搜索

文章查询

x

Vol. 62, No. 6 (2013)

2013年03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 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
一类厄尔尼诺海-气时滞振子的渐近解
欧阳成, 林万涛, 程荣军, 莫嘉琪
2013, 62 (6): 060201. doi: 10.7498/aps.62.060201
摘要 +
研究了一类厄尔尼诺-南方涛动机制. 利用奇异摄动理论和方法求出了厄尔尼诺-南方涛动模型的外部解及初始层校正项. 从而得到问题解的渐近展开式, 并讨论了解的渐近性态.
基于电缆-无线耦合的随钻测井信号传输新方法及其数值模拟研究
朱柯斌, 聂在平, 孙向阳
2013, 62 (6): 060202. doi: 10.7498/aps.62.060202
摘要 +
信号传输是随钻测井的重要组成部分, 也是随钻测井进一步发展的瓶颈.针对这个问题, 研究了由NovatekTM提出的基于钻杆内有线传输, 钻杆间电磁耦合传输的随钻信号高速传输方法.首先, 针对钻杆间的电磁耦合结构的对称性, 采用了高效的数值模式匹配法对该耦合结构进行了电磁建模; 然后, 为了优化钻杆间耦合结构的耦合性能, 利用上述的电磁建模方法对该耦合结构进行了仿真分析, 分析了该耦合结构各个参数对耦合性能的影响, 并得出了一些有意义的结论, 该结论能够指导随钻测井信号钻杆间耦合传输的优化设计.另外, 钻杆内传输线利用矩形传输线设计, 设计出了50 Ω 特性阻抗的矩形传输线, 并计算了相关损耗.最后, 通过仿真和实验验证了优化设计的钻杆间耦合传输结构具有非常好的传输性能, 并且仿真和实验结果符合良好.
静态计算光谱成像仪图谱反演的关键数据处理技术
刘扬阳, 吕群波, 曾晓茹, 黄旻, 相里斌
2013, 62 (6): 060203. doi: 10.7498/aps.62.060203
摘要 +
静态计算光谱成像技术中图谱反演环节是实现其理论优势极为关键的一步, 是决定最终获得图谱质量优劣的数据处理技术. 本文为此专注于计算光谱的图谱反演环节,对图像压缩感知理论算法、图像重构算法、 以及针对图谱三维数据的反演算法都开展了深入的研究和比较, 并结合所研制系统的图谱数据传输全链路和工程研制过程中误差等因素进行全面详尽的仿真验证, 给出各种图谱反演算法验证、分析结果. 指出静态计算光谱成像系统研制中图谱反演环节的关键数据处理问题,适合采用的算法及其优化路线. 为顺利研制静态计算光谱成像仪,保证其理论优势的实现,提供了详实的分析、参考依据.
带有Dzyaloshinski-Mariya相互作用的两比特XXZ模型的纠缠量子热机
王涛, 黄晓理, 刘洋, 许欢
2013, 62 (6): 060301. doi: 10.7498/aps.62.060301
摘要 +
以带有Dzyaloshinski-Mariya 相互作用的两比特XXZ模型为工作物质构建纠缠量子热机. 在量子热力学平衡态下, 采用Kieu的形式描述了做功与热传递.对于不同的各向异性参数, 分析了热机循环中量子纠缠与热传递、做功以及机械效率等热力学量之间的关系. 结果表明: 在这个纠缠体系中, 热力学第二定律依然成立; 机械效率的等值线图是环状曲线; 当各向异性参数Δ较小时, 热机在C1 > C2 和C1 C2 两区域运行, 当增大Δ值时, 热机只在C1 > C2 区域运行.
利用光晶格自旋链中磁振子的激发模拟有限温度下光子的动力学 Casimir 效应
赵旭, 赵兴东, 景辉
2013, 62 (6): 060302. doi: 10.7498/aps.62.060302
摘要 +
研究了在静磁场诱导的磁偶极-偶极相互作用和外部激光场诱导产生的偶极-偶极相互作用下光晶格自旋链中磁振子激发的动力学特征. 文中选取了蓝失谐光晶格, 提出了等效温度的概念, 并将系统中磁振子的激发过程与光学振动腔中光子的激发过程进行了类比. 研究表明, 通过选取适当的系统参数, 可以在磁振子系统中重现有限温度下光子的动力学Casimir效应.
动态球对称Einstein-Yang-Mills-Chern-Simons黑洞的霍金辐射
杨树政, 林恺
2013, 62 (6): 060401. doi: 10.7498/aps.62.060401
摘要 +
用Hamilton-Jacobi方法研究了动态球对称Einstein-Yang-Mills-Chern-Simons 黑洞事件视界处的隧穿辐射特征及其黑洞事件视界处的温度. 其结果表明,黑洞温度及隧穿率与黑洞的固有性质及其动态特征有关. 这对于进一步研究动态黑洞的热力学性质及其相关问题是有意义的. 其方法的重要意义在于研究这类动态黑洞的霍金辐射时, 不仅适用于标量场隧穿辐射的情形, 同时也适用于研究旋量场、矢量场以及引力波的隧穿辐射.
有应急车辆影响的多车道交通流元胞自动机模型
赵韩涛, 毛宏燕
2013, 62 (6): 060501. doi: 10.7498/aps.62.060501
摘要 +
在分析应急车辆对城市道路交通流影响的基础上, 引入让行状态参数、警笛影响区域和强制换道安全距离等特征变量, 修改换道规则, 建立了多车道元胞自动机模型, 并进行数值模拟. 结果表明, 车道数量和混合车辆比例系数在低密度范围内影响车辆速度及换道次数, 警笛影响区域参数改变了一定范围内车辆的换道次数, 应急车辆强制换道安全距离参数主要影响应急车辆的速度及换道次数.研究发现, 应急车辆对低密度交通流的扰动现象明显, 其与社会车辆相互作用参数的设置使得交通流元胞自动机模型更接近应急条件下实际交通运行.
基于Lyapunov指数的摇摆条件下自然循环流动不稳定性混沌预测
张文超, 谭思超, 高璞珍
2013, 62 (6): 060502. doi: 10.7498/aps.62.060502
摘要 +
运用基于最大Lyapunov指数的混沌预测方法对摇摆条件下自然循环系统的流量脉动进行了预测. 对不规则复合型脉动的流量脉动实验数据进行相空间重构, 计算关联维数、二阶Kolmogorov熵和最大Lyapunov指数等几何不变量, 在说明不规则复合型脉动是混沌运动的基础上, 根据最大Lyapunov指数对不规则复合型脉动进行了预测. 通过预测结果和实验结果对比发现: 对于复杂的两相自然循环流动不稳定性, 预测结果具有较高的精度, 说明预测方法的可行性. 同时, 确定了混沌系统可预测的尺度, 提出用动态预测的方式监测系统流量脉动. 本文的研究方法为两相流复杂的流动不稳定性研究提供了新的思路.
飞秒激光精细加工含能材料
王文亭, 胡冰, 王明伟
2013, 62 (6): 060601. doi: 10.7498/aps.62.060601
摘要 +
介绍了飞秒激光脉冲特点及其与物质相互作用机理, 论述了飞秒激光微加工含能材料技术特点及优势, 综述了飞秒激光加工含能材料技术及发展. 讨论了飞秒激光加工含能材料技术进一步发展所需的实验与理论研究工作以及相应的研究方案和关键技术.
太赫兹波发射晶体的亚波长微棱锥增透结构的设计与实验研究
胡晓堃, 李江, 李贤, 陈耘辉, 栗岩锋, 柴路, 王清月
2013, 62 (6): 060701. doi: 10.7498/aps.62.060701
摘要 +
光学整流方法产生太赫兹(THz)辐射常用的非线性发射晶体在THz波段都具有较高的折射率, 使得很大一部分THz波由于晶体表面的菲涅尔反射而无法有效耦合输出. 本文报道了GaP晶体THz波发射器输出表面上亚波长微棱锥增透结构的设计和实验研究. 利用有效介质模型在理论上验证了亚波长光栅结构的增透效果, 并进一步设计了适用于不同频段的增透结构的参数. 实验中, 通过微机械加工手段在GaP晶体输出端面刻划了多种亚波长微棱锥结构, 验证了其增透效果及参数对增透频带的关系. 理论与实验的符合证明该设计思想也可用于其他THz波发射晶体.
弹光调制型成像光谱偏振仪中的高精度偏振信息探测研究
陈友华, 王召巴, 王志斌, 张瑞, 王艳超, 王冠军
2013, 62 (6): 060702. doi: 10.7498/aps.62.060702
摘要 +
提出了一种基于三弹光调制器的差频偏振调制方法, 并结合声光可调谐滤波技术构成了新型弹光调制型成像光谱偏振探测仪(photo-elastic modulator-based imaging spectro-polarimeter, PEM-ISP). 介绍了PEM-ISP及三弹光差频偏振调制方法的基本工作原理, 并从PEM-ISP的探测原理出发, 通过分析和计算PEM-ISP的Mueller矩阵, 推导出了相应的偏振测量公式; 通过仿真及实验验证了三弹光差频偏振调制方法的可行性和准确性; 最后分析了探测积分步长、采样间隔的选取对偏振测量的影响, 对入射视场角、相位延迟幅值等因素所带来的测量误差进行了初步分析. 结果表明, 1%的相位延迟量误差带来的线偏振度DoLP误差 <0.6%. 本研究为新型PEM-ISP的遥感探测以及Stokes参量的反演的进一步工程化实现提供了必要的理论依据.
基于金银合金薄膜的近红外表面等离子体共振传感器研究
张喆, 柳倩, 祁志美
2013, 62 (6): 060703. doi: 10.7498/aps.62.060703
摘要 +
利用淀积在玻璃衬底上的金银合金薄膜作为表面等离子体共振(SPR)芯片, 构建了Kretschmann结构的近红外波长检测型SPR传感器. 采用不同浓度的葡萄糖水溶液测试了金银合金薄膜SPR传感器的折射率灵敏度. 实验结果表明随着入射角从7.5°增大到 9.5°, SPR吸收峰的半高峰宽从292.8 nm 减小到 131.4 nm, 共振波长从 1215 nm蓝移到 767.7 nm, 折射率灵敏度从35648.3 nm/RIU 减小到 9363.6 nm/RIU.在相同的初始共振波长(λR)下获得的金银合金薄膜SPR折射率灵敏度高于纯金膜(纯金膜在λR=1215 nm下的折射率灵敏度为29793.9 nm/RIU). 利用1 μmol/L的牛血清蛋白(BSA)水溶液测试了传感器对蛋白质吸附的响应.结果表明, BSA分子吸附使得金银合金薄膜SPR吸收峰红移了12.1 nm而纯金膜SPR吸收峰仅红移了9.5 nm. 实验结果还表明, 在相同λR下, 金银合金薄膜SPR吸收峰的半高峰宽大于纯金膜的半高峰宽, 因此其光谱分辨率比纯金膜SPR传感器低.
基于多重散射强度和偏振特征的舰船尾流气泡激光探测方法
梁善勇, 王江安, 宗思光, 吴荣华, 马治国, 王晓宇, 王乐东
2013, 62 (6): 060704. doi: 10.7498/aps.62.060704
摘要 +
研究多重散射效应对舰船尾流气泡群光散射强度和偏振特征的影响是舰船光尾流探测以及新型光自导鱼雷研究的基础. 基于矢量Monte Carlo方法建立了舰船尾流气泡群激光后向探测仿真模型, 重点研究了尾流气泡群的多重散射机理,分析了多重散射效应、尾流气泡群密度对回波信号强度和偏振特征的影响规律. 基于粒子碰撞重要性抽样的基本思想, 在传统能量接收方法的基础上, 提出了回波光子偏振贡献接收方法和回波信号偏振信息统计方法, 解决了小视场系统光子返回概率低无法形成回波能量的难题. 构建了模拟尾流气泡群激光散射强度和偏振探测实验平台, 从实验的角度验证了模拟结果的准确性. 实验和模拟结果的一致性表明, 利用回波强度、偏振信息可表征气泡群距离、密度信息, 从而可对舰船尾流特别是低密度尾流进行高精度的探测和辨识.
基于X射线的空间语音通信系统
邓宁勤, 赵宝升, 盛立志, 鄢秋荣, 杨颢, 刘舵
2013, 62 (6): 060705. doi: 10.7498/aps.62.060705
摘要 +
提出了栅控X射线源作为发射器和基于微通道板的X射线单光子探测器作为接收器的X射线通信方案. 搭建了基于X射线的空间语音通信系统, 详细介绍了信号调制发射器、基于微通道板的X射线单光子探测器及信号接收解调器的设计及工作原理. 报道了基于X射线的空间语音通信系统的初步实验结果, 实现了优于20 kbit/s的基于语音信号调制的X射线通信. 实验分析了在不同X射线强度、信号整形时间和阈值设置下通信性能影响, 得出了X射线发射功率限制X射线通信速率的结论, 提出了下一步提高X射线通信性能的改进方案.
原子和分子物理学
LuI3 闪烁晶体的第一性原理研究
邓娇娇, 刘波, 顾牡
2013, 62 (6): 063101. doi: 10.7498/aps.62.063101
摘要 +
采用基于第一性原理的赝势和平面波方法计算了新型闪烁晶体基质材料 LuI3的结构特性和电子特性. 计算结果表明: -4.4 eV附近有一个宽度约为0.2 eV的窄带, 主要是Lu的4f态; -3.55–0 eV之间的态组成了价带, 这主要是I的5p态; 2.44–12.35 eV之间的态组成了LuI3的导带, 这主要来源于Lu的5d态, 其中还含有少量的Lu的6s态的贡献. 在-3.46 eV处, Lu的6s态、4f态和I的5p态同时出现了尖峰, 说明相邻的Lu原子的6s态, 4f态与I原子的5p态之间的相互作用强, 出现了杂化峰. 估算出LuI3晶体的理论光产额约为100000 ph/MeV, 主要得益于LuI3合适的带隙和能带结构.
Ne原子与HF分子碰撞振转激发分波截面的研究
徐梅, 王晓璐, 令狐荣锋, 杨向东
2013, 62 (6): 063102. doi: 10.7498/aps.62.063102
摘要 +
采用单双取代并加入三重激发项校正的二次组态相互作用QCISD(T)方法, 以及aug-cc-pVTZ基组对Ne-HF分子间相互作用势进行了计算, 并考虑了Boys和Bernardi提出的均衡法, 在计算的基础上消除基组重叠误差. 计算得到了11个方向的Ne-HF碰撞系统的相互作用势能点数据, 使用Huxley势函数对数据点进行非线性最小二乘法拟合, 计算了各向异性势的径向系数V0, V1, V2, V3等, 其函数形式能够很好地描述Ne原子与HF分子碰撞系统的势能面; 采用密耦近似计算得到了Ne原子与HF分子碰撞系统不同能量下的总截面、 弹性分波截面和非弹性分波截面.
金纳米管力学性能的分子动力学模拟
苏锦芳, 宋海洋, 安敏荣
2013, 62 (6): 063103. doi: 10.7498/aps.62.063103
摘要 +
采用分子动力学模拟方法, 研究了金纳米管沿不同晶向拉伸与压缩载荷下的力学性能, 并分析了金纳米管的半径对其力学行为的影响. 在模拟计算中, 采用镶嵌原子势描述金原子之间的相互作用. 模拟结果表明, 在拉伸及压缩过程中, 不同晶向的金纳米管力学性能相差较大, 在拉伸和压缩载荷下金纳米管向的屈服强度最大; 在三个晶向, , 的金纳米管中, 晶向的金纳米管其屈服强度和杨氏模量都远远小于其他晶向. 研究结果还发现, 当纳米管的半径小于3.0 nm时, 金纳米管的屈服强度没有大的变化, 而当半径大于3.0 nm后, 随着半径的增大, 其屈服强度明显降低.

编辑推荐

应用于铯原子喷泉钟的二维磁光阱研制
吴长江, 阮军, 陈江, 张辉, 张首刚
2013, 62 (6): 063201. doi: 10.7498/aps.62.063201
摘要 +
理论模拟研究了二维磁光阱原子束流量与饱和蒸汽压、冷却光强、激光失谐量的关系, 构建了二维磁光阱(2D-MOT)装置, 实验上实现了大流量的慢速原子束, 其测量值为2.1 109/s.利用荧光法测量了各实验参数与流量的关系, 测量结果与数值模拟结果符合较好.
近Bohr速度的152Eu20+入射Au表面产生的X射线谱
梁昌慧, 张小安, 李耀宗, 赵永涛, 梅策香, 程锐, 周贤明, 雷瑜, 王兴, 孙渊博, 肖国青
2013, 62 (6): 063202. doi: 10.7498/aps.62.063202
摘要 +
测量了动能为2.0–6.0 MeV的高电荷态离子152Eu20+ 入射Au表面产生的特征X射线谱, 结果表明, 相互作用不仅激发出了Au的 Mζ, Mα和Mδ特征X射线, 还激发出了Eu的Mα X射线, 且X射线总产额随入射离子动能的增加而增加. 计算了Au的M壳层总的X射线产生截面, 并与理论模型的计算结果做了比较分析.
从头计算研究BCl+基态和激发态的势能曲线和光谱性质
于坤, 张晓美, 刘玉芳
2013, 62 (6): 063301. doi: 10.7498/aps.62.063301
摘要 +
基于相关一致极化4zeta(aug-cc-pVQZ)基组, 应用量子化学从头计算中高水平的多参考组态相互作用方法计算了BCl+ 两个离解极限B+(1Sg)+Cl(2Pu)和B (2Pu)+Cl+ (3Pg)的14个-S态势能曲线. 在计算中考虑了Davidson修正(+Q)和标量相对论效应, 并首次在计算中考虑了BCl+ 的旋轨耦合效应, 获得了由能量最低的4个-S态分裂出的7个 态. 计算结果表明相同对称性的 态的势能曲线存在着非常明显的避免交叉. 通过分析-S态的电子结构, 得到了各态的电子跃迁特性, 并确认了电子态的多组态性质. 使用LEVEL程序通过求解径向的Schrdinger方程得到了束缚-S 和态的光谱参数De, Re, Te, e, ee和Be. 通过和已有的-S态X2+ 的实验数据进行对比发现, 本文所得的计算结果与实验结果非常一致. 而文中其他电子态的光谱参数均为首次报道.
氢修饰石墨烯纳米带压电性质的第一性原理研究
刘源, 姚洁, 陈驰, 缪灵, 江建军
2013, 62 (6): 063601. doi: 10.7498/aps.62.063601
摘要 +
采用第一性原理计算方法, 系统研究了不同宽度、不同边缘修饰模式的间隔氢吸附锯齿型石墨烯纳米带的压电性质. 结构优化和结合能计算表明, 氢修饰石墨烯纳米带结构稳定. 氢原子间隔排列的吸附使得纳米带中的相邻碳原子成键及电荷状态不同, 导致拉伸时纳米带中六元碳环的正负电荷中心不再重合, 产生宏观电极化. 纳米带宽度越宽, 包含六元碳环数目越多, 则拉伸时纳米带长度方向上电偶极矩密度越大, 其压电性能越强. 另外, 边缘原子电荷状态决定了无拉伸时纳米带的初始电偶极矩密度, 其大小可以通过改变边缘氢原子的修饰模式来有效调控.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
太赫兹波段谐振频率可调的开口谐振环结构
戴雨涵, 陈小浪, 赵强, 张继华, 陈宏伟, 杨传仁
2013, 62 (6): 064101. doi: 10.7498/aps.62.064101
摘要 +
开口谐振环(SRRs) 结构可以激励磁谐振, 实现负的磁导率. 提出在SRRs两环间隙内引入相对交错的金属短线, 并研究了金属短线对谐振频率的影响. 结果表明: 随着金属短线数目的增多, 谐振频率显著降低, 同时金属短线的结构参数如长度、宽度及间距也会对谐振频率产生影响. 最后验证了金属短线的引入对减小器件尺寸有明显作用, 且不因介质基底的存在而受到影响. 新型磁谐振单元可为今后超材料的设计及实际应用提供新的参考.
单轴各向异性手征介质平板的反射和透射特性研究
董建峰, 李杰
2013, 62 (6): 064102. doi: 10.7498/aps.62.064102
摘要 +
研究了光轴平行于界面的单轴各向异性手征介质平板对平面电磁波的反射和透射特性, 推导出了反射和透射系数(功率)公式; 按介电常数的正负分4种情形给出了反射和透射功率曲线; 讨论了手征参数对反射和透射特性的影响, 特别是给出了伪布儒斯特角与手征参数的变化关系曲线.
基于超材料吸波体的低雷达散射截面微带天线设计
杨欢欢, 曹祥玉, 高军, 刘涛, 马嘉俊, 姚旭, 李文强
2013, 62 (6): 064103. doi: 10.7498/aps.62.064103
摘要 +
设计了一种高吸波率、宽入射角、无表面损耗层的超材料吸波体, 并将其用于微带天线的带内雷达散射截面(radar cross section, RCS)减缩.实验结果表明: 设计的吸波体的厚度为0.3 mm, 吸波率达99.9%, 相比普通微带天线, 加载该吸波体后的天线在工作频带内法向RCS减缩都在3 dB以上, 最大减缩16.7 dB, 单站RCS在-30°–+30° 角域、双站RCS在-90°–+90°角域减缩超过3 dB, 且天线辐射性能保持不变. 证实了该吸波体具有良好的吸波效果, 可以应用于微带天线的带内隐身.
不确定性边缘表示与提取的认知物理学方法
吴涛, 金义富, 侯睿, 杨俊杰
2013, 62 (6): 064201. doi: 10.7498/aps.62.064201
摘要 +
图像边缘检测是图像处理的一种重要技术, 其中不确定性表示与提取是关键问题之一. 在现有模拟物理学思想的相关方法基础之上, 提出了基于认知物理学的不确定性边缘表示与提取方法. 该方法利用数据场发现图像全局灰度认知, 构建图像灰度值空间到数据场势值空间的映射关系, 从场论的角度建立了可扩展的理论框架、统一了现有相关方法; 另一方面, 构造半升云模型建立云模型确定度的变化幅度与边缘像素表示与提取的内在关联关系, 最终在认知物理学核心理论的支持下实现图像不确定性边缘表示与提取. 所提出的方法时间耗费近似与图像尺寸成线性关系. 定性和定量的实验结果及分析表明, 该方法的分割效果较好, 性能稳定, 具有合理性和有效性.
射频驱动下电磁诱导透明窗口的分裂和增益的出现
李晓莉, 尚雅轩, 孙江
2013, 62 (6): 064202. doi: 10.7498/aps.62.064202
摘要 +
在Λ型三能级系统的基础上引入两个共振射频场, 通过详细讨论系统的探测吸收特性随两个射频场Rabi频率取不同值时的变化规律, 得出电磁诱导透明(EIT)的分裂规律以及EIT上出现增益现象的产生条件.研究结果表明: 两个射频场对系统所起的控制作用不同, 控制基态精细结构能级之间跃迁的射频场对EIT的分裂起作用, 而控制激发态精细结构能级之间跃迁的射频场不会导致EIT的分裂; 而且, 只有当控制基态精细结构能级之间跃迁的射频场的Rabi频率大于控制激发态精细结构能级之间跃迁的射频场的Rabi频率时, 才能产生EIT与增益相叠加的新特性.
光纤激光器直接输出的高功率贝塞尔超短脉冲
谢辰, 胡明列, 徐宗伟, 兀伟, 高海峰, 张大鹏, 秦鹏, 王艺森, 王清月
2013, 62 (6): 064203. doi: 10.7498/aps.62.064203
摘要 +
构建了一种能够直接输出高功率贝塞尔超短脉冲的光纤激光放大器. 该方案基于在光纤端面特殊设计和制备的微型负轴锥镜, 针对常规超短脉冲光纤激光放大系统所设计, 不需要引入其他分立整形器件, 避免了目前基于轴锥透镜产生贝塞尔光束的通用方法所带来的额外烦琐准直工作, 极大简化了产生贝塞尔光束的方法. 其中的微型负轴锥镜由聚焦粒子束刻蚀法在一段掺镱大模场光子晶体光纤的端面制备, 它和光纤激光系统中的固有准直透镜构成了集成化的光束整形器件. 基于数值模拟结果成功搭建的系统与理论设计一致, 直接输出了在米量级具有高度准直无衍射特性的啁啾皮秒贝塞尔超短脉冲波包, 平均功率高达10.1 W, 对应脉冲能量178 nJ, 经过光栅对压缩后脉冲宽度可达140 fs.
基于亚波长二维光栅的入射角不敏感颜色滤光片研究
洪亮, 杨陈楹, 沈伟东, 叶辉, 章岳光, 刘旭
2013, 62 (6): 064204. doi: 10.7498/aps.62.064204
摘要 +
提出了一种基于二维亚波长光栅的具有非偏振光入射下入射角不敏感特性的反射式颜色滤光片. 采用严格耦合波分析方法详细分析了光栅周期、光栅层厚度以及固定光栅占空比下光栅的结构尺寸对反射率峰值、反射带位置及带宽的影响. 结合入射角不敏感特性, 经过优化设计得到了光栅的最终结构参数, 获得了中心波长424 nm, 峰值反射率56%, 带宽45 nm的反射滤光片.模拟结果表明, 在非偏振光入射下, 此滤光片的反射光谱表现出显著的入射角不敏感特性. 当入射角高达60°时反射带的中心波长偏移6 nm 反射率下降6%带宽增加8 nm 其参数没有较大变化通过调整光栅的结构参数可在400–520 nm范围内调节滤光片的中心波长以获得不同颜色的入射角不敏感滤光片.
一种基于双光束干涉的分级身份认证方法
何文奇, 彭翔, 孟祥锋, 刘晓利
2013, 62 (6): 064205. doi: 10.7498/aps.62.064205
摘要 +
提出一种基于双光束干涉的分级身份认证方法. 本方法通过同时验证用户的"口令"和"相位钥"以实现对用户身份的双重安全认证. 它不仅可以判断某个用户是否合法, 还能鉴别出其相应的身份级别, 从而确定并授予其相应的系统访问权限. 认证过程的核心功能组件是一个基于干涉的光学装置, 用户"口令" 控制的"相位锁" 和用户携带的"相位钥" 被分别加载至此装置中的两个空间光调制器(spatial light modulator, SLM), 两束相干光分别经过这两个SLMs的调制后, 在输出面得到一幅干涉图, 它被传送至计算机并与系统数据库中的"认证图像" 进行匹配, 以完成身份的鉴别. 系统的设计则是一个逆向的迭代求解问题, 本文根据事先给定的某个用户的身份级别(对应着某个认证图像)和随机给定的 "相位锁", 利用一种修正的相位恢复算法确定出其对应的"相位钥". 理论分析和仿真实验都证明了此方案是可行而有效的.
可见光域叠层成像中照明光束的关键参量研究
王雅丽, 史祎诗, 李拓, 高乾坤, 肖俊, 张三国
2013, 62 (6): 064206. doi: 10.7498/aps.62.064206
摘要 +
研究了可见光域叠层成像中照明光束的系列关键参量对成像质量的影响. 利用叠层成像迭代恢复算法,通过模拟实验研究了照明光束的交叠率、光束尺寸以及几何形状对成像恢复质量的相互制约关系. 模拟结果表明,光束的交叠率是影响成像恢复质量的主要因素,光束的形状主要影响成像的收敛速度,而光束尺寸对成像的恢复质量以及收敛速度直接影响较小. 因此,通过模拟可以对可见光域、X 射线以及电子波段等其他波段的实验进行系统优化照明光束参数起到一定的理论指导作用.
微波驱动双模四能级单原子中连续变量纠缠的制备
宋明玉, 吴耀德
2013, 62 (6): 064207. doi: 10.7498/aps.62.064207
摘要 +
通过两个经典微波场驱动相应的原子精细跃迁诱导产生原子相干, 研究在双模单原子激光器中连续变量量子纠缠的制备和演化. 研究结果表明: 微波场强度可以有效地控制腔场纠缠特性; 通过调节相应的频率失谐, 能够同步增加腔场总的平均光子数、腔模间的纠缠时间和强度.
多程放大中激光脉冲交叠放大的物理建模与计算方法
张颖, 刘兰琴, 王文义, 黄晚晴, 谢旭东, 朱启华
2013, 62 (6): 064208. doi: 10.7498/aps.62.064208
摘要 +
建立了多程放大中激光脉冲在增益介质中交叠放大的物理模型, 并提出相应的计算方法. 物理模型中考虑了脉冲前后沿对增益介质中反转粒子数的共同消耗. 研究认为模型在延时系下的数据递推方式无法求解交叠放大问题. 通过建立新的时空坐标系, 解决了交叠放大过程的数值求解问题. 基于此物理模型和计算方法, 模拟计算了双程放大时脉冲时间波形与腔镜位置的关系.

编辑推荐

直接调制光反馈半导体激光器产生超宽带信号
刘明, 张明江, 王安帮, 王龙生, 吉勇宁, 马喆
2013, 62 (6): 064209. doi: 10.7498/aps.62.064209
摘要 +
利用直接电流调制光反馈半导体激光器产生了符合美国联邦通信委员会关于室内无线通信频谱限定的超宽带(UWB)微波信号.基于光反馈半导体激光器速率方程组, 数值分析了偏置电流、反馈强度对混沌UWB脉冲信号的影响.研究表明, 混沌UWB脉冲频谱的-10 dB带宽分别随着偏置电流的增大和反馈强度的增强而逐渐增加; 中心频率分别随着偏置电流的增大和反馈强度的增强而逐渐增大.实验中, 产生了中心频率为6.6 GHz, -10 dB带宽为9.6 GHz的混沌UWB信号. 进一步, 通过调节偏置电流和反馈强度, 可实现混沌UWB信号的中心频率和-10 dB带宽的可调谐输出, 实验结果和数值分析相符合.此外, 实验产生的混沌UWB信号经过34.08 km的光纤传输后, 其频谱形状几乎没有发生变化, 表明该方法所产生的混沌UWB信号对光纤色散有较大的容忍度.
高性能1018 nm光纤及激光器实验研究
王一礴, 陈瑰, 谢璐, 蒋作文, 李进延
2013, 62 (6): 064210. doi: 10.7498/aps.62.064210
摘要 +
对光纤预制棒制备过程中沉积的气体流量、管内压强等参数和光纤掺杂组分进行了研究. 研究发现通过共掺其他元素, 可以使掺镱光纤的荧光谱发生移动. 基于此, 制备了有利于1018 nm激光输出的掺镱双包层光纤. 在增益光纤长度为7 m时, 实现了22.8 W的1018 nm激光输出, 光-光效率接近70%, 并且没有观察到明显的自发辐射和饱和现象.

编辑推荐

基于自衍射效应的自参考光谱干涉方法的研究
李方家, 刘军, 李儒新
2013, 62 (6): 064211. doi: 10.7498/aps.62.064211
摘要 +
研究一种基于非线性透明光学介质中的自衍射和自参考光谱干涉的新方法来进行飞秒激光脉冲测量. 实验中, 基于此新方法设计一种简单装置, 对800 nm 中心波长, 约40 fs 近无啁啾飞秒激光脉冲进行测量, 并与自参考光谱相干电场重建法测量结果进行比较, 得到了一致的结果. 此新方法与相应的装置结构简单, 可以对深紫外到中红外光谱范围的飞秒脉冲进行测量.
微盘腔垂直耦合器特性的拓展分析
舒方杰
2013, 62 (6): 064212. doi: 10.7498/aps.62.064212
摘要 +
利用垂直于微盘腔边界的波导与腔耦合是一种新开发的耦合技术. 采用有限元数值模拟方法对垂直耦合器的腔尺寸适应性、波长适应性和端口扩展性做出详细分析. 结果证实: 垂直耦合器在大尺寸腔中或者多个波段均有效; 并且多个垂直耦合器可以和同一盘腔交换能量, 实现滤波、分束、光路交叉的功能. 垂直耦合器在以微腔为元件的集成光路中的应用将使材料选取和光路排布更为灵活.
(1+2)维热非局域介质中的双光束远程相互作用数值模拟研究
陆大全, 祁玲敏, 杨振军, 张超, 胡巍
2013, 62 (6): 064213. doi: 10.7498/aps.62.064213
摘要 +
从非线性薛定谔方程和热扩散的泊松方程出发, 采用分步傅里叶算法以及多重网格法, 对两束光在(1+2)维热非局域介质中的相互作用规律进行了研究.结果表明, 在传输过程中, 两束光以互相缠绕的方式前进.如果选择适当的入射功率、光束间距和倾斜参量, 两束光的传输轨迹在(X, Y)平面上的投影近似为圆形; 而在保持入射功率和倾斜参量的大小不变的情况下, 如果仅改变光束入射时的间距, 两束光中心的轨迹在(X, Y) 平面上的投影依然近似成圆形. 由于在热非局域介质中存在特殊的非线性折射率形成机制, 所以尽管两束光离边界很远, 但是仍然能够感受到边界的影响; 在输入光整体偏离介质中心或两光束倾斜参量的绝对值不相等时, 它们整体做振荡传输.
七芯及十九芯大模场少模光纤的特性研究和比对分析
林桢, 郑斯文, 任国斌, 简水生
2013, 62 (6): 064214. doi: 10.7498/aps.62.064214
摘要 +
提出了一种新型的多芯大模场少模光纤.包含缺失空气孔的特殊结构使其具有独特的少模特性, 仅传输HE11模和HE21模.分析表明七芯大模场少模光纤能维持稳定的双模式运转, 且基模有效面积可达866.54 μm2. 系统研究了光纤结构参数影响模式特性和基模有效面积的规律, 并分析了纤芯数目增加带来的性能相似性和差异性–-进阶的十九芯大模场少模光纤在继承少模特性的同时, 模场面积大大增加, 其基模有效面积可高达3617.55 μm2. 对比已报道的少模光纤, 多芯大模场少模光纤获得了更大的有效面积, 并具有良好的弯曲特性, 有望被用于更高功率的光纤放大器、光纤激光器以及高速大容量光纤传输系统中.
光子晶体光纤包层可见光及红外宽带色散波产生
赵兴涛, 郑义, 韩颖, 周桂耀, 侯峙云, 沈建平, 王春, 侯蓝田
2013, 62 (6): 064215. doi: 10.7498/aps.62.064215
摘要 +
对光子晶体光纤包层3个空气孔之间节区的传光特性进行了分析, 对比了纤芯与包层节区传光的模场面积、非线性系数及色散特性, 得到光子晶体光纤包层节区具有小芯、高非线性的特点.在包层空气孔较大的情况下, 得到了双零色散曲线.根据色散曲线, 分析了色散波产生的相位匹配特性, 得到了色散波中心波长随抽运波长及功率的变化规律.制备出了所设计的光子晶体光纤, 实验得到了在可见光及红外大于300 nm的宽带色散波, 并给出了色散波随抽运波长及功率的变化规律.实验和理论分析结果一致, 为波长变换及超连续宽带光源的研究奠定了基础.
监测点波长对高双折射光纤环镜轴向应变灵敏度的影响
江莺, 梁大开, 曾捷, 倪晓宇
2013, 62 (6): 064216. doi: 10.7498/aps.62.064216
摘要 +
研究了高双折射光纤环镜监测点波长对轴向应变灵敏度的影响. 经理论推导得出高双折射光纤环镜轴向应变灵敏度公式. 结果表明: 当高双折射光纤材料选定后, 灵敏度随着监测点波长的增大而增大; 当监测点选定后, 监测点的灵敏度为常数, 波长变化与应变成线性关系. 实验选取不同波长的波峰进行应变灵敏度监测, 对各监测点进行数据拟合, 实验结果与理论分析一致. 研究结果对提高高双折射光纤环镜应变、温度等灵敏度具有指导意义.
基于一维间距调制型光子晶格的光传输现象
齐新元, 曹政, 白晋涛
2013, 62 (6): 064217. doi: 10.7498/aps.62.064217
摘要 +
采用数值模拟方法研究了高斯光束在四种间距调制型光子晶格中的传输规律. 研究发现: 在具有两个正双曲正割势垒和矩形势垒的晶格阵列中, 光波在势垒处发生明显的衍射现象, 而在势阱处发生强烈的局域现象; 在具有两个负双曲正割势垒和负矩形势垒的晶格阵列中, 光波可在势垒处发生无反射传输或在势垒中发生局域现象; 而在势阱中振荡衰减传输. 研究还发现在低功率情况下, 负势垒支持的线性模式间可以发生振荡耦合; 高功率非线性情况下, 光波将发生局域现象. 研究结果为利用光子晶格调节和控制光波传输, 实现全光开关提供了新的思路和方法.
含玻璃微球的黏弹性复合材料覆盖层的水下吸声性能分析
于利刚, 李朝晖, 王仁乾, 马黎黎
2013, 62 (6): 064301. doi: 10.7498/aps.62.064301
摘要 +
水下吸声覆盖层对潜艇的隐身具有重要的意义, 因此得到了广泛的关注. 本文对含有玻璃微球的黏弹性复合材料覆盖层的水下吸声性能进行了理论分析. 采用等效参数法计算了玻璃微球的体积含量对复合材料的力学和声学性能的影响. 应用声波在多层介质中传播的一维模型, 计算了不同玻璃微球体积含量的单层复合材料覆盖层的吸声性能.结果表明, 增加玻璃微球的体积含量可以提高覆盖层的低频吸声性能, 但是其高频吸声性能降低.采用遗传算法对玻璃微球在覆盖层厚度方向上的体积含量分布进行优化. 优化的多层结构可以在一定的频带内改善覆盖层的表面与水的声阻抗匹配, 在保证覆盖层的高频吸声系数大于某一限值(0.7)的前提下, 提高其低频吸声性能.另外, 多层优化结构覆盖层不含宏观的空腔结构, 不影响覆盖层的耐压性能.其结构简单, 对制备工艺的要求不高.因此, 本文形成的理论方法适用于水下吸声覆盖层的设计.
正交码元移位键控扩频水声通信
于洋, 周锋, 乔钢
2013, 62 (6): 064302. doi: 10.7498/aps.62.064302
摘要 +
码元移位键控(CSK)作为一种广义的M元扩频技术被广泛应用于水声通信领域来克服扩频增益对通信速率的限制.为了获得更高的通信速率, 减少通道间干扰, 并充分利用 CSK的冗余信息, 本文提出联合利用码元相位信息的正交双通道CSK扩频水声通信技术.首先, 推导了正交CSK每符号积分输出的表达式; 然后, 研究了正交CSK的性能及与传统CSK和双通道CSK对比仿真的误码率; 最后, 通过实验验证了仿真对比的正确性. 实现了正交CSK在104 bits, 4 kHz带宽下580.6 bps通信速率的有效传输. 通过公式推导、 仿真分析和实验研究, 得到正交CSK提供了优良的性能的结论.
不确定海洋声场中的检测性能损失环境敏感度度量
刘宗伟, 孙超, 杜金燕
2013, 62 (6): 064303. doi: 10.7498/aps.62.064303
摘要 +
现有的检测算法在实际的不确定海洋环境中会出现失配情况, 进而导致检测性能下降, 但是定量分析这种检测性能损失的工作却很少见, 因此本文定义了检测性能损失敏感度函数, 并给出了基于蒙特卡罗方法的计算方法.检测性能损失敏感度是一个表征海洋环境不确定度的物理量, 它反映了海洋参数变动和检测性能损失之间的关系.利用地中海某处海洋环境进行仿真, 针对各个海洋环境参数, 计算了全海域的检测性能敏感度. 结果表明: 1)检测性能损失呈现了很强的空间性, 在20 km处, 水面声速有4 m/s的变化下, 检测损失最小为1%, 而最大达到60%.声信道中的检测性能较为稳定, 其在远距离上更是如此; 2)各个海洋环境参数对检测性能损失有不同的影响, 水体声速剖面和第一层海底介质的声速和厚度是对检测性能影响最大的量; 3)环境参数敏感度呈现很强的频率特性, 海底底质参数包括底质厚度、密度和吸收系数等随着频率的升高对检测性能的损失影响变小.
声波在含气泡液体中的线性传播
王勇, 林书玉, 张小丽
2013, 62 (6): 064304. doi: 10.7498/aps.62.064304
摘要 +
为了探讨含气泡液体对声波传播的影响, 研究了声波在含气泡液体中的线性传播. 在建立含气泡液体的声学模型时引入气泡含量的影响,建立气泡模型时引用 Keller的气泡振动模型并同时考虑气泡间的声相互作用,得到了经过修正的气泡振动方程. 通过对含气泡液体的声传播方程和气泡振动方程联立并线性化求解,在满足 (ω R0)/c << 1 的前提下,得到了描述含气泡液体对声波传播的衰减系数和传播速度. 通过数值分析发现,在驱动声场频率一定的情况下,气泡含量的增加及气泡的变小均会导致衰减系数增加和声速减小;气泡的体积分数和大小一定时, 驱动声场频率在远小于气泡谐振频率的情况下,声速会随驱动频率的增加而减小; 气泡间的声相互作用对声波传播速度及含气泡液体衰减系数的影响不明显.最终认为气泡的大小、 数量和驱动声场频率是影响声波在含气泡液体中线性传播的主要因素.
关于线性阻尼振子第一积分的研究
丁光涛
2013, 62 (6): 064501. doi: 10.7498/aps.62.064501
摘要 +
通过引入一维线性阻尼振子基本积分来构造其他第一积分, 包括不含时的积分. 将这种方法推广到多维情形, 构造二维和n维线性阻尼振子不同形式的第一积分; 证明不同类型的二维线性阻尼振子都存在三个独立的不含时的第一积分, n维线性阻尼振子存在2n-1个独立的不含时的第一积分. 利用变量变换将线性阻尼振子的第一积分变换成简谐振子形式的第一积分.
关于谐振子第一积分的研究
丁光涛
2013, 62 (6): 064502. doi: 10.7498/aps.62.064502
摘要 +
提出一维谐振子基本积分的概念, 并利用它们构造其他积分. 将上述概念和方法推广到多维谐振子, 利用直接构造法证明不同类型的二维谐振子都存在三个与时间无关的独立的第一积分, n维谐振子系统存在2n-1个与时间无关的独立的第一积分. 讨论了分振动频率比为有理数和无理数的二维非对称谐振子的特征.
均匀流中近壁面垂直流向振荡圆柱水动力特性研究
陈蓥, 付世晓, 许玉旺, 周青, 范迪夏
2013, 62 (6): 064701. doi: 10.7498/aps.62.064701
摘要 +
对均匀来流下靠近壁面处在垂直流向做强迫振荡运动的光滑圆柱的水动力特性进行了试验研究. 试验在拖曳水池中进行, 雷诺数为2× 105, 通过采集顺流向和垂直流向的力, 得到了阻力系数、升力系数、相位角等与间隙比、振荡频率和振幅之间的关系. 通过研究得到如下结论: 1)振荡圆柱的平均阻力系数在近壁面处随间隙比的减小而骤降; 2)振荡圆柱泄涡受到完全抑制的临界间隙比要小于静止圆柱; 3)近壁面的存在对振荡圆柱的能量传递有着重要的影响, 自由边界圆柱强迫振荡所得到的水动力系数不能用来预报海底管道的涡激振动; 4)对于振荡圆柱, 附加质量系数只有在一定的频率范围内才是定值, 且在低频率区域其绝对值随间隙比减小而增大; 5)圆柱在进行强迫振荡时, 其平均阻力系数、振荡阻力系数和振荡升力系数均随无因次振幅的增加而增大.
基于光滑粒子动力学方法的液滴冲击固壁面问题数值模拟
苏铁熊, 马理强, 刘谋斌, 常建忠
2013, 62 (6): 064702. doi: 10.7498/aps.62.064702
摘要 +
采用改进的光滑粒子动力学(SPH)方法对液滴冲击固壁面问题进行了数值模拟. 为了提高传统SPH方法的计算精度和数值稳定性, 在传统的SPH方法的基础上对粒子方法中的密度和核梯度进行了修正, 采用了考虑黎曼解法的SPH流体控制方程, 构造了一种新型的粒子间相互作用力(IIF)模型来模拟表面张力的影响. 应用改进的SPH方法对液滴冲击固壁面问题进行了数值模拟. 计算结果表明:新型的IIF 模型能够较好地模拟表面张力的影响, 改进的SPH方法能够精细地描述液滴与固壁面相互作用过程中液滴的内部压力场演变和自由面形态变化, 液滴的铺展因子随初始韦伯数的增大而增大, 数值模拟结果与实验得到的结果基本一致.
圆形破口附近气泡动态特性实验研究
王诗平, 张阿漫, 刘云龙, 吴超
2013, 62 (6): 064703. doi: 10.7498/aps.62.064703
摘要 +
以往对于壁面附近气泡动态特性的研究均是针对完整壁面进行的, 而对带破口壁面附近气泡运动特性的研究很少, 例如舰船结构在遭受药包爆炸冲击波作用后形成破口, 其仍可能会遭受随后生成气泡的二次打击, 破口的存在必定会影响爆炸生成气泡的动力学行为. 本文采用电火花气泡生成与观察实验装置, 对带有破口的壁面附近气泡脉动和射流特性进行研究.通过实验发现, 当气泡在破口同心位置生成时, 破口的存在会使气泡靠近破口一侧形成"腔吸现象", 并使气泡形成对射流. 在此基础上分析了破口大小和无量纲距离对破口附近气泡的影响规律, 最后讨论气泡在破口偏心位置生成时的运动特性, 结果发现破口附近气泡的二次打击威力随偏心距离的增加而增加, 文章旨在为不同边界附近气泡运动规律研究提供参考.
内孤立波沿缓坡地形传播特性的实验研究
杜辉, 魏岗, 张原铭, 徐小辉
2013, 62 (6): 064704. doi: 10.7498/aps.62.064704
摘要 +
以南中国海东北部海域底部缓坡地形为背景, 在大型重力式分层流水槽中模拟了下凹型内孤立波沿缓坡地形传播过程中的浅化、破碎、分裂等现象, 利用分层染色标识方法和多点组合探头阵列技术对内孤立波沿缓坡地形演化特征进行了定性分析和定量测量. 实验表明: 浅化效应使内孤立波传播速度减小, 对大振幅内孤立波具有抑制作用, 对小振幅波具有放大效应; 浅化效应可导致内孤立波的剪切失稳及破碎, 还可导致大振幅内孤立波的分裂. 利用Miles稳定性理论可定性描述内孤立波沿缓坡地形传播时发生不稳定状态的位置, 实验结果与理论分析相符合.
介观尺度通道内多相流动的耗散粒子动力学模拟
刘汉涛, 刘谋斌, 常建忠, 苏铁熊
2013, 62 (6): 064705. doi: 10.7498/aps.62.064705
摘要 +
采用四次方光滑函数构造了包含远程吸引近距排斥的保守力势函数, 应用该势函数, 采用耗散粒子动力学方法, 对十字型微通道内的多相流动进行了计算. 计算结果表明, 该势函数能有效模拟十字型微通道内的流动过程及模式.
气体、等离子体和放电物理
大气压冷等离子体射流灭活子宫颈癌Hela细胞
黄骏, 陈维, 李辉, 王鹏业, 杨思泽
2013, 62 (6): 065201. doi: 10.7498/aps.62.065201
摘要 +
研究了大气压冷等离子体射流对子宫颈癌Hela细胞的灭活机制. 在倒置显微镜下观察不同等离子体处理条件下的细胞形态, 并通过中性红吸收测试定量测定各个条件下的细胞存活率. 将功率维持在18 W, 在900 mL/min 氩等离子体中添入氧气的百分含量分别为1%, 2%, 4% 和8%的条件下处理Hela细胞, 探讨活性气体氧气在惰性气体氩气中的百分含量对Hela癌细胞灭活效率的影响, 发现添加2%氧气时, 氩/氧等离子体灭活效果最佳, 处理180 s后细胞存活率可降至7%. 当继续添加氧超过2%时, 灭活效果逐渐减弱, 直至8%时, 其效果反而不如单纯氩等离子体. 通过测量等离子体发射光谱, 结果表明活性氧自由基在癌细胞灭活过程中可能起关键作用.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
铁钛共掺强韧化蓝宝石晶体的研究
胡克艳, 徐军, 唐慧丽, 李红军, 邹宇琦, 苏良碧, 陈伟超, 于海欧, 杨秋红
2013, 62 (6): 066201. doi: 10.7498/aps.62.066201
摘要 +
研究了铁钛共掺蓝宝石(Fe, Ti: Sapphire)晶体的常温力学性能. 采用泡生法技术生长了尺寸为ø180 × 280 mm3质量为30 kg的 Fe, Ti: Sapphire晶体. 实验发现, 在蓝宝石晶体中掺入Fe2O3和TiO2以及相应的热处理可以显著提高晶体常温断裂强度、表面硬度和断裂韧性, 而不损害晶体的可见和近红外透过性能; 掺入的Fe2O3其Fe3+对Al3+ 的取代作用导致晶体内应力的增加, 掺入的TiO2其Ti4+ 热处理时结晶出的第二相针状晶体的韧化效应, 均对Fe, Ti: Sapphire晶体的力学性能的提高具有重要作用. 研究对我国实现高强蓝宝石晶体应用材料具有重要现实意义.
核壳结构硒化镉/硫化镉/巯基乙酸量子点载流子输运特性
薛振杰, 李葵英, 孙振平
2013, 62 (6): 066801. doi: 10.7498/aps.62.066801
摘要 +
采用水溶液法合成了巯基乙酸(TGA) 包覆的CdSe 量子点. 通过X 射线粉末衍射和高分辨透射显微镜检测结果证实, 合成得到闪锌矿结构CdSe 量子点. 能谱图和傅里叶变换红外光谱图结果说明, 在核CdSe 纳米粒子表面与配体TGA 之间有CdS 壳层结构形成. 利用样品表面光电压(SPV) 谱, 指认CdSe 量子点精细能带结构以及各自对应的激发态特征: 475 nm (2.61 eV) 和400 nm (3.1 eV) 两个波长处的SPV 响应峰分别与CdSe 核和CdS 壳层带-带隙跃迁相对应; 370 nm (3.35 eV) 附近SPV 响应峰可能与TGA 中羰基与巯基或羧基之间发生的n →π* 跃迁有关. 场诱导表面光电压谱结果证实, 合成的CdSe 量子点具有明显的N 型表面光伏特性, 而上述n→π* 跃迁则具有P 型表面光伏特性. 荧光光谱谱线均匀增宽以及SPV 响应峰位蓝移, 说明样品具有明显的量子尺寸效应. 结合不同pH 值下合成的CdSe 量子点的SPV 谱和表面光声谱发现, SPV 响应强度与表面光声光谱信号强度变化趋势恰好相反. 上述样品表面光伏效应表明, CdSe 量子点表面和相界面处的精细电子结构以及光生载流子的输运特性均与量子点的尺寸大小存在某种内在联系.
0.5Ba(Ti0.8Zr0.2)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3压电薄膜的摩擦、磨损性能
张艳, 王增梅, 陈云飞, 郭新立, 孙伟, 袁国亮, 殷江, 刘治国
2013, 62 (6): 066802. doi: 10.7498/aps.62.066802
摘要 +
具有准同型相界组分的0.5Ba(Ti0.8Zr0.2)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3 (BZT-0.5BCT)陶瓷, 表现出优异的铁电、压电性能, 作为一种具有潜在应用前景的无铅压电材料得到广泛关注. 本文采用溶胶-凝胶方法在Si(100)基底上制备了BZT-0.5BCT压电薄膜. 使用原子力显微镜和扫描电子显微镜测量得到样品的形貌图, 形貌图表明该方法制备的无铅压电薄膜表面光滑, 晶粒大小均匀、呈半球形, 直径为80–100 nm, 厚度为1.7 μm, 膜的内部有气孔.摩擦力实验表明, 压电薄膜样品与硅针尖之间存在静电力的作用, 导致其摩擦力远大于硅针尖与SiO2之间的摩擦力, 但是两者的摩擦系数基本相同.划痕实验表明, BZT-0.5BC薄膜具有很强的法向承载能力, 但是切向抗磨损能力差, 样品的平均弹性模量为23.64 GPa± 5 GPa, 其硬度为2.7–4 GPa, 两者均略低于压电陶瓷Pb(Zr, Ti)O3材料的体态值.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
Zigzag型边界石墨烯纳米带的电子态
邓伟胤, 朱瑞, 邓文基
2013, 62 (6): 067301. doi: 10.7498/aps.62.067301
摘要 +
在紧束缚近似下, 提出有限系统的Bloch定理方法, 解析计算了Zigzag型石墨烯纳米带的电子态和能带.研究发现, 其电子态有两类, 分别是驻波态和边缘态; 驻波态的波矢为实数, 波函数是正弦函数形式; 边缘态的波矢主要是虚数, 实数部分为零或者π/2, 波函数是双曲正弦函数形式. Zigzag型石墨烯纳米带的能带由驻波态能量和边缘态能量组成, 我们推导了边缘态的关于无限长方向波矢和能量的精确取值范围. 讨论了边缘态和驻波态的过渡点, 发现两种电子态通过不同的方式在受限波矢趋于零时关于格点位置逼近线性关系. 当受限方向也变成无限长时, 可以得到与无限大石墨烯相同的能带关系.
铁电薄膜漏电流的应变调控
文娟辉, 杨琼, 曹觉先, 周益春
2013, 62 (6): 067701. doi: 10.7498/aps.62.067701
摘要 +
基于密度泛函理论的第一性原理并结合非平衡格林函数, 探讨了应变对 BaTiO3 铁电薄膜漏电流的影响规律.研究表明,压应变能有效地抑制BaTiO3 铁电薄膜漏电流, 特别是当压应变为4%时,其漏电流相对无应变状态降低了近10 倍.通过考察体系的透射系数和电子态密度发现: 一方面压应变状态下铁电隧道结的透射几率要比张应变时小,特别是在费米面附近;另一方面随着张应变过渡至压应变时,价带的位置逐渐向低能区移动而导带向高能区移动,导致了其带隙的增大, 从而有效抑制了漏电流. 本研究为寻找抑制铁电薄膜漏电流,提高铁电薄膜及铁电存储器的性能提供合适的方法.
不同传感器精度下的地磁轮廓匹配定位性能分析
赵龙, 颜廷君
2013, 62 (6): 067702. doi: 10.7498/aps.62.067702
摘要 +
地磁基准图、地磁传感器和惯导系统的精度是影响地磁匹配系统可靠性的关键因素. 为提高地磁匹配系统的可靠性, 研究了传感器精度对地磁匹配成功率的影响; 针对不同地磁基准图, 分析了地磁传感器误差、速度误差和航向角误差对地磁匹配成功率影响的物理机理, 根据实际要求通过仿真确定了地磁匹配系统中各传感器的误差范围, 并进行了实验测试. 测试结果表明, 在地磁匹配成功率大于90%时, 速度误差0.14 m/s, 航向角误差0.6, 地磁传感器标准差 11 nT.
激子复合区厚度对有机磁效应的影响
李东梅, 王观勇, 张巧明, 游胤涛, 熊祖洪
2013, 62 (6): 067801. doi: 10.7498/aps.62.067801
摘要 +
在常规型有机发光二极管的基础上, 通过改变发光层tri-(8-hydroxyquinoline) aluminum (III) (Alq3)厚度, 研究了激子复合区厚度对有机发光二极管磁效应的影响.测量了器件在不同温度及偏压下电致发光及注入电流在外加磁场作用下的变化, 着重研究了低温下的有机磁电导效应和有机磁电致发光效应.实验发现, 低温(50 K)高磁场 (500 mT)下, 器件表现出随Alq3厚度的减薄, 磁电导值由正到负再到正的非单调变化.利用磁场调控的超精细相互作用、 磁场抑制的三重态激子-电荷反应以及激子在界面的淬灭效应, 对有机磁电导在低温下表现出的现象进行了定性的解释.实验结果表明, 通过改变激子复合区的厚度, 可以实现对激子浓度的有效调节, 进而实现对有机磁电导和磁电致发光效应的调节. 该研究进一步丰富了有机磁效应的实验现象, 同时提供了一种调控有机磁效应的手段.
金刚石中GR1中心的光致发光特性研究
王凯悦, 李志宏, 田玉明, 朱玉梅, 赵媛媛, 柴跃生
2013, 62 (6): 067802. doi: 10.7498/aps.62.067802
摘要 +
金刚石中空位存在中性、负电及正电三种状态, 且空位-空位、空位-杂质之间可以形成更多复合缺陷. 利用低温光致发光光谱研究了金刚石经辐照产生的中性空位的发光特性, 对进一步研究其他复合缺陷的发光性能提供了重要的指导意义.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
6H-SiC的飞秒激光超衍射加工
云志强, 魏汝省, 李威, 罗维维, 吴强, 徐现刚, 张心正
2013, 62 (6): 068101. doi: 10.7498/aps.62.068101
摘要 +
利用飞秒激光直写微纳加工平台, 对6H-SiC材料进行了突破衍射极限的微纳结构加工研究. 使用中心波长和脉宽分别为800 nm和130 fs的钛蓝宝石激光器和荧光倒置显微镜搭建了飞秒激光直写微纳加工平台, 研究了在不同的实验条件下对6H-SiC的光学加工情况, 采用扫描电子显微镜对加工结构进行表征. 通过分析不同的激光功率和不同的曝光时间等实验条件下加工的分辨率, 发现分辨率随着激光功率的减小而提高, 随扫描速度的增大而提高, 且能突破光学衍射极限. 最终获得125 nm的加工线宽, 并加工了加工线宽240 nm, 周期1.0 μm的线阵列. 研究结果为微机电系统(MEMS)的微器件设计开创了新的思路, 对发展MEMS器件具有重要意义.
嵌入线型缺陷的石墨纳米带的热输运性质
姚海峰, 谢月娥, 欧阳滔, 陈元平
2013, 62 (6): 068102. doi: 10.7498/aps.62.068102
摘要 +
采用非平衡格林函数方法研究了嵌入有限长、半无限长、 无限长线型缺陷的锯齿型石墨纳米带 (ZGNR)的热输运性质.结果表明, 缺陷类型和缺陷长度对ZGNR的热导有重要影响. 当嵌入的线型缺陷长度相同时, 包含t5t7线型缺陷的石墨纳米带比包含Stone-Wales线型缺陷的条带热导低. 对于嵌入有限长、同种缺陷的ZGNR, 其热导随线型缺陷的长度增加而降低, 但是当线型缺陷很长时, 其热导对缺陷长度的变化不再敏感.通过比较嵌入有限长、半无限长、无限长线型缺陷的ZGNR, 我们发现嵌入无限长缺陷的条带比嵌入半无限长缺陷的条带热导高, 而后者比嵌入有限长线型缺陷的条带热导高. 这主要是因为在这几种结构中声子传输方向的散射界面数不同所导致的. 散射界面越多, 对应的热导就越低. 通过分析透射曲线和声子局域态密度图, 解释了这些热输运现象. 这些研究结果表明线型缺陷能够有效地调控石墨纳米带的热输运性质.
掩膜板凸出环隔离压缩式纳米压印施压气体的研究
李天昊, 郑国恒, 刘超然, 夏委委, 李冬雪, 段智勇
2013, 62 (6): 068103. doi: 10.7498/aps.62.068103
摘要 +
在半导体微纳加工技术中, 纳米压印由于具备低成本、高产出、超高分辨率等诸多优势而备受研究者和半导体厂商的青睐, 有望成为下一代光刻技术的重要备选支撑技术之一. 然而在其施压流程中, 由于气体诱捕或陷入所造成的气泡缺陷问题直接关系到图案复制的成功率和完整性, 因此避免气泡缺陷, 阻止气泡进入模穴是亟待解决的关键问题. 提出一种适用于在气体环境中进行气压压缩式纳米压印工艺并避免气体进入掩膜板基板间隙的方法. 采用带有刻蚀一定宽度凸出环的掩膜板, 凸出环与基板形成环板毛细缝隙, 图形转移介质流体在其中形成毛细液桥, 使掩膜板-介质-基板形成独立的封闭腔, 转移介质黏附力所产生的静摩擦力及介质流体表面张力所诱导的毛细力抵抗施压气体, 有效地阻止气体进入空穴形成气泡缺陷.通过理论解析推导求出针对具有不同表面特性转移介质流体的凸出环有效宽度, 为掩膜板制备提供理论依据.
二维Frenkel-Kontorova模型中六角对称结构的摩擦现象
贾汝娟, 王苍龙, 杨阳, 苟学强, 陈建敏, 段文山
2013, 62 (6): 068104. doi: 10.7498/aps.62.068104
摘要 +
基于二维 Frenkel-Kontorova 模型, 运用分子动力学模拟方法, 研究了具有六角对称结构的系统从 locked 态到 sliding 态的相变, 并数值分析了上层原子采用六角对称结构时, 系统的不同参数对静摩擦力Fs和动摩擦力Fc的影响.
高压下TiAl3结构及热动力学性质的第一性原理研究
王海燕, 历长云, 高洁, 胡前库, 米国发
2013, 62 (6): 068105. doi: 10.7498/aps.62.068105
摘要 +
采用平面波赝势密度泛函理论研究了钛铝系金属间化合物TiAl3的结构性质, 计算值与实验值及其他理论值相符合. 通过准谐德拜模型研究了TiAl3的热动力学性质, 计算得到了相对体积(V/V0)与压强和温度的关系, 以及不同温度和压强下的热膨胀系数和热容. 与TiAl的计算结果进行对比, 发现随着温度的升高, TiAl的热膨胀系数增大的速度高于TiAl3, 且随着压强的增大温度效应减弱; TiAl3的热容值近似为TiAl的热容值的2倍.
H2+在阿秒以及双色飞秒激光脉冲中解离时电子位置的相干控制
徐天宇, 何峰
2013, 62 (6): 068201. doi: 10.7498/aps.62.068201
摘要 +
通过求解含时薛定谔方程, 提出了利用三束激光脉冲控制H2+解离以及解离过程中电子位置的方案. 第一束阿秒激光脉冲将H2+从1sσg激发至2pσu, 在H2+的解离过程中, 引入两束波长分别为800 nm 与400 nm 的飞秒激光脉冲控制电子在分子内部的运动. 通过改变两束激光脉冲的绝对相位, H2+解离后电子的位置可以得到有效控制(最大有86%的概率使得电子附着在某一个原子核上). 现有的激光技术条件可以在实验上实现这一理论方案.
C波段机载合成孔径雷达海面风场反演新方法
艾未华, 严卫, 赵现斌, 刘文俊, 马烁
2013, 62 (6): 068401. doi: 10.7498/aps.62.068401
摘要 +
针对基于散射计地球物理模型函数的机载合成孔径雷达(SAR)海面风场反演中存在的风向获取依赖于图像风条纹或数值预报、 散射计数据和浮标等背景场资料, 风向与SAR图像时空分辨率不匹配, 进而影响机载SAR海面风场反演精度等问题, 本文根据机载SAR对海探测特点, 研究一种适用于C波段机载SAR的海面风场反演新方法. 利用SAR图像距离向不同入射角的后向散射系数, 依据地球物理模型构造最小代价函数, 通过代价函数的求解直接从机载SAR数据同时反演出海面风速和风向. 利用论文提出的海面风场反演方法分别对仿真SAR数据和实测C波段机载SAR数据进行风向、 风速的反演误差分析及试验验证.研究结果表明, 该方法适用于机载SAR海面风场反演, 可不依赖背景风向直接反演出精度较高的风速和风向; 雷达后向散射系数误差是决定海面风速、风向反演精度的关键因素, 辐射定标精度越高则反演误差越小; 海面风速反演误差随着风速的提高而增大, 当海面风速大于18 m/s时, 风速反演误差显著增加, 而海面风向的反演误差与风速无明显关系.
基极注入强电磁脉冲对双极晶体管的损伤效应和机理
任兴荣, 柴常春, 马振洋, 杨银堂, 乔丽萍, 史春蕾
2013, 62 (6): 068501. doi: 10.7498/aps.62.068501
摘要 +
建立了双极晶体管(BJT)在强电磁脉冲作用下的二维电热模型, 对处于有源放大区的BJT在基极注入强电磁脉冲时的瞬态响应进行了仿真. 结果表明, BJT烧毁点位置随注入脉冲幅度变化而变化, 低脉冲幅度下晶体管烧毁是由发射结反向雪崩击穿所致, 烧毁点位于发射结柱面区; 而在高脉冲幅度下, 由基区-外延层-衬底组成的p-n-n+ 二极管发生二次击穿导致靠近发射极一侧的基极边缘率先烧毁; BJT的烧毁时间随脉冲幅度升高而减小, 而损伤能量则随之呈现减小-增大-减小的变化趋势, 因而存在一个极小值和一个极大值. 仿真与实验结果的比较表明, 本文建立的晶体管模型不但能预测强电磁脉冲作用下BJT内部烧毁发生的位置, 而且能够得到损伤能量.
恒定温度应力加速实验失效机理一致性快速判别方法
郭春生, 万宁, 马卫东, 张燕峰, 熊聪, 冯士维
2013, 62 (6): 068502. doi: 10.7498/aps.62.068502
摘要 +
针对加速实验中因失效机理发生改变而导致的无效实验问题, 对失效机理一致性和分别在不同应力下器件的初期退化参数分布的关系进行了研究. 研究证明了判断加速实验失效机理一致的条件: 1) 不同应力下失效分布的形状参数服从一致, 即mi=m, i=1,2,3,···, 2) 尺度参数 ηi服从ηi= AFi·η. 从而提供一种在实验初期即可根据参数退化分布快速判别不同应力下失效机理是否一致的方法, 避免了因失效机理发生改变而造成的无效加速实验. 最后对加速实验初期理论退化数据和多芯片组件厚膜电阻初期退化数据进行了威布尔分布参数估计, 并对其在不同应力下的失效机理一致性进行了判别.
质子束治疗中非均匀组织的等效水厚度修正研究
谢朝, 邹炼, 侯氢, 郑霞
2013, 62 (6): 068701. doi: 10.7498/aps.62.068701
摘要 +
非均匀组织等效水厚度修正是研究质子放射治疗的重要组成部分, 利用蒙特卡罗Fluka2011.2程序模拟了不同能量(50–250 MeV)的质子束入射到不同介质中的输运过程, 总结出了在不同介质中质子束初始能量与质子束Bragg峰深度关系, 并拟合出质子束在介质中的等效水厚度修正公式. 结果表明, 对不同能量的质子束入射到非均匀组织中, 通过拟合公式计算出Bragg峰深度值与Fluka模拟的质子束Bragg峰的位置相差在1 mm 之内. 如果建立起介质和水的Bragg峰比与电子密度比关系的数据库, 该公式有可能用于临床上的质子放射治疗的剂量计算中.
硬X射线光栅微分干涉相衬成像两步相移算法的理论与实验研究
杜杨, 雷耀虎, 刘鑫, 郭金川, 牛憨笨
2013, 62 (6): 068702. doi: 10.7498/aps.62.068702
摘要 +
针对硬X射线光栅微分干涉相衬成像在实际应用中对低辐射剂量和快速获取图像的要求, 通过对实验系统的理论分析和参数优化设计, 采用了两步相移算法用于提取物体相位信息. 这种方法可以有效降低X射线对物体的辐射剂量, 大大提高恢复相位信息的速度, 为X射线光栅相衬成像在未来的医疗和工业中的应用奠定基础.
基于法布里-珀罗调谐滤波器的傅里叶域锁模扫频激光光源
陈明惠, 丁志华, 王成, 宋成利
2013, 62 (6): 068703. doi: 10.7498/aps.62.068703
摘要 +
报道了一个光纤型1300 nm波段的傅里叶域锁模(Fourier domain mode locking, FDML)扫频激光光源, 用于扫频光学相干层析成像技术 (optical coherence tomography, OCT) 成像. 本实验扫频激光光源采用包含增益介质、调谐滤波器和延迟线组成的长腔激光谐振腔以及光功率增强单元. FDML扫频激光光源具有快速和高度稳定运转模式, 相位稳定性好. 基于法布里-珀罗调谐滤波器(fiber Fabry-Perot tunable filter, FFP-TF)的FDML扫频激光光源扫频范围为130 nm, 半高全宽为70 nm, 输出平均功率是11 mW. 与基于FFP-TF的短腔的扫频光源做了对比研究, FDML扫频光源速度从短腔的8 kHz提高到了48.12 kHz, 对应生物组织OCT成像轴向分辨率为7.8 μm, 比短腔的减小了1.9 μm.
基于符号化部分互信息熵的多参数生物电信号的耦合分析
张梅, 崔超, 马千里, 干宗良, 王俊
2013, 62 (6): 068704. doi: 10.7498/aps.62.068704
摘要 +
提出了一种新的时间序列耦合信息分析方法–-基于部分互信息符号化部分互信息熵. 研究表明, 多参量的生物电信号各参量间具有耦合关系, 使用符号化的部分互信息能够很好地对生物电信号时间序列进行分析, 从而获得其耦合程度.应用该算法对生物电信号计算并进行假设检验, 结果表明清醒期的生物电信号耦合程度显著高于睡眠期, 证明符号化部分互信息可以用来分析时间序列间的耦合信息, 而且生物电信号的耦合程度可以作为度量一个物理过程是否处于活跃状态的参数, 未来可以应用于临床医学以及生物电传感器等领域.
地球物理学、天文学和天体物理学
长江中下游地区暴雨"积成效应"
张世轩, 封国林, 赵俊虎
2013, 62 (6): 069201. doi: 10.7498/aps.62.069201
摘要 +
采用1960–2011年中国740站日降水观测数据, 以长江中下游地区为切入点, 提出暴雨"积成效应"这一概念, 旨在将暴雨这一天气尺度强降水过程拓展为类似中长期天气尺度过程来考虑, 研究它对季节尺度降水的贡献及影响. 通过统计分析从持续时间(Ld)、控制面积(Ar)、降水贡献率(Qs) 等三个角度建立暴雨"积成效应"概念及判定标准, 并进一步结合上述指标建立暴雨"积成效应"强度指数. 从这一角度出发, 探讨长江中下游地区暴雨"积成效应"与夏季降水的时空对应关系, 发现强度指数与同期夏季降水量的年际和年代际变化具有很好的一致性; 强弱指数年合成分布以及指数与中国东部夏季降水相关系数的空间分布呈现出类似于中国东部夏季雨带的分布形式; 而利用EOF分解对暴雨"积成效应"空间范围分类, 发现其与该地区夏季降水具有相似的4种空间型, 总体而言, 长江中下游地区暴雨"积成效应"造成的降水极大地影响甚至决定整个夏季降水的多寡及空间分布.
基于显著性特征的大冰雹识别模型
王萍, 潘跃
2013, 62 (6): 069202. doi: 10.7498/aps.62.069202
摘要 +
为了解决目前气象业务中由数字化雷达系统提供的强冰雹指数对强冰雹空报率过高的问题, 依据概念模型对强冰雹回波单体特点的描述, 设计并实现了"悬垂度" 等多个特征提取算法, 为了校验这些特征以及传统的强冰雹指数是否能从各自的角度突显强冰雹单体自身特质, 将较易与其混淆的短时强降水单体作反例进行统计校验, 结果表明它们在两类样本之间的差异是显著的. 以此为基础, 选用基于径向基核函数的非线性支持向量机得到强冰雹识别模型, 并在一种尺度变换的基础上, 将待测样本远离最优分类超平面的相对程度定义为新冰雹指数.实验表明, 本文方法较目前业务上普遍使用的冰雹指数法具有更高的击中率, 同时空报率大大降低.
江淮流域夏季降水对前冬持续时间长短的响应
苏涛, 张世轩, 支蓉, 陈丽娟
2013, 62 (6): 069203. doi: 10.7498/aps.62.069203
摘要 +
利用NCEP/NCAR再分析资料计算得到江淮流域1961–2011年前冬持续时间, 分析其时空变化特征, 并进一步探究它与后期江淮流域夏季降水的关系. 结果表明, 江淮流域前冬持续时间存在着明显的年际和年代际变化, 前冬持续时间显著偏长年份比偏短年份的前冬温度低、气压高、北风强, 表明温度、气压、经向风可能是反映江淮流域前冬持续时间的关键因子, 且不同区域各气象要素对季节长度的影响存在一定差异; 1961–2011年江淮流域前冬持续时间与该区域夏季降水呈显著正相关关系; 统计分析亦发现, 前冬持续时间显著偏长(偏短)的代表年份中, 夏季降水以偏多(偏少)为主; 对典型代表年份环流场进行合成分析发现, 前冬持续时间显著偏长时, 乌拉尔山与鄂霍次克海地区夏季易形成阻塞形势, 进而会对江淮流域夏季降水产生影响; 最后利用奇异值分解从空间场相关的角度探讨了两者的联系, 发现江淮流域夏季降水与前冬持续时间存在非常显著的关系.
脉冲星信号的经验模态分解模态单元比例萎缩消噪算法
王文波, 张晓东, 汪祥莉
2013, 62 (6): 069701. doi: 10.7498/aps.62.069701
摘要 +
针对脉冲星信号的消噪问题, 提出了一种基于模态单元比例萎缩的经验模态分解(EMD)消噪方法. 利用经验模态分解将含噪脉冲星信号分解为一组内蕴模态函数(IMF), 将IMF中两个过零点间的部分定义为模态单元, 以模态单元为基本单位构造最优比例萎缩因子, 对IMF中的每个模态单元进行比例萎缩去噪, 进而建立基于模态单元比例萎缩的脉冲星信号滤波模型.对含噪脉冲星信号进行了消噪实验分析, 实验结果表明, 与小波硬阈值消噪法、比例萎缩小波消噪法和基于模态单元阈值的EMD消噪法相比, 该方法可以更有效地去除脉冲星信号中的噪声, 同时更好地保留了原信号中的有用细节信息.