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Vol. 61, No. 12 (2012)

2012年06月20日
总论 基本粒子物理学与场 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
总论
一类海-气耦合振子模型行波解的渐近解法
石兰芳, 欧阳成, 莫嘉琪
2012, 61 (12): 120201. doi: 10.7498/aps.61.120201
摘要 +
热带海-气振子是一个复杂的自然现象. 本文是对一个海气耦合振子模型, 利用一个待定系数和摄动理论相结合的新方法, 得到了相应模型的行波渐近解.
带双层开孔外筒的圆筒结构的水动力特性研究
刘俊, 林皋, 李建波
2012, 61 (12): 120202. doi: 10.7498/aps.61.120202
摘要 +
本文采用比例边界有限元方法(SBFEM), 获得了三维短峰波对带双层开孔外筒的圆筒新型结构水动力相互作用的半解析解. SBFEM综合了有限元(FEM)和边界元(BEM)法的优点, 使问题降阶一维, 而又不需要基本解, 不出现奇异性问题, 自动满足无穷远边界条件. SBFEM将整个计算域分成两个有限子域和一个无限子域, 利用变分原理推导出各个子域波浪速度势沿径向变化所应满足的二阶常微分方程组(SBFEM控制方程), 针对有限子域和无限子域分别采用贝塞尔函数和汉克尔函数作为基函数进行解析求解. 数值算例表明, 本文所推荐的方法只需对最外筒边界进行离散, 采用少数节点便能得到高度精确的结果. 与单层开孔圆筒结构波动场的比较, 发现双层开孔结构对降低内筒所受波浪力效果更好. 进一步分析了短峰波的波浪参数、结构的形状参数及材料参数对整个结构所受波浪荷载及计算域波浪爬升的影响, 这为带双层开孔外筒的圆筒结构的水动力分析和结构设计提供了有价值的参考.
离散时间切换广义系统的一致有限时间稳定性
高在瑞, 沈艳霞, 纪志成
2012, 61 (12): 120203. doi: 10.7498/aps.61.120203
摘要 +
针对一类离散时间切换广义系统, 研究其一致有限时间稳定性问题. 首先, 把广义系统的有限时间稳定性概念推广到离散切换广义系统; 然后, 利用Lyapunov-like函数方法, 给出了离散切换广义系统在任意给定的切换规则下是正则、 因果的, 且有限时间有界和有限时间稳定的充分条件, 同时给出了保证离散切换广义系统一致有限时间稳定的状态反馈控制器的具体设计方法. 仿真算例结果说明了该控制方法的有效性.
高维辅助的普适量子线路优化
刘凯, 李文东, 张闻钊, 史鹏, 任春年, 顾永建
2012, 61 (12): 120301. doi: 10.7498/aps.61.120301
摘要 +
受到Lanyon等(Lanyon B P et al 2008 Nature Physics. 5 134)利用高维Hilbert空间成功简化Toffoli门的启发, 本文将辅助维度应用到普适量子线路中, 结合Cosine-Sine Decomposition(CSD), Quantum Shannon Decomposition(QSD)等矩阵分解方法, 优化了两比特和三比特普适幺正量子线路, 给出了计算n比特普适量子线路复杂度的公式, 并利用线性光学和腔QED系统设计了实验方案. 结果表明, 两比特和三比特量子线路的复杂度已分别接近和优于目前最优结果, 且随着比特数的增加, 本方案的优势愈加明显.
运动原子多光子J-C模型中的熵交换与纠缠
胡要花
2012, 61 (12): 120302. doi: 10.7498/aps.61.120302
摘要 +
考虑一个运动的二能级原子与单模热光场经由多光子过程相互作用, 利用量子约化熵理论研究原子与场之间的熵交换、用Concurrence量度原子与场之间的纠缠, 讨论原子初态、原子运动、热场平均光子数以及跃迁光子数对熵交换和纠缠的影响. 结果表明: 考虑原子运动时, 原子和光场熵变呈现周期性, 且发生熵交换现象; 与热光场的相互作用导致运动原子与场纠缠, 多光子过程有利于纠缠加强. 在原子和光场熵变均为零处, 纠缠也为零.
旋转致密双星后牛顿轨道的引力波研究
钟双英, 刘崧
2012, 61 (12): 120401. doi: 10.7498/aps.61.120401
摘要 +
本文利用辛算法和功率谱研究旋转致密双星保守的后牛顿哈密顿系统的引力辐射, 讨论了系统的动力学参量、旋转-轨道耦合、旋转-旋转耦合效 应及轨道类型对后牛顿近似引力波形的影响. 数值结果表明有序轨道的引力波随时间呈周期性地变化, 而混沌轨道引力波的变化具有混沌性, 并且轨道的混沌特性可提高引力波的辐射能量, 尤其指出的是旋转参量大小对引力波形的变化发挥至关重要的作用.
脉冲序列控制电流断续模式Buck变换器的动力学建模与边界碰撞分岔
沙金, 包伯成, 许建平, 高玉
2012, 61 (12): 120501. doi: 10.7498/aps.61.120501
摘要 +
通过建立一个开关周期内输出电容电荷变化量对应的输出电压变化量, 建立了工作于电感电流断续模式(discontinuous conduction mode, DCM)的脉冲序列(pulse train, PT)控制Buck变换器的近似离散时间模型, 研究了负载电阻及输入电压变化时PT控制DCM Buck变换器的边界碰撞分岔行为. 通过构造相应的迭代映射曲线, 分别分析了不同负载电阻时PT控制DCM Buck变换器的周期1、周期2和周期3运行轨迹的不动点稳定性, 揭示了PT控制DCM Buck变换器在不同周期态时的边界碰撞分岔的形成机理. 研究结果表明, 随参数变化, PT控制DCM Buck变换器始终运行在不同的周期态, 各周期态的切换由边界碰撞分岔引起, 李雅谱诺夫指数始终小于零. 利用PSIM电路仿真软件, 给出了不同负载电阻时的时域波形和相轨图. 实验结果验证了理论分析和仿真结果的正确性, 同时说明了本文动力学建模的可行性.
混沌超宽带系统的广义负熵盲检测机理研究
宫蕴瑞, 何迪, 何晨
2012, 61 (12): 120502. doi: 10.7498/aps.61.120502
摘要 +
本文提出了利用广义负熵盲检测机理对混沌超宽带系统的进行非相干盲检测的研究方法, 在传输信道状态未知的情况下即可检测出混沌脉冲信号. 该方法能够克服用于超宽带无线电通信的直接混沌通信方案存在的实际应用问题, 能够有效解决未知复杂多径信道问题. 通过仿真结果分析表明, 采用非相干盲检测方法的直接混沌通信超宽带方案, 不需要信道状态信息, 具有很好的分离检测效果. 为未知非理想信道下, 非相干盲检测的混沌超宽带系统提出了新思路.
对一类超混沌图像加密算法的密码分析与改进
朱从旭, 孙克辉
2012, 61 (12): 120503. doi: 10.7498/aps.61.120503
摘要 +
对一种超混沌图像加密算法及其改进版进行了安全性分析, 结果表明该类算法的置乱过程都是与混淆过程相脱离的, 且混淆过程的加密公式简单; 因此都不能抵抗选择明文和选择密文攻击. 进而提出了一种改进的加强型超混沌图像加密算法; 改进算法包含两轮像素值替代加密操作, 并使得密文与明文、密钥之间的关系更复杂. 安全性分析和实验测试表明, 改进算法不仅克服了原算法不能抵御选择明文和选择密文攻击的缺陷; 而且具有时间开销更小和抗差分攻击性能更好的优势.
基于滑模控制法实现规则网络的混沌同步
吕翎, 李雨珊, 韦琳玲, 于淼, 张檬
2012, 61 (12): 120504. doi: 10.7498/aps.61.120504
摘要 +
利用滑模控制法研究了规则网络的混沌同步问题. 将针对一个混沌系统进行控制或驱使一个混沌系统同步于另一个 混沌态的滑模控制法推广到由多个混沌系统构成的复杂网络的同步研究中. 设计了网络滑膜面以及控制输入, 并依据稳定性理论分析了它们的有效性. 选取Duffing系统和Coullet系统作为网络节点构成的规则网络为例进行了仿真模拟.
无线传感器网络中继节点布居算法的研究
王翥, 王祁, 魏德宝, 王玲
2012, 61 (12): 120505. doi: 10.7498/aps.61.120505
摘要 +
本文表述的是在该应用背景下引入多约束条件, 并采用枚举法与贪婪寻优算法相结合的方法, 解决了在可以作为中继节点设置位置的预设中继节点位置集合内, 合理选择中继节点设置位置以及既存网络因添加新传感器节点所引起的中继节点追加的问题. 仿真实验表明, 本文提出的中继节点布居与追加优化算法能够保证多约束条件下网络的容错性. 同时提出的基于最小网络距离因子评价标准, 有效提高了中继节点布居算法的能效性.
噪声对集合种群稳定性的影响
王参军, 李江城, 梅冬成
2012, 61 (12): 120506. doi: 10.7498/aps.61.120506
摘要 +
本文在Levins模型的基础上研究了噪声对集合种群的稳定性的影响. 应用Fokker-Planck方程得到了系统的稳态概率分布函数和平均灭绝时间. 经过数值分析,结果如下: 无关联(=0 为加性噪声和乘性噪声之间的关联强度)时, 加性噪声强度和乘性噪声强度D均弱化集合种群的稳定性; 噪声之间关联(0)时, 随着的增大,系统的稳定性被增强. 当-(c-e-D)2/(4cD)1时, 诱导共振抑制现象. D存在一个临界值, 小于临界值时, D可以增强系统的稳定性.
双色噪声激励下FHN神经元系统的稳态性质
杨亚强, 王参军
2012, 61 (12): 120507. doi: 10.7498/aps.61.120507
摘要 +
应用统一色噪声理论研究了双色噪声激励下一维FitzHugh-Nagumo (FHN)神经元系统的动力学性质,即稳态概率分布函数和其平均值. 给出了FHN神经元系统的稳态概率密度和平均值的解析表达式. 结果表明: 乘性噪声的自关联时间1、加性噪声的自关联时间2、加性噪声强度和乘性噪声强度D都能够诱导非平衡相变的产生. 和D的增大有利于系统从激发态向静息态转换. 1, 2的增大有利于系统从静息态向激发态转换. 噪声强度和其自关联时间的作用完全相反.
基于动力学同步的复杂网络结构识别速度研究
杨浦, 郑志刚
2012, 61 (12): 120508. doi: 10.7498/aps.61.120508
摘要 +
基于动力学同步的复杂网络结构识别是探测复杂网络拓扑性质的重要方面, 其中识别速度是一个重要但鲜有讨论问题. 首先对弱耦合条件下耦合非线性振子网络结构识别速度的问题进行了研究. 发现识别速度随耦合强度成正比增长. 通过解析讨论, 肯定了这一关系是普适的. 之后基于我们最近提出的反复驱动识别方法, 将处于同步稳定态的耦合区域也纳入研究范围. 在这种情形下存在一个最佳的时间片段的长度使识别速度达到极值. 这些结论加深了对时间序列中蕴含的拓扑结构信息量的理解.
非均匀可激发介质中的稀密螺旋波
董丽芳, 白占国, 贺亚峰
2012, 61 (12): 120509. doi: 10.7498/aps.61.120509
摘要 +
在非均匀可激发介质中,采用Barkley模型数值模拟了稀螺旋波和密螺旋波, 并对二者的动力学行为随参数的变化进行了研究. 结果发现:稀螺旋波的旋转频率随参数b的增加迅速减小,之后趋于饱和, 显示出不同于密螺旋波的行为;两种螺旋波的周期和波长随参数 和非均匀区域尺寸R的增加而增加,相对稀螺旋波而言,密螺旋波的性质对R的依赖更为敏感; 稀螺旋波端点的波速随R的增加而减小,与密螺旋波波速变化趋势相反. 另外,由于非均匀区域的影响,当 或b 超过某一临界值时,螺旋波臂上出现缺陷点.
多元时间序列复杂网络流型动力学分析
高忠科, 金宁德, 杨丹, 翟路生, 杜萌
2012, 61 (12): 120510. doi: 10.7498/aps.61.120510
摘要 +
针对气液两相流流动特性,利用有限元分析方法设计变曲率对壁式电导传感器.采用设计加工的传感器在多相流装置上进行气液两相流动态实验,并测得多组对应于不同流型的电导波动信号. 基于测量数据,采用多元时间序列复杂网络构建算法构建对应于不同流型的复杂网络.在此基础上, 对网络的社团特性进行了分析, 研究发现,不同的社团结构对应于不同的流型,而社团内部网络特征可有效刻画不同流型内在动力学特性.多元时间序列复杂网络分析可为两相流流型演化动力学特性研究及流型识别提供新理论、开拓新途经.
基于石英音叉增强型光谱技术(QEPAS)的实时探测系统研究
王贵师, 易红明, 蔡廷栋, 汪磊, 谈图, 张为俊, 高晓明
2012, 61 (12): 120701. doi: 10.7498/aps.61.120701
摘要 +
利用石英音叉增强型光谱技术(QEPAS)结合基于Lab-VIEW设计的数字 频率锁定技术建立了一套气体实时探测系统, 该方案使用3f信号作为误差反馈信号, 将激光器锁定在待测气体吸收峰的中心位置, 保证了长时间测量的准确度并且提高了探测效率. 实验中采用中心波长位于1.396 m的DFB半导体激光器作为光源, 选择常压下空气中的水汽作为研究对象, 对系统性能进行了测试, 并对影响影响系统探测灵敏度的主要因素进行了分析. 实验结果表明, 该系统可以将激光器稳定在 0.001 cm-1范围内, 对激光器长时间工作时的波长漂移起到了很好的抑制作用, 系统的检测限约为1 ppm, 该方案可以直接应用于工业气监测、痕量污染物实时测量等领域.

编辑推荐

1000线/毫米软X射线自支撑闪耀透射光栅的设计与制作
陈勇, 邱克强, 徐向东, 刘正坤, 刘颖, 付绍军
2012, 61 (12): 120702. doi: 10.7498/aps.61.120702
摘要 +
基于标量衍射理论讨论了软X射线自支撑闪耀透射光栅的特性并设计了光栅的结构参数. 采用全息光刻和湿法腐蚀技术, 成功制作了周期1 m、占空比0.10.2、高宽比约100、栅线厚度10 m、 有效面积比为65%的自支撑闪耀透射光栅. 单元尺寸为15mm 15mm的硅绝缘体上含有四个5 mm 5 mm的自支撑闪耀透射光栅窗口. 在国家同步辐射实验室检测了该光栅在550 nm波长范围内的衍射效率. 波长扫描测量结果表明, 闪耀效应明显地发生在类似镜面的光栅侧壁镜面反射方向上, 闪耀级次位置及其特征与标量理论预测的一致. 衍射效率的实测结果基本与理论模拟符合, 只是因光栅结构上的缺陷致使衍射效率偏低, 峰值只有理论值的3849%. 实验结果证明了闪耀透射光栅的概念和湿法制作工艺的可行性.
基本粒子物理学与场
在s=3/2情形下利用超对称量子力学方法解广义椭球函数
郭维奇, 田贵花, 董锟
2012, 61 (12): 121101. doi: 10.7498/aps.61.121101
摘要 +
本文利用超对称量子力学的方法研究出广义椭球函数. 首先, 用超对称量子力学方法近似的算出前四阶超势W和相应本征值E, 然后递推出Wn的通式, 并利用数学归纳法来证明Wn通式的正确性, 从而得到了此时的广义椭球函数方程的基态波函数, 这对于它们的应用有很大的意义.
三维热场致发射模型的数值模拟与研究
彭凯, 刘大刚
2012, 61 (12): 121301. doi: 10.7498/aps.61.121301
摘要 +
研究了场致发射与热电子发射的基本理论, 得出热场致发射的适用公式, 探讨了其粒子的初始分布和初始动量, 并在FDTD-PIC原理的基础上编写了软件, 分别实现了场致发射模型, 热电子发射模型和热场致发射模型, 通过分别对一个长楔形阴极器件的数值模拟, 从发射电流特性, 电子初始能量分布等方面验证了其正确性.
原子和分子物理学
半Heusler型拓扑绝缘体LaPtBi能带调控的研究
张小明, 刘国栋, 杜音, 刘恩克, 王文洪, 吴光恒, 柳忠元
2012, 61 (12): 123101. doi: 10.7498/aps.61.123101
摘要 +
采用基于密度泛函理论的全势能线性缀加平面波的方法, 研究了化学替代和施加等体积单轴(拉、压)应力两种方式对半Heusler型拓扑绝缘体LaPtBi能带的影响. 计算结果表明, 通过在LaPtBi合金中用Sc元素替换La, 或者用Pd替换Pt, 都可以使得原本受立方对称性保护的8能带在费米能级附近打开一带隙; 而对于施加等体积单轴应力来扭曲立方晶格的方式, 在使得8 能带打开的同时, 还可以实现对费米能级位置有规律地调控, 使 LaPtBi合金最终成为真正意义上的体材料是绝缘性而表面是金属性的拓扑绝缘体.
三色激光控制量子路径生成短于30阿秒的孤立脉冲
陈基根, 曾思良, 杨玉军, 程超
2012, 61 (12): 123201. doi: 10.7498/aps.61.123201
摘要 +
采用多周期的800 nm钛宝石激光组合1600 nm中红外脉 冲辐照氦离子产生高次谐波发射功率谱. 相对于单色场情形, 谐波谱出现明显的双平台结构, 且在第二平台区出现了光滑的连续辐射谱, 其转化效率相对于第一平台低了约两个数量级. 通过附加脉宽为1 fs的27次谐波脉冲到双色激光场的特定时域, 可以控制电子电离在半个光学周期内迅速提升, 获得了由单一短量子路径贡献的连续辐射谱, 使得第二平台区谐波的转化效率相对于组合场情形增强4个数量级, 且连续谱的频谱范围从第二平台区扩展到第一平台区, 叠加该连续谱190次到285次谐波生成了脉宽为29 as的强、短孤立脉冲.
N2第二正带系发射光谱的理论计算及实验研究
翟晓东, 丁艳军, 彭志敏, 罗锐
2012, 61 (12): 123301. doi: 10.7498/aps.61.123301
摘要 +
本文利用分子光谱理论系统的计算和分析N2第二正带系(C3uB3g)的发射光谱, 以研究光谱强度的分布规律与不同温度条件和气体条件的关系. 基于N2的三重态能级结构特性, 重点计算和讨论了发射光谱的概个重要参数: 通过求解高、低电子态的哈密顿矩阵得到了振转能级特性; 利用r质心近似法求取了能级间跃迁的电偶极矩函数和爱因斯坦跃迁概率; 进而计算了不同振动和转动温度条件下谱线的强度分布. 进行了N2和Ar的混合放电实验, 利用实验光谱数据同理论结果进行拟合分析, 确定了N2分子的振动温度和转动温度分别约为4300 K和800 K. 另外由于潘宁离化效应, N2浓度减小时谱线强度呈现先增强后减弱的趋势. 实验结果很好的验证了N2第二正带系光谱理论计算的正确性.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
基于双排矩形梳状慢波结构的W波段宽频带行波管模拟研究
刘青伦, 王自成, 刘濮鲲
2012, 61 (12): 124101. doi: 10.7498/aps.61.124101
摘要 +
提出采用圆形电子注和双排矩形梳状慢波结构作为W波段宽频带行波管注波互作用回路. 对该慢波回路的"冷"态特性、输入输出结构等方面进行了模拟仿真和分析, 研究结果表明, 该结构色散特性较好, 带宽较宽; 通过调整双排矩形梳状慢波结构之间的距离和电子注通道半径的尺寸, 圆形电子注系统取得了和带状注系统相同的耦合阻抗; 且该结构传输特性较好, 优化后整管的驻波比能在较宽的频带内保持在2以下. 此外, 对该慢波系统的大信号理论计算和PIC粒子模拟结果一致. 在50 mW驱动功率下, 输出功率在10 GHz带宽内大于40 W, 增益高于29 dB.

编辑推荐

THz频段单面左手材料的设计及仿真研究
李俊成, 郭立新, 刘松华
2012, 61 (12): 124102. doi: 10.7498/aps.61.124102
摘要 +
本文运用等效参数提取方法验证了双线螺旋结构在不同频率处不仅能够实现负的磁导率, 而且可以实现负的介电常数. 在电磁波平行和垂直入射到双线螺旋结构表面两种情况下, 发现其负介电常数的形成机理相同. 以往的单面左手材料的研究仅仅局限于微波波段, 通过改进双线螺旋结构, 在THz频段设计出一种新型单面左手材料, 同时利用LC等效电路解释了其设计原理. 一般的左手材料是由刻蚀在基板两侧的电谐振器和磁谐振器组合而成的复合结构, 与这些复合结构相比, 这种新型单面左手材料具有低损耗, 结构简单, 易于加工等优点.
交指电容加载的周期性对称负磁导率人工材料研究
徐新河, 肖绍球, 甘月红, 付崇芳, 王秉中
2012, 61 (12): 124103. doi: 10.7498/aps.61.124103
摘要 +
利用二端口网络理论和弗洛奎定理, 详细分析了周期性对称磁谐振人工材料的相对布洛赫磁导率与散射矩阵参数的关系, 利用这个关系提取了四种形式的开口谐振环布洛赫磁导率. 全波仿真和磁导率数值提取结果表明, 在开口谐振环的开口处加载交指电容, 磁谐振频率将显著降低. 这些成果将为提取周期性人工材料的布洛赫磁导率提供理论依据, 同时为小型化磁谐振特异人工材料提供新的设计思路.
水面目标复合电磁散射的并行迭代快速计算
王晓冰, 梁子长, 吴振森
2012, 61 (12): 124104. doi: 10.7498/aps.61.124104
摘要 +
采用快速远场近似的降秩电磁流迭代法计算目标与粗糙水面的复合散射, 并进一步采用粗糙面分区的多进程并行迭代算法提高其计算速度, 分析了降秩电磁流迭代法对散射结果的影响, 表明该方法可用于近场复合散射问题的计算; 对平板目标与水面间的复合散射进行了计算, 计算结果与快速多极子方法(MLFMM)结果符合较好, 验证了该算法的有效性. 同时, 利用造波水池开展了目标与水面近场复合散射的模拟实测, 测试与计算结果趋势较为一致.
大气湍流畸变对空间目标清晰干涉成像仿真研究
刘扬阳, 吕群波, 张文喜
2012, 61 (12): 124201. doi: 10.7498/aps.61.124201
摘要 +
本文利用功率谱反演法分别展开对符合 Kolmogonov 统计规律和修正后的Von Karmen 统计规律的大气湍流畸变波前相位屏进行了数值模拟研究. 得到各种模型下相位屏对该成像系统干涉成像图. 仿真结果表明, 采用闭合相位原理, 基本可以消除大气湍流对光束波前的影响, 验证了采用相位闭合技术的优势.
采用透镜列阵与光谱色散改善三倍频小焦斑辐照均匀性
江秀娟, 李菁辉, 李华刚, 周申蕾, 李扬, 林尊琪
2012, 61 (12): 124202. doi: 10.7498/aps.61.124202
摘要 +
通过数值模拟研究了高功率激光驱动器的光束均匀辐照情况, 分析了三倍频激光辐照下小焦斑的光强分布及空间功率谱. 采用透镜列阵可降低光束近场畸变的影响并控制靶面焦斑的包络形状; 采用二维光谱色散匀滑技术可明显地消除焦斑内部大反衬度的强度调制, 且该方法在焦斑非常小的情况下也仍然有效. 大量的数值模拟结果表明, 光谱色散匀滑技术应用于尺寸不同的焦斑时, 其效果是有差异的. 对大焦斑而言, 光谱色散匀滑主要抹平其内部细密的条纹, 即消除中高空间频率范围的强度调制; 对小焦斑而言, 光谱色散匀滑主要消除中低空间频率范围的强度调制, 故将影响焦斑的整体包络形状. 本文所得的数值结果对间接驱动实验中激光束匀滑方案的选择和优化具有参考价值.
光子晶体光纤超连续谱的孤子俘获数值研究
李建锋, 周桂耀, 侯蓝田
2012, 61 (12): 124203. doi: 10.7498/aps.61.124203
摘要 +
通过数值求解广义非线性薛定谔方程, 本文对光子晶体光纤中超连续谱的孤子俘获现象进行研究. 利用交叉相关频率分辨光学开关(X-FROG)技术, 观测并记录了超连续谱沿着光纤长度的演化, 得到孤子俘获的整个过程. 研究发现: 当满足相位匹配条件时, 孤子与非孤子辐射波发生四波混频, 产生的俘获波频谱随着孤子红移而逐渐蓝移; 增加抽运功率, 孤子与俘获波的作用增强. 为可调谐超短脉冲和超连续谱研究提供理论依据.
光自差法生成微波/毫米波技术中偏振失谐研究
高嵩, 裴丽, 宁提纲, 祁春慧, 刘观辉, 李晶
2012, 61 (12): 124204. doi: 10.7498/aps.61.124204
摘要 +
对光外差法生成微波/毫米波技术中的偏振失谐进行了分析. 首次推导出偏振失谐对微波/毫米波功率影响的计算公式. 利用自行制作的基于双波长保偏光纤光栅激光器的微波/毫米波发生器生成30 GHz左右的微波/毫米波信号, 其偏振失谐的实验结果与理论分析结果一致, 证明了理论分析的正确性. 最后, 应用分析结果模拟仿真了偏振失谐对60 GHz毫米波信号的影响, 得出了不同情况下系统的误码率及不同传输距离下的眼图. 结果表明, 在光纤无线传输链路中采用偏振失谐控制技术会大大提高链路的可靠性, 在对链路进行偏振失谐控制的前提下, 传输30 km仍可保持误码率10-9以及很好的眼图, 说明了偏振失谐控制的重要性.
双光子共振非简并四波混频测量钡原子里德伯态碰撞展宽中的伴线研究
孙江, 刘鹏, 孙娟, 苏红新, 王颖
2012, 61 (12): 124205. doi: 10.7498/aps.61.124205
摘要 +
研究了采用双光子共振非简并四波混频技术测量原子里德伯态碰撞展宽时出现的伴线现象, 测量了不同缓冲气压下的钡原子里德伯态6snd 1D2 (n=16, 22, 36) 的四波混频谱线, 研究了伴线随主量子数n的变化曲线以及伴线信号强度随缓冲气压压强的变化曲线, 分析了伴线对NFWM谱线的线宽的影响, 发现考虑伴线对四波混频谱线线宽的贡献, 可以对NFWM模型下测量到的碰撞展宽系数进行修正.
频率变化的光场对双J-C模型中原子-原子纠缠的调控
崔丛丛, 谢双媛, 羊亚平
2012, 61 (12): 124206. doi: 10.7498/aps.61.124206
摘要 +
本文研究了频率随时间变化的光场对双J-C模型中原子原子纠缠的动力学调控, 主要讨论了光场频率随时间作正弦变化和脉冲变化两种典型情况下, 原子原子纠缠度随时间的演化特性. 当光场频率随时间作正弦变化时, 原子原子纠缠度演化的周期、振幅与光场频率调制的振幅有关, 并随着调制振幅的增强而减小. 光场频率的正弦调制和脉冲调制均能使光场与原子的相互作用模式在共振和非共振之间发生变化, 直接影响原子原子纠缠度的演化规律. 通过光场频率的调制可以实现原子原子纠缠度的提高与稳定, 避免ESD现象的出现, 从而达到动态调控原子原子纠缠的目的.
两格点两电子Hubbard-Holstein模型极化子的量子纠缠特性
任学藻, 贺树, 丛红璐, 王旭文
2012, 61 (12): 124207. doi: 10.7498/aps.61.124207
摘要 +
本文利用相干态正交化展开方法, 对两格点两电子Hubbard-Holstein极化子模型的能谱以及动力学特性进行了精确求解. 讨论了耦合强度g、平均声子数n以及电子 初态对纠缠演化特性及系统冯诺依曼熵的影响. 数值计算结果表明: 1)纠缠度随时间的演化呈现出良好的周期性, 当其他的参数固定时, 演化周期随耦合强度g增大逐渐减小, 与平均声子数n无关; 2)系统冯诺依曼熵同电子状态占有率表现出严格的同步演化特性; (3) 在弱耦合强度和低平均声子数下, 初始电子态c2+ c2+|Oe或c1+ c1+ |Oe较c1+c2+c1+ c2+具有更大的最大冯诺依曼熵, 并随耦合强度增大、平均声子数的增加而逐渐接近.
大气信道中单光子轨道角动量纠缠特性的研究
李铁, 谌娟, 柯熙政, 吕宏
2012, 61 (12): 124208. doi: 10.7498/aps.61.124208
摘要 +
本文讨论了大气信道中轨道角动量纠缠光子对的纠缠度, 并利用von Karman大气湍流谱来建立双光子纠缠度的模型, 分析了大气湍流对不同轨道角动量纠缠光子对纠缠度的影响. 研究表明: 在大气信道中, 由于大气湍流的存在, 纠缠光子对的纠缠度随着传输距离z的增加而减小; 大气湍流强度越大, 纠缠光子对的纠缠度下降的越快, 纠缠光子对传输的距离越小; 在湍流强度相同的大气信道轨道角动量指数越大的纠缠光子对, 纠缠度下降得越慢, 纠缠光子对传输的距离越远.
高阶矢量光束高数值孔径聚焦特性的研究
王铮, 高春清, 辛璟焘
2012, 61 (12): 124209. doi: 10.7498/aps.61.124209
摘要 +
本文利用Richards-Wolf矢量衍射积分模型对-2到4阶的贝塞尔型 矢量光束经高数值孔径聚焦后焦平面处的光强分布进行了理论仿真和特性研究, 并对矢量光束的聚焦场在真空下俘获玻璃小球的梯度力分布进行了仿真. 结果表明聚焦场的形状、尺度及各分量的变化与矢量光束的阶数有密切关系, 且具有特定的规律; 此外, 聚焦场的梯度力分布与矢量光束的阶数也有密切关系,并且具有多种不同形状和尺度的光陷阱.
外加电场调制二维六角位相阵列光分束器的研究
李建光, 陈云琳, 张进宏
2012, 61 (12): 124210. doi: 10.7498/aps.61.124210
摘要 +
本文建立了外加电场调制二维六角位相阵列光分束器的倒格矢理论模型, 利用数值模拟方法开展了阵列光分束器的理论研究, 对可调位相差阵列光分束器进行了分析, 得到了不同分数泰伯距离以及外加电场条件下的光强分布图. 实验设计与制备了铌酸锂二维六角位相阵列光分束器, 并对其进行了Talbot衍射光分束实验研究, 当外加电压为0.5 kV(电场为1 kV/mm)时, 观测到了Talbot衍射光分束现象, 随着外加调制电场的增大, 其衍射光分束图像越清晰, 该实验结果和理论研究结果相符.
光子晶体光纤反常色散区抽运产生超连续谱的相干特性分析
靳爱军, 王泽锋, 侯静, 郭良, 姜宗福
2012, 61 (12): 124211. doi: 10.7498/aps.61.124211
摘要 +
使用复互相干度的定义对超连续谱的相干性进行了数值计算,得到了不同功率抽运情况下的脉冲谱展宽以及超连续谱相干性的变化.结果表明孤子自频移以及色散波辐射是抽运波长位于光纤反常色散区情况下超连续谱展宽的主要物理机理,而超连续谱的相干性则主要受到调制不稳定性的影响.调制不稳定性放大抽运脉冲自身携带的随机噪声,使得非线性效应产生的光谱成分具有随机的相位与幅度,引起超连续谱相干性的下降. 抽运功率越高, 调制不稳定性增益越高,噪声对超连续谱产生的作用越强, 超连续谱的相干性越差.要获得高相干的超连续谱, 需采用峰值功率较小的脉冲进行抽运.要获得大谱宽高相干的超连续谱, 则需要合理选择抽运脉冲功率.
三角形光脉冲在正色散光纤中产生的实验研究
王华
2012, 61 (12): 124212. doi: 10.7498/aps.61.124212
摘要 +
利用一种无源非线性脉冲整形方法, 实现了在普通正色散(ND)光纤中产生三角形光脉冲, 此方法依赖于脉冲预啁啾和脉冲在ND光纤中传输时群速度色散与自相位调制的相互作用. 实验研究表明, 在较宽的脉冲预啁啾值范围内, 通过优化脉冲输入功率和脉冲传输的ND光纤长度, 均可得到典型的三角形光脉冲: 脉冲时域形状前后沿的变化率接近恒定、整个脉冲具有线性频率啁啾. 另外, 在不同的脉冲预啁啾下, 要得到高质量的三角形光脉冲, 均需要较高的脉冲输入功率; 并且脉冲预啁啾较大时, 三角形脉冲的形成对ND光纤长度和脉冲输入功率有较大的容差, 易获得三角形光脉冲.
海面微波散射场多普勒谱特性研究
姜文正, 袁业立, 运华, 张彦敏
2012, 61 (12): 124213. doi: 10.7498/aps.61.124213
摘要 +
基于粗糙面电磁散射双尺度模型推导给出了海面微波散射场多普勒谱频移和谱宽的理论公式, 在该理论公式的推导过程中同时考虑了大尺度海浪的倾斜调制、遮蔽效应和曲率修正效应等因素的影响. 文中将理论公式计算结果与精确数值结果进行了比较, 并讨论了倾斜调制、遮蔽效应及曲率修正效应等因素对多普勒频移和谱宽的影响, 发现倾斜调制使水平极化散射回波多普勒频移显著增大, 从而导致水平极化回波多普勒频移比垂直极化回波多普勒频移大; 在中等入射角度区域, 遮蔽效应和曲率修正效应对多普勒谱并无显著影响, 而在掠射条件下, 遮蔽效应使得多普勒频移增大、谱宽变窄. 本研究对深入理解动态海面散射场频谱特性具有一定参考意义.
裂纹或气泡对熔石英损伤修复坑场调制的近场模拟
章春来, 刘春明, 向霞, 戴威, 王治国, 李莉, 袁晓东, 贺少勃, 祖小涛
2012, 61 (12): 124214. doi: 10.7498/aps.61.124214
摘要 +
建立了含有裂纹或气泡的高斯型修复坑的3维模型, 用3维时域有限差分方法研究了熔石英后表面该类缺陷对355 nm入射激光的近场调制. 研究表明, 裂纹的调制明显大于气泡或者高斯坑本身, 因此为了抑制修复元件的初始损伤, 应尽量避免任何未修复的裂纹存在, 尤其是与入射光呈夹角约25°的裂纹, 同时应避免尺寸大于5 λ 的气泡存在. 当裂纹或气泡位于近表面层3 λ 以内且靠近修复坑环边缘时, 对场的调制最明显. 随着侧移的增加, 近表面区缺陷诱导场叠加, 强点总数涨落较大且易形成极大峰值, 特别是含有裂纹的情形; 远表面区强点总数逐渐增大并趋于稳定. 随着嵌深的增加, 强点的数目大体呈减弱趋势, 当嵌深大于3 λ 时, 逐渐趋于平缓振荡. 如果裂纹或气泡位于坑点正下方几个波长内, 激光辐照下其效果相当于延长了高斯坑的深度.
全塑料光学生命探测仪关键技术研究
孔德鹏,  王金猛,  王丽莉, 贺正权, 李育林, 窦治中
2012, 61 (12): 124215. doi: 10.7498/aps.61.124215
摘要 +
制作了单丝直径为250 m、像素数为4096、长度为15 m的塑料光纤传像束. 研究表明: 原始图像经过该15 m长的光纤传像束后, 仍有25%保留, 完全可以满足图像目视观察或CCD图像采集的需要. 以此光纤传像束为核心部件, 分别设计、制作了目视式生命探测仪样机, 以及与CCD、图像采集卡、笔记本电脑一体化的智能型光学生命探测仪样机. 最后, 演示了该系统对被困人员搜救的有效性. 此系统不但可用于地震、矿难等场合被埋人员的搜索, 也可用于高压强电磁干扰环境、保密部门、易燃易爆等特殊场合的视频监视.
梯形截面硅基水平多槽纳米线定向耦合器全矢量分析
肖金标, 李文亮, 夏赛赛, 孙小菡
2012, 61 (12): 124216. doi: 10.7498/aps.61.124216
摘要 +
定向耦合器是构成各类光子器件的基础元件. 本文采用一种基于电场分量的全矢量有限元法, 分析由梯形截面硅基水平多槽纳米线构成的定向耦合器. 给出了准TE与准TM偶、奇模有效折射率、耦合长度及模场分布, 揭示了其模式的混合特性及模场分布特点. 分析结果表明, 准TE模与准TM模的耦合长度随波导间距的增大均呈指数增长, 其中准TE模的耦合长度对波导侧壁倾角的变化敏感, 而准TM模的耦合长度对槽厚及槽折射率的变化敏感. 恰当选择结构与材料参数, 可实现两偏振态下相同耦合长度, 定向耦合器在偏振无关条件下工作.
声场与电场作用下空化泡的动力学特性
沈壮志, 吴胜举
2012, 61 (12): 124301. doi: 10.7498/aps.61.124301
摘要 +
以液体为工作介质, 利用空化泡的RP控制方程, 模拟分析了无量纲化的电场频率、场强的幅值以及无量纲化的声波频率、 声压幅值的变化对空化泡运动特性的影响. 结果表明: 声场和电场联合作用时, 空化泡运动处于混沌区域范围远高于两者单独作用下空化泡的混沌区域范围. 这不仅对声空化的进一步研究具有重要的理论意义, 而且对于提高和改进空化降解有机污染物的技术也具有指导意义.
基于矢量阵的运动声源柱面聚焦定位方法试验研究
时洁, 杨德森, 时胜国
2012, 61 (12): 124302. doi: 10.7498/aps.61.124302
摘要 +
本文基于被动合成孔径原理, 在建立运动声源矢量阵近场柱面聚焦测量模型的基础上, 分别研究了适用于单频线谱信号和宽带连续谱信号的矢量阵柱面聚焦定位方法, 通过数值仿真计算了该方法在多种误差条件下的定位精度, 并进一步通过舱段模型试验对该方法的工程实用性和正确性进行了详细的分析和论证. 舱段模型试验结果表明, 柱面聚焦定位结果与壳体振动能量分布规律符合较好, 该方法不仅能真实反映声源位置信息, 而且能反映不同频带内声源能量分布的相对大小, 具有良好的定位效果.
内嵌定向高导热层疏导式结构热防护机理分析
孙健, 刘伟强
2012, 61 (12): 124401. doi: 10.7498/aps.61.124401
摘要 +
针对飞行器高超声速飞行时严重的气动加热环境, 提出内嵌定向高导热层的疏导式热防护系统. 运用数值方法分析了特定条件下内嵌定向高导热层的疏导式系统的防热效果, 外壁面最高温度下降了9.1%, 内壁面最高温度下降了31.5%, 高温区和低温区都被封闭在外层区域, 内层温度更加均匀, 实现了热流由高温区向低温区的转移, 削弱了高温区的热载荷, 强化了整体结构的热防护能力. 研究表明, 随着气动热流密度比与辐射散热面积比的增大, 疏导结构的冷却效果增强. 本文还对疏导防热系统的结构参数和材料参数对冷却效果的影响进行了分析, 为结构的设计和材料的选取提供一定的依据.
颗粒密度对旋转筒内二元颗粒体系分离的影响
黄德财, 冯耀东, 解为梅, 陆明, 吴海平, 胡凤兰, 邓开明
2012, 61 (12): 124501. doi: 10.7498/aps.61.124501
摘要 +
用分子动力学的方法研究了颗粒密度对旋转筒内二元颗粒体系混合与分离的影响. 当增大粒度较小的颗粒密度时, 颗粒体系表现为巴西果效应, 而增加粒度较大的颗粒密度时, 分离状态则会发生反转, 表现为反巴西果效应. 进一步的研究发现二元颗粒体系的分离指数与颗粒的密度比之间存在定量的关系, 并利用Hong的渗流与凝聚竞争机理理论对密度分离状态的反转现象给予了理论解释.
翼前缘层板对流冷却结构的防热效果分析
孙健, 刘伟强
2012, 61 (12): 124701. doi: 10.7498/aps.61.124701
摘要 +
针对飞行器高超声速飞行时严重的气动加热环境, 设计一种层板对流冷却结构对翼前缘进行热防护. 提出一种壁面冷却效率参数, 并运用流固耦合的分析方法, 研究了对流冷却结构在特定条件下的冷却效果, 其中采用水冷时头部冷却效率 值最低为0.25. 研究表明, 对流结构冷却效果与内部冷却槽道深宽比 有重要关系, 值随 的增大而增大至一个稳定值, 此时冷却效果达到饱和, 若此时 继续增加则可能出现不利于冷却的现象. 冷却效果 随着前缘头部半径的减小而减弱. 研究还表明, 当层板对流冷却结构和材料固定时, 值随冷却剂流量增加而增大, 并逐渐趋近至一个稳定值, 而冷却槽道进出口压差急剧增大. 因此需要综合考虑提高流量给供给系统带来的压力, 选取最佳流量值以达到相对较好的冷却效果. 对于材料而言, 内部冷却通道和外部耐热层都应选择导热系数较高的材料, 能够强化结构传热增强冷却效果.
平行板微管道间Maxwell流体的高Zeta势周期电渗流动
长龙, 菅永军
2012, 61 (12): 124702. doi: 10.7498/aps.61.124702
摘要 +
本文研究了两平行板微管道中线性黏弹性流体的周期电渗流动, 其中线性黏弹性流体的本构关系是由广义Maxwell模型描述的. 将电渗力作为体力, 解析求解了非线性的Poisson-Boltzmann (P-B)方程, 柯西动量方程和广义Maxwell本构方程. 通过数值计算, 分析了无量纲壁面Zeta势0 、 周期电渗流 (electroosmotic flow, EOF) 振荡雷诺数Re和无量纲弛豫时间 1 对速度剖面的影响. 结果表明: 对给定的电动宽度K(表示微管道的特征尺度与双电层厚度的比值)、 弛豫时间 1 和振荡雷诺数Re, 高Zeta势0 产生较大的EOF速度振幅, 并且速度剖面的变化主要集中在双电层 (electric double-layer, EDL) 的狭窄的区域. 此外, 随着弛豫时间的增长流体的弹性显著增加, 速度的变化可以延伸到整个流动的区域中. 对给定的雷诺数Re, 较长的弛豫时间1 导致EOF速度剖面较快的变化, 且速度剖面的振幅逐渐增大.
气体、等离子体和放电物理
弱电离尘埃等离子体层反射与透射的SO-FDTD方法分析
李林茜, 石雁祥, 王飞, 魏兵
2012, 61 (12): 125201. doi: 10.7498/aps.61.125201
摘要 +
将弱电离尘埃等离子体复介电常数表示以j 为自变量的分式多项式形式, 利用移位算子时域有限差分(SO-FDTD)方法, 给出了弱电离尘埃等离子体频域本构关系的时域形式. 推导了弱电离尘埃等离子体电磁特性的时域递推关系式. 用SO-FDTD方法计算了弱电离尘埃等离子体层的反射和透射系数, 分析了尘埃粒子浓度和尘埃粒子半径的变化对反射系数和透射系数的影响. 结果表明: 有尘埃粒子时的反射系数比没有尘埃粒子时反射系数小, 而透射系数要比没有尘埃粒子时的透射系数大; 当尘埃粒子浓度或尘埃粒子半径增大时, 其反射系数均减小.
金纳米环双体尺寸和耦合效应对表面等离子体共振特性的影响
孙中华, 王红艳, 王辉, 张志东, 张中月
2012, 61 (12): 125202. doi: 10.7498/aps.61.125202
摘要 +
采用离散偶极子近似方法系统地研究了金纳米环双体的消光光谱及其电场分布. 计算结果表明, 金纳米环双体在耦合作用下的共振消光峰对应着不同振动模式, 改变金纳米环双体的排列方式、 间距和尺寸大小, 其表面等离子体共振消光峰发生红移或蓝移. 因此可以通过对金纳米环双体结构参数和排列方式的设定, 调节其表面等离子体共振消光峰的位置. 电场分布表明, 水平排列的金纳米环双体较单个金纳米环产生更强的局部表面增强电场. 适当的小间距, 较大的内外半径的金纳米环水平阵列更适合做表面增强拉曼散射的衬底, 在生物分子检测等领域具有潜在的应用.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
基于全息液晶/聚合物光栅的分布反馈式激光器的波长调谐特性研究
邓舒鹏, 黄文彬, 刘永刚, 刁志辉, 彭增辉, 姚丽双, 宣丽
2012, 61 (12): 126101. doi: 10.7498/aps.61.126101
摘要 +
首先制备了不同周期的染料掺杂全息液晶/聚合物光栅并进行激光抽运实验, 得到了激光器的调谐曲线,确定了激光器在574 nm到685 nm的谱带里均可以实现激光输出, 即激光器具有110 nm左右的可调谐范围. 之后, 通过温控仪控制样品的温度, 对周期为610 nm的染料掺杂全息液晶/聚合物光栅进行激光抽运, 探测不同温度下的输出激光光谱, 观察到随着温度由20℃升高到65℃, 激光器的中心波长由627.9 nm减小到623 nm, 产生了4.9 nm的波长蓝移.
碳泡沫衬底上氮化铝纳米线的生长及其光致发光特性研究
程赛, 吕惠民, 石振海, 崔静雅
2012, 61 (12): 126201. doi: 10.7498/aps.61.126201
摘要 +
为了简化了AlN/C复合泡沫材料的制备流程, 本文采用复分解反应法制备AlN纳米材料, 并通过800℃退火处理使其在碳泡沫衬底上重结晶为六方相AlN纳米线. 通过形貌表征测试, 纳米线为表面光滑的长直形圆柱体, 直径约50 nm, 长度10 m以上, 在碳微球表面沿[001]方向生长. 同时, 采用VLS生长机理对纳米线的生长进行了解释. 对样品光致发光谱的研究表明, 中心波长423 nm处存在一尖锐发光峰且随温度升高发生明显的红移现象, 系C替N杂质能级跃迁发光所致. 样品在紫光波段具有良好的光致发光特性, 有望应用于光探测器领域.
碳纳米管-聚乙烯复合材料界面力学特性分析
张忠强, 丁建宁, 刘珍, Y. Xue, 程广贵, 凌智勇
2012, 61 (12): 126202. doi: 10.7498/aps.61.126202
摘要 +
本文采用分子动力学模拟办法对碳纳米管-聚乙烯复合材料的界面力学特性进行了模拟和分析. 通过对单壁碳纳米管从无定形聚乙烯中抽出过程进行模拟, 研究了界面剪切应力随碳管滑移速度、聚乙烯分子链长和碳纳米管管径之间的变化关系, 并对界面的滑移机理进行了讨论. 模拟结果发现, 随着聚合物分子链长的增加, 界面临界剪切应力有显著增大, 而滑移剪切应力略显增加; 界面临界剪切应力和滑移剪切应力随着碳纳米管管径的增大而明显增加. 本文同时对界面应力的变化机理进行了模拟和讨论.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
Ti, C, N在-Fe基中的合金化效应及对键合性质的影响
薛金祥, 章日光, 刘燕萍, 王宝俊
2012, 61 (12): 127101. doi: 10.7498/aps.61.127101
摘要 +
基于第一性原理赝势平面波方法研究了合金元素Ti, C, N对-Fe基电子结构及键合性质的影响, 计算了含Ti, C, N的Fe基固溶体的总能量、结合能, 分析了态密度、电荷布居数、交叠布居数和电荷密度, 从理论上解释了在Fe基中固溶Ti, C, N后其性能改善的原因. 结果表明, 随着Fe基固溶体中Ti(012.5 at%), C(011.11 at%), N(011.11 at%)含量增加, 结合能略有增加; Ti, C, N的固溶使各Fe基固溶体在费米能级处强烈成键, 结合能力增强, 并且在费米能级附近出现赝能隙, 表明固溶体中金属键与共价键共存; 随着Ti, C, N含量的增加, C, N分别与Ti, Fe之间的共价键结合强度加强, 部分C, N原子会与Ti原子结合形成TiC, TiN颗粒, 起到沉积相颗粒强韧化作用.
高迁移率InGaAs/InP量子阱中的有效g因子
魏来明, 周远明, 俞国林, 高矿红, 刘新智, 林铁, 郭少令, 戴宁, 褚君浩, Austing David Guy
2012, 61 (12): 127102. doi: 10.7498/aps.61.127102
摘要 +
利用化学束外延法制备了高迁移率的In0.53Ga0.47As/InP量子阱样品. 在样品的低温磁输运测试中, 观察到纵向磁阻的Shubnikov-de Hass (SdH) 振荡和零场自旋分裂引起的拍频. 本文提出一种解析的方法, 即通过同时拟合不同倾斜磁场下SdH振荡的傅里叶变换谱, 得到有效g因子的大小.
半导体材料AAl2C4(A=Zn, Cd, Hg; C=S, Se)的电子结构和光学性质
陈懂, 肖河阳, 加伟, 陈虹, 周和根, 李奕, 丁开宁, 章永凡
2012, 61 (12): 127103. doi: 10.7498/aps.61.127103
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 对具有缺陷型黄铜矿结构的半导体材料AⅡAl2C4Ⅵ(A=Zn, Cd, Hg; C =S, Se)的构型和电子结构进行研究, 并系统考察了各晶体的光学性质. 对于线性光学性质, 五种晶体在红外区和部分可见光区具有良好的透光性能, 其中HgAl2S4和HgAl2Se4晶体具有适中的双折射率. 在非线性光学性质方面, 该类晶体倍频效应较强, 理论预测得到的二阶静态倍频系数均较大(20 pm/V). 体系的倍频效应主要来源于价带顶附近以S/Se 价p轨道为主要成分的能带向含有较多Al/Hg 价p成分的空带之间的跃迁. 通过与已商业化的AgGaC2晶体光学性质的对比, 结果表明HgAl2S4和HgAl2Se4是一类性能优良的红外非线性光学晶体材料.
金属和非金属共掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理计算
彭丽萍, 夏正才, 杨昌权
2012, 61 (12): 127104. doi: 10.7498/aps.61.127104
摘要 +
本文运用第一性原理的计算方法, 以C/TM和N/TM共掺杂(碳与过渡金属共掺杂和氮与过渡金属共掺杂)TiO2为例, 分别计算了它们共掺杂TiO2的束缚能、能带结构和态密度等, 通过对双掺杂结构的束缚能计算, 发现非金属和金属杂质有团聚成键的趋势, 其正的束缚能说明了掺杂原子与周围的原子成键, 因成键作用减少的体系能量高于因几何畸变带来的应力能. 在对N/V和C/Cr共掺杂能带结构和分子成键的详细分析中, 发现非金属和金属共掺杂TiO2, 要使掺杂后TiO2的光吸收边红移较大, 光催化性能较好, 就要符合金属和非金属共掺杂协同机制, 即 掺杂后在导带底下方和价带顶上方分别出现由金属3d和非金属2p态提供的杂质能级.
Li掺杂8-羟基喹啉铝的密度泛函理论研究
解晓东, 郝玉英, 章日光, 王宝俊
2012, 61 (12): 127201. doi: 10.7498/aps.61.127201
摘要 +
采用密度泛函理论研究了Li原子掺杂8-羟基喹啉铝(Alq3)分子的几何构型、 前线分子轨道及电子转移特性. 研究结果表明, Li原子掺杂Alq3后, Li原子与Alq3的O, N原子键合, 形成电子转移复合物. Li原子将部分电子转移到Alq3的吡啶环上, 在Alq3的带隙内形成施主能级, 这种n型掺杂结构有效地提高了电子的传输效率; 但过多的Li原子的掺杂会使Alq3分解, 从而减弱其电子传输能力. 为使Alq3的电子传输能力达到最高, Li原子的掺杂应保持在2:1左右的比例.
准弹道输运纳米MOSFET散粒噪声的抑制研究
贾晓菲, 杜磊, 唐冬和, 王婷岚, 陈文豪
2012, 61 (12): 127202. doi: 10.7498/aps.61.127202
摘要 +
目前研究准弹道输运纳米MOSFET散粒噪声的抑制时, 采取了完全不考虑其抑制, 或只强调抑制的存在而并未给出抑制公式的方式进行研究. 本文基于Navid模型推导了准弹道输运纳米MOSFET散粒噪声, 并得到了其在费米作用、库仑作用和二者共同作用三种情形下的抑制因子. 在此基础上, 对各抑制因子随源漏电压、栅极电压、温度及源漏掺杂浓度的变化特性进行了研究. 两者共同作用的抑制因子随源漏电压和栅极电压变化特性与文献中给出的实验结论相符合, 从而对实验上得到两者共同作用下的抑制因子随源漏电压和栅极电压的变化特性给出了理论解释.
受限一维无自旋费米子系统的性质研究
王婵娟, 陈阿海, 高先龙
2012, 61 (12): 127501. doi: 10.7498/aps.61.127501
摘要 +
本文借助于一维自旋1/2-XXZ模型的Bethe-ansatz精确解, 利用局域密度近似(LDA), 讨论了谐振势中一维无自旋费米子的密度分布, 得出了-u相图(这里的为无量纲的粒子数密度 变量u为相互作用强度)对相图的分析表明, 随着原子密度和近邻相互作用的变化, 系统出现五个不同的混合量子相通过对热力学硬度S的计算, 发现其可作为体系的序参量, 其奇异点可用以度量受限体系中量子相变的发生
LiNbO3和LiTaO3晶体Er3+/Yb3+掺杂水热外延层室温吸收光谱分析
孙彧, 杨春晖, 姜兆华, 孟祥彬
2012, 61 (12): 127801. doi: 10.7498/aps.61.127801
摘要 +
本文引入与浓度和厚度有关的kNL待定参数, 在J-O理论基础上, 对Er3+/Yb3+掺杂的LiNbO3和LiTaO3单晶衬底上 的多晶水热外延样品进行了基于吸收光谱的拟合计算. LiNbO3:2=2.34 10-20 cm2,4=0.77 10-20 cm2,6=0.3110-20 cm2, kNL=4.32 10-2 molm-2. LiTaO3:2=1.6810-20 cm2,4=0.8410-20 cm2,6=0.4510-20 cm2, kNL=9.1710-3 mol m-2. 该方法可尝试推广到粉体或胶体等难以直接获得浓度和厚度数据的体系. 经上转换发光测试及光谱参数计分析认为Er3+/Yb3+离子的掺杂浓度比为1:1的情况下, 样品呈现绿色上转换发光光谱; 可尝试以降低基质声子能量的方法提高4I13/2能级 对2H11/2和4S3/2能级的量子剪裁效率.
铋离子掺杂RO-Al2O3-SiO2玻璃近红外超宽带发光性质
周大成, 刘志亮, 宋志国, 杨正文, 何禧佳, 王荣飞, 焦清, 邱建备
2012, 61 (12): 127802. doi: 10.7498/aps.61.127802
摘要 +
研究了碱土金属氧化物对Bi离子掺杂RO-Al2O3-SiO2 (R=Ca, Sr, Ba)玻璃近红外超宽带发光性质的影响. 结果表明: 玻璃样品在不同抽运源激发下都可检测到较强的近红外超宽带发光. 在808 nm激光激发下, 随着碱土金属离子半径的增加, Bi离子在1 300 nm附近的近红外发光强度显著增加, 荧光半高宽逐渐增加, 其荧光寿命最长可超过600 ms; 而在690 nm激光激发下, 随着碱土金属离子半径的增加, Bi离子在1 100 nm附近的近红外发光呈减弱趋势, 荧光半高宽逐渐增大, 半高宽最大可超过400 nm. 近红外发光可能源于两种不同形式铋的发光中心. 针对上述结果探讨了该玻璃体系中Bi离子近红外发光的机理.
影响倒装焊LED芯片电流分布均匀性的因素分析
钟广明, 杜晓晴, 唐杰灵, 董向坤, 雷小华, 陈伟民
2012, 61 (12): 127803. doi: 10.7498/aps.61.127803
摘要 +
为研究影响倒装LED芯片电流密度均匀分布的因素, 建立了芯片的三维有限元电学模型, 采用COMSOL有限元仿真方法, 分析了芯片尺寸、电极结构、电流注入点对倒装LED芯片电流分布均匀性的影响, 并对相关机理进行了探讨. 研究结果表明, 芯片尺寸的增加扩展了电流的横向传输路径与横向电阻, 使LED芯片电流分布的不均匀性呈指数型恶化; 叉指式电极结构可有效缩短电流传输途径, 增加叉指电极数目有利于电流均匀性的提高; 通过在块状电极上合理设计电流注入点可缩短电流传输路径, 显著提高电流的均匀性.
光致发光光谱研究金刚石光学中心的振动结构
王凯悦, 李志宏, 张博, 朱玉梅
2012, 61 (12): 127804. doi: 10.7498/aps.61.127804
摘要 +
金刚石中不同的缺陷中心具有不同的振动结构. 间隙原子相关中心在离开零声子线165 meV之外存在强且尖锐的局部振动模; 空位相关中心具有很强的振动耦合, 在其零声子线之后出现很强且宽的声子边带, 而在165 meV之外却观察不到局部振动模, 且对于仅涉及一个空位的缺陷来说, 其振动都与一个能量约为42 meV的声子或一个能量约为67 meV的声子或两声子有关.
新型电子俘获型光存储材料Sr2SnO4:Sb3+的发光性能研究
王治龙, 郑贵森, 王世钦, 秦青松, 周宏亮, 张加驰
2012, 61 (12): 127805. doi: 10.7498/aps.61.127805
摘要 +
采用高温固相法在1300℃的温度获得了一种新型电子俘获型光存储材料 Sr2SnO4:Sb3+. 结果表明: 208 nm (Sb3+ 的1S01P1)和265 nm (1S03P1)的紫外光是Sr2SnO4:Sb3+ 的最有效信息写入光源; 其发射是覆盖400---700 nm的宽带(3P0,1XXS0), 肉眼可看到淡黄色白光, 色坐标为(0.341, 0.395). 热释光谱研究结果表明: Sr2SnO4:Sb3+ 有分别位于39℃, 124℃, 193℃和310℃的四个热释峰. 其中, 39℃的热释峰强度很低, 因而Sr2SnO4:Sb3+ 只具有不到140 s的微弱余辉. 而310℃的高温热释峰在空置1天后, 仍能保持约45.6%的初始强度, 并对980 nm的红外光有很好的红外上转换光激励响应. 因此, Sr2SnO4:Sb3+ 是一种具有一定的信息存储应用潜力的新型光存储发光材料.
掺铋离子BaO-B2O3玻璃的制备及其近红外发光性能的研究
刘军芳, 苏良碧, 唐慧丽, 徐军
2012, 61 (12): 127806. doi: 10.7498/aps.61.127806
摘要 +
采用高温熔融法制备了掺Bi离子的BaO-B2O3玻璃, 测定了样品玻璃的近红外以及可见光区的激发、 发射谱、 荧光衰减曲线以及Raman光谱. 在808 nm波长光的激发下, 在掺Bi离子的BaO-B2O3玻璃中发现了近红外发光现象, 且存在多个发光峰, 讨论了玻璃网络结构对Bi离子发光的影响, 对其发光机理进行了初步的探讨.
双层光子晶体氮化镓蓝光发光二极管结构优化的研究
高晖, 孔凡敏, 李康, 陈新莲, 丁庆安, 孙静
2012, 61 (12): 127807. doi: 10.7498/aps.61.127807
摘要 +
为了提升氮化镓(GaN)蓝光发光二极管(LED)光提取效率, 设计了双层光子晶体LED模型. 提出等效折射率近似方法, 简化求解了结构中的介质波导模式分布. 从而对模型中顶层光子晶体刻蚀深度d, 嵌入式光子晶体厚度T及其距有源层距离D等结构参数进行了优化. 同时利用时域有限差分方法对优化结果进行了验证. 相比其他仿真方法, 模式分析极大地减少了对LED建模优化的计算复杂度, 同时从理论上阐明了不同结构参数变化引起LED光提取效率改变的原因. 研究发现, 当顶层光子晶体满足d / nPhCs 时, 结构内大部分高阶导模尚未被截断但源区能量向低阶导模的转化被有效抑制, 光提取效率给出极大值. 嵌入式光子晶体的引入将激发覆盖层模式, 当满足100 nm T 300 nm且100 nm D 200 nm 时, 覆盖层模式可以从有源层获得较大能量并有效地与顶层光子晶体耦合, 极大地提升了光提取效率. 本文优化结果使得LED光提取效率提升了4倍, 对高性能GaN蓝光LED的设计制造具有重要意义.
基于1/f 噪声变化的pn结二极管辐射效应退化机理研究
孙鹏, 杜磊, 何亮, 陈文豪, 刘玉栋, 赵瑛
2012, 61 (12): 127808. doi: 10.7498/aps.61.127808
摘要 +
基于pn结二极管辐射效应退化机理中位移效应和电离效应之间的关系, 并结合pn结二极管辐射退化的噪声机理, 得到了pn结二极管辐射诱导低频噪声的变化规律, 发现两种效应引起的二极管噪声变化规律之间的不一致性. 根据实验得到的噪声变化规律, 判断出了辐射应力条件下两种效应之间的关系, 很好地解释了实验中出现的不符合原有理论解释的现象, 对器件加固的研究有着重要意义.
基于场致发射阴极阵列的太赫兹源的物理机理研究
刘维浩, 张雅鑫, 胡旻, 周俊, 刘盛纲
2012, 61 (12): 127901. doi: 10.7498/aps.61.127901
摘要 +
本文对一种基于场致发射阴极阵列(FEA)的太赫兹辐射源的物理机理进行了理论分析和粒子模拟验证. 采用场匹配法分析了器件的高频场结构, 确定模作为器件的最优工作模式; 利用线性理论分析了器件的注波互作用过程, 揭示了高频场对FEA阴极发射电流的预调制作用以及电子在阴阳极间隙的渡越时间效应是器件起振的物理原因; 分析得出了模起振条件; 粒子模拟结果与理论分析具有较好的一致性.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
热可调液晶填充微结构聚合物光纤设计及特性分析
王豆豆, 王丽莉, 李冬冬
2012, 61 (12): 128101. doi: 10.7498/aps.61.128101
摘要 +
通过在微结构聚合物光纤(mPOF)的包层空气孔中填充液晶材料获得了高度热可调的带隙型mPOF. 带隙随温度的增加发生显著的蓝移, 带隙上边界的温度灵敏度可达-5.5 nm/℃. 采用全矢量有限元方法对模场特性以及基模有效模场面积的分析结果表明, 该填充液晶的mPOF在带隙的中心波长附近具有大的有效模场面积, 和相同结构未填充液晶的mPOF连接时具有较高的功率耦合效率. 研究结论为mPOF在温度传感领域的应用及各种可调光纤器件的制备提供了理论参考.

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Yb3+:Gd2SiO5晶体的结构和光谱性能
宁凯杰, 张庆礼, 周鹏宇, 杨华军, 许兰, 孙敦陆, 殷绍唐
2012, 61 (12): 128102. doi: 10.7498/aps.61.128102
摘要 +
采用提拉法成功生长尺寸为30 mm 75 mm的15at.%Yb3+:Gd2SiO5单晶, 并用Reitveld全谱拟合方法确定了其晶格常数、原子坐标和温度因子等参数. 用吸收光谱计算了Yb3+离子2F7/2 2F5/2能级跃迁的振子强度、谱线强度、跃迁概率、能级寿命和积分发射截面等光谱参数, 并根据激光性能评估得出结论: 表明该晶体具有较大的阈值特性, 有望采用大功率激光二极管泵浦实现可调谐或超快激光输出.
X波段长脉冲同轴多注相对论速调管放大器的分析与设计
刘振帮, 金晓, 黄华, 陈怀璧
2012, 61 (12): 128401. doi: 10.7498/aps.61.128401
摘要 +
为了提高相对论速调管放大器的工作频率、输出功率以及转换效率, 结合三重轴相对论速调管和多注速调管的特点, 采用三维电磁粒子模拟软件分析与设计了工作在X波段的长脉冲同轴多注相对论速调管放大器, 通过优化设计有效地抑制了X波段长脉冲相对论速调管放大器的自激振荡, 避免了脉冲缩短现象的产生, 使X波段相对论速调管放大器在长脉冲状态下能够稳定工作, 在注入微波功率为70 kW、束压为600 kV、束流为5 kA、轴向引导磁感应强度为0.8 T的条件下, 输出微波功率达到了1.23 GW, 效率为41%, 增益为42 dB.
InAlAs/GaSbAs/InP DHBT与InP/GaSbAs/InP DHBT性能比较分析
周守利, 杨万春, 任宏亮, 李伽
2012, 61 (12): 128501. doi: 10.7498/aps.61.128501
摘要 +
双异质结双极晶体管(DHBT)的性能与发射区-基区(E-B) 异质结和基区-集电区(B-C)异质结的能带突变类型关系密切, 本文基于热场发射-扩散模型, 对两类不同能带结构类型的新型DHBT的性能做了比较分析. 结论表明: 与作为当今研究热点的E-B和B-C异质结构均为全交错II型能带结构的InP/GaSbAs/InP DHBT的性能相比, E-B异质结采用传统I型、B-C异质结采用交错II型的一类新型能带结构的InAlAs/GaSbAs/InP DHBT虽然在开启电压上更高, 但具有更好的电流驱动能力、直流增益和高频性能.
倒装芯片塑料球栅阵列封装器件在外应力下的失效机理
林晓玲, 肖庆中, 恩云飞, 姚若河
2012, 61 (12): 128502. doi: 10.7498/aps.61.128502
摘要 +
倒装芯片塑料球栅阵列(FC-PBGA)封装形式独特而被广泛应用, 分析研究其在实际应用过程中, 在高温、电、水汽等多种综合环境应力条件作用下的失效机理对提高其应用可靠性有重要意义. 本文对0.13 μm 6层铜布线工艺的FC-PBGA FPGA器件, 通过暴露器件在以高温回流焊过程中的热-机械应力为主的综合外应力作用下的失效模式, 分析与失效模式相对应的失效机理. 研究结果表明, FC-PBGA器件组装时的内外温差及高温回流焊安装过程中所产生的热-机械应力是导致失效的根本原因, 在该应力作用下, 芯片上的焊球会发生再熔融、桥接相邻焊球致器件短路失效; 芯片与基板之间的填充料会发生裂缝分层、倒装芯片焊球开裂/脱落致器件开路失效; 芯片内部的铜/低k互连结构的完整性受损伤而影响FC-PBGA器件的使用寿命.
氧化锌纳米线的紫外光耦合增强场电子发射特性
张金玲, 吕英华, 喇东升, 廖蕾, 白雪冬
2012, 61 (12): 128503. doi: 10.7498/aps.61.128503
摘要 +
本文采用热化学气相沉积方法制备氧化锌纳米线阵列, 研究氧化锌纳米线阵列在紫外光辐照下的场电子发射特性. 实验结果表明, 在紫外光辐照下, 氧化锌纳米线场发射开启电压降低, 发射电流明显增大. 机理分析认为, 氧化锌纳米线紫外光增强的场发射源自场电子发射与半导体耦合作用, 紫外光激发价带电子跃迁到导带和缺陷能级使发射电子数量增加, 同时, 光生电子发射降低了发射材料表面的有效功函数, 从而显著增强场电子发射性能. 氧化锌纳米线具有紫外光耦合增强场电子发射特性, 在光传感、冷阴极平板显示和场发射电子源等方面具有潜在的应用价值.
反射式GaN光电阴极表面势垒对量子效率衰减的影响
杨永富, 富容国, 马力, 王晓晖, 张益军
2012, 61 (12): 128504. doi: 10.7498/aps.61.128504
摘要 +
针对反射式GaN光电阴极长波段量子效率衰减较大, 短波段量子效率衰减较小的实验现象, 在考虑谷间散射的情况下, 利用玻尓兹曼分布和基于Airy函数的传递矩阵法, 计算了发射电子能量分布, 分析了表面势垒变化对量子效率衰减的影响, 理论与实验符合较好. 激活层有效偶极子数的减少使表面势垒宽度和高度增加, 引起长波光子激发产生的发射电子能量分布衰减较大, 短波光子激发产生的发射电子能量分布衰减较小, 这是量子效率在长波段衰减较大, 短波段衰减较小的根本原因.
地球物理学、天文学和天体物理学
层状各向异性介质大地电磁联合反演研究
霍光谱, 胡祥云, 方慧, 黄一凡
2012, 61 (12): 129101. doi: 10.7498/aps.61.129101
摘要 +
地壳和上地幔中存在的电性各向异性是地电模型、地下结构和构造模型间一个重要的联系因素. 近年来, 它引起了广泛的关注, 推动了对电性各向异性结构模型和反演理论新方法的研究. 本文在Marquardt反演理论的基础上, 引入权因子对其改进后用于大地电磁视电阻率和阻抗相位联合反演, 通过具体算例的分析, 验证了理论的正确性; 此外, 对西北某地大地电磁实测资料处理解释, 说明了程序的实用性并为今后研究深部电性构造提供了一种新的方法和途径.
南海夏季风与登陆我国大陆初旋的关系
张翰, 管玉平
2012, 61 (12): 129201. doi: 10.7498/aps.61.129201
摘要 +
利用19482009年南海夏季风指数、NCEP/NCAR月平均再分析位势高度场、风场资料, 首次分析了南海夏季风与每年登陆中国大陆的首个热带气旋(初旋)的关系. 结果表明: 初旋的登陆日、登陆纬度、生成纬度与当年登陆中国大陆热带气旋的频数、活动期、强度等相关性较好; 强(弱)南海夏季风指数年份, 登陆大陆热带气旋数偏多(少)、初旋登陆日偏迟(早)、初旋登陆点偏南(北). 从流场上看, 强(弱)南海夏季风指数年份, 对应的季风槽偏强(弱), 其异常风场和初旋路径也截然不同. 从年际变化上看, 南海夏季风指数明显呈减弱趋势, 而初旋登陆点则有一定北移.
噪声对滑动移除近似熵的影响
金红梅, 何文平, 张文, 冯爱霞, 侯威
2012, 61 (12): 129202. doi: 10.7498/aps.61.129202
摘要 +
受外强迫和仪器本身的测量误差等因素的影响, 观测数据中经常包含噪声和扰动等一些虚假的信息. 针对这一问题, 本文研究了各种不同噪声对滑动移除近似熵的影响. 研究结果表明, 滑动移除近似熵的检测结果受尖峰噪声和高斯白噪声的影响较小, 意味着其具有很强的抗噪能力, 这为该方法在实际观测资料中的广泛应用提供了坚实的实验基础.
不需要校准激光的法-帕仪中高层大气温度反演方法和观测数据初步分析
赵江南, 艾勇, 王敬芳
2012, 61 (12): 129401. doi: 10.7498/aps.61.129401
摘要 +
本文提出了一种根据FPI观测不需要校准激光而进行温度反演的方法, 给出了进行温度反演的解的解析形式. 依据武汉大学FPI大气温度测量系统获得的630 nm和557.7 nm观测数据, 利用上述方法进行温度反演, 结果表明本文方法不需要校准激光, 能用于不同波长的FPI温度反演.
用于开环液晶自适应光学系统的模式预测技术研究
刘超, 胡立发, 穆全全, 曹召良, 胡红斌, 张杏云, 芦永军, 宣丽
2012, 61 (12): 129501. doi: 10.7498/aps.61.129501
摘要 +
时间延迟误差是液晶自适应光学系统的一个最主要的误差源. 本文提出了一种利用智能模式预测迭代最小二乘(RLS)模式预测算法来克服其对成像分辨率的影响. 首先, 介绍了具有RLS模式预测能力的开环液晶自适应光学系统的结构和工作原理. 其次, 详细讨论了RLS模式预测算法的实现过程. 再次, 设计和搭建了一套带有液晶湍流模拟器的开环液晶自适应光学系统, 对RLS模式预测算法的预测效果进行了分析, 并和直接开环校正做了比较. 分析结果表明: 当系统处于中等强度湍流条件(大气相干长度r0=6 cm, Greenwood频率fG=35 Hz)和只有时间延迟误差情况下, 经过RLS预测后, 残差波面的RMS值由直接校正的0.26波长(1波长=785 nm)降低到了0.15波长, 校正效果提高了42%. 最后, 对预测前后自适应光学系统的成像效果进行了对比试验. 实验结果显示, 经过预测以后, 系统的成像分辨率由直接开环校正的25.4 cycles/mm提高到了32.0 cycles/mm, 成像分辨率提高了26%, 达到了0.9倍的衍射极限分辨率. 因此, RLS模式预测技术可以有效的提高开环液晶自适应系统的成像分辨率.