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Vol. 66, No. 10 (2017)

2017年05月20日
总论 原子和分子物理学 电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 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: 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
凝聚物质: 电子结构、电学、磁学和光学性质
地球物理学、天文学和天体物理学 核物理学 物理学交叉学科及有关科学技术领域
总论
BaY2ZnO5:Tm3+/Yb3+荧光粉的试验优化设计合成及发光性质研究
孙佳石, 李香萍, 吴金磊, 李树伟, 石琳琳, 徐赛, 张金苏, 程丽红, 陈宝玖
2017, 66 (10): 100201. doi: 10.7498/aps.66.100201
摘要 +
为了获得BaY2ZnO5:Tm3+/Yb3+荧光粉材料的最大蓝色上转换发光强度,采用正交试验设计与二次通用旋转组合设计相结合的两步连续优化法对Tm3+和Yb3+掺杂浓度进行全局优化,得到该体系最强蓝光发射下的离子掺杂最佳浓度.采用高温固相反应法合成出蓝色上转换发光强度最强的BaY2ZnO5:Tm3+/Yb3+荧光粉材料,并对样品的晶体结构和上转换发光性质进行了研究.980 nm红外光激发下,测量了最优样品在不同激发电流下的上转换发射光谱,由强度制约关系确定样品的蓝色上转换发光为三光子过程.测量了最优样品温度相关的上转换发射光谱,发现样品的蓝色上转换发光强度随着样品温度的升高而持续减弱,即发生了温度猝灭现象,计算得激活能约为0.602 eV.
缺陷致非线性电路孤子非对称传输
刘昊华, 王少华, 李波波, 李桦林
2017, 66 (10): 100502. doi: 10.7498/aps.66.100502
摘要 +
设计了一种有缺陷的非线性电感-电容(LC)电路,简单方便地实现了电路能量非对称传输,且其能量的载体是非线性波孤子.在LC电路中,当缺陷靠近驱动时,驱动频率接近缺陷本振频率,缺陷共振致电路导通.远离驱动时,电路不导通.缺陷的引入改变电路的均一性,实现小驱动振幅下孤子的单向释放,提高驱动能量转化为孤子能量的效率.对非线性LC电路的传输能量、缺陷系数和驱动振幅三者的关系进行了讨论.
星载多角度偏振成像仪非偏通道全视场偏振效应测量及误差分析
钱鸿鹄, 孟炳寰, 袁银麟, 洪津, 张苗苗, 李双, 裘桢炜
2017, 66 (10): 100701. doi: 10.7498/aps.66.100701
摘要 +
星载多角度偏振成像仪自身的光学系统有一定的偏振效应,会影响非偏通道的辐射测量精度.斜入射到光学元件上的光透射率是偏振敏感的,导致了光学系统的线偏振效应.为精确反演解析出观测目标光的辐射强度,需对成型仪器本身的偏振效应进行准确的测量、定标、校正.通过分析仪器原理和光路结构,详细推导出仪器非偏通道含线偏振效应的辐射测量模型,并根据实际镜头特点合理简化了模型.提出了基于不同偏振角的完全线偏光在仪器全视场内稀疏入射并最小二乘拟合响应值的方法,对非偏通道全视场线偏振效应进行测量和定标,同时对此方法的定标过程进行了仿真.另外,分析了仪器主要物理参数有偏差时对不同偏振态入射光的反演误差,如仪器单像元方位角、显式起偏效应、低频透过率.对仪器开展了实验室定标实验,得到了仪器主要物理参数范围及其拟合偏差量,进一步算出显式起偏效应参数偏差引起的辐射定标强度相对误差最大为0.4%,满足仪器辐射精度5%的要求并留足余量.该研究为仪器非偏通道全视场的高精度辐射测量、定标及后期数据处理提供了理论依据及实验指导.
基于石墨烯超表面的宽带电磁诱导透明研究
宁仁霞, 鲍婕, 焦铮
2017, 66 (10): 100202. doi: 10.7498/aps.66.100202
摘要 +
提出了一种新的基于石墨烯超表面的复合结构,该结构由带有空气槽的石墨烯条、氮化镓、二氧化硅和二氧化钛组成.通过时域有限差分法研究了该结构的电磁特性,研究结果表明,该结构具有更宽频带的电磁诱导透明特性.从结构参数、电磁场分布等方面研究了电磁诱导透明的物理机理.在该结构中,石墨烯条作为明模存在,耦合作为暗模的空气槽和氮化镓侧板,即存在两种明暗模耦合的现象,因此产生宽带的电磁诱导透明现象.从研究结果发现该结构可以产生多个频点的慢光效应和传感效应,因此在光存储、红外波段的传感器设计中具有一定的指导意义和潜在的应用.
稳定噪声下一类周期势系统的振动共振
焦尚彬, 孙迪, 刘丁, 谢国, 吴亚丽, 张青
2017, 66 (10): 100501. doi: 10.7498/aps.66.100501
摘要 +
将多个低频微弱信号、高频信号和加性稳定噪声共同激励的一类周期势系统作为研究模型,以平均信噪比增益(MSNRI)为性能指标,对稳定噪声环境下周期势系统中的振动共振现象进行了研究,分别探究了稳定噪声的特征参数、对称参数、加性噪声强度放大系数D、高频信号幅值B以及频率对振动共振输出效应的影响.研究结果表明:1)在不同分布的稳定噪声环境下,固定频率(或幅值B),当幅值B(或频率)逐渐增大时,MSNRI-B(或MSNRI-)曲线出现多个峰值,即存在多个B区间(或区间)可诱导振动共振,并且这些区间不会随噪声分布参数或的变化而变化;2) 当加性噪声强度放大系数D发生变化时,幅值B和频率的共振区间没有随着D的变化而变化,表明只有高频信号能量向待测低频信号转移,噪声能量并没有向待测低频信号转移.另外当幅值B、频率固定时,随着D的逐渐增大,依然可以实现微弱信号的检测,表明振动共振可以克服工业现场噪声强度不可调控的缺点.本文研究结果提供了一种新的微弱信号检测方法,在信号处理领域有着潜在的应用价值.
基于可调谐半导体激光器吸收光谱的高灵敏度甲烷浓度遥测技术
丁武文, 孙利群, 衣路英
2017, 66 (10): 100702. doi: 10.7498/aps.66.100702
摘要 +
讨论了一种新的高灵敏度甲烷遥测方法,利用可调谐激光二极管的调制光谱技术扫描甲烷的吸收峰,通过在测量光路中插入参考气池,增强低浓度情况下的吸收峰辨识能力,以提高甲烷浓度遥测信号的信噪比.此外,可以将激光器的中心波长锁定至气体吸收峰的峰值位置从而使仪器工作于吸收峰锁定模式,进行甲烷浓度的连续监测.实验结果表明,在测量距离分别为10 m和20 m时,周围环境中的甲烷积分浓度探测极限可以分别达到5 ppmm和16 ppmm.在吸收峰锁定工作模式下,系统在37 m距离处具有22 ppmm的检出限,并可以监测甲烷浓度的快速变化.
原子和分子物理学
采用高信噪比电磁诱导透明谱测定85Rb原子5D5/2态的超精细相互作用常数
杨光, 王杰, 王军民
2017, 66 (10): 103201. doi: 10.7498/aps.66.103201
摘要 +
基于85Rb原子5S1/2-5P3/2-5D5/2阶梯型能级系统 (m 780 nm + 776 nm),利用高信噪比的电磁诱导透明谱对85Rb原子5D5/2态超精细分裂进行测量.其中,频率校准是通过位相型电光调制器和共焦法布里-珀罗腔共同实现的.通过测量85Rb原子5D5/2态(F=5),(F=4)及(F=3)之间的超精细分裂,我们确定了85Rb原子5D5/2态的磁偶极超精细相互作用常数(A=-(2.222 0.019) MHz)和电四极超精细相互作用常数(B=(2.664 0.130) MHz).
吸附氢分子的振动态及熵的计算
王小霞, 刘鑫, 张琼, 陈宏善
2017, 66 (10): 103601. doi: 10.7498/aps.66.103601
摘要 +
用第一性原理方法研究了H2在 (MgO)9及 (AlN)12团簇上的吸附态、振动模式及熵.分析表明,吸附体系的振动中有六个简正模式可归为氢分子的振动;由于氢分子质量很小,零点能修正对吸附能有重要影响.利用振动配分函数计算了吸附氢分子的熵,表明吸附态H2 的熵主要决定于较低的同相振动的频率,并不完全与吸附强度相关;在标准大气压下70350 K的温度范围内,吸附H2的熵与气态H2的熵之间存在很好的线性关系,吸附后H2的熵减小约10.2R.

编辑推荐

O2分子B3u-态势能曲线的从头计算
李晨曦, 郭迎春, 王兵兵
2017, 66 (10): 103101. doi: 10.7498/aps.66.103101
摘要 +
B3u-态是O2的最强的三重跃迁(B3u-X3g-) Schumann-Runge(SR)带的上态,SR吸收带在保护地球、阻止紫外辐射等方面起着关键作用.SR连续带的光解离是平流层O原子及O3的主要来源,掌握详细准确的O2分子的电子态势能曲线,有助于对这些光谱现象的深入理解.本文通过MOLPRO 软件,采用包含Davison修正的内收缩的多参考组态相互作用(icMRCI+Q)方法,对O2的B3u-态的势能曲线进行了计算,采用的多参考组态函数来自完全活性空间自洽场计算.首先,采用共价组态构成多参考组态,对和B3u-态对称性相同的四个态进行了态平均计算,发现B3u-态不存在双势阱结构,文献(Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 2014 124 216) 中双势阱的产生是根的振荡(root flipping)造成的,即B3u- 态的势能曲线在核间距约为0.2 nm处跳变到能量相近的23 态的势能曲线上.本文中的态平均计算避免了这种根的振荡.接着,采用完全活性空间组态相互作用的方法计算B3u- 态的势能曲线,通过改变活性空间的轨道组成,发现带有2u轨道电子布居的里德伯组态对B3u-态的束缚态的特征的出现是必不可少的.最后,通过将2u轨道加入到活性空间中,实现将相关的里德伯组态加入到多参考组态,对B3u-态的势能曲线进行了icMRCI+Q计算,得到相较于以往的理论计算与实验值更加相近的势能曲线以及光谱常数.本文探讨里德伯组态贡献的过程为如何确定多参考组态相互作用计算中的参考组态、提高理论计算的准确度提供了可以借鉴的途径.
硼球烯B40在外电场下的基态性质和光谱特性
李世雄, 张正平, 隆正文, 秦水介
2017, 66 (10): 103102. doi: 10.7498/aps.66.103102
摘要 +
以6-31G*为基组,采用密度泛函PBE0方法研究了不同外电场(00.060 a.u.)对硼球烯B40的基态几何结构、电荷分布、能量、电偶极矩、能隙、红外及拉曼光谱特性的影响;继而采用含时的TD-PBE0方法研究了硼球烯B40在外电场下的电子光谱.研究结果表明: 外电场的加入导致分子对称性降低,当电场从0 a.u.变化到0.060 a.u.时,偶极矩逐渐增加,体系总能量和能隙一直减小;外电场的加入将改变红外和拉曼光谱特征,如谐振频率的移动以及红外和拉曼峰的增强或减弱;外电场对硼球烯B40的电子光谱影响较大,当电场从0 a.u.变化到0.060 a.u.时,电子光谱发生红移,同时对振子强度有很大影响,原来振子强度最强的激发态变弱或成为禁阻跃迁,而原来振子强度很弱或禁阻的激发态变得最强.可以通过改变外电场来改变B40的基态性质,以及控制B40的光谱特性.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
808 nm半导体激光芯片电光转换效率的温度特性机理研究
宋云菲, 王贞福, 李特, 杨国文
2017, 66 (10): 104202. doi: 10.7498/aps.66.104202
摘要 +
提高808 nm大功率半导体激光器电光转换效率具有重要的学术意义和商业价值,是实现器件小型化、轻量化、高可靠性的必要前提.本文以腔长1.5 mm的传导冷却封装808 nm半导体激光阵列为研究对象,在热沉温度-4025℃范围内对其进行光电特性测试,对不同温度下电光转换效率的影响因子进行了实验研究和理论分析.结果表明: 在-40℃ 环境温度下,最高电光转换效率从室温25℃时的56.7%提高至66.8%,内量子效率高达96.3%,载流子泄漏损耗的占比贡献由16.6%下降至3.1%.该研究对实现808 nm高效率半导体激光芯片的自主研发具有重要意义.
毫秒脉冲激光致硅光电二极管电学损伤的有限元分析及实验研究
赵宏宇, 王頔, 魏智, 金光勇
2017, 66 (10): 104203. doi: 10.7498/aps.66.104203
摘要 +
为了研究毫秒脉冲激光致硅基PIN光电二极管电学损伤,基于热传导及弹塑性力学理论,在光电二极管内部材料各向同性并且P-I-N三层结构之间满足温度连续和热流平衡条件下,建立毫秒脉冲激光辐照硅基PIN光电二极管二维轴对称模型,采用有限元方法模拟分析了1064 nm Nd:YAG毫秒量级脉冲激光辐照硅基PIN光电二极管的温度场与应力场分布,并实验测量了硅基PIN光电二极管实验前后的电学参数.结果表明,激光辐照硅基PIN光电二极管时,温升使材料表面熔融、烧蚀,并且在空间上存在温度梯度变化,即激光辐照产生的热与应力使光敏面及硅晶格晶键损伤,最终造成光电探测器的探测性能下降.研究结果可为毫秒脉冲激光辐照硅基PIN光电二极管电学损伤机理奠定基础.
基于光参量放大相位共轭特性的图像修复与增强
王聪, 杨晶, 潘秀娟, 蔡高航, 赵巍, 张景园, 崔大复, 彭钦军, 许祖彦
2017, 66 (10): 104205. doi: 10.7498/aps.66.104205
摘要 +
非线性光学相位共轭技术可将经过散射介质后产生畸变的光学波前进行修复.本文基于光参量放大(OPA)过程的光学相位共轭(OPC)特性,进行了光学相位共轭图像修复和增强的实验研究.基于大能量532 nm皮秒抽运激光和大口径非线性光学晶体KTiOPO4(KTP) (II类相位匹配),对经过牛奶乳浊液后已无法识别的1064 nm近红外光学图像,进行相位共轭修复,修复后的图像分辨率达12 线/mm,此外,结合OPA过程的光学增益特性,实现了超过17 dB的光学图像增强,为现有三波混频光学相位共轭修复畸变所获图像增益的最大值.在此基础上,峰值信噪比较修复之前有160\%的提升.考虑到光参量过程所具有的波长可调谐特性,在实际应用中,可根据需要,选择与生物组织的光学治疗窗口相匹配的成像波长,从而保证更长的穿透深度,提升生物组织成像和医学无损检测的效果.
微流芯片中消逝波激励的荧光辐射特性研究
储玉飞, 张远宪, 刘春, 普小云
2017, 66 (10): 104208. doi: 10.7498/aps.66.104208
摘要 +
将石英裸光纤植入聚二甲基硅氧烷基片的微流道中,采用沿光纤轴向光抽运、消逝场激励染料分子的方式,在基片微流道中获得均匀的荧光辐射.实验发现,荧光辐射的强度随光纤轴向距离的增加而衰减,光纤包层溶液折射率越大,荧光沿光纤轴向的衰减越突出;包层溶液中染料浓度越大,荧光沿光纤轴向的衰减也越突出;通过选择适当的包层溶液折射率以及染料浓度可以获得沿光纤轴向接近均匀的荧光辐射.用消逝波激励荧光的辐射理论计算了荧光光强沿光纤轴向的变化,计算结果与实验符合较好.在此基础上,设计并制作了一种具有三个通道的聚二甲基硅氧烷基片,通过在三个微流道中分别注入染料浓度均为0.1 mmol的罗丹明640、 罗丹明B 及罗丹明6 G的乙醇染料溶液,采用沿光纤轴向消逝波光激励方式,在一块聚二甲基硅氧烷基片上同时实现了三个不同波段的荧光辐射.
基于变换热力学的三维任意形状热斗篷设计
夏舸, 杨立, 寇蔚, 杜永成
2017, 66 (10): 104401. doi: 10.7498/aps.66.104401
摘要 +
在变换热力学的基础上,通过坐标变换的方法,推导出三维任意形状热斗篷导热系数的通解表达式,并进行了全波仿真验证.结果表明: 热流均能绕过保护区域流出,保护区域的温度保持不变,而且热斗篷外的温度场并没有破坏,具有很好的热保护和热隐身的效果.这一方法把变换热力学从二维拓展到三维,具有普遍的适用性.同时,这种技术为热流流动路径和目标温度场的控制奠定了理论基础,在微芯片、电动机的保护以及目标热隐身上有潜在应用.
颗粒固体应力转向比的光弹法探测
宗谨, 周志刚, 王文广, 张晟, 林平, 石玉仁, 厚美瑛
2017, 66 (10): 104501. doi: 10.7498/aps.66.104501
摘要 +
利用压敏双折射光学特性材料,实验测量了在自然堆积和密堆积两种制样方式下颗粒仓轴向荷载在仓壁上随深度的分布.发现在填充颗粒总质量相同、容器不变的情况下,颗粒仓轴向荷载在仓壁上的分布不随颗粒深度单调变化,而是随深度呈单峰结构,数值模拟与实验观察定性符合,并且发现峰值依赖于荷载大小和样品的制备方式.另外,我们也测量了在不同填充高度下的颗粒底部平均应力随轴向荷载的变化,将其与边壁应力对比,得到颗粒体系不同深度处的转向比.
基于三角波瓣混合器的超声速流场精细结构和掺混特性
张冬冬, 谭建国, 李浩, 侯聚微
2017, 66 (10): 104702. doi: 10.7498/aps.66.104702
摘要 +
在超声速吸气式混合层风洞中,采用基于纳米粒子的平面激光散射(NPLS)技术对平板混合层和三角波瓣混合器诱导的混合层流场精细结构进行了对比实验研究.上下两层来流的实测马赫数分别为1.98和2.84,对流马赫数为0.2.NPLS图像清晰地展示了Kelvin-Helmholtz涡、流向涡、波系结构以及大尺度涡结构的配对合并过程.通过对比分析时间相关的NPLS流场图像,发现了大尺度拟序结构随时间发展演化的非定常特性.基于流动显示结果,采用分形维数和间歇因子指标对流场结构和混合特性进行了定量分析.实验研究表明,三角波瓣混合器诱导的流向涡结构显著提高了上下两层来流的掺混效率,其流动远场的分形维数突破了平板混合层中完全湍流区的分形维数值,达到了1.88,流场结构表现出明显的破碎性,有利于流动在标量层面的扩散和掺混.流动间歇性分析表明,流向涡与展向涡的相互剪切作用主导着混合层的掺混特性,同时由于流向涡的卷吸作用,三角波瓣混合器诱导的混合层混合区域更大,更多的流质被卷入混合区完成混合.
相位型三头薛定谔猫态的量子统计属性
林惇庆, 朱泽群, 王祖俭, 徐学翔
2017, 66 (10): 104201. doi: 10.7498/aps.66.104201
摘要 +
本文详细研究了一种相位型三头薛定谔猫态的一些量子统计属性,包括光子数分布、平均光子数、亚泊松分布、压缩效应以及Wigner函数等.我们发现,三头猫态的Wigner函数都可以出现负值,与二、四头猫态一样,说明它们都可以体现出非经典特性.与二头猫态不同,三头猫态在一定参数范围内可以呈现亚泊松分布,这点与四头猫态相类似,但弱于四头猫态.另外,三头猫态和四头猫态都没有压缩属性,但二头猫态具有压缩属性.
双光子荧光与相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术的实验研究
侯国辉, 罗腾, 陈秉灵, 刘杰, 林子扬, 陈丹妮, 屈军乐
2017, 66 (10): 104204. doi: 10.7498/aps.66.104204
摘要 +
双光子荧光与相干反斯托克斯拉曼散射同属于三阶非线性效应,二者之间的差异与联系是一个值得研究的问题.本文基于自行搭建的超连续谱近红外宽带相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统进行光谱成像,同时通过理论与实验对比分析了双光子荧光与相干反斯托克斯拉曼散射图像存在差异的原因.结果表明,具有亚微米以上横向分辨率的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统,可以使用较大尺寸的荧光珠进行双光子荧光成像,通过解卷积得到双光子荧光成像的系统分辨率,并将它近似等效于相干反斯托克斯拉曼散射成像系统的当下分辨率.如果需要得到相干反斯托克斯拉曼散射成像系准确的分辨率结果,就必须使用尺寸比相干反斯托克斯拉曼散射成像系统实际分辨率小的球形样品进行实验测量.
1.572 μm附近CO2吸收光谱的测量
邵君宜, 林兆祥, 刘林美, 龚威
2017, 66 (10): 104206. doi: 10.7498/aps.66.104206
摘要 +
应用自行构建的恒温差分吸收光谱探测系统,在230—320 K的温度范围内,精确探测1.572 μm附近CO2吸收谱线的变化,获得了不同温度和压强下CO2气体的吸收截面、自增宽系数、空气增宽系数,这些参数补充和完善了现有的数据库.定量分析了温度、压强对谱线的影响,建立了光学厚度和吸收截面的数值计算模型,并已经用于我国的CO2激光雷达,为其高精度数据反演奠定了技术基础.这些工作能够提高工作在该波段的差分吸收CO2探测激光雷达的反演精度.
梯度倾斜相关测量水平Cn2和横向风速廓线的理论与仿真研究
彭哲, 靖旭, 侯再红, 吴毅
2017, 66 (10): 104207. doi: 10.7498/aps.66.104207
摘要 +
根据Rytov近似以及泰勒湍流冻结假设,推导出以不同距离的前向散射光为信标的水平路径上梯度倾斜角的相关表达式.基于该表达式,在理论上提出了计算湍流强度与横向风速的新方法,并通过数值仿真对该方法进行了初步验证.结果表明,在5%高斯误差情况下,大气折射结构常数和风速的计算结果与理论真值在整体变化上具有较好的一致性,线性相关系数分别能达到0.8与0.9.该方法能够得到不同湍流与风速条件下的湍流强度廓线以及风速廓线,为反演大气湍流强度以及风速提供了一种新思路.
基于大基模体积的10 mJ飞秒钛宝石激光再生放大器
杨帅帅, 滕浩, 何鹏, 黄杭东, 王兆华, 董全力, 魏志义
2017, 66 (10): 104209. doi: 10.7498/aps.66.104209
摘要 +
文章报导了基于大基模体积的高能量飞秒钛宝石激光再生放大器的设计与实验研究,在重复频率10 Hz、抽运能量60 mJ的激励下,得到了单脉冲能量17.4 mJ的种子脉冲放大结果,压缩后的脉冲宽度为40.6 fs,能量为13.9 mJ.借助于此大基模体积再生腔,仅增加一级多通放大,实现了峰值功率达1.9 TW飞秒激光脉冲输出.结果表明,大模体积再生放大不仅降低了后续放大对抽运能量的要求,也可以单独压缩实现再生腔直接输出10 mJ量级的飞秒激光脉冲,是大能量高峰值功率飞秒激光系统的优质前端.
冲击波作用下微米尺度金属颗粒群的动力学行为
赵信文, 李欣竹, 张航, 王学军, 宋萍, 张汉钊, 康强, 黄金, 吴强
2017, 66 (10): 104701. doi: 10.7498/aps.66.104701
摘要 +
基于平面化爆驱动飞片高压加载技术和激光测速技术,研究了冲击波加载不同粒径锡颗粒群的微喷射行为以及在空气中的减速规律.实验结果表明,锡颗粒的最快喷射速度随粒径增大而显著增大.通过对微喷射形成过程的三维光滑粒子流体动力学方法数值模拟发现,大粒径锡颗粒之间存在较大的空隙结构,冲击波与空隙结构的相互作用诱导产生高速汇聚射流,空隙结构越大对应的喷射速度也越高.此外,通过研究不同粒径颗粒在复杂流场中的减速规律,进一步深化了对微喷射破碎后的颗粒尺度状态以及混合输运特性的认识.研究结果对于预测和分析冲击波加载微米颗粒群的微喷混合特性具有一定价值.
气体、等离子体和放电物理
基于光束参量优化实现直接驱动靶丸均匀辐照
李宏勋, 张锐, 朱娜, 田小程, 许党朋, 周丹丹, 宗兆玉, 范孟秋, 谢亮华, 郑天然, 李钊历
2017, 66 (10): 105202. doi: 10.7498/aps.66.105202
摘要 +
在直接驱动惯性约束聚变中,实现靶丸均匀辐照对靶丸压缩特性至关重要,通常要求靶丸表面辐照不均匀度小于1%.现有很多优化高功率激光装置均匀辐照性能的光束排布方案,但受到实际入射光束参量的限制,系统均匀辐照性能难以实现最优化.由于初始辐照不均匀度对靶丸对称压缩特性至关重要,为进一步提高靶丸初始辐照的均匀性,并增加系统对打靶过程中由于靶丸直径变化引起的辐照不均匀的宽容度,从而实现靶丸的中心对称压缩,本文对靶丸表面光束的辐照不均匀度进行了数学分析,并研究了不同入射光束参量下的单光束因子项及其对靶丸均匀辐照的影响.结果表明: 对于已知的光束排布结构,存在最优的入射光束参量,使辐照均匀度最高.证明了通过优化入射光束参量提高系统均匀辐照性能的可行性.此外,研究表明单光束因子项与几何因子项存在一定的匹配关系,可通过分析几何因子项的特征,求取与之匹配的单光束因子项,进而获得最优的入射光束参量.本工作为直接驱动靶丸均匀辐照系统的设计和优化提供了一种有效的方法.

编辑推荐

飞秒激光烧蚀硅材料表面形成周期波纹形貌研究
李志明, 王玺, 聂劲松
2017, 66 (10): 105201. doi: 10.7498/aps.66.105201
摘要 +
基于Sipe-Drude模型和表面等离子体激元(SPP)的干涉理论分别对单脉冲飞秒激光诱导硅表面形成低频率周期性波纹进行分析研究.探究了波长800 nm、脉宽150 fs的单个飞秒激光烧蚀硅造成不同激发水平下波纹形貌的变化,考虑到材料的光学性质变化(由Drude模型得到的介电常数变化),引入包含双温方程的电子数密度模型.计算结果表明,Sipe-Drude和SPP理论都适用于分析和解释高激发态下周期性波纹,但Sipe-Drude理论更适合分析更为广泛的周期性波纹结构.同时,波纹延伸方向总是垂直于入射激光偏振方向,其空间周期略小于激光波长,并受到入射激光通量的影响.在激光通量为0.38 J/cm2时,波纹周期达到最小值.另外,还得到了不同入射角度的波纹周期变化情况,并在不同偏振态下随入射角度增大时波纹周期呈现相反的变化趋势.该研究对于理解飞秒激光造成硅表面形成周期结构及其在加工硅材料领域具有重要参考意义.
准球形电磁内爆动力学研究及能量定标关系浅析
张扬, 孙顺凯, 丁宁, 李正宏, 束小建
2017, 66 (10): 105203. doi: 10.7498/aps.66.105203
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通过改变Z箍缩负载的初始形状和/或质量密度分布,可以实现等离子体的准球形聚心内爆.同柱形箍缩相比,准球形电磁内爆可以将内爆动能集中加载至负载中心较小的空间区域内,获得更高的能量密度,从而在驱动Z箍缩动态黑腔实现聚变点火方面具有潜在优势.准球形电磁内爆的负载和电极结构比柱形Z箍缩更复杂,球面收缩的几何特点使其内爆动力学过程和能量定标关系显著区别于柱形内爆.本文利用解析的薄壳模型推导并分析了理想条件下准球形电磁内爆的动力学行为和能量定标关系,并同二维磁流体力学模拟结果进行了比较.与柱形Z箍缩内爆相比,准球形电磁内爆的动能不仅与驱动电流有关,而且敏感地依赖于负载的初始尺寸.在不显著降低驱动电流和内爆品质的前提下,适当增加负载的初始半径和最大纬度,有利于获得更多的内爆动能和能量加载密度.
大气压管板结构纳秒脉冲放电中时域X射线研究
侯兴民, 章程, 邱锦涛, 顾建伟, 王瑞雪, 邵涛
2017, 66 (10): 105204. doi: 10.7498/aps.66.105204
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纳秒脉冲放电能在大气压下产生高电子能量、高功率密度的低温等离子体,由于经典放电理论无法很好地解释纳秒脉冲放电中的现象,近年来以高能逃逸电子为基础的纳秒脉冲气体放电理论受到广泛关注.纳秒脉冲放电会产生高能逃逸电子,伴随产生X射线,研究X射线的特性可以间接反映高能逃逸电子的特性.本文利用纳秒脉冲电源在大气压下激励空气放电,通过金刚石光导探测器测量放电产生的X射线,研究不同电极间隙、阳极厚度下和空间不同位置测量的X射线特性.实验结果表明,在大气压下纳秒脉冲放电能产生上升沿约1 ns,脉宽约2 ns的X射线脉冲,其产生时间与纳秒脉冲电压峰值对应,经计算探测到的X射线能量约为2.310-3 J.当增大电极间隙时,探测到的X射线能量减弱,因为增大电极间隙会减小电场强度和逃逸电子数,从而减少阳极的轫致辐射.电极间距大于50 mm后加速减弱,同时放电模式从弥散过渡到电晕.随着阳极厚度增加,阳极后方和放电腔侧面观察窗测得的X射线能量均有所减弱,在阳极后面探测的X射线能量减弱趋势更加明显,这说明X射线主要产生在阳极内表面,因此增加阳极厚度会使穿透阳极薄膜的X射线能量减少.
凝聚物质: 结构、力学和热学性质
掺杂硅纳米梁谐振频率的理论模型及分子动力学模拟
马霞, 王静
2017, 66 (10): 106103. doi: 10.7498/aps.66.106103
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通过理论计算与模拟,研究分析了P元素替代掺杂单晶硅纳米梁的谐振频率.计算模拟了两端固支单晶硅纳米梁的谐振频率随尺寸、掺杂浓度与温度的变化.通过对计算结果与模拟结果的分析得到: 单晶硅纳米梁的谐振频率随着硅纳米梁长度尺寸的增大而减小;硅纳米梁的谐振频率随着掺杂浓度的增大而增大,但变化趋势并不明显;最后考虑了温度效应,发现掺杂硅纳米梁的谐振频率随着温度的增大而减小,但从谐振频率的数值来看,硅梁的谐振频率随温度的变化趋势并不明显,即温度对硅梁谐振频率基本无影响.由此得出结论: 掺杂浓度与温度对硅纳米梁谐振频率的影响很小,影响单晶硅纳米梁谐振频率的主要因素是尺寸大小,掺杂单晶硅纳米梁的谐振频率具有尺寸效应.
微重力下Fe-Al-Nb合金液滴的快速凝固机理及其对显微硬度的影响
谷倩倩, 阮莹, 代富平
2017, 66 (10): 106401. doi: 10.7498/aps.66.106401
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采用落管无容器处理技术实现了Fe67.5Al22.8Nb9.7三元合金在微重力条件下的快速凝固,获得了直径为401000 m的合金液滴.实验中合金液滴的过冷度范围为50216 K,冷却速率随着液滴直径的减小由1.23103 Ks-1增大到5.53105 Ks-1.研究发现,Fe67.5Al22.8Nb9.7 合金液滴的凝固组织均由Nb(Fe,Al)2相和( Fe)相组成,且随着液滴直径的减小,初生Nb(Fe,Al)2相由树枝晶转变为等轴晶,共晶组织发生了约3倍的细化且生长特征由层片共晶向碎断共晶转变;硬质初生Nb(Fe,Al)2相的析出有效提高了合金的显微硬度.与电磁悬浮条件下同过冷合金的凝固组织对比发现,落管条件下的合金液滴凝固组织更细化,使得合金显微硬度提高了2%6%.
各向异性界面动力学与各向异性表面张力的相互作用对定向凝固过程中深胞晶生长的影响
蒋晗, 陈明文, 王涛, 王自东
2017, 66 (10): 106801. doi: 10.7498/aps.66.106801
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通过应用匹配渐近展开法和多变量展开法研究了各向异性界面动力学与各向异性表面张力的相互作用对定向凝固过程中深胞晶生长的影响.结果表明: 当各向异性界面动力学与各向异性表面张力的偏好方向之间相差角度为0 时,0 会对深胞晶生长形态产生影响;当0 0 /4时,随着0 的增大,深胞晶的指状界面全长减小,深胞晶根部的深度减小,根部附近界面的曲率减小,而曲率半径增大;当/4 0 /2时,随着0 的增大,深胞晶的指状界面全长增大,深胞晶根部的深度增大,根部附近界面的曲率增大,而曲率半径减小.
金属有机物化学气相沉积同质外延GaN薄膜表面形貌的改善
李忠辉, 罗伟科, 杨乾坤, 李亮, 周建军, 董逊, 彭大青, 张东国, 潘磊, 李传皓
2017, 66 (10): 106101. doi: 10.7498/aps.66.106101
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为了获得高质量的GaN薄膜材料,研究了金属有机物气相沉积系统中GaN插入层对GaN 衬底同质外延层表面宏观缺陷和晶体质量的影响.研究发现,插入层生长温度是影响GaN同质外延膜表面形貌和晶体质量的关键因素.由于生长模式与插入层生长温度相关,随着插入层生长温度的降低,外延膜生长模式由准台阶流模式转变为层状模式,GaN同质外延膜表面丘壑状宏观缺陷逐渐减少,但微观位错密度逐渐增大.通过对插入层温度和厚度的优化,进一步调控外延层的生长模式,最终有效降低了外延层表面的宏观缺陷,获得了表面原子级光滑平整、位错密度极低的GaN同质外延膜,其X射线衍射摇摆曲线(002),(102)晶面半峰宽分别为125 arcsec和85 arcsec,表面粗糙度均方根大小为0.23 nm.
分子动力学模拟钠硼硅酸盐玻璃电子辐照诱导的结构演化效应
袁伟, 彭海波, 杜鑫, 律鹏, 沈扬皓, 赵彦, 陈亮, 王铁山
2017, 66 (10): 106102. doi: 10.7498/aps.66.106102
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钠硼硅酸盐玻璃作为高放射废物玻璃固化体的候选材料之一,已有大量实验对该类玻璃开展了电子或重离子的辐照效应研究.然而,在理论计算与模拟方面的工作却很少,目前主要集中于重离子的辐照效应,对电子的辐照效应的模拟尚未见报道.本文利用分子动力学工具提出一种新的方法,以实现对电子辐照诱导的玻璃结构演化进行模拟.该方法基于实验中玻璃的结构变化特点,即实验中的拉曼结果已经证实: 在大剂量的电子辐照后的玻璃中存在分子氧的事实,由于这些分子氧不会与其他粒子发生相互作用,因而可以通过从体系中逐步地移除一定数量氧原子的方式,以达到模拟大剂量电子辐照的情形,进而得到电子辐照后的玻璃的结构信息.模拟结果显示: 随着移除氧原子的数量增加,玻璃中的SiOSi平均键角逐渐减小;而且玻璃中的小环数量会因氧的逐渐减少而逐渐增加;玻璃中部分[BO4]结构会转变为[BO3]结构,最终这种转变会达到饱和;大量移除氧之后,玻璃中的钠元素也出现明显的相分离.这些模拟辐照的玻璃结构特性能较好地与实验中的硼硅酸盐玻璃电子辐照诱导的结构变化符合.因此,本文提出的方法有望为通过分子动力学模拟硼硅酸盐玻璃的电子辐照效应提供新思路.
凝聚物质: 电子结构、电学、磁学和光学性质
一种广义三模腔光机械系统的相干完美吸收与透射
张永棠
2017, 66 (10): 107101. doi: 10.7498/aps.66.107101
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提出了一种广义的三模式腔光机械系统,系统的中间是一个反射率为100%的可移动的全反射机械振子,两侧均由一个部分透射的固定光学腔镜构成.其中两个光学腔由一束较强的控制场和一束较弱的信号场驱动与同一个机械振子实现耦合.较弱的信号场将会被该系统完全吸收而不产生任何能量输出,并且当相干完美吸收产生时,输入信号场的能量将由两个腔场和机械模共同分担;较弱的输入信号场由一个腔完美透视到另一个腔而不产生任何的能量损耗.分析与数值结果显示,在不同参数机制下,在该三模光机械系统中可以实现相干完美吸收、相干完美透射和相干完美合成的量子现象.此外,改变腔与腔之间的耦合度,可以实现输出探测场在相干完美吸收和相干完美透射之间转换;通过简单的相位调制,可以实现探测场左腔-右腔的输出和输入方向的互换.这些动态控制在量子信息网络可用来构造光子开关、光子路由、光子交换机等一些特殊功能的光子学器件.
石墨炔衍生物结构稳定性和电子结构的第一性原理研究
陈献, 程梅娟, 吴顺情, 朱梓忠
2017, 66 (10): 107102. doi: 10.7498/aps.66.107102
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通过基于密度泛函理论的第一原理计算,系统研究了石墨炔衍生物的结构稳定性、原子构型和电子性质.石墨炔衍生物的结构是由碳六元环以及连接六元环间的碳链组成,碳链上的碳原子数为N=16.研究结果表明,碳链上碳原子数的奇偶性对石墨炔衍生物的结构稳定和相应的原子构型、电子结构性质具有很大的影响.其奇偶性规律为: 当六元环间的碳原子数为奇数时,体系中的碳链均为双键排布,系统呈现金属性;当六元环间的碳原子数为偶数时,系统中的碳链形式为单、三键交替排列,体系为直接带隙的半导体.直接带隙的存在能够促进光电能的高效转换,预示着石墨炔在光电子器件中的应用优势.N= 2,4,6的带隙分布在0.940.84 eV之间,带隙的大小与碳链上三键的数量和长度有关.研究表明,将碳原子链引入到石墨烯碳六元环之间,通过控制引入的碳原子个数可以调控其金属和半导体电子特性,为设计和制备基于碳原子的可调控s-p杂化的二维材料和纳米电子器件提供了理论依据.
基于Jiles-Atherton理论的铁磁材料塑性变形磁化模型修正
刘清友, 罗旭, 朱海燕, 韩一维, 刘建勋
2017, 66 (10): 107501. doi: 10.7498/aps.66.107501
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Jiles-Atherton(J-A)模型在磁化建模领域应用广泛,但不同文献给出的J-A模型并不一致,致使采用不同表达式建立的塑性变形磁化模型存在多种版本,其正确性难以甄别.通过对无磁滞磁化方程、能量守恒方程和等效磁场强度方程的梳理与比较,发现原有模型中存在将磁化强度和无磁滞磁化强度混用、将不可逆磁化能量等效于全部的磁化能量、等效磁场强度中应力磁化项界定不清等问题.在此基础上,对上述方程进行了修正,推导了基于J-A模型的塑性变形磁化修正模型.将修正模型计算结果与原模型计算结果、相关文献中的试验结果进行对比,结果表明: 与原有计算模型相比,修正模型计算结果的饱和磁化强度和剩余磁化强度随塑性变形增加而减小,矫顽力随塑性变形增大而增大,达到饱和磁化强度时的外磁场强度随塑性变形增大而增大的趋势有所减弱,更符合试验结果,可更准确地反映塑性变形对材料磁化的影响.
小粒径同质/异质壳层结构NaGdF4:3%Nd3+纳米颗粒的近红外发光特性
马文君, 由芳田, 彭洪尚, 黄世华
2017, 66 (10): 107801. doi: 10.7498/aps.66.107801
摘要 +
采用共沉淀法制备了粒径小于5 nm的六方相NaGdF4:3%Nd3+纳米颗粒.纳米颗粒表面缺陷会使发光中心产生严重的淬灭,对其表面包覆适当厚度的壳层可以有效地减少发光淬灭,提高发光性能.对NaGdF4:3%Nd3+核心纳米颗粒分别进行同质和异质包覆并且通过调节核壳比制备了不同壳层厚度的NaGdF4:3%Nd3+@NaGdF4和NaGdF4:3%Nd3+@NaYF4纳米颗粒,研究了不同的壳层厚度对核心纳米颗粒发光的影响,并对两种不同核壳结构纳米颗粒的发光性能进行了对比.在808 nm近红外光激发下,NaGdF4:3%Nd3+纳米颗粒发射出位于约866,893,1060 nm的近红外发射.与核心纳米颗粒相比,核壳结构的纳米颗粒的荧光强度增强,荧光寿命增长,并且随着壳厚的增加,荧光强度出现先增强后减弱、荧光寿命逐步增长的趋势.与相同条件下同质包覆的NaGdF4:3%Nd3+@NaGdF4纳米颗粒相比,异质包覆的NaGdF4:3%Nd3+@NaYF4纳米颗粒光谱荧光强度增强,寿命增长.
LiMgPO4:Tm,Tb的热释光和光释光陷阱参数
郭竞渊, 唐强, 唐桦明, 张纯祥, 罗达玲, 刘小伟
2017, 66 (10): 107802. doi: 10.7498/aps.66.107802
摘要 +
采用高温固相法合成了LiMgPO4:Tm,Tb粉末样品,测定了热释光陷阱参数激发能E 和频率因子s.用脉冲退火和多次退火方法研究了其光释光陷阱参数E和s,并与用多速法得到的热释光的结果进行了比较.对不同射线剂量照射的样品发光曲线的研究表明,300 ℃高温峰属于一级动力学发光峰.通过对热释光和光释光陷阱的相关性研究表明,经200 ℃预热的热释光信号(对应于300 ℃高温峰)和光释光信号很有可能来自于同一深度的陷阱.
地球物理学、天文学和天体物理学
基于生物视觉特征和视觉心理学的视频显著性检测算法
方志明, 崔荣一, 金璟璇
2017, 66 (10): 109501. doi: 10.7498/aps.66.109501
摘要 +
提出了一种空域和时域相结合的视频显著性检测算法.对单帧图像,受视觉皮层层次化感知特性和Gestalt视觉心理学的启发,提出了一种层次化的静态显著图检测方法.在底层,通过符合生物视觉特性的特征图像(双对立颜色特征及亮度特征图像)的非线性简化模型来合成特征图像,形成多个候选显著区域;在中层,根据矩阵的最小Frobenius-范数(F-范数)性质选取竞争力最强的候选显著区域作为局部显著区域;在高层,利用Gestalt视觉心理学的核心理论,对在中层得到的局部显著区域进行整合,得到具有整体感知的空域显著图.对序列帧图像,基于运动目标在位置、运动幅度和运动方向一致性的假设,对Lucas-Kanade算法检测出的光流点进行二分类,排除噪声点的干扰,并利用光流点的运动幅度来衡量运动目标运动显著性.最后,基于人类视觉对动态信息与静态信息敏感度的差异提出了一种空域和时域显著图融合的通用模型.实验结果表明,该方法能够抑制视频背景中的噪声并且解决了运动目标稀疏等问题,能够较好地从复杂场景中检测出视频中的显著区域.
核物理学
高速模型尾迹流场及其电磁散射特性相似性实验研究
马平, 石安华, 杨益兼, 于哲峰, 梁世昌, 黄洁
2017, 66 (10): 102401. doi: 10.7498/aps.66.102401
摘要 +
高速目标再入大气层或在临近空间飞行时,空气电离形成的等离子体鞘套和尾迹对目标的雷达散射特性会产生影响.为了研究不同模型尾迹流场及其电磁散射特性规律和相似性,以氧化铝球模型为研究对象,在弹道靶设备上开展了双尺度参数相同的条件下高速球模型尾迹流场及其电磁散射相似性实验研究.由二级轻气炮发射模型,模型直径分别为8.0、10.0、12.0、15.0 mm,速度约6 km/s,靶室压力分别为6.3,5.0,4.2,3.3 kPa,采用阴影照相系统测量模型激波脱体距离、电子密度测量系统测量模型尾迹的电子密度分布、X波段单站雷达系统测量在视角为40的模型及流场的雷达散射截面(RCS)分布.实验结果表明: 在速度不变、双尺度参数相同的条件下,随着模型尺寸的增加,激波脱体距离逐渐增加,激波脱体距离与模型直径之比近似相同;不同模型尾迹电子密度测量曲线的趋势和数量级一致,表明不同模型的尾迹流场适用于双缩尺律;不同尺寸模型尾迹的总体RCS 与分布RCS均不相同,表明不同模型尾迹的电磁散射不适用于二元缩尺律;高速球模型全目标电磁散射能量分布在模型及其绕流区域、等离子体尾迹区域;高速球模型全目标电磁散射能量在模型及绕流场区域出现1 个强散射中心,在模型湍流尾迹区域出现多个散射中心;高速球模型尾迹的RCS测量信号呈现随机性分布特性,幅度脉动和频率脉动均没有周期性;随着模型尺寸的增加,模型尾迹的总体RCS增加,尾迹脉动频率的变化范围减小.
物理学交叉学科及有关科学技术领域

编辑推荐

硅异质结太阳电池的物理机制和优化设计
肖友鹏, 王涛, 魏秀琴, 周浪
2017, 66 (10): 108801. doi: 10.7498/aps.66.108801
摘要 +
硅异质结太阳电池是一种由非晶硅薄膜层沉积于晶硅吸收层构成的高效低成本的光伏器件,是一种具有大面积规模化生产潜力的光伏产品.异质结界面钝化品质、发射极的掺杂浓度和厚度以及透明导电层的功函数是影响硅异质结太阳电池性能的主要因素.针对这些影响因素已经有大量的研究工作在全世界范围内展开,并且有诸多研究小组提出了器件效率限制因素背后的物理机制.洞悉物理机制可为今后优化设计高性能的器件提供准则.因此及时总结硅异质结太阳电池的物理机制和优化设计非常必要.本文主要讨论了晶硅表面钝化、发射极掺杂层和透明导电层之间的功函数失配以及由此形成的肖特基势垒;讨论了屏蔽由功函数失配引起的能带弯曲所需的特征长度,即屏蔽长度;介绍了硅异质结太阳电池优化设计的数值模拟和实践;总结了硅异质结太阳电池的研究现状和发展前景.