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磁等离子体发动机在深空探测、载人航天等领域具备广阔的应用前景. 发动机的磁喷管单元将离子能量转化为轴向动能, 对磁喷管中等离子体与磁场分离的物理过程开展研究对提升发动机推进效率具有重要意义. 本文建立了针对磁等离子体发动机中磁喷管的流体数值模型, 并在不同入口离子温度、背景磁场条件下开展了数值模拟. 计算结果表明: 等离子体向下游运动的过程中轴向速度增大, 并与磁力线逐渐分离, 绝热性损失分离机制在分离过程中起主导作用; 入口离子温度升高, 离子轴向速度增大, 离子与磁场分离位置更靠上游, 但不会对阻性分离过程产生影响; 背景磁场增强, 下游离子速度减小, 流线与对称轴的夹角减小, 各种分离机制中绝热性损失分离机制仍起主要作用.
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铁电材料是指在一定温度范围内具有自发极化, 且极化方向能被外加电场改变的材料, 而水是一种普遍存在的极性溶剂. 由于极性作用, 铁电材料与水及水溶液的界面存在着复杂的相互作用. 理解这些物理过程以及机制对于理论研究和实际应用都具有重要意义. 本工作利用同步辐射衍射技术研究了(001)方向极化BaTiO3单晶的表面结构, 并且研究了不同pH值液体对表面结构的影响. 结果表明, BaTiO3单晶含有一个电子密度较小的表面层, 并且由于极性的作用, BaTiO3单晶表面吸附了2.6 nm的水层. 表面滴加纯水后, BaTiO3的表面层结构没有明显的改变. 低温原位掠入射X射线衍射实验表明表面存在冰, 进一步验证表面吸附水层的存在. pH = 1的盐酸溶液也对BaTiO3表面结构没有显著影响, 可能是由于酸性溶液能稳定原有的极化方向. 但pH = 13的NaOH溶液可以使表面层变厚, 可能由于碱性溶液可以使表面极化减弱, 从而改变表面退极化场以及表面层厚度.
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采用分子动力学的方法对纳米液滴撞击高温平板壁面产生的Leidenfrost现象进行了探究, 分析了液滴撞击不同温度壁面对Leidenfrost现象的影响. 结果表明, 随着壁面温度的提升, 液滴蒸发的速度更快, 脱离壁面的时刻越早, 脱离壁面时的速度也越大, 最终悬浮时液滴体积也越大. 通过分析脱离壁面前一时刻液滴内部的密度、温度分布发现, 由于高温壁面具有更高的热通量致使蒸发过程更快进而产生更厚的蒸气层, 该蒸气层将阻碍换热, 使得液滴在壁面温度更高时液滴内部的平均温度越低, 且平均密度越小.
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为了研究光电分解水体系中具有热等离激元效应的Au-TiO2电极的界面热输运特性, 本文采用非平衡分子动力学方法研究了温度、界面耦合强度以及添加石墨烯层对Au-TiO2界面热导的影响, 并通过声子态密度对界面热导的变化进行了分析. 研究结果表明, 当体系温度从300 K增加到800 K时, Au-TiO2界面导热系数增加了78.55%, 这与更多的低频声子参与界面热输运相关, 更多的热量传递到TiO2上可促进界面反应. 随着Au与TiO2界面耦合强度的增大, 界面热导率可通过TiO2和Au的声子态密度的重叠程度得到优化. 添加单层石墨烯可提高Au-TiO2结构的界面热导, 其中0—30 THz的低频区声子对导热贡献最大, 但添加2层和3层石墨烯, 石墨烯层与层之间的相互作用力阻碍了界面传热, 且在低频区的声子数量有所降低, 不利于热量在Au和TiO2进行传递.
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本文先构建由一束弱探测场和一束强控制场磁耦合到金刚石氮空位(NV)色心的能级之间, 从而形成V型三能级NV色心电磁诱导透明(EIT)模型, 随后研究探测场在体系的线性吸收和非线性传播特性. 结果表明, 一旦开启强控制场, 体系就会呈现出EIT窗口, 且透明窗口的宽度随着控制场磁感应强度的增加而变宽. 在非线性情况下, 探测场能形成稳定传播的孤子, 且可通过开启和关闭控制场的磁场实现孤子的存储和读取, 可以有效地克服冷原子介质和量子点介质孤子存取的缺陷. 值得一提的是, 体系所存取孤子的振幅还可以通过控制场的磁感应强度来进行调节.
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开放量子系统是量子物理非常重要的研究领域, 是新兴量子科技发展不可或缺的量子平台. 但是完整描述开放系统的非平衡动力学过程往往具有一定的难度. 例如, 在某些情况下系统在弛豫至稳态之前往往会经历漫长的动力学过程, 即亚稳动力学过程. 完整描述这种复杂而又缓慢的动力学过程往往非常困难. 针对该问题, 本文研究了如何在刘维尔的慢变本征模式子空间中对亚稳动力学过程进行低维度的近似描述, 从而简化计算难度. 然后, 针对电磁感应透明(EIT)条件下的里德堡原子系统, 研究了其亚稳动力学过程的有效描述, 并讨论了该有效描述和真实动力学之间的误差. 本文的研究为建立开放多体系统动力学过程的有效简化描述提供了一种可行的思路和方法.
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可移动量子存储器是实现长距离量子通讯的一种可行方案. 这一方案需要量子存储介质拥有小时量级的存储寿命. 同位素提纯151Eu3+:Y2SiO5晶体是实现这一应用的重要候选材料, 但其较宽的非均匀展宽对其光存储效率和自旋存储寿命都构成了显著限制. 本文自主生长了不同掺杂浓度的同位素提纯151Eu3+:Y2SiO5晶体, 讨论了影响非均匀展宽的机制和未来进一步控制非均匀展宽的方法, 为超长寿命可移动量子存储器的实现奠定了基础.
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本文利用基于光线追踪和对流放大模型的模拟程序PHANTAM, 对神光III原型装置间接驱动相关条件下的大空间尺度受激拉曼散射进行了研究. 模拟结果表明, 在该参数条件下, 真空腔和充气腔中均会发生较强的对流受激拉曼侧向散射过程. 入射光的焦斑大小是影响对流受激拉曼侧向散射的关键因素: 在光强保持不变的条件下, 真空腔和充气腔中受激拉曼侧向散射的对流增益会随焦斑增大而增大, 而在功率保持不变的条件下, 会随焦斑增大而减小. 因此改变焦斑尺寸是调控受激拉曼侧向散射对流增益的有效途径.
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锁模半导体碟片激光器(Semiconductor Disk Laser，SDL）兼具输出功率高与光束质量好的优点，但半导体增益介质ns量级很短的载流子寿命限制了锁模脉冲重复频率的降低，因而在一定程度上限制了锁模脉冲峰值功率的提高。本工作中增益芯片内较浅的量子阱所对应的载流子寿命相对较长，结合特殊设计的较小饱和通量的半导体可饱和吸收镜（Semiconductor Saturable Absorption Mirror，SESAM），获得了低重复频率、高峰值功率的被动锁模SDL。在温度为12℃时，利用六镜谐振腔产生的被动锁模激光脉冲重复频率低至78 MHz，为迄今为止在SESAM锁模SDL中所获得的最低重复频率。锁模SDL的平均输出功率为2.1 W，脉冲宽度为2.08 ps，对应的脉冲的峰值功率12.8 kW，为已有报道最高值的近2倍。
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随着可穿戴电子产品要求提升，无毒的有机钙钛矿铁电体成为潜在候选材料.本工作应用第一性原理计算系统研究了无铅有机钙钛矿A-NH4-(PF6)3(A=MDABCO, CNDABCO, ODABCO, NODABCO, SHDABCO)的电子态密度、自发极化、弹性特性和压电效应.通过分子动力学和结合能计算发现，有机钙钛矿在室温下具有稳定性且预测其在实验上易于合成.对电子态密度研究发现，A-NH4-(PF6)3的价带主要来自F元素的贡献，价带顶和导带底分别来自取代基团中的元素和N元素的贡献，因此有利于电子空穴对的分离.依据Born稳定性判据，有机钙钛矿具有稳定的机械性质.除此之外，A位有机阳离子的取代基团可以改变材料中氢键的数量，对总铁电极化的贡献有着明显影响.最后通过压电性能计算，揭示了有机钙钛矿具有良好的压电效果，该效应源于材料引入的有机阳离子增加的材料的柔性.计算结果为后续实验提供了理论基础.
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壁面渗透气膜是一种有应用前景的高超声速边界层转捩控制和减阻降热方式。在马赫数6高超声速静音风洞内，使用纳米粒子示踪的平面激光散射（nano-tracer planar laser scattering，NPLS）技术和高频脉动压力测试技术，研究了壁面渗透气膜工质（氦气、空气和二氧化碳）在相同体积流量条件下对圆锥高超声速边界层的影响。实验结果表明，壁面渗透气膜显著增厚了边界层，最厚位置都出现在渗透区域下游边界处，且氦气气膜时边界层最薄，二氧化碳气膜时最厚。通常，空气气膜和二氧化碳气膜使得边界层内提前出现规则的绳状交织的第二模态波结构，但体积流量较大条件下二氧化碳气膜时，扰动波结构类似剪切层不稳定性。氦气气膜时，扰动波结构不是第二模态波，其形状不规则，随时空变化较大，壁面脉动压力功率谱密度没有出现峰值频率。空气气膜时第二模态波波长大约是边界层厚度的2~3倍，而二氧化碳气膜时增大到3倍以上。二氧化碳气膜时第二模态波峰值频率最小，频带范围最窄，波长最长，幅值最大，扰动波传播距离较远且非线性相互作用较强。
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提出一种基于共享孔径技术设计低雷达散射截面（Radar Cross Section, RCS）电磁超构表面天线的新方法. 该方法首先设计具有低RCS性能的超构表面，然后借鉴共享孔径技术思想，将超构表面和传统天线的辐射结构直接共享口径紧密排列，得到新型低RCS天线结构，并结合电流分析和局部结构修正，优化天线的辐射性能，最终同时实现天线的良好辐射和宽带低RCS性能. 为了阐明该方法，基于极化旋转机理设计了一款低RCS超构表面，采用共享孔径思想和电流分析，得到了一款宽带低RCS超构表面天线，详细分析了该天线的工作机理与性能. 结果表明：设计的天线在保证较好辐射的同时，实现了超宽带RCS减缩，提出的设计方法摒弃了从天线到低RCS天线的传统设计思路，通过逆向思维，将散射的优化问题转化为辐射的优化问题，不仅实现了天线与超构表面的一体化设计，还显著降低了低RCS天线优化设计的难度，加速了天线优化进程.
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为研究核壳量子点的界面电子结构对聚乙烯绝缘电导与空间电荷特性的影响，分别制备了CdSe@ZnS/LDPE、ZnSe@ZnS/LDPE两种核壳量子点纳米复合绝缘，研究了复合绝缘的直流电导和空间电荷的演变规律，并分析了核壳量子点的界面电子结构对电荷陷阱分布特性的影响机理。研究发现，相比于LDPE绝缘，ZnSe@ZnS/LDPE复合绝缘在高温强场条件下直流电导率可降低47.2%，空间电荷积累量降低了40.3%，且陷阱能级增大，表现出对载流子更强的捕获作用。基于密度泛函理论，计算了核壳量子点与聚乙烯绝缘的能带特征。结果表明，核壳纳米量子点的核层–壳层界面、壳层–绝缘界面的能带偏移导致导带底与价带顶发生突变，分别对电子和空穴具有限域作用，且限域效应随着量子点核层与壳层带隙差异增大而逐渐增强，从而限制高温强场下载流子迁移、抑制空间电荷积聚。
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激光聚变研究中，冲击波调控技术是实现靶丸压缩过程的熵增调谐，保证高性能内爆的关键实验技术．本文在十万焦耳激光装置上首次实现了0.375mm半径小尺度内爆靶丸下双台阶辐射驱动的高精度冲击波调控实验测量．针对小靶丸下VISAR诊断有效反射区域不足的问题，通过建立的球形反射面VISAR图像光强的理论计算方法，创新性地提出了利用 keyhole锥反射效应提升VISAR诊断空间区域的实验技术路线，使得小靶丸尺度下有效 VISAR 数据区域提升了近三倍．在实验中首次获得了整形内爆实验条件下低温液氘靶的冲击波测量实验数据，实现了高精度冲击波调控实验测量．实验发现，小时空尺度内爆设计条件下，由于反射冲击波的作用，激光参数的较小偏差都会对冲击波追赶后的传输行为产生显著影响，揭示了我国当前小靶丸尺度下高性能整形内爆物理过程中冲击波传输的多因素敏感性，以及冲击波调控实验对于内爆设计验证的重要性．本文提出的小靶丸冲击波调控实验技术，不仅为我国十万焦耳激光装置上整形脉冲下熵增调谐实验的开展提供了技术基础，也对基于球汇聚压缩的超高压物理研究具有重要意义．
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本文在AlGaN基深紫外LED（DUV-LEDs）中设计了具有不同周期数的超晶格电子阻挡层（SL-EBL）结构，研究了SL-EBL周期数对DUV-LEDs发光效率、I-V特性、可靠性及有源区载流子复合机制的影响. 研究结果表明：随着SL-EBL的周期数增加，DUV-LEDs的光输出功率（LOP）、外量子效率（EQE）和电光转换效率（WPE）均呈先上升后下降的趋势，同时泄漏电流减小，可靠性提升. 当周期数为7时（厚度为28nm），DUV-LEDs裸芯的EQE和WPE均达到最大值, 在7.5 mA注入电流下分别为3.5%和3.2%. 能带模拟结果证明了增加SL-EBL周期数可以有效地提升电子势垒高度，而几乎不改变空穴势垒高度. 然而，当SL-EBL超过一定厚度时，抑制了空穴向有源区的注入,导致EQE和WPE随SL-EBL周期数变化出现拐点. 研究了SL-EBL周期数对DUV-LEDs载流子复合机制的影响，发现增加SL-EBL周期数可以有效的降低有源区内载流子非辐射复合.
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