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Vol. 62, No. 2 (2013)

2013年01月20日
总论 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 前沿领域综述
前沿领域综述
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
扰动扩散方程初值问题的近似对称约化
李吉娜, 朱晓宁, 程利芳
2013, 62 (2): 020201. doi: 10.7498/aps.62.020201
摘要 +
本文利用近似广义条件对称方法研究一类带有源项的非线性扩散方程的初值问题. 给出所研究方程的分类并将偏微分方程的初值问题约化为常微分方程的初值问题, 通过求解约化后的常微分方程组可得相对应偏微分方程初值问题的近似解.
神经群模型中癫痫状棘波的闭环控制性能研究
刘仙, 马百旺, 刘会军
2013, 62 (2): 020202. doi: 10.7498/aps.62.020202
摘要 +
神经群模型可模拟产生癫痫发作间歇期、发作前期和发作期的脑电信号. 本文基于代数估计法,给出一种新型的闭环反馈控制策略以消除神经群模型中的癫痫状棘波. 代数估计法用以观测模型中的状态以进一步构造控制器.在多个神经群耦合的模型中, 通过数值仿真研究了与所给的闭环反馈控制策略相关的一些特性,包括受控神经群的类型 与消除棘波的能力之间的关系、受控神经群的数目与控制能量之间的关系、模型的参量和控制能量之间的关系,以期建立合适的控制规则实现利用尽可能小的控制能量消除癫痫状棘波. 此外,通过数值仿真对基于代数估计法的闭环反馈控制策略和直接比例反馈控制策略进行比较, 结果表明,利用代数估计法进行滤波能减少消除癫痫状棘波所需的控制能量.
基于有向网络的Email病毒传播模型及其震荡吸引子研究
邓奇湘, 贾贞, 谢梦舒, 陈彦飞
2013, 62 (2): 020203. doi: 10.7498/aps.62.020203
摘要 +
基于有向Email网络和Email病毒传播特点,运用平均场方法建立Email病毒传播的时滞微分方程模型, 研究Email病毒在有向网络中的震荡传播行为.理论上给出了震荡解的全局吸引子存在的充要条件, 数值实验验证了吸引子的存在性和控制.研究表明,子图之间的传播概率决定吸引子的存在性, 而有效传播率影响吸引子的振幅,因此这两个参数对于有效预测和控制Email病毒在网络上的传播规模具有重要意义.
基于多属性决策的复杂网络节点重要性综合评价方法
于会, 刘尊, 李勇军
2013, 62 (2): 020204. doi: 10.7498/aps.62.020204
摘要 +
复杂网络中的节点重要性评价在实际应用中有着重要意义.现有的一些重要性评价指标如度、 介数等存在适用范围有限,评价结果不够全面等缺点,因为节点在复杂网络中的重要性 不仅仅受单一因素的影响.为此,本文提出了一种基于多属性决策的复杂网络节点重要性综合评价方法. 该方法将复杂网络中的每一个节点看作一个方案,其多个重要性评价指标作为该方案的属性, 通过计算每个方案到理想方案的接近程度,最终得到该节点的重要性综合评价结果. 该方法不仅可以用于不同类型复杂网络的节点重要性评价,而且便于扩展, 实验结果表明了该方法的有效性.
二维泊松方程的遗传PSOR改进算法
彭武, 何怡刚, 方葛丰, 樊晓腾
2013, 62 (2): 020301. doi: 10.7498/aps.62.020301
摘要 +
针对二维泊松方程在实际应用过程中几种常用方法存在计算量大、易发散、局部收敛等不足, 提出了一种改进算法.该算法基于并行超松弛迭代法,采用遗传算法对松弛因子进行全局寻优, 解决了超松弛迭代法求解泊松方程时最佳松弛因子难以确定的问题. 构建了多目标适应度函数,优化了遗传算子参数,分析了算法的计算量、计算时间与误差精度, 与传统方法进行了对比研究.结果表明:松弛因子对泊松方程求解的速度与精度影响显著; 改进算法能减少迭代次数,节省计算时间,加快方程的求解;算法适合于求解计算量较大、 精度要求较高的时域有限差分方程,而且精度要求越高,算法的性能越好,节省的时间也越多.
含关联噪声的空间分数阶随机生长方程的动力学标度行为研究
马靖杰, 夏辉, 唐刚
2013, 62 (2): 020501. doi: 10.7498/aps.62.020501
摘要 +
为探讨含关联噪声的空间分数阶随机生长方程的动力学标度行为, 本文利用Riesz分数阶导数和Grmwald-Letnikov分数阶导数定义方法研究了关联噪声驱动下 的空间分数阶Edwards-Wilkinson (SFEW)方程在1+1维情况下的数值解, 得到了不同噪声关联因子和分数阶数时的生长指数、粗糙度指数、动力学指数等, 所求出的临界指数均与标度分析方法的结果相符合. 研究表明噪声关联因子和分数阶数均影响到SFEW方程的动力学标度行为,且表现为连续变化的普适类.
一种分数阶非线性系统稳定性判定定理的问题及分析
李丽香, 彭海朋, 罗群, 杨义先, 刘喆
2013, 62 (2): 020502. doi: 10.7498/aps.62.020502
摘要 +
分数阶非线性系统稳定性理论的研究对于分数阶混沌系统同步控制的应用具有重要价值, 将分数阶非线性系统稳定性判断转化为相应整数阶非线性系统稳定性判断的探讨很有意义. 通过实例表明了:对于时变系数矩阵,如果整数阶系统稳定,其对应的阶次小于1的分数阶系统也稳定的判定定理是错误的, 并分析了问题产生的原因.
平面单位区域内二次曲线混沌特性研究
于万波, 杨灵芝
2013, 62 (2): 020503. doi: 10.7498/aps.62.020503
摘要 +
研究平面单位区域内的二次函数的混沌特性, 发现标准二次映射是Li-Yorke混沌的, 也是Devaney混沌的; 在满足一定条件下, 还存在大量的二次函数是混沌的. 一些二次函数可以使用平移与缩放等变换化为标准二次函数,其混沌特性不变; 同时, 对单位区域上的非标准二次函数进行了初步的研究. 通过计算Lyapunov指数以及绘制分岔图等对二次曲线的混沌特性进一步分析, 其中参数变化的分岔图以及混沌曲线控制点的区域分布图等有一定的研究价值. 另外研究表明, 使用多个二次曲线交叉迭代能够产生较好的混沌序列, 该混沌序列可以应用于图像加密等一些实际应用领域.
一个跃变电路切换系统的振荡行为及分岔机理分析
高超, 毕勤胜, 张正娣
2013, 62 (2): 020504. doi: 10.7498/aps.62.020504
摘要 +
本文研究两个非线性电路系统通过开关组成的时间切换系统的复杂振荡行为及其产生机理. 利用开环运算放大器放大倍数为极大值的特性,即运算放大器总是处于正的或负的饱和状态, 当输入电压从负过零变正时,输出电压从正饱和状态跃变为负饱和状态,本文选择子电路系统中的非线性部分为跃变函数. 首先对两个子系统进行了稳定性分析,给出了不同参数条件下的振荡行为,然后在子系统单个参数在一定范围内变化, 而其他参数保持不变的情况下,研究了切换系统的复杂振荡特征,并分析了其产生机理. 由于子系统方程的非光滑性和切换带来的整个系统的非光滑性,使得整个系统的周期振荡轨迹有四个切换点, 随着参数的变化,周期振荡轨线与非光滑分界面发生擦边分岔,导致周期振荡分裂成两个对称的周期振荡. 并且研究了切换点位置改变对整个系统周期振荡行为的影响以及切换点处的分岔机理.
一阶线性系统的调参随机共振研究
田祥友, 冷永刚, 范胜波
2013, 62 (2): 020505. doi: 10.7498/aps.62.020505
摘要 +
分析了一阶线性系统在正弦和白噪声信号作用下的输出功率谱和信噪比. 研究表明,加性噪声作用下的线性系统不存在传统意义上的随机共振, 但却存在输出信噪比随系统参数非单调变化的调参广义随机共振现象.针对任意频率信号, 分析了不同采样频率下的调参共振谱特性,得出适当增大采样频率有利于特征信号识别的结论.
级联混沌及其动力学特性研究
王光义, 袁方
2013, 62 (2): 020506. doi: 10.7498/aps.62.020506
摘要 +
初值敏感性是混沌的本质,混沌的随机性来源于其对初始条件的高度敏感性, 而Lyapunov指数又是这种初值敏感性的一种度量.本文的研究发现, 混沌系统的级联可明显提高级联混沌的Lyapunov指数,改善其动力学特性. 因此,本文研究了混沌系统的级联和级联混沌对动力学特性的影响, 提出了混沌系统级联的定义及条件,从理论上证明了级联混沌的Lyapunov指数为 各个级联子系统Lyapunov指数之和;适当的级联可增加系统参数、扩展混沌映射和满映射的参数区间, 由此可提高混沌映射的初值敏感性和混沌伪随机序列的安全性. 以Logistic映射、Cubic映射和Tent映射为例,研究了Logistic-Logistic级联、 Logistic-Cubic级联和Logistic-Tent级联的动力学特性,验证了级联混沌动力学性能的改善. 级联混沌可作为伪随机数发生器的随机信号源,用以产生初值敏感性更高、安全性更好的伪随机序列.
设计和实现三维空间任意庞加莱截平面电路
陈红, 吴玲
2013, 62 (2): 020507. doi: 10.7498/aps.62.020507
摘要 +
庞加莱截面法是简化分析复杂动力系统运动状态的有效方法. 为实现在线方便观测复杂系统的状态, 本文设计并实现了三维任意庞加莱截平面电子电路. 文章首先详细分析和研究了设计三维任意庞加莱截平面电路的关键性问题, 然后分类设计和实现了物理电路. 由于蔡氏电路具有丰富的动力学行为, 因此以典型的蔡氏电路作为实验待测动力系统, 对设计的截平面电路进行了大量的物理实验, 测出了蔡氏电路各种状态下的截平面图, 以及同一种混沌状态下选取不同截面的测试实验. 实验中采用了两种双踪示波器(模拟示波器和数字示波器)在线实测了庞加莱截平面映射和状态图. 与此同时, 利用Matlab进行了计算机仿真辅助实验. 所有实验结果表明设计的庞加莱截平面电路具有实用性和有效性.
周期切换下Chen系统的振荡行为与非光滑分岔分析
余跃, 张春, 韩修静, 姜海波, 毕勤胜
2013, 62 (2): 020508. doi: 10.7498/aps.62.020508
摘要 +
研究了不同参数Chen系统之间进行周期切换时的分岔和混沌行为.基于平衡态分析, 考虑Chen系统在不同稳态解时通过周期切换连接生成的复合系统的分岔特性,得到系统的不同周期振荡行为. 在演化过程中,由于切换导致的非光滑性,复合系统不仅仅表现为两子系统动力特性的简单连接, 而且会产生各种分岔,导致诸如混沌等复杂振荡行为.通过Poincaré映射方法, 讨论了如何求周期切换系统的不动点和Floquet特征乘子.基于Floquet理论,判定系统的周期解是 渐近稳定的.同时得到,随着参数变化,系统既可以由倍周期分岔序列进入混沌, 也可以由周期解经过鞍结分岔直接到达混沌.研究结果揭示了周期切换系统的非光滑分岔机理.
"Hopf/homoclinic"簇放电和"SubHopf/homoclinic"簇放电之间的同步
王付霞, 谢勇
2013, 62 (2): 020509. doi: 10.7498/aps.62.020509
摘要 +
以修正过的Morris-Lecar神经元模型为例,讨论了"Hopf/homoclinic"簇放电和"SubHopf/homoclinic" 簇放电之间的同步行为.首先,分别考察了同一拓扑类型的两个耦合簇放电神经元的同步行为, 发现"Hopf/homoclinic"簇放电比"SubHopf/homoclinic"簇放电达到膜电位完全同步所需要的耦合强度小, 即前者比后者更容易达到膜电位完全同步.其次,对这两个不同拓扑类型的簇放电神经元的耦合同步行为 进行了讨论.通过数值分析发现随着耦合强度的增加,两种不同类型的簇放电首先达到簇放电同步, 然后当耦合强度足够大时甚至可以达到膜电位完全同步,并且同步后的放电类型更接近容易同步的 簇放电类型,即"Hopf/homoclinic"簇放电.然而令人奇怪的是此时慢变量并没有达到完全同步, 而是相位同步;慢变量之间呈现为一种线性关系.这一点和现有文献的结果截然不同.
三维超混沌映射拓扑马蹄寻找算法及应用
李清都, 唐宋
2013, 62 (2): 020510. doi: 10.7498/aps.62.020510
摘要 +
拓扑马蹄理论是严格研究混沌的重要理论,然而却很少用在超混沌的研究中. 主要原因是超混沌系统不仅相空间维数比普通混沌高,而且存在的拉伸方向数也较多, 导致拓扑马蹄的寻找难度很大.为此,本文针对三维超混沌映射,提出一种实用的拓扑马蹄寻找算法. 超混沌系统通常有较大的负Lyapunov指数,其吸引子会靠向某一曲面.基于这种特性, 本文首先沿着系统收缩方向进行降维,得出二维平面投影系统;接着在新系统中搜索二维拉伸的投影马蹄; 最后利用投影马蹄升维构造出原三维系统拓扑马蹄.为了验证算法的有效性, 本文以经典Lorenz超混沌系统和著名Saito超混沌电路为例,利用数值计算, 在它们的Poincare映射中找出了具有二维拉伸的三维拓扑马蹄.
T混沌系统的动力学分析与同步及其电路仿真
王震, 孙卫
2013, 62 (2): 020511. doi: 10.7498/aps.62.020511
摘要 +
针对一类T混沌系统,对系统平衡点的稳定性进行了分析,并对系统的分岔, Lyapunov指数, Poincare截面进行了数值分析.同时,针对参数已知和未知两种情形, 研究其同步控制问题,利用Lyapunov函数设计并证明了系统的反馈控制器. 最后运用Multisim软件设计实现了T混沌系统同步的混沌电路, 验证了所提出同步方法的有效性和可实现性.
一类四维多翼混沌系统及其电路实现
罗明伟, 罗小华, 李华青
2013, 62 (2): 020512. doi: 10.7498/aps.62.020512
摘要 +
提出了一种产生多翼蝴蝶混沌吸引子的新方法. 基于三维Lorenz系统, 通过增加一个状态变量和一个分段线性函数, 构造出一个四维多翼混沌系统. 分析了系统的平衡点和Lyapunov指数谱. 最后, 设计出一个模拟电路, 进行了电路实验. 电路实验结果与数值仿真结果相一致, 验证了该方法的可行性和有效性.
复杂网络时空混沌同步的Backstepping设计
李雨珊, 吕翎, 刘烨, 刘硕, 闫兵兵, 常欢, 周佳楠
2013, 62 (2): 020513. doi: 10.7498/aps.62.020513
摘要 +
利用Backstepping设计进行了复杂网络时空混沌的同步研究. 首先将实现两个混沌系统同步的Backstepping设计推广到由m个时空混沌系统构成任意结构的复杂网络的同步研究中.进一步依据稳定性理论确定了网络同步时配置系数和控制增益满足的关系. 整个网络实现同步仅需要在网络中的一个节点施加控制输入即可.进一步通过仿真实验验证了同步机理的有效性.
不确定混沌系统的异结构同步
邵克勇, 马永晶, 王婷婷, 刘远红, 杨莉, 高宏宇
2013, 62 (2): 020514. doi: 10.7498/aps.62.020514
摘要 +
基于有限时间控制Lyapunov函数,研究了统一混沌系统与具有不确定参数Liu混沌系统的异结构同步控制, 其控制律不需要知道参数的具体数值,只依赖参数的变化范围.与现有控制方法相比, 可有效克服较大参数误差对同步的影响,同时设计比较简单,鲁棒性较强.仿真结果证明了控制方法的有效性.
短腔、自屏蔽磁共振成像超导磁体系统的混合优化设计方法
倪志鹏, 王秋良, 严陆光
2013, 62 (2): 020701. doi: 10.7498/aps.62.020701
摘要 +
本文提出一种用于短腔、自屏蔽磁共振成像超导磁体系统的混合优化设计方法, 通过结合线性规划和非线性优化算法,设计出的磁体系统具有建造成本低、结构简单、以及线圈中最高磁场、 电流安全裕度和电磁应力可控等优点.首先,通过线性规划算法在欲布置线圈空间范围内建立二维连续网格划分, 搜索满足磁场约束条件的网格电流分布图;其次,将电流分布图中的非零电流簇离散成螺线管线圈, 通过非线性优化算法计算出满足成像区域磁场均匀度要求、5 Gs杂散场限制、线圈中最高磁场限制、 电流安全裕度以及线圈间尺寸间隔等约束条件的线圈结构参数.文中给出一个中心磁场为1.5 T自屏蔽磁共振成像 超导磁体系统的设计案例,在50 cm球形成像区域所产生的磁场峰峰值不均匀度为10 ppm,线圈最大长度为1.32 m. 该设计方法可用于对称、非对称螺线管线圈系统以及开放式双平面线圈系统的磁共振成像磁体系统设计.
核物理学
贫铀球壳中D-T中子诱发的铀反应率的测量与分析
羊奕伟, 严小松, 刘荣, 鹿心鑫, 蒋励, 王玫, 林菊芳
2013, 62 (2): 022801. doi: 10.7498/aps.62.022801
摘要 +
为校验次临界能源堆的概念设计, 在R19.4/30.0 cm的贫铀球壳装置上采用活化法开展14 MeV中子学积分实验. 布放6片贫铀活化片于球壳中与入射D离子束90°方向上的不同位置处活化, 用HPGe探测器测量238U (n, γ)反应、238U (n, f)及235U (n, f)反应和 238U (n, 2n)各反应产物发射的特征γ 射线, 得到了相应的反应率. 238U (n, γ)反应率的不确定度为3.6%–3.7%, 238U (n, f)和235U (n, f)反应率的不确定度为5.1%–5.9%, 238U (n, 2n)反应率的不确定为4.3%–4.7%. 用MCNP5程序在ENDF66c数据库下进行模拟计算, 238U (n, γ)反应率的计算值/实验值(C/E)为 0.972–1.034, 238U (n, f)和235U (n, f)反应率的C/E为0.983–1.058, 238U (n, 2n)反应率的C/E为0.979–1.019.
原子和分子物理学
反应物NO的转动激发对反应N(4S)+NO(X2Π)→N2(X3Σg-)+O(3P)影响的立体动力学研究
马建军
2013, 62 (2): 023401. doi: 10.7498/aps.62.023401
摘要 +
采用准经典轨线方法,在碰撞能为0.6 eV时,研究了反应物NO分子的转动激发对发生在3A"和3A'势能面上的反应N(4S)+NO(X2Π)→N2(X3Σg-)+O(3P)的立体动力学性质的影响. 详细讨论了在反应物分子的不同转动态下发生在两个势能面上反应的矢量性质. 结果表明, 反应物分子NO的转动激发对发生在3A′势能面上的立体动力学性质产生重大影响, 这可能与该势能面上存在一个早期势垒有关.
WnNim (n+m=8)团簇的极性和光谱性质的理论研究
张秀荣, 李扬, 尹琳, 王杨杨
2013, 62 (2): 023601. doi: 10.7498/aps.62.023601
摘要 +
采用密度泛函理论(DFT)中的B3LYP方法,在LANL2DZ基组水平上对WnNim (n+m=8) 团簇的各种可能构型进行了几何参数全优化,得到了它们的基态构型;并对基态构型的偶极距、极化率、 红外光谱和拉曼光谱性质进行了分析,结果表明:团簇WnNim (n+m=8)都具有极性, 富W团簇非线性光学效应强,容易被外加场极化;振动频率主要分布在0–350 cm-1范围内, 团簇W4Ni4因其振动方式的特殊性,红外光谱和拉曼光谱在频率421.971 cm-1处, 都有明显强峰;团簇W5Ni3因其结构的高对称性在振动光谱中出现多处共振现象.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
二维椭圆形散射转移斗篷的设计研究
王战, 罗孝阳, 刘锦景, 董建峰
2013, 62 (2): 024101. doi: 10.7498/aps.62.024101
摘要 +
基于变换光学理论设计了椭圆形散射转移斗篷,并推导了相应的本构参数张量表达式, 根据得到的本构参数,利用基于有限元算法的软件分别对椭圆形介质柱、导体柱进行了全波仿真验证. 仿真结果证实了所得本构参数的正确性,验证了散射转移斗篷可以模拟任意物体, 包括介质、导体的幻象,这些结果为设计隐身斗篷提供了一种新的理论途径.
金属膜片和回流杆结构对大间隙速调管谐振腔高频特性的影响
白现臣, 张建德, 杨建华
2013, 62 (2): 024102. doi: 10.7498/aps.62.024102
摘要 +
利用模拟软件和数值计算方法,对感性加载大间隙速调管谐振腔的高频特性进行了分析, 结果表明:增加膜片数量对减弱间隙空间效应的贡献有限,而一旦加载感性回流支撑杆, 即使只填充4个膜片,已能基本消除空间电荷效应;由于回流杆的电感和谐振腔的固有电感可比较, 导致谐振频率相对提高达9%;与对谐振频率的影响相比,回流杆尺寸对谐振腔电场分布的影响要小得多; 而对于经过频率优化的谐振腔,回流杆尺寸对放大器工作特性的影响基本可以忽略. 应用以上结论设计出的感性加载大间隙速调管放大器,能稳定提取约1.13 GW的微波功率, 功率效率约38%.
亚太赫兹波折叠波导扩展互作用振荡器研究
张开春, 吴振华
2013, 62 (2): 024103. doi: 10.7498/aps.62.024103
摘要 +
对于亚太赫兹波段扩展互作用振荡器(EIO),本文采用折叠波导作为慢波谐振系统, 研究了周期数对高频特性的影响,计算了特征阻抗、起振电流随周期数的变化规律,为有效降低起振电流提供了途径. 在此基础上,采用PIC进行模拟研究,探讨了EIO在弱电流连续波和强电流脉冲工作方式下的注波互作用和输出特性, 深入分析了EIO的周期数调谐、电压调谐的特性.在连续波工作时, EIO的输出功率约2.5 W; 在脉冲工作方式下,通过电压调谐, EIO的输出功率约2650 W,激发频率约105.26105.31 GHz. 采用慢走丝加工方法,探讨了高频系统的两种加工方式,测试了慢波系统的谐振特性、输出窗的传输特性, 并与模拟结果进行了对比分析,验证了该加工方法在该频段的可行性和实用性,为实用型整管研究提高了重要依据.
基于自相位调制效应的硅基中红外全光二极管
张学智, 冯鸣, 张心正
2013, 62 (2): 024201. doi: 10.7498/aps.62.024201
摘要 +
信号单向导通器件是集成光学中一种重要的基本元件, 而中红外波段在空间遥感, 光谱分析等领域都有极其重要的应用. 本文提出了一种由两个硅基微环谐振腔构成, 基于自相位调制效应的硅基中红外全光二极管, 并利用数值模拟的方法进行了分析. 结果表明, 在输入光强为0.5 mW到20 mW之间时, 其非互易导通率可以大于20 dB, 且正向透过时损耗小于10 dB. 此外, 本文还讨论了环形谐振腔中的线性吸收率, 以及双稳态效应对结果的影响.
各向异性介质中的椭圆空间光孤子特性
李琼, 翟永惠, 梁果, 郭旗
2013, 62 (2): 024202. doi: 10.7498/aps.62.024202
摘要 +
对矩形铅玻璃中椭圆孤子的形成进行了理论研究, 在理论模型中引入各向异性衍射效应. 采用变分法, 得到了强非局域线性各向异性椭圆孤子的变分解. 结果表明, 各向异性衍射效应对椭圆孤子的形成有很大的影响. 为了验证变分解的正确性, 采用牛顿迭代法算出强非局域线性各向异性椭圆孤子的数值解, 变分解和数值解符合得很好.
基于二维特异材料波导的表面电磁波的慢波实验研究
王五松, 张利伟, 张冶文, 方恺
2013, 62 (2): 024203. doi: 10.7498/aps.62.024203
摘要 +
本文在理论分析的基础上,实验研究了二维MNG/DPS/MNG (磁单负材料/双正材料/磁单负材料) 表面波波导中的慢波效应.该波导的色散曲线随着电路参数(单元电容)的改变而改变, 而且在色散曲线的截止频率点,电磁波的群速度理论上等于零.因此可以通过改变MNG区域的电路参数, 得到在不同截止频率的慢波特性.另外,本文还通过改变MNG区域的电路参数实现在某一固定频率下波速度渐变的慢波效应. 实验结果与仿真结果相一致.
目标粗糙对合成孔径激光雷达回波的退相干效应
党文佳, 曾晓东, 冯喆珺
2013, 62 (2): 024204. doi: 10.7498/aps.62.024204
摘要 +
本文研究了目标表面粗糙对回波信号探测的影响, 通过蒙特卡罗方法建立一维和二维目标高斯随机粗糙面模型,并对目标回波信号的探测过程进行仿真,研究目标表面粗糙 对中频信号的影响.还进行了粗糙面和光滑面两组光外差探测实验,验证目标粗糙对合成孔径激光雷达回波信号严重的 "退相干"效应.同时,采用数字波前分析仪对探测器处本振光和信号光波前分别进行检测, 检测结果与仿真一致,证明粗糙面回波相位畸变严重.文中研究结果对设计光源参数、 接收系统参数以及评估系统作用距离奠定基础,为合成孔径激光雷达系统设计提供定量参考.
光谱分辨率可调的新型干涉成像光谱技术研究
李杰, 朱京平, 张云尧, 刘宏, 侯洵
2013, 62 (2): 024205. doi: 10.7498/aps.62.024205
摘要 +
针对色散型和静态干涉型成像光谱仪光谱分辨率固定、系统效能得不到充分发挥等问题, 提出了一种光谱分辨率可调的静态双折射干涉成像光谱技术.该技术的创新点之一在于, 仪器的光谱分辨能力可调,且调节范围较宽.对于不同的探测目标,利用这一技术,只获取有用的光谱数据, 既能满足多目标、多任务光谱图像探测的需要,又可大幅减少对存储空间和通信带宽的占用, 有效缩短数据处理时间,提高系统信噪比,从而使仪器总体性能达到最优.本文给出了新技术的具体实现方案及理论模型, 对核心元件–横向剪切量可调的新型双Wollaston平行平板分束器进行了光线追迹, 给出了其横向剪切量的精确理论计算公式,深入分析了其分光及横向剪切量调节原理. 在此基础上,研究了新技术的光谱分辨率调节特性,给出了其光谱调节范围,并对其光谱调节原理进行了实验验证.
多单元光纤激光阵列的倾斜控制实验研究
耿超, 谭毅, 牟进博, 李新阳
2013, 62 (2): 024206. doi: 10.7498/aps.62.024206
摘要 +
本文结合光纤激光阵列技术的发展趋势,介绍一种基于大模场面积光纤的自适应光纤光源准直器的研制进展, 搭建七单元光纤激光阵列,进行平行发射体系下阵列间的倾斜控制实验, 并初步探索了基于目标在回路的共形发射体系下阵列间的倾斜控制. 最后,在三级全光纤放大链路的主振荡-功率放大系统中,完成了两路10 W量级光纤激光阵列的倾斜控制及锁相. 为在实际大气环境下应用光纤激光阵列技术提供了参考.
高质量等曲率物参光像面数字全息显微系统
王华英, 刘飞飞, 宋修法, 廖薇, 赵宝群, 于梦杰, 刘佐强
2013, 62 (2): 024207. doi: 10.7498/aps.62.024207
摘要 +
对等曲率物参光像面数字全息显微成像系统进行研究,分析了光路配置方法,推导了系统的点扩散函数, 并由此指出了决定系统成像分辨率的因素及系统的成像特点,最后讨论了再现像光场一次位相畸变校正的方法. 结果表明,等曲率物参光像面数字全息具有最大的信息容量;该系统的成像分辨率取决于显微物镜的数值孔径和CCD的像元大小,与CCD的光敏面尺寸无关;物体各点中通过显微物镜的所有频率成分均能被系统完全记录与再现, 样品被照亮区域的大小对记录条件和再现像质没有影响;等曲率物参光像面数字全息系统是一种优化的全息记录与再现系统, 利用该系统可以实现高质量成像.实验结果验证了理论分析的正确性.
链式互耦合半导体激光器的实时混沌同步
刘莹莹, 潘炜, 江宁, 项水英, 林煜东
2013, 62 (2): 024208. doi: 10.7498/aps.62.024208
摘要 +
通过在互耦合外腔半导体激光器之间增加中继激光器, 建立了一种链式互耦合半导体激光器混沌同步系统模型. 理论分析了系统的实时混沌同步条件, 数值研究了注入电流、互耦合条件、反馈条件等对系统实时混沌同步品质的影响, 揭示了同步质量在反馈强度和互耦合强度二维参数空间的分布规律. 结果表明: 注入电流较大时, 满足互耦合强度和反馈强度相同,互耦合延时和反馈延时相等, 系统中所有激光器之间可同时实现稳定高品质实时混沌同步; 中心激光器和边激光器之间的稳定实时混沌同步分布在在互耦合强度和反馈强度较小的区域 以及互耦合强度和反馈强度相近的区域; 边激光器之间由于同时接收到中心激光器实施的相同注入, 能够较容易的实现稳定高品质的实时混沌同步. 该系统可进一步扩展成为实现远距离的双向实时混沌同步或阵列激光器系统的实时混沌同步.
碳纳米管锁模双包层光纤激光器的实验研究
王莎莎, 潘玉寨, 高仁喜, 祝秀芬, 苏晓慧, 曲士良
2013, 62 (2): 024209. doi: 10.7498/aps.62.024209
摘要 +
本文采用双包层掺镱光纤作为增益介质, 用单壁碳纳米管作为饱和吸收体, 获得最高输出功率为336 mW的锁模脉冲激光. 用飞秒激光诱导水击穿法直接在单模光纤上制备出D形区, 通过在D形光纤上滴涂单壁碳纳米管溶液, 成功制备出碳纳米管饱和吸收体, 并对其饱和吸收特性进行测试, 发现其调制深度为27%. 利用该饱和吸收体作为锁模器件,制备出具有环形腔结构的锁模光纤激光器. 当抽运功率为4 W时, 获得了脉宽为93.8 fs, 中心波长为1083.8 nm, 3 dB谱宽为8.6 nm, 重复频率为5.59 MHz, 平均功率为336 mW的飞秒脉冲激光输出.
激光二极管抽运Nd:YVO4晶体的三维热效应分析
周英, 戴玉, 姚淑娜, 刘军, 陈家斌, 陈淑芬, 辛建国
2013, 62 (2): 024210. doi: 10.7498/aps.62.024210
摘要 +
针对激光二极管抽运的以Nd:YVO4板条晶体为增益介质的激光器件, 基于有限容积法数值分析各向异性介质的热传导方程,给出了Nd:YVO4晶体板条结构的热分布数值模型, 并分别模拟仿真了808nm半导体激光器双端端面抽运,大面均匀抽运,大面周期分布抽运三种抽运结构, 得到了Nd:YVO4板条晶体在这三种抽运结构下的非稳态时不同时刻的温度曲线和稳态时的三维温度分布切面图.
基于传播圆补偿像散的被动锁模激光器谐振腔设计方法
张小军, 杨富, 王勇刚, 孙利群, 文侨, 牛憨笨
2013, 62 (2): 024211. doi: 10.7498/aps.62.024211
摘要 +
由于超短脉冲激光器的谐振腔大都采用多镜折叠的形式, 像散已成为影响锁模激光器性能优劣的重要问题. 本文提出了一种基于传播圆补偿像散的被动锁模激光器谐振腔设计方法, 该方法简单、直观、高效, 容易找到补偿像散的最佳位置. 理论研究表明, 当SESAM位于子午和弧矢传播圆交汇处附近时, SESAM处的子午光斑和弧矢光斑大小几乎相等, 像散得到补偿. 该谐振腔对外界干扰引起的腔镜振动和热透镜焦距的变化均不敏感, 谐振腔的抗干扰性很强. 实验研究表明, 当SESAM位于子午和弧矢传播圆交汇处附近时,锁模激光器可获得稳定连续的锁模激光脉冲, 且激光器的抗干扰性很强. 本文的理论研究与实验结果相一致.

编辑推荐

飞秒强激光脉冲驱动Ne高次谐波蓝移产生相干可调谐极紫外光实验研究
卢发铭, 夏元钦, 张盛, 陈德应
2013, 62 (2): 024212. doi: 10.7498/aps.62.024212
摘要 +
本文对不同气压以及入射激光强度下Ne相位匹配高次谐波的光谱蓝移特性进行了实验研究. 利用气体盒装置,在谐波平台区域获得最大谐波蓝移为0.13 nm,在谐波截止区获得的最大蓝移为0.07 nm. 实验结果表明,通过调节气体盒内气压以及入射激光强度,即改变气体盒中自由电子密度,有利于实现高次谐波光谱蓝移.
高非线性光纤中四波混频的磁控机理研究
李述标, 武保剑, 文峰, 韩瑞
2013, 62 (2): 024213. doi: 10.7498/aps.62.024213
摘要 +
将磁光效应和光纤非线性效应作为微扰,采用导波光耦合理论分析了高非线性光纤中导波光发生磁光四波混频的机理; 实验测试了磁场对四波混频偏振依赖性的影响,理论分析与实验结果符合. 研究表明,当输入的探测光和抽运光为相互正交的线偏振光时,四波混频的磁控效果最为明显, 输出的闲频光功率随磁光耦合系数振荡变化,施加适当的外加磁场可使四波混频效率得到进一步提高. 选择适当费尔德常数的光纤材料,利用磁光效应对四波混频偏振依赖性的影响,可实现不同范围的磁场测量.
激光在不同类型气溶胶中传输特性研究
王红霞, 竹有章, 田涛, 李爱君
2013, 62 (2): 024214. doi: 10.7498/aps.62.024214
摘要 +
激光在大气中的传输衰减特性是激光工程应用中需要考虑的一个重要问题. 本文针对常用的1.06 μm和10.6 μm激光, 基于Mie散射理论计算了气溶胶粒子的单次散射参量; 对于激光在气溶胶中多次散射传输衰减, 建立了蒙特卡罗模拟计算模型, 利用Matlab语言编制了相应的计算程序, 计算分析了两种波长的激光分别在沙尘性、水溶性、海洋性和煤烟性四种不同类型气溶胶中 透过率与传播距离、能见度的关系, 并将蒙特卡罗方法和单次散射的计算结果进行了比较. 结果表明, 当能见度较低、气溶胶粒子反照率较高时, 单次散射计算存在很大的误差, 用蒙特卡罗方法更能揭示多重散射现象; 煤烟性气溶胶对1.06 μm激光的传输衰减影响最大, 沙尘性气溶胶对10.6 μm激光的传输衰减影响最大.
带虚设层的抗反射结构导模共振滤波器设计与分析
桑田, 蔡托, 刘芳, 蔡绍洪, 张大伟
2013, 62 (2): 024215. doi: 10.7498/aps.62.024215
摘要 +
提出带虚设层的抗反射导模共振滤波器结构及设计方法, 该方法适用于任意角度入射带虚设层的抗反射结构导模共振滤波器设计与分析. 得到带虚设层的导模共振滤波器抗反射结构所满足的关系式. 指出在维持虚设层光学厚度不变的情况下, 可以通过不同选材, 在低反射旁带中实现等带宽不同波长的选择. 此外, 由于结构的抗反射特性在低角范围内具有较大的角度容差, 改变入射角, 可以实现滤波波长及光谱带宽在宽光谱范围内的准线性可调谐.
光纤放大器中非自治光畸波的传播控制研究
胡文成, 张解放, 赵辟, 楼吉辉
2013, 62 (2): 024216. doi: 10.7498/aps.62.024216
摘要 +
本文采用一个通用的理论, 即用相似变换的方法, 研究构建了(1+1)维变系数非线性薛定谔方程的精确畸形波解, 首先讨论了一阶光畸波在光纤放大器中的传播问题. 发现光学畸波的特性, 如宽度、 振幅和位置, 可通过非线性光学介质特性和光脉冲的初始参量进行控制; 然后在选择可控参数条件下, 讨论了可控光畸波在非线性介质的传播行为, 包括延迟激发、 抑制、 以及保持. 这在理论和实际应用上具有启迪价值.
超小自聚焦光纤探头研究用场追迹数值模拟技术
王驰, 毕书博, 王利, 夏学勤, 丁卫, 于瀛洁
2013, 62 (2): 024217. doi: 10.7498/aps.62.024217
摘要 +
研究场追迹数值模拟技术在超小自聚焦光纤探头设计与分析中的应用方法. 首先, 论述场追迹的概念及其基本原理; 其次, 论述场追迹在VirtualLab软件中的实现方法; 最后, 研究超小自聚焦光纤探头在基于场追迹的物理光学软件VirtualLab中的建模与分析方法, 并进行仿真结果与实验结果的比较分析. 结果显示, 如设无芯光纤的长度为0.36 mm, 自聚焦光纤透镜的长度分别为0.10, 0.11和0.12 mm, 计算所得的工作距离分别为0.75, 0.63和0.51 mm, 光斑尺寸分别为32, 24和19 μm. 理论计算结果与实验结果符合, 表明基于场追迹的数值模拟技术是研究超小自聚焦光纤探头设计与分析方法的一个有效手段.
基于热膨胀效应的可调光功率分束器设计
唐雄贵, 廖进昆, 李和平, 刘永, 刘永智
2013, 62 (2): 024218. doi: 10.7498/aps.62.024218
摘要 +
可调光功率分束器是集成光子系统中的重要功能器件, 其光功率输出具有动态可调控特性, 诸多光子系统对其有着广泛需求. 本文基于空隙槽型Y分支波导结构, 利用热膨胀效应, 提出了一种新型可调光功率分束器实现方法, 通过调控温度来改变分支处空隙槽的宽度, 以实现其分支波导的光功率输出的动态变化. 采用有限元方法, 对其热膨胀形变和光学性能进行了模拟分析. 其模拟结果表明, 该器件能实现大范围光分束调控, 且对波长和偏振态依赖性低; 同时, 该器件具有结构简单、易于设计和制作、易于调控等优点, 这种新型器件在各种光子系统中具有重要应用前景.
准周期加隔板有限长圆柱壳声散射
潘安, 范军, 卓琳凯
2013, 62 (2): 024301. doi: 10.7498/aps.62.024301
摘要 +
研究准周期加隔板有限长圆柱壳在水中的声散射特性, 隔板位置存在小的随机偏差. 首先给出理论推导, 通过计算周期加隔板情况验证理论公式的正确性. 然后以角度-频率谱形式给出准周期加隔板圆柱壳声散射计算结果. 计算表明隔板的准周期性导致Bloch-Floquet弯曲波和散射声场背景出现扩散和增强现象, 而近乎平行于横轴的由隔板共振引起的亮条纹被散射声场背景所掩盖. 最后讨论了随机因子、隔板个数以及隔板间距对Bragg散射的影响. 计算表明随机因子越大Bragg散射条纹的频率范围越宽扩散越明显, 隔板个数越多Bragg散射条纹的频率范围越窄能量越集中, 隔板间距变大时Bragg散射条纹增多而且越高阶次的Bragg散射条纹扩散越严重. 根据Bragg散射的几何特征导出的近似估算公式可以较准确预报Bragg散射在频谱图上的位置, 也可以大致预报隔板准周期排列时Bragg散射的扩散现象.
不同周期信号激励下分数阶线性系统的响应特性分析
杨建华, 朱华
2013, 62 (2): 024501. doi: 10.7498/aps.62.024501
摘要 +
研究了含分数阶导数阻尼的一类线性系统在不同周期信号激励下系统的响应问题. 首先在简谐信号的激励下, 利用谐波平衡法得到了系统响应的近似解, 这一结果和已有文献(申永军, 杨绍普, 邢海军 2012 物理学报 61 110505)的结果完全相同, 但本文的求解过程大为简化, 而且本文进一步扩展了分数阶导数阻尼微分阶数的取值范围. 接着, 利用傅里叶级数展开法和线性系统的叠加原理, 求得了一般周期信号激励下系统响应的近似解, 并以周期方波信号和周期全波正弦信号为例进行了说明. 本文的结果表明, 分数阶导数阻尼的微分阶数影响系统响应中各阶谐波的共振频率和共振振幅. 系统响应的幅值与分数阶导数阻尼的微分阶数之间的单调关系主要受外激信号频率的影响. 除解析分析外, 本文还用数值模拟对相关结论进行了验证, 两种结果符合良好, 表明本文的分析方法是可行的.
垂直振动激发下颗粒物质的能量耗散
彭政, 蒋亦民, 刘锐, 厚美瑛
2013, 62 (2): 024502. doi: 10.7498/aps.62.024502
摘要 +
本文对垂直振动激发下的铜和玻璃珠两种密集颗粒样品, 通过实时测量样品盒的加速度和振台对它的作用力, 研究了样品的平均耗散功率. 实验发现该耗散功率在给定振动强度下随振动频率的变化曲线是一个峰值在几十赫兹的宽峰结构, 在给定频率下随强度的变化具有幂率规律, 其幂值小于简谐受迫振动模型的幂值2. 这些结果将有助于研究测定颗粒流体和气体的迁移系数, 以及它们在不同运动模式下的能耗差异.
微重力环境下无限长柱体内角毛细流动解析近似解研究
李永强, 刘玲, 张晨辉, 段俐, 康琦
2013, 62 (2): 024701. doi: 10.7498/aps.62.024701
摘要 +
应用同伦分析法研究无限长柱体内角毛细流动解析近似解问题, 给出了级数解的递推公式. 不同于其他解析近似方法, 该方法从根本上克服了摄动理论对小参数的过分依赖, 其有效性与所研究的非线性问题是否含有小参数无关, 适用范围广. 同伦分析法提供了选取基函数的自由, 可以选取较好的基函数, 更有效地逼近问题的解, 通过引入辅助参数和辅助函数来调节和控制级数解的收敛区域和收敛速度, 同伦分析法为内角毛细流动问题的解析近似求解开辟了一个全新的途径. 通过具体算例, 将同伦分析法与四阶龙格库塔方法数值解做了比较, 结果表明, 该方法具有很高的计算精度.
圆柱热尾流中温度的概率密度函数
戈阳祯, 米建春
2013, 62 (2): 024702. doi: 10.7498/aps.62.024702
摘要 +
本文通过实验研究圆柱热尾流中温度的概率密度函数在不同雷诺数下 沿中心线的演变以及其与湍流混合程度的关系. 实验中雷诺数的取值范围是12008600, 温度是由直径为0.63 m的冷线探针测量的. 实验结果表明, 温度概率密度函数在尾流中场区随空间位置变化显著. 雷诺数的增加加快了这个变化过程, 特别加速了尾流中心线温度的概率密度函数从非高斯向近似高斯分布的演变.
格子玻尔兹曼方法模拟弯流道中粒子的惯性迁移行为
孙东科, 项楠, 陈科, 倪中华
2013, 62 (2): 024703. doi: 10.7498/aps.62.024703
摘要 +
本文发展了一个能够模拟微流场环境下粒子惯性迁移行为的三维耦合模型. 该模型采用基于动理论的格子玻尔兹曼方法(LBM)描述流体流动, 采用牛顿动力学模型描述粒子的平动和转动, 采用基于LBM反弹格式的运动边界法实现流体与粒子模型的耦合. 模拟了重力作用下粒子的沉降过程和Couette流条件下粒子的转动过程, 通过将模拟结果与文献中的基准解进行对比定量验证了模型的可靠性. 模拟了不同大小的球形粒子在环形流道中的迁移, 成功复现了经典的流道截面二次流形成过程, 分析了粒径大小对粒子在流道中平衡位置的影响机理. 结果表明, 粒子在弯流道中的平衡位置与粒径大小密切相关, 小半径粒子的平衡位置靠近流道外侧而大半径粒子则靠近流道内侧. 通过实验对模拟结果进行了定性验证. 本模型为深入研究微流场环境下粒子的运动特性以及开发微流控粒子分选器件提供了参考依据.
雷诺数对圆柱尾流中被动标量场的影响
戈阳祯, 米建春
2013, 62 (2): 024704. doi: 10.7498/aps.62.024704
摘要 +
本文通过实验研究雷诺数对加热圆柱尾流中温度场的影响. 实验中雷诺数 Re(≡ U∞d/ν, 其中U∞为来流速度、d为圆柱直径、ν 为流体黏度)的取值范围为1200–8600. 实验中温度是由直径为0.63 μm的冷线探针测量的. 实验结果表明, 一般而言, 雷诺数对整个尾流的标量混合特性有着显著的影响. 随着雷诺数的增加, 平均标量场向外的扩散速度加快、标量脉动强度增加了但衰减也加快. 本文还发现: 尾流中似乎存在两个区域, 一个位于卡门涡街下游靠后, 另一个就是传统的远场自相似区; 在这两个区域, 某些描述标量和动量的相似关系式近似成立.
液滴撞击液膜的射流与水花形成机理分析
梁刚涛, 郭亚丽, 沈胜强
2013, 62 (2): 024705. doi: 10.7498/aps.62.024705
摘要 +
建立了单液滴撞击平面液膜的物理与数学模型, 采用Coupled Level Set and Volume of Fluid方法对这种现象进行了数值模拟, 探讨了黏度和表面张力对冠状水花形态的影响. 通过分析撞击后液体内部的压力和速度分布, 揭示了液滴颈部射流的产生机理, 验证了Yarin 和Weiss提出的运动间断理论. 研究显示, 表面张力对冠状水花形态的影响远大于黏度的影响. 颈部射流的产生主要是由于撞击后颈部区域局部较大压差造成的, 随着撞击过程的继续, 压差作用减弱; 液膜内流体的径向运动对射流发展成冠状水花具有推动作用.
宏观交通流模型的能耗研究
梁家源, 滕维中, 薛郁
2013, 62 (2): 024706. doi: 10.7498/aps.62.024706
摘要 +
本文在几种典型的宏观交通流模型的基础上, 导出能量耗散的计算公式, 宏观交通流模型能耗不同于元胞自动机交通模型, 其能耗不仅考虑车流速度减少, 而且还要计及通过路段的车流通量引起的能耗. 通过对满足黎曼初始条件的道路能耗和道路交通瓶颈处能耗的计算和理论分析, 表明交通拥堵处, 能量耗散比较高, 而且能量耗散的变化也能反映交通拥堵产生及消散的情况.
气体、等离子体和放电物理
微波阶梯阻抗变换器低气压电晕放电粒子模拟
刘雷, 李永东, 王瑞, 崔万照, 刘纯亮
2013, 62 (2): 025201. doi: 10.7498/aps.62.025201
摘要 +
采用3维粒子软件VORPAL对微波阶梯阻抗变换器中的低气压电晕放电过程进行了粒子模拟, 获得了放电过程中带电粒子实空间分布的时间演变图像, 分析并解释了其中低气压电晕放电机理和微放机理之间的关系. 模拟结果表明: 低气压电晕放电的阈值电压随着气压的增长呈现先减小后增加的变化趋势; 并且随着气压的增长, 微放电作用减弱, 低气压电晕放电作用增强. 通过对银和铜两种器壁材料放电阈值的比较, 获得了两种放电机理之间的临界气压.
托卡马克中ECW对LHW耦合特性的影响研究
黄捷, 白兴宇, 曾浩, 唐昌建
2013, 62 (2): 025202. doi: 10.7498/aps.62.025202
摘要 +
托卡马克中电子回旋波(ECW)与低杂波(LHW)协同作用的实验发现, 在LHW维持的等离子体中注入ECW将引起LHW 反射系数的减小. 本中从理论上研究了LHW的耦合特性与天线口等离子体密度的关系, 以及ECW注入后使得等离子体密度从芯部向边缘输运的pump-out现象. 通过本文的研究, 给出了pump-out现象的基本规律, 证实了ECW所致的pump-out使得LHW天线口的等离子体密度有所提高, 从而改善了LHW的耦合. 这一结论得到了相关实验的支持. 研究还指出, 在双波协同驱动实验的研究中, 由于ECW的pump-out导致边缘密度发生改变时, 当对协同净增电流进行修正.
透镜到靶材的距离对脉冲激光诱导等离子体的影响机理研究
刘月华, 陈明, 刘向东, 崔清强, 赵明文
2013, 62 (2): 025203. doi: 10.7498/aps.62.025203
摘要 +
采用高功率抽运调Q激光器分别在真空和空气中烧蚀Ti-Al合金靶材激发等离子体, 研究了在不同气体压强下透镜到靶材的距离对等离子体参数的影响机理对于焦距为111 mm的聚焦透镜, 当透镜到靶材距离小于透镜焦距时, 随着距离逐渐接近焦距, 真空和空气中电子温度、电子密度和谱线强度均逐渐增强. 当透镜到靶材距离大于透镜焦距时, 真空中, 电子温度和电子密度仍然继续升高, 而谱线强度却变化不大. 空气中, 等离子体参数却有不同的演化特性: 等离子体的电子温度、电子密度和谱线强度在透镜到靶材距离为107 mm 时达到最大值, 当距离继续增大时, 均呈现出迅速下降的趋势, 当透镜到靶材距离大于112 mm时, 电子温度和电子密度又有明显上升, 特征谱线强度却大幅下降.
低压下气流对激光沉积纳米硅晶化及尺寸的影响
王英龙, 高建聪, 褚立志, 邓泽超, 丁学成, 梁伟华, 傅广生
2013, 62 (2): 025204. doi: 10.7498/aps.62.025204
摘要 +
纳米硅具有明显的光致发光效应和量子尺寸效应, 广泛的应用在现代电子工业和太阳能光伏工业中. 尺寸影响着纳米硅的实际用途, 因此制备尺寸可控的纳米硅晶粒具有很重要的实际意义. 本文采用脉冲激光沉积(PLD)技术, 在烧蚀点水平方向、距靶2 cm处引入一束流量为5 sccm的氩(Ar)气流, 在0.01–0.5 Pa的Ar气压下烧蚀高阻抗单晶硅(Si)靶. 在管口正下方1 cm处水平放置衬底来沉积纳米Si薄膜; 并用同一装置, 在0.08 Pa的Ar气压下分别引入流量为0, 2.5, 5, 7.5, 10 sccm的Ar气流沉积纳米Si薄膜. 利用原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、Raman散射对样品表面形貌和微观结构进行分析表征. 结果表明: 不引入气流时出现纳米Si晶粒的阈值气压是0.1 Pa, 引入气流后出现纳米Si晶粒的阈值气压为0.05 Pa. 晶粒尺寸随着气流流量的增大而减小.
黏滞等离子体中双撕裂模不稳定性的数值模拟研究
郑殊, 张甲鹏, 段萍, 魏来, 王先驱
2013, 62 (2): 025205. doi: 10.7498/aps.62.025205
摘要 +
本文采用磁流体力学模型, 数值研究了平板位形下双撕裂模线性增长率关于等离子体电阻η和黏滞ν的定标关系. 结果表明, 对于有理面间距较大的情况, 线性增长率关于电阻和黏滞的指数定标率随着黏滞的增加逐渐由γ∝η3/5ν0的定标变化到 γ∝η5/6ν-1/6的定标; 而对于有理面间距较小的情况, 其指数定标率随着黏性的增加从γ∝η1/3ν0的定标逐渐变化到γ∝η2/3ν-1/3 的定标. 本文还给出了初始阶段对称的双撕裂模的非线性演化, 发现在非线性阶段对称的双撕裂模将转化为反对称的双撕裂模, 并解释了相应的物理机理.
表面产生负氢离子引出MCC算法设计
杨超, 刘大刚, 王辉辉, 杨宇鹏, 廖方燕, 彭凯, 刘腊群
2013, 62 (2): 025206. doi: 10.7498/aps.62.025206
摘要 +
本文深入研究负氢离子输运及引出物理机理, 理论分析了交换电荷反应及库仑碰撞过程, 并设计了相应数值计算模块. 在此基础上, 采用有限差分法计算负氢离子所受洛伦兹力, 运用蒙特卡罗碰撞方法处理负氢离子与其他粒子间的碰撞, 成功研制了表面产生负氢离子输运及引出的全三维MCC算法, 结合国外热门离子源JAEA 10A离子源进行模拟验证, 结果显示: 随着过滤磁场增大, 引出离子数越大, 离子源空间生存离子总数越小; 当过滤磁场较小时, 气压越大引出离子数越多, 当过滤磁场较大时, 气压越小引出离子数越多.
脉冲等离子体推力器羽流沉积薄膜的结构与光学性质研究
张锐, 张代贤, 张帆, 何振, 吴建军
2013, 62 (2): 025207. doi: 10.7498/aps.62.025207
摘要 +
为了研究脉冲等离子体推力器羽流污染特性, 把握脉冲等离子体推力器羽流沉积薄膜性质, 利用质谱仪对推力器羽流残余气体成分进行了分析, 利用红外傅里叶光谱、光电子能谱及紫外可见光分光光度计对推力器羽流区阴极侧不同方位角处 沉积薄膜的结构及光学性质进行了诊断. 研究结果表明, 推力器羽流中主要存在C, F, CF, CF2和CF3气体分子; 在各方位角处脉冲等离子体推力器羽流沉积生成了低氟碳比碳氟薄膜; 沉积薄膜微观结构以30°角为界在羽流不同区域中具有不同的变化趋势; 羽流沉积薄膜具有对波长小于500 nm的光低透射率及增强反射率的光学特性, 受薄膜性质的影响, 其光学特性具有极大的角度依赖性.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
带孔硅纳米薄膜热整流及声子散射特性研究
鞠生宏, 梁新刚
2013, 62 (2): 026101. doi: 10.7498/aps.62.026101
摘要 +
本文基于非平衡的分子动力学模拟方法计算了带有三角形孔的硅纳米薄膜的界面热阻特性, 结果表明300–1100 K范围内随着热流方向的改变, 在含有三角形孔的硅纳米薄膜中存在热整流效应, 热整流系数达28%. 同时借助于声子波包动力学模拟方法, 获得了不同频率下的纵波声子在三角形孔处的散射特性, 结果表明纵波声子在散射过程中产生了横波声子, 并且从三角形底部向顶部入射的声子能量透射系数比反向时平均低22%. 不对称结构引起的声子透射率的差异是引起热整流效应的主要因素.
Pr0.7Ca0.3MnO3陶瓷晶界势垒的交流特性
石大为, 吴美玲, 杨昌平, 任春林, 肖海波, 王开鹰
2013, 62 (2): 026201. doi: 10.7498/aps.62.026201
摘要 +
采用固相烧结方法制备了Pr1-xCaxMnO3(x=0.3) 钙态矿结构锰氧化物陶瓷样品, 对其在磁场和电场下的直、交流输运性质做了系统研究. 通过测量加磁场和零场下的I-V曲线, 得到其居里温度为150 K, 与VSM 测试结果一致. 通过测量加磁场与零场下交流的阻抗频谱, 发现加磁场后样品的晶界电阻明显减小, 而晶粒电阻几乎保持不变, 表明Pr1-xCaxMnO3陶瓷多晶样品的CMR效应源于样品的晶界. 为确定晶界处的势垒高度, 测量了样品在不同频率下的阻抗温谱, 根据Arrhenius定律拟合得出势垒高度为117 meV, 与用直流R-T数据拟合得出的激活能一致.

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二硼化钛的高温高压制备及其物性
黎军军, 赵学坪, 陶强, 黄晓庆, 朱品文, 崔田, 王欣
2013, 62 (2): 026202. doi: 10.7498/aps.62.026202
摘要 +
以化学计量配比的Ti, B元素为原料, 在高温高压条件下成功制备出颗粒均匀、致密性大于99% 的二硼化钛(TiB2)体材料. 物性测试结果表明: TiB2的维氏硬度高达39.6 GPa (接近超硬材料的40 GPa); 并呈现出金属导电特性, 电阻率在10-8 Ω.m 的数量级(接近TiB2单晶样品值). TiB2的高硬度与金属特性, 可能与该方法制备的TiB2体材料中均匀的细小晶粒尺寸有关. 该方法为制备功能陶瓷材料提供了新的思路.
金属纳米颗粒的热导率
黄丛亮, 冯妍卉, 张欣欣, 李静, 王戈, 侴爱辉
2013, 62 (2): 026501. doi: 10.7498/aps.62.026501
摘要 +
本文使用统计模拟方法对金属纳米颗粒的电子平均自由程进行了计算, 并考察了纳米颗粒的晶格比热和声子平均群速度, 最后应用动力学理论对纳米颗粒的电子热导率和声子热导率分别进行了求解. 研究结果表明: 具有相同特征尺寸的方形、球形纳米颗粒的无量纲电子(或声子)平均自由程比较接近. 金属纳米颗粒的电子热导率远大于声子热导率; 电子、声子热导率随着直径减小呈现降低趋势, 而电子热导率的颗粒尺度依赖性比声子热导率更为明显; 随着颗粒直径进一步减小, 声子热导率与电子热导率趋于同一数量级. 当纳米颗粒特征尺寸大于4倍块材电子(或声子)平均自由程, 其电子(或声子)热导率的颗粒尺度依赖性将减弱.
光晶格中双组分玻色-爱因斯坦凝聚系统的调制不稳定性
藤斐, 谢征微
2013, 62 (2): 026701. doi: 10.7498/aps.62.026701
摘要 +
利用线性稳定分析的方法, 在不满足原子流相等的条件下, 对光晶格中双组分玻色-爱因斯坦凝聚原子(BEC)系统 的调制不稳定性区域与不同BEC组分的波长和不同的调制波长, 以及两组分BEC间相互作用大小之间的关系进行了研究. 结果显示, 光晶格中双组分BEC系统的调制稳定性的区域在不满足原子流相等的条件下, 随不同的波长, 不同的调制和相互作用之间的大小会出现了较大的变化. 相应结果可为实际应用中如何操控双组分BEC提供有用的信息.
(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P材料的MOCVD生长温度窗口研究
孙沛, 李建军, 邓军, 韩军, 马凌云, 刘涛
2013, 62 (2): 026801. doi: 10.7498/aps.62.026801
摘要 +
用来制作光电子器件的(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P为直 接带隙的四元合金材料, 对应的发光波长为630 nm, 在其LP-MOCVD (low press-metalorganic chemical vapor deposition)外延生长过程中温度的高低成为影响其质量的关键, 找到合适的生长温度窗口很有必要. 实验中分别在700 ℃, 680 ℃, 670 ℃和660 ℃的条件下生长出作为发光二极管 有源区的(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P多量子阱结构, 通过PL谱的测试对比分析, 找出最佳生长温度在670 ℃附近. 之后对比各外延片的PL谱、表面形貌, 并对反应室的气流场进行了模拟, 对各温度下生长状况的原因作出了深入分析. 分析得到,高温下In组分的再蒸发会引起晶格失配并导致位错; 低温下O杂质的并入会形成大量非辐射复合中心影响晶体质量, 因此导致了(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P生长温度窗口较窄, 文章最后提出In源有效浓度的提高是解决高温生长的一条有效途径.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
Mn掺杂对BaSn1-xMnxO3体系结构、光学和磁学性质的影响
张朋, 刘亲壮, 苏付海, 刘强春, 刘哲, 宋文海, 戴建明
2013, 62 (2): 027101. doi: 10.7498/aps.62.027101
摘要 +
利用传统的固相反应法制备了BaSn1-xMnxO3 (x=0, 0.05, 0.10和0.13)多晶样品, 系统研究了不同Mn掺杂量对BaSnO3样品的结构、光学及磁学性质的影响. 通过X射线衍射分析表明此掺杂化合物形成了具有钙钛矿结构的单相, 在掺杂范围内没有观察到第二相出现. 漫反射光谱测试分析发现随着Mn掺杂浓度的增加, 其光学吸收边红移并逐渐平缓化, 拉曼光谱测试表明拉曼振动模式也发生了变化, 进一步证明Mn 离子取代了Sn位. 磁场下的光致发光谱测试表明样品在近红外区的发光可能与Sn离子有关. 磁学测量则显示样品在低温具有一定铁磁性, 其来源可用F心交换机制来解释.
Fe, Co共掺杂ZnO薄膜结构及发光特性研究
张丽, 徐明, 余飞, 袁欢, 马涛
2013, 62 (2): 027501. doi: 10.7498/aps.62.027501
摘要 +
采用溶胶凝胶法在玻璃衬底上制备了Fe, Co共掺Zn0.9FexCo0.1-xO (x=0, 0.03, 0.05, 0.07)系列薄膜. 通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子谱(XPS)和光 致发光(PL)谱对薄膜样品的表面形貌、晶体结构、成分和光学性能进行了研究. XRD结果表明所有ZnO薄膜样品都呈六方纤锌矿结构, 在样品中没有观察到与Fe和Co相关的团簇, 氧化物及其他杂相的衍射峰, 表明共掺杂改善了Fe或Co在ZnO的分散性. XPS测试结果揭示样品中Co离子的价态为+2价; Fe离子的价态为+2价和+3价共存, 但Fe相对浓度的增大导致Fe3+含量增加. 所有样品的室温光致发光谱(PL)均观察到紫外发光峰和蓝光双峰, 其中Fe, Co共掺ZnO薄膜的紫外发光峰较本征ZnO 出现蓝移, 蓝光双峰峰位没有变化, 但发光强度有所减弱; 而掺杂ZnO薄膜的绿光发光峰几乎消失. 最后, 结合微结构和成分分析对薄膜样品的发光机理进行了讨论.
前沿领域综述
有机共混结构叠层太阳电池的研究进展
於黄忠
2013, 62 (2): 027201. doi: 10.7498/aps.62.027201
摘要 +
有机太阳电池由于质轻、价廉、柔性, 受到人们的广泛关注. 单个有机材料只能吸收部分太阳光, 叠层结构的太阳电池将不同吸收带隙的有机材料通过中间层连接起来, 既能充分吸收太阳光, 又能提高太阳电池的开路电压或短路电流. 本文综述了近年来有机共混结构叠层太阳电池的研究进展, 介绍了各种叠层有机太阳电池的结构、原理及性能, 阐述了国内外有机叠层太阳电池研究的现状及存在问题, 为高性能有机太阳电池的研究提供有价值的参考.

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金属催化制备石墨烯的研究进展
于海玲, 朱嘉琦, 曹文鑫, 韩杰才
2013, 62 (2): 028201. doi: 10.7498/aps.62.028201
摘要 +
石墨烯作为一种新兴的碳素材料, 从一出现就引起了众多学者的关注. 石墨烯具有许多新奇的特性, 使得石墨烯在光电领域及微电子工业等有极大的应用潜力. 但是目前难以实现大尺寸、高质量、宏量石墨烯的可控制备, 限制了石墨烯的广泛应用. 本文分析了各种石墨烯制备方法的利弊, 重点从层数控制及大面积制备等方面对金属催化法进行了阐述, 固态碳源金属催化法可以实现宏量制备大尺寸、高质量、薄且均匀的石墨烯. 综述了金属催化制备石墨烯的相关机理研究, 指出了目前研究的局限, 并对石墨烯相变机理的下一步研究方向进行了展望.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
由阴、阳极电压及入射光强及频率确定光电流
刘昶时, 刘文莉
2013, 62 (2): 028401. doi: 10.7498/aps.62.028401
摘要 +
根据费米-狄拉克统计, 本文推导出了一个光电效应中光电流作为阴、阳极电压的函数关系. 应用本文所提供的函数所得计算结果同实验结果非常好地符合. 其次, 建立了入射光强对光电流贡献的数学表现, 最后, 从数学上得到了入射光频率与光电流的关系, 从而能够预测光电流.
神经元网络螺旋波诱发机理研究
赵龙, 杨继平, 郑艳红
2013, 62 (2): 028701. doi: 10.7498/aps.62.028701
摘要 +
实验研究发现大脑皮层电活动和信号传播有类似螺旋波的特征. 本文利用包含离子通道效应的Hodgkin-Huxley神经元构造规则网络来研究螺旋波的形成机理, 利用缺陷阻挡行波的方法在神经元网络中诱导到不同周期的螺旋波, 分析了螺旋波产生条件和耦合强度对螺旋波的影响. 同时, 对脑皮层中螺旋波形成的机理进行了讨论.
太赫兹双空芯光纤定向耦合器
姜子伟, 白晋军, 侯宇, 王湘晖, 常胜江
2013, 62 (2): 028702. doi: 10.7498/aps.62.028702
摘要 +
设计了一种低损耗太赫兹双芯光子带隙光纤定向耦合器. 采用全矢量有限元法对光纤的耦合特性、损耗和色散进行了理论分析. 结果表明, 这种光纤定向耦合器在1.55–1.80 THz范围内耦合长度小于1.8 cm, 能够实现0.07 THz范围内窄带耦合, 且其损耗系数低于0.02 cm-1. 这种耦合器将在太赫兹窄带滤波、波分复用、开关和偏振分离等技术中有潜在应用价值.
电子商务中人类活动的标度行为实证研究
董宇蔚, 蔡世民, 尚明生
2013, 62 (2): 028901. doi: 10.7498/aps.62.028901
摘要 +
应用去趋势波动分析法, 对电子商务中人类网上购物行为进行研究, 首次探讨了人类浏览及购买行为时间序列(数量波动)标度律. 首先, 研究发现人类网上购物行为呈现出明显的周期性, 其时间序列的概率密度函数具有显著的双模态特征. 其次, 利用傅里叶变换方法分析浏览以及购买行为时间序列的功率谱, 发现其演化过程不同于无关联的泊松过程. 最后, 基于功率谱过滤周期性趋势的影响, 对去除周期趋势后的浏览和购买行为时间序列进行去趋势波动分析, 发现其标度行为表明其具有较强的长程关联特性, 且平均标度值近似为1, 表明其具有自组织临界性. 实证研究结果与其他领域如因特网交通流和金融市场价格波动的标度行为相似, 有助于理解人类活动如何影响电子商务系统演化和提高在线商务活动效率, 对分析电子商务中人类行为活动的机制和预测其波动趋势具有重要的启示作用.
地球物理学、天文学和天体物理学
斜压二层模式框架下的准地转理论及其应用
王秀明, 周小刚, 陶祖钰, 俞小鼎
2013, 62 (2): 029201. doi: 10.7498/aps.62.029201
摘要 +
准地转理论是短期天气预报的理论基础. 针对中纬度大尺度运动得到的准地转运动方程组是准地转理论的核心. 在斜压二层模式框架下, 由准地转运动方程组得出的准地转位势倾向方程和准地转垂直运动方程, 可以更为明确地解释高空和地面天气系统的移动和发展. 结果显示: 500 hPa高空槽的移动取决于本层的涡度平流, 500 hPa高空槽的发展取决于本层的涡度平流和250与750h Pa层的微差温度平流; 地面气旋系统的移动和发展取决于500 hPa的正温度平流, 250与750 hPa层的微差涡度平流. 由实际天气过程对上述应用进行的分析表明, 在斜压二层模式框架下得到的准地转位势倾向方程及准地转垂直运动方程, 可以更好地确定中纬度天气尺度斜压发展系统的特征, 并有助于对天气系统发展客观规律的了解和对数值预报产品内含的物理依据的认识.
闪电脉冲电磁场在地下空间的分布特性
张少卿, 吴群
2013, 62 (2): 029202. doi: 10.7498/aps.62.029202
摘要 +
为了研究闪电脉冲电磁场(LEMP)在地下传播的过程与空间分布特性, 本文采用一种改进的时域有限差分法(FDTD)计算了LEMP在整个地下空间的传播过程. 与以往发表的研究只局限在个别观察点的讨论不同, 本文通过计算得到了空间中所有网格位置上的电磁场、时间导数、功率密度和能量密度及它们的峰值, 并将它们按照空间坐标表示在相应的分布彩图中. 发现在靠近地表和远离闪电通道的区域内, LEMP的各个分量同时在平行和垂直地面的两个方向上呈指数型衰减. 其中磁场与水平电场的峰值在整个空间极性统一, 且呈现类双指数形分布. 而垂直电场在地下的峰值分为极性相反的两个区域, 并且靠近闪电通道的区域呈类球状分布. 其他特性参量也有类似以上的空间分布特点. 并且本文通过对不同大地电导率、电容率、放电通道模型和基电流情况的计算, 发现虽然在个别情况下LEMP 在地下空间的数值整体增大, 但整体分布特征并未改变. 即使是在水平或垂直分层大地的情况下, 同一层内部仍然具有相同的分布规律. 甚至是在击中避雷针情况下, LEMP在地下空间的分布特点也仍然未变. 而这些分布规律和特征的发现和利用, 将为地下管线、设备、线缆的电磁防护设计与位置规划提供重要的支持.
季节因素对气候网络影响研究
杨锦辉, 宋君强, 曹小群
2013, 62 (2): 029203. doi: 10.7498/aps.62.029203
摘要 +
气候网络在地球科学领域研究中是一个新的热点, 对于分析和揭示气候场的特征及关联结构具有较强优势. 已有气候网络的构建一般选取冬季月份的样本数据, 而且在研究中忽略了其他季节月份对气候网络的影响. 本文研究了季节因素对气候网络的影响, 研究发现: 气候网络在不同季节的整体特征参数基本保持稳定, 但是网络社团结构以及局部节点拓扑连接随季节变化显著. 可以利用这一结论来研究不同季节全球遥相关模态变化情况以及局 部地区气候特征随季节变化情况.
变时延遥操作交会的Smith模糊控制
张波, 李海阳, 唐国金
2013, 62 (2): 029601. doi: 10.7498/aps.62.029601
摘要 +
针对地面遥操作空间航天器进行交会的情况, 研究了变时延条件下遥操作交会逼近段的轨道控制问题. 利用根轨迹法分析了时延对遥操作交会控制的影响; 通过设计时延缓冲器, 将变时延系统转化成了定常时延系统; 基于相对轨道动力学方程建立了被控对象的预测模型, 利用Smith预测原理设计了定常时延下的多变量Smith预测器, 使得控制器与执行器的输入不受时延的影响; 同时采用模糊控制方法, 以消除模型不确定性等因素的影响; 最后, 利用半实物仿真系统开展仿真试验, 对本文所述方法进行了验证. 仿真结果表明, 通过采用带时延缓冲器的Smith模糊控制的方法, 能有效降低地面遥操作交会过程中变时延以及模型不确定性的影响, 提高交会成功率和精度.