物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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新颖材料器件为全息显示带来的新机遇
彭玮婷, 刘娟, 李昕, 薛高磊, 韩剑, 胡滨, 王涌天
物理学报. 2018, 67 (2): 024213
引入界面耦合系数的长片型磁电层状复合材料的等效电路模型
楼国锋, 于歆杰, 卢诗华
物理学报. 2018, 67 (2): 027501
基于收缩高密度碳纳米管阵列的柔性固态超级电容器
朱畦, 袁协涛, 诸翊豪, 张晓华, 杨朝晖
物理学报. 2018, 67 (2): 028201
物理学报  
   物理学报--2018, 67 (2)   发布日期: 2018-01-20
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综述

新颖材料器件为全息显示带来的新机遇 Hot!
Novel materials and devices bring new opportunities for holographic display

彭玮婷, 刘娟, 李昕, 薛高磊, 韩剑, 胡滨, 王涌天
物理学报. 2018, 67 (2): 024213      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172026
全文: [PDF 968 KB] 下载:(581)
摘要

三维显示是人类获取身临其境视觉信息的有效途径,其中全息技术能够提供人眼所需的全部深度信息,被认为是理想的三维显示方式.然而受目前显示器件的限制,如可刷新调制器件的时间-空间(时空)带宽积受限、海量数据云处理速率限制、图像质量不高的问题等,全息显示技术的发展进入了瓶颈期.为了提高显示质量、扩大时空带宽积、提升系统性能,需要发展崭新的全息显示器件,从根本上解决目前遇到的问题.超颖材料、超构表面以及二维材料等诸多新颖材料的涌现为全息显示带来新的机遇.超颖材料(表面)通过特殊设计,利用远小于波长的超构单元实现对波前各向同性或各向异性的振幅与相位的特异调控,进而将全息信息映射到超颖材料(表面)全息显示器件上,通过调控光波实现各种显示.发展可刷新的超构(表面、二维)材料并应用于动态全息显示中是未来的重要方向.虽然现有的新颖器件还面临着各种问题,但它们可为全息显示的发展提供潜在的可行性和新的视角与发展动力.

纳米半导体中多重激子效应研究进展
Recent advance in multiple exciton generation in semiconductor nanocrystals

刘长菊, 卢敏, 苏未安, 董太源, 沈文忠
物理学报. 2018, 67 (2): 027302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171917
全文: [PDF 1688 KB] 下载:(320)
摘要

多重激子效应是指纳米半导体吸收一个高能光子后产生两个甚至多个电子-空穴对的物理过程,不仅具有重要的基础研究意义,而且在新型太阳电池及高性能光电子器件领域具有潜在应用价值.综述了多重激子效应的发展历程;总结了纳米半导体的材料组分、体系结构甚至表面质量对多重激子效应的影响;介绍了多重激子效应的实验测试分析方法以及解释多重激子效应的理论方法;概括了目前多重激子效应在器件中的应用并对其应用前景进行展望.

无铅和少铅的有机-无机杂化钙钛矿太阳电池研究进展
Progress in Pb-free and less-Pb organic-inorganic hybrid perovskite solar cells

陈亮, 张利伟, 陈永生
物理学报. 2018, 67 (2): 028801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171956
全文: [PDF 1487 KB] 下载:(374)
摘要

基于有机-无机杂化卤化铅材料的钙钛矿太阳电池的转换效率在短短几年内已迅速突破22%,为未来能源问题的解决带来了曙光,同时也引起了高度重视.但紧随其后的商品化、产业化发展需求极大地增加了对绿色、无毒的高效无铅钙钛矿太阳电池进行研究和开发的重要性和紧迫性.为进一步加快环境友好型钙钛矿太阳电池的研发进度,对目前无铅和少铅钙钛矿太阳电池的发展现状进行了综述.着重讨论了替代元素种类及其浓度、制备工艺等对薄膜和电池性能的影响,以期对电池的工作机理、替代元素的作用机理有更加深刻的认识,为新型环保、高效的钙钛矿太阳电池的制备提供指导.

总论

具有次近邻相互作用的五量子比特XXZ海森伯自旋链的热纠缠
Thermal entanglement in a five-qubit XXZ Heisenberg spin chain with the next nearest neighboring interaction

刘贵艳, 毛竹, 周斌
物理学报. 2018, 67 (2): 020301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171641
全文: [PDF 659 KB] 下载:(152)
摘要
研究具有次近邻相互作用五量子比特XXZ海森伯自旋链在磁场作用下的热纠缠性质,利用数值计算求出最近邻两量子比特和次近邻两量子比特的共生纠缠度(concurrence),分别记为C12C13.研究结果表明,阻挫参数对配对热纠缠具有重要影响,而且阻挫参数的变化对C12C13的影响也各不相同;温度、磁场、Dzyaloshinkii-Moriya相互作用以及各向异性参数对配对热纠缠有着不同程度的影响;通过选择适当的模型参数,可以有效地调节和提高五量子比特XXZ海森伯自旋链的配对热纠缠.

带有三体相互作用的S=1自旋链中的保真率和纠缠熵
Fidelity susceptibility and entanglement entropy in S=1 quantum spin chain with three-site interactions

任杰, 顾利萍, 尤文龙
物理学报. 2018, 67 (2): 020302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172087
全文: [PDF 461 KB] 下载:(129)
摘要

研究了带有次近邻和三体相互作用的S=1自旋链的保真率和纠缠熵.通过密度矩阵重整化群数值方法计算了三体相互作用对保真率的影响,并分析了其与量子相变的关系.研究表明保真率可以探测Haldane相与二聚物相之间的相变.此外还研究了该相变与量子纠缠熵的关系.通过保真率和量子纠缠熵这两个信息观测量得到的结果和弦序参量得到的结果一致.在此基础之上给出了相图.

频差偏差对全视场外差测量精度的影响
Effect of frequency difference deviation on full-field heterodyne measurement accuracy

伍洲, 张文喜, 相里斌, 李杨, 孔新新
物理学报. 2018, 67 (2): 020601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171837
全文: [PDF 1221 KB] 下载:(97)
摘要

根据全视场外差测量的相关理论,推导了频差偏差与仪器测量精度的相互关系.分析了频差大小、频差偏差、采集初始时间、初始相位、采样频率和采样周期数等相关参数对测量精度的影响.研究结果可以作为全视场外差测量设备设计、参数选取的理论依据;并给出了通过合理选择采样时间和采样帧数提高测量精度的一种方法.

光纤倏逝波型石英增强光声光谱技术
Fiber evanescent wave quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy

何应, 马欲飞, 佟瑶, 彭振芳, 于欣
物理学报. 2018, 67 (2): 020701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171881
全文: [PDF 1253 KB] 下载:(186)
摘要

采用块状光学准直聚焦透镜组的传统石英增强光声光谱(QEPAS)技术存在体积难以缩减,结构稳定性不佳,无法适应空间狭小、振动复杂的特殊环境等缺点.基于此,将光纤倏逝波技术与QEPAS技术相结合,提出了一种新型微纳结构光纤QEPAS痕量气体检测技术.实验中,为了提高QEPAS系统信号幅值,优化了石英音叉与激光束的空间位置、激光波长调制深度,同时对比了两种不同共振频率的石英音叉,最终采用共振频率较低的30.720 kHz石英音叉作为声波探测元件,获得的检测极限为6.25×10-4(体积分数),归一化噪声等效吸收系数为4.18×10-7cm-1·W·Hz-1/2.

基于滑模鲁棒算法的超低频主动隔振系统
Ultra-low frequency active vibration control for cold atom gravimeter based on sliding-mode robust algorithm

罗东云, 程冰, 周寅, 吴彬, 王肖隆, 林强
物理学报. 2018, 67 (2): 020702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171884
全文: [PDF 1057 KB] 下载:(153)
摘要

振动噪声的有效隔离是冷原子重力仪的关键技术之一.为了减小冷原子重力仪中拉曼反射镜的振动噪声,研制了一套紧凑型低频主动隔振系统.其原理是利用滑模鲁棒控制系统处理和反馈由地震仪采集到的振动信号,利用音圈电机控制和消除被动隔振平台的运动.在0.1–10 Hz频域范围内,滑模鲁棒控制系统的残余振动噪声功率谱密度比被动隔振平台最大降低了99.9%,比超前滞后补偿控制方法最大降低了83.3%.滑模鲁棒控制算法还具有整定参数少、抗干扰能力强等特点.

核物理学

离子推力器推力密度特性
Thrust density characteristics of ion thruster

龙建飞, 张天平, 杨威, 孙明明, 贾艳辉, 刘明正
物理学报. 2018, 67 (2): 022901      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171507
全文: [PDF 688 KB] 下载:(132)
摘要

离子推力器推力密度分布对航天器轨道维持和修正具有重要影响.采用粒子模拟-蒙特卡罗碰撞方法模拟束流等离子体输运过程,分析束流多组分粒子喷出数量和速度等微观参数,并计算得到单孔束流推力,结合放电室出口等离子体密度分布,进一步对推力密度分布特性分析,最后开展实验验证.研究结果显示:束流中单价离子、双荷离子以及交换电荷离子的推力贡献比分别为84.63%,15.35%和1.82%,可见推力主要来源于束流中的单价离子和双荷离子,交换电荷离子对推力贡献很小;推力密度分布具有较好的中心轴对称性,从推力器中心沿着径向先快速下降后趋于缓慢;与实验结果对比,经验模型相对误差约为4.1%,数值模型相对误差约为2.8%,相比经验模型,数值模型具有更好的准确性.研究结果可为离子推力器推力密度分布均匀性等优化提供参考.

电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

光学元件波前畸变对驱动器光路设计的影响
Influence of phase error of optical elements on optical path design of laser facilities

徐林波, 卢兴强, 雷泽民
物理学报. 2018, 67 (2): 024201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171877
全文: [PDF 733 KB] 下载:(149)
摘要

高功率激光驱动器光路设计要考虑像传递、鬼像规避和杂散光管理等多项优化措施.基于衍射光学传播理论,从输出负载能力提升的角度研究大口径光学元件波前特性对驱动器光路设计参数优化的影响.研究表明,驱动器末级光路的排布间隔如果控制在6 m以上,将非常有助于提高激光驱动器的输出负载能力.一般情况下,波前峰谷值达到0.34λ的单块大口径光学元件能使高功率激光的近场光束质量最大下降约10%,达到1.36λ后最大下降约21%;波前分布特性不同的多片大口径光学元件的波前相消叠加有利于降低中频波前部分对装置负载能力的影响,但是,大口径光学元件的非线性效应会加重中频波前对装置输出负载能力的影响;在限定大口径元件损伤阈值20 J/cm2的前提下,光路排布紧凑的激光驱动器末级输入激光通量控制在16.8 J/cm2之下不易损伤光学元件.相对宽松的光路设计可以进一步提高末级输出激光的平均通量水平,非常有利于激光驱动器装置输出负载能力的提升.

嵌入式三色光变器设计
Design of an embedded tricolor-shifting device

徐平, 唐少拓, 袁霞, 黄海漩, 杨拓, 罗统政, 喻珺
物理学报. 2018, 67 (2): 024202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20170782
全文: [PDF 1974 KB] 下载:(111)
摘要

为解决目前亚波长二元矩形结构在光学防伪应用方面存在的防伪性能有待提升、制作困难导致性能劣化等问题,提出正弦结构等效矩形结构实现基于嵌入式亚波长一维单周期正弦结构的三色光变器.模拟仿真表明,亚波长正弦结构与原亚波长矩形结构性能相似,可获得优越的三色变换功能.当自然光以45°角入射时,可在方位角0°,58°,90°分别获得相应的蓝光、绿光、红光三色反射峰,反射率分别达到90%,89%,100%.分析并提出了该器件周期、槽深、膜厚以及入射角变化对反射峰的影响规律,探索了运用无掩模的双光束干涉曝光法制作母版的实验过程.提出的正弦结构三色光变器实现了方位角调节的高衍射效率自然光三色光变效果,突破了目前两色光变防伪的局限,同时降低了制作难度,可用通用的全息生产技术制作光栅结构,在光变图像防伪领域有重要应用.

连续变量纠缠态光场在光纤中传输特性的实验研究
Experimental investigation of transmission characteristics of continuous variable entangled state over optical fibers

万振菊, 冯晋霞, 成健, 张宽收
物理学报. 2018, 67 (2): 024203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171542
全文: [PDF 798 KB] 下载:(110)
摘要

连续变量纠缠态由于其确定性产生、高效率的特点而被广泛应用于连续变量量子信息处理.在量子信息处理过程中纠缠态与量子信道发生相互作用而退相干,这是限制长距离量子信息发展的重要因素之一.光纤信道作为理想的量子信道,是目前连续变量量子信息研究关注的热点.本文利用Ⅱ类匹配的楔角极化磷酸氧钛钾晶体构成了三共振的非简并光学参量放大器,获得了8.3 dB的光通信波段1.5 μm连续变量纠缠态光场.将产生的纠缠态光场注入单模光纤,其量子特性在传输距离达50 km后仍得到保持,纠缠度为0.21 dB.该研究可为基于光纤的长距离连续变量量子信息研究提供有效的依据.

基于两正交互耦1550 nm垂直腔面发射激光器获取多路随机数
Multi-channel physical random number generation based on two orthogonally mutually coupled 1550 nm vertical-cavity surface-emitting lasers

姚晓洁, 唐曦, 吴正茂, 夏光琼
物理学报. 2018, 67 (2): 024204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171902
全文: [PDF 502 KB] 下载:(129)
摘要

提出将正交互耦1550 nm垂直腔面发射激光器(1550 nm-VCSEL)在优化条件下输出的多路平均功率可比拟、延时特征(TDS)得到有效抑制的混沌信号作为混沌熵源,经8位模数转换器(ADC)量化和最低有效位(m-LSB)后续处理获取多路物理随机数的方案,并研究了系统参量对最终获取的比特序列随机性的影响.首先,基于VCSEL的自旋反转模型分析耦合强度和频率失谐对两个正交互耦合1550 nm-VCSEL输出动力学的影响,初步确定利用该系统产生四路平均功率可比拟、TDS得到抑制的混沌信号所需的耦合强度和频率失谐优化范围;在此基础上,选择一个耦合强度值,利用处于优化范围内的不同频率失谐下获取的四路混沌信号作为熵源,经8位ADC量化和m-LSB后续处理得到最终的比特序列;最后,采用NIST Special Publication 800-22统计测试套件对获取的最终比特序列的随机性能进行测试,确定了同时获取四路高质量随机数所需的参数范围.

国产光纤实现同带抽运3000 W激光输出
3000 W tandem pumped all-fiber laser based on domestic fiber

王泽晖, 肖起榕, 王雪娇, 衣永青, 庞璐, 潘蓉, 黄昱升, 田佳丁, 李丹, 闫平, 巩马理
物理学报. 2018, 67 (2): 024205      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171676
全文: [PDF 1169 KB] 下载:(324)
摘要

同带抽运是目前实现高功率光纤激光器的有效手段.本文基于同带抽运方式,以国产25/250 μm掺镱双包层光纤为增益光纤,构建了全光纤化的主控振荡器功率放大器.实验中采用的国产光纤是中国电子科技集团公司第四十六研究所采用化学气相沉积结合气相-液相复合掺杂工艺制备的,其Yb3+离子的分布更均匀,吸收截面更大,吸收系数更高.实验中,在种子光功率为67.8 W、抽运总功率为3511 W的条件下,实现了3079 W的激光输出,斜效率为85.9%,光束质量M2约为2.14,3 dB带宽为1.4 nm,这是目前基于国产光纤同带抽运方式实现的最高功率.理论和实验结果表明国产光纤制备技术不断成熟,已经具备承受高功率输出的能力.继续提高抽运功率,优化增益光纤长度,改良散热方式,国产光纤有望实现更高功率的激光输出.

波长锁定878.9 nm激光二极管抽运内腔式YVO4/BaWO4连续波拉曼激光器
Continuous-wave intracavity YVO4/BaWO4 Raman laser pumped by a wavelength-locked 878.9 nm laser diode

张蕴川, 樊莉, 魏晨飞, 顾晓敏, 任思贤
物理学报. 2018, 67 (2): 024206      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171848
全文: [PDF 380 KB] 下载:(121)
摘要

采用波长锁定878.9 nm激光二极管共振抽运复合Nd:YVO4激光晶体,改善热效应的同时提高抽运吸收率,分别以YVO4和BaWO4晶体作为拉曼介质,实验和理论研究了晶体性能、谐振腔结构和稳定性对内腔分体式连续波拉曼激光器性能的影响.结果表明:由于内腔分体式拉曼激光器腔长较长,谐振腔稳定性对激光器性能影响较大,选择高增益的拉曼晶体,不仅可获得高拉曼转换效率,还能一定程度上减轻热效应.而平凹腔结构中输出镜的曲率半径越小,拉曼晶体中基频光的功率密度越大,腔的动态稳定区越宽,获得的拉曼激光输出功率更高.最终以30 mm的BaWO4晶体作为拉曼介质,在抽运功率25.1 W时,获得了3.02 W的连续拉曼激光输出,光-光转换效率达到12%.

低分析频率压缩光的实验制备
Generation of squeezed states at low analysis frequencies

温馨, 韩亚帅, 刘金玉, 白乐乐, 何军, 王军民
物理学报. 2018, 67 (2): 024207      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171767
全文: [PDF 1677 KB] 下载:(117)
摘要

基于PPKTP晶体的阈值以下光学参量振荡(OPO)过程,制备了共振于铷原子D1线795 nm的压缩真空态光场,研究了分析频率处于千赫兹范围的主要噪声来源,特别是795 nm激光及其二次谐波397.5 nm激光在晶体内吸收引起的非线性损耗增加和系统热不稳定的问题(397.5 nm激光处于PPKTP晶体透光范围边缘,具有高于其他波长数倍的吸收系数).以795 nm和1064 nm为例,分析了非线性损耗及晶体内热效应对压缩度的影响.受限于以上因素,795 nm压缩光很难得到1064 nm波段同样的压缩度.探测系统中的噪声耦合则限制了压缩频带.实验上对分析频率为千赫兹的经典噪声进行了有效控制,通过使用真空注入的OPO、垂直偏振及反向传输的腔长锁定光、低噪声的平衡零拍探测器、高稳定度的实验系统及量子噪声锁定等方法,最终在2.6–100 kHz的分析频段得到了约2.8 dB的795 nm压缩真空.该压缩光可用作磁场测量系统的探测光以提高测量灵敏度.

液相硝基甲烷分子振动特性的相干反斯托克斯拉曼散射光谱
Coherent anti-Stokes Raman scattering spectrum of vibrational properties of liquid nitromethane molecules

彭亚晶, 孙爽, 宋云飞, 杨延强
物理学报. 2018, 67 (2): 024208      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171828
全文: [PDF 5468 KB] 下载:(93)
摘要

构建时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)光谱系统,从微观层次研究硝基甲烷的分子相干振动动力学特性.实验中采用超连续白光作为斯托克斯光,通过调整斯托克斯光的时间延迟,得到不同振动模式的CARS光谱.通过对振动弛豫曲线的拟合,获得硝基甲烷分子不同振动模式的振动失相时间.结果表明C–H键伸缩振动比C–N键伸缩振动更容易受热声子的影响.在热加载下,硝基甲烷分子的C–H键有望首先被激发并引起初始化学反应.

用于热光伏系统的近场辐射光谱控制表面结构
Surface structure for manipulating the near-field spectral radiative transfer of thermophotovoltaics

于海童, 刘东, 杨震, 段远源
物理学报. 2018, 67 (2): 024209      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171531
全文: [PDF 1210 KB] 下载:(255)
摘要

为提升近场热光伏发电系统的能源转换效率和发电功率,设计了Ⅲ-V族半导体表面的矩形光栅结构,以实现从热发射器到热光伏电池的近场辐射热流选择性调制.使用在近红外波段具有表面等离子体激元特性的掺杂氧化锌作为热发射器,在GaSb热光伏电池表面添加亚微米二维光栅结构,在近场间距下形成与表面波耦合的陷光效应,由此有选择性地增强了电池能带内的光谱辐射热流.有别于以往类似研究中常用的等效近似方法,开展了时域有限差分方法模拟,能够严格考虑周期性结构细节,结合以涨落耗散理论为基础的Langevin方法,直接计算了复杂结构参与的近场辐射传热问题,以此揭示表面结构影响近场辐射传热的物理机理.结果显示使用带表面结构的薄膜GaSb电池,可使辐射热流的光谱峰值达到同温度远场黑体辐射源情况下的2.84倍,且热流增益区集中在波长略短于电池能带的窄波段区间,适应高效率、高功率热光伏系统对辐射传热设计的要求.

等效零折射率材料微腔中均匀化腔场作用下的简正模劈裂现象
Normal-mode splitting induced by homogeneous electromagnetic fields in cavities filled with effective zero-index metamaterials

徐小虎, 陈永强, 郭志伟, 孙勇, 苗向阳
物理学报. 2018, 67 (2): 024210      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171880
全文: [PDF 2102 KB] 下载:(193)
摘要

研究了零折射率材料微腔中人造原子与腔模的相干耦合现象.首先通过数值模拟的方法研究了在二维光子晶体微腔中填充阻抗匹配的零折射率材料后腔模的场分布.结果表明零折射率材料的引入使得原本以驻波场形式存在的腔模分布在整个微腔中变得近似均匀且值最大.其次,将人造原子放入腔中的不同位置并与腔模耦合,结果从频谱上观察到腔模的劈裂与人造原子在腔中的位置无关.最后,利用微波实验,通过开口谐振环等效的人造原子与一维复合左右手传输线等效的零折射率材料微腔之间的耦合验证了仿真结果的准确性.该结果为腔量子电动力学中量子点对位难的问题提供了新的方案,同时零折射率材料微腔也为今后研究原子与光子之间的相互作用提供了一个新的平台.

雨滴碰击光缆后光纤应变相位调制分析
Phase modulation analysis for optical fiber strain caused by raindrop collision

朱辉, 孙小菡
物理学报. 2018, 67 (2): 024211      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171440
全文: [PDF 429 KB] 下载:(97)
摘要

基于云动力学理论,分析了雨滴碰击光缆后径向应变导致光纤纤芯折射率及形状发生改变,使光纤内传输光相位受到调制的过程.建立了雨滴碰击光缆引起光纤内传输光相位调制的模型,获得了降雨强度与相位调制之间的关系.研制了雨滴碰击光缆相位调制实验室验证系统,对比了模拟降雨强度分别为3,5,7,10,15,18,22,30 mm/h时的实验测试与仿真结果,两者变化趋势一致,误差在9%以内.该模型可用于仿真获得不同降雨强度下雨滴碰击光缆引起的光相位调制,为进一步研究降雨对光纤振动传感系统性能的影响,优化光纤振动传感工程应用系统,提出可行的雨量补偿方案提供了理论参考.

基于光纤锥和纤芯失配的Mach-Zehnder干涉湿度传感器
Mach-Zehnder interferometer based on fiber taper and fiber core mismatch for humidity sensing

程君妮
物理学报. 2018, 67 (2): 024212      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171677
全文: [PDF 1636 KB] 下载:(287)
摘要

介绍了一种简单且灵敏度较高的Mach-Zehnder干涉湿度传感器.将单模光纤和多模光纤渐变熔接光纤锥,色散补偿光纤被熔接在两个多模渐变光纤之间,形成了单模光纤-光纤锥-多模渐变光纤-色散补偿光纤-多模渐变光纤-光纤锥-单模光纤结构的传感器.光纤锥起到了增加包层模能量的作用,两个多模渐变光纤节点作为光耦合器,从而形成光纤Mach-Zehnder干涉仪.外界环境湿度的变化,将使得传感器透射谱能量发生变化,通过测量干涉谱波峰峰值能量实现对湿度的测量.实验结果表明干涉谱波峰峰值能量与环境湿度之间存在良好的线性关系.当环境湿度在35% RH–85% RH范围内变化,一段由20 mm色散补偿光纤组成的传感器,其灵敏度为-0.0668 dB/% RH,相关度为0.995.该传感器结构紧凑、尺寸小、制造工艺简单,这使其可以被广泛用于湿度测量.

气体、等离子体和放电物理

S-Ka频段电磁波在等离子体中传输特性的实验研究
Experimental study of electromagnetic wave transmission characteristics in S-Ka band in plasma

马昊军, 王国林, 罗杰, 刘丽萍, 潘德贤, 张军, 邢英丽, 唐飞
物理学报. 2018, 67 (2): 025201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20170845
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摘要

在感应耦合等离子体风洞上开展了等离子体中电磁波传输特性实验研究,获得了不同频率电磁波在等离子体中的传输衰减.通过微波诊断技术,获得了等离子体射流的电子数密度和碰撞频率.通过矢量网络分析仪和标准增益天线组成的电磁波传输特性测试系统,获得了电磁波经过等离子体之后的衰减,研究了电子数密度范围7.0×1010–1.0×1013 cm-3、等离子体碰撞频率在109 Hz量级的等离子体对2.6–40 GHz不同频率电磁波传输特性的影响,分析了经典传输理论和薄层理论预测结果与实验结果的差异.该实验工作为等离子体中电磁波传输特性的理论研究和数值仿真提供了基础数据.

神光III主机上球腔辐射场实验的三维数值模拟与分析
Three-dimensional simulations and analyses of spherical hohlraum experiments on SGⅢ laser facility

李树, 陈耀桦, 姬志成, 章明宇, 任国利, 霍文义, 闫威华, 韩小英, 李志超, 刘杰, 蓝可
物理学报. 2018, 67 (2): 025202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20170521
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摘要

2015年在神光Ⅲ激光装置上开展了两孔球腔物理实验.利用三维隐式蒙特卡罗数值模拟程序模拟两孔球腔中的辐射输运问题,研究辐射场分布及其动态演化过程.数值模拟结果大多数与实验结果符合较好,但局部位置存在明显差异.分析了产生差异的可能原因,提出解决措施及未来发展方向.综合数值模拟结果及其与实验结果的对比可知,三维隐式蒙特卡罗数值模拟程序具备较好的黑腔三维辐射输运数值模拟能力.

Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆动力学
Numerical studies on dynamics of Z-pinch dynamic hohlraum driven target implosion

肖德龙, 戴自换, 孙顺凯, 丁宁, 张扬, 邬吉明, 尹丽, 束小建
物理学报. 2018, 67 (2): 025203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171640
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摘要

利用Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆是实现惯性约束聚变可能的技术途径之一.聚龙一号装置已开展的动态黑腔实验初步表明形成了有效的动态黑腔辐射场,为驱动靶丸内爆研究奠定了重要基础.针对聚龙一号装置驱动条件,通过建立包含柱形动态黑腔与球形靶丸的柱球耦合物理模型,利用二维辐射磁流体力学程序,对Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆动力学过程进行了数值模拟研究,获得了丝阵等离子体内爆、丝阵等离子体与泡沫转换体相互作用、冲击波产生和黑腔辐射传输、辐射烧蚀和燃料压缩的完整过程.在此基础上,研究了靶丸赤道面和两极的辐射源均匀性及燃料压缩对称性.结果表明,由于在泡沫转换体中的辐射传输以及黑腔-靶能量耦合过程,靶丸赤道面与两极辐射波形存在一定的时间差和峰值差,造成燃料压缩不对称.若减小靶丸半径,可以提高燃料压缩的对称性,但靶丸半径很小时聚变产额也较低;靶丸半径较大时,由于靶丸赤道面和两极辐射场时间和温度峰值的较大差异,燃料压缩呈现更为明显的不对称性.

凝聚物质:结构、力学和热学性质

聚噻吩单链量子热输运的第一性原理研究
First-principle study on quantum thermal transport in a polythiophene chain

吴宇, 蔡绍洪, 邓明森, 孙光宇, 刘文江
物理学报. 2018, 67 (2): 026501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171198
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摘要

聚噻吩块体通常被视为绝热材料,其热导率小于1 W·m-1·K-1.但近年发现对于室温下沿聚噻吩分子链方向排列的无定形聚噻吩纳米纤维,其热导率高于聚噻吩块体,可达4.4 W·m-1·K-1.为了相对准确地揭示纳米尺度聚噻吩单链热输运的微观特征,从量子力学出发,在密度泛函理论计算的基础上,应用中间插入延展方法结合非平衡格林函数方法,对长度为25.107 nm、包含448个原子的聚噻吩单链的量子热输运及其同位素效应进行了研究,并与分子动力学方法模拟的结果进行了详细比较.结果表明:室温下32 nm长的纯聚噻吩单链热导率上限高达30.2 W·m-1·K-1,与铅的热导率35 W·m-1·K-1相近;相同掺杂比例(原子百分数)下C元素热导的同位素效应比S元素显著;室温下聚噻吩单链中12C,13C等比例随机掺杂时的同位素效应最为显著,此时聚噻吩单链的平均热导至少降低了30%;室温下纯聚噻吩单链的热导随C的相对原子质量增加近似呈反比例减小,随S的相对原子质量增加呈非线性单调增加.该研究对认识和调控聚噻吩这种新型功能材料的热输运特性具有积极的价值.

凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

基于锡组分和双轴张应力调控的临界带隙应变Ge1-xSnx能带特性与迁移率计算
Calculations of energy band structure and mobility in critical bandgap strained Ge1-xSnx based on Sn component and biaxial tensile stress modulation

底琳佳, 戴显英, 宋建军, 苗东铭, 赵天龙, 吴淑静, 郝跃
物理学报. 2018, 67 (2): 027101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171969
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摘要

能带工程通过改变材料的能带结构可以显著提升其电学和光学性质,已广泛应用于半导体材料的改性研究.双轴张应力和Sn组分共同作用下的Ge1-xSnx合金,不仅可以解决直接带隙转变所需高Sn组分带来的工艺难题,而且载流子迁移率会显著提升,在单片光电集成领域有很好的应用前景.根据形变势理论,分析了(001)面双轴张应变Ge1-xSnx的带隙转变条件,并给出了在带隙转变临界点Sn组分和双轴张应力的关系;采用8k·p方法,得到了临界带隙双轴张应变Ge1-xSnx在布里渊区中心点附近的能带结构,进而计算得到电子与空穴有效质量;基于载流子散射模型,计算了电子与空穴迁移率.计算结果表明:较低Sn组分和双轴张应力的组合即可得到直接带隙Ge1-xSnx合金,且直接带隙宽度随着应力的增大而减小;临界带隙双轴张应变Ge1-xSnx具有极高的电子迁移率,空穴迁移率在较小应力作用下即可显著提升.考虑工艺实现难度和材料性能两个方面,可以选择4% Sn组分与1.2 GPa双轴张应力或3% Sn组分与1.5 GPa双轴张应力的组合用于高速器件和光电器件的设计.

沉积态铀薄膜表面氧化的X射线光电子能谱
Surface oxidation of as-deposit uranium film characterized by X-ray photoelectron spectroscopy

杨蒙生, 易泰民, 郑凤成, 唐永建, 张林, 杜凯, 李宁, 赵利平, 柯博, 邢丕峰
物理学报. 2018, 67 (2): 027301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172055
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摘要

含铀(U)薄膜在激光惯性约束聚变的实验研究中有重要的用途.研究其在不同气氛下的氧化性能可以为微靶制备、储存及物理实验提供关键的实验数据.通过超高真空磁控溅射技术制备了纯U薄膜及金-铀(Au-U)复合平面膜,将其在大气、高纯氩(Ar)气及超高真空度环境中暴露一段时间后,利用X射线光电子能谱仪结合Ar+束深度剖析技术考察U层中氧(O)元素分布及价态,分析氧化产物及机理.结果显示,初始状态的U薄膜中未检测到O的存在.Au-U复合薄膜中的微观缺陷减弱了Au防护层的屏蔽效果,使其在3周左右时间内严重氧化,产物为U表面致密的氧化膜及缺陷周围的点状腐蚀物,主要成分均为二氧化铀(UO2).在高纯Ar气中纯U薄膜仅暴露6 h后表面即被严重氧化,生成厚度不均匀的UO2.在超高真空度环境下保存12 h后,纯U薄膜表面也发生明显氧化,生成厚度不足1 nm的UO2.Ar+束对铀氧化物的刻蚀会因择优溅射效应而使UO2被还原成非化学计量的UO2-x,但这种效应受O含量的影响.

InAlN/GaN异质结二维电子气波函数的变分法研究
Variational study of the 2DEG wave function in InAlN/GaN heterostructures

李群, 陈谦, 种景
物理学报. 2018, 67 (2): 027303      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171827
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摘要

使用变分法推导了InAlN/GaN异质结二维电子气波函数和基态能级的解析表达式,并讨论了InAlN/GaN异质结结构参数对二维电子气电学特性的影响.在假设二维电子气来源于表面态的前提下,使用了一个包含两个变分参数的尝试波函数推导电子总能量期望值,并通过寻找能量期望极小值确定变分参数.计算结果显示,二维电子气面密度随InAlN厚度的增大而增大,且理论结果与实验结果一致.二维电子气面密度增大抬高了基态能级与费米能级,并保持二者之差增大以容纳更多电子.InAlN/GaN界面处的极化强度失配随着In组分增大而减弱,二维电子气面密度随之减小,并导致基态能级与费米能级减小.所建立的模型能够解释InAlN/GaN异质结二维电子气的部分电学行为,并为电子输运与光学跃迁的研究提供了解析表达式.

外场对分子纳米结电流-电压特性的影响
Effect of external field on the I-V characteristics through the molecular nano-junction

牛璐, 王鹿霞
物理学报. 2018, 67 (2): 027304      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171604
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摘要

针对由金属电极/分子/金属电极组成的分子纳米结,应用扩展主方程的方法,考虑分子纳米结中影响其传输过程的外场、分子内的弛豫过程等因素研究了在外场作用下分子纳米结内的稳定电流和瞬间电流.由于分子内较强的电子-振动耦合,分子纳米结中的电流-电压曲线呈现台阶式非弹性特征.在不同的高斯型脉冲的激发作用下,分子纳米结中电流需要达到稳定的时间也不相同,脉冲宽度在1 ps时瞬间电流现象明显,这时分子处于非平衡分布,分子两端的电流存在较大差异.随着脉冲宽度和外场偏压的增加,分子两端的电流趋于平衡.

引入界面耦合系数的长片型磁电层状复合材料的等效电路模型 Hot!
Equivalent circuit model for plate-type magnetoelectric laminate composite considering an interface coupling factor

楼国锋, 于歆杰, 卢诗华
物理学报. 2018, 67 (2): 027501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172080
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摘要

针对长片型磁电层状复合材料,提出了一种适用于准静态和动态磁场激励的引入界面耦合系数的等效电路模型,旨在为基于长片型磁电层状复合材料的传感器、换能器等器件的设计、制作和应用提供理论指导.考虑到磁电层状复合材料实际工作过程中磁致伸缩层和压电层的应变并不相同,首先利用运动方程分别对磁致伸缩层和压电层进行建模,提出了一个从物理上反映相间应变传递的界面耦合系数表达式,然后利用一个变比恰为界面耦合系数的理想变压器将两层材料的等效电路耦合,构成改进的磁电层状复合材料的等效电路模型,得到包含界面耦合系数的磁电电压系数和最佳层合比的表达式.对12个具有不同尺寸和负载条件的样品进行实验,制作过程中承受500 g砝码负载的样品的界面耦合系数为0.15,最佳层合比为0.57;承受100 g砝码负载的样品的界面耦合系数为0.10,最佳层合比为0.50.磁电电压系数和最佳层合比的实验值与各自包含界面耦合系数的理论值基本符合,证明了改进的等效电路模型的合理性和正确性.

太赫兹辐射场下的石墨烯光生载流子和光子发射
Photon-excited carriers and emission of graphene in terahertz radiation fields

陶泽华, 董海明, 段益峰
物理学报. 2018, 67 (2): 027801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171730
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摘要

通过半经典的玻尔兹曼平衡方程理论研究了太赫兹辐射场下的石墨烯光生载流子和光子发射.研究得到了太赫兹辐射场下石墨烯的光生载流子浓度和光子发生率的解析公式.研究发现,掺杂电子浓度越小,或者温度越低,光生载流子浓度越大;掺杂电子浓度越大,或者温度越低,石墨烯的光子发射率越大.通过改变门电压或温度,可以有效地调控石墨烯光生载流子浓度和光子发射概率.理论研究结果和解析表达式对发展以石墨烯为基础的新型太赫兹光电器件具有重要的参考价值.

物理学交叉学科及有关科学技术领域

热-电应力下Cu/Ni/SnAg1.8/Cu倒装铜柱凸点界面行为及失效机理
Interfacial reaction and failure mechanism of Cu/Ni/SnAg1.8/Cu flip chip Cu pillar bump under thermoelectric stresses

周斌, 黄云, 恩云飞, 付志伟, 陈思, 姚若河
物理学报. 2018, 67 (2): 028101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171950
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摘要

微互连铜柱凸点因其密度高、导电性好、噪声小被广泛应用于存储芯片、高性能计算芯片等封装领域,研究铜柱凸点界面行为对明确其失效机理和组织演变规律、提升倒装封装可靠性具有重要意义.采用热电应力实验、在线电学监测、红外热像测试和微观组织分析等方法,研究Cu/Ni/SnAg1.8/Cu微互连倒装铜凸点在温度100–150 ℃、电流密度2×104–3×104 A/cm2热电应力下的互连界面行为、寿命分布、失效机理及其影响因素.铜柱凸点在热电应力下的界面行为可分为Cu6Sn5生长和Sn焊料消耗、Cu6Sn5转化成Cu3Sn、空洞形成及裂纹扩展3个阶段,Cu6Sn5转化为Cu3Sn的速率与电流密度正相关.热电应力下,铜凸点互连存在Cu焊盘消耗、焊料完全合金化成Cu3Sn、阴极镍镀层侵蚀和层状空洞4种失效模式.基板侧Cu焊盘和铜柱侧Ni镀层的溶解消耗具有极性效应,当Cu焊盘位于阴极时,电迁移方向与热迁移方向相同,加速Cu焊盘的溶解以及Cu3Sn生长,当Ni层为阴极时,电迁移促进Ni层的消耗,在150 ℃,2.5×104 A/cm2下经历2.5 h后,Ni阻挡层出现溃口,导致Ni层一侧的铜柱基材迅速转化成(Cux,Niy6Sn5和Cu3Sn合金.铜柱凸点互连寿命较好地服从2参数威布尔分布,形状参数为7.78,为典型的累积耗损失效特征.研究结果表明:相比单一高温应力,热电综合应力显著加速并改变了铜柱互连界面金属间化合物的生长行为和失效机制.

基于收缩高密度碳纳米管阵列的柔性固态超级电容器 Hot!
Flexible solid-state supercapacitors based on shrunk high-density aligned carbon nanotube arrays

朱畦, 袁协涛, 诸翊豪, 张晓华, 杨朝晖
物理学报. 2018, 67 (2): 028201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171855
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摘要

柔性超级电容器因其加工方式灵活,具有高的能量密度和可剪裁可弯曲的特性,近年来受到广泛的关注.碳纳米管阵列凭借其自身良好的电化学性能、高效的电荷转移率和良好的循环寿命被视为理想的能量储存材料.然而原始碳纳米管阵列密度较小,且因管间较弱的相互作用力使得其在加工和转移过程中容易倒塌散落,从而限制了碳纳米管阵列直接用于组装柔性电子器件.本文应用无水乙醇对阵列进行收缩处理,在保持阵列高度取向优势的前提下大大增加了阵列的密度和机械强度,同时使用生物相容性好的聚乙烯醇(PVA)导电凝胶包埋碳纳米管阵列来制备柔性固态超级电容器件.PVA包埋的阵列复合体在折叠、弯曲过程中既能保持良好的机械稳定性和柔性,又能保持碳纳米管的高度取向性.使用原位电氧化对碳纳米管阵列外壁进行简单的电化学修饰,可以进一步提高该复合器件的性能.该方法为未来研发可穿戴电子器件以及可植入医学器件提供了新思路.

基于动态混沌映射的三维加密正交频分复用无源光网络
A three-dimensional encryption orthogonal frequency division multiplexing passive optical network based on dynamic chaos-iteration

林书庆, 江宁, 王超, 胡少华, 李桂兰, 薛琛鹏, 刘雨倩, 邱昆
物理学报. 2018, 67 (2): 028401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171246
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摘要

提出了一种基于混沌映射的三维加密正交频分复用无源光网络保密通信系统.该系统通过相关性检测锁定收发端混沌系统参数,实现收发双方混沌系统同步;并利用同步混沌系统生成密钥,实现符号扰动以及二重子载波加密.该加密方案的密钥空间超过1086,能够有效对抗穷举攻击.实验实现了13.3 Gb/s基于64进制正交幅度调制的加密正交频分复用信号在25 km标准单模光纤中的传输,并完成了信息的有效解密.

锥形二维光子晶体太阳电池数值模拟
Numerical study on conical two-dimensional photonic crystal in silicon thin-film solar cells

陈培专, 于莉媛, 牛萍娟, 付贤松, 杨广华, 张建军, 侯国付
物理学报. 2018, 67 (2): 028802      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171689
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摘要

采用时域有限差分方法,模拟研究在本征吸收层引入锥形二维光子晶体(2D PC)后,其结构参数变化对单结微晶硅电池各膜层吸收的影响规律.研究表明,2D PC的纵横比(高度与周期之比)对电池本征吸收具有决定性影响.周期小于1 μm时,本征吸收随着纵横比的增大先上升后下降,纵横比为1时达到最大值;周期大于1 μm时,本征吸收达到最大值的纵横比小于1,且周期越大,实现本征吸收最大化的纵横比越小.当周期为0.5 μm,纵横比为1时,锥形2D PC电池的本征吸收达到峰值,短路电流密度为27.8 mA/cm2;与平面结构相比,短路电流密度提升5.8 mA/cm2,相对增加27%.该研究突破了以往认为绒面陷光效果主要取决于绒面形貌横向特征尺寸的观点,对实验获取最佳的周期或随机绒面陷光结构具有指导意义.


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