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Vol. 62, No. 22 (2013)

2013年11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 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
均匀磁场中二维各向同性带电谐振子的守恒量与对称性研究
楼智美
2013, 62 (22): 220201. doi: 10.7498/aps.62.220201
摘要 +
由牛顿第二定律得到二维各向同性带电谐振子在均匀磁场中运动的运动微分方程, 通过对运动微分方程的直接积分得到系统的两个积分(守恒量). 利用Legendre变换建立守恒量与Lagrange函数间的关系, 从而求得系统的Lagrange函数, 并讨论与守恒量相应的无限小变换的Noether对称性与Lie对称性, 最后求得系统的运动学方程.
两自由度弱非线性耦合系统的一阶近似Lie对称性与近似守恒量
楼智美
2013, 62 (22): 220202. doi: 10.7498/aps.62.220202
摘要 +
采用变劲度系数的耦合弹簧构建一实际的两自由度弱非线性耦合系统, 用近似Lie对称性理论研究系统的一阶近似Lie对称性与近似守恒量, 得到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.
一维倾斜场伊辛模型中的纠缠特性
王琪, 王晓茜
2013, 62 (22): 220301. doi: 10.7498/aps.62.220301
摘要 +
在一维倾斜场伊辛模型中, 利用并发度和Q测量函数分别对系统的两体纠缠和整体纠缠进行度量, 通过讨论系统中量子纠缠的动力学特性, 能够体现出系统的可积和不可积行为. 由系统基态的纠缠特性可以发现只要倾角不为零时, 系统的Q测量函数会随着磁场的增大而减少, 而用并发度刻画的系统的相变特性, 随着磁场倾角的增大发生了变化. 考虑系统的动力学行为发现, 在一维倾斜场伊辛模型中, 不可积性会抑制两体纠缠, 却促进系统整体纠缠生成.
原子在弱相干场光纤耦合腔系统中的纠缠特性
汪仲清, 赵小奇, 周贤菊
2013, 62 (22): 220302. doi: 10.7498/aps.62.220302
摘要 +
研究由两个相同的二能级原子分别处于用单模光纤耦合的两弱相干光场系统的共生纠缠特性, 通过数值计算研究了光纤模-腔模与原子-腔模的耦合强度比、弱相干光场的强度和两光场相对相位差等因素对系统纠缠演化的影响. 结果表明: 两腔中的两原子之间、两光场之间和每个腔中的原子与光场之间的纠缠随时间呈现周期或准周期性演化, 两腔场之间的纠缠与腔中的两原子的纠缠可以相互转换, 与两原子之间和两光场之间的纠缠相比, 每个腔中光场与原子之间的纠缠随时间变化的周期缩短. 光纤模-腔模与原子-腔模的耦合强度比与两腔中光场相位差对系统纠缠的影响很大, 较小的光纤模-腔模与原子-腔模的耦合强度之比可以获得较大的系统纠缠度.
空间单位区域双二次有理贝赛尔曲面混沌特性研究
于万波, 周洋
2013, 62 (22): 220501. doi: 10.7498/aps.62.220501
摘要 +
研究空间单位区域内两个二次曲面映射构成的函数的混沌特性, 发现了一种构造混沌的方法. 当一个曲面是单位区域内标准曲面, 另一个曲面随机生成时, 此函数是混沌的概率可以大于十分之一, 说明在满足一定条件时, 混沌是极其普遍的. 通过计算Lyapunov指数以及绘制分岔图等对该类函数的混沌特性进行分析, 根据参数变化的分岔图以及混沌曲面控制点的区域分布特性等寻找混沌映射函数, 得到了大量的二维混沌吸引子图形, 并对其中三个进行了详细研究. 另外, 把灰度图像作为离散二维函数, 首次研究了图像作为迭代表达式时表现出的一些混沌特性. 研究发现, 相同的或者相近的图像易于收敛到周期点上, 这个结果可以用于图像识别等研究领域.
两时间尺度下非光滑广义蔡氏电路系统的簇发振荡机理
李旭, 张正娣, 毕勤胜
2013, 62 (22): 220502. doi: 10.7498/aps.62.220502
摘要 +
通过引入周期变化的电流源并选择适当参数, 使得周期激励频率与系统固有频率之间存在量级差距, 建立了两时间尺度即快慢耦合非光滑广义蔡氏电路模型. 基于相应的广义自治系统, 考察了其不同区域中的平衡态及其稳定性, 得到了不同分岔行为及其相应的临界条件. 同时, 利用广义Clarke导数得到的广义Jacobian矩阵, 探讨了系统轨迹穿越非光滑分界面时的各种非常规分岔模式, 进而结合广义相图, 深入分析了Fold/Fold周期簇发振荡以及Fold/Hopf周期簇 发振荡两种典型的周期簇发行为及其相应的分岔机制.
双层非线性耦合反应扩散系统中复杂Turing斑图
李新政, 白占国, 李燕, 赵昆, 贺亚峰
2013, 62 (22): 220503. doi: 10.7498/aps.62.220503
摘要 +
采用双层耦合的Brusselator模型, 研究了两个子系统非线性耦合时Turing 模对斑图的影响, 发现两子系统Turing 模的波数比和耦合系数的大小对斑图的形成起着重要作用. 模拟结果表明: 斑图类型随波数比值的增加, 从简单斑图发展到复杂斑图; 非线性耦合项系数在0–0.1时, 系统1中短波模在系统2失稳模的影响下不仅可形成简单六边形、四边形和条纹斑图, 两模共振耦合还可以形成蜂窝六边形、超六边形和复杂的黑眼斑图等超点阵图形, 首次在一定范围内调整控制参量观察到由简单正四边形向超六边形斑图的转化过程; 耦合系数在0.1–1时, 系统1中短波模与系统2失稳模未发生共振耦合仅观察到与系统2相同形状的简单六边形、四边形和条纹斑图.
随机中毒对神经元网络时空动力学行为的影响
王荣, 吴莹, 刘少宝
2013, 62 (22): 220504. doi: 10.7498/aps.62.220504
摘要 +
神经元细胞膜上的离子通道能够被一些有毒的化学物质阻断. 离子通道阻断会降低离子通道的电导率和激活通道数, 影响神经元的放电活动, 进而影响神经网络时空模式的动力学行为. 本文采用具有周期边界的近邻耦合Hodgkin-Huxley神经元网络, 数值研究了钠离子和钾离子通道随机中毒时神经网络时空模式的演化过程. 发现钠离子和钾离子通道随机中毒可以导致螺旋波破裂. 通过分析网络的放电概率, 发现钠离子通道随机中毒降低了神经网络的兴奋性, 且其对中毒的敏感程度与噪声强度有关; 钾离子通道随机中毒增强了神经网络的兴奋性. 与均匀的通道中毒相比, 随机通道中毒的神经网络具有更丰富的动力学行为. 最后, 采用无流边界条件对神经网络进行数值仿真, 得到了类似的结果. 该研究更真实地反映神经系统中毒时整体兴奋性的变化, 从另一个方面揭示离子通道中毒对网络时空行为的影响, 有利于更进一步理解离子通道在网络整体行为中的作用.
时滞复Lorenz混沌系统特性及其自时滞同步
张芳芳, 刘树堂, 余卫勇
2013, 62 (22): 220505. doi: 10.7498/aps.62.220505
摘要 +
自时滞同步是指保持混沌系统结构和参数不变的情况下, 使时滞系统和原系统同步, 从而避免了现实中因为时滞而产生的各种问题. 本文以时滞复Lorenz系统为例, 研究其动态特性及时滞因数的影响, 并提出了一种非线性反馈控制器实现了复Lorenz系统的自时滞混沌同步. 数值仿真结果验证了该控制器的有效性. 该控制器只对部分状态进行控制, 实现了所有状态的同步, 原理简单, 易于工程实现.
一类高聚类系数的加权无标度网络及其同步能力分析
王丹, 郝彬彬
2013, 62 (22): 220506. doi: 10.7498/aps.62.220506
摘要 +
针对真实世界中大规模网络都具有明显聚类效应的特点, 提出一类具有高聚类系数的加权无标度网络演化模型, 该模型同时考虑了优先连接、三角结构、随机连接和社团结构等四种演化机制. 在模型演化规则中, 以概率p增加单个节点, 以概率1–p增加一个社团. 与以往研究的不同在于新边的建立, 以概率φ在旧节点之间进行三角连接, 以概率1–φ进行随机连接. 仿真分析表明, 所提出的网络度、强度和权值分布都是服从幂律分布的形式, 且具有高聚类系数的特性, 聚类系数的提高与社团结构和随机连接机制有直接的关系. 最后通过数值仿真分析了网络演化机制对同步动态特性的影响, 数值仿真结果表明, 网络的平均聚类系数越小, 网络的同步能力越强.
全光型石英增强光声光谱
刘研研, 董磊, 武红鹏, 郑华丹, 马维光, 张雷, 尹王保, 贾锁堂
2013, 62 (22): 220701. doi: 10.7498/aps.62.220701
摘要 +
设计并演示了一种全光型石英增强光声光谱技术, 该技术在传统的石英增强光声光谱系统中增加了另一束探测光束, 把与气体浓度成正比的石英晶振振臂的振动幅值转化为探测光束的强度变化, 实现了探测气体处无电子元件的全光学系统. 如此的设计使该系统具有较强的抗电磁干扰能力和非常小的传感头体积, 能够用于探测空间受限或探测环境恶劣的情况下, 并实现远距离探测. 在这种配置下, 探测大气压下的水汽, 获得的噪声等效吸收系数为1.13×10-6 cm-1W/√Hz. 进一步讨论了优化系统和提升其探测灵敏度的途径.
基于单Fabry-Perot标准具的双频率多普勒激光雷达数据反演技术
沈法华, 孙东松, 刘成林, 仇成群, 舒志峰
2013, 62 (22): 220702. doi: 10.7498/aps.62.220702
摘要 +
本文导出了大气后向散射信号光入射到Fabry-Perot (F-P)标准具的有效透过率表达式. 在基于单F-P 标准具的双频率多普勒激光雷达系统中, 采用平均值法定量分析了瑞利后向散射信号对风场测量准确度的影响. 提出了同时反演风速和后向散射比的非线性迭代方法, 并通过仿真试验验证了该方法的有效性. 同时, 导出了径向风速和后向散射比测量误差的具体表达式, 并据此进行了仿真. 仿真结果表明: 若假定望远镜接收到的总后向散射光子数为50000, 径向风速测量误差随后向散射比的增大迅速减小, 在±25 m/s的风速测量动态范围内, 当Rβ > 1.2时, 误差小于3 m/s; 后向散射比测量误差随后向散射比的增大而增大, 与径向风速大小几乎无关, 当Rβ<10时, 相对误差小于13%.
光学读出红外成像中面光源影响下的光学检测灵敏度研究
吴健雄, 程腾, 张青川, 高杰, 伍小平
2013, 62 (22): 220703. doi: 10.7498/aps.62.220703
摘要 +
在光学读出红外成像的理论分析中, 通常将具有一定实际尺寸的非相干面光源简化为理想点光源, 导致了分析误差. 本文建立了面光源模型, 通过夫琅禾费衍射理论, 研究了面光源影响下的光学检测灵敏度, 发现了光学检测灵敏度随光源半径和焦平面阵列反光板长度的变化关系, 提出了面光源影响下的光源尺寸和反光板长度的优化设计准则. 针对理论分析, 进行了实验验证, 测试结果与理论分析一致.
单晶硅微纳构件加工表面性能的时变性研究
胡兴雷, 孙雅洲, 梁迎春, 陈家轩
2013, 62 (22): 220704. doi: 10.7498/aps.62.220704
摘要 +
采用蒙特卡罗方法和分子动力学方法相结合, 模拟单晶硅微纳构件加工表面的时效过程, 研究其对加工表面质量和构件力学性能的影响. 模拟结果表明: 在时效过程中, 单晶硅微纳构件加工变质层的有序度显著提高, 残余应力大幅降低, 表面粗糙度略有增加, 此外还发现加工变质层中非晶硅原子在时效过程中大幅减少, 部分非晶硅出现了再结晶现象, 其中部分BCT5-Si以及金属相(Si-Ⅱ)结构原子转化为金刚石结构(Si-I). 时效作用对加工后单晶硅微纳构件表面性能具有重要的影响, 同时可以提高微纳构件的拉伸力学性能.
核物理学
乏燃料贮运用铝基碳化硼复合材料的屏蔽性能计算
戴龙泽, 刘希琴, 刘子利, 丁丁
2013, 62 (22): 222401. doi: 10.7498/aps.62.222401
摘要 +
采用蒙特卡罗方法, 利用MCNP程序计算了在中子能量为0.5–20 MeV, 235U核热中子裂变源条件下, 厚度为3–9 cm、碳化硼含量5%–15%的铝基碳化硼复合材料在空气、水、200–1400 ppm (1 ppm=10-6) 硼酸溶液介质中的中子透射系数. 结果表明: B4C/Al复合材料的透射系数随碳化硼含量和材料厚度的增加而减少, 随中子能量的升高而增大, 而硼酸浓度的改变对中子透射系数影响不大. B4C/Al复合材料在水中比硼酸中更能发挥其屏蔽效果, 在空气中屏蔽特性显现出“反转”现象, 中子能量高于5 MeV时透射系数几乎没有变化. 在裂变源条件下的B4C/Al复合材料中子透射系数均比稳定源20 MeV 低. 介质的中子屏蔽效果是硼酸溶液>水> 空气, 水介质的中子透射系数与介质厚度呈指数下降关系, 裂变源和稳定源条件下分别近似为e-0.71x和e-0.669x, x为厚度(cm).
利用超相对论量子分子动力学模型研究交变梯度同步加速器能区Au+Au碰撞中的核阻止效应
袁颖
2013, 62 (22): 222402. doi: 10.7498/aps.62.222402
摘要 +
运用修正的超相对论量子分子动力学模型研究了交变梯度同步加速器(AGS)能区Au+Au碰撞中的核阻止效应. 该模型考虑了形成和"预形成"粒子的平均场势、核子-核子弹性散射反应截面的介质修正和碎块形成的判断条件. 研究发现: 在AGS能区, 核阻止效应受到形成和“预形成”粒子的平均场势和核子-核子弹性散射反应截面介质修正的影响; 在中心快度区自由质子的产额偏大, 考虑新的碎块形成判断条件后, 此模型的理论计算结果与自由质子的实验结果符合得很好.
瞬发超临界系统内持续裂变链的发展过程
高辉, 谢奇林, 刘晓波, 黄坡, 宋凌莉, 梁文峰, 范晓强
2013, 62 (22): 222801. doi: 10.7498/aps.62.222801
摘要 +
根据基本的概率理论和瞬发临界附近有限裂变链的发展规律, 推导了单脉冲源条件下脉冲堆引发持续裂变链过程中的中子数与时间关系式, 并得到CFBR-Ⅱ堆上实验的验证. 该关系式进一步发展了Hansen理论模型, 除了可以描述裂变链后期的发展趋势, 还可以描述持续裂变链产生初期中子数的快速增长行为. 讨论了引发时间与源强的关系, 指出在弱源条件下, 引发时间几乎不依赖于源强.
原子和分子物理学
不同覆盖度下丙硫醇在Au(111)面吸附的理论研究
冉润欣, 范晓丽, 杨永良, 方小亮
2013, 62 (22): 223101. doi: 10.7498/aps.62.223101
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了丙烷硫醇 (C3H7SH)在Au(111)面五种覆盖度(1/16, 2/16, 3/16, 4/16, 1/3) 下的未解离和解离吸附的结构、能量和吸附性质. 发现丙烷硫醇的倾斜角和吸附能均受覆盖度影响, 计算结果显示丙烷硫醇的倾斜角随着覆盖度的增大减小了6°–10°, 吸附能随覆盖度的增大减小了0.21 eV. 特别针对饱和覆盖度, 研究了三种可能的表面结构: (2√3×2√3 ight)R30°, 2√3×3和(3×3). 发现S–H键未解离时三种表面结构的吸附构型和吸附能基本一致; S–H键解离后, (2√3×2√3 ight)R30°和2√3×3结构的吸附能比以(3×3)结构的吸附能约高0.05–0.07 eV, 说明C3H7S在Au(111)面吸附时, 倾向于形成(2√3×2√3 ight)R30°和2√3×3结构. 此外, 采用DFT-D2方法对饱和覆盖度下C3H7SH分子在Au(111)面的吸附进行了范德华修正, 结果显示分子间相互作用使吸附物和Au表面的距离减小, 该相互作用对吸附能的修正值为0.53 eV, 修正后结果与实验结果接近.
外电场下2,2,5,5-四氯联苯的分子结构与电子光谱
凌智钢, 唐延林, 李涛, 李玉鹏, 魏晓楠
2013, 62 (22): 223102. doi: 10.7498/aps.62.223102
摘要 +
多氯联苯(PCBs)是难降解有机污染物, 2, 2, 5, 5-四氯联苯(PCB52)是PCBs的一种, 研究通过对PCB52分子加外电场的方法来降解该物质. 采用密度泛函B3LYP方法在6-311+g(d)基组水平上优化并计算了不同外电场(-0.040.04 a.u.)作用下PCB52的基态分子结构参数、分子总能量、电偶极矩和电荷分布. 然后利用含时密度泛函方法研究了PCB52分子在外电场下的前六个激发态的波长、激发能量和振子强度的影响. 结果表明: 随着外电场的增加, 1C21Cl和14C20Cl键的键长增大; PCB52的两个苯环在外加电场下, 二面角增大, 分子毒性减弱; PCB52分子能隙减小, 导致分子更容易受激发而跃迁到激发态发生还原脱氯反应. 外电场的增大, 激发态的激发能在迅速减小, 吸收波长也迅速红移, 振子强度不再为零. 表明电场作用下, 分子易于激发和解离.

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超冷铯分子纯长程态转动常数的精密测量
马杰, 陈鹏, 刘文良, 冯国胜, 李玉清, 武寄洲, 肖连团, 贾锁堂
2013, 62 (22): 223301. doi: 10.7498/aps.62.223301
摘要 +
利用调制的俘获损耗光谱技术实验测量了超冷铯分子纯长程0g-态的高分辨光谱. 采用双光缔合光谱技术构建了精确的频率差参考信号, 对转动能级的共振频率间隔进行了精确的标定, 获得了转动能级频率间隔与转动量子数的关系. 通过将实验数据拟合到非刚性转动模型, 获得了超冷铯分子纯长程0g-态不同振动态的转动常数. 实验结果表明转动常数随振动量子数的增加而线性减小, 线性递减率为-0.41 MHz0.01 MHz.
Debye等离子体中高能H++H碰撞激发过程的研究
孙天淼, 祁月盈, 叶丹丹, 宁丽娜
2013, 62 (22): 223401. doi: 10.7498/aps.62.223401
摘要 +
利用碰撞参数玻恩近似方法研究了Debye 等离子体环境中高能H++H的碰撞激发过程, 研究了不同Debye 半径下氢原子1s → 2p 的激发耦合相互作用矩阵元、入射粒子能量为160 keV/u 的激发电子跃迁概率以及入射粒子能量范围为100–1000 keV/u 的碰撞激发截面. 结果表明: 随着屏蔽效应的增强, 激发截面减小. 根据激发截面的公式以及计算结果详细分析了引起激发截面减少的原因. 入射粒子与激发电子之间的屏蔽相互作用势和靶的电子结构(波函数和能级) 对激发截面都有很重要的影响.
准经典轨线法研究交换反应H(D)+SH/SD的动力学性质
徐国亮, 刘培, 刘彦磊, 张琳, 刘玉芳
2013, 62 (22): 223402. doi: 10.7498/aps.62.223402
摘要 +
硫在氢气中的燃烧反应在气象化学、燃烧反应和大气污染中都扮演着重要的角色, 近年来一直受到广泛关注, 其逆反应也渐渐成为人们的研究对象. 以L 等得到的精确势能面(L S J, Zhang P Y, Han K L, He G Z 2012 J. Chem. Phys. 136 94308) 为基础, 用准经典轨线法对交换反应H(D)+SH/SD的动力学性质进行了研究. 计算了包括反应截面、速率常数、不透明函数、产物振动和转动分布等在内 的标量性质和包括产物散射方向、转动角动量定向和取向性质在内的矢量性质. 详细分析了碰撞能量和同位素效应对反应H(D)+SH/SD 的动力学性质的影响. 结果表明, 随着碰撞能量的增加, 反应截面逐渐增大, 产物的后向散射逐渐减弱, 产物转动角动量的取向和定向性质逐渐增强; 另外, 同位素效应对反应的动力学性质也有明显的影响. 以反应动力学性质和势能面为基础, 详细讨论了反应H(D)+SH/SD 的反应机制.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
用改进的传输线算法计算水平层状横向同性地层中海洋可控源电磁响应
汪建勋, 汪宏年, 周建美, 杨守文, 刘晓军, 殷长春
2013, 62 (22): 224101. doi: 10.7498/aps.62.224101
摘要 +
利用二维Fourier变换与电磁场分解技术将层状横向同性地层中Maxwell方程转化成两个独立的关于横磁(TM)波和横电(TE)波的传输线方程; 借助传输线理论与叠加原理, 仅利用电流源传输线Green函数得到TM波和TE波的解, 改进传输线算法, 建立横向同性地层中频率-波数域电流源电场和磁场并矢Green函数的新算法与新的解析表达式, 提高海洋可控源电磁响应数值模拟效率. 在此基础上, 利用传输线Green函数的基本解以及边界条件, 推导出广义反射系数与振幅递推公式, 得到各个地层中传输线Green函数的解析解; 然后利用Fourier逆变换与Bessel公式将海洋可控源电磁响应表示为Sommerfeld形式的积分, 借助三次样条插值与Lommel积分公式快速计算其数值解. 通过数值模拟结果考察工作频率以及地层各向异性电阻率变化等对海洋电磁响应的影响.
参数激励与晶体摆动场辐射的稳定性
李秀平, 王善进, 陈琼, 罗诗裕
2013, 62 (22): 224102. doi: 10.7498/aps.62.224102
摘要 +
寻找新光源, 特别是短波长相干光源备受关注. 本文讨论了晶体摆动场辐射作为短波长激光的可能性和必须满足的基本条件; 指出了至今尚未获得可利用的短波长激光可能不只是技术原因, 而且还有物理原因. 利用参数激励方法对这个问题进行了分析. 在经典力学框架内和偶极近似下, 引入正弦平方势, 把粒子运动方程化为具有阻尼项和参数激励项的摆方程. 利用Melnikov方法讨论了系统的稳定性, 并对系统的临界条件进行了分析. 结果表明: 系统的稳定性与其参数有关, 只需适当调节这些参数, 系统的稳定性就可以原则上得到保证.
相干场成像技术接收镜精度对传递函数的影响
相里斌, 张文喜, 伍洲, 吕笑宇, 李杨, 周志盛, 孔新新
2013, 62 (22): 224201. doi: 10.7498/aps.62.224201
摘要 +
根据相干场成像技术(又称傅里叶望远镜)接收镜的特点, 研究了接收镜偏差对相干场成像技术光学传递函数的影响, 推导了光学传递函数与接收光路光程均方差的关系式. 该式表明相干场成像技术的光学传递函数是接收光路光程均方差与频差乘积的平方的负指数函数. 为确定接收系统精度提供了理论依据.

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基于自适应桶中功率评价函数的光纤放大器相干合成实验研究
耿超, 罗文, 谭毅, 刘红梅, 牟进博, 李新阳
2013, 62 (22): 224202. doi: 10.7498/aps.62.224202
摘要 +
光纤激光光束合成技术被公认为是实现高亮度、高光束质量激光束的优秀方法, 而激光阵列间的倾斜像差是影响合成效果的重要因素. 针对当前光束合成中存在的倾斜校正量受限问题, 提出了基于自适应桶中功率(PIB)评价函数的倾斜控制策略. 搭建了两路2 W光纤放大器的相干合成实验平台, 利用自制的压电环光纤相位调制器和自适应光纤准直器分别实现锁相和倾斜像差校正, 验证了基于自适应PIB的倾斜控制策略的可行性, 并实现了相干合成.
高斯-谢尔模光束在大气湍流中传输的相干特性研究
李成强, 张合勇, 王挺峰, 刘立生, 郭劲
2013, 62 (22): 224203. doi: 10.7498/aps.62.224203
摘要 +
文章分析了高斯-谢尔光束在大气湍流中传输时相干长度的变化, 并与真空传输做比较, 真空传输相干长度的变化只与光源参数有关, 大气湍流中传输相干长度的变化受光源参数和湍流的共同影响. 真空传输光束扩展造成相干长度增大; 大气湍流中, 传输距离较短时, 相干长度由于光源扩展而增加, 当传输距离较大时, 湍流效应增强引起相干长度下降. 因此, 单纯从相干长度方面分析大气湍流带来的影响不够完备. 为排除光源扩展影响, 利用相干长度与光斑尺度的比值进行分析, 发现大气湍流会造成比值的下降. 在数值仿真的基础上对上述结果给出了解释.
基于数字全息及复用技术的全场偏振态测试方法
马骏, 袁操今, 冯少彤, 聂守平
2013, 62 (22): 224204. doi: 10.7498/aps.62.224204
摘要 +
提出了一种在数字全息记录系统中利用偏振和角分复用技术对光场进行偏振态检测的方法. 将全息系统中的一束参考光分为偏振方向相互正交、初相位相同的两束光, 并分别与物光相同偏振方向的两个分量干涉, 形成两幅子全息图, 同时记录在一帧画面中. 为了分开记录到的物光两个分量, 系统中利用了角分复用技术, 即在两束参考光中引入不同载频, 使物光两分量的频谱位于全息图频谱面的不同区域. 通过滤波、逆傅里叶变换和衍射计算, 获取距离全息图不同位置处物光两正交分量复振幅信息. 利用复振幅信息, 可以构建被测物光的斯托克斯参量和琼斯矢量, 从而表征物光的偏振态. 实验中, 通过对一束椭圆偏振光进行偏振态测量以及对该光束在不同空间位置处的偏振态进行表征, 表明该方法可以实现光束偏振态全场测试, 并且具有较高的可靠性.
基于相干粒子数囚禁的电磁诱导光栅研究
喻松, 廖屏, 杨展予, 顾畹仪
2013, 62 (22): 224205. doi: 10.7498/aps.62.224205
摘要 +
基于相干布居囚禁,提出了一种新的电磁诱导光栅物理模型, 得到了该模型下介质极化率的解析表达式. 由于相干布居囚禁引入的原子相干性, 介质极化率会形成增益、无吸收高折射率点以及暗态三个区域. 根据该理论模型, 基于87Rb的原子能级, 提出了一种新型衍射光栅实现方案, 并进行了分析与计算. 结果表明, 在无吸收高折射率点处, 这种光栅是一种纯相位光栅, 一级衍射强度可达到0.4; 在增益区域中, 发现这种光栅是相位光栅和幅度光栅组合而成的混合型光栅, 在其最大增益点, 一级衍射效率最大可达1.26, 二级衍射效率也可增加到0.31.
2.0 μm处CO2高温谱线参数测量研究
陈玖英, 刘建国, 何亚柏, 王辽, 冮强, 许振宇, 姚路, 袁松, 阮俊, 何俊峰, 戴云海, 阚瑞峰
2013, 62 (22): 224206. doi: 10.7498/aps.62.224206
摘要 +
研究高温下待测气体的谱线属性, 如谱线强度、自加宽系数、空气加宽系数、温度系数等, 为高温环境中可调谐半导体激光吸收光谱技术反演温度、浓度、速度及其场分布提高精度和可靠性起着十分重要的作用. HITEMP数据库中的数据基本上是理论计算结果, 与实际情况存在相当的误差. 为了获得所选2.0 μm处的可用于燃烧诊断的CO2谱线参数, 本文采用半导体激光器作为光源, 结合实验室的高温测量系统, 记录了700–1300 K温度范围内所选谱线的高温吸收光谱, 获得了各谱线在相应温度下的谱线强度、自展宽系数及温度系数等谱线参数. 测量得到CO2的5006.978 cm-1和5007.7874 cm-1谱线强度与理论计算值相对误差小于11%; 获得了现有数据库缺少的温度系数和高温下自展宽系数数据. 所有各项参数对以后将要进行的燃烧诊断中的CO2浓度检测有很大帮助.
976 nm激光抽运二氧化硅微球级联拉曼散射激光的研究
张培进, 黄玉, 郭长磊, 黄衍堂
2013, 62 (22): 224207. doi: 10.7498/aps.62.224207
摘要 +
利用电极放电产生的电弧高温熔融二氧化硅单锥细纤, 熔融的二氧化硅在表面张力作用下形成表面光滑的微球, 完成高品质因子微球腔的制备. 将976 nm激光通过锥光纤以倏逝场方式高效耦合入微球, 研究具有高能量密度回廊模的微球腔中的三阶非线性现象——受激拉曼散射现象. 在实验中测得了六级级联的拉曼散射激光, 各级拉曼散射激光分别测得单纵模或多纵模; 在抽运光功率不少于582.6 μW时, 测得位于1200 nm附近的拉曼散射激光; 当抽运光功率为3.014 mW时, 测得位于1287.04 nm附近的第六级拉曼散射激光.
色关联噪声对林木Logistic生长模型的影响
王国威, 徐大海, 程庆华
2013, 62 (22): 224208. doi: 10.7498/aps.62.224208
摘要 +
在林木生长Logistic模型中, 引入加性和乘性关联色噪声, 运用统一色噪声近似、刘维方程以及诺维科夫原理, 推导了近似福克-普朗克方程, 分析了相关参数对稳态概率分布函数的影响. 结果表明: 改变乘性色噪声强度D和加性色噪声强度Q均能导致稳态概率分布曲线峰值高度的改变以及峰位置的移动, 对概率密度分布呈现出漂移作用. 但是在D和Q增大的过程中, 稳态概率分布曲线峰位置的移动方向是不同的: D增大时, 峰的位置向左移动; Q增大时, 峰的位置向右移动. 另外, 当λ >0时, 随着|λ|的增大, 稳态概率分布函数峰的位置向右移动, 且峰值的高度变大; 而λλ|的增大, 稳态概率分布函数峰值的高度也变大, 而峰的位置却向左移动.
环形定子的激光致表面波机理及可视化探测研究
李方浩, 章海军, 张冬仙
2013, 62 (22): 224209. doi: 10.7498/aps.62.224209
摘要 +
开展了用于新型激光驱动马达的环形定子的激光致表面波机理及实验研究. 提出一种带有凹槽阵列结构的环形定子新设计, 建立了激光在环形定子表面激发表面波的物理模型, 揭示了影响表面波幅值的关键因素; 采用一种新颖的激光致表面波可视化探测方法, 在波长1053 nm, 脉宽30 ns, 单脉冲能量1 mJ的激光激发下, 对表面波在铜质环形定子表面的传播特性进行了可视化探测实验. 理论与实验研究表明: 当激发光斑的位置紧邻凹槽阵列时, 沿着圆环向凹槽方向传播的表面波会被齿状凹槽阵列迅速衰减和吸收, 而沿着圆环向远离凹槽方向传播的表面波能够持续传递, 从而首次实现了激光致表面波在环形定子上的单向传播; 而对没有凹槽阵列结构的圆环进行的对比实验表明, 激光致表面波在圆环表面双向传播, 最终因相互混叠和串扰等而处于混乱状态. 由激光在该种环形定子表面激发出的单向表面波, 可望在光致表面波马达及驱动机构中获得应用.
基于双平行马赫曾德调制器的动态可调光载波边带比光单边带调制:理论分析与实验研究
李晶, 宁提纲, 裴丽, 简伟, 油海东, 陈宏尧, 张婵, 李超
2013, 62 (22): 224210. doi: 10.7498/aps.62.224210
摘要 +
理论分析并实验研究了一种基于双平行马赫曾德调制器(DP-MZM)具有动态光载波边带比(OCSR)调谐能力的光单边带(OSSB) 调制实现方案, 方案利用DP-MZM内部集成的三个独立的调制单元, 分别实现OSSB调制、光载波移相和光信号干涉, 最终, 仅需改变调制器的一个偏置点, 就实现了OCSR的动态调谐, 实验得到了小信号调制(调制系数m=0.2)下, OCSR的可调范围-20.8–23.5 dB. 并分析了OCSR与射频功率之间的对应关系, 通过本方案调谐至最佳的OCSR可提高模拟光链路接收灵敏度.
激光诱导AlO自由基B2+X2+跃迁光谱研究
郭连波, 郝荣飞, 郝中骐, 李阔湖, 沈萌, 任昭, 李祥友, 曾晓雁
2013, 62 (22): 224211. doi: 10.7498/aps.62.224211
摘要 +
基于激光诱导击穿光谱技术, 利用Nd:YAG脉冲激光激发Al2O3 (含量为99%)陶瓷片产生等离子体, 获得了AlO自由基B2+X2+跃迁的33条发射谱线. 就AlO自由基光谱的时间演化规律和激光能量对谱线的影响规律进行了研究与分析. 结果表明, AlO自由基光谱出现在Al原子和Al离子光谱之后, 且持续时间较长. 当激光的脉冲能量由10 mJ起不断增加时, AlO自由基光谱强度逐渐减小, 且最大值出现时间随激光能量的增加而后移. 在此基础上, 进行了陶瓷等离子体在空气和氩气环境下的对比试验, 发现从Al2O3陶瓷片中激发所产生的AlO自由基必须有空气中O2参与反应.
基于差分Pattern时延差编码和海豚whistles信号的仿生水声通信技术研究
韩笑, 殷敬伟, 郭龙祥, 张晓
2013, 62 (22): 224301. doi: 10.7498/aps.62.224301
摘要 +
为解决传统的隐蔽水声通信方法带来的通信性能降低问题, 提出了一种将差分 Pattern 时延差编码通信体制与海豚whistles信号相结合的仿生水声通信技术. 海豚whistles信号频带较窄且各信息码元间隔不等、码元之间互相关性较弱, 选取whistles信号作同步码和Pattern 码, 并以相邻whistles信号之间的时延差值携带信息. 这种仿生的水声通信信号不易被敌方探测、截获, 且差分Pattern时延差特殊的编码方式也不易使信息被破译, 因此该水声通信技术具有较强的隐蔽性和保密性, 且在抗码间干扰以及抗多普勒效应方面具有优异性能. 本文对系统进行了水池实验, 在信噪比为0 dB、存在相对运动时实现了通信速率为67 bit/s的低误码数据传输, 验证了系统的有效性、稳健性和隐蔽性.
正交多载波M元循环移位键控扩频水声通信
尹艳玲, 周锋, 乔钢, 刘凇佐
2013, 62 (22): 224302. doi: 10.7498/aps.62.224302
摘要 +
针对水声扩频通信中频带利用率低的问题, 提出了一种M元扩频技术和循环移位键控(CSK)技术相结合的多载波调制方式, 将M元扩频后选择的扩频码同时采用CSK调制, 并调制在多个正交的载波上, 显著提高了频带利用率. 在水声多途信道下, 采用相同的通信速率和带宽, m序列、Kasami小集合序列和Gold序列为扩频码时, 比较了系统的误码性能. 仿真结果和实验结果均表明, m序列为扩频码时性能最优, Gold序列性能最差. 由于m序列数量有限, 为了进一步提高通信速率, 并使其他序列的性能接近m序列性能, 提出了一种复合序列抑制载波间干扰的算法, 该算法能够很好抑制多途干扰, 使复合序列性能接近m序列的性能.
利用时域波形快速反演海底单参数的方法
屈科, 胡长青, 赵梅
2013, 62 (22): 224303. doi: 10.7498/aps.62.224303
摘要 +
海底单参数反演由于反演维数少, 较之多维反演具有实施简单快捷的优点. 首先定义小掠射角下反射损失随掠射角变化率FdB为单个参数描述海底性质, 构建单参数反演模型; 其次, 从简正波与射线理论出发, 对时域脉冲波形与海底反射性质之间的关系进行了推导, 并讨论衰减机制; 最后, 基于该关系设计出利用最小二乘法对时域波形进行反演的方法. 对北黄海实验数据进行了实际反演, 通过海底采样验证反演结果对海底性质估计的正确性, 同时基于反演结果的传播损失预报值与实测值符合良好. 该方法实施仅需要单个水听器, 待测物理量少, 所获结果较为可靠, 且能满足大多数应用的需要.
等直径微液滴碰撞过程的改进光滑粒子动力学模拟
蒋涛, 陆林广, 陆伟刚
2013, 62 (22): 224701. doi: 10.7498/aps.62.224701
摘要 +
运用一种改进光滑粒子动力学(SPH)方法模拟了相溶和不相溶两种情况下的等直径微液滴碰撞动力学过程. 为提高传统SPH方法的数值精度和稳定性, 采用一种不涉及核导数计算的核梯度改进形式; 为处理液滴界面张力采用修正的van der Waals表面张力模型. 通过模拟牛顿液滴碰撞聚并变形过程并与相关文献或试验结果进行对比, 验证了改进SPH 方法模拟微液滴碰撞过程的可靠性. 随后, 研究了基于van der Waals模型相溶聚合物微液滴碰撞聚并变形过程及不相溶微液滴碰撞后的反弹、分离过程, 讨论了碰撞过程中碰撞速度、碰撞角度、密度比等参数对碰撞变形过程的影响, 分析了流体桥、旋转角度等因素的变化情况.
亚微秒脉冲表面介质阻挡放电等离子体诱导连续漩涡的研究
车学科, 聂万胜, 周朋辉, 何浩波, 田希晖, 周思引
2013, 62 (22): 224702. doi: 10.7498/aps.62.224702
摘要 +
使用粒子激光图像测速技术对亚微秒脉冲激励表面介质阻挡放电激励器连续产生诱导漩涡进行了实验研究, 给出了包含脉冲重复频率和漩涡频率的双频率激励模式的具体形式. 实验过程中出现了原发型与继发型两类示踪粒子空白区, 前者由放电释热的微爆炸作用造成, 使得诱导流动远离壁面, 能够减小壁面摩擦阻力的作用; 以暴露电极左侧继发型空白区被完全吹除作为重复启动激励的临界点. 为提高控制效果应采用尽可能高的脉冲重复频率, 漩涡时间内脉冲数量应大于10, 最大诱导速度随脉冲数量增大而增大, 但动量传递效率降低. 使用亚微秒脉冲激励具备释热、体积力两种作用机理.
无阀微泵腔内气泡对周期驱动压力的影响
蒋丹, 李松晶, 杨平
2013, 62 (22): 224703. doi: 10.7498/aps.62.224703
摘要 +
气泡的存在使无阀微泵的工作性能和使用寿命大大降低, 甚至无法正常工作. 为了合理地预测无阀微泵腔内气泡对周期驱动压力的影响, 给出了用来描述收缩管/扩张管型无阀压电微泵的数学模型, 包括泵腔体积变化、连续性方程、流体有效体积弹性模量以及锥管阻力系数的计算. 同时, 分析了腔内不同气泡体积对无阀微泵周期驱动压力的影响, 并对两个气泡进入无阀微泵泵腔时压力脉动过程进行了仿真和试验研究. 通过仿真结果与试验数据的比较表明, 所提出的存在气泡时无阀微泵数学模型及仿真方法是合理的.
气体、等离子体和放电物理
航空发动机喷流起电机理建模与试验研究
朱利, 刘尚合, 郑会志, 魏明, 胡小锋, 索罗金·安德烈
2013, 62 (22): 225201. doi: 10.7498/aps.62.225201
摘要 +
以研究航空发动机喷流起电的机理以及喷流起电对飞行器整体带电特性的影响为目的, 对起电机理进行了建模和实验验证. 首先以流体运动方程为基础, 建立了航空发动机带电粒子浓度的动态仿真模型, 仿真得到发动机燃烧过程中的各类粒子浓度变化情况. 其次, 设计了用于发动机喷流起电探测的静电感应传感器, 对装配涡扇发动机的某型飞行器进行了地面试验测试, 得到了发动机启动、稳定运行、加速、减速、停止等状态的动态电位. 仿真及实验结果详细地描述了发动机喷流起电的机理, 以及喷流起电会使飞行器带负电的结论, 为进一步分析飞行器飞行过程中整体带电特性提供了指导.
基于高斯型脉冲的非线性Ramsey干涉
陈超, 田钢, 于术娟, 杨世平
2013, 62 (22): 225202. doi: 10.7498/aps.62.225202
摘要 +
基于非线性Rosen-Zener隧穿理论, 利用高斯型脉冲研究了双势阱玻色-爱因斯坦凝聚体的非线性Ramsey干涉. 通过数值模拟得到了丰富的非线性Ramsey干涉图样, 分别讨论了粒子间相互作用和高斯型脉冲的周期对干涉图样的影响. 通过哈密顿正则关系得到了干涉条纹的基频表达式, 并借助傅里叶变换对Ramsey干涉条纹的频率进行分析, 得到了干涉条纹的基频随粒子间相互作用及脉冲周期的变化关系. 比较数值和解析结果发现两者符合得很好.
脉冲辐射成像绝对测量方法研究
赵吉祯, 欧阳晓平, 盛亮, 魏福利, 张美
2013, 62 (22): 225203. doi: 10.7498/aps.62.225203
摘要 +
设计了一种高透过率、能量响应平坦的探测器, 利用该探测器将脉冲射线源图像与射线强度直接关联, 简化了图像诊断系统绝对测量的标定环节, 建立了脉冲辐射源图像诊断定量化的新技术方法. 实验表明, 由该方法得到的射线绝对强度的不确定度为33%.
间接驱动的内爆不对称性随腔长和时间变化的研究
黎航, 蒲昱东, 景龙飞, 林雉伟, 陈伯伦, 蒋炜, 周近宇, 黄天晅, 张海鹰, 于瑞珍, 张继彦, 缪文勇, 郑志坚, 曹柱荣, 杨家敏, 刘慎业, 江少恩, 丁永坤, 况龙钰, 胡广月, 郑坚
2013, 62 (22): 225204. doi: 10.7498/aps.62.225204
摘要 +
在激光间接驱动惯性约束聚变中, 为达到高密度压缩以实现点火, 对靶丸内爆对称性和黑腔辐射场均匀性有严格的要求. 为了研究内爆不对称性随腔长和时间的变化, 实验中采用了三种不同尺寸的黑腔, 利用X光分幅相机观测了靶丸燃料区自发光, 获得了压缩变形过程和椭圆度变化规律, 初步判断了在三种腔型中腔长1700 μm 的黑腔较接近神光Ⅲ原型装置内爆对称性要求. 根据视角因子程序计算得到辐射流不对称性随时间变化情况, 通过一个简化的解析模型推导出内爆形变不对称性随时间变化过程, 与实验结果大致符合. 由此进一步分析了黑腔辐射场不均匀性的演化导致内爆不对称性随腔长和时间变化的物理机制.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
混合排列向列相液晶薄盒中1/2向错引起的有序重构的扩散
路丽霞, 张志东, 周璇
2013, 62 (22): 226101. doi: 10.7498/aps.62.226101
摘要 +
基于Landau-de Gennes理论, 利用松弛迭代法, 研究了混合排列向列相液晶薄盒中1/2向错引起的有序重构的扩散现象, 给出了1/2向错的核结构、双轴性结构, 以及盒厚减小时有序重构的扩散. 当盒厚小于15时, 随着盒厚的减小, 向错范围和有序重构区域沿基板方向迅速扩散; 当盒厚减小到临界厚度10时, 有序重构的范围扩散到整个液晶盒中, 以向错中心所对应的平面为界, 指向矢一部分垂面排列, 另一部分沿面排列. 本文的研究对拓扑缺陷对向列相液晶中的亚微米胶体粒子的调节作用具有一定的理论指导意义.

编辑推荐

碳纳米管电缆式复合材料的热导率
唐晶晶, 冯妍卉, 李威, 崔柳, 张欣欣
2013, 62 (22): 226102. doi: 10.7498/aps.62.226102
摘要 +
通过非平衡分子动力学方法, 对单壁碳管填充金纳米线的碳纳米管电缆式复合材料开展热导率的模拟分析. 采用Tersoff势函数描述碳-碳原子间的相互作用, Lennard-Jones长程作用势描述碳-金原子间的相互作用, 嵌入原子势函数描述金-金原子间相互作用. 研究结果表明: 相同尺寸下, 金纳米线的电子热导率相较于空碳管以及电缆式复合材料的声子热导率小很多, 对复合材料总热导率的贡献可以忽略; 由于管内金纳米线的存在, 其与碳管的相互作用使得碳管碳原子倾向于沿着轴向振动, 声子间U散射随之减少, 声子平均自由程增加, 导致复合材料热导率明显大于空碳管, 在100500 K温度范围内高出约20%45%, 但增大幅度随温升呈降低趋势; 复合材料热导率随着管长增加而增大, 变化趋势和空碳管相似, 但其增长幅度更大; 复合材料和空碳管的热导率随管径增大而减小, 且变化幅度基本一致.
沉淀剂对ZnO压敏陶瓷缺陷结构和电气性能的影响
王辉, 蔺家骏, 何锦强, 廖永力, 李盛涛
2013, 62 (22): 226103. doi: 10.7498/aps.62.226103
摘要 +
研究了不同沉淀剂(NH4HCO3和NaOH)对共沉淀法制备的ZnO压敏陶瓷性能的影响. 结果表明: 不同的沉淀剂对ZnO压敏陶瓷的微观结构及电气性能有明显的影响. 其中陶瓷微观结构的变化主要由沉淀剂本身的性质引起; 而电气性能的改变除了与微观结构相关外, 主要受不同沉淀剂对陶瓷晶界势垒参数的影响; 此外, 沉淀剂NaOH引入的Na+作为施主杂质离子掺杂ZnO压敏陶瓷, 增加晶粒中的自由电子浓度, 因此本征缺陷(锌填隙和氧空位)浓度受到抑制, 而锌填隙浓度相对于氧空位而言对施主离子掺杂更为敏感. 由此, 采用共沉淀法制备ZnO压敏陶瓷粉体时, 沉淀剂种类的选择很重要, 即使微量的杂质也会引起压敏陶瓷性能的较大改变, 应尽可能避免杂质离子的引入.
动态损伤演化的空间不连续性实验研究
彭辉, 李平, 裴晓阳, 贺红亮, 程和平, 祁美兰
2013, 62 (22): 226201. doi: 10.7498/aps.62.226201
摘要 +
对冲击加载下高纯铝的损伤演化进行了实验研究. 利用基于白光轴向色差的表面轮廓测试技术测试冲击加载“软回收”的样品截面, 对测试结果进行三维重构和损伤量化计算. 结果表明: 受到孔洞形核效应、尺寸效应和应力松弛作用, 在损伤演化早期, 损伤度随着空间的分布是不连续的, 除最大损伤度以外还存在一个次高峰. 在损伤演化后期, 受到贯穿作用的影响, 损伤度增量随空间的分布也是不连续的, 贯穿区域损伤度迅速增加, 损伤度曲线的次高峰特征消失.
Ga1-xInxNyAs1-y/GaAs量子阱中电子-LO声子的散射率
陈茜, 王海龙, 汪辉, 龚谦, 宋志棠
2013, 62 (22): 226301. doi: 10.7498/aps.62.226301
摘要 +
在有效质量近似下利用打靶法求出Ga1-xInxNyAs1-y/GaAs量子阱中的本征能级En, 并通过费米黄金规则计算电子-LO声子由第一激发态到基态的散射率和平均散射率随温度、阱宽以及氮(N)和铟(In)组分变化的规律. 计算结果表明: 在In 组分恒定的情况下, 随着N组分的增加, 散射率和平均散射率增加; 在N组分恒定的情况下, 随着In组分的增加, 散射率和平均散射率减小; 随着温度的增加, 在温度较低时散射率和平均散射率随温度的增加变化不大, 在温度较高时随温度的增加而增加; 随着阱宽的增加, 散射率和平均散射率都是先增加到一个最大值, 然后再减小, 最大值出现在阱宽200 Å附近. 计算结果对Ga1-xInxNyAs1-y/GaAs量子阱在光电子器件应用方面有一定的指导意义.
InAs(001)表面脱氧动力学分析
魏文喆, 郭祥, 刘珂, 王一, 罗子江, 周清, 王继红, 丁召
2013, 62 (22): 226801. doi: 10.7498/aps.62.226801
摘要 +
利用反射式高能电子衍射(RHEED)实时监控对InAs衬底进行两步完全脱氧的过程, 对比了有低(高)砷等效束流压强保护下采用两步法对InAs衬底缓慢长时间的高温脱氧过程. InAs衬底两步完全脱氧法的第一步为传统的缓慢升温脱氧方法, 第二步为高温In束流辅助脱氧方法. 衬底高温脱氧的RHEED衍射图样说明了高温In束流辅助脱氧最终完全清除传统的缓慢升温法无法去掉的残留氧化物, 通过脱氧完成同质外延生长后的扫描隧道显微镜图像, 说明高砷等效束流压强保护下的脱氧方法是可行的; 分析了高温In束流能完全清除衬底表面残余In氧化物的原理.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
正交多铁性材料DyMnO3的磁性质研究
王美娜, 李英, 王天兴, 刘国栋
2013, 62 (22): 227101. doi: 10.7498/aps.62.227101
摘要 +
基于密度泛函理论结合投影缀加平面波方法, 通过VASP软件包执行计算, 在分别考虑电子自旋阻挫共线与非共线的磁性结构基础上, 研究了正交结构下多铁性DyMnO3材料在不同磁性构型下的晶格参数、总能、磁性、电子态密度和能带结构. 计算过程中选取广义梯度近似赝势, 同时使用局域自旋密度近似+U方法处理强关联作用下3d电子的计算结果. 计算结果表明: Mn离子为A型反铁磁态磁性构型的情况下能量最低结构最为稳定, Dy稀土离子磁性甚微, 可忽略不计; 当考虑电子自旋为非共线排列时, 正交DyMnO3的总能提高、磁矩增大; 从电子结构图分析可知, 材料为间接能隙绝缘体, 能隙宽度约为0.38 eV, 加U后为1.36 eV, 导致晶格畸变的主要原因为Mn-3d与O-2p电子之间强烈的杂化作用.
高温氢退火还原V2O5制备二氧化钒薄膜及其性能的研究
杨鑫鑫, 魏晓旭, 王军转, 施毅, 郑有炓
2013, 62 (22): 227201. doi: 10.7498/aps.62.227201
摘要 +
过渡金属氧化物二氧化钒(VO2)在温度340 K附近会发生金属绝缘体的转变(metal-insulator transition, MIT). 基于金属绝缘体的转变性质, VO2薄膜材料具有很好的应用前景. 本文首先采用脉冲激光沉积制备了高质量的V2O5薄膜, 再通过高温氢退火还原V2O5薄膜制备出VO2多晶薄膜. 研究了不同的退火温度、退火时间、退火气氛对VO2薄膜制备的影响, 采用X射线衍射、X射线光电子能谱、变温电阻特性测量等手段对样品进行分析, 发现在H2(5%)/Ar退火气氛下, 在一定的退火温度范围内(500–525 ℃), 退火 3 h, 得到了B相和M相共存的VO2薄膜, 具有M相的VO2的MIT特性, 而相同退火温度下退火时间达到4.5 h, 薄膜完全变成B相的VO2. 通过纯Ar气氛下对B相VO2再退火, 得到了转变温度为350 K, 电阻突变接近4个数量级的M相的VO2薄膜. 实现了VO2的B相和M相的相互转变.
辅助永磁体磁化方式对单畴GdBCO超导块材捕获磁场分布及其磁悬浮力的影响
马俊, 杨万民, 王妙, 陈森林, 冯忠岭
2013, 62 (22): 227401. doi: 10.7498/aps.62.227401
摘要 +
通过对方形永磁体和方形辅助永磁体在液氮温度下对GdBCO超导体磁化后超导磁悬浮力的测量, 研究了两种组态中方形辅助永磁体对超导体的磁化方式对单畴GdBCO超导块材磁场分布及其磁悬浮力的影响. 结果发现, 方形辅助永磁体的下表面和超导体上表面保持在同一个水平面上, 磁化进程中方形辅助永磁体在GdBCO超导体上表面水平面内沿直径方向的位置x从–15 mm增加到+15 mm时, 超导磁悬浮力大小与超导体的磁化方式有着密切关系(以Z=0.1 mm为例): 1) 当方形辅助永磁体N极垂直向上且场冷后去掉辅助永磁体时, 超导体最大磁悬浮力先从16.7 N增大到23.1 N, 再减小到16.6 N; 2) 当方形辅助永磁体N极垂直向下且场冷后去掉辅助永磁体时, 超导体最大磁悬浮力先从17.7 N减小到7 N, 再增加到17.6 N; 3) 两种组态中最大磁悬浮力不相等, 而且与零场冷下的最大磁悬浮力(17.1 N)也不同. 这些结果说明: 只有通过科学合理地设计超导体和永磁体的组合方式, 才能获得较高的磁场强度, 有效地提高超导体的磁悬浮力特性, 该结果对促进超导体的应用具有重要的指导意义.
强磁场对不同厚度Fe80Ni20薄膜的微观结构及磁性能的影响
曹永泽, 李国建, 王强, 马永会, 王慧敏, 赫冀成
2013, 62 (22): 227501. doi: 10.7498/aps.62.227501
摘要 +
有无6 T强磁场条件下利用分子束气相沉积方法制备了不同厚度的Fe80Ni20薄膜. 研究发现, 薄膜的面内矫顽力随厚度增加而降低且符合Neel理论; 矩形比随厚度的增加先快速增大后缓慢降低; 6 T磁场抑制了颗粒团聚及异常长大, 并降低了薄膜表面的粗糙度, 这使薄膜的矫顽力要小于无磁场作用的薄膜, 矩形比大于无磁场作用的薄膜; 而且薄膜在垂直于基片表面的6 T磁场作用下由0 T下的面内磁各向异性转变为磁各向同性.
易轴取向对Nd2Fe14B/α-Fe双层膜退磁过程影响的微磁学分析
夏静, 张溪超, 赵国平
2013, 62 (22): 227502. doi: 10.7498/aps.62.227502
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运用一维和三维微磁学模拟探究了易轴与外场存在偏角β情况下Nd2Fe14B/α-Fe 双层膜的磁矩反转过程, 计算了磁矩反转过程中磁滞回线和磁能积, 并与实验结果进行了对比. 计算结果表明, 在膜面内的易轴偏角β严重影响磁矩反转过程. 当β≠0°时, 磁矩反转过程中无明显成核现象, 随着易轴偏角β的增大, 剩磁显著减小, 磁滞回线方形度变差, 导致磁能积急剧减小. 对于Nd2Fe14B(10 nm)/α-Fe(8 nm)双层膜, β=10°时, 最大磁能积下降30.3%. 在磁矩反转过程中, 总能量最大时对应的外磁场能随易轴偏角的增大而减小, 交换作用能先增大后减小, 磁晶各向异性能则随着易轴偏角的增大而增大. 软磁相厚度越大, 双层膜的磁能积受易轴偏角影响越大. 在膜面外的易轴偏角对磁矩反转过程也有类似的影响.
铁磁非铁磁夹层中电子自旋波的传输及应用
郑勇林, 王晓茜, 葛泽玲, 郭红力, 严刚峰, 戴松晖, 朱晓玲, 田晓滨
2013, 62 (22): 227701. doi: 10.7498/aps.62.227701
摘要 +
建立了有限对一维铁磁性和非磁性层交错组成的周期系统, 应用布洛赫自旋波量子理论, 研究了该系统的基本性质及电子波函数散射特征对交错层数量依赖的关系. 研究发现: 在系统中电子波函数可表示为无限周期系统中转换矩阵特征向量的叠加或类布洛赫函数, 解此函数可得到任意层数系统的单色波散射的精确解. 在此基础上, 导出了电子波函数在周期系统中反射系数和透射系数对能量的依赖关系. 对光谱窗口的计算发现其势能和宽度几乎与全反射区域一样. 该系统由于高能量的传输和在电子自旋方向上对交换能的依赖而可能用于自旋滤波器.
低能氢粒子沿不同角度轰击钨(001)表面的反射概率及入射深度分布的分子动力学研究
郭龙婷, 孙继忠, 黄艳, 刘升光, 王德真
2013, 62 (22): 227901. doi: 10.7498/aps.62.227901
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采用分子动力学方法对低能(0.5–50.0 eV)氢粒子 与钨表面的相互作用进行了模拟研究.研究发现, 当氢粒子垂直入射, 能量为0.5–20.0 eV时, 粒子滞留在钨内部的概率急速增加, 在整个模拟能量区间内, 发生反射过程的概率逐渐减少, 但反射过程始终占主导. 改变粒子的入射角度, 在某些能量范围内滞留概率虽有所增加, 但氢原子被反射现象仍然占主导. 通过进一步观察低能氢粒子在钨块内的入射深度和能量变化, 计算出其在钨块中的能量沉积分布. 这些结果对理解聚变反应中 钨材料的选用优势以及氢或氢同位素滞留有重大意义. 此外, 在所研究的能量范围内, 分子动力学方法的模拟结果与以二体理论为基础的TRIM程序的模拟结果之间有明显差异, 说明传统的二体碰撞理论不能很好地描述低能碰撞问题.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
双钨极耦合电弧数值模拟
王新鑫, 樊丁, 黄健康, 黄勇
2013, 62 (22): 228101. doi: 10.7498/aps.62.228101
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基于流体力学方程组和麦克斯韦方程组, 在合理的边界条件下, 建立了双钨极耦合电弧三维准静态数学模型. 通过对方程组的迭代求解, 获得了不同钨极间距和电弧长度下耦合电弧的温度场、流场、电弧压力和电流密度分布等重要结果, 与已有的实验研究符合良好. 模拟结果表明: 与相同条件下的钨极惰性气体保护焊电弧相比, 双钨极耦合电弧的最高温度和最大等离子流速较低, 阳极表面电弧压力和电流密度峰值明显减小; 钨极间距和弧长对耦合电弧的温度场、流场、电流密度和电弧压力等都具有显著的影响, 且耦合电弧阳极的电弧压力和电流密度分布不能用高斯近似进行描述.
单载流子传输的双异质结光敏晶体管探测器的研究
霍文娟, 谢红云, 梁松, 张万荣, 江之韵, 陈翔, 鲁东
2013, 62 (22): 228501. doi: 10.7498/aps.62.228501
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基于器件仿真器Atlas, 建立了InP/InGaAsP单向载流子传输的双异质结光敏晶体管(UTC-DHPT)的二维模型, 分析讨论了器件性能与外延结构参数的关系. 设计出同时具有高响应度(≥17.93 A/W)和高特征频率(≥121.68 GHz)的UTC-DHPT, 缓解了传统的异质结光敏晶体管光电探测器中探测效率和工作速度的矛盾.
基于ITO/聚甲基丙烯酸甲酯/Al的有机阻变存储器SPICE仿真
容佳玲, 陈赟汉, 周洁, 张雪, 王立, 曹进
2013, 62 (22): 228502. doi: 10.7498/aps.62.228502
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探索了ITO/PMMA/Al器件的阻变机理及其SPICE电路仿真, 通过优化聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层退火温度, 器件可实现连续擦-读-写-读操作. 基于不同退火温度PMMA薄膜的表面形貌研究, 构建了单层有机阻变器件的非线性电荷漂移模型, 以及描述该模型掺杂区界面移动的状态方程, 并通过反馈控制积分器建立了SPICE仿真电路. 最后, 代入器件实际测量参数, 得到与器件实际结果基本一致的电流-电压模拟曲线. 结果验证了单层有机器件的阻变机理, 说明该非线性电荷漂移模型的SPICE仿真在有机阻变器件仿真中同样适用.
地球物理学、天文学和天体物理学
中国冬季区域性极端低温事件分类及其与气候指数极端性的联系
王晓娟, 沈柏竹, 龚志强, 封国林
2013, 62 (22): 229201. doi: 10.7498/aps.62.229201
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基于区域性极端低温事件客观识别技术, 对1951–2010年中国冬季的区域性极端低温事件进行客观识别. 根据事件的空间分布特征, 将综合指数前60位的事件划分为全国型、东部型、东北-华北型、华北-华南型、北方型和西北-华南型六类; 通过分析不同区域类型低温事件形成的环流背景场验证了分类的有效性. 在此基础上, 以1971年1月21日开始的典型事件为例, 分析了事件对应的海温场、高度场和风场的异常, 确定与区域性极端低温事件联系较密切的可能气候因子, 进而分析不同类型事件与各气候指数异常的对应关系. 总体而言, 赤道中东太平洋海温指数异常偏小、北太平洋涛动指数异常偏小、北极涛动指数异常偏小和冬季风异常偏强时, 发生区域性极端低温事件的概率较高; 且这四种指数的历年冬季平均值达到15%(或85%)极端阈值的年份中, 发生区域性极端低温事件的百分率分别达到80.0%, 77.8%, 60.0%和62.5%, 从而为区域性极端低温事件的诊断和预测研究等提供了一定的参考.
空间站快速充电效应的物理过程及特征
黄建国, 易忠, 孟立飞, 赵华, 刘业楠
2013, 62 (22): 229401. doi: 10.7498/aps.62.229401
摘要 +
“快速充电事件”是国际空间站2006年首次观测到的一种充电现象, 在出地影瞬间的1–3 s内航天器结构体被迅速充到-30–-70 V的负电位, 显著超过空间站的安全设计标准, 一度引起国际航天界的关注. 目前国际上对“快速带电”的研究尚不充分. 基于Furguson等的研究, 本文建立了快速充电的物理模型, 对快速充电的机理和规律给出了合理的解释. 计算及分析结果表明: 快速充电是在航天器出地影瞬间由高压太阳电池阵的光伏激发过程驱动的, 是一种非平衡态的充电过程; 快速充电脉冲主要是由于在太阳帆板电压的快速启动过程中帆板上 的电子充电电流未及时被玻璃盖片的充电所阻塞而导致的, 当快速充电过程达到平衡时便表现为“正常充电事件”; 快速充电的幅度主要取决于太阳帆板电压的启动时间、启动方式等, 因此表现出一定的离散性, 但随着等离子体密度的增大而衰减, 与国际空间站观测结果一致.
电离层调制加热产生极低频/甚低频波定向辐射的理论分析
郝书吉, 李清亮, 杨巨涛, 吴振森
2013, 62 (22): 229402. doi: 10.7498/aps.62.229402
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通过低电离层调制加热能够产生极低频/甚低频(ELF/VLF)波. 基于调制加热理论, 并引入相控阵天线思想, 建立了通过双波束幅度调制模式(DAM)和圆形几何调制模式(CGM)产生ELF/VLF波的定向辐射模型, 并通过与实验数据的对比验证了模型的正确性. 据此模型, 采用HARRP加热阵参数, 对比分析了上述两种定向辐射模式与常规幅度调制模式(AM)之间的特性差异, 并研究了调制频率(fELF/VLF)和加热波束与垂直方向倾角(ψ)对各模式的影响. 结果表明: 相对AM模式, 通过合理设置初始相位、fELF/VLF和ψ, DAM 模式和CGM模式在实现ELF/VLF信号定向辐射的同时还可以提高其辐射强度, 相对AM模式, CGM模式信号强度最大提高约11.3 dB.
微小空间碎片撞击诱发放电效应研究
李宏伟, 韩建伟, 蔡明辉, 吴逢时
2013, 62 (22): 229601. doi: 10.7498/aps.62.229601
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微小空间碎片超高速撞击航天器表面, 能够抛射出高密度的等离子体云团, 如果撞击发生在航天器的高充电表面或带电部件等敏感区域, 撞击等离子体将会诱发放电, 该机制已经引起了广泛的关注, 但是相关研究还十分欠缺. 本文利用等离子体驱动微小碎片加速器加速200 μm的微粒, 通过模拟实验开展微小空间碎片撞击诱发放电的研究, 获得了典型的实验结果, 对撞击诱发放电信号的特征进行了分析.