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Vol. 68, No. 2 (2019)

2019年01月20日

封面文章

高效产生任意矢量光场的一种方法
提出一种高效产生任意矢量光场的方法. 利用两个光束偏移器分别对两个正交线偏振分量进行分束与合束, 将传统激光模式转化为任意矢量光场. 所产生矢量光场的偏振态和相位分布通过相位型空间光调制器(SLM) 加载相应的相位实时调控. 由于光路系统中不涉及任何衍射光学元件和振幅分光元件, 光场转换效率高, 仅取决于SLM的反射率, 并且光路系统结构紧凑、稳定, 同轴性易于调节. 实验结果显示, 采用反射率为79%的相位型SLM产生矢量光场的转换效率可达到58%. 齐淑霞, 刘圣, 李鹏, 韩磊, 程华超, 吴东京, 赵建林 物理学报.2019, 68(2): 024201.
特邀综述
特邀综述
总论 基本粒子物理学与场 核物理学 原子和分子物理学
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 气体、等离子体和放电物理 凝聚物质:结构、力学和热学性质 凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质 物理学交叉学科及有关科学技术领域
特邀综述
类KBe2BO3F2结构硼酸盐深紫外非线性光学材料的研究进展
盖敏强, 王颖, 潘世烈
2019, 68 (2): 024208. doi: 10.7498/aps.68.20182145
摘要 +
利用非线性光学(NLO)晶体材料和变频技术, 可以把波长范围有限的激光光源扩展到紫外、深紫外区, 这已成为深紫外光源的热点研究方向. 然而, 目前限制深紫外全固态激光器发展和应用的关键问题是缺乏能够在该波段进行频率转换并且产业化应用的NLO晶体材料. 因此, 该领域的各国科学家都在积极探索并发展新一代的深紫外NLO晶体材料. 目前仅有KBe2BO3F2 (KBBF)晶体能够实现Nd:YAG的直接六倍频深紫外激光(波长为177.3 nm)输出. 然而, KBBF晶体存在严重的层状生长习性, 并且其原料氧化铍有剧毒, 从而极大地制约了其商业化生产和应用进程. 根据阴离子基团理论, 以BO3基团为基本结构单元形成的类[Be2BO3F]层状结构特征仍然是目前最有利于产生深紫外谐波的适宜结构之一, 因此, 基于KBBF层状结构进行分子工程设计, 并开发类KBBF结构的硼酸盐可能是探索新材料的优选策略. 本文通过回顾类KBBF结构硼酸盐深紫外NLO晶体的发展历程, 系统梳理该类晶体材料层状结构特点、不同层间连接方式和光学性能, 分析限制深紫外NLO晶体发展的主要因素, 讨论目前发展类KBBF结构硼酸盐深紫外NLO晶体材料的主要矛盾和解决策略, 以期对未来新材料的创新探索提供借鉴.
总论
尺寸效应对微通道内固液界面温度边界的影响
张龙艳, 徐进良, 雷俊鹏
2019, 68 (2): 020201. doi: 10.7498/aps.68.20181876
摘要 +
采用非平衡分子动力学方法模拟不同浸润性微通道内液体的传热过程, 分析了尺寸效应对固液界面热阻及温度阶跃的影响. 研究结果表明, 界面热阻随微通道尺寸的变化可分为两个阶段, 即小尺寸微通道的单调递增阶段和大尺寸微通道的恒定值阶段. 随着微通道尺寸的增加, 近壁区液体原子受对侧固体原子的约束程度降低, 微通道中央的液体原子自由移动, 固液原子振动态密度近似不变, 使得尺寸效应的影响忽略不计. 上述两种阶段的微通道尺寸过渡阈值受固液作用强度与壁面温度的共同作用: 减弱壁面浸润性, 过渡阈值向大尺寸区域迁移; 相较于低温壁面, 高温壁面处的过渡阈值更大. 增加微通道尺寸, 固液界面温度阶跃呈单调递减趋势, 致使壁面温度边界和宏观尺度下逐渐符合. 探讨尺寸效应有助于深刻理解固液界面能量输运及传递机制.
基于元胞传输模型的楼梯区域行人运动
金辉, 郭仁拥
2019, 68 (2): 020501. doi: 10.7498/aps.68.20180912
摘要 +
针对楼梯区域行人运动进行观测实验, 获得行人上下楼过程中的运动数据, 通过对数据进行整理与分析, 绘制不同过程中流量-密度变化关系图. 通过对流密关系图进行定量分析, 掌握楼梯区域行人运动特征, 并改进原有元胞传输模型, 提出楼梯行人运动模型, 仿真模拟行人运动过程. 模型中, 引入势能修正系数, 利用异向行人对元胞势能的影响来改变行人的路径选择; 引入流量修正系数, 描述不同的物理参数对元胞边界最大流量的影响; 引入偏移系数, 修正移动规则, 增强优先方向对行人路径选择行为的影响. 然后, 通过比较仿真结果与实验数据, 对模型及引入参数进行验证和校准. 最后, 利用校正模型, 模拟研究楼梯区域对向行人运动过程, 并对势能修正参数进行了灵敏度分析, 进一步研究模型参数对行人运动的影响. 研究表明, 该模型可以模拟刻画楼梯区域行人运动过程, 同时验证了楼梯区域行人集散效率跟行人到达率与行人路径选择有关.
籽晶尺寸对宝石级金刚石单晶生长的影响
秦玉琨, 肖宏宇, 刘利娜, 孙瑞瑞, 胡秋波, 鲍志刚, 张永胜, 李尚升, 贾晓鹏
2019, 68 (2): 020701. doi: 10.7498/aps.68.20181855
摘要 +
本文在国产六面顶压机上, 在5.6 GPa, 1250—1450 ℃的高压高温条件下, 分别选用边长0.8, 1.5和2.2 mm三种尺寸的籽晶, 系统开展了Ib型宝石级金刚石单晶的生长研究. 文中系统考察了籽晶尺寸对宝石级金刚石单晶生长的影响. 首先, 考察了籽晶尺寸变化对宝石级金刚石单晶裂晶问题带来的影响. 研究得到了籽晶尺寸变大, 裂晶出现概率增加的晶体生长规律. 其次, 在25 h的生长时间内, 考察了上述三种尺寸籽晶生长金刚石单晶时, 生长时间与单晶极限生长速度的关系. 得到了选用大尺寸籽晶, 可以提高优质单晶合成效率、降低合成成本的研究结论. 借助扫描电子显微镜和光学显微镜, 对三种尺寸籽晶生长金刚石单晶的表面形貌进行了标定. 最后, 傅里叶微区红外测试, 对三种尺寸籽晶生长宝石级金刚石单晶的N杂质含量进行了表征. 研究得到了选用大尺寸籽晶实现快速生长金刚石的同时, 晶体的N杂质含量会随之升高的晶体生长规律.
读出效率对光与原子纠缠产生的影响
王圣智, 温亚飞, 张常睿, 王登新, 徐忠孝, 李淑静, 王海
2019, 68 (2): 020301. doi: 10.7498/aps.68.20181314
摘要 +
在光与原子纠缠态产生中, 自旋波读出效率是影响纠缠质量的一个重要因素. 本文在实验和理论上研究了读出效率与纠缠质量(Bell参量)的关系. 实验上利用87Rb冷原子系综中的自发Raman散射过程产生了光与原子量子纠缠. 通过改变读光功率或OD (光学厚度), 实现了读出效率的变化. 在此基础上, 研究了光与原子纠缠质量(Bell参量)随读出效率变化的关系. 该实验将为高保真度的光与原子纠缠产生提供帮助.
等离子体屏蔽效应对Ar16+基态和激发态能级的影响
马堃, 陈展斌, 黄时中
2019, 68 (2): 023102. doi: 10.7498/aps.68.20181915
摘要 +
基于Rayleigh-Ritz变分原理, 发展了一套处理弱耦合等离子体环境中多电子原子(离子)非相对论能量及其相对论修正的解析方法. 通过考虑电子间交换相互作用以及内外壳层电子的屏蔽效应, 计算了Ar16+基态1s2 1S、单激发态1sns 1,3S (n = 2—5), 1snp 1,3P (n = 2—5) 和双激发态2snp 1P (n = 2—5)非相对论能量及其相对论修正值(包括质量修正、单体和双体达尔文修正以及自旋-自旋接触相互作用项), 讨论了等离子体屏蔽效应对能级的影响. 结果表明: 相对论质量修正和第一类达尔文修正占主导, 比其他相对论修正项高出三个数量级. 此外, 等离子体屏蔽效应具有明显的态选择性, 屏蔽效应对外壳层电子的影响大于内壳层电子, 随着等离子体屏蔽参数的增加, 外壳层电子轨道向外延展, 激发态越高, 延展程度越大.
基于光束偏转的扫描式宽带光参量啁啾脉冲放大
叶荣, 钟哲强, 吴显云
2019, 68 (2): 024205. doi: 10.7498/aps.68.20181538
摘要 +
光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)是超短激光脉冲领域的重要技术之一, 增大增益带宽对提高OPCPA的转换效率、实现宽带光参量放大具有重要的意义. 本文将光束偏转和非共线OPCPA有机结合, 提出了基于光束偏转的扫描式宽带OPCPA模型. 分析了通过光束偏转来时刻改变非共线角, 以保证各频率成分的相位匹配, 从而增大增益带宽的基本原理. 采用提出的扫描式宽带OPCPA, 针对800 nm中心波长、带宽约为100 nm信号光的光参量放大进行了数值计算. 结果表明: 经过扫描式OPCPA后, 信号光的带宽与放大之前几乎相同, 光谱没有窄化; 扫描式OPCPA比固定非共线角方式的放大极大地增加了增益带宽和转换效率, 实现了宽带的光参量放大; 要满足信号光各频率成分的相位匹配, 达到最大的增益带宽和转换效率, 需要尽量减小加载到钽铌酸钾(KTa1−xNbxO3, KTN)电光晶体上的电压抖动和电压延时.
可实现偏振无关单向传输的二维硅基环形孔光子晶体
刘丹, 胡森
2019, 68 (2): 024206. doi: 10.7498/aps.68.20181397
摘要 +
基于光子晶体来构筑偏振无关光二极管在光电集成领域具有重大的应用价值. 首先提出了一种环形孔光子晶体, 能带结构显示其对横电及横磁模式同时展现出显著的方向带隙. 以此构建了三角形状的环形孔光子晶体, 利用时域有限差分法计算其透过谱及场分布图, 发现该结构能实现偏振无关单向传输特性, 然而正向透过率太低(约20%). 进一步引入尺寸较小的三角形状的环形孔光子晶体构成光子晶体异质结结构, 有效地提高了偏振无关单向传输性能, 正向透过率增大了一倍. 通过界面结构的调整, 正向透过率进一步增大, 优化后的环形孔光子晶体异质结结构能同时对类横电及类横磁模式入射光实现单向传输, 且正向透过率达到了44%.
基于涡旋光束的超快速角向集束匀滑方案
田博宇, 钟哲强, 隋展, 张彬, 袁孝
2019, 68 (2): 024207. doi: 10.7498/aps.68.20181361
摘要 +
针对惯性约束聚变装置对激光集束辐照均匀性的需求, 提出了一种基于涡旋光束的超快速角向匀滑方案, 即利用螺旋相位板使2×2集束中的两子束由超高斯光束变换为涡旋光束, 而其余两子束不变, 进而通过对子束偏振态和中心波长的调控, 使集束中的涡旋光束和超高斯光束在靶面两两相干叠加. 相干叠加后的焦斑以皮秒量级为周期超快速旋转, 从而在极短时间内快速抹平焦斑强度调制, 改善靶面辐照均匀性. 通过建立基于螺旋相位板的激光超快速角向集束匀滑方案的物理模型, 分析了其角向匀滑特性, 并与光谱角色散技术和径向匀滑技术进行了比较分析. 结果表明, 这一新型激光集束匀滑方案能实现对焦斑的超快速角向匀滑, 且能在数皮秒时间内达到最佳辐照均匀性.
二维应变作用下超导薄膜LiFeAs的磁性和电子性质
王鑫, 李桦, 董正超, 仲崇贵
2019, 68 (2): 027401. doi: 10.7498/aps.68.20180957
摘要 +
基于密度泛函理论的第一性原理计算, 研究了二维应变作用下LiFeAs超导薄膜的磁性结构、电子能带和态密度变化, 分析了应变对其超导电性的作用. 结果显示, 对体系施加1%—6%的二维平面张、压应变均不改变其基态条形反铁磁性结构, 费米面附近的电子态密度主要来自于Fe-3d轨道电子以及少量的As-4p电子. 研究发现, 与无应变情形相比, 当施加压应变时, 体系中Fe离子的反平行的电子自旋局域磁矩减小, 薄膜反铁磁性受到抑制, 费米面上电子态密度增加, 超导电性来自于以反铁磁超交换耦合作用为媒介的空穴型费米面和电子型费米面间嵌套的Cooper电子对. 而在张应变作用时, 局域反铁磁性增强, 费米面上电子态密度减小, 金属性减弱, 特别是张应变时费米面上空穴型能带消失, Cooper电子对出现概率显著降低, 将抑制超导相变.
钙钛矿/硅叠层太阳电池中平面a-Si:H/c-Si异质结底电池的钝化优化及性能提高
陈俊帆, 任慧志, 侯福华, 周忠信, 任千尚, 张德坤, 魏长春, 张晓丹, 侯国付, 赵颖
2019, 68 (2): 028101. doi: 10.7498/aps.68.20181759
摘要 +
最近, 旋涂法制备的钙钛矿/平面硅异质结高效叠层太阳电池引起人们广泛关注, 主要原因是相比于绒面硅衬底制备的钙钛矿/硅叠层太阳电池, 其制备工艺简单、制备成本低且效率高. 对于平面a-Si:H/c-Si异质结电池, a-Si:H/c-Si界面的良好钝化是获得高转换效率的关键, 进而决定了钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的性能. 本文主要从硅片表面处理、a-Si:H钝化层和P型发射极等方面展开研究, 通过对硅片表面的氢氟酸(HF)浸泡时间和氢等离子体预处理气体流量、a-Si:H钝化层沉积参数、钝化层与P型发射极(I/P)界面富氢等离子体处理的综合调控, 获得了相应的优化工艺参数. 对比研究了p-a-Si:H和p-nc-Si:H两种缓冲层材料对I/P界面的影响, 其中高电导、宽带隙的p-nc-Si:H缓冲层既能够降低I/P界面的缺陷态, 又可以增强P型发射层的暗电导率, 提高了前表面场效应钝化效果. 通过上述优化, 制备出最佳的P-type emitter layer/a-Si:H(i)/c-Si/a-Si:H(i)/N-type layer (inip)结构样品的少子寿命与implied-Voc分别达到2855 μs和709 mV, 表现出良好的钝化效果. 应用于平面a-Si:H/c-Si异质结太阳电池, 转换效率达到18.76%, 其中开路电压达到681.5 mV, 相对于未优化的电池提升了34.3 mV. 将上述平面a-Si:H/c-Si异质结太阳电池作为底电池, 对应的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的开路电压达到1780 mV, 转换效率达到21.24%, 证明了上述工艺优化能够有效地改善叠层太阳电池中的硅异质结底电池的钝化及电池性能.
基于变分模态分解与多尺度排列熵的生物组织变性识别
刘备, 胡伟鹏, 邹孝, 丁亚军, 钱盛友
2019, 68 (2): 028702. doi: 10.7498/aps.68.20181772
摘要 +
根据高强度聚焦超声(HIFU)治疗中超声散射回波信号的特点, 本文利用变分模态分解(VMD)与多尺度排列熵(MPE)对生物组织变性识别进行了研究. 首先对生物组织中的超声散射回波信号进行变分模态分解, 根据各阶模态的功率谱信息熵值分离出噪声分量和有用分量; 对分离出的有用信号进行重构并提取其多尺度排列熵; 然后通过Gustafson-Kessel (GK)模糊聚类确定聚类中心, 采用欧氏贴近度与择近原则对生物组织进行变性识别. 将所提方法应用于HIFU治疗中超声散射回波信号实验数据, 用遗传算法对多尺度排列熵的参数优化后, 对293例未变性组织和变性组织的超声散射回波信号数据进行了多尺度排列熵分析, 发现变性组织的超声散射回波信号的多尺度排列熵值要高于未变性组织; 多尺度排列熵可以较好地识别生物组织是否变性. 相对于EMD-MPE-GK模糊聚类以及VMD-小波熵(WE)-GK模糊聚类变性识别方法, 本文所提方法中变性与未变性组织特征交叠区域数据点更少, 聚类效果和分类性能更好; 本实验环境下生物组织变性识别结果表明, 该方法的识别率更高, 高达93.81%.
基本粒子物理学与场
太赫兹量子级联激光器中有源区上激发态电子向高能级泄漏的研究
李金锋, 万婷, 王腾飞, 周文辉, 莘杰, 陈长水
2019, 68 (2): 021101. doi: 10.7498/aps.68.20181882
摘要 +
利用热力学统计理论和激光器输出特性理论, 建立了太赫兹量子级联激光器(THz QCL)有源区中上激发态电子往更高能级电子态泄漏的计算模型, 以输出功率度量电子泄漏程度研究分析了晶格温度和量子阱势垒高度对电子泄漏的影响. 数值仿真结果表明, 晶格温度上升会加剧电子泄漏, 并且电子从上激发态泄漏到束缚态的数量大于泄漏到阱外连续态, 同时温度的上升也会降低激光输出功率. 增加量子阱势垒高度能抑制电子泄漏, 并且有源区量子阱结构中存在一个最优量子阱势垒高度. THz QCL经过最优量子阱势垒高度优化后, 工作温度得到提升, 其输出功率相比于以往的结果也有所提高. 研究结果对优化THz QCL有源区结构、抑制电子泄漏和改善激光器输出特性有指导作用.
核物理学
微结构气体探测器中紫外激光束的信号和指向精度实验研究
王海云, 祁辉荣, 刘凌, 原之洋, 张余炼, 温志文, 张建, 陈元柏, 欧阳群
2019, 68 (2): 022901. doi: 10.7498/aps.68.20181613
摘要 +
在气体探测器研究中, 利用266 nm紫外激光的双光子电离物理机制使气体电离产生可测量的信号, 是一种重要的标定方法. 随着微结构气体探测器(MPGD)的不断发展, 用紫外激光标定来实现较高精度位置分辨率成为了一种研究需求, 对此有两个关键技术问题需要解决: 实验研究激光可测信号大小以及激光指向精度. 分析和模拟计算了紫外光电离信号大小和激光调光误差, 基于微结构气体电子倍增器探测器与266 nm波长激光束, 在工作气体Ar/CO2(70/30)中, 测量了不同光斑面积与输出信号的关系; 设计和研制了紫外激光调光系统, 实验测量了紫外光调光偏差. 模拟结果与实验结果对比分析表明: 紫外激光束作用于气体探测器, 探测器增益在5000, 前放增益为10 mV/fC时, 6 mm读出条宽输出信号幅度约400 mV; 在探测器内传播距离为400 mm时, 较短时间内(10—20 min)实验调光指向精度可以保证小于5′, 引入z向偏差最大可以达到0.33 mm, 对应z向漂移速度的测量相对误差为6.4 × 10 −4. 该研究为MPGD与紫外激光标定实验设计提供主要的设计参考.
原子和分子物理学
双磁性中心内嵌富勒烯Y2C2@C82-C2(1)中的超快自旋动力学行为
黄瑞, 李春, 金蔚, GeorgiosLefkidis, WolfgangHübner
2019, 68 (2): 023101. doi: 10.7498/aps.68.20181887
摘要 +
自旋翻转和自旋转移是实现基于内嵌富勒体系自旋逻辑功能器件设计的先决条件. 本文以双磁性中心内嵌富勒烯Y2C2@C82-C2(1)体系为例, 采用第一性原理计算方法, 结合Λ进程理论模型和自编的遗传算法程序, 在该内嵌富勒烯体系中分别实现了亚皮秒时间尺度内的自旋翻转和自旋转移过程. 计算结果表明, 优化后的内嵌Y2C2团簇结构和实验得到的各项数据基本吻合, 并且会对外部的C82-C2(1)笼结构产生一定的排斥力, 但由于富勒烯笼状结构具有很强的稳定性, 所以整个体系仍然保持碳笼结构的完整性. 通过对自旋密度分布与激光脉冲作用下自旋期望值演化的具体分析, 经由Λ进程的自旋翻转是基于两个Y元素的整体自旋翻转; 自旋转移则源自两个磁性中心以及碳笼之间在激光脉冲作用下的自旋密度重新分布. 本文结果揭示了Y2C2@C82-C2(1)体系中的超快自旋动力学机理, 可望为基于实际内嵌富勒烯分子的自旋逻辑功能器件设计提供理论依据.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

封面文章

高效产生任意矢量光场的一种方法
齐淑霞, 刘圣, 李鹏, 韩磊, 程华超, 吴东京, 赵建林
2019, 68 (2): 024201. doi: 10.7498/aps.68.20181816
摘要 +
提出一种高效产生任意矢量光场的方法. 利用两个光束偏移器分别对两个正交线偏振分量进行分束与合束, 将传统激光模式转化为任意矢量光场. 所产生矢量光场的偏振态和相位分布通过相位型空间光调制器(SLM) 加载相应的相位实时调控. 由于光路系统中不涉及任何衍射光学元件和振幅分光元件, 光场转换效率高, 仅取决于SLM的反射率, 并且光路系统结构紧凑、稳定, 同轴性易于调节. 实验结果显示, 采用反射率为79%的相位型SLM产生矢量光场的转换效率可达到58%.
X射线光场成像技术研究
戚俊成, 刘宾, 陈荣昌, 夏正德, 肖体乔
2019, 68 (2): 024202. doi: 10.7498/aps.68.20181555
摘要 +
X射线三维成像技术是目前国内外X射线成像研究领域的一个研究热点. 但针对一些特殊成像目标, 传统X射线计算层析(CT)成像模式易出现投影信息缺失等问题, 影响CT重建的图像质量, 使得CT成像的应用受到一定的限制. 本文主要研究了基于光场成像理论的X射线三维立体成像技术. 首先从同步辐射光源模型出发, 对X射线光场成像进行建模; 然后, 基于光场成像数字重聚焦理论, 对成像目标场在深度方向上进行切片重建. 结果表明: 该方法可以实现对成像目标任一视角下任一深度的内部切片重建, 但是由于光学聚焦过程中的离焦现象, 会引入较为严重的背景噪声. 当对其原始数据进行滤波后, 再进行X射线光场重聚焦, 可以有效消除重建伪影, 提高图像的重建质量. 本研究既有算法理论意义, 又可应用于工业、医疗等较复杂目标的快速检测, 具有较大的应用价值.
分振幅型全Stokes同时偏振成像系统波片相位延迟误差分析
殷玉龙, 孙晓兵, 宋茂新, 陈卫, 陈斐楠
2019, 68 (2): 024203. doi: 10.7498/aps.68.20181553
摘要 +
分振幅型全Stokes同时偏振成像仪具有实时性好、空间分辨率高、精度高等优点, 有很高的应用价值. 分振幅型全Stokes同时偏振成像系统利用偏振分束器、1/2波片和1/4波片将入射光Stokes矢量调制在4幅图像中, 可解析入射光Stokes矢量. 1/2波片和1/4波片的相位延迟误差对Stokes矢量测量精度有着不可忽略的影响. 建立了包含上述两种误差的Stokes矢量测量误差方程, 分析了1/2波片和1/4波片相位延迟耦合误差对自然光、0°/45°线偏光、左旋圆偏光等典型基态入射光的Stokes矢量测量误差的影响, 推导了任意偏振态的Stokes矢量测量误差的表征方法. 在邦加球球面和球内选取不同偏振度的Stokes矢量作为入射光进行仿真. 结果表明, Stokes矢量测量误差和偏振度测量误差均随着入射光偏振度的增大而增大. 选取入射光偏振度为1时的偏振测量精度评估系统. 为满足2%的偏振测量精度, 1/2波片相位延迟误差应在±1.6°内, 1/4波片相位延迟误差应在±0.5°内. 这对提高系统的偏振测量精度具有重要意义, 为系统设计和研制提供了重要的理论指导.
基于数字非线性锁相环的相干态相位估计
徐涵, 陈树新, 吴昊, 陈坤, 洪磊
2019, 68 (2): 024204. doi: 10.7498/aps.68.20181602
摘要 +
基于量子理论获取相位参数的导航机制, 理论上可以突破经典物理极限对导航精度的限制. 利用量子零拍探测对相干态光场相位进行测量时, 通常需要相位与之正交的本振光才能使测量精度达到量子标准极限. 由于导航信号相位的高非线性特点, 想要利用传统的线性锁相环获取完全满足条件的本振光具有一定的难度. 为此, 本文设计了一种基于容积准则的非线性锁相环, 实现了在非正交本振光的条件下对相干态相位进行精确测量的功能. 首先, 利用相干态的Wigner函数推导了其相位在量子零拍探测的输出结果, 设计了量子相位估计的非线性数字锁相环框架. 然后基于正交单纯形容积准则设计了非线性滤波算法实现锁相环功能, 该锁相环通过对本振相位进行多次状态更新, 最终实现非线性迭代估计. 实验结果表明, 本文方法突破了本振光相位需与相干态相位正交的局限性, 避免了传统量子锁相环方法引入的线性化误差, 实现了对相干态相位的准确、稳定估计.
三维浅海下弹性结构声辐射预报的有限元-抛物方程法
钱治文, 商德江, 孙启航, 何元安, 翟京生
2019, 68 (2): 024301. doi: 10.7498/aps.68.20181452
摘要 +
利用多物理场耦合有限元法对结构和流体适应性强、抛物方程声场计算高效准确的特点, 提出了三维浅海波导下弹性结构声振特性研究的有限元-抛物方程法. 该方法采用多物理场耦合有限元理论建立浅海下结构近场声辐射模型, 计算局域波导下结构声振信息, 并提取深度方向上复声压值作为抛物方程初始值; 然后采用隐式差分法求解抛物方程以步进计算结构辐射声场. 重点介绍了该方法对浅海下结构声辐射计算的准确性、高效性以及快速收敛性后, 对Pekeris波导中有限长弹性圆柱壳的声振特性进行了分析. 研究得出, 当圆柱壳靠近海面(海底)时, 其耦合频率比自由场下的要高(低), 当潜深达到一定范围时, 与自由场耦合频率基本趋于一致; 在低频远场, 结构辐射场与同强度点源声场具有一定的等效性, 且等效距离随着频率增加而增加; 由于辐射声场受结构振动模态、几何尺寸和简正波模式影响, 结构辐射场传播的衰减规律按近场声影响区、球面波衰减区、介于球面波和柱面波衰减区、柱面波衰减区四个扩展区依次进行.
表面声道对深海风成噪声垂直空间特性的影响规律
蒋光禹, 孙超, 谢磊, 刘雄厚
2019, 68 (2): 024302. doi: 10.7498/aps.68.20181794
摘要 +
水下风成噪声的垂直空间特性包括噪声垂直方向性和垂直相关性, 研究海洋环境对其影响规律对提升声呐性能、增加海洋环境参数反演的准确性具有重要意义. 本文利用Pekeris割线下的简正波理论描述噪声的传播过程, 研究了深海环境下存在表面声道时, 表面声道以下噪声垂直空间特性的变化规律及其原因. 研究表明, 在临界深度以上, 表面声道的存在导致噪声垂直方向性在水平凹槽边缘靠近海底方向上的峰值升高, 噪声垂直相关性随垂直距离增加先后周期地向正相干和负相干方向偏移; 在临界深度以下, 表面声道的存在导致水平方向上的噪声能量增强, 噪声垂直相关性整体向正相干方向偏移. 当表面声道的参数变化时, 表面声道的厚度变化对噪声垂直空间特性影响较大, 而表面声道内的声速梯度变化对噪声垂直空间特性几乎没有影响. 结合各类简正波的变化分析表明, 存在表面声道时, 噪声源激发的折射简正波阶数增加, 强度增强, 是表面声道引起噪声垂直空间特性变化的主要原因.
基于二维声子晶体的大尺寸夹心式换能器的优化设计
王莎, 林书玉
2019, 68 (2): 024303. doi: 10.7498/aps.68.20181955
摘要 +
夹心式换能器应用极为广泛, 但当其横向尺寸过大时, 存在耦合振动, 影响其辐射面的位移分布. 本文通过在大尺寸夹心式换能器的前盖板中加工周期排列的槽, 来形成一种二维声子晶体结构. 随后, 采用有限元法对基于二维声子晶体的大尺寸夹心式换能器的振动传输特性、共振频率以及发射电压响应进行仿真模拟, 讨论了开槽高度和开槽宽度对其带隙、共振与反共振频率、带宽以及辐射面位移分布的影响. 研究结果表明, 通过在大尺寸夹心式换能器中应用声子晶体结构可对其进行优化设计. 当大尺寸夹心式换能器的工作频率位于其带隙范围内时, 二维声子晶体结构能有效地抑制其横向振动, 从而改善换能器辐射面位移分布的均匀程度. 此外, 在大尺寸夹心式换能器的前盖板中加工二维声子晶体结构, 能有效提升换能器的带宽, 进而拓宽大尺寸夹心式换能器的工作频带.
气体、等离子体和放电物理
基于双程放大的毛细管放电69.8 nm激光增益特性
刘涛, 赵永蓬, 崔怀愈, 刘晓琳
2019, 68 (2): 025201. doi: 10.7498/aps.68.20181617
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建立了类氖氩C线69.8 nm激光的双程放大实验后反射腔结构, 利用45 cm长毛细管作为放电负载得到了其双程放大输出. 在相同初始实验条件下, 分别测量了单程放大输出与双程放大输出的激光脉冲光强、脉冲宽度以及激光束散角. 通过对比单程与双程输出实验结果, 利用双程放大激光光强的计算公式, 分析得到了增益持续时间大于4 ns, 以及增益在毛细管径向上的分布特点. 以上结果为建立谐振腔进行毛细管放电类氖氩激光的多程放大实验奠定了基础.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
一簇金刚石晶格上S 4模型的相变
尹训昌, 刘万芳, 马业万, 孔祥木, 闻军, 章礼华
2019, 68 (2): 026401. doi: 10.7498/aps.68.20181315
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${S^4}$模型的相变, 求得了系统的临界点. 结果表明: 当分支数$m \,= \,2$$m > {\rm{1}}2$时, 该系统只存在一个Gauss不动点${K^ * }\, =\, {b_2}/2$, $u_2^ * \,= \,0$; 当分支数${\rm{3}} \leqslant m \leqslant {\rm{1}}2$时, 该系统不仅有Gauss不动点, 还存在一个Wilson-Fisher不动点, 并且后一个不动点对系统的临界特性产生决定性的影响.">采用重整化群和累积展开的方法, 研究了一簇金刚石晶格上${S^4}$模型的相变, 求得了系统的临界点. 结果表明: 当分支数$m \,= \,2$$m > {\rm{1}}2$时, 该系统只存在一个Gauss不动点${K^ * }\, =\, {b_2}/2$, $u_2^ * \,= \,0$; 当分支数${\rm{3}} \leqslant m \leqslant {\rm{1}}2$时, 该系统不仅有Gauss不动点, 还存在一个Wilson-Fisher不动点, 并且后一个不动点对系统的临界特性产生决定性的影响.
碳纳米管受限空间对共轭高分子聚(9,9-二辛基芴-2,7-二基)链段运动行为的影响
李灵栋, 叶安娜, 周胜林, 张晓华, 杨朝晖
2019, 68 (2): 026402. doi: 10.7498/aps.68.20182008
摘要 +
$\beta $构象的热稳定性, 同时取向排列的碳纳米管对PFO分子链取向排列分布具有明显的诱导作用, 有利于获得高性能的PFO晶体. 这种高密度取向排列的碳纳米管阵列结构未来可以用于制备优良发光性能及高稳定性的PFO光电器件.">在纳米受限空间中, 高分子往往会表现出与本体状态不同的性质, 如异常的链段运动特性及晶相间转变行为等, 这些性质对于研究和开发新型高分子材料具有重要的意义, 因此针对受限环境下高分子的物理化学特性研究也一直是高分子界关注的焦点. 本文通过化学气相沉积法制备垂直取向排列的多壁碳纳米管阵列, 借助溶剂润湿–收缩法获得规整的高密度阵列结构, 其取向排列的碳纳米管间隙形成了准一维的纳米受限空间, 尺寸在5—50 nm尺度下可调. 进一步将共轭高分子聚(9,9-二辛基芴-2,7-二基)(PFO)填充到碳管间隙的纳米空间中, 制备PFO与取向多壁碳纳米管阵列复合膜. 结果发现在碳纳米管形成的纳米受限空间中, PFO的链段热运动行为与本征态PFO薄膜相比受到了明显的抑制, 不同晶型间转变速度大大减缓, 提高了$\beta $构象的热稳定性, 同时取向排列的碳纳米管对PFO分子链取向排列分布具有明显的诱导作用, 有利于获得高性能的PFO晶体. 这种高密度取向排列的碳纳米管阵列结构未来可以用于制备优良发光性能及高稳定性的PFO光电器件.
应力下SmNiO3钙钛矿氧化物薄膜材料的电导与红外光电导
胡海洋, 陈吉堃, 邵飞, 吴勇, 孟康康, 李志鹏, 苗君, 徐晓光, 王嘉鸥, 姜勇
2019, 68 (2): 026701. doi: 10.7498/aps.68.20181513
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稀土镍基钙钛矿氧化物RNiO3(R为稀土元素)可以在温度触发下发生从电子游离态到局域态的金属绝缘体转变, 这一特性在传感器, 数据存储, 调制开关等方面具有可观的应用价值. 本文通过脉冲激光沉积法, 在钛酸锶(SrTiO3)、铝酸镧(LaAlO3)单晶衬底上准外延生长热力学亚稳态镍酸钐(SmNiO3)薄膜材料, 利用薄膜与衬底间晶格失配引入界面应力, 实现对SmNiO3电子轨道结构与金属绝缘体相变温度的调节. 结合电输运性质与红外透射实验的综合表征研究, 论证了双向拉伸应变引起的晶格双向拉伸畸变, 可以引起SmNiO3的禁带宽度的展宽, 从而稳定绝缘体相并提高金属-绝缘相转变温度. 进一步结合近边吸收同步辐射实验表征, 揭示了拉伸应变稳定SmNiO3绝缘体相的本质在于 Ni—O成键轨道在双向拉伸形变作用下的弱化, 使得镍氧八面体中的价电子偏离镍原子从而稳定SmNiO3的低镍价态绝缘体相.
纳米尺度下Si/Ge界面应力释放机制的分子动力学研究
陈仙, 张静, 唐昭焕
2019, 68 (2): 026801. doi: 10.7498/aps.68.20181530
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采用分子动力学方法研究了纳米尺度下硅(Si)基锗(Ge)结构的Si/Ge界面应力分布特征, 以及点缺陷层在应力释放过程中的作用机制. 结果表明: 在纳米尺度下, Si/Ge界面应力分布曲线与Ge尺寸密切相关, 界面应力下降速度与Ge尺寸存在近似的线性递减关系; 同时, 在Si/Ge界面处增加一个富含空位缺陷的缓冲层, 可显著改变Si/Ge界面应力分布, 在此基础上对比分析了点缺陷在纯Ge结构内部引起应力变化与缺陷密度的关系, 缺陷层的引入和缺陷密度的增加可加速界面应力的释放. 参考对Si/Ge界面结构的研究结果, 可在Si基纯Ge薄膜生长过程中引入缺陷层, 并对其结构进行设计, 降低界面应力水平, 进而降低界面处产生位错缺陷的概率, 提高Si基Ge薄膜质量, 这一思想在研究报道的Si基Ge膜低温缓冲层生长方法中初步得到了证实.
锑烯吸附金属Li原子的密度泛函研究
栾晓玮, 孙建平, 王凡嵩, 韦慧兰, 胡艺凡
2019, 68 (2): 026802. doi: 10.7498/aps.68.20181648
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锑烯(antimonene)是继石墨烯和磷烯之后出现的新型二维材料, 在锂离子电池等领域受到关注. 本文基于第一性原理的密度泛函理论, 计算研究了锑烯对Li原子的吸附特性, 包括Li原子的最稳定吸附构型、吸附密度以及吸附Li原子的扩散路径. 结果表明: Li原子最稳定的吸附位置位于谷位, 即底层Sb原子之上、顶层三个Sb原子中心位置, 吸附能为1.69 eV, 吸附距离为2.81 Å; 能带计算发现, 锑烯为带隙宽度1.08 eV的间接带隙半导体, 吸附Li原子后费米能级上升进入导带, 呈现出金属性; 原子分波态密度分析发现, Sb原子的p电子态和Li原子的p和s电子态形成明显的共振交叠, 表现出杂化成键的特征; 随着吸附Li原子数量增加, 锑烯晶格结构和电子结构发生较大变化. 通过微动弹性带方法计算发现, Li原子在锑烯表面的扩散势垒为0.07 eV, 较小的势垒高度有利于快速充放电过程.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
硼或氮掺杂的锯齿型石墨烯纳米带的非共线磁序与电子输运性质
梁锦涛, 颜晓红, 张影, 肖杨
2019, 68 (2): 027101. doi: 10.7498/aps.68.20181754
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基于非共线磁序密度泛函/非平衡格林函数方法, 研究了硼或氮掺杂的锯齿型石墨烯纳米带的非共线磁序与电子透射系数. 未掺杂的石墨烯纳米带的计算结果表明磁化分布主要遵循类似于Neel磁畴壁的螺旋式磁化分布. 相比于未掺杂的情况, 硼/氮掺杂的石墨烯纳米带的磁化分布出现了双区域的特征, 即杂质原子附近的磁化较小, 杂质原子左(右)侧区域的磁化分布更接近于左(右)电极的磁化方向, 这为通过掺杂手段在石墨烯纳米带边缘上构建不同磁畴壁提供了可能性. 与未掺杂的透射系数不同的是, 硼/氮掺杂的石墨烯纳米带的透射系数在费米面附近随着磁化偏转角增大而减小, 表明非共线磁序引起的自旋翻转散射占据主导地位. 而在E = ±0.65 eV处, 出现了一个较宽的dip结构, 投影电子态密度的分析表明其来源于杂质原子形成的束缚态所引起的背散射. 我们的研究结果对于理解石墨烯纳米带中的非共线磁序与杂质散射以及器件设计具有一定的意义.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
带电纳米颗粒与相分离的带电生物膜之间相互作用的分子模拟
梁燚然, 梁清
2019, 68 (2): 028701. doi: 10.7498/aps.68.20181891
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纳米颗粒在纳米医药、细胞成像等领域有着非常广泛的应用, 深入理解纳米颗粒与生物膜之间相互作用的微观机制是纳米颗粒合成与应用的重要基础. 本文采用粗粒化分子动力学模拟的方法研究了带电配体包裹的金纳米颗粒与相分离的带电生物膜之间的相互作用. 结果表明, 通过改变金纳米颗粒表面的配体密度、配体带电种类和比例, 以及膜内带电脂分子的种类, 可以方便地调控纳米颗粒在膜表面或膜内停留的位置和状态. 进一步从自由能的角度分析了带电纳米颗粒与带电生物膜之间相互作用的微观物理机制. 本文对纳米粒子在纳米医药、细胞成像等领域的应用具有一定的理论参考意义.