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Vol. 61, No. 11 (2012)

2012年06月05日
总论 基本粒子物理学与场 核物理学 原子和分子物理学 电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 气体、等离子体和放电物理 凝聚物质:结构、力学和热学性质 凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质 物理学交叉学科及有关科学技术领域 地球物理学、天文学和天体物理学 前沿领域综述
前沿领域综述
总论
二维各向异性谐振子的第三个独立守恒量及其对称性
楼智美, 梅凤翔
2012, 61 (11): 110201. doi: 10.7498/aps.61.110201
摘要 +
二维各向异性谐振子和两分振子的能量是守恒的, 但三个守恒量中只有其中两个是独立的. 当频率比1/2 为有理数时, 系统存在第三个独立的守恒量.本文用扩展Prelle-Singer 法得到五个典型谐振子的第三个独立守恒量, 并讨论了与守恒量相应的Noether对称性与Lie对称性.
一类Painleve方程的Lagrange函数族
丁光涛
2012, 61 (11): 110202. doi: 10.7498/aps.61.110202
摘要 +
利用第一积分构造Lagrange函数的理论和方法, 导出一类Painleve方程的两个Lagrange函数族, 以及一些Lagrange函数和Hamilton函数.
Nizhnik-Novikov-Vesselov方程的无穷序列类孤子精确解
套格图桑, 白玉梅
2012, 61 (11): 110203. doi: 10.7498/aps.61.110203
摘要 +
为了构造非线性发展方程的无穷序列类孤子精确解, 发掘第一种椭圆辅助方程的构造性和机械化性特点, 获得了该方程的一些新类型解和相应的 Bcklund变换. 在此基础上利用符号计算系统Mathematica构造了Nizhnik-Novikov-Vesselov方程的 无穷序列类孤子精确解, 包括无穷序列光滑类孤子解、 无穷序列类尖峰孤立子解和无穷序列类紧孤立子解.
弱非线性耦合二维各向异性谐振子的一阶近似Lie对称性与近似守恒量
楼智美, 梅凤翔, 陈子栋
2012, 61 (11): 110204. doi: 10.7498/aps.61.110204
摘要 +
用近似Lie对称性理论研究弱非线性耦合二维各向异性 谐振子的一阶近似Lie对称性与近似守恒量, 并以频率比为2:1的弱非线性耦合二维各向异性谐振子为例, 得到其6个一阶近似Lie对称性和一阶近似守恒量, 其中1个一阶近似守恒量实为系统的精确守恒量, 4个一阶近似守恒量为平凡的一阶近似守恒量, 只有1 个一阶近似守恒量为稳定的一阶近似守恒量.
移动环境下网络病毒传播模型及其稳定性研究
巩永旺, 宋玉蓉, 蒋国平
2012, 61 (11): 110205. doi: 10.7498/aps.61.110205
摘要 +
考虑网络节点的随机移动, 基于平均场理论 提出一个移动环境下网络病毒传播的数学模型, 利用微分动力学系统理论研究了病毒传播行为. 研究表明, 当病毒基本再生数R0 1时, 网络中病毒逐渐消除, 系统的无病毒平衡点全局渐进稳定; 当R0 1时, 网络中病毒持续存在, 系统的地方病平衡点全局渐进稳定.通过仿真验证了所得结论的正确性.
一种适用于任意阶空间差分时域有限差分方法的色散介质通用吸收边界条件算法
颛孙旭, 马西奎
2012, 61 (11): 110206. doi: 10.7498/aps.61.110206
摘要 +
基于伸展坐标完全匹配层方程和辅助微分方程 方法, 给出了一种在时域有限差分(FDTD) 计算中适用于常见色散介质的通用边界条件算法. 该算法适用于任意阶的FDTD空间差分, 并且由于所采用的D-H方程独立于计算区域, 所以可以被用于截断任意电介质. 数值试验结果表明, 与卷积完全匹配层 算法相比较, 所提出的吸收边界条件算法不仅通用性强、 计算复杂度低、 计算时间短, 并且吸收效果有明显的提高.
大粒子数二维硬核玻色子系统的量子蒙特卡罗模拟
许莹, 李晋斌
2012, 61 (11): 110207. doi: 10.7498/aps.61.110207
摘要 +
采用随机级数展开的量子蒙特卡罗方法研究二维硬核的玻色-赫伯德模型的热力学性质. 首先通过算符变换将模型映射成为二维反铁磁准海森伯模型. 变换后的模型比通常的海森伯模型多一项, 该项正比于系统的格点总数N, 对于大粒子数的系统, 该项使模拟耗时指数增加, 所以难以计算大粒子数系统.采用非局域操作循环更新后, 这个困难可以得到很好的解决, 可使粒子数总数增大到几千个.研究结果表明, 粒子数密度在00.5范围内增大时, 能量呈递减趋势, 并趋于某一定值, 随着正方晶格系统尺度增大, 能量也随之增大;正方晶格系统尺度一定时, 能量和磁化强度随着温度的升高而增大, 化学势的变化对能量和磁化强度没有影响, 能量随着正方晶格系统尺度增大而增大, 磁化强度却随之减小;正方晶格系统尺度一定时, 化学势的增大对比热没有影响, 随着温度的升高比热出现先增大后减小的趋势, 最后趋于某个值, 达到平衡, 而正方晶格系统尺度越大, 比热曲线增大部分的趋势越大, 减小部分的趋势也更明显, 参照朗道超流理论, 本文模拟的能量和比热曲线趋势与朗道二流体模型下He II的理论研究一致; 不同正方晶格系统尺度的影响不大, 均匀磁化率倒数在00.5(J/kB)的低温范围内有很小的波动, J为耦合能, kB为玻尔兹曼常数, 温度在0.5-2 (J/kB)的范围内, 均匀磁化率的倒数随着温度的升高而增大, 且曲线的趋势显示了一种类似近藤行为.
统一坐标系下二维气动方程组的Runge-Kutta间断Galerkin有限元方法
赵国忠, 蔚喜军
2012, 61 (11): 110208. doi: 10.7498/aps.61.110208
摘要 +
构造了统一坐标系下二维可压缩气动方程组的Runge-Kutta 间断Galerkin(RKDG)有限元格式. 文中将流体力学方程组和几何守恒律统一求解, 所有计算都在固定的网格上进行, 在计算过程中不需要网格节点的速度信息. 文中对几个数值算例进行了数值模拟, 得到了较好的数值模拟结果.
洛伦兹-哈肯激光混沌系统有限时间稳定主动控制方法研究
赵建利, 王京, 王慧
2012, 61 (11): 110209. doi: 10.7498/aps.61.110209
摘要 +
研究了洛伦兹-哈肯激光混沌系统基于主动控制方法的有限时间稳定问题. 在研究Terminal 吸引子的基础上, 考虑系统不确定性, 提出一种基于Terminal 吸引子且具有动态主动补偿特性的主动控制方法, 使受控洛伦兹-哈肯激光混沌系统近似实现有限时间稳定.同时, 为解决系统不确定性问题, 设计了一种新的观测器, 并使这种观测器能在很短时间内跟踪系统的不确定性.通过引入奇异扰动性理论, 详细地分析了闭环系统近似有限时间稳定性.仿真实验结果验证了该主动控制方法及观测器的有效性.
无工质微波推力器推力测量实验
杨涓, 王与权, 李鹏飞, 王阳, 王云民, 马艳杰
2012, 61 (11): 110301. doi: 10.7498/aps.61.110301
摘要 +
基于经典的电磁学理论, 本文建立了一套新概念空间推进装置无工质微波推力器系统, 这套装置可以直接把微波辐射能转换为推力而不需要任何推进介质. 与传统的空间推进装置不同, 该系统可以避免携带庞大的推进剂储箱并消除羽流对航天飞行器的污染. 该系统由集成在一起的圆台微波谐振腔、微波源和负载组成, 其中微波源产生的微波辐射能被输入到圆台微波谐振腔内并形成纯驻波与电磁压强梯度, 从而沿圆台微波谐振腔轴线方向形成净推力. 本文根据随遇平衡原理, 通过克服推力器本身的自重和刚性阻力, 成功地测量出无工质微波推力器产生的净推力. 结果表明: 基于经典电磁学理论建立的无工质微波推进系统可以产生净推力; 当微波源输出2.45 GHz, 802500 W的微波功率时, 推力器产生的推力分布在70720 mN范围内, 测量总误差小于12%.
厄米多项式算符的新恒等式及其在量子压缩中的应用
范洪义, 展德会, 于文健, 周军
2012, 61 (11): 110302. doi: 10.7498/aps.61.110302
摘要 +
通过发现有关厄米多项式算符Hn(X)的恒等式, 并结合有序算符内的积分技术, 得到了一些关于量子压缩的算符新恒等式, 这对于研究压缩粒子数态波函数十分有用.
厄尔尼诺和南方涛动海气耦合模型中参数估计的变分方法
宋君强, 曹小群, 张卫民, 朱小谦
2012, 61 (11): 110401. doi: 10.7498/aps.61.110401
摘要 +
提出一种基于变分原理估计厄尔尼诺和南方涛动海气耦合模型中未知参数的方法. 首先将所研究的非线性海气耦合动力方程引入到目标泛函中; 接着利用变分方法导出伴随方程和待辨识参数泛函梯度的公式; 然后设计了估计未知参数的算法.数值试验结果表明变分方法是一 种能有效估计海气耦合非线性系统未知参数的方法.
整体单极子黑洞引力场中的加速效应
邵建舟, 王永久
2012, 61 (11): 110402. doi: 10.7498/aps.61.110402
摘要 +
给出了含有整体单极子的黑洞的引力场中试验粒子加速度的表达式, 讨论了整体单极子对加速效应的贡献. 结果表明, 由于整体单极子的存在, 产生了斥力效应; 当速度趋近于光速时, 中性粒子在引力场中受到了斥力作用. 这是牛顿力学中所没有的.
利用广义不确定关系计算 Reissner-Nordstrm-de Sitter黑洞的统计力学熵
黄海, 贺锋, 孙航宾
2012, 61 (11): 110403. doi: 10.7498/aps.61.110403
摘要 +
利用广义不确定关系修正的态密度方程并采用Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB) 近似方法, 计算了Reissner-Nordstrm-de Sitter (RNdS) 黑洞时空中标量场的统计力学熵. 结果表明, 由这种方法得到的黑洞熵与它的内、外视界面积和宇宙视界面积之和成正比, 这与采用其他方法所得的结果一致, 从而揭示了黑洞熵与视界面积之间的内在联系, 也进一步表明了黑洞熵是视界面上量子态的熵, 是一种量子效应.
非线性热弹耦合Sine-Gordon型系统的整体吸引子
张建文, 任永华, 吴润衡, 冯涛
2012, 61 (11): 110404. doi: 10.7498/aps.61.110404
摘要 +
研究受Peierls-Nabarro力作用的非线性热弹耦 合Sine-Gordon型系统的动力行为.利用算子半群理论证明了 在一定的初边界条件下系统存在连续解, 利用算子半群分解技巧构造了渐近紧的不变吸收集, 进而证明了系统存在整体吸引子.

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脉冲信号被噪声调制的单模激光随机共振
张莉, 元秀华, 武力
2012, 61 (11): 110501. doi: 10.7498/aps.61.110501
摘要 +
建立了一个脉冲信号受噪声调制的新型的单模激光随机共振模型, 采用线性化近似的方法计算了相应的光强关联函数和系统的输出信噪比, 并详细讨论了相应的随机共振现象. 研究结果表明: 由于噪声调制脉冲信号, 使得单模激光表现出崭新的随机共振现象, 即通过改变脉冲信号周期T来实现抑制或优化输出信噪比的目的.
一个新的混沌系统的构建与实现
李春来, 禹思敏, 罗晓曙
2012, 61 (11): 110502. doi: 10.7498/aps.61.110502
摘要 +
参考Chen系统和Liu系统的构建模式, 对Lorenz系统进行改造, 构建一个新的三维自治混沌系统. 讨论了平衡点的性质, 给出了系统的功率谱图、 Poincare截面图, 并利用分岔图和Lyapunov指数谱详细分析了各参数变化对系统动力学行为的影响. 研究发现, 交叉乘积项参数d和平方项参数e变化时, 系统的Lyapunov指数谱保持恒定, 且参数d具有全局非线性调幅功能, 参数e具有局部非线性调幅功能. 另外, 设计了该混沌系统的模拟电路, 实验结果证实了混沌系统的可实现性.
一个基于Chen系统的新混沌系统的分析与同步
张国山, 牛弘
2012, 61 (11): 110503. doi: 10.7498/aps.61.110503
摘要 +
通过在Chen系统的第一个方程中加入一个可变系数的乘积项, 构造了一个新的三维自治混沌系统.新系统可通过调节其可变系数实现不同系数组合下系统的混沌产生或混沌抑制, 即调节该乘积项的可变系数, 可使不出现混沌的Chen系统产生混沌现象, 同时也可使产生混沌运动的Chen系统不再产生混沌现象.详细分析了新系统的特性, 研究了新系统的混沌同步问题, 并给出了相应的仿真结果.
直流-直流开关变换器分段光滑系统带权 Lempel-Ziv复杂度分析
谢帆, 杨汝, 张波
2012, 61 (11): 110504. doi: 10.7498/aps.61.110504
摘要 +
利用直流-直流开关变换器分段光滑系统切换过程中电路拓扑结构改变的特点, 监测每个开关周期中的开关状态, 运用计算机逻辑运算中二进制转十进制的方法提出一种新型的开关模块概念, 并用其量化系统在单个开关周期中的复杂程度建立了分段光滑系统的符号时间序列. 根据Lempel-Ziv (L-Z) 复杂度和由新型开关模块建立的符号时间序列进一步提出带权L-Z复杂度概念, 从单一变量符号时间序列中定性分析分段光滑系统的稳定性、非线性和复杂程度, 并且揭示出系统的运动规律和动力学结构.最后, 以电流反馈型buck变换器为例具体说明新型开关模块时间序列的建立和带权L-Z复杂度的分析结果.
含分数阶微分的线性单自由度振子的动力学分析
申永军, 杨绍普, 邢海军
2012, 61 (11): 110505. doi: 10.7498/aps.61.110505
摘要 +
研究了一个含分数阶微分的线性单自由度振子, 通过平均法得到了系统的近似解析解. 在近似解中, 分数阶微分项的系数和阶次以等效线性阻尼和等效线性刚度的形式影响着系统的动力学特性, 这一点与现有文献中直接将分数阶微分项归类为阻尼进行处理的方法完全不同. 比较了近似解析解和数值解, 二者的符合精度很高, 证明了近似解析解的准确性. 分析了分数阶系数和分数阶阶次对系统响应特性的影响, 发现分数阶系数和分数阶阶次都既可以通过等效线性阻尼影响系统的共振振幅, 又可以通过等效线性刚度影响系统的共振频率.
一种新的混沌映射散列函数构造方法及应用
何婷婷, 罗晓曙, 廖志贤, 韦正丛
2012, 61 (11): 110506. doi: 10.7498/aps.61.110506
摘要 +
提出了一种基于混沌映射和乘同余法构建单向散列函数的算法. 该算法通过乘同余法生成伪随机序列作为系统的初始值, 把明文信息的美国标准信息交换码(ASCII码) 归一化后作为混沌映射的初始值, 经过可变步长的混沌数字量化后, 提取出128 bit的散列值. 理论分析和仿真结果表明: 该算法具有较好的不可逆性、 抗碰撞性、 防伪造性、 初值敏感性以及较高地运行速度.
基于混合交叉进化算法的混沌系统参数估计
龙文, 焦建军
2012, 61 (11): 110507. doi: 10.7498/aps.61.110507
摘要 +
提出一种混合交叉进化算法 来估计混沌系统的未知参数. 首先通过构造一个适当的适应度函数, 将混沌系统的参数估计问题转化为一个多维的优化问题. 在混合交叉进化算法中, 利用佳点集方法初始化种群, 增加了算法的稳定性和全局搜索能力. 在进化过程中, 混合交叉操作既能指导种群个体向最优解子空间靠近, 又能提高算法跳出局部最优的能力, 从而协调了算法的勘探和开采能力. 以几个标准测试函数和典型的Lorenz混沌系统为例进行仿真实验, 结果表明了该方法的有效性.
(2+1)维 Bogoyavlenskii-Schiff 系统的精确解和孤子激发
曾文丽, 马松华, 任清褒
2012, 61 (11): 110508. doi: 10.7498/aps.61.110508
摘要 +
借助 Maple 符号计算软件, 利用投射方程法和变量分离法, 得到了(2+1)维 Bogoyavlenskii-Schiff 系统的新显式精确解. 根据得到的孤波解, 构造出了该系统新颖的局域激发结构.
基于尾流激光雷达的能量对消式大动态接收技术
梁善勇, 王江安, 张峰, 石晟玮, 马治国, 刘涛, 王雨虹
2012, 61 (11): 110701. doi: 10.7498/aps.61.110701
摘要 +
水下尾流激光雷达在近场就已开始与水体发生了激光的多次散射, 很容易导致接收系统因动态范围不够而饱和, 其反向恢复时间一般长达102 ns级, 影响远场信号接收.本文针对此问题分析了激光水体后向光散射强度衰减规律, 自主研发了一种能量对消式水下激光雷达前端接收系统. 该系统通过在近场强信号尖峰上叠加一个高速反向瞬态对消电流抑制接收系统饱和, 之后将两信号融合, 还原真实回波信号波形.分析了技术难点并给出了解决方案, 讨论了瞬态对消电流的生成时刻对强度的影响规律.经实测与分析, 该系统对消电流脉宽为5 ns, 幅度控制步进为122 nA, 幅度调节范围为135360 A, 成功实现了对近场强散射的抑制. 该系统完全可以满足尾流激光雷达大动态探测的需要.
基本粒子物理学与场
变质量非完整系统Tznoff方程的Lie 对称性与其导出的守恒量
郑世旺, 王建波, 陈向炜, 李彦敏, 解加芳
2012, 61 (11): 111101. doi: 10.7498/aps.61.111101
摘要 +
航天器运行系统大都属于变质量力学系统, 变质量力学系统的对称性和守恒量隐含着航天系统更深刻的物理规律. 本文首先导出了变质量非完整力学系统的Tznoff方程, 然后研究了变质量非完整力学系统Tznoff方程的Lie对称性及其所导出的守恒量, 给出了这种守恒量的函数表达式和导出这种守恒量的判据方程. 该研究结果对进一步探究变质量系统所遵循的守恒规律具有一定的理论价值.
核物理学
复标度方法对原子核单粒子共振态的研究
刘野, 陈寿万, 郭建友
2012, 61 (11): 112101. doi: 10.7498/aps.61.112101
摘要 +
在相对论平均场理论框架下, 利用复标度方法研究了 Zr 同位素的单粒子共振问题. 以 122Zr 为例, 演示了复标度方法确定共振态的具体步骤, 确定了 122Zr 所有可能共振态的能量和宽度, 以及相应共振态的复标度波函数, 并与耦合常数的解析延拓方法进行了比较.在此基础上, 进一步系统研究了 Zr 同位素的共振问题, 获得了与散射相移方法一致的结果.

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宇宙核时钟不确定度的研究
张蔚泓, 牛中明, 王枫, 龚孝波, 孙保华
2012, 61 (11): 112601. doi: 10.7498/aps.61.112601
摘要 +
基于经典快过程理论模型, 研究了原子核物理输入量的不确定性对Th/U, Th/Hf, Th/Eu, Th/Os, Th/Ir等核时钟估算宇宙年龄的影响. 其中利用蒙特卡罗模拟方法, 计算了不同质量模型下由单中子分离能引起的不确定性.结果表明, Th/U核时钟由原子核质量不确定性引起的误差大约为1.66 Ga, 比其他核时钟小2 Ga以上.对 Th/Eu, Th/Os和Th/Ir核时钟, 该误差分别为5.15, 3.93和3.95 Ga.由于Th/Hf核时钟受质量模型影响太大, 而Th/Os和Th/Ir的计算结果又明显偏大, 因此在年龄计算中都需谨慎使用.综合考虑原子核物理输入量和天文观测带来的误差, 利用Th/U核时钟估算的宇宙年龄为14.1 3.8 Ga.
原子和分子物理学
Arq+入射金表面激发靶原子M-X射线的动能和势能的阈值
张小安, 李耀宗, 赵永涛, 梁昌慧, 程锐, 周贤明, 王兴, 雷瑜, 孙渊博, 徐戈, 李锦玉, 肖国青
2012, 61 (11): 113401. doi: 10.7498/aps.61.113401
摘要 +
在兰州重离子加速器国家实验室 用动能150 keV和1.2 MeV的Arq+束流分别入射Au表面, 测量了离子与表面相互作用过程中辐射的X射线谱. 结果表明, 多电荷态Arq+激发Au原子的M-X射线至少需要2 keV的势能. 本文采用半经典两体碰撞近似, 估算了炮弹离子通过碰撞激发靶原子辐射X射线的动能阈值.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
光轴平行于界面的单轴手征介质中的负折射研究
李杰, 董建峰
2012, 61 (11): 114101. doi: 10.7498/aps.61.114101
摘要 +
研究了光轴平行于界面时单轴各向异性手征介质中实现负折射的条件, 并详细分析了该介质中两个本征波在不同电磁参数和手征参数下折射角随入射角的变化规律. 结果表明, 利用单轴各向异性手征介质实现负折射, 条件更加宽松, 甚至在弱的手征参数下也可能实现负折射, 且在不同的介电常数、手征参数和入射角下, 该手征介质中两个本征波的相折射角存在很大的差异, 在特殊条件下, 某一个或两个本征波不能在介质内传播.
神光II装置上速度干涉仪的研制及应用
舒桦, 傅思祖, 黄秀光, 叶君建, 周华珍, 谢志勇, 龙滔
2012, 61 (11): 114102. doi: 10.7498/aps.61.114102
摘要 +
任意反射面速度干涉仪(VISAR)具有很高的测试精度, 能实现冲击波速度、粒子速度的连续测量, 是目前冲击波传播相关物理实验的主要诊断设备. 神光II高功率激光装置上的速度干涉仪其空间分辨率优于7 m, 靶面视场约为1 mm, 探针光脉冲宽度约为 60 ns, 能满足各类冲击波相关实验的诊断. 该VISAR系统用偏振分光镜和波片系统组成了能量调节系统, 极大地方便了探针光能量和条纹相机匹配的调节; 利用新颖的探针光引入系统, 极大地提高了探针激光的能量利用率 (相对其他方法, 能量利用率提高了3倍). 该速度干涉仪已成功应用于状态方程实验、等熵压缩实验和冲击波追赶实验. 本文利用激光脉冲整形技术获得了无冲击压缩实验图像, 利用石英作为标准材料获得了聚苯乙烯 (CH)的Hugoniot数据, 利用双脉冲激光获得了石英材料中冲击波追赶 的实验图像并与理论模拟进行了对比, 实验和模拟符合得比较好. 实验结果表明, 神光II装置上的速度干涉仪能满足不同时间尺度(亚ns几十ns) 冲击波传播相关物理实验的诊断, 为进一步开展CH的高精度Hugoniot参数测量、 高压无冲击压缩实验和冲击波时空整形实验奠定了基础.
银层超透镜光学传递函数的研究
肖啸, 张志友, 肖志刚, 许德富, 邓迟
2012, 61 (11): 114201. doi: 10.7498/aps.61.114201
摘要 +
银层超透镜对基于表面等离子体激元的超分辨光刻、 成像和生物传感有着重要作用.利用银层超透镜的光学传递函数详 细研究了银板的表面等离子体激元共振和成像特性, 并利用时域有限差分法计算模拟了银层超透镜的成像过程, 得到与理论推导公式相符合的结果, 证明了光学传递函数的可靠性, 为基于表面等离子体激元的传感器件、 超分辨成像以及辅助增强干涉光刻提供了快速参数优化方法.
光注入和光电反馈联合作用下垂直腔表面发射激光器的动力学特性研究
曹体, 林晓东, 夏光琼, 陈兴华, 吴正茂
2012, 61 (11): 114202. doi: 10.7498/aps.61.114202
摘要 +
基于自旋反转模型, 研究了垂直腔表面发射激光器(VCSEL) 在光注入和光电反馈共同作用下的动力学特性. 研究结果表明: 一个受到主VCSEL光注入的副VCSEL, 在同时存在光电正反馈时, 其输出的两个线偏振模式(X和Y偏振模) 可呈现周期、倍周期、多周期、混沌等丰富的动力学状态, 且两偏振模动力学态的演化路径存在差异. 各动力学状态在由反馈强度f与注入强度 所构成的参数空间的分布区域随着主、副VCSEL 的频率失谐(=m-s,m,s 分别为主、副VCSEL自由运行时的振荡频率) 的变化而发生改变. 当为正失谐时, 呈现混沌的区域相比零失谐和负失谐时有明显的扩展, 即副VCSEL能在更大的参数范围内实现混沌输出. 对于特定的频率失谐, 分析了光电正反馈强度f和光注入强度对混沌输出带宽的影响. 通过合理选择反馈强度以及注入强度, 可使副VCSEL混沌输出带宽显著增加.
增益竞争双波长放大单频光纤放大器理论研究
杜文博, 冷进勇, 朱家健, 周朴, 许晓军, 舒柏宏
2012, 61 (11): 114203. doi: 10.7498/aps.61.114203
摘要 +
引入增益竞争是抑制单频光纤放大器中受激布里渊散射(SBS)的有效方式. 在单频光纤放大器的基础上, 推导了描述增益竞争双波长放大单频掺镱双包层光纤放大器的稳态速率方程组, 建立了增益竞争双波长放大单频光纤放大器的理论模型; 利用建立的理论模型模拟分析了信号光波长间隔、 信号光种子功率比、 抽运方式和增益光纤长度等因素对放大器的单频激光输出 效率以及SBS抑制效果的影响.
掺镱光纤激光器自脉冲与自脉冲内的自锁模研究
韩旭, 冯国英, 武传龙, 姜东升, 周寿桓
2012, 61 (11): 114204. doi: 10.7498/aps.61.114204
摘要 +
采用单端连续抽运方式, 对自由运转的双包层掺镱光纤激光器的输出特性进行了详细的实验研究. 实验中不但观察到了自脉冲, 而且首次在自由运转的光纤激光器中观察到自锁模现象, 对它们产生的物理机理进行了相应的理论分析. 分析表明: 增益光纤的弱(未) 抽运部分对信号光的吸收导致光纤激光器内自脉冲的出现, 轴向模之间的拍频和自相位调制导致自锁模现象的出现, 而受激拉曼散射、 受激布里渊散射等非线性效应使它们进一步增强. 当抽运光功率略高于阈值时, 自脉冲宽度比较宽, 随抽运光功率增加自脉冲的脉宽变窄; 自脉冲包络面内的自锁模脉冲的宽度随抽运光功率增加也变窄, 进一步增加抽运光功率, 自脉冲和自脉冲包络面内的自锁模现象消失. 实验测得自锁模脉冲的间隔为224 ns, 最大(小) 自锁模脉冲的半高全宽约为35.0 ns (6.3 ns); 测得信号光的中心波长为1090 nm, 谱线半高全宽的最大(小) 值约为7.05 nm (2.01 nm).
太赫兹波段微腔器件的设计及其特性研究
马凤英, 陈明, 刘晓莉, 刘建立, 池泉, 杜艳丽, 郭茂田, 袁斌
2012, 61 (11): 114205. doi: 10.7498/aps.61.114205
摘要 +
采用磁控溅射法制备了金属Cr膜, 并利用太赫兹时域光谱法获得了其光学参数. 利用Cr膜的光学参数计算了其相位穿透深度, 设计了基于低温GaAs 的全金属平面微腔光电导太赫兹辐射器件. 模拟结果表明: 器件的谐振频率分别为0.32, 0.65, 0.98, 1.31和1.65 THz, 与自由空间的光电导太赫兹谱相比, 在谐振频率为0.32 THz处的峰值强度提高了25倍, 光谱半高全宽压缩了50倍. 讨论了辐射偶极子与腔内驻波场之间的耦合强度对器件辐射强度的影响, 发现当辐射中心位于驻波场波腹处时, 器件辐射最强, 位于波节处时辐射被严重抑制. 太赫兹波段微腔效应的研究对于实现单色性好, 连续调谐, 高效高辐射强度的太赫兹源具有一定的理论意义.
基于现役装置的冲击点火可行性概念研究
袁强, 魏晓峰, 张小民, 张鑫, 赵军普, 黄文会, 胡东霞
2012, 61 (11): 114206. doi: 10.7498/aps.61.114206
摘要 +
以冲击点火物理特性的研究为基础, 分析冲击点火对高功率激光驱动器的物理需求, 然后从总体层面概括给出基于现役装置(神光III等间接驱动中心点火高功率激光装置) 研究冲击点火面临的关键技术问题. 研究表明, 基于现役装置的冲击点火主要面临两个层面的问题, 首先是非均匀光路排布下实现均匀辐照的工程层面问题, 其次是在现役装置上高效实现冲击点火激光脉冲的激光技术层面问题. 通过研究 分别对两个层面的问题提出相应的解决思路, 为后续研究奠定基础.
基于受激布里渊散射能量转移的冲击点火激光技术研究
袁强, 魏晓峰, 张小民, 张鑫, 赵军普, 黄文会, 胡东霞
2012, 61 (11): 114207. doi: 10.7498/aps.61.114207
摘要 +
提出一种新型的激光放大技术, 高效地实现冲击点火所需的102 ps级高功率激光脉冲. 该技术耦合了传统的激光驱动器放大技术和受激布里渊散射(SBS) 脉冲压缩技术, 在不改变现有激光装置主体结构的前提下, 使用长脉冲(数 ns) 充分提取主放大器储能, 然后在系统输出端通过SBS进行脉冲自抽运的能量转移, 将长脉冲能量转移给102 ps级的冲击脉冲, 实现高效放大的目的. 该技术在主动控制下实现能量转移, 将克服传统SBS压缩时间特性不可控的缺点, 输出满足冲击点火时域特性要求的精密控制激光脉冲.
Monte Carlo方法模拟非直视紫外光散射覆盖范围
赵太飞, 柯熙政
2012, 61 (11): 114208. doi: 10.7498/aps.61.114208
摘要 +
针对大气中紫外光散射通信的特点, 用Monte Carlo方法对紫外光非直视(NLOS) 通信三种工作方式的覆盖范围进行分析, 建立了基于Monte Carlo方法的NLOS紫外光传输模型.利用Monte Carlo模拟方法对三种NLOS散射方式的单次和多次散射路径损耗及覆盖范围进行模拟研究, 结果表明, 多次散射和单次散射的路径损耗基本一致, NLOS(a) 类全向发送全向接收通信方式覆盖范围最小但全方位性好, NLOS(b) 类定向发送全向接收通信方式的覆盖范围较大但有一定方向性, NLOS(c) 类定向发送定向接收通信方式的覆盖范围最大但有很强的方向性.
直射太阳光差分吸收光谱法测量合肥NO2 整层柱浓度
王杨, 谢品华, 李昂, 曾议, 徐晋, 司福祺
2012, 61 (11): 114209. doi: 10.7498/aps.61.114209
摘要 +
直射太阳光差分吸收光谱技术(DS-DOAS)近 年来成功应用于大气痕量气体的垂直柱浓度测量. 本文研究了基于被动DOAS算法可用于连续测量NO2整层垂直柱浓度的DS-DOAS技术, 介绍了测量系统的构成.利用统计最小值外推法减少了由参考谱引入的误差.分析了测量结果的误差来源, 估算了误差大小.报道了该系统在合肥地区对NO2进行的连续11天的测量, 分析了测量结 果.通过实验验证了算法的可行性, 证实了该技术可实现连续测量NO2整层垂直柱浓度.
熔石英后表面坑点型划痕对光场调制的近场模拟
章春来, 王治国, 向霞, 刘春明, 李莉, 袁晓东, 贺少勃, 祖小涛
2012, 61 (11): 114210. doi: 10.7498/aps.61.114210
摘要 +
建立了坑点型划痕的旋转抛物面模型, 用三维时域有限差分方法研究了熔石英后表面坑点型划痕随深度、宽度、间距以及酸蚀量变化对波长 =355 nm入射激光的调制.研究表明, 这类划痕调制最强区位于相邻两坑点的连接区, 且越靠近表面调制越强.当其宽深比为2.03.5、坑点间距约为坑点宽度的1/2时, 可获得最大光场调制, 最大光强增强因子(LIEF)为11.53; 当坑点间距大于坑点宽度时, 其调制大为减弱, 相当于单坑的场调制.对宽为60 ( =/12), 深和间距均为30的坑点型划痕进行刻蚀模拟, 刻蚀过程中最大LIEF为11.0, 当间距小于300 nm时, 相邻坑点由于衍射形成场贯通.
向列相液晶染料可调谐激光器的研究
刘永军, 孙伟民, 刘晓颀, 姚丽双, 鲁兴海, 宣丽
2012, 61 (11): 114211. doi: 10.7498/aps.61.114211
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对向列相液晶染料的可调谐激光器进行了光学特性研究. 以650 nm为中心波长设计了SiO2和TiO2多层膜的一维光子晶体, 以激光染料与向列相液晶的混合物作为增益介质层, 制备了波长可调谐激光器.用Nd: YAG倍频脉冲激光器输出的532 nm激光抽运所制备的激光器样品得出如下光学特性: 激光发射波长随温度调谐范围为605.5639.8 nm, 达到34.3 nm, 随电压调谐范围为634.5619.5 nm, 达到15 nm. 发射激光每脉冲的阈值能量为12.3 J, 激光线宽小于1 nm.
高灵敏度集成光偏振干涉仪特性及生化传感应用研究
逯丹凤, 祁志美
2012, 61 (11): 114212. doi: 10.7498/aps.61.114212
摘要 +
利用射频溅射技术在平面单模玻璃波导表面局部淀积一层Ta2O5梯度薄膜, 形成复合光波导芯片, 结合棱镜耦合法制备了一种集成光偏振干涉传感器. 基于四层平板波导模型理论分析了复合光波导表面折射率灵敏度SRI与Ta2O5梯度薄膜等效厚度Teq的关系, 结合实验测定的SRI得出了本工作中所使用Ta2O5梯度薄膜的Teq 33.021 nm, 进一步得出芯片吸附层厚度灵敏度Sab (2.412 2) nm-1. 利用该复合波导偏振干涉仪结合Lorentz-Lorenz有效介质理论测得了市售食用白醋中醋酸的浓度, 并以市售牛栏山二锅头酒为例进行了白酒掺水和掺甲醇的测试, 结果表明, 白酒掺水或甲醇前后的折射率改变量与掺杂量成准线性变化关系; 原位实时监测了丁酰胆碱酯酶的动态吸附过程及细胞色素c/聚苯乙烯磺酸钠的分子自组装过程, 并利用测得的位相差变化结合芯片吸附层厚度灵敏度Sab 获得了蛋白质表面覆盖度.
中间态引入量子干涉的三光子共振非简并六波混频
孙江, 孙娟, 王颖, 苏红新, 曹谨丰
2012, 61 (11): 114213. doi: 10.7498/aps.61.114213
摘要 +
理论研究了五能级系统中三光子共振非简并六波混频(NSWM) 由于中间能级加入耦合光场而产生的量子干涉效应. 分析了耦合光场对三光子共振NSWM信号以及频谱的影响. 研究发现, 在强耦合场作用下, NSWM的频谱出现了Autler-Townes分裂, 它反映的是两个缀饰态的能级, 量子干涉可以使NSWM信号被抑制或增强. 提出利用量子干涉对NSWM信号产生增强作用, 可以由耦合场产生的缀饰态代替原子固有能级, 成为三光子共振的中间态, 从而控制耦合场来选择三光子共振的中间态的位置.
双光子共振非简并四波混频测量Ba原子里德伯态的碰撞展宽和频移
孙江, 孙娟, 王颖, 苏红新
2012, 61 (11): 114214. doi: 10.7498/aps.61.114214
摘要 +
采用双光子共振非简并四波混频测量了Ar缓冲气压引起的Ba原子里德伯6snd 1D2谱线系的碰撞展宽和频移, 计算了n=1633的碰撞展宽截面和频移截面. 本方法是一种纯光学的测量技术, 当采用窄带激光器时可以获得里德伯态的消多普勒光谱. 与传统实验方法测量到的里德伯态纵向弛豫的碰撞展宽不同, 本方法可以研究碰撞引起的两能态间横向弛豫的展宽.
直流法测试薄膜热导的数值模拟研究
黎威志, 王军
2012, 61 (11): 114401. doi: 10.7498/aps.61.114401
摘要 +
薄膜的热导率是薄膜热学性能的最重要参数之一, 相对于多数文献的二维或三维测试结构, 本文采用一维双端支撑悬臂梁结构研究了薄膜热导率的测试方法. 悬臂梁包含上层的兼做加热电阻及测温电阻的金属条和下层的待测试薄膜. 利用一维热传导方程推导并获得了在直流电流加热条件下, 悬臂梁的温升分布(T)及加热电阻两端电压增量(U) 表达式与薄膜热导率之间的关系. 采用ANSYS有限元软件仿真了不同仿真参数时的T及U, 仿真结果与温升表达式计算结果符合得很好. 与常用的3倍频率法(3) 薄膜热学性能测试方法相比, 一维悬臂梁直流法测试结构及手段较为简单且可以获得更为精确的结果.
气体、等离子体和放电物理
激光诱导等离子体加工石英微通道机理研究
李世雄, 白忠臣, 黄政, 张欣, 秦水介, 毛文雪
2012, 61 (11): 115201. doi: 10.7498/aps.61.115201
摘要 +
利用调Q的Nd: YAG激光器输出的纳秒激光脉冲诱导等离子体加工石英微通道, 显微镜下观察微通道深度可达4 mm, 通道周围没有发现热裂纹, 围绕通道内壁产生了固化层. 研究了纳秒脉冲下固体材料损伤的电离机理. 波长为1064 nm, 光强不很强的纳秒脉冲作用时, 光学击穿中等离子体的形成主要是雪崩电离的结果, 利用雪崩击穿的阈值理论得到了等离子体形成模型, 求出了等离子体形成范围, 理论模型结果与实验结果基本相符.最后基于激光支持的爆轰波模型, 利用流体力学理论求出了等离子体的温度、速度、压强等特征参数, 并分析了微通道的特点.高温高压的等离子体烧蚀出石英微通道, 等离子通过后, 在冲击波压力作用下微通道内壁熔化的石英凝固形成固化层.
激光聚变中受激布里渊散射的混合模拟研究
刘占军, 郝亮, 项江, 郑春阳
2012, 61 (11): 115202. doi: 10.7498/aps.61.115202
摘要 +
在激光等离子体相互作用中, 受激布里渊散射的模拟耗时较长. 为缩短模拟时间, 对电子采用Boltzmann描述, 开发了一维混合Vlasov程序, 利用离子束双流不稳定性理论结果对程序进行了考核.在此基础上对激光聚变中的受激布里渊散射进行了研究, 结果表明程序正确, 模拟结果可信.
流体力学不稳定性增长测量方法研究
袁永腾, 郝轶聃, 侯立飞, 涂绍勇, 邓博, 胡昕, 易荣清, 曹柱荣, 江少恩, 刘慎业, 丁永坤, 缪文勇
2012, 61 (11): 115203. doi: 10.7498/aps.61.115203
摘要 +
本文通过静态样品定标的方法, 在神光II实验装置上获得了给定空间频率下分幅相机系统的调制传递函数. 在相同实验配置的情况下, 利用定标的结果, 实现了对正弦扰动样品的流体力学不稳定性增长的绝对测量, 获得了不同时刻的增长因子, 结果表明现阶段已具备辐射驱动流体力学不稳定性实验的扰动增长表征能力.
大面积等离子体片密度分布分析
丁亮, 霍文青, 杨新杰, 徐跃民
2012, 61 (11): 115204. doi: 10.7498/aps.61.115204
摘要 +
利用空心阴极放电产生了尺寸为60 cm60 cm2 cm的大面积等离子体面. 在实验室条件下对大面积等离子体片的密度分布进行了测量. 由于高压放电脉冲脉宽较短, 实验中改变了测量方法, 同时, 在中等磁场影响下, 为了得到真实的等离子体密度, 进行了必要的数值修正.在放电电流为16 A时, 测量了二维的电子密度分布. 另外, 测量并讨论了其他环境参数对等离子体密度的影响. 电子密度的分布情况对与微波波束切换相当重要. 由空心阴极增强型放电产生的大面积等离子体面具有反射X波段(812 GHz) 微波需要的足够稠密的电子密度和足够均匀的密度分布, 这是等离子体面在雷达系统中取代金属面板的有利条件.
流动氩气放电系统中条纹斑图形成的实验研究
李雪辰, 刘润甫, 贾鹏英, 孔柳青
2012, 61 (11): 115205. doi: 10.7498/aps.61.115205
摘要 +
采用双水电极介质阻挡放电装置, 在大气压下流动氩气中产生了稳定的条纹斑图, 并采用拍照和电学方法对其产生机理进行了研究. 研究发现, 条纹斑图仅出现在外加电压较低的情况下, 在较高电压下放电会过渡到均匀模式. 低电压下的条纹斑图是由于放电丝沿着气流方向定向移动形成的, 该定向移动速度几乎与电压无关, 主要由气体流量决定. 分析发现放电空间中活性粒子的记忆效应对条纹斑图的形成起决定作用. 电学测量发现放电电流和放电的气隙起始电压都随着气流的增加而减小, 本文对这一现象进行了定性解释. 本文结果对斑图动力学研究和介质阻挡放电的工业应用都具有很重要的意义.
基于Abel逆变换的辐射驱动内爆壳层密度分布研究
董建军, 曹柱荣, 陈伯伦, 黄天暄, 缪文勇, 张继彦, 刘慎业, 江少恩, 丁永坤, 谷渝秋, 单连强
2012, 61 (11): 115206. doi: 10.7498/aps.61.115206
摘要 +
给出了一种利用Abel逆变换反演壳层压缩密度分布的方法. 使用微焦点X射线光源对直径1 mm、密度已知的空心CH球壳进行了透射照相, 通过Abel逆变换反演得到了空心CH球壳的壳层密度, 反演密度与实际密度符合, 表明通过Abel逆变换反演壳层密度的有效性. 对16分幅相机记录的辐射驱动内爆靶球图像进行Abel逆变换, 得到了不同时刻壳层压缩密度分布.定性分析了背光空间分布、针孔成像系统和壳层厚度变化对密度反演的影响.
托卡马克中电子回旋波与低杂波协同驱动的物理研究
洪斌斌, 陈少永, 唐昌建, 张新军, 胡有俊
2012, 61 (11): 115207. doi: 10.7498/aps.61.115207
摘要 +
揭示了电子回旋波与低杂波协同驱动等离子体并获得协同电流的机理. 从物理上阐述了双波协同驱动在相空间上和在电流剖面上所需满足的匹配关系. 通过计算机模拟研究展示了协同驱动的净增电流与波功率之间存在的非线性关系, 并对其给出了物理上的解释.本文工作将为相关实验的设计和分析提供物理上的支撑.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
热加工过程中动态再结晶现象的多相场研究
徐树杰, 师春生, 赵乃勤, 刘恩佐
2012, 61 (11): 116101. doi: 10.7498/aps.61.116101
摘要 +
金属热加工过程中的动态再结晶引起的组织演化难以通过实验实时观察, 本文基于Ginzburg-Landau动力学方程, 构造多相场法与位错密度计算相耦合的物理模型, 模拟了热加工过程中的动态再结晶现象.研究了不同温度和不同应变速率下的动态再结晶过程, 阐述了应力-应变曲线由单峰形式转变为多峰形式的原因.此外, 本文利用多相场法对多阶段变形过程进行了系统模拟, 研究了静态回复对动态再结晶过程的影响, 分析了不同的热加工参数对动态再结晶动力学的影响, 发现在变形间断过程中, 晶粒尺寸不断增大, 较高的变形温度和较低的应变速率可以加速动态再结晶过程.
辐照对掺Er硅酸盐玻璃吸收和发光特性的影响
盛于邦, 杨旅云, 栾怀训, 刘自军, 李进延, 戴能利
2012, 61 (11): 116301. doi: 10.7498/aps.61.116301
摘要 +
用传统的高温熔融法熔制了一系列掺Er硅酸盐玻璃, 并测试了这些样品经5 kGy 射线辐照前后紫外至近红外的吸收和荧光光谱. 实验结果表明, 辐致暗化效应使得玻璃材料中形成了大量色心, 导致在400 nm附近出现强吸收带, 其尾端延伸至近红外区. 辐照产生的新能带增加了基质与Er3+ 特定能级(如2H11/2, 4S3/2及4F9/2等) 之间的能量传递, 从而使辐照后的样品荧光寿命减小, 且在相同激发条件下荧光强度下降. 室温下辐照样品在荧光测试过程中出现了漂白现象.
-Ce中的高压纵波声子模软化和状态方程描述
李风姣, 贺端威, 柳雷, 张毅, 敬秋民, 刘盛刚, 陈海花, 毕延, 徐济安
2012, 61 (11): 116401. doi: 10.7498/aps.61.116401
摘要 +
利用同步辐射角散X射线衍射技术测量了室温条件下00.74 GPa 压力范围内Ce的等温压缩线.发现-Ce的室温等温压缩线呈外凸形, 这是由其纵波声子模软化所致.利用超声测量得到的体弹性模量随压力变化的规律, 对实验所得到的压力与体积数据, 用二阶和三阶Murnaghan 方程、二阶和三阶Birch 方程、三阶Xu方程以及二阶Vinet方程进行比较, 并且对这些状态方程得到的体弹性模量随压力的变化规律与超声实验的结果相对比, 发现三阶Murnaghan 方程和三阶Xu方程对-Ce最适用.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
第一原理研究Sn(O1-xNx)2材料的光电磁性质
张国莲, 逯瑶, 蒋雷, 王喆, 张昌文, 王培吉
2012, 61 (11): 117101. doi: 10.7498/aps.61.117101
摘要 +
基于第一原理的密度泛函理论, 以量子化学从头计算软件 为平台研究了Sn(O1-xNx)2材料的光电磁性能, 分析了体系的态密度、能带结构、磁性、介电虚部及折射率. 计算结果表明, N替代O后, 随着掺杂浓度的增加, 体系的带隙先减小后增大, 掺杂量为12.50%时带隙最窄. 由于N 2p轨道电子的贡献, 在0.551.05 eV范围内产生了浅受主能级, 价带和导带处的能级均出现了劈裂及轨道的重叠现象, SnO键的键强大于NO键的键强. 从磁性来看, N原子决定了磁矩的大小. 从介电虚部可知, 掺杂后体系的光学吸收边增宽, 主跃迁峰发生红移, 反射率和介电谱相对应, 各峰值与电子的跃迁吸收有关.
Nd高掺杂锐钛矿相TiO2电子结构和吸收光谱的第一原理研究
张振铎, 侯清玉, 李聪, 赵春旺
2012, 61 (11): 117102. doi: 10.7498/aps.61.117102
摘要 +
基于密度泛函理论平面波超软赝势方法, 采用第一原理研究未掺杂和不同浓度Nd高掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构和吸收光谱. 计算结果表明, 在本文限定的Nd高掺杂浓度范围内, Nd高掺杂浓度越小, 锐钛矿相TiO2的禁带宽度越窄, 吸收光谱发生红移越显著. 计算结果与实验结果变化趋势相一致.
(InAs)1/(GaSb)1超晶格纳米线第一原理研究
孙伟峰, 郑晓霞
2012, 61 (11): 117103. doi: 10.7498/aps.61.117103
摘要 +
半导体纳米线作为纳米器件的作用区和连接部分具有理想的形状, 把电子运动和原子周期性限制在一维结构当中.通过体材料的已知特性, 有效地选择材料组分使纳米线的低维结构优点更加突出.此外, 还可以通过其他方式来调整纳米线特性, 如控制纳米线直径、晶体学生长方向、结构相、表面晶体学晶面和饱和 度等内部或固有的特性;施加电场、磁场、热场和力场等外部影响. 体材料InAs和GaSb的晶格常数非常相近, 因此InAs/GaSb异质结构晶格失配很小, 可生长成为优良的红外光电子材料.另外, 体材料InAs在二元IIIV化合物半导体中具有最低的有效质量, 这使得电子限制在InAs层的InAs/GaSb超晶格具有良好的输运特性. 本文通过第一原理计算研究轴线沿[001]和[111]闪锌矿晶体学方向的 (InAs)1/(GaSb)1超晶格纳米线(下标表示分子或双原子单层的数量) 的结构、电子和力学特性, 以及它们随纳米线直径(线径约为0.52.0 nm)的变化规律.另外, 分析了外部施加的应力对电子特性的影响, 考察了不同线径(InAs)1/(GaSb)1超晶格纳米线的电子带边能级随轴向应变的变化, 从而确定超晶格电子能带的带边变形势.
(InAs)1/(GaSb)1超晶格原子链的第一原理研究
孙伟峰
2012, 61 (11): 117104. doi: 10.7498/aps.61.117104
摘要 +
利用第一原理平面波赝势法, 对(InAs)1/(GaSb)1超晶格原子链的原子结构、力学特性、电子能带结构、声子结构和光学特性进行研究, 并结合密度泛函理论数值原子轨道赝势法和非平衡格林函数法计算量子输运特性. 与二维层结构的(InAs)1/(GaSb)1超晶格相比, (InAs)1/(GaSb)1超晶格原子链的能带结构有明显不同, 在某些情况下表现为金属能带特性. 对理想条件下(InAs)1/(GaSb)1 超晶格原子链的力学强度计算表明, 该结构可承受的应变高达 =0.19. 通过对声子结构的完整布里渊区分析, 研究了(InAs)1/(GaSb)1超晶格原子链的结构稳定性. 对两端接触电极为Al纳米线的InAs/GaSb超晶格原子链的电子输运特性计算表明, 电导随链长和应变的改变而发生非单调变化.光吸收谱的计算结果表现出在红外波段具有陡峭吸收边, 截止波长随超晶格原子链的结构而变化.预计InAs/GaSb超晶格原子链可应用于红外光电子纳米器件, 通过改变超晶格原子链的结构来调节光电响应波段.
点缺陷扶手型石墨烯量子点的电子性质研究
姚志东, 李炜, 高先龙
2012, 61 (11): 117105. doi: 10.7498/aps.61.117105
摘要 +
基于有限差分方法, 数值求解了Dirac方程, 研究了垂直磁场下的点缺陷扶手型 石墨烯 量子点的能谱结构, 分析了尺寸大小对带隙的影响. 与无磁场时具有一定带隙 (带隙的大小与半径成反比) 的量子点相比, 在外加有限磁场下, 能谱中出现朗道能级, 最低朗道能级能量为零并与磁场强度无关, 并且朗道能级的简并度随着磁场的增加而增加. 进一步的计算表明, 最低朗道能级的简并度与磁场成线性关系, 与半径的平方成线性关系. 本文工作对基于石墨烯量子点的器件设计具有一定的指导意义.
有机发光器件的磁电导效应
张勇, 刘亚莉, 焦威, 陈林, 熊祖洪
2012, 61 (11): 117106. doi: 10.7498/aps.61.117106
摘要 +
制备了基于三(8-羟基喹啉)铝(tris-(8-hydroxyquinoline) aluminum (III), Alq3) 的有机发光二极管, 并在不同偏压下测量了器件的室温磁电导效应.在小偏压下, 发光器件展示出明显的负磁电导效应.偏压增加后, 磁电导由负值变为正值, 出现了正负转变的现象. N, N'-二苯基-N, N'-(1-萘基)-1, 1'-联苯-4, 4'-二胺(N, N'-Di(naphthalen-1-yl)-N, N' diphenyl-benzidine, NPB) 与铜酞菁 (Copper phthalocyanine, CuPc) 单极器件磁电导的测量结果表明, 发光器件在小偏压下的负磁电导效应来源于器件中的CuPc层. 双极电流的磁电导效应可用电子-空穴对模型进行解释, 而单极电流的磁电导效应可归因于器件中的极化子-双极化子转变. 在注入电流的变化过程中, 发光器件的正负磁电导转变是两种机理共同作用的结果.
第一原理研究界面弛豫对InAs/GaSb超晶格界面结构、能带结构和光学性质的影响
孙伟峰, 郑晓霞
2012, 61 (11): 117301. doi: 10.7498/aps.61.117301
摘要 +
通过广义梯度近似的第一原理全电子相对论计算, 研究了不同界面类型InAs/GaSb超晶格的界面结构、电子和光吸收特性. 由于四原子界面的复杂性和低对称性, 通过对InAs/GaSb超晶格进行电子总能量和应力最小化来确定弛豫界面的结构参数. 计算了InSb, GaAs型界面和非特殊界面(二者交替)超晶格的能带结构和光吸收谱, 考察了超晶格界面层原子发生弛豫的影响.为了证实能带结构的计算结果, 用局域密度近似和Hartree-Fock泛函的平面波方法进行了计算. 对不同界面类型InAs/GaSb超晶格的能带结构计算结果进行了比较, 发现界面Sb原子的化学键和离子性对InAs/GaSb超晶格的界面结构、 能带结构和光学特性起着至关重要的作用.
点电荷在拓扑绝缘体和导体中感应磁单极
曾伦武, 宋润霞
2012, 61 (11): 117302. doi: 10.7498/aps.61.117302
摘要 +
利用电势和磁标势的第一类零阶贝塞尔函数的公式及拓扑绝缘体材料的本构关系, 推导了点电荷在电介质、拓扑绝缘体和接地导体三个区域的感应电势及感应磁标势. 研究表明: 点电荷在电介质、拓扑绝缘体和接地导体中感应了像电荷和像磁单极; 感应像电荷和感应像磁单极的大小和正负除了与场源电荷、拓扑绝缘体材料参数等因素有关外, 还与像电荷和像磁单极所处的空间位置有关.
二维磁振子晶体中点缺陷模的耦合性质研究
曹永军, 谭伟, 刘燕
2012, 61 (11): 117501. doi: 10.7498/aps.61.117501
摘要 +
在超原胞近似下, 利用平面波展开法数值计算了多点缺陷的二维磁振子晶体带结构及其部分缺陷模的磁化强度场分布. 研究结果表明, 点缺陷模间的能量发生了耦合, 使自旋波沿着缺陷方向传播. 利用该性质可将含多点缺陷体的二维磁振子晶体作为自旋波导波器件的制作材料.
Eu2+, Cr3+共掺杂的MAl12O19 (M=Ca, Sr, Ba)的发光性质及能量传递
钟瑞霞, 张家骅, 李明亚, 王晓强
2012, 61 (11): 117801. doi: 10.7498/aps.61.117801
摘要 +
三基色荧光粉中, 红色荧光粉性能较差, 为获得性能优良的红色荧光粉, 本文采用高温固相法合成了Eu2+, Cr3+单掺杂及共掺杂的碱土金属多铝酸盐MAl12O19 (M =Ca, Sr, Ba) 发光体. 实验表明, 在以上三种基质中均存在Eu2+Cr3+的能量传递, 利用能量传递可以有效将Eu2+的蓝光或绿光转换为红光. 三种碱土金属多铝酸盐基质的晶体结构相似,但Eu2+, Cr3+发光受晶体场影响,导致在不同的基质中Eu2+, Cr3+间能量传递效率不同.通过光谱分析及能量传递效率计算发现, 相同掺杂浓度下,CaAl12O19中Eu2+Cr3+的能量传递效率最高,SrAl12O19次之, BaAl12O19最低.红光转换率在CaAl12O19中最高.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
忆阻电路的基本性质及其应用
宋德华, 吕梦菲, 任翔, 李萌萌, 俎云霄
2012, 61 (11): 118101. doi: 10.7498/aps.61.118101
摘要 +
对有边界的忆阻元件与电容、电感的串、并联电路分别进行了研究, 分析了电路所具有的特性和频率及元件的电容、电感对电路的影响, 通过仿真验证了理论结果.根据有边界的忆阻元件及其构成电路的性质研究, 对其潜在的应用进行了预测.
Al2O3对氟氧化物玻璃微结构和析晶的影响
刘敏, 余华, 张盼, 张铭, 刘艳, 赵丽娟
2012, 61 (11): 118102. doi: 10.7498/aps.61.118102
摘要 +
采用红外, Raman, X射线衍射测试分析方法, 研究了Al2O3对氟氧化物玻璃微结构和析晶的影响.结果表明, Al3+主要以[AlO4]的形式与[SiO4]以顶角相连的方式构成基本网络骨架, Al2O3含量的增加, 使氧化物玻璃基质的网络向单体和二聚体结构转变, 并使氟化物微晶尺寸有一个先变小后增大的趋势, 但不影响微晶结构.
定向倾斜枝晶生长规律及竞争行为的相场法研究
王雅琴, 王锦程, 李俊杰
2012, 61 (11): 118103. doi: 10.7498/aps.61.118103
摘要 +
采用多相场模型对定向凝固过程中倾斜枝晶生长进行了研究, 模拟了单一取向枝晶列的演化规律及不同取向枝晶列汇聚生长竞争淘汰行为. 结果表明, 枝晶尖端过冷度随倾斜角度的增大而增大, 即相同条件下倾斜枝晶尖端位置总是低于非倾斜枝晶; 汇聚生长时择优取向枝晶总是阻挡非择优取向枝晶, 但在抽拉速度较低时, 由于溶质扩散场的相互重叠, 晶界处择优取向枝晶的生长受到相邻非择优枝晶的影响而延缓, 这可能导致非择优取向枝晶淘汰择优取向枝晶.
一种性能稳定的新Y形单元厚屏频率选择表面
唐光明, 苗俊刚, 董金明, 胡晓晴
2012, 61 (11): 118401. doi: 10.7498/aps.61.118401
摘要 +
厚屏频率选择表面(FSS) 能克服双层或多层薄屏FSS级联引起的结构复杂和中心频率透过率容易降低的不利影响, 并且在拓展FSS带宽方面具有优势, 这使其在曲面隐身雷达天线罩应用方面有潜在的价值. 但是, 当电磁波以大范围角度入射时, 中心频率可能会随入射角度的变化而漂移, 而且在大角度入射时不易实现极化稳定性. 本文针对此问题, 设计了一种新Y形单元厚屏FSS, 利用模式匹配法对此结构进行分析计算, 并研究TE, TM波入射时角度变化及大角度入射时极化变化对通带带宽、中心频率及其透过率的影响. 仿真实验结果表明: 新Y形单元厚屏FSS的中心频率在TE, TM波入射时均能实现角度稳定性和大角度入射时的极化稳定性. 这为FSS在曲面隐身雷达天线罩上的应用提供了一种借鉴.
经颅磁刺激感应外电场作用下最小神经元模型放电起始动态机理分析
金淇涛, 王江, 伊国胜, 李会艳, 邓斌, 魏熙乐, 车艳秋
2012, 61 (11): 118701. doi: 10.7498/aps.61.118701
摘要 +
经颅磁刺激(TMS)是一种采用电磁线圈在大脑指定区域产生磁场的刺激方式. TMS的治疗原理是通过电磁感应产生作用于神经元的外加电场进而影响神经元编码. 然而目前TMS感应外电场改变神经元编码的内在机理尚不清楚.研究表明, 神经元编码由神经元的放电起始动态机理决定. 本文建立了TMS感应外电场作用下的最小神经元模型, 采用相平面分析和分岔分析方法, 研究了外电场作用下神经元放电起始动态的动力学机理, 并从阈下电位的不同动力学特性离子电流竞争角度揭示了TMS感应外电 场作用下神经元放电起始动态的生理学机理.
混沌免疫算法求解认知无线电网络资源分配问题
柴争义, 郑丽萍, 朱思峰
2012, 61 (11): 118801. doi: 10.7498/aps.61.118801
摘要 +
为了优化认知无线电网络中多用户正交频分复用子载波的资源分配, 将其转换为一个约束优化问题, 进而提出了一种基于混沌免疫优化的求解方法.给出了算法的实现过程和关键技术, 设计了适合算法求解的编码、克隆、重组、变异算子.实验结果表明, 在满足认知用户速率、所需误码率及干扰约束的条件下, 本文所用算法减小了整个系统所需的总发射功率, 同时收敛速度较快, 能够得到较优的子载波分配方案, 进而提高频谱利用效率.
地球物理学、天文学和天体物理学
无海面控制点的立体摄影海浪测量方法研究
姜文正, 袁业立, 王英霞
2012, 61 (11): 119101. doi: 10.7498/aps.61.119101
摘要 +
介绍了一种无海面控制点的立体摄影海浪测量方法, 给出了其数学模型和相关算法. 文中利用海浪特性, 基于最小二乘法和海浪波面理论, 给出了一种新的外方位元素定标方式. 与传统的立体摄影定标方式相比, 该定标方式充分利用了平均海平面的性质, 既避免了海面控制点的需求, 又使测量数据更为直观, 同时还为基于运动平台的立体摄影海浪测量技术的发展提供了理论依据. 实验室实验表明基于本文发展的立体摄影测量系统精度较高, 可以用于海面微尺度波的测量; 现场实验表明基于本文发展的立体摄影测量系统测量面积可达104 m2 量级, 是一种有效的大尺度海浪测量手段.
泵油饱和砂岩黏弹行为的实验研究
席道瑛, 徐松林, 杜赟
2012, 61 (11): 119102. doi: 10.7498/aps.61.119102
摘要 +
通过Metravib热机械分析仪, 用固定静载为100 N、正弦波动载荷为60 N的应力-应变实验方法, 在温度为-50175 ℃, 升温速率为1 ℃/min, 频率为11000 Hz的条件下, 对泵油饱和长石砂岩、彭山砂岩样品进行单轴循环加载实验, 研究了饱和多孔岩石在弹性范围内的衰减、耗散角、杨氏模量和弹性波波速随温度和频率的变化规律. 取得了随频率增高饱和多孔岩石的衰减峰和耗散角峰的峰位向高温方向移动的热激活弛豫规律, 并求得弛豫峰的激活能和跃迁频率, 以饱和砂岩的特点对此作出了解释. 发现岩石中矿物离子置换时的相变内耗峰, 并用动态观点解释了该相变峰. 还获得杨氏模量和弹性波波速随温度升高而下降、随频率增高而增大的频散效应, 随温度升高频散效应有减弱的趋势. 该研究结果对理论模型研究具有指导意义, 对地震资料的解释具有实用价值.
旱涝预测的演化建模方法
何文平, 王柳, 万仕全, 廖乐健, 何涛
2012, 61 (11): 119201. doi: 10.7498/aps.61.119201
摘要 +
发展了一种旱涝预测的演化建模方法, 数值试验结果表明, 该方法能够从历史资料中准确地挖掘出气候要素演化的主要动力学特征, 所建立的模型不仅能够较好地模拟要素的历史演变情况, 而且还能够对未来的演变趋势进行准确的预测. 对于演化建模所得到的误差较大的模型, 对其预测误差序列进行二次演化建模可明显提高模型的预测精度.
外强迫对Lorenz系统初值可预报性的影响
黎爱兵, 张立凤, 项杰
2012, 61 (11): 119202. doi: 10.7498/aps.61.119202
摘要 +
利用强迫Lorenz模型, 研究了外强迫对Lorenz系统混沌性质、映射结构及初值可预报性的影响, 并以海表温度为大气运动的外强迫, 用实际大气海洋资料分析了外强迫对大气可预报性的影响. 结果发现, 系统混沌现象的出现与外强迫有关, 外强迫改变了Lorenz系统的运动规律, 使围绕两奇怪吸引子运动的随机性减少. 考虑外强迫后, 系统运动轨迹的概率密度函数呈不对称的双峰结构, 且Lorenz映射由无外强迫时的一个尖点分离为两个尖点, 尖点的偏离方向和偏离位置分别与外强迫的正负和大小有关. 外强迫可减小Lorenz系统对初值的敏感性, 提高系统的初值可预报性, 尤其是外强迫越大, 可预报性提高的幅度也越大. 这些结果在不同强度海表温度强迫下的实际大气可预报性分析中得到了证实, 即海温异常越大, 实际大气变量的可预报性也越大.
一种用于合成孔径雷达图像相干斑抑制的双边滤波参数配置新方法
李金才, 黄思训, 彭宇行, 张卫民
2012, 61 (11): 119501. doi: 10.7498/aps.61.119501
摘要 +
基于最优折衷假设以及等效视数曲线和边缘保持指数曲线的单调特性, 提出了一种用于合成孔径雷达(SAR) 图像相干斑抑制的双边滤波参数配置新方法. 该方法与传统方法相比, 在计算时间相当的情况下, 灰度值近似方差精度提高一个数量级; 当灰度值近似方差精度相同时, 计算时间减少一个数量级.
X射线脉冲星累积轮廓建模及信号辨识
谢强, 许录平, 张华, 罗楠
2012, 61 (11): 119701. doi: 10.7498/aps.61.119701
摘要 +
为减少X射线脉冲星信号辨识所需的观测时间, 提出一种基于轮廓光子分布统计量的辨识算法. 用该方法分析了观测数据按不同周期累积所获轮廓的光子分布差异, 按累积周期正确与否, 对轮廓进行分类建模. 基于两类轮廓模型, 研究了光子分布统计量的性质差异, 以此进行信号辨识. 利用罗西X射线时变探测器数据进行了辨识实验, 结果表明该算法有效地减少了辨识所需的观测时间, 且不存在误检问题.
前沿领域综述

编辑推荐

以颗粒物理原理认识地震地震成因、地震前兆和地震预测
陆坤权, 厚美瑛, 姜泽辉, 王强, 孙刚, 刘寄星
2012, 61 (11): 119103. doi: 10.7498/aps.61.119103
摘要 +
本文以地壳和地幔的基本构造和已有观测事实为依据, 运用颗粒物理原理,将地壳和地幔作为大尺度离散态颗粒物质体系处理, 重新认识地震孕育过程,前兆产生机制及规律,探求地震预测方法和途径. 主要结果是:建立了地壳与地幔构成和运动的颗粒模型; 提出了引发地震的大地构造力的形成机制, 以及地震前兆信息产生和传播规律; 说明了地震前兆信息的主要特征及其与地震发生之间的关联, 阐述了探测有效地震前兆信息的方法原理; 用颗粒流动的阻塞-解阻塞转变原理解释了深源地震发生机制; 对以前难以理解的若干地震学现象进行了解释, 并讨论了地震的可预测性. 由于地壳和地幔的离散结构特征, 对于地震孕育的准静力学过程, 连续介质理论不再适用. 以颗粒物理原理研究地震成因、地震前兆和地震预测, 所获得的新认识与传统连续介质地震学观点有本质区别.