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Vol. 66, No. 9 (2017)

2017年05月05日
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
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 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: 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
总论
计算相位响应曲线的方波扰动直接算法
谢勇, 程建慧
2017, 66 (9): 090501. doi: 10.7498/aps.66.090501
摘要 +
通过相位响应曲线可对具有极限环周期运动的动力系统的性质有更为深入的理解.神经元是一个典型的动力系统,因此相位响应曲线提供了一种研究神经元重复周期放电行为的新思路.本文提出一种求解相位响应曲线的方法,即方波扰动的直接算法,通过Hodgkin-Huxley,FitzHugh-Nagumo,Morris-Lecar和Hindmarsh-Rose神经元模型验证该算法可计算周期峰放电、周期簇放电的相位响应曲线.该算法克服了其他算法在运用过程中的局限性.利用该算法计算结果表明:周期峰放电的相位响应曲线类型是由其分岔类型所决定;在Morris-Lecar模型中发现一种开始于Hopf分岔终止于鞍点同宿轨道分岔的阈上周期振荡,其相位响应曲线属于第二类型.通过大量的相位响应曲线的计算发现相位响应的相对大小及正负性仅取决于扰动所施加的时间,而且周期簇放电的相位响应曲线比周期峰放电的相位响应曲线更为复杂.
六面顶压机立方压腔内压强的定量测量及受力分析
王海阔, 任瑛, 贺端威, 许超
2017, 66 (9): 090702. doi: 10.7498/aps.66.090702
摘要 +
将六面顶压机立方压腔内置入电路,采用原位电阻测量确定Bi,Tl,Ba相变的方法,标定了压腔内不同位置的压力(强).通过标定立方压腔顶锤表面的压力并结合计算,分别得到了外部加载与压腔密封边受力以及合成腔体受力的对应关系.实验分析结果表明,随着外部加载的增加,当腔体压力达到5 GPa时,消耗在压腔密封边上的加载急剧上升,消耗在合成腔体的加载趋于不变,从而导致立方压腔压力达到上限.利用实验结果,分析了立方压腔在高压下的受力状态,解释了立方压腔的压力难以超过7 GPa的原因.结合立方压腔的几何结构,通过理论分析,提出了采用高体弹模量的物质作为传压介质,同时采用低体弹模量的物质作为密封边提高立方压腔压力上限的可行方案.通过定量标定叶腊石压腔轴向的压力梯度,给出了压腔内沿对称轴不同位置压力值的计算方法,此方法可为高压实验提供更精确的压力数据.
变频正弦混沌神经网络及其应用
胡志强, 李文静, 乔俊飞
2017, 66 (9): 090502. doi: 10.7498/aps.66.090502
摘要 +
针对暂态混沌神经网络全局寻优能力受限的问题,提出了一种基于脑电波生物机制的新型混沌神经网络模型变频正弦混沌神经网络.该模型将变频正弦函数和Sigmoid函数组合作为非单调激励函数,本文给出了该混沌神经元的倒分岔图及Lyapunov指数的时间演化图,分析了其动力学特性.进一步将该模型应用到非线性函数优化和组合优化问题上,并分析了参数的变化规律.仿真实验证明变频正弦混沌神经网络比暂态混沌神经网络及其他相关模型具有更好的全局寻优能力.
混沌噪声背景下微弱脉冲信号的检测及恢复
苏理云, 孙唤唤, 王杰, 阳黎明
2017, 66 (9): 090503. doi: 10.7498/aps.66.090503
摘要 +
构建了一种在混沌噪声背景下检测并恢复微弱脉冲信号的模型.首先,基于混沌信号的短期可预测性及其对微小扰动的敏感性,对观测信号进行相空间重构、建立局域线性自回归模型进行单步预测,得到预测误差,并利用假设检验方法从预测误差中检测观测信号中是否含有微弱脉冲信号.然后,对微弱脉冲信号建立单点跳跃模型,并融合局域线性自回归模型,构成双局域线性(DLL)模型,以极小化DLL模型的均方预测误差为目标进行优化,采用向后拟合算法估计模型的参数,并最终恢复出混沌噪声背景下的微弱脉冲信号.仿真实验结果表明本文所建的模型能够有效地检测并恢复出混沌噪声背景中的微弱脉冲信号.
不确定分数阶时滞混沌系统自适应神经网络同步控制
林飞飞, 曾喆昭
2017, 66 (9): 090504. doi: 10.7498/aps.66.090504
摘要 +
针对带有完全未知的非线性不确定项和外界扰动的异结构分数阶时滞混沌系统的同步问题,基于Lyapunov稳定性理论,设计了自适应径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络控制器以及整数阶的参数自适应律.该控制器结合了RBF神经网络和自适应控制技术,RBF神经网络用来逼近未知非线性函数,自适应律用于调整控制器中相应的参数.构造平方Lyapunov函数进行稳定性分析,基于Barbalat引理证明了同步误差渐近趋于零.数值仿真结果表明了该控制器的有效性.
过冷水溶液中的空间光孤子
欧阳世根
2017, 66 (9): 090505. doi: 10.7498/aps.66.090505
摘要 +
建立了在过冷水溶液中传播的光束的非局域非线性模型.过冷水的热致折射率扰动在温度扰动较小的情况下随温度增大,但在温度扰动达到一定程度后随温度减小.在求出该模型的数值孤子解后,对孤子的性态进行了研究.研究表明,在光功率较小时,过冷水表现出自聚焦的特性,而在光功率较大时,在孤子的中心区域的过冷水表现出自散焦的特性,而在孤子的外围仍表现为自聚焦.在总功率较大的情况下,孤子间的相互作用也表现出这种部分自散焦,部分自聚焦的现象.
点光源哈特曼最优阈值估计方法研究
周睿, 魏凌, 李新阳, 王彩霞, 李梅, 沈锋
2017, 66 (9): 090701. doi: 10.7498/aps.66.090701
摘要 +
针对夏克-哈特曼波前传感器探测系统中噪声随时间及空间变化频率较快的特点,为了准确估计系统的最优阈值,根据高斯光斑与噪声的分布特性,提出一种以滑动窗口内像素均值及图像信号的局部梯度作为参数,构造关于噪声权重函数的方法,由此获得子孔径阈值的最优估计值,并详细分析了算法的基本原理和实现过程.以典型处理方法获取的阈值与理论最优阈值的误差作为评价标准,仿真和实验结果表明本文提出的阈值估计方法在不同信噪比、不同光斑大小的条件下,均能取得优于典型阈值处理方法获得的结果,且与理论最优阈值的误差小于10%.
基于渐进添边的准循环压缩感知时延估计算法
冷雪冬, 王大鸣, 巴斌, 王建辉
2017, 66 (9): 090703. doi: 10.7498/aps.66.090703
摘要 +
针对时延估计问题中压缩感知类算法现有测量矩阵需要大量数据存储量的问题,提出了一种基于渐进添边的准循环压缩感知时延估计算法,实现了稀疏测量矩阵条件下接收信号时延的准确估计.该算法首先建立压缩感知与最大似然译码之间的理论桥梁,然后推导基于低密度奇偶校验码的测量矩阵的设计准则,引入渐进添边的思想构造具有准循环结构的稀疏测量矩阵,最后利用正交匹配追踪算法正确估计出时延.对本文算法的计算复杂度与测量矩阵的数据存储量进行理论分析.仿真结果表明,所提算法在测量矩阵维数相同的条件下正确重构概率高于高斯随机矩阵和随机奇偶校验测量矩阵,相比于随机奇偶校验矩阵,在数据存储量相等的条件下,以较少的计算复杂度代价得到了重构概率的较大提高.
机载腔增强吸收光谱系统应用于大气NO2空间高时间分辨率测量
梁帅西, 秦敏, 段俊, 方武, 李昂, 徐晋, 卢雪, 唐科, 谢品华, 刘建国, 刘文清
2017, 66 (9): 090704. doi: 10.7498/aps.66.090704
摘要 +
介绍了一套用于机载平台测量的非相干宽带腔增强吸收光谱(IBBCEAS)系统,并应用于实际大气NO2空间分布的高时间分辨率观测.为满足机载测量中对时间分辨率的需求,系统采用离轴抛物面镜代替消色差透镜提高光学耦合效率;并运用Allan方差,对系统性能进行了分析.通过腔增强吸收光谱系统与长光程吸收光谱系统对实际大气NO2的对比测试,两者线性相关系数R2达到0.86.将IBBCEAS系统应用于机载平台,在时间分辨率为2 s的情况下,探测限达到95 ppt(1).通过机载观测,获得了华北地区石家庄等地上空对流层大气NO2的廓线信息.
原子和分子物理学
CH3I2+的二体、三体解离过程的理论研究
孙启响, 闫冰
2017, 66 (9): 093101. doi: 10.7498/aps.66.093101
摘要 +
采用密度泛函和耦合簇理论从过渡态的观点对CH3I2+离子的解离过程进行了计算和分析.优化得到了CH3I,CH3I+和CH3I2+的稳定结构及解离过渡态的几何构型并给出了相应能量,计算的第一、二电离能与实验结果符合.基于母体离子、过渡态和解离碎片的几何结构和能量,对CH3I2+的两体解离过程和三体解离过程进行了详细分析和讨论.给出了二体、三体解离的可能解离通道,并分析了实验上观测到的解离碎片离子的产生机制.计算结果表明,三重和单重绝热势能面上的一些解离过程表现出明显的差异.
Eu原子4f76snlRydberg态的研究
常鑫鑫, 沈礼, 武晓瑞, 戴长建
2017, 66 (9): 093201. doi: 10.7498/aps.66.093201
摘要 +
利用三步双色共振激发技术和三步三色孤立实激发技术,系统地研究了铕原子在4225044510 cm-1能域内的光谱特性,提供了该能域内56个束缚高激发态的光谱信息.为了能确定这些态的光谱归属,进行了两方面的探索:第一,观察能否利用孤立实激发技术,把处于这些态上的铕原子进一步共振激发到自电离态,从而推断这些态属于单电子激发的束缚Rydberg态还是属于双电子激发的价态,并对Rydberg态的电子组态进行了光谱确认;第二,通过计算这些态相对于各个电离阈的量子亏损并观察它们分别收敛于哪个电离阈,以便获取其主量子数的信息.最后,设计并采用了三种不同的激发路径,分别将原子布居到同一高激发能域并探测它们在该能域的光电离光谱.通过比较这些光谱的异同并结合上述激发路径所对应的跃迁选择定则,便可惟一地确定这些高激发态的总角动量.研究发现:所探测到的高激发束缚态只有三个属于单电子激发的束缚Rydberg态,其余都是价态.本文确定了这三个Rydberg态的电子组态和原子状态.
弱射频场中Rydberg原子的电磁感应透明
杨智伟, 焦月春, 韩小萱, 赵建明, 贾锁堂
2017, 66 (9): 093202. doi: 10.7498/aps.66.093202
摘要 +
在铯原子室温蒸气池中研究了弱射频场中Rydberg原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明(EIT)效应.铯原子基态6S1/2、第一激发态6P3/2和Rydberg 48D5/2态形成阶梯型三能级系统,探测光共振作用于6S1/2(F=4)6P3/2(F'=5)的跃迁,耦合光在Rydberg跃迁线6P3/2(F'=5)48D5/2附近扫描,形成Rydberg原子EIT.当对铯原子施加一个80 MHz的弱射频电场时,48D5/2 Rydberg原子的EIT光谱发生Stark频移和分裂,同时产生由射频场调制Rydberg能级的偶数级边带,测量结果与Floquet理论模拟的结果相符合.同时,改变弱射频电场的频率研究了铯Rydberg能级的自电离效应对Rydberg原子Stark谱的影响,据此,我们提出将电极板置于铯原子蒸气池内的方案以减少自电离效应的影响.在弱射频Stark谱中,mj=5/2的Stark谱与mj=1/2,3/2的二级边带形成多个能级交叉,这些能级交叉点提供了一种基于原子的精确校准射频电场的新方法.
对甲氧基苯甲腈的单色共振双光子电离光谱
李鑫, 赵岩, 靳颖辉, 王晓锐, 余谢秋, 武媚, 韩昱行, 杨勇刚, 李昌勇, 贾锁堂
2017, 66 (9): 093301. doi: 10.7498/aps.66.093301
摘要 +
对甲氧基苯甲腈是一种重要的化学化工原料,本文采用超声分子束技术和共振多光子电离方法获得了对甲氧基苯甲腈的单色共振双光子电离光谱,基态S0到电子激发态S1的00跃迁被确定为(355492)cm-1,结合含时密度泛函理论计算结果对观察到的光谱进行了振动模式标识和描述.实验发现呼吸振动模非常易于激活,其基频和二次泛频光谱很强,三次泛频也可明确标识,观察到大量呼吸振动与其他正则模的结合振动,这是对甲氧基苯甲腈不同于常见的多原子分子的一个重要特性.这些结果为研究对甲氧基苯甲腈的里德堡态、动力学和零动能光谱等提供了重要的参考数据.
20 keV质子在聚碳酸酯微孔膜中传输的动态演化过程
白雄飞, 牛书通, 周旺, 王光义, 潘鹏, 方兴, 陈熙萌, 邵剑雄
2017, 66 (9): 093401. doi: 10.7498/aps.66.093401
摘要 +
测量了20 keV质子穿过倾斜角为+1的聚碳酸酯微孔膜后,出射粒子的位置分布、相对穿透率以及电荷纯度随时间的演化.实验发现,能量电荷比E/q101 kV的质子穿过绝缘纳米微孔的物理机理与E/q100 kV和E/q102 kV区域离子有显著不同.对于E/q101 kV的质子穿过绝缘纳米微孔,存在一段相当长的导向建立之前(导向前)的过程,在该时期内出射质子及氢原子的特性和导向建立后的特性有很大差异.在导向前的演化过程中,我们可以观察到出射质子的峰位逐渐向孔轴向附近转移;出射氢原子由束流方向的尖峰以及孔轴向的主峰构成,峰位角保持基本不变且尖峰逐渐消失.这一过程的主要机理为微孔内表面以下的多次随机二体碰撞和近表面镜面反射两种传输方式逐步向电荷斑约束下的导向效应过渡的过程.对E/q101 kV区间离子导向前过程的完整观测,使得对低能向中能过渡区间离子穿过绝缘微孔膜物理机制和图像有更深入和完整的认识,有助于约10 keV离子微束的精确控制和应用.
锯齿型碳纳米管的结构衍生及电子特性
刘雅楠, 路俊哲, 祝恒江, 唐宇超, 林响, 刘晶, 王婷
2017, 66 (9): 093601. doi: 10.7498/aps.66.093601
摘要 +
利用密度泛函理论研究锯齿型单、双壁碳纳米管从核到管状团簇直至纳米管的逐层结构衍生.研究结果表明五边形结构在管状团簇生长中发挥关键作用.此外,基于管状团簇的研究,运用周期性边界条件得到锯齿型单、双壁碳纳米管,并通过计算能带和态密度研究其电子特性.对单壁(n,0)和双壁(n,0)@(2 n,0)碳纳米管,当n=3q(q为整数)时,具有金属或窄带隙半导体特性;n3q时,具有较宽带隙半导体特性,且带隙随管径的增加而减小.然而,小管径碳纳米管受曲率效应的明显影响,n3q的(4,0),(4,0)@(8,0)和(5,0)@(10,0)均呈现金属性;n=3q的(6,0)@(12,0)则表现出明显的半导体特性.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
基于叠层衍射成像的二元光学元件检测研究
王磊, 窦健泰, 马骏, 袁操今, 高志山, 魏聪, 张天宇
2017, 66 (9): 094201. doi: 10.7498/aps.66.094201
摘要 +
本文提出了一种基于叠层衍射成像(ptychography)的二元光学元件的检测方法,该方法可实现对二元光学元件表面微观轮廓的检测以及特征尺寸的标定.相比于传统的二元光学元件检测方法,其使用无透镜成像技术,简化了系统结构并可适用于特殊环境下的检测.该方法可直接通过采集多幅衍射图,利用叠层衍射成像迭代算法可精确地复原大尺寸待测元件的表面微观轮廓,提高大尺寸器件的检测效率.本文模拟仿真了台阶高度与噪声大小对纯相位台阶板复原结果的影响,并在光学实验中选取计算全息板为样品,复原样品的表面微观轮廓信息以及得到台阶高度.以白光干涉仪检测结果为标准,该方法在精度要求不太高的前提下,可获得令人满意的成像质量.
新型高双折射微结构纤芯光子晶体光纤的可调谐超连续谱的特性研究
熊梦杰, 李进延, 罗兴, 沈翔, 彭景刚, 李海清
2017, 66 (9): 094204. doi: 10.7498/aps.66.094204
摘要 +
提出并制备了一种新型微结构纤芯光子晶体光纤,即在椭圆纤芯中增加一排亚微米级的空气孔,提高了光纤的双折射值,改变了两个偏振基模的色散特性.通过有限元法数值模拟了该光纤的双折射、非线性和色散等特性,并优化结构参数.使用脉宽为15 ps,重复频率为45 MHz的激光抽运该光纤,通过调节抽运激光入射的偏振方向,实现了可调谐的宽带超连续谱.实验研究了输入激光的功率和偏振方向对超连续谱的影响,以及输出超连续谱的偏振特性:当脉冲偏振方向沿着主轴入射时,得到了800–1500 nm的线偏振超连续谱,输出谱的消光比为21.2 dB;当脉冲偏振方向逐渐远离主轴时,输出超连续谱的谱宽逐渐变窄,并且在与主轴呈处达到最小值.维持抽运脉冲功率不变,仅改变脉冲入射的偏振方向,能够实现300 nm谱宽可调谐的超连续谱.
一种基于模态匹配的浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距方法
李晓曼, 张明辉, 张海刚, 朴胜春, 刘亚琴, 周建波
2017, 66 (9): 094302. doi: 10.7498/aps.66.094302
摘要 +
针对浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距问题,本文在模态匹配和匹配场处理定位方法的基础上,提出了一种适用于具有液态半无限空间海底的浅海波导中声源的单水听器被动测距方法.利用warping变换可以对脉冲声源接收信号的各阶简正波实现有效分离,由此得到各阶简正波的频域信号.海底相移参数是描述海底地声参数的一个重要参量,包含了海底地声参数信息,而各阶简正波的水平波数可以通过含有海底相移参数的表达式来表达.此外,由于声速剖面对简正波的各阶水平波数具有相近的影响,因此通过对任意两阶简正波进行联合处理,可以近似消除声速剖面对简正波水平波数差的影响.任意两阶简正波的水平波数差只近似用于海底相移参数、海深以及波导中平均声速三个参数有关,可以简单、快速地计算相应拷贝场,然后通过建立代价函数并对简正波模态进行匹配,可以实现对水下脉冲声源的被动测距.与传统的模态匹配定位方法相比,本文提出的方法既不需要使用水听器阵,又可以简单、快速地计算出拷贝场.数值仿真和海上实验数据处理结果的测距误差都在10%以内,证明了该方法的有效性.
混有协同自适应巡航控制车辆的异质交通流稳定性解析与基本图模型
秦严严, 王昊, 王炜, 万千
2017, 66 (9): 094502. doi: 10.7498/aps.66.094502
摘要 +
针对传统车辆和协同自适应巡航控制(cooperative adaptive cruise control,CACC)车辆构成的异质交通流,研究其稳定性与基本图模型.应用实车测试验证的CACC模型和智能驾驶员模型(intelligent driver model)分别作为CACC车辆和传统车辆的跟驰模型,建立异质流稳定性解析框架,研究不同平衡态速度、不同CACC车辆比例时的异质流稳定性.推导异质流基本图模型,并进行数值仿真实验.研究结果表明,在传统车辆稳定的速度范围,异质流处于稳定状态.在传统车辆不稳定的速度范围,CACC车辆比例增加以及平衡态速度远离9.618.6 m/s速度范围,均能够改善异质流的不稳定性.通行能力随着CACC车辆比例的增加而提高.此外,CACC模型的期望车间时距越大,异质流稳定域越大,但通行能力降低.因此,恒定车间时距CACC控制策略下的期望车间时距取值应权衡异质流稳定域和通行能力两个方面的影响.
激光诱导等离子体的气体动力学和燃烧波扩展速度研究
蔡继兴, 郭明, 渠旭, 李贺, 金光勇
2017, 66 (9): 094202. doi: 10.7498/aps.66.094202
摘要 +
针对激光对熔石英材料产生致燃损伤过程中存在的激光支持燃烧波,考虑激光作用的温度残余、目标形貌的改变、喷溅物质分布、目标表面气流状况的分布等效应,分阶段对激光支持燃烧波的过程进行建模和仿真研究.通过建立二维轴对称气体动力学模型,模拟研究包含逆韧致辐射、热辐射、热传导和对流过程在内的激光能量传输过程.此外,依据激光支持燃烧波在可见光波段具有明显的辐射特征这一特点,利用阴影法测量了激光对熔石英致燃损伤过程中的燃烧波扩展速度,得到了燃烧波演化过程图像.研究结果表明:在平行激光束作用下,燃烧波的传播是稳态的,气体动力学行为比较稳定;在聚焦激光束作用下,燃烧波的传播是非稳态的.模拟结果中得到的激光支持燃烧波扩展速度及气体动力学结构与实验结果和理论推导结果符合得很好,验证了理论模型的正确性.
基于单个量子级联激光器的大气多组分测量方法
周超, 张磊, 李劲松
2017, 66 (9): 094203. doi: 10.7498/aps.66.094203
摘要 +
利用单个新型中红外量子级联激光器作为激光光源,结合长程光学吸收池技术开展了大气多组分同时测量方法的研究.通过结合基于自适应性Savitzky-Golay滤波的数据处理算法,有效地提高了系统检测灵敏度和光谱分辨率.研究结果表明,在1 s的时间分辨率和1 atm压力条件下,采用二次微分探测技术可实现CO,N2O和H2O测量精度分别为8.20 ppb,7.90 ppb和64.00 ppm(1 ppb=10-9,1 ppm=10-6);通过提高信号平均时间,在最佳的积分时间(85 s)时,系统可实现的最小检测限分别为1.25 ppb(CO),1.15 ppb(N2O)和35.77 ppm(H2O).整个系统具有结构紧凑,成本相对较低,通过选择其他波段的量子级联激光器的激光光源,即可实现对其他分子的实时分析.本系统可广泛应用于大气化学等领域的应用研究.
基于游标效应的增敏型光纤法布里-珀罗干涉仪温度传感器
杨易, 徐贲, 刘亚铭, 李萍, 王东宁, 赵春柳
2017, 66 (9): 094205. doi: 10.7498/aps.66.094205
摘要 +
本文介绍了一种高灵敏度光纤温度传感器.该传感器由一小段毛细管熔接于单模光纤和一段大模场光纤之间而构成串联的两个法布里-珀罗干涉仪.由于俩干涉仪具有相近的自由光谱区,因而它们的叠加光谱会产生游标效应.实验结果显示,利用游标效应解调,该传感器的温度灵敏度可从单一空气腔法布里-珀罗干涉仪的0.71 pm/℃提高到179.30 pm/℃.该传感器结构紧凑(1 mm)且灵敏度高,具有良好的应用前景.
饱和功率密度下线性啁啾对交叉偏振波输出特性的影响
秦爽, 王兆华, 王羡之, 何会军, 沈忠伟, 魏志义
2017, 66 (9): 094206. doi: 10.7498/aps.66.094206
摘要 +
交叉偏振波(XPW)技术是一种基于具有各向异性特征的三阶非线性晶体的非线性滤波技术,由于结构简单,稳定可靠,是超强超快激光领域提高时域对比度、压缩脉宽的有效手段之一.在实验中发现,XPW的输出特性受驱动脉冲特性的直接影响,通过理论计算得到了XPW的脉宽和光谱宽度与驱动脉冲的啁啾特性关系,同时利用声光可编程色散滤波器设计实验对理论计算进行了验证.结果表明:实验结果很好地反映了理论计算得出的结论,同时在饱和功率密度条件下,还表现出了一些理论计算没有反映出的新现象,即XPW的光谱展宽突破了驱动脉冲宽度3倍的限制,最终脉宽也能够压缩至小于入射脉宽的1/3;此外对于相反线性啁啾的驱动脉冲所产生的XPW信号,其在光谱形状上有明显的偏移差异,同时输出效率也有所不同.最后对这些新现象进行了进一步的分析和理论解释.
灰气体加权和辐射模型综合评估及分析
楚化强, 冯艳, 曹文健, 任飞, 顾明言
2017, 66 (9): 094207. doi: 10.7498/aps.66.094207
摘要 +
在O2/CO2气氛下,参与性介质的非灰气体辐射特性表现出不同于空气气氛下的特性,因此,非灰气体辐射模型的选择和应用在换热过程中将变得十分重要.基于统计窄谱带模型,本文综合评估近年发展应用较广的灰气体加权和(WSGG)模型.结果表明,几种WSGG模型的预测值总体趋势正确,但仍存在着一定的差别.对于发射率,Dorigon等(2013 Int. J. Heat Mass Transfer 64 863)和Bordbar等(2014 Combust. Flame 161 2435)的WSGG模型与基准模型符合较好,相对误差小于20%.与离散坐标法结合,本文求解了PH2O/PCO2=1,2时的一维平行平板间辐射换热问题.结果显示,由Dorigon等和Bordbar等的WSGG模型得到的辐射热源和热流密度分布的相对误差均较小(10%左右).Johansson等(2011 Combust. Flame 158 893)和Bordbar等的WSGG模型具有更广的适用范围.
新型负模量声学超结构的低频宽带机理研究
张永燕, 吴九汇, 钟宏民
2017, 66 (9): 094301. doi: 10.7498/aps.66.094301
摘要 +
提出了一种具有负模量特性的新型声学超结构,并揭示了其低频带隙的形成及拓宽机理.通过理论推导给出了该新型结构的归一化有效模量表达式,由于有效模量的零值点与系统参数密切相关,可以调节合适的参数使得零值点降低或带隙下界降低,进一步实现低频带隙.理论结果表明,在一定的频率范围内,系统的弹性模量为负且负模量区域进一步拓宽,从而通过负模量区域的放大而拓宽带隙.这种新的实现低频带隙的方法克服了传统局域共振附加质量过大及惯性放大结构带隙较窄的缺点.同时,通过有限元法得到的周期结构的传输率随着结构参数的变化趋势与理论分析的变化趋势基本一致,并得到了约40180 Hz的低频宽带.这种实现低频带隙的新思路对低频声波的控制具有很重要的理论指导意义.
黏性流体中超细长弹性杆的动力学不稳定性
王鹏, 薛纭, 楼智美
2017, 66 (9): 094501. doi: 10.7498/aps.66.094501
摘要 +
基于坐标基矢摄动的方法研究了黏性流体中超细长弹性杆动力学稳定性判据与失稳后的模态选择,推导出了黏性介质中超细长弹性杆Kirchoff动力学方程的一阶摄动表示,即线性的二阶偏微分方程组.以平面扭转DNA环为例,说明了以上结果的应用,得到了平面扭转DNA环的稳定性判据及其稳定的临界区域,讨论了其失稳后的模态选择及黏性阻力对其的影响.
凝聚物质: 结构、力学和热学性质
氧化锌纳米线耦合硅金字塔微纳复合结构的制备及其自清洁特性研究
吴以治, 许小亮
2017, 66 (9): 096801. doi: 10.7498/aps.66.096801
摘要 +
光伏器件粉尘堆积伴随的遮光效应极其严重,可导致太阳能电池的光电转换效率降低一半以上,这是任何其他提高光伏器件性能的高新技术所不能弥补的.本文根据Cassie-Baxter理论构建出一种基于光伏器件应用的超疏水自清洁微纳复合结构,即氧化锌纳米线耦合硅金字塔.通过调控硅金字塔的尺寸和均匀性,使其尺寸效应不被遮盖以符合存在微米构型的疏水要求,同时尽量不破坏硅光伏器件绒面的减反性能.本文采用水热法在金字塔表面生长氧化锌纳米线的方案,通过系统的实验设计,首次成功地制备了符合光伏器件应用的接触角高达154,且接触角滞后小于10的超疏水自清洁微纳复合结构.此外,我们不仅发现硅金字塔的刻蚀存在高温促进硅金字塔刻蚀的温度效应和硅金字塔顶部有圆润-方正-圆润的时间效应,还从物理上对高温促进刻蚀、晶体的各向异性刻蚀导致的硅金字塔和我们所制备的氧化锌纳米线耦合硅金字塔复合结构的陷光效应等进行了比较充分的分析.
凝聚物质: 电子结构、电学、磁学和光学性质
同步对称双栅InGaZnO薄膜晶体管电势模型研究
覃婷, 黄生祥, 廖聪维, 于天宝, 邓联文
2017, 66 (9): 097101. doi: 10.7498/aps.66.097101
摘要 +
研究了同步对称双栅氧化铟镓锌薄膜晶体管(InGaZnO thin film transistors,IGZO TFTs)的沟道电势,利用表面电势边界方程联合Lambert W函数推导得到了器件沟道电势的解析模型.该模型考虑了IGZO薄膜中存在深能态及带尾态等缺陷态密度,能够同时精确地描述器件在亚阈区(sub-threshold)与开启区(above threshold)的电势分布.基于所提出的双栅IGZO TFT模型,讨论了不同厚度的栅介质层和有源层时,栅-源电压对双栅IGZO TFT的表面势以及中心势的调制效应.对比分析了该模型的计算值与数值模拟值,结果表明二者具有较高的符合程度.
微纳粒子光学散射分析
付成花
2017, 66 (9): 097301. doi: 10.7498/aps.66.097301
摘要 +
为实现利用光学方式对微纳尺度粒子性质的研究,探讨了亚微米线及亚微米球对光电磁波的散射效应.微纳米尺度粒子的光学散射,散射粒子尺寸与入射光波长尺寸可满足米氏(Mie)散射条件.利用Matlab数值模拟的方式,将分析结果以模拟图的形式清晰地展现出来.满足尺寸条件的层状粒子以及任意多个散射粒子存在时对电磁波的散射都可采用Mie散射分析方法,并且针对多粒子散射,分析了散射体位于不同位置时对散射造成的影响.通过分析光学散射光场相关的微分散射截面及近场散射电磁场分布,可得出散射光场随散射角度的变化趋势,以及散射光场受各类因素的影响,包括入射光偏振态、散射粒子尺寸、散射粒子结构及粒子构成层数、散射粒子数量等的影响,也包括一些隐含因素对散射光场的影响,如散射粒子与周围介质的相对折射率.本文的科学意义体现在:与入射光波长尺寸可比的亚微米尺度的粒子,可用作传感器,对于其位移的探测可通过光学方式来实现,而由于粒子本身特性对散射光的影响具有一定的参考价值,从而使通过光学方式对机械位移的读出具有更高准确度.研究结果对于光学方式探测亚微米线机械振动具有指导意义.

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四端双量子点系统中的自旋和电荷能斯特效应
郑军, 李春雷, 杨曦, 郭永
2017, 66 (9): 097302. doi: 10.7498/aps.66.097302
摘要 +
基于非平衡态格林函数方法,理论研究了与四个电极耦合的双量子点系统中的自旋和电荷能斯特效应,考虑了不同电极的磁动量结构和量子点内以及量子点间电子的库仑相互作用对热电效应的影响.结果表明铁磁端口中的磁化方向能够有效地调节能斯特效应:当电极1和电极3中的磁化方向反平行排列时,通过施加横向的温度梯度,系统中将会出现纯的自旋能斯特效应;当电极4从普通金属端口转变为铁磁金属端口时,将同时观测到电荷和自旋能斯特效应.研究发现,能斯特效应对于铁磁电极极化强度的依赖程度较弱,但对库仑排斥作用十分敏感.在量子点内和点间库仑排斥作用的影响下,自旋及电荷能斯特系数有望提高两个数量级.
掺杂含量对环氧纳米复合电介质陷阱与空间电荷的影响
袁端磊, 闵道敏, 黄印, 谢东日, 王海燕, 杨芳, 朱志豪, 费翔, 李盛涛
2017, 66 (9): 097701. doi: 10.7498/aps.66.097701
摘要 +
环氧纳米复合电介质具有抑制空间电荷积聚、高电阻率、高击穿强度等优异性能,对直流电力设备的发展具有重要的作用.但纳米粒子含量对纳米复合电介质陷阱、电导率和空间电荷的影响机理尚不清楚.本文在纳米复合电介质交互区结构模型的基础上提出了计算交互区浅陷阱和深陷阱密度的方法,得到了浅陷阱和深陷阱密度随纳米粒子含量的变化关系.随着纳米粒子含量的增加,浅陷阱密度逐渐增大,深陷阱先增加然后由于交互区重叠的影响而逐渐减少.研究了纳米粒子含量对浅陷阱控制载流子迁移率的影响,发现随着纳米粒子的增多,浅陷阱大幅增多,浅陷阱之间的平均间距迅速减小,导致载流子更容易在浅陷阱间跳跃迁移,浅陷阱控制载流子迁移率增大.建立了纳米复合电介质的电荷输运模型,采用电荷输运模型计算研究了环氧/二氧化钛纳米复合电介质的空间电荷分布、电场分布和电导率特性.发现在纳米粒子添加量较小时,交互区的深陷阱对电导的影响起主导作用;纳米粒子添加量进一步增加,浅陷阱对电导的影响将起到主要作用.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
以石墨烯为电极的有机噻吩分子整流器的设计及电输运特性研究
俎凤霞, 张盼盼, 熊伦, 殷勇, 刘敏敏, 高国营
2017, 66 (9): 098501. doi: 10.7498/aps.66.098501
摘要 +
传统硅基半导体器件受到了量子尺寸效应的限制,发展分子电子学器件有可能解决这一难题.本文提出了由石墨烯电极和有机噻吩分子相结合构造分子器件的思想,建构了石墨烯-噻吩分子-石墨烯结构的分子器件,并运用非平衡态格林函数结合密度泛函理论的方法研究了其电输运特性.系统地分析了电子给体氨基和电子受体硝基两种取代基的位置对有机噻吩分子电输运的影响.计算表明,有机噻吩二聚物被氨基和硝基取代后会产生明显的负微分电阻效应和整流效应.进一步对产生这些效应的物理机制进行分析,发现氨基的位置可以调整负微分电阻的强弱,硝基的位置可以改变整流的方向.
等离子增强原子层沉积低温生长GaN薄膜
汤文辉, 刘邦武, 张柏诚, 李敏, 夏洋
2017, 66 (9): 098101. doi: 10.7498/aps.66.098101
摘要 +
采用等离子增强原子层沉积技术在低温下于单晶硅衬底上成功生长了GaN多晶薄膜,利用椭圆偏振仪、低角度掠入射X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪对薄膜样品的生长速率、晶体结构及薄膜成分进行了表征和分析.结果表明,等离子增强原子层沉积技术生长GaN的温度窗口为210270℃,薄膜在较高生长温度下呈多晶态,在较低温度下呈非晶态;薄膜中N元素与大部分Ga元素结合成NGa键生成GaN,有少量的Ga元素以GaO键存在,多晶GaN薄膜含有少量非晶态Ga2O3.
基于Pareto优化理论的多目标超椭梯度线圈设计
潘辉, 王亮, 王强龙, 陈利民, 贾峰, 刘震宇
2017, 66 (9): 098301. doi: 10.7498/aps.66.098301
摘要 +
磁共振系统梯度线圈设计是一个多目标优化问题,在设计时需要综合考虑能耗、磁场能、线性度等设计要求.这些设计要求通常难以同时获得极小解,因此在设计梯度线圈时需要权衡线圈的各方面的设计需求.本文基于柱面可展性和流函数设计方法,结合Pareto优化方法实现了在超椭圆柱设计表面上梯度线圈的多目标设计.分别分析了磁场能、能耗目标对梯度线圈线性度、线圈构型的影响;并在Pareto解空间中分析各目标的相互变化关系,通过数值算例验证了该方法在超椭梯度线圈设计时的有效性与灵活性.优化结果显示,在满足线性度误差小于5%,能耗与磁场能分别小于用户设定值的设计约束下,梯度线圈的多目标设计存在多个局部优化解.该方法可以直观地比较相同目标函数值的情况下各单目标的具体表现,有利于实现不同的设计要求下梯度线圈的最终定型设计.
基于双平行马赫-曾德尔调制器的大动态范围微波光子下变频方法
王云新, 李虹历, 王大勇, 李静楠, 钟欣, 周涛, 杨登才, 戎路
2017, 66 (9): 098401. doi: 10.7498/aps.66.098401
摘要 +
为了提高微波光子下变频链路的性能,提出了基于集成双平行马赫-曾德尔调制器的微波光子下变频方法.通过理论推导和数值仿真分析了系统的增益和无杂散动态范围,实验搭建了基于双平行马赫-曾德尔调制器的下变频链路,控制直流偏置电压使双平行马赫-曾德尔调制器工作在高载波抑制的双边带调制模式,并对链路进行了性能测试.实验结果表明:该下变频链路的增益为7.43 dB,无杂散动态范围达到了110.85 dB/Hz2/3,工作频段可覆盖518 GHz的宽频范围.基于双平行马赫-曾德尔调制器的下变频方法可优化设计输出频谱,系统结构简单、易于实现,为微波光子下变频链路提供了有效的解决方案.
地球物理学、天文学和天体物理学

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三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器的远场分布特性
朱永浩, 黎华, 万文坚, 周涛, 曹俊诚
2017, 66 (9): 099501. doi: 10.7498/aps.66.099501
摘要 +
研究了三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器的设计、制作并分析了其纵模和横模特性.通过建立波导结构模型,利用有限元方法模拟激光器波导结构内的三维模场分布,通过本征模的损耗分析器件的纵模模式选择机理.同时,由本征模的近场通过近-远场傅里叶变换求得激光器的远场分布.采用半导体工艺制作了4.3 THz双面金属波导三阶分布反馈量子级联激光器,测量了不同器件的发射谱和远场光束质量,远场发散角为1213,实验结果和理论模拟符合.
核物理学
以团簇加连接原子模型解析Cr-C共晶成分
王同, 胡小刚, 吴爱民, 林国强, 于学文, 董闯
2017, 66 (9): 092101. doi: 10.7498/aps.66.092101
摘要 +
Cr-C体系材料是重要硬质防护涂层的代表,具有共晶特征.我们的前期工作指出,共晶合金满足双团簇近程序结构模型,由两种稳定液体亚单元构成,各自满足理想非晶团簇成分式,这里的第一近邻团簇来自相关共晶相.显然共晶成分解析的关键在于获得团簇,而相结构中往往存在多种团簇,进入到非晶/共晶团簇成分式的主团簇定义是关键环节.本文通过应用Friedel振荡理论及原子密堆,以团簇分布的球周期性及孤立度为判据,以Cr-C共晶相为例,进一步细化了共晶相中的主团簇选择流程,再搭配以2,4或6个连接原子,获得了描述共晶成分Cr86C14和Cr67.4C32.6的双团簇成分式:[Cr-Cr14+C-Cr9]CrC3和[C-Cr9+C-Cr8]C6,其中四种团簇分别来自共晶相Cr,Cr23C6,Cr7C3和Cr3C2.该工作进一步证实了团簇加连接原子模型在共晶点解析中的普适性,并从理论上支持了相关的材料设计.
气体、等离子体和放电物理
激光诱导氮气等离子体时间分辨光谱研究及温度和电子密度测量
杨文斌, 周江宁, 李斌成, 邢廷文
2017, 66 (9): 095201. doi: 10.7498/aps.66.095201
摘要 +
激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种重要的分析手段被广泛应用于材料分析、环境监测等领域.特别是随着大气污染问题的日趋严重,基于LIBS的大气污染在线监测分析技术快速发展,氮气等离子体特性的时间演化规律对研究激光诱导大气等离子体动力学和发展大气污染监测的LIBS技术具有重要意义.而温度和电子数密度作为表征等离子体状态最重要的参数,直接影响着等离子体形成、膨胀和退化中的动力学过程以及等离子体中的能量传输效率.本文利用等离子体时间分辨光谱,研究了连续背景辐射、分子谱线强度及信背比(分子谱线与连续背景辐射的比值)在等离子体演化过程中的变化规律,结果显示连续背景辐射寿命在700 ns左右,N2+(B2u+-X2g+,v:0-0)跃迁谱线强度在1215 s范围内达到最大值,信背比随时间呈现上升、稳定的趋势,因此利用N2+分子离子第一负带系(B2u+-X2g+)研究等离子体温度的观测窗口应选择在1025 s之间;基于双原子光谱理论,通过拟合实测光谱和仿真光谱研究了大气压下激光诱导氮气等离子体温度随时间的演化趋势,由于辐射损耗远小于碰撞作用,在1028 s内等离子体温度从约10000 K按指数衰减到约6000 K;在准确测定仪器展宽线型的基础上,利用Nelder-Mead单纯形算法,研究了N原子746.831 nm谱线的Stark展宽和位移随时间的演化趋势,计算了等离子体中电子数密度随时间在10171016 cm-3量级间衰减,通过分析发现造成等离子体中电子数衰减的主要机理是三体碰撞复合.

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强激光产生的强磁场及其对弓激波的影响
李彦霏, 李玉同, 朱保君, 袁大伟, 李芳, 张喆, 仲佳勇, 魏会冈, 裴晓星, 刘畅, 原晓霞, 赵家瑞, 韩波, 廖国前, 鲁欣, 华能, 朱宝强, 朱健强, 方智恒, 安红海, 黄秀光, 赵刚, 张杰
2017, 66 (9): 095202. doi: 10.7498/aps.66.095202
摘要 +
强激光照射金属线圈后,会在打靶点附近的背景等离子体中诱发冷电子的回流,在金属丝内形成强电流源,从而产生强磁场.本文利用神光II高功率激光器产生的强激光照射金属丝靶,产生了围绕金属丝的环形强磁场.利用B-dot对局域磁感应强度进行了测量,根据测量结果,结合三维模拟程序,反演得到磁场的空间分布.再利用强激光与CH平面靶相互作用产生的超音速等离子体撞击该金属丝,产生了弓激波.通过光学成像手段研究了磁场对冲击波的影响,发现磁场使得弓激波的轮廓变得不明显并且张角变大.同时,通过实验室天体物理定标率,将金属丝表面等离子参数变换到相应的天体参数中,结果证明利用该实验方法可以在实验室中产生类似太阳风的磁化等离子体.
筒内高功率脉冲磁控放电的电磁控制与优化
崔岁寒, 吴忠振, 肖舒, 刘亮亮, 郑博聪, 林海, 傅劲裕, 田修波, 朱剑豪, 谭文长, 潘锋
2017, 66 (9): 095203. doi: 10.7498/aps.66.095203
摘要 +
高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术被提出以来就受到广泛关注,其较高的溅射材料离化率结合适当的电磁控制,可产生高致密度、高结合力和高综合性能的涂层,但其沉积速率低、放电不稳定、溅射材料离化率差异较大.我们设计了一种筒形溅射源,通过对结构的设计优化,利用类空心阴极放电效应,使问题得到解决.然而其靶面切向磁场不均匀,电子逃逸严重,进而造成等离子体密度偏低,且放电不均匀.本文通过对其放电和等离子体分布进行仿真,提出电场阻挡和磁铁补偿两种方案,研究了不同电场控制条件下的放电行为和等离子体分布.结果表明:增加电子阻挡屏极可以生成势阱,从而有效抑制电子从边缘的逸出;优化后的磁铁补偿可以显著提高靶面横向磁场的均匀性及靶面利用率.两种方案同时作用时,HiPIMS放电刻蚀环面积更大、且更加均匀.