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Vol. 62, No. 8 (2013)

2013年04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
总论
光场位相算符和逆算符的Weyl编序展开
李学超, 杨阳, 范洪义
2013, 62 (8): 080301. doi: 10.7498/aps.62.080301
摘要 +
用有序算符内的积分技术, 推导了光场位相算符和逆算符的Weyl编序展开形式, 并利用该结果获得了相算符的经典对应以及某些新的特殊函数的生成函数和新的积分公式, 尤其是导出了带负次幂的复高斯积分的积分公式.
线性调频信号激励过阻尼双稳系统的随机共振现象研究
彭皓, 钟苏川, 屠浙, 马洪
2013, 62 (8): 080501. doi: 10.7498/aps.62.080501
摘要 +
线性调频信号是工程中常见的一种信号, 由于其为非周期信号, 无法以频域信噪比作为衡量其是否产生随机共振的测量手段, 故鲜有文献研究以线性调频信号为激励信号的随机共振现象. 本文利用线性调频信号在最优分数阶Fourier变换域上的能量聚集性, 首次提出以最优分数阶Fourier变换域上定义的信噪比作为测量手段, 研究了线性调频信号叠加高斯白噪声激励过阻尼双稳系统的随机共振现象, 且发现了以线性调频信号为激励信号时产生的新现象, 即随着信号频率的增大, 随机共振将逐渐减弱, 并给出了合理的解释.仿真的结果与理论分析一致, 验证了本文所提出方法的有效性.
异质化带宽分配下的复杂网络数据流负载问题研究
于灏, 周玉成, 井元伟, 徐佳鹤, 张星梅, 马妍
2013, 62 (8): 080502. doi: 10.7498/aps.62.080502
摘要 +
研究了带有连接边传输容量(带宽)约束的复杂网络上如何提升网络数据流负载问题. 在网络连接边带宽资源总量固定的条件下, 提出了一种异质化带宽分配方案. 引入 受控边 概念, 通过加入适当比例的 受控边, 重新分配带宽资源, 并结合具有拥塞感知能力路由策略的数据流量模型, 利用带宽分配调节数据流量走向, 提高了带宽利用效率, 最终使得网络整体的负载能力较带宽匀质化分配时有显著提升. 分别在Barabsi-Albert无标度网络和Watts-Strogtz (WS)小世界网络平台上仿真, 发现按照本文的带宽分配方案, WS小世界网络中节点连接边带宽与网络负载有较强的相关性, 节点连接边带宽分配最均衡的时候, 网络负载能力达到最大.
随机双指数记忆耗散系统的非马尔可夫扩散
谢文贤, 许鹏飞, 蔡力, 李东平
2013, 62 (8): 080503. doi: 10.7498/aps.62.080503
摘要 +
针对具有双指数耗散记忆核函数的两自由度耦合系统, 本文利用Laplace变换导出了热宽带噪声激励下该系统响应二阶矩的解析表达式. 并观察到位移二阶矩不同于单自由度情形下的反常扩散:x2(t)> ∝ tα (0αα≠1), 而是随时间及噪声等参数变化呈现普遍的振荡扩散现象.分析可得, 阻尼耦合因子B使粒子远离简谐势场的束缚, x2(t)>随B的增大扩散加剧而摩擦系数增大却使其趋于平稳状态.进一步, 若两热噪声互关联时, 较小的互关联时间对二阶矩的影响较大, 反之作用较小. 伴随互关联强度递增, 位移二阶矩的扩散加剧, 位移间的相关性加强, 与物理直观相符.
Fermi-Pasta-Ulam β 格点链系统能量载流子研究
袁宗强, 褚敏, 郑志刚
2013, 62 (8): 080504. doi: 10.7498/aps.62.080504
摘要 +
Fermi-Pasta-Ulam (FPU) β格点链中能量输运的载流子是孤子还是声子一直存在较多的争议. 本文通过单脉冲方法, 明确了一个能量波包在该格点链系统中从声子波包转变成为孤子波包的条件, 即波包能量达到一定阈值. 基于纯四次势链的声子真空效应, 构造了由FPU-β链与纯四次势链构成的双段链系统. 通过对比研究双段链系统和单段FPU-β链中的热流, 发现低温下声子是FPU-β链中能量的主要载流子, 而随着温度的升高孤子逐步取代声子成为能量的主要载流子.

编辑推荐

RIKEN介观器件腔中粒子输运过程的混沌性质及分形自相似结构研究
杨秦男, 张延惠, 蔡祥吉, 蒋国辉, 徐学友
2013, 62 (8): 080505. doi: 10.7498/aps.62.080505
摘要 +
研究了粒子在RIKEN介观器件中的输运性质, RIKEN器件的理论模型是二维Sinai台球的一种, 是研究粒子逃逸曲线混沌性质和分形规律的理想模型之一. 采用逃逸曲线定性比较和分形维数定量计算两种方法, 得到了开口宽度、腔长、拐角位置、圆弧半径等器件参数对逃逸曲线混沌区域分布的影响规律. 结果发现逃逸曲线中存在分形自相似结构, 揭示了粒子在RIKEN介观器件腔中输运过程存在的混沌性质, 并首次运用眼式结构分析和相似比比较等方法对分形自相似结构进行了验证.
基于二阶离散变分方法的非线性映射参数估计
曹小群
2013, 62 (8): 080506. doi: 10.7498/aps.62.080506
摘要 +
提出一种估计非线性映射未知参数的二阶离散变分方法.首先针对非线性离散混沌系统, 利用变分方法导出了伴随方程和目标泛函梯度, 以此为基础利用二阶离散变分方法给出了二阶伴随方程和精确计算Hessian矩阵-向量乘积的显式表达式; 其次设计了估计非线性映射未知参数的新算法, 并以此对Hyperhenón映射和二维抛物映射中的未知参数进行了精确的估计. 数值仿真结果表明了该方法的有效性和优点.
基于自适应滑模控制的不同维分数阶混沌系统的同步
黄丽莲, 齐雪
2013, 62 (8): 080507. doi: 10.7498/aps.62.080507
摘要 +
针对异结构不同维分数阶混沌系统的广义同步问题进行研究, 设计了一种将滑模变结构理论和自适应控制理论相结合的方法.通过设计一种对外界干扰具有强鲁棒性的分数阶滑模面, 以及构造合适的自适应滑模控制器, 该控制器将系统的运动控制到滑模面上, 使系统轨道沿滑动模运动到所需的控制状态, 最终实现了两个不同维异结构混沌系统之间的广义同步.以四维超混沌Chen系统和三维Chen混沌系统为例, 对这两个系统分别进行升维和降维的同步仿真. 仿真模拟结果表明, 运用本文设计的控制器, 经过短暂的时间, 两系统的广义误差变量始终平稳地趋于零, 即证明了这种控制器的有效性.
原子和分子物理学
并苯纳米环[6]CA及其衍生物的电子结构和光物理性质的密度泛函理论研究
徐莹莹, 阚玉和, 武洁, 陶委, 苏忠民
2013, 62 (8): 083101. doi: 10.7498/aps.62.083101
摘要 +
采用密度泛函理论PBE0方法在6-31G(d, p) 基组水平上对比研究并六苯纳米环[6]CA及BN取代纳米环[6]CA-BN的几何结构及电子性质. 同时探讨锂离子掺杂对不同体系的芳香性、前线分子轨道、电子吸收光谱及传输性质的影响. 通过电离势、亲合势及重组能的计算, 预测纳米环体系得失电子的能力及传输性能. 结果表明:[6]CA的能隙很小, BN取代后, 能隙明显增大; 锂离子掺杂到两种纳米环中, 在不明显改变前线分子轨道分布的前提下, 几乎同步降低了最高占据轨道、 最低未占据轨道能级, 锂离子掺杂使载流子传输性能得到很大改善; 电子吸收光谱拟合发现, BN取代使吸收光谱很大程度蓝移, 吸收强度明显减小; 而锂离子掺杂对光谱的强度及吸收范围没有明显影响.
氧、硫掺杂六方氮化硼单层的第一性原理计算
张召富, 周铁戈, 左旭
2013, 62 (8): 083102. doi: 10.7498/aps.62.083102
摘要 +
采用基于密度泛函理论和投影缀加平面波的第一性原理计算方法, 研究了六方氮化硼单层(h-BN)中的氮原子缺陷(VN)、氧原子取代氮原子(ON)和硫原子取代氮原子(SN)时的几何结构、磁性性质和电子结构.研究发现, VN和ON体系形变较小, 而SN体系形变较大; h-BN本身无磁矩, 但具有N缺陷或者掺杂后总磁矩都是1 μB; 同时给出了态密度和能带结构.利用掺杂体系的局域对称性和分子轨道理论解释了相关结果, 尤其是杂质能级和磁矩的产生.
H+和Ar11+激发Si的K壳层X射线发射研究
周贤明, 赵永涛, 程锐, 王兴, 雷瑜, 孙渊博, 王瑜玉, 徐戈, 任洁茹, 张小安, 梁昌慧, 李耀宗, 梅策香, 肖国青
2013, 62 (8): 083201. doi: 10.7498/aps.62.083201
摘要 +
测量了50250 keV H+和1.03.0 MeV Ar11+ 轰击Si表面过程中辐射的X射线. 结果表明, 在Ar11+入射的情况下, 引起了Si的L壳层上3, 4个电子的多电离.计算了Si的K壳层X射线产生截面, 并将两体碰撞近似(BEA), 平面波恩近似, ECPSSR理论计算与实验值进行了对比. ECPSSR理论与质子产生的截面数据能够很好地符合; 而考虑多电离后, BEA理论与Ar11+的实验结果符合较好.
晶体环境下高次谐波谱的截止频率分析
陈高, 杨玉军, 郭福明
2013, 62 (8): 083202. doi: 10.7498/aps.62.083202
摘要 +
通过数值求解中红外飞秒光脉冲与一维单电子多阱势相互作用的含时薛定谔方程, 研究了晶体环境下的高次谐波发射光谱, 发现了晶体谐波谱的截止位置公式.研究发现, 不同于气体环境下的谐波谱截止频率规律, 晶体谐波谱的截止频率与激光电场的峰值振幅及晶格参数成线性关系. 鉴于准经典力学的三步模型对于气体谐波截止频率的解释, 进一步采用准经典力学方法验证了晶体谐波截止位置规律的正确性.
LiAl分子基态、激发态势能曲线和振动能级
陈恒杰
2013, 62 (8): 083301. doi: 10.7498/aps.62.083301
摘要 +
利用单双激发多参考组态相互作用方法获得了LiAl分子基态X1∑+及七个激发态a3∏, A1∏, b3∑+, c3∑+, B1∏, C1∑+, d3∏的势能曲线, 通过势能曲线得到各态的平衡核间距Re, 进而求得绝热激发能和垂直激发能.计算结果表明:c3∑+ 电子态是一个不稳定的排斥态, A1∏态是一个较弱的束缚态, 其余6个电子态均为束缚态; b3∑+与 c3∑+态之间存在预解离现象; 8个电子态分别解离到两个通道, 即Li(2S)+Al(2P0)与Li(2P0)+Al(2P0). 接着将势能曲线拟合到Murrel-Sorbie解析势能函数形式, 据此获得各态的光谱数据:基态X1∑+的平衡键长为0.2863 nm, 谐振频率为316 cm-1, 解离能De为1.03 eV, 激发态a3∏, A1∏, b3∑+, c3∑+, B1∏, C1∑+, d3∏的垂直激发能依次为0.27, 0.83, 1.18, 1.14, 1.62, 1.81, 2.00 eV; 解离能依次为1.03, 0.82, 0.26, 排斥态, 1.54, 1.10, 0.93 eV, 相应谐振频率 ωe为339, 237, 394, 排斥态, 429, 192, 178 cm-1. 通过求解核运动的薛定谔方程找到了J=0时 LiAl分子7个束缚电子态的振动能级和转动惯量.
硅团簇自旋电子器件的理论研究
黄耀清, 郝成红, 郑继明, 任兆玉
2013, 62 (8): 083601. doi: 10.7498/aps.62.083601
摘要 +
利用过渡金属掺杂的硅基团簇, 构建了一种自旋分子结; 并利用第一性原理方法, 对其电子自旋极化输运性质进行了研究. 计算表明, 通过过渡金属掺杂可以有效地产生自旋极化电流, 磁性金属Fe和非磁性金属Cr和Mn掺杂的体系呈现出较明显的自旋极化透射现象, 但分子结的自旋极化输运能力与团簇孤立状态下的磁矩无一致性.从Sc到Ni的掺杂, 体系的自旋极化透射能力先增大后迅速减小, 在Fe掺杂的Si12团簇中出现最大值.
小尺寸铝纳米团簇的相变行为
冯黛丽, 冯妍卉, 张欣欣
2013, 62 (8): 083602. doi: 10.7498/aps.62.083602
摘要 +
采用分子动力学方法模拟了半径从0.3–1.3 nm变化的小尺寸铝纳米团簇的熔化、凝固行为. 基于势能-温度曲线、热容-温度曲线分析, 获得了熔点、凝固点与尺寸的依变关系, 并利用表面能理论、小尺寸效应开展了现象分析.研究表明, 铝团簇原子数小于80时, 熔点和凝固点的尺寸依赖性出现无规律的异常变化; 而大于该原子数, 熔、凝固点则随着团簇尺寸的减小而单调下降; 当原子数为27时, 团簇熔点高于块材熔点近40 K. 同时, 铝纳米团簇呈现出凝固滞后现象, 即凝固点低于熔点.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
磁电超材料折射率特性分析
徐新河, 吴夏, 肖绍球, 甘月红, 王秉中
2013, 62 (8): 084101. doi: 10.7498/aps.62.084101
摘要 +
基于麦克斯韦旋度方程, 将磁电超材料板中的电元件和磁元件分别等效为面电流和面磁流, 通过计算这些周期性面电流和面磁流在某个磁电超材料板上产生的总电场和总磁场, 获得了关于面磁流密度和面电流密度的两个方程, 进而推导出了周期性磁电超材料折射率与磁元件的磁导率、 电元件的介电常数和空间色散项之间关系的解析公式. 与传统的折射率计算公式不同, 该解析公式充分考虑到了空间色散以及磁电超材料的电元件和磁元件的相互作用. 折射率理论曲线和基于仿真实验数据的提取值曲线能很好地符合, 这说明文中推导的折射率公式能够正确地描述磁电超材料的负折射特性. 本文的结果将为分析电磁元件之间的相互作用以及设计负折射率符合一定要求的磁电超材料提供重要的理论参考.
各向异性蜂窝夹芯材料的电磁传输性能分析算法研究
汤兴刚, 张卫红, 邱克鹏
2013, 62 (8): 084102. doi: 10.7498/aps.62.084102
摘要 +
蜂窝夹芯结构作为天线罩最常用的透波材料, 其电各向异性特征对电磁传输性能具有不可忽略的影响. 本文基于各向异性蜂窝夹芯材料对电磁波水平极化和垂直极化分量的有效介电常数, 建立了多层蜂窝夹芯材料的等效传输线网络传输方程, 并给出了其传输系数的计算公式.该计算公式由于考虑了材料的三维各向异性特征, 不仅理论上可以计算多层各向异性介质板对任意方向入射电磁波的传输系数, 而且能够揭示出材料方向角对传输性能的影响规律.同时, 通过传输线网络等效, 其计算效率远高于有限元等方法.数值算例表明, 本方法能够有效地揭示蜂窝夹芯材料的各向异性对其传输性能的影响, 计算结果在入射角为0°–80° 时与有限元法符合很好.
过模结构表面波振荡器模式选择
李小泽, 滕雁, 王建国, 宋志敏, 张黎军, 张余川, 叶虎
2013, 62 (8): 084103. doi: 10.7498/aps.62.084103
摘要 +
过模结构能提高器件的功率容量和工作频率, 能使器件工作在低磁场状态, 越来越多的器件采用过模结构.但是过模结构允许多个模式同时存在, 这可能会引起模式竞争问题.本文通过理论分析和数值计算, 研究了过模结构模式选择问题.计算结果表明, 通过选择合适的结构参数和电参数, 使得器件工作在行波状态, 可以实现不同横向模式的选择.在此基础上, 通过选择合适的电子束和结构参数, 能实现不同纵向模式的选择.对计算结果进行了粒子模拟验证, 与理论分析符合较好, 达到了模式选择的目的.
拉曼型自由电子激光器中相对论电子运动稳定性的比较研究
徐勇根, 王时建, 吉驭嫔, 徐竟跃, 卢宏, 刘晓旭, 张世昌
2013, 62 (8): 084104. doi: 10.7498/aps.62.084104
摘要 +
拉曼型自由电子激光器作为一种兆瓦级高功率毫米波、太赫兹波辐射源, 其电子的运动稳定性对整体器件的性能至关重要.本文采用科尔莫戈罗夫熵方法, 以典型的麻省理工学院公布的实验数据为例, 比较研究拉曼型正向导引磁场和反向导引磁场两类自由电子激光器中相对论电子的运动稳定性. 结果表明:摇摆器绝热压缩磁场对电子运动的稳定性无实质性影响, 但对电子运动影响大; 电子束自身场在拉曼型正向导引磁场自由电子激光器中使电子运动稳定性变差, 而在拉曼型反向导引磁场自由电子激光器中则可改善电子运动稳定性.
永磁体外部磁场的不均匀性研究
何永周
2013, 62 (8): 084105. doi: 10.7498/aps.62.084105
摘要 +
从永磁体的分子电流观点、退磁场、工艺等出发, 以矩形永磁体为例, 从理论上分析了影响永磁体外部磁场不均匀性的各种因素.研究结果表明, 永磁体外部磁场宏观不均匀性(好场区均匀度和面积相对大小) 和空间距离及永磁体的外形设计密切相关. 退磁场对永磁体外部磁场微观不均匀性有着复杂影响. 永磁体工艺如粉末颗粒、取向度、烧结凝固、机械加工等将影响永磁体外部磁场的不均匀性, 如磁化偏角、对称性、光滑性等.
任意磁化方向铁氧体电磁散射时域有限差分分析的Z变换方法
王飞, 魏兵
2013, 62 (8): 084106. doi: 10.7498/aps.62.084106
摘要 +
利用坐标系转换矩阵给出实验室系中饱和磁化铁氧体的频域磁化率张量, 采用部分分式展开方法通过Z变换得到磁化率张量的Z域形式, 给出了任意磁化方向铁氧体电磁散射的Z变换-时域有限差分算法. 计算了饱和磁化铁氧体球的同极化和交叉极化后向雷达散射截面, 结果表明了算法的正确有效性.
Airy加速光束的局域空间频率及其在光束设计中的应用
国承山, 王淑贞, 荣振宇, 沙贝
2013, 62 (8): 084201. doi: 10.7498/aps.62.084201
摘要 +
Airy加速光束是近年来备受关注的一种新型无衍射光束. 它所具有的自由加速、无衍射及自恢复特性使其在光学微操纵、非线性光学、 电子加速等诸多领域显示出重要的应用价值. 因此, 如何方便高效地生成加速光束成为近年来的一个热点研究内容. 本文对Airy加速光束复振幅分布的空间振荡特性进行了分析, 建立了利用局域空间频率描述其加速特性的理论. 提出了利用零点坐标计算加速光束局域空间频率的方法, 通过非线性拟合给出了可以精确描述Airy光束局域空间频率的解析公式; 确定了加速光束的局域空间频率函数与加速轨迹之间的定量关系, 给出了由给定加速轨迹计算相应的局域空间频率以及加速光束的纯相位函数的一种简单计算方法. 将上述分析结果用于设计产生具有给定加速轨迹的加速光束所需的相位函数, 成功求出了能够产生圆弧形加速轨迹的新型加速光束的纯相位函数的解析表达式. 基于该相位函数设计的纯相位衍射光学元件的模拟衍射结果证明了上述方法的可行性.
基于改进后多维数据加密系统的多图像光学加密算法的研究
徐宁, 陈雪莲, 杨庚
2013, 62 (8): 084202. doi: 10.7498/aps.62.084202
摘要 +
提出了以改进后的基于虚拟成像的多维数据加密系统(VOI)为基础的多图像加密算法. 首先构造多幅图像横向叠加作为加密对象, 结合改进后的VOI系统完成加密. 对VOI系统做了三方面改进:加密图像编码为相位信息, 提高了图像的可分辨性和系统的解密效果; 随机相位板与随机振幅板结合, 提升了系统的密钥空间和对抗暴力攻击的能力; 像平面前增添随机相位板, 增强了系统的安全性.采用峰值信噪比评价算法加密效果, 计算结果表明本算法与原算法相比具有更好的有效性、鲁棒性和安全性.
利用综合复用技术拓展数字全息显微系统中的记录视场
吴永丽, 杨勇, 翟宏琛, 马忠洪, 盖琦, 邓丽军
2013, 62 (8): 084203. doi: 10.7498/aps.62.084203
摘要 +
为了解决现有数字全息显微系统中高分辨率与大记录视场无法同时兼得的问题, 提出了一种在不牺牲分辨率的前提下拓展数字全息显微记录视场的方法. 该方法中运用了波长不同、偏振态不同的四路相互不相干的探测物光, 同时探测被测样品四个相邻的不同区域, 并使这四束探测物光分别与其相应的参考光相干, 在记录面上同时记录下含有被测样品不同区域信息的复合全息图. 将获得的复合全息图经过频谱变换和数字滤波, 分别重构出所记录区域的振幅和相位分布.最后通过图像拼接和图像融合技术, 可实现接近原记录视场四倍的大视场数字全息显微记录. 该方法在测量过程中无需移动记录装置、光源和被测样品, 单次曝光即可实现, 实验结果验证了本文所提方法的可行性.
压缩态光场平衡零拍探测的位相锁定
张岩, 于旭东, 邸克, 李卫, 张靖
2013, 62 (8): 084204. doi: 10.7498/aps.62.084204
摘要 +
平衡零拍探测是测量量子光场的重要方法之一. 通过对相位灵敏光学参量放大器注入的信号进行位相调制, 然后利用平衡零拍探测系统测量光学参量放大器输出的压缩光. 将相位灵敏光学参量分别运转在参量放大和参量缩小, 通过观察噪声谱中的调制信号就可确定测量的量子光场是正交振幅或位相分量. 通过解调位相调制信号可获得误差信号, 实现锁定平衡零拍探测系统本底光与待测光场相对位相为零(对应于待测光场振幅噪声分量).
硅量子点的形状及其弯曲表面效应
黄伟其, 周年杰, 尹君, 苗信建, 黄忠梅, 陈汉琼, 苏琴, 刘世荣, 秦朝建
2013, 62 (8): 084205. doi: 10.7498/aps.62.084205
摘要 +
硅量子点的弯曲表面引起系统的对称性破缺, 致使某些表面键合在能带的带隙中形成局域电子态.计算结果表明:硅量子点的表面曲率不同形成的表面键合结合能和电子态分布明显不同. 例如, Si–O–Si桥键在曲率较大的表面键合能够在带隙中形成局域能级, 而在硅量子点曲率较小的近平台表面上键合不会形成任何局域态, 但此时的键合结合能较低. 用弯曲表面效应(CS)可以解释较小硅量子点的光致荧光光谱的红移现象. CS效应揭示了纳米物理中又一奇妙的特性. 实验证实, CS效应在带隙中形成的局域能级可以激活硅量子点发光.
新型单模大模场红外硫系玻璃光子晶体光纤设计研究
易昌申, 戴世勋, 张培晴, 王训四, 沈祥, 徐铁峰, 聂秋华
2013, 62 (8): 084206. doi: 10.7498/aps.62.084206
摘要 +
大模场光子晶体光纤在高功率激光传输、光纤放大器、光纤激光器中的广泛应用, 使其受到研究者的广泛关注.硫系玻璃在红外波段(1–20μm)具有优良透过性能, 且具有折射率高(2.0–3.5)、声子能量低(小于350 cm-1)、 组分可调等特性, 成为制备红外光纤的理想材料. 本文设计一种基于Ge20Sb15Se65硫系玻璃基质的新型单模传输、低损耗、超大模场面积光子晶体光纤结构, 经理论验证其在λ =10.6 μm处基模限制损耗远低于0.1 dB/m, 高阶限制模损耗大于2 dB/m, 模场面积约为13333 μm2.
脉冲激光沉积法制备的ZnO薄膜的低阈值电抽运紫外随机激射
徐韵, 李云鹏, 金璐, 马向阳, 杨德仁
2013, 62 (8): 084207. doi: 10.7498/aps.62.084207
摘要 +
分别采用直流反应溅射法和脉冲激光沉积法在硅衬底上沉积ZnO薄膜, 用X射线衍射、扫描电镜、光致发光谱等手段对两种方法沉积的ZnO薄膜的结晶状态、 表面形貌和光致发光等进行了表征. 进一步对比研究了以上述两种方法制备的ZnO薄膜作为发光层的金属-绝缘体-半导体结构器件的电抽运紫外随机激射. 结果表明, 与以溅射法制备的ZnO薄膜作为发光层的器件相比, 以脉冲激光沉积法制备的ZnO薄膜为发光层的器件具有更低的紫外光随机激射阈值电流和更高的输出光功率. 这是由于脉冲激光沉积法制备的ZnO薄膜中的缺陷更少, 从而显著地减少了紫外光在光散射过程中的光损耗.
太赫兹波段介质微腔光学特性研究
卢小可, 郭茂田, 苏建坡, 弓巧侠, 武进科, 刘建立, 陈明, 马凤英
2013, 62 (8): 084208. doi: 10.7498/aps.62.084208
摘要 +
采用匀胶法制备了厚度在微米量级的 Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2和Si/[TiO2/MgO]2/TiO2 多层介质膜反射镜. 采用太赫兹(THz)时域透射光谱系统获得了多层膜的时域透射谱. 用传输矩阵法模拟了Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2 和Si/[TiO2/MgO]2/TiO2两种分布式布拉格反射镜 (DBR)的反射相移和相位穿透深度等光学特性. 设计了两种结构为 DBR/LT-GaAs/DBR的对称THz光学微腔结构并模拟了腔结构的辐射光谱. 结果表明:通过引入谐振腔, 两种DBR组成的微腔器件在谐振波长处的强度分别提高了19和14倍. 其中Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2/LT-GaAs (12 μm)/ [TiO2/Al2O3]2TiO2腔的辐射光谱存在两个峰, 分别位于208和248 μm, 并分析了出现两个谐振峰的原因. 探讨了通过引入介质谐振腔实现对THz源的辐射特性进行调控的可行性.
基于光子晶体光纤中双抽运四波混频效应的非归零到归零码型转换实验研究
惠战强, 张建国
2013, 62 (8): 084209. doi: 10.7498/aps.62.084209
摘要 +
提出并实验证实了利用色散平坦高非线性光子晶体光纤中双抽运四波混频效应实现非归零 (NRZ)到归零(RZ)码型转换的新方案, 将一束NRZ信号光与两束同步时钟脉冲光同时注入光子晶体光纤, 通过双抽运四波混频效应产生两个闲频光, 经过光学滤波后即可完成单到双全光NRZ-RZ码型转换. 与基于常规单抽运四波混频效应的码型转换方式相比, 本设计方案由于采用了双抽运四波混频效应, 因此具有双路组播信号波长可彼此独立选取的优点. 分析了码型转换器的波长调谐性及对输入光功率波动的容忍性, 得到转换信号的最优消光比和Q 因子分别为15 dB和5.4. 研究结果表明, 本方案既具有对比特率和调制格式透明的优点, 又避免了使用单抽运四波混频效应进行码型转换时两路组播信号波长相互制约的弊端, 且实现了全光波长转换和波长组播功能.
光弹在库墨-高斯晶格中传输特性的研究
周博臻, 徐四六, 程正则
2013, 62 (8): 084210. doi: 10.7498/aps.62.084210
摘要 +
基于分布傅里叶算法及快速虚时间演化迭代法, 研究了光弹在线性和非线性散射异相调制的库墨-高斯晶格中传输的特性. 结果表明, 线性和非线性相位调制显著地改变了光弹的形状及其稳定范围, 并且非线性调制深度通过传播常数控制稳定性区域的宽度, 稳定时空光孤子的能量随着非线性调制深度的加强而增长.
椭圆响应强非局域非线性介质中的二维异步分数傅里叶变换及光束传输特性
陆大全, 胡巍
2013, 62 (8): 084211. doi: 10.7498/aps.62.084211
摘要 +
研究了椭圆响应强非局域非线性介质中的光束传输问题. 结果表明:任意光束在这类介质中传输时均遵守二维异步分数傅里叶变换的传输规律. 基于二维异步分数傅里叶变换这一数学工具, 可很方便地对光束的传输进行解析求解并分析其性质. 利用二维异步分数傅里叶变换的性质, 讨论了一般光束的传输性质; 分析了孤子和二维异步呼吸子的形成条件; 得出了孤子/呼吸子的相互作用规律.
级联参量振荡产生太赫兹辐射的理论研究
李忠洋, 邴丕彬, 徐德刚, 曹小龙, 姚建铨
2013, 62 (8): 084212. doi: 10.7498/aps.62.084212
摘要 +
针对光学参量振荡产生太赫兹波转换效率低的缺点, 提出了级联参量振荡产生太赫兹波的新机理以提高转换效率. 以周期极化铌酸锂晶体为例, 对级联参量振荡产生太赫兹波的原理和过程进行了理论研究. 分析了抽运光波长、周期极化铌酸锂晶体极化周期和工作温度对产生一阶、二阶闲频光频率的影响. 推导了三波共线相互作用条件下太赫兹波的增益特性和吸收特性. 计算结果表明, 通过级联参量振荡可以有效提高太赫兹波的转换效率, 并可以得到宽调谐的太赫兹波输出. 基于分析结果, 设计了周期极化铌酸锂晶体级联参量振荡产生高效率、宽调谐、窄线宽、连续太赫兹波的实验.
基于太极形介质柱六角光子晶体禁带特性研究
沈娟娟, 何兴道, 刘彬, 李淑静
2013, 62 (8): 084213. doi: 10.7498/aps.62.084213
摘要 +
提出了一种新型的非对称性散射体的二维六角晶格光子晶体结构–-太极形介质柱光子晶体. 利用平面波展开法从理论研究这种光子晶体结构的能带特性以及结构参数对完全禁带的影响. 研究表明:散射体对称性的打破, TE模和TM模能带宽度和数目都会有所增加, 有益于获得更宽的完全禁带以及更多条完全禁带.通过参数优化, 发现在ε = 17, R=0.38 μm, r=0.36R, θ = 0° 时, 获得最大完全带隙宽度0.0541(ωa/2πc); 在ε = 16, R=0.44, r=0.2R, θ = 0°时, 光子晶体完全带隙数目最多达到8条.

编辑推荐

全光纤量子通信系统中的高速偏振控制方案
李申, 马海强, 吴令安, 翟光杰
2013, 62 (8): 084214. doi: 10.7498/aps.62.084214
摘要 +
偏振控制在光通信中是至关重要的技术, 关系着通信系统的稳定性和误码率. 本文提出一种基于双向Sagnac环工作方式的全光纤高速偏振控制方案, 通过调节环中一个光纤电光相位调制器的相位差而精确控制光场偏振方向, 并且实现了单个端口输出各种偏振态, 无需后续耦合操作. 相位控制精度为10-3 rad, 最大消光比可达30 dB, 工作速率可达2 GHz. 由于本方案的精度、调制速度和稳定性都很高, 并采用了器件简单、成本低廉的全光纤光路, 易于集成, 在量子保密通信等光通信领域中有很好的应用前景.
一种新型高双折射光子晶体光纤特性研究
曹晔, 李荣敏, 童峥嵘
2013, 62 (8): 084215. doi: 10.7498/aps.62.084215
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设计了一种高双折射高非线性光子晶体光纤, 采用全矢量有限元法研究了这种光纤的基模模场、双折射、非线性、有效模面积及色散特性. 数值研究发现, 减小孔间距Λ的大小, 在波长1550 nm 处, 该光纤可获得10-2 数量级的双折射B, 比普通的椭圆保偏光纤高约两个数量级; 同时, 该光纤可获得42 W-1·km-1 的高非线性系数γ. 另外,分别在可见光和近红外波段出现了两个零色散波长, 在波长800–2000 nm 之间具有良好的色散平坦特性. 这种设计为获得高双折射高非线性超平坦色散光子晶体光纤提供了一种新的方法, 该光纤在偏振控制、非线性光学和色散控制方面具有广泛的应用前景.
一种新型侧漏型光子晶体光纤的研制及其传输特性研究
娄淑琴, 王鑫, 鹿文亮
2013, 62 (8): 084216. doi: 10.7498/aps.62.084216
摘要 +
通过引入椭圆掺锗芯和侧向泄露通道, 提出并研制出一种侧漏型光子晶体光纤(photonic crystal fiber, PCF). 应用结构重构全矢量有限元数值分析法分析了设计结构和实际研制的侧漏型PCF的传输特性. 研制的侧漏型PCF, 在波长1550 nm处基模的平均模场直径为9.275 μm, 与G652标准单模光纤具有很好的适配性, 模式双折射为0.837× 10-4, 群双折射约为1.508× 10-4. 基于研制的侧漏型PCF光纤构建了Sagnac干涉仪, 对其群双折射进行了测量. 测量结果表明:当侧漏型PCF光纤达到一定长度时, 在1450–1750 nm波长范围内, 二阶模在光纤中不能成为有效传输模式, 光纤可以实现单模传输; 另外, 研制的侧漏型PCF群双折射实验的测量平均值, 与数值分析结果相符合. 侧向泄露通道的引入, 增强了侧漏型PCF光纤对外界参量变化的敏感性, 提高了其在扭转、弯曲、压力等参量的光纤传感和高性能光纤激光器构建等方面的应用潜能.
一种高速率、高精度的全光纤偏振控制方法
马海强, 李泉跃, 汪龙, 韦克金, 张勇, 焦荣珍
2013, 62 (8): 084217. doi: 10.7498/aps.62.084217
摘要 +
提出了一种结构简单、高速率、高精度的全光纤偏振控制方法, 并对方案进行了详细的理论分析. 理论和实验结果表明:本方案可以自动补偿光纤系统由于环境变化使光纤发生形变产生的额外双折射效应, 提高了系统的抗干扰能力. 实验获得了31 dB消光比, 此方案有望在实际中得到广泛应用.
基于Michelson干涉仪的高灵敏度光纤高温探针传感器
杨珅, 荣强周, 孙浩, 张菁, 梁磊, 徐琴芳, 詹苏昌, 杜彦英, 冯定一, 乔学光, 忽满利
2013, 62 (8): 084218. doi: 10.7498/aps.62.084218
摘要 +
提出了一种简单的高灵敏度的光纤高温探针传感器, 该传感器由一小段多模光纤和一端镀有银膜的单模光纤熔接而成. 由于单模光纤和多模光纤的纤芯直径不同, 当光波从多模光纤传输至多模光纤和单模光纤的熔接端面时, 一部分纤芯光耦合进包层, 因为单模光纤纤芯的折射率和包层的折射率不同, 不同模式的光经过银膜反射后在多模光纤内重新耦合进单模光纤, 最终形成干涉.随着外界温度的升高, 干涉谱峰值会向长波方向漂移. 实验结果证明这种传感器在470 ℃–600 ℃范围内具有很好的稳定性, 线性度达99.7%, 灵敏度为120 pm/℃, 可作为远距离反射型探针温度传感器, 在石油探测和油气田开发等领域有着广泛的应用前景.
带喷流超声速光学头罩流场气动光学畸变试验研究
朱杨柱, 易仕和, 陈植, 葛勇, 王小虎, 付佳
2013, 62 (8): 084219. doi: 10.7498/aps.62.084219
摘要 +
超声速光学头罩在大气层内飞行时, 需要在光学窗口表面顺来流方向进行喷流冷却, 致使窗口上方流场更为复杂. 目标光线穿过窗口上方流场, 受到激波、膨胀波、混合层、湍流边界层等流场结构引起的变密度场影响而产生波前畸变, 导致成像出现偏移、抖动、模糊等气动光学效应. 本文对马赫数3.8来流条件下有无喷流时超声速光学头罩流场引起的气动光学波前畸变进行了试验研究. 基于纳米示踪的平面激光散射技术, 首先对流场图像进行密度校准获得高时空分辨率密度场, 然后采用光线追迹法计算得到波长532 nm平面光波垂直于光学窗口穿过流场后的光程差(optical path difference, OPD)分布, 并对窗口上方近壁区有无喷流状态的流场结构引起的 OPD分布进行了研究. 发现无喷流时, 流场结构相对较为简单, 窗口上方有较长的回流区和层流区, 而有喷流时窗口上方出现复杂的剪切层、混合层及湍流边界层, 流动很快就转捩为湍流结构, 其引起的气动光学畸变要明显高于无喷流状态. 无喷流状态相隔5 μs的流场引起的光程差均方根值分别为0.0348 和0.0356 μm, 有喷流状态的光程差均方根值分别为0.0462 和0.0485 μm.
基于等效源法和双面质点振速测量的声场分离方法
毕传兴, 胡定玉, 张永斌, 徐亮
2013, 62 (8): 084301. doi: 10.7498/aps.62.084301
摘要 +
目前基于等效源法的声场分离方法有两种输入方式, 一种以双测量面上的声压为输入, 另一种以单测量面上的声压和质点振速为输入. 本文以双测量面上的质点振速为输入, 提出一种新的基于等效源法的声场分离方法. 首先给出了该方法的理论推导, 然后通过数值仿真和实验验证了该方法的有效性. 通过与基于双面声压测量的声场分离方法的比较, 证明了该方法在分离质点振速方面的优越性. 此外, 在仿真中还研究了干扰声源强度和测量面间距对分离精度的影响.
水中目标回波亮点统计特征研究
陈云飞, 李桂娟, 王振山, 张明伟, 贾兵
2013, 62 (8): 084302. doi: 10.7498/aps.62.084302
摘要 +
礁石和海洋动物引起的混响是主动声纳最严重的干扰, 如何区分礁石、鱼群和水中目标一直是制约主动声纳识别技术的难点问题. 针对礁石与目标回波难以区分的问题, 从特征识别的应用角度, 研究水中复杂目标全方位回波亮点特征的有效表征和应用方式, 基于目标回波亮点模型, 提出拷贝相关器输出的目标散射函数估计方法, 给出对目标回波亮点相对关系进行定量分析的目标回波特征统计表征方式, 并基于湖上实验提取了物理机理明确的目标回波亮点统计特征, 使得目标时间-角度谱中所蕴含的目标特征信息能够很直接地转化为主动声纳易于应用的目标特征.
用信号处理技术及传播理论还原雷声频谱
欧阳玉花, 袁萍, 贾向东, 王小云, 薛思敏
2013, 62 (8): 084303. doi: 10.7498/aps.62.084303
摘要 +
以往关于雷声的研究都限于观测点雷声频域范围的探讨, 由于噪音和衰减因素的影响, 观测点的雷声频谱有很大失真. 针对在兰州地区观测的一次雷暴过程中的雷声信号, 利用数字信号处理技术,由观测点处的雷声音频信号得到频率谱,并对雷声频谱进行噪音分析; 然后结合声音在大气中传播的衰减理论, 分析了不同大气环境对声吸收的影响, 并推算出了声源附近的雷声频率谱.
直接模拟中不同边界条件的实施及对沉降规律的影响
刘汉涛, 常建忠
2013, 62 (8): 084401. doi: 10.7498/aps.62.084401
摘要 +
在牛顿流体中, 对颗粒在4种不同边界的垂直通道中的沉降运动进行了直接数值模拟. 计算结果表明:通过计算区域随颗粒运动而移动构建的无限长通道能准确模拟颗粒自由下落到稳定沉降的发展过程; 周期性边界条件由于流场变化, 对颗粒沉降产生了影响, 不能模拟颗粒的自由沉降过程; 底部封闭边界适合模拟封闭容器内颗粒与固壁的相互作用过程, 若颗粒达到稳定沉降, 也能模拟无限长通道内的沉降过程; 流化边界适合模拟流化床内气固两相流动. 计算结果有助于更好地理解和使用不同边界条件.
分布式电流刺激抑制心肌组织中螺旋波
王春妮, 马军
2013, 62 (8): 084501. doi: 10.7498/aps.62.084501
摘要 +
利用两种恒定电信号刺激介质不同区域来产生分布式电流, 外界分布式电流内化为跨膜电流后在介质中形成稳定的梯度力可抑制螺旋波的传播. 当螺旋波被消除后系统进一步演化为均匀态且对应的膜片电位采样序列逐渐趋于一个稳定值. 在考虑噪声情况下, 该方法仍然能消除螺旋波, 对其采样序列分析也验证了方法的可靠性.
油气水三相流段塞流不稳定周期轨道探寻
赵俊英, 金宁德, 高忠科
2013, 62 (8): 084701. doi: 10.7498/aps.62.084701
摘要 +
将临近点回归方法与自适应阈值法相结合, 对油气水三相流段塞流进行了不稳定周期轨道探寻分析, 发现乳状段塞流比水包油段塞流的低阶不稳定周期轨道周期更长. 水包油段塞流的低阶轨道由内部小循环到外部大循环的嵌套结构组成, 乳状段塞流的低阶轨道则由两个平滑的大循环嵌套而成. 结合时频域分析, 发现水包油段塞流的能量分布弥散、频谱范围较宽且频率成分复杂, 而乳状段塞流的能量分布较集中、高频成分较少, 证实水包油段塞流比乳状段塞流流动机理更为复杂, 且时频域分布与低阶不稳定周期轨道结构相对应.
粒子在锥形管中运动的晶格玻尔兹曼方法研究
薛泽, 施娟, 王立龙, 周锦阳, 谭惠丽, 李华兵
2013, 62 (8): 084702. doi: 10.7498/aps.62.084702
摘要 +
运用晶格玻尔兹曼方法对单个悬浮粒子在锥形管中的运动进行了数值计算, 给出了锥形管流体的速度分布和压力分布等. 粒子所受的流体作用力分别用动量交换法、改进的动量交换法和压力张量积分法进行计算. 分析了在不同初始位置释放的粒子的运动轨迹和速度变化情况, 结果表明压力张量积分法和改进的动量交换法的计算结果一致, 而没有改进的动量交换法的计算结果和前两者略有不同.
热对流条件下颗粒沉降的格子Boltzmann方法模拟
毛威, 郭照立, 王亮
2013, 62 (8): 084703. doi: 10.7498/aps.62.084703
摘要 +
采用格子Boltzmann方法模拟了在热对流条件下的颗粒沉降问题, 在研究单颗粒在等温流体、热流体和冷流体中运动的基础上, 进一步模拟了两个不同温度的颗粒在流体中的沉降.结果表明:两等温颗粒的沉降方式与雷诺数Re以及格拉晓夫数Gr密切相关, 而两不同温度的颗粒与两等温颗粒的沉降规律有显著不同.无论初始位置如何, 冷颗粒最终总位于热颗粒下方运动, Re较大时, 发生连续的拖曳、接触现象, 而Re较小时, 冷颗粒会以较大的沉降速度远离热颗粒.
平面撞击流偏斜振荡的实验研究与大涡模拟
屠功毅, 李伟锋, 黄国峰, 王辅臣
2013, 62 (8): 084704. doi: 10.7498/aps.62.084704
摘要 +
采用实验和大涡模拟对喷嘴出口雷诺数(Re= U0 hρ/μ, 其中 U0为出口平均速度, h为平面喷嘴出口狭缝高度, ρ和 μ分别为流体的密度与动力黏度)为25–10000, 喷嘴间距 L为4h–40h范围内的平面撞击流偏斜振荡特性进行了研究. 通过对平面撞击流模拟和实验的结果进行比较, 验证了数值模拟的可靠性, 并对平面撞击流发生偏斜振荡的无因次参数(喷嘴间距 L/h与出口雷诺数 Re)范围进行划分, 重点考察了湍流平面撞击流的偏斜振荡周期及速度-压力变化特征. 研究结果表明大涡模拟能对平面撞击流的偏斜振荡进行有效预报; 当平面撞击流发生周期性偏斜振荡时, 特定点的压力与速度也发生周期性变化, 且变化周期与偏斜振荡周期一致, 偏斜振荡本质上是由速度-压力的周期性变化和转换引起的.
有限深两层流体中内孤立波造波实验及其理论模型
黄文昊, 尤云祥, 王旭, 胡天群
2013, 62 (8): 084705. doi: 10.7498/aps.62.084705
摘要 +
将置于大尺度密度分层水槽上下层流体中的两块垂直板反方向平推, 以基于 Miyata-Choi-Camassa (MCC)理论解的内孤立波诱导上下层流体中的层平均水平速度作为其运动速度, 发展了一种振幅可控的双推板内孤立波实验室造波方法. 在此基础上, 针对有限深两层流体中定态内孤立波 Korteweg-de Vries (KdV), 扩展KdV (eKdV), MCC和修改的Kdv (mKdV)理论的适用性条件等问题, 开展了系列实验研究.结果表明, 对以水深为基准定义的非线性参数ε 和色散参数μ, 存在一个临界色散参数μ0, 当μ μ0 时, KdV理论适用于ε ≤μ 的情况, eKdV理论适用于μ ε ≤√μ 的情况, 而MCC理论适用于ε > √μ 的情况, 而且当μ ≥μ0 时MCC理论也是适用的.结果进一步表明, 当上下层流体深度比并不接近其临界值时, mKdV理论主要适用于内孤立波振幅接近其理论极限振幅的情况, 但这时MCC理论同样适用.本项研究定量地表征了四类内孤立波理论的适用性条件, 为采用何种理论来表征实际海洋中的内孤立波特征提供了理论依据.
矩形喷口欠膨胀超声速射流对撞的实验研究
张强, 陈鑫, 何立明, 荣康
2013, 62 (8): 084706. doi: 10.7498/aps.62.084706
摘要 +
在不同喷口间距和射流压力下开展了矩形喷口欠膨胀超声速射流对撞实验并与自由射流进行了对比. 实验表明:超声速射流对撞的辐射噪声中存在四种不同的啸音模式, 且随喷口距离和射流压力的变化在不同模式间切换. 在射流压力大于0.5 MPa且喷口间距小于50 mm时, 射流对撞面在两个喷口外形成两道正激波之间, 啸音基频维持在3 kHz左右. 随喷口间距的增大或射流压力的降低, 射流对撞面在一侧喷口外的弓形激波与另一侧喷口外的正激波之间. 对撞面也有可能出现在两个弓形激波之间, 对应的啸音基频约为9 kHz, 但容易受扰动而回到喷口一侧或是在喷口之间大幅度振荡. 当射流压力小于0.36 MPa且喷口间距大于70 mm后, 对撞面在两个喷口之间大幅度振荡, 产生基频在1 kHz左右并随射流压力的降低和喷口间距的增大而降低的啸音.
实验观测液滴撞击倾斜表面液膜的特殊现象
梁刚涛, 沈胜强, 郭亚丽, 陈觉先, 于欢, 李熠桥
2013, 62 (8): 084707. doi: 10.7498/aps.62.084707
摘要 +
采用高速摄像仪以10000帧/s 的拍摄速度对液滴撞击倾斜表面液膜的过程进行了实验观测, 分析了液滴撞击倾斜表面液膜后的铺展、水花形成以及飞溅等现象, 考察了撞击角对液滴震荡变形过程的影响; 在此基础上, 定量讨论了液滴铺展速度随时间的变化规律, 揭示了液滴撞击速度和撞击角对前、后铺展因子及初始铺展速度的影响.观测发现, 在撞击角为28.0°–74.7°范围内, 随着撞击角的减小, 液滴在液膜表面的震荡变形程度增大; 前铺展因子随撞击速度的增大而增大, 随撞击角的减小而增大; 后铺展因子随撞击速度的增大几乎不发生变化, 但是随撞击角的增大而增大; 液滴初始铺展速度随撞击速度和撞击角的升高而增大.
观测包膜微泡在超声场中的动力学行为
梁金福, 陈伟中, 邵纬航, 周超, 杜联芳, 金利芳
2013, 62 (8): 084708. doi: 10.7498/aps.62.084708
摘要 +
运用长距离显微成像系统与锁相积分拍摄技术相结合的方法, 拍到了单个造影剂微泡在两种不同频率和不同声压下的周期性振动图像. 根据这些图像得到了微泡直径的实验数据, 并分别用Hoff模型和Rayleigh-Plesset模型对数据进行拟合, 并对数据进行了频谱分析. 结果表明:Hoff模型对实验数据的拟合结果优于Rayleigh-Plesset模型的拟合结果; 二次谐波的相对强度随着声压幅度的升高而增大.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
高质量InGaN的等离子体辅助分子束外延生长和In的反常并入行为
吴渊渊, 郑新和, 王海啸, 甘兴源, 文瑜, 王乃明, 王建峰, 杨辉
2013, 62 (8): 086101. doi: 10.7498/aps.62.086101
摘要 +
采用射频等离子体辅助分子束外延技术生长得到了In组分精确可控且高质量的InxGa1-xN (x ≤ 0.2) 外延薄膜. 生长温度为580 ℃的In0.19Ga0.81N薄膜(10.2) 面非对称衍射峰的半高宽只有587弧秒, 背景电子浓度为3.96× 1018/cm3. 在富金属生长区域, Ga束流超过N的等效束流时, In组分不为零, 即Ga并没有全部并入外延层; 另外, 稍微增加In束流会降低InGaN的晶体质量.
金属有机化学气相沉积法生长条件对AlN薄膜面内晶粒尺寸的影响
吴亮亮, 赵德刚, 李亮, 乐伶聪, 陈平, 刘宗顺, 江德生
2013, 62 (8): 086102. doi: 10.7498/aps.62.086102
摘要 +
研究了金属有机化学气相沉积设备生长条件对AlN 薄膜质量的影响. 应用Williamson-Hall方法测试并分析了不同氮化时间、AlN缓冲层生长时间、 载气流量生长参数对AlN薄膜的面内晶粒尺寸的影响. 实验结果表明, 随着氮化时间减小, 缓冲层生长时间增加, 载气流量减少, AlN薄膜的侧向生长和岛的合并能力增强, 面内晶粒尺寸增大, 从而晶体质量也变好.
金属磁记忆效应的第一性原理计算与实验研究
杨理践, 刘斌, 高松巍, 陈立佳
2013, 62 (8): 086201. doi: 10.7498/aps.62.086201
摘要 +
为研究铁磁材料应力集中区域金属磁记忆信号的产生机理及其变化规律, 采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法, 建立了磁记忆效应的磁力学模型; 计算分析了力与磁记忆自发漏磁信号的定量变化关系. 研究结果表明:力作用导致晶格畸变是磁记忆自发漏磁信号产生的根本原因; 常温下, 磁记忆信号随应力近似线性变化的规律与X70钢管水压爆破实验结果具有很好的一致性. 研究结果有助于金属磁记忆检测机理的研究.
液态Sn-Cu钎料的黏滞性与润湿行为研究
赵宁, 黄明亮, 马海涛, 潘学民, 刘晓英
2013, 62 (8): 086601. doi: 10.7498/aps.62.086601
摘要 +
金属熔体的黏度和表面张力都是与液态结构相关的敏感物理性质, 且存在一定的相互关系. 对于微电子封装材料而言, 黏度和表面张力均是影响其工艺性能的重要参量. 本文利用回转振动式高温熔体黏度仪测量了Sn-xCu (x = 0.7, 1.5, 2)钎料熔体在不同温度下的黏度值, 发现在一定温度范围内钎料熔体的黏度值存在突变, 可划分为低温区和高温区. 在各温区内, 黏温关系很好地符合Arrhenius方程, 在此基础上讨论了液态钎料的结构特征和演变规律. 同时, 利用黏度值计算了液态Sn-xCu钎料在相应温度下的表面张力, 并通过Sn-xCu钎料在Cu基板上的润湿铺展实验对计算结果进行验证. 结果显示, 润湿角和扩展率的测试结果与表面张力的计算结果具有很好的一致性, 表明通过熔体黏度值来计算锡基二元无铅钎料合金表面张力并评估其润湿性能的方法是可行的.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
放射性核素铀在针铁矿中的占位研究
金宝, 蔡军, 陈义学
2013, 62 (8): 087101. doi: 10.7498/aps.62.087101
摘要 +
用第一性原理研究放射性同位素铀在针铁矿(-FeOOH)中的占位情况, 分别考虑铀原子替代针铁矿中的铁的替位缺陷和铀的多种八面体和多种四面体间隙缺陷. 计算发现了三个最稳定的缺陷构型, 它们分别对应于一个铀替位缺陷(S) 及其中的一个铀的八面体(O)和四面体(T)间隙缺陷, 其形成能分别为-13.49, -3.86, -1.60 eV. 也研究了两个相邻的铀原子在针铁矿中的占位情况, 发现双铀原子很容易掺入到相邻的SS或OS位, 它们的形成能分别为-27.392和-16.214 eV, 结合能分别为-0.417和1.131 eV. 表明双原子铀在针铁矿中会以SS形式发生偏聚而较难以OS形式偏聚.
IVB族过渡金属氮化物弹性与光学性质研究
王瑨, 李春梅, 敖靖, 李凤, 陈志谦
2013, 62 (8): 087102. doi: 10.7498/aps.62.087102
摘要 +
基于密度泛函理论平面波方法研究了IVB族过渡金属氮化物TiN, ZrN, HfN的电子结构、 弹性性质和光学性质. 研究表明, IVB族过渡金属氮化物晶格的电子结构分别体现了共价性、 离子性和金属性, 且基态下体系呈金属性. 各晶格在坐标基矢方向上的杨氏模量的数值与体对角线方向上的差距明显, 体现出典型的弹性性质各向异性, 这导致了实验研究在制备其薄膜时不可避免地产生晶格畸变与微裂纹. 伴随着态密度中赝隙的红移, TiN, ZrN, HfN的金属性依次增强, 使得材料在力学性能方面脆性减弱, 单晶的各向异性程度提升, 以及光学性质方面电子跃迁机理由带内跃迁到带间跃迁转变所需入射光子能量的蓝移和光谱选择性能的下降. 因此, 通过降低IVB族过渡金属氮化物中自由电子的组分以加强材料的共价性, 有利于提高材料弹性性质的各向同性, 改善材料的光谱选择性能.
V-N共掺纤锌矿ZnO光催化性质的第一性原理研究
桂青凤, 崔磊, 潘靖, 胡经国
2013, 62 (8): 087103. doi: 10.7498/aps.62.087103
摘要 +
基于第一性原理的密度泛函理论对V, N单掺杂和V-N共掺杂ZnO的电子结构和光学性质进行了对比研究. 结果表明:三种掺杂均在可见光区域出现光吸收增强的现象, 其中V-N共掺最为明显; 结合能的计算发现V-N共掺的ZnO体系相对V, N单掺而言结构更稳定, 因此V-N共掺的ZnO是一种稳定而有效的光催化剂. 进一步研究表明, 阴-阳离子共掺的形式可以很好地应用于光电化学领域, 并可以制备出高性能稳定的短波光电材料.
第一性原理研究硫化镉高压相变及其电子结构与弹性性质
周平, 王新强, 周木, 夏川茴, 史玲娜, 胡成华
2013, 62 (8): 087104. doi: 10.7498/aps.62.087104
摘要 +
采用第一性原理研究了CdS的六方纤锌矿(WZ), 立方闪锌矿(ZB) 和岩盐矿(RS)相在高压条件下的相稳定性、 相变点、电子结构以及弹性性能.WZ相与RS 相可以在相应的压强范围内稳定存在, 而ZB相不能稳定存在.压强大于2.18 GPa时, WZ相向RS相发生金属化相变.WZ相中S原子电负性大于Cd, 且电负性差值小于1.7, CdS的WZ相为共价晶体.高压作用下, S原子半径被强烈压缩, 有效核电荷增加, 对层外电子吸引能力提高, 电负性急剧增大, 导致S与Cd的电负性差值大于1.7, CdS的RS相以离子晶体存在. WZ相的C44随压强增加呈下降趋势, 导致WZ相力学不稳定, 并向RS相转变.当压强大于2.18 GPa时, RS相C11, C12随压强增加而增大, 并且C44保持稳定, 说明RS相具有良好的高压稳定性与力学性能.
双色场驱动下高次谐波的径向量子轨道干涉
李小刚, 李芳, 何志聪
2013, 62 (8): 087201. doi: 10.7498/aps.62.087201
摘要 +
研究了双色场驱动下的高次谐波量子轨道的相位匹配特性. 通过调整激光束腰优化双色场空间分布, 可以有效地增加长轨道的径向相位匹配区域, 使得长轨道和短轨道在近轴处和离轴处都同时相位匹配.通过选取合适的近场空间过滤片, 可以获得清晰的径向干涉条纹. 这些结果在分辨不同的干涉现象以及更高精度的观察高阶轨道方面有很大的潜在应用价值.
有限尺寸石墨烯的电子态
邓伟胤, 朱瑞, 邓文基
2013, 62 (8): 087301. doi: 10.7498/aps.62.087301
摘要 +
根据π电子的紧束缚模型, 通过有限系统的Bloch定理方法, 解析计算了有限尺寸石墨烯的电子态和能带. 研究发现, 其电子态有且只有两类, 分别是驻波态和边缘态.驻波态时, 波函数形式是两个方向都是正弦函数; 边缘态时, 波函数形式是Armchair边界的方向是双曲正弦函数, Zigzag边界的方向是正弦函数. 其能带由总碳原子数N个离散的本征值组成, 推导了定量计算边缘态的本征值个数的表达式, 并通过态密度来分析边缘态的存在和与无限大情况的一致性. 所有的分析中数值结果与解析理论都完全一致, 当两个受限方向都变成无限长时, 可以得到与无限大石墨烯相同的结果.
具有新型双空穴注入层的有机发光二极管
刘佰全, 兰林锋, 邹建华, 彭俊彪
2013, 62 (8): 087302. doi: 10.7498/aps.62.087302
摘要 +
采用新型双空穴注入层N, N, N', N'-tetrakis(4-Methoxy-phenyl)benzidine/Copper phthalocyanine(MeO-TPD/CuPc)及器件结构:ITO/MeO-TPD(15 nm)/CuPc(15 nm)/ N, N'-Bis(naphthalen-1-yl)-N, N'-bis(phenyl)benzidine (NPB, 15 nm)/8-hydroxyquinoline (Alq3, 50 nm)/LiF(1 nm)/Al(120 nm), 研制出高效有机发光二极管(器件D), 与其他器件(器件A, 没有空穴注入层的器件; 器件B, MeO-TPD单空穴注入层; 器件C, CuPc单空穴注入层)相比, 其性能得到明显改善. 器件D的起亮电压降至3.2 V, 比器件A, B, C的起亮电压分别降低了2, 0.3, 0.1 V. 器件D在10 V时, 其最大亮度为23893 cd/m2, 最大功率效率为1.91 lm/W, 与器件A, B, C的最大功率效率相比, 分别提高了43% (1.34 lm/W), 22% (1.57 lm/W), 7% (1.79 lm/W). 性能改善的主要原因是由于空穴注入和传输性能得到了改善, 通过单空穴型器件的J-V 曲线对这一现象进行了分析.
对称双势垒量子阱中自旋极化输运的时间特性
王瑞琴, 宫箭, 武建英, 陈军
2013, 62 (8): 087303. doi: 10.7498/aps.62.087303
摘要 +
电子的隧穿时间是描述量子器件动态工作范围的重要指标. 本文考虑k3 Dresselhaus 自旋轨道耦合效应对系统哈密顿量的修正, 结合转移矩阵方法和龙格-库塔法来解含时薛定谔方程, 进而讨论了电子在非磁半导体对称双势垒结构中的透射系数及隧穿寿命等问题. 研究结果发现:由于k3 Dresselhaus 自旋轨道耦合效应使自旋简并消除, 并在时间域内得到了表达, 导致自旋向上和自旋向下电子的透射峰发生了自旋劈裂; 不同自旋取向的电子构建时间和隧穿寿命不同, 这是导致自旋极化的原因之一; 电子的自旋极化在时间上趋于稳定.
二维磁振子晶体中线缺陷模的性质及其应用
曹永军, 江鑫
2013, 62 (8): 087501. doi: 10.7498/aps.62.087501
摘要 +
在超原胞近似下, 利用平面波展开法数值计算了含线缺陷结构的二维磁振子晶体带结构及缺陷模的磁化强度场分布. 研究结果表明, 线缺陷结构的引入会在禁带中产生一个小范围的通带, 即产生线缺陷模. 该模式的存在可使自旋波沿着线缺陷结构的方向传播, 利用此性质含线缺陷结构的二维磁振子晶体材料可作为自旋波导波器件的制作材料.
CaCu3Ti4O12 陶瓷介电模量响应特性的研究
李盛涛, 王辉, 林春江, 李建英
2013, 62 (8): 087701. doi: 10.7498/aps.62.087701
摘要 +
由于CaCu3Ti4O12巨介电常数陶瓷的低频区直流电导较大, 本文采用模量 M"-f频谱表征与分析了低频和高频的两个松弛极化过程. 研究认为, 这两个特征峰属于晶界区Schottky 势垒耗尽层边缘深陷阱的电子松弛过程, 其中高频松弛峰起源于晶粒本征缺陷的电子松弛过程, 而低频松弛峰则为与氧空位有关的松弛极化过程. 对于CaCu3Ti4O12这类低频下具有高直流电导的陶瓷材料, 采用模量频谱能更有效地分析研究其损耗极化机理.
CaCu3Ti4O12 陶瓷松弛损耗机理研究
王辉, 林春江, 李盛涛, 李建英
2013, 62 (8): 087702. doi: 10.7498/aps.62.087702
摘要 +
CaCu3Ti4O12介电损耗较大且损耗机理尚不明确, 因此限制了其应用.本文采用固相法和共沉淀法合成CaCu3Ti4O12陶瓷, 利用宽带介电温谱研究在交流小信号作用下, 双Schottky势垒耗尽层边缘深陷阱的电子松弛过程、 载流子松弛过程以及CaCu3Ti4O12陶瓷的介电损耗性能. 研究发现, 在低频下以跳跃电导和直流电导的响应为主, 而高频下主要为深陷阱能级的松弛过程所致, 特别是活化能为0.12 eV的深陷阱浓度, 这是决定CaCu3Ti4O12陶瓷高频区介电损耗的重要因素.降低直流电导, 有利于降低低频区介电损耗; 而高频区介电损耗的降低, 需要降低深陷阱浓度或增大晶粒尺寸. 共沉淀法制备的CaCu3Ti4O12陶瓷, 有效降低直流电导及控制深陷阱浓度, 介电损耗降低明显.
基于电谐振单元的超介质吸波材料及矩形波导匹配终端应用研究
李建, 文光俊, 黄勇军, 王平, 孙元华
2013, 62 (8): 087801. doi: 10.7498/aps.62.087801
摘要 +
针对在自由空间中测试超介质吸波材料的高复杂性及高成本特点, 实验研究了4种由电谐振单元构成的超介质吸波材料在X波段(8–12 GHz)矩形波导里的吸波性能. 实验结果表明, 此4种吸波材料在终端短路的矩形波导里显示出与其在自由空间中相似的吸波性能及吸波机理.据此, 进一步研究了基于超介质吸波材料的矩形波导匹配终端应用. 分析结果显示, 此种新型匹配终端具有结构紧凑、工作频段可简单控制、成本低等优点. 通过展宽超介质吸波材料的吸波频段可设计出宽频带的矩形波导匹配终端.
利用散射光增强弱吸收固体混合物中主要光吸收物质的光声光谱特征
余荣, 江月松, 余兰, 欧军
2013, 62 (8): 087802. doi: 10.7498/aps.62.087802
摘要 +
在传统的透射和反射光谱中, 散射光通常是误差的主要来源之一, 然而对光声光谱, 散射光有可能成为促进光谱测量的积极因素. 本文研究了弱吸收固体混合物–-奥氮平药片及其粉末的光声光谱. 为了排除光声池吸收散射光所产生背景光声信号的干扰, 取试样与其空白物的差值谱进行碳黑归一化, 得到了只与试样自身性质相关的归一化光声光谱.实验发现通过将药片碾成粉末, 可以使奥氮平药片的主成分奥氮平原料药的光声光谱特征凸显出来. 分析表明光散射效应是这一现象产生的主要原因. 传统光谱技术的障碍–-散射光却能促进光声光谱测量, 这显示出光声技术在光谱测量领域的独特优势. 上述实验提供了一种初步快速鉴别弱吸收固体混合物中少量光吸收物质的新方法, 这一方法有望应用于固体药物、矿物和土壤分析等领域.
光声信号的双谱分析方法研究
焦阳, 简小华, 向永嘉, 崔崤峣
2013, 62 (8): 087803. doi: 10.7498/aps.62.087803
摘要 +
基于光声效应的光声光谱技术是光学与声学的有机结合, 可利用不同波长的入射光波, 产生不同的光声信号, 从而为组分识别、组织无损检测等提供高对比度图像, 是一种极具潜力的新型医学诊断技术.但光声光谱检测技术由于受检测方法的制约, 往往扫描时间较长, 而且信号的稳定性和图像识别的准确性也较差. 为了弥补单一光声光谱分析的局限性, 根据光声效应原理和振动理论, 提出了一种光声光谱与光声频谱相结合的双谱分析方法. 该方法通过光声频域信息的定量分析, 可以有效地提高不同组织的光声图像对比度, 从而提高光声成像的组分识别能力, 为光声频谱功能成像奠定理论基础. 实验结果显示, 光声光谱与光声频谱相结合的双谱分析方法可以较好地识别实验组织样品, 可实现高速、高分辨率的组分识别、组织探伤等, 具有广泛的应用前景和重要的临床诊断意义.
AlON:Ce3+荧光粉的制备及光谱研究
钟红梅, 刘茜, 周遥, 庄建东, 周虎
2013, 62 (8): 087804. doi: 10.7498/aps.62.087804
摘要 +
采用高温固相法合成了不同浓度Ce3+ 掺杂的AlON荧光粉. 通过X射线和扫描电镜分析了荧光粉的物相和显微结构, 且利用荧光光谱仪测试了AlON:Ce3+荧光粉的发光光谱.结果表明, 荧光粉在305 nm紫外激发下发射390 nm为中心的蓝光.温度依赖荧光谱测试发现, AlON:Ce3+荧光粉在150 ℃ 下发射强度能保持室温发射强度的86%.因此, 该荧光粉是大功率白光发光二极管用最佳荧光粉的候选材料之一.
稀土盐水溶液单泡声致发光中的特征光谱
周超, 陈伟中, 崔炜程
2013, 62 (8): 087805. doi: 10.7498/aps.62.087805
摘要 +
在溶有稀有气体的稀土盐氯化铽水溶液中进行了单泡声致发光光谱的研究. 在固定驱动超声频率、不同驱动声压下, 观察到了一系列OH自由基从第一激发态A2∑+到基态X2Π 各振动能级跃迁所产生的谱线, 包括波长307 nm处的(0, 0)跃迁谱线, 335 nm处的(0, 1)跃迁谱线以及276 nm处的(1, 0) 跃迁谱线等. 实验结果表明较高的驱动声压有利于 276 nm处谱线的产生, 而较低的驱动声压则有利于 307 与 335 nm 处谱线的产生. 通过定义线状光谱与连续谱的光强比, 定量地表征了线状光谱在总光谱中的相对强度, 并给出了驱动声压对各跃迁谱线光强比的影响.
高入射能量下的金属二次电子发射模型
杨文晋, 李永东, 刘纯亮
2013, 62 (8): 087901. doi: 10.7498/aps.62.087901
摘要 +
基于高入射能量电子产生二次电子发射的物理过程, 分别对高入射能量电子产生的真二次电子和背散射电子的概率进行理论分析与建模. 利用Bethe能量损失模型和内二次电子逸出概率分布, 推导出高入射能量电子产生有效真二次电子发射的系数与入射能量的关系式; 根据高入射能量电子在材料内部被吸收的规律, 推导出高入射能量电子产生背散射电子的系数与入射能量之间的关系式. 结合两者得到高入射能量下金属的二次电子发射模型. 利用该模型计算得到典型金属材料Au, Ag, Cu, Al的二次电子发射系数, 理论计算结果与采用Casino软件模拟金属内部散射过程得到的数值模拟结果相符.
物理学交叉学科及有关科学技术领域

编辑推荐

核磁共振骨皮质成像关键技术研究进展
包尚联, 杜江, 高嵩
2013, 62 (8): 088701. doi: 10.7498/aps.62.088701
摘要 +
骨质量尤其是骨皮质质量的评价方法对骨病的诊断和治疗有重要意义. 随着社会快速老龄化, 如何非侵入地获得准确实用的骨质量评价指标已成为医学物理领域亟待解决的热点问题. 目前有多种骨质量评价方法, 其中双能X射线吸收法获得的骨矿密度值是评价骨质量的现行金标准, 但这个参数有明显缺陷, 如不能反映骨皮质中的有机基质、微结构、孔隙度及灌注等情况, 所以不能准确诊断骨质疏松和预测骨折等疾病. 由于骨的磁共振信号衰减极快,所以常规磁共振成像技术不能探测到骨的信号. 近年来随着理论、方法和设备的不断进步, 超短回波磁共振骨成像成为可能. 本文简要介绍超短回波磁共振骨成像的基础物理理论, 结合作者所在实验室的研究工作对各类定性及定量超短回波磁共振骨皮质成像新方法进行综述, 总结各类方法的特点、适用范围及不足, 指出进一步研究的方向、重点及步骤, 对超短回波磁共振成像在骨质量评估方面的理论研究及工程应用具有指导意义.
基于自适应核学习相关向量机的乳腺X线图像微钙化点簇处理方法研究
姚畅, 陈后金, Yang Yong-Yi, 李艳凤, 韩振中, 张胜君
2013, 62 (8): 088702. doi: 10.7498/aps.62.088702
摘要 +
采用自适应核学习相关向量机方法, 结合形态学滤波和Kallergi分簇标准, 研究了乳腺X线图像中微钙化点簇的处理. 首先将微钙化点检测看作一个监督学习问题, 然后应用自适应核学习相关向量机作为分类器判断图像中每一个位置是否为微钙化点并采用形态学处理滤除干扰噪声, 最后对获得的微钙化点采用Kallergi标准进行分簇. 为提高运算速度, 在微钙化点检测时将整个图像分解为多个子图像并行运算, 实现了一种基于自适应核学习相关向量机的微钙化点簇快速处理方法. 实验结果和分析表明, 自适应核学习相关向量机方法算法性能优于相关向量机方法, 特别是实现的快速方法能进一步降低微钙化点簇的处理时间.
梯度掺杂体异质结对有机太阳能电池光电转换效率的影响
王鹏, 郭闰达, 陈宇, 岳守振, 赵毅, 刘式墉
2013, 62 (8): 088801. doi: 10.7498/aps.62.088801
摘要 +
基于传统的体异质结有机太阳能电池结构, 对结构中的混合层改用梯度掺杂的方法, 在AM1.5, 100 mW/cm2光照下, 使得器件的短路电流由原来的7.72 mA/cm2提高到了9.18 mA/cm2, 相应的光电转换效率提高了25%. 器件性能的提升归因于梯度掺杂体系的引入使得体异质结混合层中同一材料分子之间形成了较好的连续网络结构, 降低了器件的串联电阻, 提高了电极对载流子的收集效率, 从而提高了器件的光电转换效率.