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Vol. 62, No. 10 (2013)

2013年05月20日
总论 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 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
非线性发展方程的Riemann theta 函数等几种新解
套格图桑, 白玉梅
2013, 62 (10): 100201. doi: 10.7498/aps.62.100201
摘要 +
为了构造非线性发展方程的复合型无穷序列精确解, 获得了第二种椭圆方程的Riemann theta 函数等几种新解.在此基础上,利用第二种椭圆方程与Riccati方程的Bcklund变换和解的非线性叠加公式, 借助符号计算系统 Mathematica, 以mKdV方程为应用实例, 构造了该方程的复合型无穷序列新精确解.这里包括Riemann theta 函数、Jacobi椭圆函数、双曲函数、 三角函数和有理函数,通过几种形式构成的复合型无穷序列新精确解.
一维Tonks-Girardeau原子气区域中 Gross-Pitaevskii方程简化模型的精确行波解
徐园芬
2013, 62 (10): 100202. doi: 10.7498/aps.62.100202
摘要 +
利用动力系统方法研究一维Tonks-Girardeau原子气区域中Gross-Pitaevskii (GP)方程简化模型的一些精确行波解以及这些精确行波解的动力学行为, 研究系统的参数对行波解的动力学行为的影响. 在不同的参数条件下, 获得了一维Tonks-Girardeau原子气区域中GP方程简化模型的六个行波解的精确参数表达式.
声子散射下碳纳米管场效应管建模方法研究
赵晓辉, 蔡理, 张鹏
2013, 62 (10): 100301. doi: 10.7498/aps.62.100301
摘要 +
声子散射对碳纳米管场效应管(carbon nanotube field effect transistor, CNTFET)的特性有着不可忽略的影响. 传统研究方法基于弹道输运模型来分析发生声子散射时各参数对器件特性的影响, 进而建立CNTFET声子散射模型.为了降低模型复杂度, 提高仿真计算的速度, 本文深入研究了CNTFET的声子散射影响, 对手性、温度和能量三个参数的变化进行了仿真, 分析了参数对器件特性的影响. 采用线性近似拟合的方式建立了一种新的CNTFET声子散射模型.通过分析散射下电流的变化, 验证了该模型的正确性和有效性.与半经典散射模型相比, 该模型由于不需要进行积分计算, 计算过程较为简单, 降低了运算量.
Born-Oppenheimer近似下谐振子场驱动电磁模系统的Berry相和Hannay角
刘昊迪
2013, 62 (10): 100302. doi: 10.7498/aps.62.100302
摘要 +
研究了Born-Oppenheimer近似下谐振子场驱动电磁模系统的Berry相和Hannay角, 通过理论计算得到了其表达式, 并讨论了这二者之间的半经典关系.结果表明, 这一量子Born-Oppenheimer复合系统的Berry相包含两部分: 第一部分与通常几何相的定义相同, 另一项则是由耦合造成的有效规范式引入的.这一量子修正可以被看作一个等效的Aharonov-Bohm效应.不仅如此, 其对应经典系统的Hannay角的定义中也存在类似的现象. 由此可见, 这一复合系统的Berry相与Hannay角之间也存在半经典关系, 并与文献[16] 中通常情况下的半经典关系相同.此外, 上述理论也可以运用于解决产生中性原子的人造规范势等物理问题.
基于光子间隙随机分布的真随机数源
汪龙, 马海强, 李申, 韦克金
2013, 62 (10): 100303. doi: 10.7498/aps.62.100303
摘要 +
提出了利用模数转换器提高真随机数源速率的方案, 该方案基于衰减脉冲激光光子间隙随机分布, 可使随机数的产生速率提高十几倍.实验中将时间幅度转换仪与16位模数转换器相结合, 产生的各比特位随机数序列顺利通过了国际通用的随机数检测程序统计测试标准, 该方案实验装置简单, 增强了系统的抗干扰能力.
基于弱非线性实现非破坏性测量两光子Bell态及三光子Greenberger-Horne-Zeilinger态
丁东, 闫凤利
2013, 62 (10): 100304. doi: 10.7498/aps.62.100304
摘要 +
基于弱非线性及线性光学元件提出非破坏性测量两光子Bell态及三光子 Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ)态方案. 方案中, 首先应用光束分束器及交叉克尔非线性介质对两光子Bell态进行对称性分析, 进而结合控制非门提出三光子分析方案实现对八个三光子GHZ态完全且非破坏性区分.
有限空间中Dirac场的正则量子化
王青, 隆正文, 罗翠柏
2013, 62 (10): 100305. doi: 10.7498/aps.62.100305
摘要 +
研究当存在边界的情形下 Dirac场的正则量子化问题. 采用文献[1]的观点, 将边界条件当作Dirac初级约束.与已有研究不同的是, 本文从离散的角度研究此问题. 将Dirac场的拉氏量和内在约束进行离散化, 并且将离散的边界条件当作初级Dirac约束. 因此, 从约束的起源来看, 这个模型中存在两种不同的约束: 一种是由于模型的奇异性而带来的约束, 即内在约束; 另一种是边界条件. 在对此模型进行正则量子化过程中提出一种能够平等地处理内在约束和边界条件的方法. 为了证明该方法能够平等地对待这两种起源不同的约束, 在计算Dirac 括号时分别选取了两个不同的子集合来构造"中间Dirac括号", 最后得到了相同的结果.
自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚势垒散射特性的研究
李志, 王建忠
2013, 62 (10): 100306. doi: 10.7498/aps.62.100306
摘要 +
对自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚中的双势垒散射问题进行了研究, 得到了系统透射系数的解析表达式, 并对如何克服Klein隧穿以及如何束缚Dirac粒子进行了讨论并给出囚禁Dirac粒子的实验方案. 此外, 运用时间劈裂谱方法对Dirac粒子势垒散射问题进行了数值模拟. 分析了Dirac粒子分别在势垒Klein阻塞区域中心以及边缘的透射情况. 最后从排斥和吸引相互作用两方面研究了非线性相互作用对于Dirac粒子演化的影响, 结果表明弱非线性相互作用对散射特性的影响非常小, 而强非线性相互作用会彻底破坏波包的动量分布, 从而改变Dirac粒子的势垒散射效果.
连续时间系统同宿轨的搜索算法及其应用
杨芳艳, 胡明, 姚尚平
2013, 62 (10): 100501. doi: 10.7498/aps.62.100501
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同宿轨的求解是非线性系统领域的核心问题之一, 特别是对动力系统分岔与混沌的研究有重要意义. 根据同宿轨的几何特点, 采用轨线逼近的方式, 通过定义逼近轨线与鞍点的距离, 将同宿轨的求解转化为求距离最小值的无约束非线性优化问题. 为了提高优化结果的完整性, 还提出了基于区间细分的搜索算法和实现方法, 并找出了Lorenz系统, Shimizu-Morioka系统和超混沌Lorenz系统等的多个同宿轨道和对应参数, 验证了本文方法的有效性.
色交叉关联噪声作用下集合种群的稳定性和平均灭绝时间
王康康, 刘先斌, 杨建华
2013, 62 (10): 100502. doi: 10.7498/aps.62.100502
摘要 +
在Levins模型的基础上研究了色交叉关联噪声对集合种群稳定性的影响, 应用Fokker-Plank方程得到了系统的稳态概率密度函数, 运用最快下降法得到了平均灭绝时间的解析式. 结果表明: 两噪声色关联时, 加性噪声强度和乘性噪声强度均弱化集合种群的稳定性; 噪声关联强度强化集合种群的稳定性. 两噪声之间负关联时, 平均灭绝时间是加性噪声强度和乘性噪声强度的减函数, 是噪声关联时间的增函数; 两噪声之间正关联时, 平均灭绝时间是加性噪声强度和噪声关联时间乘性噪声强度的减函数, 是乘性噪声强度的非单调函数.
受扰航天器姿态动力学中参数未知的混沌运动控制
贾飞蕾, 徐伟, 李恒年, 侯黎强
2013, 62 (10): 100503. doi: 10.7498/aps.62.100503
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研究了扰动力矩作用下航天器姿态运动的欧拉动力学方程. 讨论了当选取扰动力矩中不同的参数矩阵, 欧拉方程可产生一大类混沌系统. 设计了基于Lyapunov方法的自适应控制律, 完成了该类系统中参数未知的混沌运动的控制, 并且能够将系统状态变量稳定于指定平衡点, 同时实现了对未知参数的实时辨识. 以Newton-Leipnik系统为例, 进行了数值仿真, 仿真结果表明了该方法的有效性.
基于无模型方法的混沌系统自适应控制
王跃钢, 文超斌, 杨家胜, 左朝阳, 崔祥祥
2013, 62 (10): 100504. doi: 10.7498/aps.62.100504
摘要 +
传统的混沌控制方法大多需要获知混沌系统的模型知识, 但是工业实际中系统的参数经常是未知的,与此同时系统建模过程当中经常会不可避免地存在未建模的动态不确定性, 这种情况下常规的混沌控制方法不能取得优化的控制性能指标.为解决此问题, 提出了一类基于无模型方法的混沌系统自适应控制算法.该算法基于数据驱动, 无需混沌系统的先验知识, 无需训练过程, 在线调整参数较少, 是一种低成本的控制器.数学证明了该控制系统的稳定性, 仿真结果说明了这种理论的有效性.
有限远共轭显微镜光镊设计和误差分析
任洪亮
2013, 62 (10): 100701. doi: 10.7498/aps.62.100701
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光镊是研究单分子生物物理特性的独特工具, 因而光镊设备的研发是一个极为重要的课题. 本文根据矩阵光学, 对基于有限远共轭显微镜的光镊操控光路进行计算, 得出了阱位径向操控和轴向操控方程, 并分析了光束调控系统、 共焦系统后置透镜和耦合透镜安装位置误差及物镜轴向位置调整对光镊阱位径向及轴向操控精度的影响. 计算结果显示, 当物镜初级像面和耦合透镜像方焦面完全重合, 光束调控系统和耦合透镜的距离误差对阱位径向和轴向操控精度没有影响. 光镊系统元器件定位不准时, 基于无限远共轭显微镜光镊的阱位径向操控误差和轴向操控误差都小于基于有限远共轭显微镜光镊的阱位径向操控误差和轴向操控误差. 当光镊耦合透镜定位误差控制在小于10 mm时, 基于有限远共轭显微镜光镊的径向和轴向操控误差分别小于5.9%和11.4%, 有限远共轭显微镜仍然存在改造为光镊的价值.本文理论为基于有限远共轭显微镜的光镊设计、改造和操控提供理论和实验指导.
原子和分子物理学
Nb XIII离子3d94s2, 3d94s4p, 3d94p2 组态能级结构与跃迁的理论研究
牟致栋, 魏琦瑛
2013, 62 (10): 103101. doi: 10.7498/aps.62.103101
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用准相对论Hartree-Fock方法对Nb XIII离子二电子激发组态3d94s2, 3d94s4p, 3d94p2 的能级结构做了全面系统的理论计算研究.在对已有研究结果分析的基础上, 运用最小二乘方法对径向积分参数进行了优化计算, 得到了与这些组态有关的电偶极允许跃迁的谱线波长和跃迁概率.计算结果与最新的实验值做了对比分析, 表明本文计算结果是准确的. 研究发现, 波长40.92 nm的谱线, 属于3d94s(1D)4p2F7/2–3d9 (2D)4s2 2D5/2 的跃迁谱线, 而不属于3d94s (1D)4p4D7/2–3d9(2D)4s2 2D5/2 的跃迁谱线, 即上谱项能级为2F7/2, 而不是4D7/2.
In掺杂ZnTe发光性能的第一性原理计算
令狐佳珺, 梁工英
2013, 62 (10): 103102. doi: 10.7498/aps.62.103102
摘要 +
利用基于密度泛函理论的第一性原理对In掺入ZnTe半导体后引入的各种缺陷进行了结构优化、 能带和态密度分析及转换能级的计算. 计算结果表明: 掺杂后体系中主要存在两种缺陷, 一种是In原子替换了Zn原子的置换型缺陷; 另一种是由In替换Zn后再与临近的Zn空位形成的复合缺陷. 二者分别在导带底下方0.26 eV和价带顶上方0.33 eV的位置形成各自的转换能级. 电子在这两个转换能级之间跃迁辐射出的能量大小与实验测量到的能量大小相符, 解释了原本发绿光的ZnTe在掺入In后发出近红外光的根本原因.
外电场对对硝基氯苯分子结构与电子光谱影响的研究
李涛, 唐延林, 凌智钢, 李玉鹏, 隆正文
2013, 62 (10): 103103. doi: 10.7498/aps.62.103103
摘要 +
为达到降解有机污染物硝基氯苯的目的, 采用外加平行电场的方法, 研究电场对硝基氯苯化合物的分子结构和电子光谱等的影响. 以对硝基氯苯分子为研究对象, 采用密度泛函B3LYP方法在6-311+g(d, p) 基组水平上优化并计算了不同外电场作用下pCNB的基态分子结构、电偶极矩和分子总能量, 在此基础上采用含时密度泛函研究了该分子的前六个激发态的波长、振子强度受外电场的影响规律.结果表明: C–Cl, C–N键长随电场增加而快速增大, 即键能快速减小, 同时苯环上的C–C, C–H键长的变化很小, 且有增有减, 说明分子的降解可能是C–Cl, C–N键断裂而苯环则相对稳定. 同时分子总能量随电场先增大后变小, 电偶极矩刚好相反.另外, 最大吸收波长λmax 随电场先缓慢减小, 后快速增大, 导致电子跃迁相对容易, 而振子强度随电场变化则相对比较复杂.
UO2 晶体中低密勒指数晶面表面能的分子动力学模拟
肖红星, 龙冲生
2013, 62 (10): 103104. doi: 10.7498/aps.62.103104
摘要 +
采用基于刚性离子势的分子动力学模拟方法初步计算了UO2晶体中(100), (110)和(111) 3种低密勒指数晶面在300–1500 K范围内的表面能大小. 结果表明, 3种晶面的表面能大小随温度的升高而降低, 与实验结果趋势一致; 原子排列最紧密的(111)晶面具有最低的表面能, 3种晶面的表面能大小从高到低依次为(100), (110)和(111)晶面; 达到平衡状态下的表面层原子相对于体内原子层在表面的法线方向上发生了明显的压缩并且表面层原子的对称性也降低了, 表面原子的弛豫效应一直影响到了第5层. 计算研究结果将有助于深入认识UO2燃料中裂变气体气泡的聚集长大以及燃料的辐照肿胀开裂行为.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
三维时变等离子体目标的电磁散射特性研究
杨利霞, 沈丹华, 施卫东
2013, 62 (10): 104101. doi: 10.7498/aps.62.104101
摘要 +
基于电流密度拉普拉斯变换方法改进的时域有限差分(LTJEC-FDTD)算法, 研究时变等离子体目标的电磁散射特性.由Maxwell方程和等离子体本构方程出发, 利用拉普拉斯变换和拉普拉斯逆变换, 推导出计算三维时变问题的时域有限差分(FDTD)算法的迭代式. 采用模式匹配方法验证了FDTD迭代式的正确性, 并通过计算等离子体球的雷达散射截面(RCS)验证了算法相关边界的正确性. 最后用LTJEC-FDTD算法分析了涂覆时变等离子体的战斧式巡航导弹的RCS.
基于电磁谐振的极化无关透射吸收超材料吸波体
鲁磊, 屈绍波, 马华, 余斐, 夏颂, 徐卓, 柏鹏
2013, 62 (10): 104102. doi: 10.7498/aps.62.104102
摘要 +
仿真并实验验证了基于电磁谐振的极化无关透射吸收超材料吸波体, 该吸波体可以实现低频透射和高频吸收.实验测试结果表明, 该吸波体在6.77 GHz 吸收率峰值为83.6%, 半功率带宽为4.3%, 实现窄带强吸收.为进一步拓展该谐振型超材料吸波体的吸收带宽, 利用其低频透射特性, 将两个工作于不同频段的吸波体叠加在一起, 测试结果表明, 复合后超材料吸波体的半功率带宽可以增大到10.9%, 吸收率也略有增强. 该超材料吸波体设计简单, 具有较强的实用性和应用前景.
弯轨Čerenkov辐射计算中的稳相法
李一丁, 张鹏飞, 张辉, 于淼
2013, 62 (10): 104103. doi: 10.7498/aps.62.104103
摘要 +
从介质中沿弯曲轨道运动的带电粒子辐射的频谱角分布公式出发, 分析了粒子速度大于介质中的光速时, 稳相点在Čerenkov效应中所起的关键作用, 并给出了通过在稳相点附近做渐近展开来计算弯轨Čerenkov辐射的稳相法. 运用稳相法, 计算了同步Čerenkov辐射在粒子轨道平面附近以及在临界角附近的频谱角分布. 计算结果表明, 同步Čerenkov辐射频谱的特征依赖于观测方向附近对应的稳相点性状, 特别是在较大的临界角附近的频谱与小角度近似时很不相同.
相对论速调管中间腔与调制电子束间的非线性互作用
陈永东, 吴洋, 谢鸿全, 李正红, 周自刚
2013, 62 (10): 104104. doi: 10.7498/aps.62.104104
摘要 +
在强流相对论电子束驱动的相对论速调管放大器中, 由于强流和高场强的影响, 尤其是中间腔具有高Q值, 微波腔与电子束之间的非线性作用很明显, 严重影响器件性能. 根据麦克斯韦方程组以及电子在微波场作用下运动方程给出了中间腔的束-波互作用自洽方程. 从这些方程出发, 研究了调制深度和调制频率对间隙电压幅度和相位的影响. 对比常规速调管的等效电路模型, 自洽公式给出的间隙电压幅值同粒子模拟结果更接近, 尤其是较高调制深度的情况. 同时器件带宽随调制深度的增加而变宽, 这也同粒子模拟结果一致. 由此设计了一个S波段高增益相对论放大器, 在LTD (长脉冲螺旋线)加速器上开展了相应的实验工作, 实验上获得了1.1 GW的输出功率, 器件增益49 dB.
周期性磁谐振材料本构参数的理论分析
徐新河, 肖绍球, 甘月红, 王秉中
2013, 62 (10): 104105. doi: 10.7498/aps.62.104105
摘要 +
将薄的磁谐振介质板等效为面磁流, 利用周期性边界条件, 给出了面磁流的指数形式. 通过计算无穷个面磁流在不同空间位置上产生的总电场和总磁场, 推导出了周期性磁谐振人工材料的色散关系和布洛赫阻抗, 进而获取了布洛赫本构参数的理论计算公式. 由于考虑了磁谐振人工材料中的电反谐振对布洛赫介电常数和磁导率的影响, 所以基于仿真实验的布洛赫本构参数的提取值和布洛赫本构参数理论预测值之间的误差很小, 这说明本文推导的布洛赫本构参数的理论计算公式在描述周期性磁谐振材料的电磁特性方面是十分有效的. 这些理论公式将在解释磁谐振现象、设计和优化周期性磁谐振材料等方面提供重要的理论依据.
用于相位突变界面的广义的反射定律和折射定律
孙彦彦, 韩璐, 史晓玉, 王兆娜, 刘大禾
2013, 62 (10): 104201. doi: 10.7498/aps.62.104201
摘要 +
考虑到位于两物质界面上的Metasurface对光线传播行为的影响, 从费马原理和边界条件连续两种角度出发, 推导了可用于相位突变界面的广义反射与折射定律. 该定律在界面对光波的相位改变量为零的情况下, 回归为通常的反射定律和折射定律. 利用广义的折射定律和反射定律讨论了介质折射率、界面上的相位梯度等因素对光传播行为的影响, 发现利用广义的折射定律和反射定律很容易实现反常反射和反常折射行为, 并给出了出现反常反射和反常折射的条件, 以此为基础可以实现对光波的随意控制. 依据广义的折射定律和反射定律分析了一维相位掩模板对光场传播行为的影响.
4pi聚焦系统中振幅和相位调制的径向偏振涡旋光束聚焦特性的研究
常强, 杨艳芳, 何英, 刘海港, 刘键
2013, 62 (10): 104202. doi: 10.7498/aps.62.104202
摘要 +
基于Richards-Wolf矢量衍射积分公式, 研究了径向偏振涡旋光束在振幅和相位调制下的4pi聚焦特性.振幅调制是通过振幅滤波实现, 即改变入射光束起始积分值达到调节,相位调制是通过添加相位延迟角δ 的液晶相位延迟器来改变入射光束的偏振态.模拟结果显示,随着振幅的减小, 4pi聚焦系统焦点附近的光轴上呈现出多光球结构; 而相位调制对焦点附近的光强分布产生拉伸作用, 即调节入射光束的拓扑核m和相位延迟器的延迟角δ,可以得到特殊的光强分布. 随着相位δ增大, m=0产生的多光球结构慢慢向光链结构转变,最终变成暗通道;而m=1产生的光链结构慢慢变成光球结构; m=2产生的暗通道变成光球和光链叠加的结构, 这种特殊聚焦光束在光学微操纵领域具有潜在的应用价值.
基于压缩传感的纯相位物体相位恢复
杨振亚, 郑楚君
2013, 62 (10): 104203. doi: 10.7498/aps.62.104203
摘要 +
传统的相位恢复算法通过双强度或者单强度测量的数据进行迭代运算以恢复丢失的相位信息, 它要求采样数据必须满足香农采样定理.当成像的分辨率较高时, 大量的测量数据势必会对数据采样设备提出更多的要求.因此, 为减少采样负担, 本文提出了一种基于压缩传感的相位恢复算法, 通过在傅里叶面的少量单强度测量数据, 应用改进的混合输入输出算法来恢复纯相位物体的相位分布.在采样数据远小于采样定理所需的条件时, 该算法仍能精确地恢复相位分布具有分块均匀特征的纯相位物体.数值仿真实验表明该算法具有良好的收敛性能.
快速多极边界元法用于扩散光学断层成像研究
许军, 谢文浩, 邓勇, 王侃, 罗召洋, 龚辉
2013, 62 (10): 104204. doi: 10.7498/aps.62.104204
摘要 +
在求解扩散光学断层成像中的正向问题时, 目前普遍采用有限元法, 但是随着实际模型规模的增大, 有限元法的计算量问题日益显著, 而边界元法则由于可以降低计算维度使计算量减少而备受关注. 本文以均匀的高散射介质为模型, 研究了将快速多极边界元法用于扩散光学断层成像的正向问题. 快速多极边界元法利用核函数的多极展开, 将常规边界元法中系数矩阵和迭代矢量的乘积项等价为相应四叉树结构的一次递归, 再结合广义最小残量法进行迭代求解. 将计算结果和蒙特卡罗法的模拟结果进行了比较, 表明利用快速多极边界元法的模拟结果和蒙特卡罗法的结果有很好的一致性. 研究结果验证了快速多极边界元法可以用于扩散光学断层成像, 为其大规模和实时成像带来可观的前景.
一种基于双偏振分束器的量子秘密共享方案
韦克金, 马海强, 汪龙
2013, 62 (10): 104205. doi: 10.7498/aps.62.104205
摘要 +
提出一个基于双偏振分束器的单量子比特全光纤量子秘密共享方案, 该方案具有自动补偿光纤及光学器件的双折射效应和相位抖动的功能, 在干涉对比度测试和稳定性测试时, 该方案在5 km通信距离中, 获得的干涉对比度优于993%, 且可长时间保持稳定.
三能级闭合环路系统控制的位相和幅度相关的无反转增益
张志颖, 付申成, 苟立丹, 姚治海
2013, 62 (10): 104206. doi: 10.7498/aps.62.104206
摘要 +
为了获得位相敏感的无粒子数反转探测增益, 研究了一个三能级闭合环路子系统控制的四能级原子系统.在三光子共振情况下, 获得了大的稳态无反转探测增益. 由于量子干涉效应, 探测增益对三能级闭合环路子系统的相对位相是敏感的. 三能级闭合环路子系统中的场强也是影响探测场增益特性的重要参数.
基于双光注入锁定1550 nm垂直腔表面发射半导体激光器产生可调谐毫米波
陈于淋, 吴正茂, 唐曦, 林晓东, 魏月, 夏光琼
2013, 62 (10): 104207. doi: 10.7498/aps.62.104207
摘要 +
基于自旋反转模型, 对双光注入下1550 nm 垂直腔表面发射半导体激光器(1550 nm-VCSEL)的非线性动力学行为进行了理论分析和数值仿真研究. 结果表明: 当一个中心波长位于1550 nm 的副VCSEL(S-VCSEL)同时受到来自两个主VCSELs (M-VCSELs)的光注入时, 在适当的注入条件下, S-VCSEL可处于双光注入锁定态. 此时, S-VCSEL中的两偏振模式均呈现频率为两注入光频率之差的周期性振荡, 输出的光谱仅包含两个主频率部分, 即光谱具有单边带特征. 因此, 基于双光注入下S-VCSEL的周期性振荡可以获得两个相互正交的光毫米波. 通过调节两个M-VCSELs之间的频率差异可使毫米波频率在较大范围内连续可调, 通过调节系统参量可以控制毫米波功率以及调制深度.

编辑推荐

光电负反馈下垂直腔表面发射激光器偏振开关特性研究
王小发
2013, 62 (10): 104208. doi: 10.7498/aps.62.104208
摘要 +
基于扩展的自旋反转模型, 对光电负反馈下垂直腔表面发射激光器的偏振开关特性进行了数值仿真和理论分析. 研究结果表明: 对于不同的自旋反转率, 反馈强度和延迟时间对激光器偏振开关特性产生较大影响.在慢自旋反转率下运行时, 随着反馈强度的增加, 开关点电流呈线性增加, 导致X偏振模被压缩, 这与报道的基于各向同性光反馈的情景相反, 产生这一现象的原因是由于光电负反馈提高了X偏振模的阈值; 延迟时间对开关点电流的影响随反馈强度的变化而不同.在快自旋反转率下运行时, 反馈强度对开关点电流的影响与慢自旋反转率时的情形不同, 开关点电流经历先增加后减小的过程, 开关点电流受反馈强度的影响更加敏感; 而延迟时间的影响规律和慢自旋反转率时相似. 此外, 还发现自发辐射噪声对激光器偏振开关特性有较大影响.

编辑推荐

高功率半导体激光器结温与1/f噪声的关系研究
陈海鹏, 曹军胜, 郭树旭
2013, 62 (10): 104209. doi: 10.7498/aps.62.104209
摘要 +
高功率半导体激光器的结温上升, 不仅影响它的输出功率、斜坡效率、阈值电流和寿命, 而且还会产生光谱展宽和波长偏移. 因此, 热管理成为抽运激光器研发中的一个主要问题. 本文首先建立了噪声功率谱与结温变化的物理模型, 根据压缩感知理论, 将测量得到含有高斯白噪声和1/f噪声的混叠复合噪声信号稀疏化后, 进行基追踪算法去噪, 通过改变算法的迭代次数及测量矩阵大小, 获得1/f噪声电压功率谱与结温变化关系曲线, 避免了直接测量结温的复杂性.通过数值估计结果, 可以较好地指导高功率半导体激光器的热管理工作.
全正色散多波长被动锁模耗散孤子掺镱光纤激光器
徐中巍, 张祖兴
2013, 62 (10): 104210. doi: 10.7498/aps.62.104210
摘要 +
报道了一种带有周期性双折射光纤滤波器的全正色散多波长被动锁模耗散孤子掺镱光纤激光器. 通过数值模拟发现加入滤波器后激光器能输出多波长耗散孤子脉冲, 调节滤波器带宽大小可以得到不同波长个数和波长间隔的多波长锁模耗散孤子脉冲. 在激光器产生的四波长和五波长耗散孤子脉冲中观察到了耗散孤子分子, 并且通过调节滤波器参数和饱和功率可以改变多波长脉冲中耗散孤子分子的个数和波长. 这是在被动锁模光纤激光器中首次实现包含有耗散孤子分子的多波长脉冲. 另外还在实验上实现了全正色散双波长被动锁模耗散孤子的产生.
采用环形再生腔结构的飞秒激光啁啾脉冲放大研究
张伟, 滕浩, 王兆华, 沈忠伟, 刘成, 魏志义
2013, 62 (10): 104211. doi: 10.7498/aps.62.104211
摘要 +
采用环形再生腔结构的啁啾脉冲放大技术方案, 在重复频率100 Hz,单脉冲能量33.1 mJ的532 nm激光抽运下, 从钛宝石激光中获得了单脉冲能量9.84 mJ的放大输出, 对应的斜效率达33.1%.在重复频率10 Hz的情况下, 同样获得了单脉冲能量为9.64 mJ, 对应斜效率达36.8%的高效率放大结果. 通过色散补偿压缩该啁啾激光脉冲后的单脉冲能量为6.36 mJ, 脉冲宽度为59.7 fs. 测量结果表明典型的能量不稳定度为1.85%.
拉曼增益对孤子传输特性的影响
乔海龙, 贾维国, 刘宝林, 王旭东, 门克内木乐, 杨军, 张俊萍
2013, 62 (10): 104212. doi: 10.7498/aps.62.104212
摘要 +
利用考虑拉曼增益效应的非线性薛定谔方程, 在忽略光纤损耗的情况下, 采用基于MATLAB的分步傅里叶数值算法, 得出线性算符和非线性算符具体的表达式, 分步作用于光孤子脉冲传输方程, 仿真模拟了光孤子在光纤中传输时的演变. 与不考虑拉曼增益的光孤子在光纤中传输相对比, 探析了拉曼增益对孤子传输特性的影响.拉曼增益会破坏孤子的传输周期, 导致孤子在光纤中传输时快速衰减, 并且影响程度和输入孤子的脉冲峰值功率大小有关, 拉曼增益对基态孤子和高阶孤子的影响也不相同.
变温条件下受激布里渊散射增益系数的实验测量
陈蔚, 陈学岗, 史久林, 何兴道, 莫小凤, 刘娟
2013, 62 (10): 104213. doi: 10.7498/aps.62.104213
摘要 +
从理论及实验上分析了介质温度对受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering, SBS)阈值及增益系数的影响.在理论分析的基础上, 提出了一种通过测量SBS阈值来决定介质SBS增益系数的新方法. 实验及测量结果表明, SBS增益系数会随着介质温度的增加而呈现指数上升的趋势.
基于机载平台的NO2 垂直廓线反演灵敏度研究
徐晋, 谢品华, 司福祺, 李昂, 周海金, 吴丰成, 王杨, 刘建国, 刘文清
2013, 62 (10): 104214. doi: 10.7498/aps.62.104214
摘要 +
研究了基于机载多角度观测方式反演NO2垂直廓线的灵敏度, 利用计算的权重因子和平均核分析了不同波长、不同观测角度、 不同地表反照率、不同气溶胶模式、不同高度对廓线反演灵敏度的影响. 结果表明, 中心波长在370 nm的紫外波段的平均核比中心波长在500 nm的可见波段垂直分辨率更高, 更有利于廓线反演; 向上观测角度的测量结果中没有明显的廓线信息, 而向下观测角度的测量结果包含更多的廓线信息; 地表反照率对廓线反演没有明显影响; 高气溶胶模式使得廓线反演的灵敏度升高; 较低的飞行高度计算的平均核差异不明显, 不利于廓线信息的反演.
高次柱面反射型太阳能聚光镜的光学设计
秦华, 类成新, 刘汉法, 葛硕硕
2013, 62 (10): 104215. doi: 10.7498/aps.62.104215
摘要 +
提出了一种新型高效太阳能聚光镜, 这种聚光镜用一组特定系数, a2, a4, a6, a8, a10, a12, a14, a16 与 C的高次柱面内壁的一部分作为反射镜. 利用高次柱面方程和光反射定律, 推导出了在高次柱面内壁上太阳反射光束的方向矢量与高次柱面系数C, a2,a4, a6, a8, a10, a12, a14, a16的关系, 通过优化设计这些系数, 可以使入射到高次柱面内壁上的太阳光束反射后全部聚焦在一条与柱面母线平行的宽度很窄的线段上, 形成线聚光. 这组特定系数用粒子群优化算法求得, 并经计算机模拟证明其聚焦效果. 用这组特定系数的高次柱面作为聚光镜, 其对光的压缩比可达148倍, 其线性光斑可作为一种强光源或高温光源. 高次柱面反射镜可由金属或玻璃直接磨制而成, 也可由高次柱面骨架和铺设在骨架上的镀铝聚酯薄膜构成.
直接相位调制产生周期性线性啁啾脉冲特性研究
田小程, 隋展, 黄志华, 林宏奂, 王建军, 张锐, 许党朋, 张永亮, 朱娜
2013, 62 (10): 104216. doi: 10.7498/aps.62.104216
摘要 +
提出一种利用周期性抛物线调制信号对光脉冲进行相位调制以获得周期性线性啁啾脉冲的方法, 并对其进行了数值模拟与实验研究. 数值模拟结果表明: 增益饱和效应、群速度色散以及同步误差对啁啾脉冲的时间-光谱特性影响较大; 自相位调制对啁啾脉冲的影响较小. 实验获得了0.52 nm带宽的周期性线性啁啾脉冲, 与模拟结果符合较好. 实验结果同时表明装置中存在较大的偏振模色散, 导致幅频效应较大, 后续的研究中需加入对此的考虑. 模拟及实验研究表明: 直接相位调制是一种新型的可方便地获得周期性线性啁啾脉冲的方法, 其在光谱色散平滑中具有潜在应用.
一种与标准单模光纤高适配的低弯曲损耗光子晶体光纤
盛新志, 娄淑琴, 尹国路, 鹿文亮, 王鑫
2013, 62 (10): 104217. doi: 10.7498/aps.62.104217
摘要 +
设计并研制出一种与普通单模光纤高适配的低弯曲损耗光子晶体光纤. 结构采用光纤预制棒制作工艺上易于实现的掺锗芯六孔结构. 应用间接测量方法, 对其模式、弯曲及色散特性进行了系统的评估. 在波长1550 nm处研制光纤的模场面积为79.26 μm2, 色散为21.7 ps·km-1·nm-1, 模场面积和色散特性与标准单模光纤具有高的适配性. 在光纤弯曲半径为5 mm时, 在波长1550 nm处的弯曲损耗为0.0365 dB/圈, 小于G.657B的弯曲损耗0.5 dB/圈. 研究成果为光纤到户用低弯曲损耗光纤的实用化奠定了良好的基础.
微纳光纤布拉格光栅折射率传感特性研究
刘颖刚, 车伏龙, 贾振安, 傅海威, 王宏亮, 邵敏
2013, 62 (10): 104218. doi: 10.7498/aps.62.104218
摘要 +
利用光纤布拉格光栅方程和光纤基模有效折射率随纤芯半径和环境折射率的函数关系, 建立了微纳光纤布拉格光栅(MNFBG)反射波长随环境折射率变化的数学模型, 给出了波长灵敏度函数, 并指出MNFBG反射波长的变化规律决定于有效折射率随纤芯半径和环境折射率变化的关系. 详细探究了有效折射率及其灵敏度的变化规律, 结果表明: 有效折射率随纤芯半径和环境折射率的减小而非线性减小, 其对环境折射率变化的灵敏度随环境折射率的增大而非线性增加, 而且随纤芯半径减小, 有效折射率的灵敏度、线性度以及线性响应范围均呈递增规律. 通过对纤芯半径为0.5 μm的MNFBG在1.20–1.30和1.33–1.43 环境折射率范围内的波长响应关系拟合, 分别获得了477.33 nm/RIU和856.30 nm/RIU的波长灵敏度以及99.58 %和99.7%的高线性度, 论证了分析结论以及折射率区间划分测量方案的正确性, 为MNFBG折射率传感器的设计、优化以及应用提供了参考依据.
非相干光源无衍射光的自重建
范丹丹, 吴逢铁, 程治明, 朱健强
2013, 62 (10): 104219. doi: 10.7498/aps.62.104219
摘要 +
基于Hankel 波理论分析了非相干光源产生Bessel光束的自重建特性, 利用光学设计软件ZEMAX模拟了Bessel光束经过轴上圆形障碍物后的截面光强分布. 由于发光二级管(LED) 具有一定的频谱宽度且不像激光具有很高的相干度, 因此我们采用一定频宽范围的连续谱来描述. 从模拟结果可以直观地看出Bessel光束被轴上圆形障碍物遮挡后逐步完成自重建, 说明用LED非相干光作为光源具有自重建特性.实验上采用LED和轴棱锥元件产生Bessel光束, 然后通过轴上圆形障碍物、轴上方形障碍物, 并拍摄了不同位置处的截面光强分布图, 证实了非相干光源产生Bessel光束的自重建特性.实验结果和模拟结果相符合.
基于无线传感器网络的地震信号特征提取方法研究
祁浩, 王福豹, 邓宏
2013, 62 (10): 104301. doi: 10.7498/aps.62.104301
摘要 +
为解决野外古墓葬安防网络中高采样率会缩短无线传感器网络寿命的问题, 提出了使用功率谱二次处理对地震信号进行特征提取的方法. 并通过三类地面活动数据采集进行对比识别实验, 分析了低采样率条件下地震信号特征提取方法的性能. 结果表明, 使用功率谱二次分析的特征提取方法能够降低网络通信能耗, 延长网络寿命, 提高系统目标识别的准确性.该方法已应用于秦始皇兵马俑野外文物安防系统, 经实践检验, 收到了良好的效果.
新型宽温区高热稳定性微波功率SiGe 异质结双极晶体管
鲁东, 金冬月, 张万荣, 张瑜洁, 付强, 胡瑞心, 高栋, 张卿远, 霍文娟, 周孟龙, 邵翔鹏
2013, 62 (10): 104401. doi: 10.7498/aps.62.104401
摘要 +
宽温区大电流下的热不稳定性严重制约着功率SiGe 异质结双极晶体管 (HBT) 在射频和微波电路中的应用.为改善器件的热不稳定性, 本文利用SILVACO TCAD建立的多指功率SiGe HBT模型, 分析了器件纵向结构中基区Ge组分分布对微波功率SiGe HBT电学特性和热学特性的影响. 研究表明, 对于基区Ge组分为阶梯分布的HBT, 由于Ge组分缓变引入了少子加速电场, 使它与均匀基区Ge组分HBT相比, 具有更高的特征频率fT, 且电流增益β和fT随温度变化变弱, 这有利于防止器件在宽温区工作时电学特性的漂移.同时, 器件整体温度有所降低, 但器件各指温度分布均匀性较差.考虑多指HBT各发射极指散热能力存在差异, 在器件纵向结构设计为基区Ge组分阶梯分布的同时, 对其横向版图进行发射极指间距渐变结构设计, 用于改善器件各指温度分布的均匀性, 进而提高HBT的热稳定性.结果表明, 与基区Ge组分为均匀分布的等发射极指间距结构HBT相比, 新器件各指温度分布均匀性明显改善, fT保持了较高的值, 且β和fT 随温度变化不敏感, 热不稳定性得到显著改善, 显示了新器件在宽温区大电流下工作的优越性.
ZnO/Diamond/Si结构中声表面波传播特性分析
周振凯, 韦利明, 丰杰
2013, 62 (10): 104601. doi: 10.7498/aps.62.104601
摘要 +
基于递归刚度矩阵方法, 建立了多层结构声表面波表面有效介电常数模型, 计算出了ZnO/Si结构声表面波的相速度频散特性, 与实验结果符合较好, 表明本文所建模型的准确性和有效性. 进一步计算得到了三层结构(ZnO/Diamond/Si)声表面波的相速度和机电耦合系数的频散规律, 获得此结构最优的高波速和高机电耦合系数组合及达到最优组合所需控制的变量, 为高频高性能声表面波器件设计和优化提供了有益参考.
圆柱尾流温度标量场的小波分析(已撤稿)
戈阳祯, 徐敏义, 米建春
2013, 62 (10): 104701. doi: 10.7498/aps.62.104701
摘要 +
通过使用一排16根冷线探头排在多个空间点同时测量微加热圆柱的尾流温度场, 用小波分析技术对瞬时温度场的时间序列信号进行多尺度分析, 目的是研究不同尺度脉动温度对总体温度场的贡献.直径为d = 12.7 mm 的圆柱产生了被测的尾流, 对应的雷诺数为5500, 测量区域位于下游距离为2d 和 20d 之间. 基于小波多尺度分辨技术, 尾流温度场被分解为不同温度脉动特征尺度的小波分量. 通过分析这些小波分量的瞬时温度等值线图, 能够直接观测到不同特征尺度的涡结构运动特征和湍流间歇过程. 特别地, 我们在近场区从原始信号分解获得的高频区域中发现了K-H涡的存在. 不同尺度的温度方差沿流向的变化表明, 在下游距离为x=3d和 20d之间, 中等尺度的结构比大尺度和小尺度结构对总的温度均方根的贡献更大. 不同尺度的自相关函数表明, 大尺度和中等尺度的结构显示出较大的相关性, 而高频的小波分量则更快地失去了原有的拟序性.
不同压力下介质阻挡放电等离子体诱导流场演化的实验研究
程钰锋, 聂万胜, 车学科, 田希晖, 侯志勇, 周鹏辉
2013, 62 (10): 104702. doi: 10.7498/aps.62.104702
摘要 +
采用粒子图像测速技术, 获得了不同环境压力下介质阻挡放电等离子体诱导流场启动涡随时间的演化规律和诱导流场分布的变化规律. 实验表明: 不同环境压力下, 诱导流场都会出现启动涡, 压力较高, 启动涡逐渐向右即向植入电极一侧扩散并最终消失, 扩散速度随时间递减, 压力较小, 诱导漩涡不会随放电时间的增大而消失; 环境压力减小, 等离子体诱导流场的启动时间减小, 诱导流场的法向分量增强、横向分量减弱, 诱导流线形状的变化规律是:L→U→V, L 型流线没有诱导漩涡, U 型流线有两个诱导旋涡, 分别分布在U 型凹槽和右侧, V 型流线有一个诱导漩涡, 分布在V 中间.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
碳纳米管对接成异质结器件的计算模拟
焦学敬, 欧阳方平, 彭盛霖, 李建平, 段吉安, 胡友旺
2013, 62 (10): 106101. doi: 10.7498/aps.62.106101
摘要 +
基于Stone-Wales缺陷演变理论与分子动力学、Monte Carlo计算方法, 进行了碳纳米管(CNTs)对接成异质结器件的计算模拟.首先, 提出了一种模拟CNTs端帽位置变化的新算法, 并计算模拟了单根CNT的端帽从开口到闭合的过程. Stone-Wales缺陷演变被设计模拟这些端帽变化的跃变过程, 以模拟C–C键的生成与断裂, 而分子动力学则作为跃变后构型弛豫的渐变模拟. 同时, 研究了不同管型CNTs的端帽打开并对接形成异质结的过程.研究结果显示, 对接初期在对接处先产生大量的缺陷, 以促进反应的发生. 这些缺陷趋向于演变成稳定的六元环结构, 或者五元环/七元环的结构, 使异质结趋于稳定.
聚乙烯/银纳米颗粒复合物的分子动力学模拟研究
李琳, 王暄, 孙伟峰, 雷清泉
2013, 62 (10): 106201. doi: 10.7498/aps.62.106201
摘要 +
通过分子动力学模拟对聚乙烯/银纳米颗粒复合物的结构、极化率和红外光谱、热力学性质、力学特性进行计算, 分析其随模拟温度和银颗粒尺寸的变化规律. 模拟结果表明: 聚乙烯/银纳米颗粒复合物为各向同性的无定形结构, 温度升高可提高银纳米颗粒的分散均匀性; 银纳米颗粒表面多个原子层呈现无定形状态, 并在银颗粒和聚乙烯基体的界面形成电极化层, 界面区域随颗粒尺寸和温度的增加分别减小和增加; 与聚乙烯体系相比, 聚乙烯/银纳米颗粒复合物的极化率高很多, 且随温度的升高和银颗粒尺寸的减小而增大; 银颗粒尺寸直接影响界面电偶极矩的强度和振动频率, 红外光谱峰强度和峰位随颗粒尺寸发生变化; 聚乙烯/银纳米颗粒复合物具有比聚乙烯体系更高的等容热容和与聚乙烯体系相反的负值热压力系数, 热容随颗粒尺寸的变化较小, 但随温度的升高而明显减小, 具有显著的温度效应; 热压力系数随温度的变化较小, 但随颗粒尺寸的增加而减小, 具有明显的尺度效应, 温度稳定性更好; 聚乙烯/银纳米颗粒复合物的力学特性表现出各向同性材料的弹性常数张量, 具有比聚乙烯体系更高的杨氏模量和泊松比, 并且都随温度的升高和银颗粒尺寸的增大而减小, 加入银纳米颗粒可有效改善聚乙烯的力学性质.
横向限制下凝固微观组织演化的相场法模拟
杜立飞, 张蓉, 邢辉, 张利民, 张洋, 刘林
2013, 62 (10): 106401. doi: 10.7498/aps.62.106401
摘要 +
凝固过程中横向限制挡板的存在对晶体微观结构的演化存在重要的影响, 不同性质的横向挡板将产生不同的限制效应, 对最终凝固微观组织形成起着决定性作用. 本文利用非等温相场模型, 定性地模拟了纯金属Ni凝固过程中横向限制的存在对其枝晶微观形貌演化的影响, 研究了不同尺寸及性质的横向挡板对枝晶微观结构形成的影响, 讨论了横向限制对不同初始枝晶间距枝晶形貌发展的作用. 计算结果表明, 横向限制挡板的存在将直接影响凝固过程中微观组织的形貌演化过程并最终改变微观结构. 随着横向挡板间距的减小, 微观组织变化更加明显; 挡板初始温度越低, 枝晶形貌改变越明显; 初始枝晶间距越大, 形貌变化越明显; 不同挡板高度对微观结构具有基本相同的影响.
界面润湿性及固相体积分数对颗粒粗化动力学影响的相场法研究
王陶, 李俊杰, 王锦程
2013, 62 (10): 106402. doi: 10.7498/aps.62.106402
摘要 +
利用多相场模型模拟了液-固两相体系中固相颗粒的粗化过程, 分析了界面润湿性及固相体积分数对粗化指数、粗化速率及颗粒尺寸分布的影响.结果表明, 不同固相体积分数下粗化指数基本不变, 但粗化速率常数及尺寸分布与固相体积分数及界面润湿性密切相关.在完全润湿条件下, 随着固相体积分数的增加, 粗化速率常数逐渐增大; 而非完全润湿条件下, 随着固相体积分数的增加, 粗化速率常数增大速度变缓, 且当润湿性较低、 固相分数较大时, 粗化速率常数还将随体积分数的增加而下降. 此外, 模拟结果表明各种润湿条件下颗粒的尺寸分布均随着固相分数增加而变宽, 分布峰值降低, 但非完全润湿条件下峰值下降变缓.模拟结果为理解不同实验观测结果之间的分歧提供了依据.
纳米级随机粗糙表面微观滑动摩擦力的计算研究
王亚珍, 黄平
2013, 62 (10): 106801. doi: 10.7498/aps.62.106801
摘要 +
表面形貌很大程度上决定了摩擦副的摩擦性能, 而所有的表面都不可能是绝对光滑的.由于摩擦表面形貌的随机性, 决定了实际的摩擦过程具有随机性的特点, 因此为了获得与随机形貌对应的摩擦特性, 建立合理的随机摩擦模型是必要的. 本文基于Lennard-Jones势能建立了纳米级随机粗糙表面和原子级光滑的刚性平面间的随机摩擦模型; 模型中, 界面势能由法向载荷和界面间平衡距离决定.通过数值计算的方法, 推导了微观滑动摩擦力的计算公式和摩擦力与法向载荷之间的关系. 研究结果表明摩擦力随着法向载荷的增加而增加, 但不是线性增长. 结果也说明界面间的表面势能可能是微观摩擦力的本质起源.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
β-碳化硅/碳纳米管核壳结构的第一性原理研究
邹小翠, 吴木生, 刘刚, 欧阳楚英, 徐波
2013, 62 (10): 107101. doi: 10.7498/aps.62.107101
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了β-碳化硅/(15, 0) 碳纳米管和β-碳化硅/(16, 0)碳纳米管核壳结构的电子结构特性. 结果表明, 两种核壳异质结构都呈现出金属性, 它们的金属性主要是由碳纳米管和碳化硅纳米线表面的原子所贡献的. 碳化硅纳米线表面呈现的金属性由其结构本身决定, 而对于金属性的 (15, 0) 和半导体性的 (16, 0) 碳纳米管在填充碳化硅纳米线之后都表现出金属性, 主要是由于碳纳米管和碳化硅纳米线之间的电荷转移导致的, 而并不是由于碳纳米管形变造成的.
扩环荧光碱基类似物x-腺嘌呤分子基态和激发态性质的理论研究
张来斌, 任廷琦
2013, 62 (10): 107102. doi: 10.7498/aps.62.107102
摘要 +
近年来, 设计合成荧光碱基类似物成为科学家研究的一个热点. 利用含时密度泛函理论考察了腺嘌呤类似物x-腺嘌呤的电子激发态性质, 计算了其电子吸收光谱和荧光光谱, 并对其若干低能电子激发态进行了详细解析归属. 同时考察了甲醇溶剂、糖环和与胸腺嘧啶配对对其光谱性质的影响. 研究表明, 在低能区域, x-腺嘌呤的吸收光谱与天然腺嘌呤相比发生了很大红移, 使其可以被选择性地激发. 计算得到的吸收光谱和荧光光谱与实验值符合很好. 溶剂化和糖环对x-腺嘌呤的电子吸收光谱具有增色效应, 同时发现溶剂化和糖环均使其荧光发生红移, 而碱基配对对其最低激发态ππ* 和荧光发射无显著影响, 但使其最低nπ* 态发生显著蓝移.
温度对超薄铜膜疲劳性能影响的分子动力学模拟
郭巧能, 曹义刚, 孙强, 刘忠侠, 贾瑜, 霍裕平
2013, 62 (10): 107103. doi: 10.7498/aps.62.107103
摘要 +
用嵌入原子势的分子动力学方法模拟了温度对超薄铜膜疲劳性能的影响. 通过模拟, 首先给出了超薄铜膜的总能及应力随循环周次的变化曲线; 根据叠加经验式得出的叠加量随循环周次变化曲线, 判断出各种恒定温度下超薄铜膜的疲劳寿命. 由 200–400 K温度范围内超薄铜膜的疲劳寿命-温度变化曲线, 可以发现存在两个温度区域: 在约370 K以下, 超薄铜膜的疲劳寿命随温度升高缓慢增加, 而在约370 K以上增加较快. 建立了模型并用位错演化机制解释了超薄铜膜疲劳寿命的温度依赖关系.
外加直流电场作用下高阶弱非线性复合介质的电势分布
赵庆凯, 陈小刚, 崔继峰
2013, 62 (10): 107201. doi: 10.7498/aps.62.107201
摘要 +
利用同伦分析方法, 研究了一类由柱形杂质随机嵌入基质所形成的、电场和电流密度满足J = σ E + χ |E|2E + η|E|4E 形式本构关系的高阶弱非线性复合介质在外加直流电场作用下的电势分布问题. 首先利用模函数展开法, 将本构方程及边界条件化成了一系列非线性常微分方程的边值问题; 再利用同伦分析方法进行求解, 给出了电势在基质和杂质区域的渐近解析解.
链间耦合对极化子非弹性散射性质的影响
邸冰, 王亚东, 张亚琳
2013, 62 (10): 107202. doi: 10.7498/aps.62.107202
摘要 +
基于一维紧束缚的Su-Schreiffer-Heeger模型, 采用非绝热动力学方法, 研究了链间耦合对聚合物中极化子对非弹性散射性质的影响: 激子的产生依赖于链间耦合, 随着耦合强度的增加, 正负极化子对的电子波函数交叠增强, 利于提高激子的产率; 当耦合区域是极化子的宽度时, 正负极化子对波函数的耦合最充分、耦合最强, 电荷跃迁更容易, 激子产率最大.

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双量子阱中光子辅助电子自旋隧穿
李春雷, 徐燕, 张燕翔, 叶宝生
2013, 62 (10): 107301. doi: 10.7498/aps.62.107301
摘要 +
采用单电子有效质量近似理论, Floquet理论和传递矩阵方法, 对包含时间周期场的双量子阱中单电子的自旋隧穿特性进行了研究, 对InP/InAs半导体材料进行了数值计算. 重点研究了Rashba型和Dresselhaus型自旋轨道耦合、量子阱结构以及偏压对电子隧穿的影响. 这些结果可以为设计和调控半导体自旋电子器件提供一定的理论依据.
Au-Si-Au结点电子输运性质的第一性原理计算
柳福提, 程艳, 羊富彬, 程晓洪, 陈向荣
2013, 62 (10): 107401. doi: 10.7498/aps.62.107401
摘要 +
采用密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的方法对Au(100)-Si-Au(100) 系统左侧对顶位、右侧对空位的纳米结点的电子输运性质进行了理论模拟计算, 结果得到纳米结点的电导随电极距离(dz)增大而减小. 在dz =9.72 Å时, 结点的结合能最低, 结构最稳定, 此时电导为1.227G0 (G0=2e2/h), 其电子输运通道主要是Si原子的px, py和 pz轨道电子形成的最高占居轨道共振峰; 在外偏压下, 电流-电压曲线表现出线性特征; 随着外加正负电压的增大, 电导略有减小, 且表现出不对称性的变化.
高压下ErNi2B2C弹性性质、电子结构和热力学性质的第一性原理研究
颜小珍, 邝小渝, 毛爱杰, 匡芳光, 王振华, 盛晓伟
2013, 62 (10): 107402. doi: 10.7498/aps.62.107402
摘要 +
采用密度泛函理论中的赝势平面波方法研究了高压下超导材料 ErNi2B2C 的弹性性质、电子结构和热力学性质.分析表明, 弹性常数、体弹模量、剪切模量、杨氏模量和弹性各向异性因子的外压力效应明显. 电子态密度(DOS)的计算结果显示, 在费米能级(EF)处的 DOS 峰随外界压强的增大显著降低, 由于 ErNi2B2C 相对较高的超导温度(Tc)起因于EF处的 DOS 峰, 因此推测压强增大可能会降低 ErNi2B2C 的 Tc.类似的现象在超导材料 MgB2和 SrAlSi 中已被发现.此外, 基于准谐德拜模型, 对 ErNi2B2C 在高温高压下的热力学性质的研究表明, 在一定范围内, 温度和压强将对其热膨胀系数和热容产生明显的影响.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
磁控溅射沉积铝/贫铀与金/贫铀镀层的界面研究
易泰民, 邢丕峰, 郑凤成, 梅鲁生, 杨蒙生, 赵利平, 李朝阳, 谢军, 杜凯, 马坤全
2013, 62 (10): 108101. doi: 10.7498/aps.62.108101
摘要 +
采用磁控溅射技术沉积制铝/贫铀/铝(Al/DU/Al)、金/贫铀/金(Au/DU/Au) "三明治" 薄膜样品. 利用高分辨扫描电镜、 X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、 扫描俄歇微探针对Al/DU/Al, Au/DU/Au样品的Al/DU, Au/DU界面行为进行表征与研究. 结果表明: 沉积态DU层以柱状晶生长; Al/DU界面扩散明显, 物理扩散过程中伴随着Al, DU化学反应形成Al2U, Al3U金属化合物; 金属化合物的形成导致界面处Al 2p电子结合能向高能端移动, U 4f电子向低能端移动; 微量O在Al/DU界面处以Al2O3及铀氧化物形式存在; DU镀层中以铀氧化形式存在; 沉积态的Au/DU界面扩散为简单的物理扩散, 团簇效应导致Au/DU界面处Al 2p, U 4f电子结合能均向高能端移动; 在Au/DU界面及DU镀层中, 微量O以铀氧化物形式存在; Al/DU界面扩散强于Au/DU; 相同厚度的Al, Au保护镀层, Al镀层保护效果优于Au镀层.
Cu/C核/壳纳米结构的气相合成、形成机理及其光学性能研究
黄小林, 侯丽珍, 喻博闻, 陈国良, 王世良, 马亮, 刘新利, 贺跃辉
2013, 62 (10): 108102. doi: 10.7498/aps.62.108102
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采用乙酰丙酮铜为原料, 通过化学气相沉积大批量制备出Cu/C核/壳纳米颗粒和纳米线. 研究结果表明, 通过控制沉积温度可对Cu/C核/壳纳米材料的形貌和结构进行很好的控制. 比如, 沉积温度为400 ℃时可获得直径约200 nm的Cu/C核/壳纳米线, 沉积温度为450 ℃ 时可获得直径约200 nm的Cu/C核/壳纳米颗粒和纳米棒的混合产物, 沉积温度为600 ℃时可获得直径约22 nm的Cu/C核/壳纳米颗粒. 获得的Cu/C核/壳纳米结构是由一个新颖的凝聚机理形成的, 而这种机理不同于著名的溶解-析出机理. 紫外-可见光谱和荧光光谱分析结果表明: Cu/C核/壳纳米线和纳米颗粒均在225 nm处出现Cu的吸收峰, 同时在620 和616 nm处分别出现了纳米线和纳米颗粒的表面等离子共振吸收峰. Cu/C核/壳纳米线在312 和348 nm处、 Cu/C核/壳纳米颗粒在304 和345 nm处出现荧光发射谱峰.
晶体取向对定向凝固枝晶生长的影响
王贤斌, 林鑫, 王理林, 白贝贝, 王猛, 黄卫东
2013, 62 (10): 108103. doi: 10.7498/aps.62.108103
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采用类金属透明模型合金丁二腈-1.0 wt%乙醇(SCN-1.0 wt% Eth)合金, 考察了晶体取向对定向凝固过程中晶粒的平界面失稳孕育时间、枝晶形态演化以及枝晶一次间距的影响. 结果表明, 随着枝晶择优生长方向与温度梯度方向夹角的增大, 晶粒的平界面失稳孕育时间增加, 界面的稳定性增强; 对于不同晶体取向的枝晶形态演化, 枝晶择优生长方向与温度梯度方向夹角越大, 枝晶二次臂不对称生长越严重, 同时, 具有生长优势的枝晶二次臂对相邻枝晶的生长的抑制越强烈; 至于不同晶体取向的枝晶一次间距, 随着枝晶择优生长方向与温度梯度方向夹角的增大, 枝晶一次间距增大.
直接相关函数对双模晶体相场模型相图的影响
郭灿, 王志军, 王锦程, 郭耀麟, 唐赛
2013, 62 (10): 108104. doi: 10.7498/aps.62.108104
摘要 +
研究了直接相关函数峰宽及 k=0处峰对双模晶体相场模型相图的影响. 结果表明, 随着峰宽的增加, 有序相的相区范围不断增大. 而增大峰宽比可使体心立方(bcc)相区范围缩小, 面心立方(fcc)相区范围大幅增加.直接相关函数 k=0峰的引入则使相图被压缩, 两相共存区变窄, 液相稳定区域增加.
基于三维元胞模型的刻蚀工艺表面演化方法
郑树琳, 宋亦旭, 孙晓民
2013, 62 (10): 108201. doi: 10.7498/aps.62.108201
摘要 +
为了更好地理解和认识刻蚀机理, 并为制造工艺提供优化指导, 采用三维元胞模型研究了刻蚀工艺的表面演化过程, 并着重探讨了离子对表面演化过程的影响.针对刻蚀离子入射角度的求解问题, 提出了一种降维分量拟合方法, 将一个三维曲面拟合问题转化为两个二维曲线拟合进行求解, 对入射点的表面法向量计算实现了快速求解, 与采用最小二乘多项式曲面拟合求解离子入射角度相比, 其计算精度和效率都有较大的提高; 对用于拟合计算的表面元胞的选取方法进行了改进, 提高了拟合的准确度.将这种方法应用到硅刻蚀工艺三维仿真中, 其模拟结果与相关实验结果对比, 验证了该方法对刻蚀工艺描述的有效性.
单Halo全耗尽应变Si 绝缘硅金属氧化物半导体场效应管的阈值电压解析模型
辛艳辉, 刘红侠, 范小娇, 卓青青
2013, 62 (10): 108501. doi: 10.7498/aps.62.108501
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为了改善金属氧化物半导体场效应管(MOSFET) 的短沟道效应(SCE)、 漏致势垒降低(DIBL) 效应, 提高电流的驱动能力, 提出了单Halo 全耗尽应变硅绝缘体 (SOI) MOSFET 结构, 该结构结合了应变Si, 峰值掺杂Halo结构, SOI 三者的优点. 通过求解二维泊松方程, 建立了全耗尽器件表面势和阈值电压的解析模型. 模型中分析了弛豫层中的Ge组分对表面势、表面场强和阈值电压的影响, 不同漏电压对表面势的影响, Halo 掺杂对阈值电压和DIBL的影响.结果表明, 该新结构能够抑制SCE和DIBL效应, 提高载流子的输运效率.
环栅肖特基势垒金属氧化物半导体场效应管漏致势垒降低效应研究
许立军, 张鹤鸣
2013, 62 (10): 108502. doi: 10.7498/aps.62.108502
摘要 +
结合环栅肖特基势垒金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)结构, 通过求解圆柱坐标系下的二维泊松方程得到了表面势分布, 并据此建立了适用于低漏电压下的环栅肖特基势垒NMOSFET阈值电压模型.根据计算结果, 分析了漏电压、沟道半径和沟道长度对阈值电压和漏致势垒降低的影响, 对环栅肖特基势垒MOSFET器件以及电路设计具有一定的参考价值.
低温透明非晶IGZO薄膜晶体管的光照稳定性
李喜峰, 信恩龙, 石继锋, 陈龙龙, 李春亚, 张建华
2013, 62 (10): 108503. doi: 10.7498/aps.62.108503
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采用室温射频磁控溅射非晶铟镓锌氧化合物(a-IGZO), 在相对低的温度(-2·V-1·s-1, 开关比大于107, 亚阈值摆幅 SS为0.4 V/dec, 阈值电压为3.6 V. 栅电压正向和负向扫描未发现电滞现象. 白光发光二极管光照对器件的输出特性基本没有影响, 表明制备的器件可用于透明显示器件. 研究了器件的光照稳定性, 光照10000 s后器件阈值电压负向偏移约0.8 V, 这种漂移是由于界面电荷束缚所致.
白光发光二级管用红色荧光粉LiSrBO3: Eu3+的制备与发光性能研究
刘红利, 郝玉英, 许并社
2013, 62 (10): 108504. doi: 10.7498/aps.62.108504
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采用高温固相法制备了LiSrBO3:xEu3+ 荧光粉, 并通过XRD, 红外(FITR) 和荧光光谱(PL) 等对其表征. 结果表明, LiSrBO3: Eu3+ 荧光粉可被波长为395 nm 的紫外线和466 nm 的蓝光有效激发, 且发射主波长为612 nm (Eu3+的电偶极跃迁5D0 →7F2) 的红光. 研究了Eu3+ 掺杂浓度对LiSrBO3: Eu3+ 材料发光强度的影响, Eu3+ 掺杂浓度为6% 时样品的发射强度最大, 并且证实Eu3+ 之间的能量传递机制为电偶极子- 电偶极子相互作用. Li+, Na+, K+ 作为电荷补偿剂的引入全部导致LiSrBO3: Eu3+ 材料发射强度增强, 其中, Li+ 的引入要优于Na+ 和K+. 少量Al3+的掺杂降低了Eu3+ 所处格位的对称性, 增强了Eu3+ 的612 nm 的电偶极发射, 改善了LiSrBO3: Eu3+ 红色材料的色纯度.
一种新方法制备硅/聚(3, 4-乙撑二氧噻吩)核/壳纳米线阵列杂化太阳能电池
李小娟, 韦尚江, 吕文辉, 吴丹, 李亚军, 周文政
2013, 62 (10): 108801. doi: 10.7498/aps.62.108801
摘要 +
采用气相聚合法制备了有机/无机杂化的硅/聚3, 4-乙撑二氧噻吩核/壳纳米线阵列(SiNWs/PEDOT)太阳能电池. 相对平面结构Si/PEDOT太阳能电池, SiNWs/PEDOT太阳能电池的能量转换效率提升了7倍, 达到3.23%.对比分析反射光谱、I-V曲线及外量子效率的实验结果, 发现SiNWs/PEDOT太阳能电池性能改进的主要原因可归结为: 气相聚合法能够有效地制备出SiNWs/PEDOT电池的核/壳纳米线阵列结构, 使得器件具有高光捕获、高比结面积和高电荷收集效率.
考虑横向分离与超车期望的车辆跟驰模型
何兆成, 孙文博
2013, 62 (10): 108901. doi: 10.7498/aps.62.108901
摘要 +
为了更加客观地描述实际的车辆跟驰行为, 在优化速度模型的基础上, 通过引入横向分离参数并提出超车期望和虚拟前车的概念, 建立了考虑横向分离与超车期望的车辆跟驰模型.对模型进行线性稳定性分析, 得到了模型稳定性条件, 发现车辆横向分离、超车期望和虚拟前车的位置的增加, 在车流密度较小、车速较快的情况下, 使得交通流稳定区域增大, 但在车流密度较大、车速较慢的情况下, 反而使得交通流稳定区域减小.数值模拟结果验证了模型稳定性分析的结果, 表明在交通瓶颈处等交通流密度较大、运行缓慢的区域, 为抑制交通拥堵, 应该限制车辆的横向偏移和超车行为的发生.
复杂网络中最小K-核节点的传播能力分析
任卓明, 刘建国, 邵凤, 胡兆龙, 郭强
2013, 62 (10): 108902. doi: 10.7498/aps.62.108902
摘要 +
K-核分解方法对于识别复杂网络传播动力学中最重要节点具有重要的价值, 然而该方法无法对复杂网络中大量最小K-核节点的传播能力进行准确度量. 本文主要考察最小K-核节点的传播行为, 利用其邻居的K-核信息, 提出一种度量这类节点传播能力的方法. 实证网络数据集的传播行为仿真结果表明, 该方法与度、介数等指标相比更能准确度量最小K-核节点的传播能力.
权重分布对加权局域世界网络动力学同步的影响
戴存礼, 吴威, 赵艳艳, 姚雪霞, 赵志刚
2013, 62 (10): 108903. doi: 10.7498/aps.62.108903
摘要 +
加权网络可以更细致地刻画复杂系统中两节点之间的相互作用, 所以加权网络也比无权网络更接近真实的复杂系统. 改变权重分布来调节和改善复杂网络的性质也成为一种新的研究方法. 基于现有无权网络同步的概念, 应用特征值比R来衡量加权局域世界网络的同步能力, 发现权重分布对加权局域世界网络的同步能力有很重要的影响, 权重分布越均匀, 网络的同步能力就越大.
地球物理学、天文学和天体物理学
依据光谱研究闪电放电通道的半径及能量传输特性
王雪娟, 袁萍, 岑建勇, 张廷龙, 薛思敏, 赵金翠, 许鹤
2013, 62 (10): 109201. doi: 10.7498/aps.62.109201
摘要 +
利用无狭缝摄谱仪获得的云对地闪电回击过程的光谱, 结合同步辐射电场变化资料, 计算了闪电放电通道的温度、线电荷密度、通道的初始半径和扩张后的半径以及回击通道单位长度储存的能量. 结果与文献报道的其他方法得到的结果符合很好. 这些物理量的相关性分析表明: 电弧通道的初始半径主要取决于回击电流的持续时间; 通道温度越高, 半径越大; 通道初始半径、单位长度储存的能量与光谱总强度正相关, 通道单位长度储存的能量与初始半径的平方成正比.
基于奇异值分解对中国夏季降水模式误差订正的研究
苏海晶, 王启光, 杨杰, 钱忠华
2013, 62 (10): 109202. doi: 10.7498/aps.62.109202
摘要 +
利用奇异值分解(SVD)方法对国家气候中心气候业务模式CGCM的预报结果进行订正, 进而得到改进后的预报结果. 通过对1983–2011年中国夏季降水的模式预报和实际降水值各年份之间的耦合场进行SVD分解, 选取模式预报和实况降水相关性最好的前3–7个模态, 对这5种不同模态个数的订正结果加以对比, 选出对中国区域订正效果最好的模态个数, 得到模式预报的订正结果. 对2004–2009年6年进行交叉回报试验, 以距平相关系数和均方根误差作为评判标准来检验回报结果, 得出2004–2009大部分年份取前5个模态作为当年订正的模态个数时,订正效果最好. 利用已有的2004–2009年的模式和实际降水资料进行检验, 证实在大部分年份5个模态订正效果最好, 并将结果与系统误差订正法的结果相比较, 表明SVD法对2004–2009年 6年的订正结果中, 有4年比系统误差法的订正效果好. 以2010年作为预测年, 以1983–2009年27年交叉回报检验的结果确定模态个数, 对预测结果加以分析, 显示该方法具有潜在的业务应用价值.
集合经验模态分解在区域降水变化多尺度分析及气候变化响应研究中的应用
薛春芳, 侯威, 赵俊虎, 王式功
2013, 62 (10): 109203. doi: 10.7498/aps.62.109203
摘要 +
集合经验模态分解(EEMD)是一种适用于非线性、非平稳序列的信号分析方法, 将EEMD 应用于气候要素时间序列, 可提取可靠真实的气候变化信号, 同时, EEMD可以得到气候变化的固有时间尺度.本文使用EEMD方法, 从气候时间序列中提取气候信号中各个尺度的变化, 对渭河流域过去50年来的秋季降水进行多尺度分析,结果显示, 对于20世纪70年代末80年代初的全球气候突变, 渭河流域的秋季降水也有很好的响应, 而且大尺度上的响应要早于中小尺度, 其中在大尺度上主要表现为波动形式, 即降水距平正负位相持续期的变化, 从持续正位相到正负位相周期性交替出现; 而在中小尺度上主要是振幅大小, 即降水距平正负位相量级的变化, 量级从相对较大变为相对较小再逐渐增大.
基于振动拉曼散射的差分水Ring效应系数卷积计算模型
韩冬, 陈良富, 李莘莘, 陶金花, 苏林, 邹铭敏, 范萌
2013, 62 (10): 109301. doi: 10.7498/aps.62.109301
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利用被动差分吸收光谱算法反演水体上方尤其是海洋上方的大气痕量气体浓度时, 水体的振动拉曼散射导致对太阳光谱中夫琅禾费线的填充.若不考虑这种类似大气Ring效应的水Ring效应, 会直接影响反演精度. 参考OMI传感器对大气Ring效应校正的卷积算法, 针对痕量气体OClO的反演, 利用经过大气消光计算后的太阳 360–400 nm入射光谱和对应波段的水体后向振动拉曼散射系数,通过卷积差分计算,得到了差分水 Ring效应系数. 与Vasilkov模型计算得到的结果比较,二者的相关系数R 达到0.9665.
高稳定度X射线脉冲星信号模拟
孙海峰, 谢楷, 李小平, 方海燕, 刘秀平, 傅灵忠, 孙海建, 薛梦凡
2013, 62 (10): 109701. doi: 10.7498/aps.62.109701
摘要 +
X射线脉冲星导航是一种完全自主的导航方式, 在深空乃至行星际空间具有潜在的工程应用价值.由于空间飞行试验系统复杂, 成本巨大, 在实验室环境下高精度地模拟X射线脉冲星信号对数据处理方法和导航方案的验证具有重要意义. 针对当前机械转盘式模拟系统中时间稳定度和轮廓精度的不足, 提出了一种通过产生的轮廓电压信号直接控制可见光光源, 再利用衰减获得光子流, 最后经单光子探测和处理电路输出光子到达时间序列的模拟新方法.该方法实现成本低, 支持任意X射线脉冲星信号的模拟, 且具有高时间稳定度和轮廓精度. 详细地讨论了该方法的原理和涉及的关键技术, 搭建了X射线脉冲星信号模拟系统, 并进行了实验. 实验结果表明: 该系统大幅提高了X射线脉冲星信号的模拟效果, 将模拟脉冲星自转周期的稳定度从现有的10-4提高到10-9; 当探测器面积为1 m2, 探测能谱范围为2–10 keV, 积分时间为1200 s时, 模拟的PSR B1509-58 观测脉冲轮廓与标准脉冲轮廓的相关系数达到了0.993.