦合,碰撞后柔性杆的转角随时间波动变化,转角波动的幅值随时间增大总趋势在减小,但规律性较差.

单模光纤中用声波导布里渊散射同时测量温度和应变
Simultaneous measurement on strain and temperature via guided acoustic-wave Brillouin scattering in single mode fibers

邓春雨, 侯尚林, 雷景丽, 王道斌, 李晓晓
物理学报. 2016, 65 (24): 240702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.240702
全文: [PDF 758 KB] 下载:(272)
摘要

为解决布里渊频移同时受温度和应变影响的交叉敏感问题,提出了用声波导布里渊散射同时检测温度和应变的传感器设计方案.根据声波导布里渊散射中不同声模对温度和应变的敏感度不同,设计特定的抽运光和斯托克斯光频率,使检测的频谱图上呈现多峰放大现象.再根据温度和应变对声模特征频率的影响,区分出光纤所受温度和应变值.模拟结果表明标准SMF-28光纤中,R02模对应的温度敏感度比TR25模对应的温度敏感度低0.86%,R02模对应的应变敏感度比TR25模对应的应变敏感度高54.1%.由于R02模和TR25模对应温度敏感度近似相同,而两者对应应变敏感度相差较大,可以有效地区分出温度和应变对布里渊频移的影响,从而达到温度应变同时测量的目的.

电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

腔模可调的高平均功率飞秒激光再生放大器 Hot!
A cavity mode size adjustable high average power Ti: sapphire femtosecond regenerative amplifier

何鹏, 滕浩, 张宁华, 刘阳阳, 王兆华, 魏志义
物理学报. 2016, 65 (24): 244201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.244201
全文: [PDF 482 KB] 下载:(221)
摘要

介绍了一种腔模可调的高平均功率飞秒激光再生放大器.通过调节再生腔内模式大小补偿热透镜效应,从而获得高效率、高平均功率的激光放大.利用该再生放大结构,在1 kHz重复频率、20 W功率抽运下,获得了平均功率为6.5 W的放大光输出,压缩后的功率为4.8 W、脉冲宽度为35 fs.腔型计算和实验结果均表明该腔型结构能很好地用于高平均功率飞秒激光放大,是进一步进行后续放大的理想前端.

饱和非线性介质中艾里-高斯光束的传输与交互作用
Propagation and interactions of Airy-Gaussian beams in saturable nonliear medium

陈卫军, 卢克清, 惠娟利, 张宝菊
物理学报. 2016, 65 (24): 244202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.244202
全文: [PDF 1219 KB] 下载:(244)
摘要

研究了艾里-高斯光束在饱和非线性介质中的传输与交互作用.结果表明,入射光为单艾里-高斯光束时,在一定功率范围内,调节初始振幅与光场分布,可形成传输方向可控的呼吸孤子.当初始振幅增加时,孤子的呼吸周期先减小后增大.入射光为两艾里-高斯光束时,同相位光束相互吸引,两光束中心位置两侧附近产生呼吸孤子和对称孤子对.反相位光束相互排斥,中心位置两侧仅产生对称的孤子对.光场分布越趋于高斯分布,两艾里-高斯光束相互作用就越强,孤子对的数目越少.

一种利用布里渊增益谱边带解调提高布里渊光时域反射系统测温精度的方法
Temperature measurement accuracy enhancement in the Brillouin optical time domain reflectometry system using the sideband of Brillouin gain spectrum demodulation

刘瑞霞, 张明江, 张建忠, 刘毅, 靳宝全, 白清, 李哲哲
物理学报. 2016, 65 (24): 244203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.244203
全文: [PDF 1262 KB] 下载:(196)
摘要

测温精度是衡量分布式光纤温度传感系统的一项重要性能指标.本文提出一种通过解调布里渊增益谱边带,以提高布里渊光时域反射仪测温精度的方法.在此基础上,进一步分析并验证了探测光脉冲峰值功率对测温精度的影响.理论分析表明,利用声光调制器的频移特性可产生布里渊增益谱边带,相比于中心峰解调方法,采用布里渊增益谱边带解调法可获得更高的系统信噪比,进而提高系统测温精度.实验结果表明,在相同测量条件下,布里渊增益谱左边带峰值功率较其中心峰峰值功率高3.27 dB,且其-1 dB谱宽比中心峰窄14.5 MHz.对布里渊增益谱左边带进行频率扫描,由于相干探测时参考光的作用以及消除了相干瑞利噪声的影响,系统信噪比提高了4.35 dB,并在10.2 km的传感距离上实现了±0.5℃的测温精度.

新型Fibonacci准周期结构一维等离子体光子晶体的全方位带隙特性研究
Omnidirectional photonic bandgap of the one-dimensional plasma photonic crystal based on a novel Fibonacci quasiperiodic structure

张娟
物理学报. 2016, 65 (24): 244204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.244204
全文: [PDF 597 KB] 下载:(182)
摘要

以二元Fibonacci准周期结构的一维等离子体光子晶体为对象,在系统研究不同初始序列及周期数的该结构光子晶体带隙特性的基础上,给出了一种新颖的一维等离子体光子晶体结构,用于扩大全方位光子带隙.相比文献中的结构,该结构更简单(层数大大减少,且属于二元结构),全方位光子带隙宽度也更宽.此外,讨论了等离子体材料参数,如等离子厚度、等离子体频率、碰撞频率对该结构全方位带隙的影响,并与文献结构情况进行了对比.研究结果可为新型全方位反射器的设计提供重要的理论指导.

介孔复合材料声子输运的格子玻尔兹曼模拟
Lattice Boltzamn model of phonon heat conduction in mesoporous composite material

冯黛丽, 冯妍卉, 石珺
物理学报. 2016, 65 (24): 244401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.244401
全文: [PDF 409 KB] 下载:(155)
摘要

采用格子玻尔兹曼方法对NaCl@Al2O3介孔复合材料内的声子热输运进行了模拟分析.基于德拜物理模型,提出了温度耦合的复合材料界面处理方法,有效实现了复合材料声子输运的格子玻尔兹曼模拟,获得了不同孔径、孔隙率、孔形状、孔排列、界面条件系数下介孔复合材料的热导率,并进行影响因素分析.结果表明:该介孔复合材料热导率,在孔隙率一定时,随着孔径增大而增大,呈现显著的尺度效应;在孔径一定时,热导率随孔隙率增大而减小;孔径和孔隙率一定时,热导率随界面条件系数的增大而减小;孔形状和孔排列均会影响介孔复合材料的热导率,且这种影响会随着界面条件系数的增大而增大.

复杂型腔充模过程中分子构型演化的数值模拟
Numerical simulation of molecular conformation evolution during mold filling process in a complex cavity

李强, 邵水军, 李世顺
物理学报. 2016, 65 (24): 244601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.244601
全文: [PDF 1109 KB] 下载:(135)
摘要

基于充模过程的两相黏弹性流体模型,采用有限体积、浸入边界和复合水平集流体体积方法,数值模拟了聚合熔体在复杂型腔中的充模过程.首先,借助一类特殊函数(R-functions)将基于基本几何体的水平集函数组合成描述复杂型腔的形状水平集函数.然后,采用浸入边界法处理复杂型腔问题,有限体积方法求解熔体控制方程,利用复合水平集流体体积方法对熔体前沿界面进行隐式追踪.基于有限伸展非线性弹性哑铃本构方程模型,计算熔体分子构型张量,通过取向椭圆描述分子的取向及拉伸行为,实现了充模过程中分子构型的可视化.最后,对带有两个圆形嵌件的环状型腔内的充模过程进行数值模拟研究,得到了充模过程中型腔内的温度、应力及分子构型的变化情况,并重点分析了充模速度、熔体温度和模具温度等对分子构型的影响.数值结果表明:本文提出的耦合模型可以成功模拟复杂型腔内充模过程中的温度、应力和分子取向等物理量的动态变化;适当提高注射速度可以增大熔接痕的强度;提升熔体温度和模具温度,可以有效改善甚至消除熔接痕.

一种基于二维光滑粒子法的流体仿真方法
A fluid simulation method based on two-dimensional smoothed particle hydrodynamics

张海超, 郑丹晨, 边茂松, 韩敏
物理学报. 2016, 65 (24): 244701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.244701
全文: [PDF 1857 KB] 下载:(245)
摘要

针对大场景下流体仿真计算复杂度高的问题,本文以浅水方程为基础,提出一种改进的二维光滑粒子方法.该方法中使用光滑粒子法离散二维浅水方程,将水深作为粒子的属性,把计算复杂度降到二维的程度;同时为了提高邻域粒子的搜索效率,提出一种基于动态网格的邻近粒子搜索方法;并使用虚粒子和惩罚力相结合的方法处理边界条件以高效率应对复杂边界;渲染时,首先将粒子映射并插值到规则网格内得到流体表面,避免三维流体表面重构复杂度高的问题,最后利用OpenGL着色语言实现加速渲染,从而达到大场景下流体实时仿真.

电磁控制两自由度涡生振荡的机理研究
The mechanism investigation of two-degree-of-freedom vortex-induced vibration with electro-magnetic forces

刘梦珂, 张辉, 范宝春, 韩洋, 归明月
物理学报. 2016, 65 (24): 244702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.244702
全文: [PDF 1277 KB] 下载:(154)
摘要

电介质溶液中,电磁场产生的电磁力可以控制流体的运动.本文对两自由度圆柱涡生振荡及其电磁控制机理进行了数值研究.将坐标原点建立在振动圆柱上,推导了非惯性参考系指数极坐标下的涡量流函数方程、初始边界条件及水动力表达式.对圆柱沿法向和流向的流场、受力和位移的相互影响和瞬时对应规律进行了讨论,结果表明,圆柱的涡生振荡同时受到尾涡脱落和圆柱位移的影响.其作用方式沿法向通过影响圆柱上下两侧剪切层的强度,沿流向通过改变圆柱尾部二次涡的强度,从而改变圆柱的受力和运动.其中圆柱位移的作用效果与尾涡脱落的作用效果相反且占主导.另外,在电磁力的作用下,分离点被消除,使得圆柱的尾涡和推吸壁面的效果被抑制,从而使振动的诱因被消除,圆柱迅速达到稳定状态,并在电磁推力的作用下,圆柱的位置向上游移动.

展向旋转平面库埃特湍流瞬时场的五分解方法
Penta-decomposition of instantaneous field in spanwise-rotating turbulent plane Couette flow

盖杰, 刘泽宇, 罗佳奇, 蔡庆东, 夏振华
物理学报. 2016, 65 (24): 244703      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.244703
全文: [PDF 396 KB] 下载:(206)
摘要

展向旋转平面库埃特湍流是旋转系统下壁湍流研究的经典问题,并且此湍流问题中的大尺度涡卷(roll cells)结构也受到广泛关注.本文采用五分解方法将存在二次流的瞬时场分解为五部分,包括平均流场、二次流场的流向和横向部分以及剩余场的流向和横向部分.通过五分解法,可以掌握湍动能各分量在能量平衡和能量传递方面的重要机制.研究结果表明:二次流和剩余场的流向运动(横向运动)是通过二次流涡量与剩余场剪应力相关项进行能量传递,二次流(剩余场)的流向运动和横向运动之间是通过旋转项进行能量传递;此外,剩余场的流向和横向运动之间还通过压力与应变率相关的再分配项进行能量传递;对于剩余场流向部分,在一定的旋转强度范围内,通过二次流涡量与剩余场剪应力相关项从二次流流向部分获取的能量大于从平均流获取的能量,说明二次流流向运动对剩余场流向运动有很大影响.

气体、等离子体和放电物理

碰撞参数对磁化电负性等离子体鞘层结构的影响
Effect of collision parameter on magnetized electronegative plasma sheath structure

刘惠平, 邹秀, 邹滨雁, 邱明辉
物理学报. 2016, 65 (24): 245201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.245201
全文: [PDF 432 KB] 下载:(127)
摘要

数值研究了离子马赫数的取值和碰撞参数对由热电子、热负离子和冷正离子构成的磁化电负性等离子体鞘层结构的影响.通过理论推导得到了鞘层模型的玻姆判据的表达式,并得到了不同离子马赫数情况下鞘层的正离子密度分布和净电荷分布曲线,还进一步得到了几个不同碰撞参数下鞘层的带电粒子密度、净电荷以及电势分布曲线.结果表明:离子马赫数取值不同对应不同的鞘层结构;碰撞使鞘层中正离子密度增加,使电子密度更快减小到零,对负离子密度分布影响不明显;碰撞使净电荷密度的峰值幅度增加并向鞘层边缘移动,使鞘层中电势值升高并使鞘层厚度减小.

冲击加载下“V”形界面的失稳与湍流混合 Hot!
Instability and turbulent mixing of shocked “V” shaped interface

李俊涛, 孙宇涛, 潘建华, 任玉新
物理学报. 2016, 65 (24): 245202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.245202
全文: [PDF 1116 KB] 下载:(162)
摘要

采用多组分混合物质量分数模型和最小色散可控耗散格式的高分辨率有限体积方法,数值模拟了弱激波冲击不同角度的“V”形空气/SF6界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性问题.激波冲击界面后,在界面附近沉积涡量,形成沿界面规则排列的旋涡结构,同时界面扰动发展形成气泡和尖钉结构.本文统计了界面左端移动速度和界面混合宽度增长率等特征量的演化规律,并与已有的实验结果进行了对比,两者符合较好.讨论了物质界面处的流体向湍流混合发展的过程,随着界面旋涡结构的演化,涡结构之间开始发生相互诱导、并对等现象,并逐渐聚集在几个区域,而多尺度结构也因旋涡的诱导作用在这些区域中产生.通过对由雷诺数定义的惯性尺度进行分析,发现了具有上下边界的惯性尺度区域的形成,对动能能谱的分析发现了-5/3对数率的出现,这同样说明了惯性尺度区域的形成.由于湍流混合转捩与惯性尺度区域的形成是一致的,界面附近流场将发展为湍流.

凝聚物质:结构、力学和热学性质

总剂量辐照对热载流子效应的影响研究
Total dose dependence of hot carrier injection effect in the n-channel metal oxide semiconductor devices

何玉娟, 章晓文, 刘远
物理学报. 2016, 65 (24): 246101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.246101
全文: [PDF 650 KB] 下载:(192)
摘要

研究了总剂量辐照效应对0.35 μm n型金属-氧化物-半导体(NMOS)器件热载流子测试的影响.试验结果表明:经过100 krad(Si)总剂量辐照后进行5000 s的热载流子测试,NMOS器件阈值电压随着总剂量的增大而减小,然后随热载流子测试时间的增加而增大,且变化值远远超过未经过总剂量辐照的器件;总剂量辐照后经过200 h高温退火,再进行5000 s的热载流子测试,其热载流子退化值远小于未高温退火的样品,但比未辐照的样品更明显,即总剂量辐照与热载流子的协同效应要超过两种效应的简单叠加.根据两种效应的原理分析,认为总剂量辐照感生氧化层陷阱电荷中的空穴与热电子复合减少了正氧化层的陷阱电荷,但辐照感生界面态俘获热电子形成负的界面陷阱电荷,表现为两者的协同效应模拟方式比单机理模拟方式对器件的影响更严重.

高功率激光装置熔石英紫外损伤增长研究
Laser-induced damage growth of fused silica at 351 nm on a large-aperture high-power laser facility

韩伟, 冯斌, 郑奎兴, 朱启华, 郑万国, 巩马理
物理学报. 2016, 65 (24): 246102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.246102
全文: [PDF 1909 KB] 下载:(191)
摘要

基于大口径高功率激光装置开展了熔石英紫外损伤增长的实验研究.研究结果表明:在5 ns平顶脉冲的紫外激光辐照下,熔石英后表面损伤点尺寸随激光发次主要服从指数增长规律,且损伤增长速率随激光通量的增加而上升;但是,在相同的激光通量下损伤增长速率并非一个恒定值,而是存在一定的分布范围,说明除激光通量外还存在其他的影响因素.进一步的统计分析表明,在相同的激光通量下,小尺寸损伤点的平均增长速率高于大尺寸损伤点,表明损伤增长速率不仅与激光通量有关,还与损伤点尺寸有关.由于损伤增长主要源于损伤坑轴向和纵向裂纹在力学作用下发生扩展,因此小尺寸损伤点增长速率高于大尺寸损伤点增长速率说明小尺寸损伤点更易将激光能量耦合为弹性应变能.研究结果对熔石英使用寿命的精确预测和损伤机理的深入认识具有重要意义.

凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

光抽运太赫兹探测技术研究ZnSe的光致载流子动力学特性
Photocarrier dynamics in zinc selenide studied with optical-pump terahertz-probe spectroscopy

李高芳, 马国宏, 马红, 初凤红, 崔昊杨, 刘伟景, 宋小军, 江友华, 黄志明, 褚君浩
物理学报. 2016, 65 (24): 247201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.247201
全文: [PDF 1053 KB] 下载:(194)
摘要

利用光抽运-太赫兹探测技术,研究了ZnSe的载流子弛豫过程和太赫兹波段电导率的时间演化过程.在中心波长为400 nm的抽运光作用下,ZnSe的载流子弛豫过程用双指数函数进行了很好的拟合,其快的载流子弛豫时间和慢的载流子弛豫时间均随抽运光密度的增加而增大.快的载流子弛豫时间随抽运光密度的增加而增大与样品中的缺陷有关,随着激发光密度的增加,激发的光生载流子浓度增大,缺陷逐渐被光生载流子填满,致使快的载流子弛豫时间增大;慢的载流子弛豫时间随着抽运光密度增加而增大主要和带填充有关.不同抽运光延迟时间下ZnSe在太赫兹波段的瞬态电导率用Drude-Smith模型进行了很好的拟合.对ZnSe光致载流子动力学特性的研究为高速光电器件的设计和制造提供了重要的实验依据.

Ni-Mn杂化对Mn50Ni41-xSn9Cux合金中马氏体相变温度和马氏体相磁性的影响
Role of Ni-Mn hybridization in the martensitic transformation and magnetism of Mn50Ni41-xSn9Cux alloys

申建雷, 李萌萌, 赵瑞斌, 李国科, 马丽, 甄聪棉, 候登录
物理学报. 2016, 65 (24): 247501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.247501
全文: [PDF 894 KB] 下载:(193)
摘要

研究了Ni-Mn杂化对Mn50Ni41-xSn9Cux合金马氏体相变温度和马氏体相磁性的影响.研究表明:在Mn50Ni41-xSn9Cuxx=0,1,3,5)合金中,随着Cu含量增加,马氏体相变温度和居里温度均降低;自发交换偏置场也随着Cu含量的增加从1182 Oe(1 Oe=79.5775 A/m)降低到0 Oe.马氏体相变温度和马氏体相磁性的变化归因于掺杂Cu削弱了体系中Ni 3d eg与Mn 3d之间的杂化.

磁性多层膜CoFeB/Ni的垂直磁各向异性研究
Perpendicular magnetic anisotropy study of CoFeB/Ni multilayers by anomalous Hall effect

俱海浪, 王洪信, 程鹏, 李宝河, 陈晓白, 刘帅, 于广华
物理学报. 2016, 65 (24): 247502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.247502
全文: [PDF 694 KB] 下载:(190)
摘要

应用磁控溅射法在玻璃基片上制备了以Pt为底层的CoFeB/Ni多层膜结构样品,通过测试样品的反常霍尔效应研究多层膜的垂直磁各向异性(perpendicular magnetic anisotropy,PMA),对影响多层膜垂直磁各向异性的各因素进行了调制.实验结果表明,多层膜的底层厚度、周期层中各层的厚度及周期数对样品的反常霍尔效应和磁性有重要影响.通过对样品各参数的逐步调制,最终获得了具有良好PMA的CoFeB/Ni多层膜最佳样品Pt(4)/[CoFeB(0.4)/Ni(0.3)]3/Pt(1.0).经测试计算,该样品的各向异性常数Keff为2.2×106 erg/cm3(1 erg/cm3=10-1J/m3),具有良好的PMA性能,样品总厚度为7.1 nm,完全满足制备垂直磁结构材料的厚度要求,可进一步研究其在器件中的集成与应用.

半导体三量子点电磁感应透明介质中的非线性法拉第偏转
Nonlinear Faraday rotation in electromagnetically induced transparency medium of semiconductor three quantum dots

陈秋成
物理学报. 2016, 65 (24): 247801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.247801
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摘要

利用一束弱线性π偏振探测光在与其平行的磁场作用下所形成的两偏振分量,然后结合量子点间的隧穿耦合,构建了五能级M型半导体三量子点分子电磁感应透明介质.通过研究该体系的线性光学性质发现,操控量子点间隧穿耦合强度可有效调节系统中隧穿诱导透明窗口的宽度,并实现对介质的反常色散与正常色散的“开关”调节效应.随后,对体系非线性法拉第效应的研究发现,在相同的外加磁场下探测光的非线性法拉第偏转方向与线性法拉第偏转相反且非线性法拉第偏转角更大.

纳米SiO2/环氧树脂复合材料介电性与纳米粒子分散性关系
Relationship between dielectric properties and nanoparticle dispersion of nano-SiO2/epoxy composite

高铭泽, 张沛红
物理学报. 2016, 65 (24): 247802      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.247802
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摘要

利用硅烷偶联剂改性纳米SiO2,制得改性纳米SiO2分散液和改性纳米SiO2颗粒.分别利用“机械法”和“气泡法”制备纳米SiO2含量为2 wt%,3 wt%,4 wt%,5 wt%和6 wt%的未改性纳米SiO2复合环氧树脂和改性纳米SiO2复合环氧树脂,测试了复合环氧树脂的击穿特性和耐电晕特性.测试结果表明,复合环氧树脂的击穿场强和耐电晕性随纳米SiO2含量的增加而增加,击穿场强在5 wt%纳米SiO2含量时达到最大值,“气泡法”制备的改性纳米SiO2复合环氧树脂的击穿场强和耐电晕性优于所制备的其他复合环氧树脂.以5 wt%纳米SiO2含量复合环氧树脂为例,通过森下氏分散指数(Morisita's index)方法对复合环氧树脂中纳米SiO2的分散性进行定量表征,得出“气泡法”制得的纳米SiO2/环氧树脂复合材料的分散性优于“机械法”制备的复合材料.研究发现纳米SiO2在环氧树脂基体中分散性越好,复合材料的击穿特性和耐电晕性越好.

物理学交叉学科及有关科学技术领域

稀土元素在α-Fe和Fe3C中分配行为的第一性原理研究
First-principles investigation on partitioning behavior of rare earth elements between α-Fe and Fe3C

熊辉辉, 张慧宁
物理学报. 2016, 65 (24): 248101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.248101
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摘要
基于密度泛函理论的第一性原理,采用分配焓研究了Sc,Y,Ce和La四种稀土元素在α-Fe和Fe3C之间的分配行为,并讨论了稀土合金渗碳体的平均重叠布居数和态密度.研究结果表明:α-Fe和Fe3C中的稀土元素均呈现一定的反铁磁性.在铁磁态和无磁态时这些稀土的分配焓均为负,说明了它们更容易分配并固溶于渗碳体,且使渗碳体中Fe–C共价键和Fe–Fe金属键增强,从而提高了渗碳体的稳定性;此外,Sc更容易占据渗碳体中Fe的4c位置,而Y,Ce和La更容易置换渗碳体中的8d位置,与平均重叠布居数和态密度分析的结果一致.

基于AZO/VO2/AZO结构的电压诱导相变红外光调制器
Infrared modulator based on AZO/VO2/AZO sandwiched structure due to electric field induced phase transition

徐婷婷, 李毅, 陈培祖, 蒋蔚, 伍征义, 刘志敏, 张娇, 方宝英, 王晓华, 肖寒
物理学报. 2016, 65 (24): 248102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.248102
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摘要

采用直流磁控溅射和后退火工艺先在掺Al氧化锌(AZO)导电玻璃基底上制备了高质量的VO2薄膜,再在VO2膜层上制备AZO导电膜,最终制备出了AZO/VO2/AZO三明治结构.测试了VO2/AZO复合薄膜和AZO/VO2/AZO三明治结构的组分、微结构以及光学特性,结果表明VO2/AZO复合薄膜在800–2300 nm红外区域其相变前后的最大透过率差值达24%,而AZO/VO2/AZO三明治结构在相同波长范围内其相变前后的最大透过率差值可达31%.通过在AZO/VO2/AZO三明治结构导电膜层上施加不同电压,观察到不同外界温度下电流的突变,当外界温度越高,所需阈值电压越低.AZO/VO2/AZO三明治结构性能稳定,制备工艺简单,有望应用于集成式红外光调制器.

N/B掺杂石墨烯的光学与电学性质
Optical and electronic properties of N/B doped graphene

禹忠, 党忠, 柯熙政, 崔真
物理学报. 2016, 65 (24): 248103      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.248103
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摘要

石墨烯因其独特的化学成键结构而拥有出色的化学、热学、机械、电学、光学特性.由于石墨烯为零带隙材料,限制了其在纳电子学领域的发展.因此,为了拓宽石墨烯的应用范围,研究打开石墨烯带隙的方法显得尤为重要.本文构建了本征石墨烯、N掺杂石墨烯、B掺杂石墨烯三种模型,研究了本征石墨烯和不同掺杂浓度下的N/B掺杂石墨烯的能带结构、电子态密度及光学与电学性质,包括吸收谱、反射谱、折射率、电导率和介电函数等.研究结果显示:1)本征石墨烯费米能级附近的电子态主要是由C-2p轨道形成,而N/B掺杂石墨烯费米能级附近的电子态主要是由C-2p和N-2p/B-2p轨道杂化形成;2)N/B掺杂可以引起石墨烯费米能级、光学与电学性质的改变,且使狄拉克锥消失,进而打开石墨烯带隙;3)N/B掺杂可以引起石墨烯光学和电学性质的变化,且对吸收谱、反射谱、折射率、介电函数影响较大,而对电导率影响较小.本文的结论可为石墨烯在光电子器件中的应用提供理论依据.

三终端非对称夹角石墨烯纳米结的弹道热整流
Ballistic thermal rectification in the three-terminal graphene nanojunction with asymmetric connection angles

顾云风, 吴晓莉, 吴宏章
物理学报. 2016, 65 (24): 248104      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.248104
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摘要

提出并通过非平衡格林函数法验证了一个三终端石墨烯纳米结弹道热整流的理论模型——石墨烯带两端作为左右热极,其上加一倾斜分支作为控制热极形成一个Y形纳米结.结果发现:热流倾向于从与控制热极夹角较小的热极流向另一个热极;控制热极与左右热极间夹角差别的增大有利于热整流,这一现象在扶手椅型石墨烯带上尤其明显;锯齿型石墨烯带加上与其呈30°夹角的扶手椅型分支具有最明显的热整流效应;对于左右热极宽度不同的热整流器,倾斜控制热极可以使整流比在原来的基础上提高超过50%.

新型全腔输出半透明阴极相对论磁控管的理论和数值研究 Hot!
Theoretical and numerical investigations of the novel relativistic magnetron using all-cavity output and semi-transparent cathode

杨温渊, 董烨, 董志伟
物理学报. 2016, 65 (24): 248401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.248401
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摘要

为减小器件的体积和重量,提高器件的实用性,在轴向渐变输出结构半透明阴极相对论磁控管的基础上,提出了全腔耦合输出结构半透明阴极相对论磁控管,并对其进行了理论分析和数值模拟.采用全腔输出结构后,器件互作用区径向半径由10.5 cm降到6.6 cm,轴向长度由大于40 cm降到小于30 cm,器件尺寸显著减小.通过对输出结构的参数优化,在注入电子束电压和电流分别约为395 kV和5.6 kA、外加磁场为4.75 kGs(1 Gs=10-4 T)时,模拟在S波段获得了效率约50%的微波输出,输出功率达到1.15 GW,模式更加纯净.同时还分析了耦合孔的长度、宽度和深度以及输出波导的宽度和短路面起始位置等参数对输出性能的影响规律.

基于微腔-抗反射谐振杂化模式的吸收增强型有机太阳能电池的理论研究
Theoretical study of microcavity-antireflection resonance hybrid modes enhanced absorption of organic solar cells

赵泽宇, 刘晋侨, 李爱武, 牛立刚, 徐颖
物理学报. 2016, 65 (24): 248801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.248801
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摘要

有机太阳能电池中的微腔模式可以在谐振波长附近增强光与物质的相互作用,提高有源层的光吸收,但是其内禀的窄带宽特性限制了器件的宽频谱吸收性能.本文提出一种模式杂化机制,通过在器件外部引入盖层,激发盖层内支持的抗反射谐振模式,使其与器件内在的微腔模式发生耦合作用,形成两个新的杂化模式.杂化模式可以拓宽模式谐振带宽,有利于增强太阳能电池的宽频谱光吸收.理论计算表明,通过设计杂化模式的谐振位置,基于模式杂化机制的平板器件的最优化总吸收率相比传统的微腔器件的最优化性能提高了37%,并同样优越于广泛研究的基于表面等离激元的光栅机制,这证明提出的模式杂化机制是一种简单高效的光束缚机制.

无标度网络中基于能量的混合路由策略
Energy-based hybrid routing strategy for scale-free networks

杨先霞, 濮存来, 许忠奇, 陈荣斌, 吴洁鑫, 李伦波
物理学报. 2016, 65 (24): 248901      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.248901
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摘要

针对节点能量受限的静态无标度网络,提出了一种基于能量和最短路径相结合的路由策略.该策略综合考虑邻居节点的能量水平和其到目的节点的最短路径长度,利用控制参数β调节二者的权重.仿真结果表明,存在最佳的β值使得网络生存时间和数据包到达数达到最大值.最后,基于提出的路由策略研究了网络结构特征与网络生存时间之间的关系.

地球物理学、天文学和天体物理学

基于贝叶斯压缩感知的周跳探测与修复方法
Cycle slip detection and repair based on Bayesian compressive sensing

李慧, 赵琳, 李亮
物理学报. 2016, 65 (24): 249101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.249101
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摘要

针对观测噪声对周跳探测与修复性能的影响,提出了一种新的利用贝叶斯压缩感知技术进行周跳探测与修复的方法.在历元间-站间载波相位双差观测模型的基础上,通过挖掘周跳信号的稀疏特性,获取感知矩阵,推导并建立稀疏周跳探测模型,利用稀疏贝叶斯学习中的相关向量机原理,结合周跳相关数据的先验信息,基于主动相关决策理论,进行回归估计获得周跳预测值的分布,进而实现周跳的探测与修复.实验表明,新方法在仅利用单频或双频载波相位观测量的情况下能有效探测并修复周跳,性能优于正交匹配追踪法及l1范数法.

基于自适应阈值的阵列激光三维点云配准
Laser array imaging point cloud registration based on adaptive threshold

王岩, 王飞, 王挺峰, 谢京江
物理学报. 2016, 65 (24): 249501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.249501
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摘要

阵列激光三维成像作为一种新型的非合作目标三维图像获取技术,高效的回波信号处理和三维重构方法是提高其探测能力和成像精度的前提,其中配准过程是阵列激光三维成像点云数据处理中必不可少的步骤.本文根据阵列激光三维成像系统的成像特点,对迭代最近点(ICP)配准算法中阈值设定依据进行分析,结合阵列激光三维成像系统中的重要参数测距精度和成像横向分辨率,对配准迭代过程中对应点距离阈值和迭代停止阈值进行有针对的设置,提出了基于自适应阈值的ICP点云配准方法.对阵列激光成像点云和扫描激光深度成像数据的实验表明该算法有效可行,能够提高配准精度和配准速度,同时由于该算法充分考虑了成像系统本身,在实际应用中对系统的合理设计具有一定的指导意义.


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