2012年 61卷 第6期
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2012, 61(6): 060201.
doi: 10.7498/aps.61.060201
摘要:
为了构造变系数非线性发展方程的无穷序列新精确解, 发掘第一种椭圆辅助方程的构造性和机械化性特点, 获得了该方程的 新类型解和相应的 Bcklund 变换. 在符号计算系统 Mathematica 的帮助下, 以第二类变系数 KdV 方程为应用实例, 构造了三种类型的无穷序列新精确解. 这里包括无穷序列光滑类孤子解、无穷序列尖峰孤立子解和无穷序列紧孤立子解. 这种方法也可以获得其他变系数非线性发展方程的无穷序列新精确解.
为了构造变系数非线性发展方程的无穷序列新精确解, 发掘第一种椭圆辅助方程的构造性和机械化性特点, 获得了该方程的 新类型解和相应的 Bcklund 变换. 在符号计算系统 Mathematica 的帮助下, 以第二类变系数 KdV 方程为应用实例, 构造了三种类型的无穷序列新精确解. 这里包括无穷序列光滑类孤子解、无穷序列尖峰孤立子解和无穷序列紧孤立子解. 这种方法也可以获得其他变系数非线性发展方程的无穷序列新精确解.
2012, 61(6): 060301.
doi: 10.7498/aps.61.060301
摘要:
借助于数值计算方法, 研究了非线性相干态光场与一个二能级原子相互作用过程中原子的布局反转、光子的反聚束效应以及光场振幅平方压缩的时间演化特性, 并讨论了光场参量、原子的初始状态以及非线性相干态Lamb-Dicke参数对该相互作用系统量子特性的影响.
借助于数值计算方法, 研究了非线性相干态光场与一个二能级原子相互作用过程中原子的布局反转、光子的反聚束效应以及光场振幅平方压缩的时间演化特性, 并讨论了光场参量、原子的初始状态以及非线性相干态Lamb-Dicke参数对该相互作用系统量子特性的影响.
2012, 61(6): 060302.
doi: 10.7498/aps.61.060302
摘要:
为提高量子势阱粒子群优化算法的优化能力, 通过分析目前量子势阱粒子群优化算法的设计过程, 提出了改进的量子势阱粒子群优化算法. 首先, 分别基于Delta势阱、谐振子和方势阱提出了改进的量子势阱粒子群优化算法, 并提出了基于统计量均值的控制参数设计方法. 然后, 在势阱中心的设计方面, 为强调全局最优粒子的指导作用, 提出了基于自身最优粒子加权平均和动态随机变量的两种设计策略. 实验结果表明, 三种势阱粒子群优化算法性能比较接近, 都优于原算法, 且Delta势阱模型略优于其他两种.
为提高量子势阱粒子群优化算法的优化能力, 通过分析目前量子势阱粒子群优化算法的设计过程, 提出了改进的量子势阱粒子群优化算法. 首先, 分别基于Delta势阱、谐振子和方势阱提出了改进的量子势阱粒子群优化算法, 并提出了基于统计量均值的控制参数设计方法. 然后, 在势阱中心的设计方面, 为强调全局最优粒子的指导作用, 提出了基于自身最优粒子加权平均和动态随机变量的两种设计策略. 实验结果表明, 三种势阱粒子群优化算法性能比较接近, 都优于原算法, 且Delta势阱模型略优于其他两种.
2012, 61(6): 060303.
doi: 10.7498/aps.61.060303
摘要:
以非线性Rosen-Zener隧穿理论为基础, 用平均场近似的方法, 通过考虑高阶非线性项的影响, 研究了非线性两能级系统中费米超流气体的Rosen-Zener隧穿现象. 研究发现粒子间的非线性相互作用能够显著地影响量子隧穿. 分别在快扫描极限和绝热极限的条件下, 解释了Rosen-Zener隧穿现象, 并给出了矩形振荡周期与非线性参数之间的依赖关系. 这为更深入认识费米气体的基本属性提供了理论基础.
以非线性Rosen-Zener隧穿理论为基础, 用平均场近似的方法, 通过考虑高阶非线性项的影响, 研究了非线性两能级系统中费米超流气体的Rosen-Zener隧穿现象. 研究发现粒子间的非线性相互作用能够显著地影响量子隧穿. 分别在快扫描极限和绝热极限的条件下, 解释了Rosen-Zener隧穿现象, 并给出了矩形振荡周期与非线性参数之间的依赖关系. 这为更深入认识费米气体的基本属性提供了理论基础.
2012, 61(6): 060501.
doi: 10.7498/aps.61.060501
摘要:
考虑了由货物自重引起高架索静态构型的分段特性、高架索的倾斜角以及发送端水平运动等多种因素的影响, 建立了海上航行干货补给高架索系统面内振动的三自由度分段动力学模型. 将惯性项解耦后, 得到了1:2内共振与主共振同时作用时的常微分方程, 并利用多尺度法对其进行了摄动分析和数值分析, 为后续开展相关的非线性动力学研究奠定了一定的理论基础.
考虑了由货物自重引起高架索静态构型的分段特性、高架索的倾斜角以及发送端水平运动等多种因素的影响, 建立了海上航行干货补给高架索系统面内振动的三自由度分段动力学模型. 将惯性项解耦后, 得到了1:2内共振与主共振同时作用时的常微分方程, 并利用多尺度法对其进行了摄动分析和数值分析, 为后续开展相关的非线性动力学研究奠定了一定的理论基础.
2012, 61(6): 060502.
doi: 10.7498/aps.61.060502
摘要:
广义信息域是所有可表示为二进制编码的数字信息构成的空间. 本文提出一种基于广义信息域离散轨迹变换的随机数生成器. 该生成器将广义信息域作为熵源空间, 把用户选择的数字信息作为熵源输出, 在对熵源输出进行重构处理的基础上使用离散轨迹变换方法生成随机数. 本文提出的生成器在平衡度、周期和抗碰撞等性能上均表现优良, 并通过美国国家标准技术研究院 测试证明其具有理想的随机性, 可以供用户快速方便地生成高安全随机数.
广义信息域是所有可表示为二进制编码的数字信息构成的空间. 本文提出一种基于广义信息域离散轨迹变换的随机数生成器. 该生成器将广义信息域作为熵源空间, 把用户选择的数字信息作为熵源输出, 在对熵源输出进行重构处理的基础上使用离散轨迹变换方法生成随机数. 本文提出的生成器在平衡度、周期和抗碰撞等性能上均表现优良, 并通过美国国家标准技术研究院 测试证明其具有理想的随机性, 可以供用户快速方便地生成高安全随机数.
2012, 61(6): 060503.
doi: 10.7498/aps.61.060503
摘要:
提出了一种基于最大Lyapunov指数不变性的计算混沌时间序列噪声水平的新方法. 首先分析了噪声对相空间中两点距离的影响, 然后基于最大Lyapunov指数在不同维数的嵌入相空间不变的性质, 建立了估计噪声水平的方法. 仿真计算结果表明, 当噪声水平小于10% 时, 估计值与真实值符合良好. 该方法对噪声分布类型不敏感, 是一种有效的混沌时间序列噪声估计方法.
提出了一种基于最大Lyapunov指数不变性的计算混沌时间序列噪声水平的新方法. 首先分析了噪声对相空间中两点距离的影响, 然后基于最大Lyapunov指数在不同维数的嵌入相空间不变的性质, 建立了估计噪声水平的方法. 仿真计算结果表明, 当噪声水平小于10% 时, 估计值与真实值符合良好. 该方法对噪声分布类型不敏感, 是一种有效的混沌时间序列噪声估计方法.
2012, 61(6): 060504.
doi: 10.7498/aps.61.060504
摘要:
探讨了具有分段线性特性的广义BVP电路系统随参数变化的复杂动力学演化过程. 其非光滑分界面将相空间划分成不同的区域, 分析了各区域中平衡点的稳定性, 得到其相应的简单分岔和Hopf分岔的临界条件. 给出了不同分界面处广义Jacobian矩阵特征值随辅助参数变化的分布情况, 讨论了分界面处系统可能存在的分岔行为, 指出当广义特征值穿越虚轴时可能引起Hopf分岔, 导致系统由周期振荡转变为概周期振荡, 而当出现零特征值时则导致系统的振荡在不同平衡点之间转换. 针对系统的两种典型振荡行为, 结合数值模拟验证了理论分析的结果.
探讨了具有分段线性特性的广义BVP电路系统随参数变化的复杂动力学演化过程. 其非光滑分界面将相空间划分成不同的区域, 分析了各区域中平衡点的稳定性, 得到其相应的简单分岔和Hopf分岔的临界条件. 给出了不同分界面处广义Jacobian矩阵特征值随辅助参数变化的分布情况, 讨论了分界面处系统可能存在的分岔行为, 指出当广义特征值穿越虚轴时可能引起Hopf分岔, 导致系统由周期振荡转变为概周期振荡, 而当出现零特征值时则导致系统的振荡在不同平衡点之间转换. 针对系统的两种典型振荡行为, 结合数值模拟验证了理论分析的结果.
2012, 61(6): 060505.
doi: 10.7498/aps.61.060505
摘要:
提出了一个新的简单的双曲型三维自治混沌系统,该三维混沌系统只含有五项, 并且其非线性特征主要依赖于一个非线性二次双曲正弦项和一个非线性二次交叉项. 较已有的三维混沌系统而言, 不仅系统的项要少一些, 而且在参数变化时, 呈现混沌的参数范围也很大. 对系统的一些基本动力学特性进行了数值模拟和理论分析. 同时, 还研究了具有完全不确定参数的该五项双曲型混沌系统的投影同步. 基于Lyapunov指数稳定性理论和Barbalat引理, 设计了一个新的具有参数自适应律的自适应同步控制器, 利用该控制器分别实现了两个结构相同和相异混沌系统的渐进性和全局性投影同步. 数值模拟验证了该方法的有效性和可行性.
提出了一个新的简单的双曲型三维自治混沌系统,该三维混沌系统只含有五项, 并且其非线性特征主要依赖于一个非线性二次双曲正弦项和一个非线性二次交叉项. 较已有的三维混沌系统而言, 不仅系统的项要少一些, 而且在参数变化时, 呈现混沌的参数范围也很大. 对系统的一些基本动力学特性进行了数值模拟和理论分析. 同时, 还研究了具有完全不确定参数的该五项双曲型混沌系统的投影同步. 基于Lyapunov指数稳定性理论和Barbalat引理, 设计了一个新的具有参数自适应律的自适应同步控制器, 利用该控制器分别实现了两个结构相同和相异混沌系统的渐进性和全局性投影同步. 数值模拟验证了该方法的有效性和可行性.
2012, 61(6): 060506.
doi: 10.7498/aps.61.060506
摘要:
针对永磁同步风力发电系统的混沌运动现象, 提出了基于系统Hamilton模型的H控制方案, 使得系统脱离混沌, 运行稳定. 首先将永磁同步风力发电系统模型经过一系列状态变换, 转化为类Lorenz经典数学模型, 并验证了系统在一定参数区域内存在混沌现象. 随后基于Hamilton系统充分利用系统物理结构和无需补偿无功力的优点, 建立了混沌系统的Hamilton模型, 并考虑了系统存在外扰情况下的H控制方法. 本文所设计的控制器不仅简单易实现而且反映了系统内部结构以及动态特性的信息. 仿真实验证明了控制器的有效性.
针对永磁同步风力发电系统的混沌运动现象, 提出了基于系统Hamilton模型的H控制方案, 使得系统脱离混沌, 运行稳定. 首先将永磁同步风力发电系统模型经过一系列状态变换, 转化为类Lorenz经典数学模型, 并验证了系统在一定参数区域内存在混沌现象. 随后基于Hamilton系统充分利用系统物理结构和无需补偿无功力的优点, 建立了混沌系统的Hamilton模型, 并考虑了系统存在外扰情况下的H控制方法. 本文所设计的控制器不仅简单易实现而且反映了系统内部结构以及动态特性的信息. 仿真实验证明了控制器的有效性.
2012, 61(6): 060507.
doi: 10.7498/aps.61.060507
摘要:
研究了参量未知的时空混沌系统构成复杂网络的同步与参量辨识问题. 设计的参量辨识律可以有效地辨识复杂网络中所有节点时空混沌系统中的未知参量. 基于稳定性定理, 通过构造适当的Lyapunov函数, 确定了网络完全同步的条件. 以参量未知的一维复Ginzburg-Landau方程作为网络节点为例, 通过仿真模拟检验了参量辨识律以及同步方法的有效性.
研究了参量未知的时空混沌系统构成复杂网络的同步与参量辨识问题. 设计的参量辨识律可以有效地辨识复杂网络中所有节点时空混沌系统中的未知参量. 基于稳定性定理, 通过构造适当的Lyapunov函数, 确定了网络完全同步的条件. 以参量未知的一维复Ginzburg-Landau方程作为网络节点为例, 通过仿真模拟检验了参量辨识律以及同步方法的有效性.
2012, 61(6): 060508.
doi: 10.7498/aps.61.060508
摘要:
基于Lyapunov稳定性理论、最优控制原理以及分步设计方法, 为神经元系统设计了非线性反馈控制器和最优控制器. 其中非线性反馈控制器能使得两个神经元系统之间的轨道误差趋于零, 最优控制器使得在同步过程中所花费的能量达到最低. 本文以Cable模型为例, 实现了两个神经元模型的全阶最优同步; 以Cable 模型和Hindmarsh-Rose (HR)模型为例, 实现了两个神经元模型的降阶最优同步; 同时, 均能有效地辨识出系统参数. 最后通过数值模拟进一步验证了本方案的有效性.
基于Lyapunov稳定性理论、最优控制原理以及分步设计方法, 为神经元系统设计了非线性反馈控制器和最优控制器. 其中非线性反馈控制器能使得两个神经元系统之间的轨道误差趋于零, 最优控制器使得在同步过程中所花费的能量达到最低. 本文以Cable模型为例, 实现了两个神经元模型的全阶最优同步; 以Cable 模型和Hindmarsh-Rose (HR)模型为例, 实现了两个神经元模型的降阶最优同步; 同时, 均能有效地辨识出系统参数. 最后通过数值模拟进一步验证了本方案的有效性.
2012, 61(6): 060509.
doi: 10.7498/aps.61.060509
摘要:
基于介质阻挡与准直流电弧放电的物理过程, 分析了它们的气动激励机理, 建立了各自的气动激励模型, 并分别研究了它们对低速和超声速流动的激励效果. 结果显示: 介质挡板放电等离子体气动激励机理是改变了连续流体中的三种力, 即由牛顿内摩擦引起的剪切应力、由电动力学引起的体积力及由压力突变引起的冲击力, 其中基于电动力学的体积力效应占主导地位; 临近空间环境中体积力的作用效果更强, 诱导速度更大; 超声速来流下准直流电弧放电气动激励机理主要是等离子体的热阻塞效应, 本文所建立的爆炸丝传热模型可以用于仿真其控制激波的过程; 热电弧对于超声速来流而言就像一个具有一定斜坡角度的虚拟突起, 可用于高超声速飞行器前体激波的控制.
基于介质阻挡与准直流电弧放电的物理过程, 分析了它们的气动激励机理, 建立了各自的气动激励模型, 并分别研究了它们对低速和超声速流动的激励效果. 结果显示: 介质挡板放电等离子体气动激励机理是改变了连续流体中的三种力, 即由牛顿内摩擦引起的剪切应力、由电动力学引起的体积力及由压力突变引起的冲击力, 其中基于电动力学的体积力效应占主导地位; 临近空间环境中体积力的作用效果更强, 诱导速度更大; 超声速来流下准直流电弧放电气动激励机理主要是等离子体的热阻塞效应, 本文所建立的爆炸丝传热模型可以用于仿真其控制激波的过程; 热电弧对于超声速来流而言就像一个具有一定斜坡角度的虚拟突起, 可用于高超声速飞行器前体激波的控制.
2012, 61(6): 060701.
doi: 10.7498/aps.61.060701
摘要:
疲劳驾驶是造成交通事故的重要原因. 通过机器视觉技术对眼睛动作和视线转移特征的分析可实现驾驶人疲劳状态的有效估计. 然而, 实际行车环境中光照条件的随机、快速变化以及驾驶人面部姿态的不确定性使得眼睛区域的鲁棒性定位变得异常困难. 为此, 本文引入基于点分布模型的主动形状模型(ASM)算法并针对其在实际行车环境中存在的问题提出了三点改进. 首先, 建立了基于自商图的局部纹理模型以克服光照变化的影响; 其次, 充分利用面部局部区域良好的聚类性, 建立了层叠式全局形状模型, 以适应驾驶人姿态的大角度偏转; 再次, 在行车过程中, 通过对驾驶人面部形状的在线学习实现模型参数分布特征的获取, 为ASM算法的配准提供了更加紧致的约束. 实验结果显示, 本文算法对光照和姿态变化具有较强的鲁棒性, 在驾驶人面部器官不发生自遮挡的情况下可实现眼睛区域的高精度配准.
疲劳驾驶是造成交通事故的重要原因. 通过机器视觉技术对眼睛动作和视线转移特征的分析可实现驾驶人疲劳状态的有效估计. 然而, 实际行车环境中光照条件的随机、快速变化以及驾驶人面部姿态的不确定性使得眼睛区域的鲁棒性定位变得异常困难. 为此, 本文引入基于点分布模型的主动形状模型(ASM)算法并针对其在实际行车环境中存在的问题提出了三点改进. 首先, 建立了基于自商图的局部纹理模型以克服光照变化的影响; 其次, 充分利用面部局部区域良好的聚类性, 建立了层叠式全局形状模型, 以适应驾驶人姿态的大角度偏转; 再次, 在行车过程中, 通过对驾驶人面部形状的在线学习实现模型参数分布特征的获取, 为ASM算法的配准提供了更加紧致的约束. 实验结果显示, 本文算法对光照和姿态变化具有较强的鲁棒性, 在驾驶人面部器官不发生自遮挡的情况下可实现眼睛区域的高精度配准.
2012, 61(6): 060702.
doi: 10.7498/aps.61.060702
摘要:
基于氙灯的非相干宽带腔增强吸收光谱系统, 并将其应用于痕量气体及气溶胶消光系数的测量. 该系统的探测灵敏度通过测量NO2在520560 nm波长范围内的吸收得到验证, 最小可探测灵敏度为1.8 10-7cm-1 (1, 0.12 s积分时间, 50次平均), 对应的NO2探测极限～33 nmol/mol. 结合标准气溶胶粒子发生系统, 测量了不同浓度的单分散硫酸铵气溶胶粒子在532 nm波长处的消光系数, 得到粒径为600 nm的硫酸铵气溶胶的消光截面为1.12 10-8cm2, 与文献报道值1.167 10-8cm2相一致, 验证了气溶胶测量的可行性和准确性.
基于氙灯的非相干宽带腔增强吸收光谱系统, 并将其应用于痕量气体及气溶胶消光系数的测量. 该系统的探测灵敏度通过测量NO2在520560 nm波长范围内的吸收得到验证, 最小可探测灵敏度为1.8 10-7cm-1 (1, 0.12 s积分时间, 50次平均), 对应的NO2探测极限～33 nmol/mol. 结合标准气溶胶粒子发生系统, 测量了不同浓度的单分散硫酸铵气溶胶粒子在532 nm波长处的消光系数, 得到粒径为600 nm的硫酸铵气溶胶的消光截面为1.12 10-8cm2, 与文献报道值1.167 10-8cm2相一致, 验证了气溶胶测量的可行性和准确性.
2012, 61(6): 060703.
doi: 10.7498/aps.61.060703
摘要:
用斜入射光反射差法无标记实时监测1.25 mg/mL, 2.50 mg/mL和5.00 mg/mL三种不同浓度兔IgG和浓度为0.02 mg/mL山羊抗兔IgG反应的动态过程, 同时监测和获得三种不同浓度IgG反应的动力学曲线以及相应的反应时间. 实验结果表明, 斜入射光反射差法不仅能无标记地判别生物分子之间是否发生反应, 而且能无标记实时监测生物分子反应的动力学过程, 在生物分子相互作用的研究方面具有潜在和广泛的应用前景.
用斜入射光反射差法无标记实时监测1.25 mg/mL, 2.50 mg/mL和5.00 mg/mL三种不同浓度兔IgG和浓度为0.02 mg/mL山羊抗兔IgG反应的动态过程, 同时监测和获得三种不同浓度IgG反应的动力学曲线以及相应的反应时间. 实验结果表明, 斜入射光反射差法不仅能无标记地判别生物分子之间是否发生反应, 而且能无标记实时监测生物分子反应的动力学过程, 在生物分子相互作用的研究方面具有潜在和广泛的应用前景.
2012, 61(6): 062801.
doi: 10.7498/aps.61.062801
摘要:
通过分子动力学方法模拟了在常温常压下(1 atm, 298 K)和在压水堆环境下(155 atm, 626 K), 水分子数为256, 氢分子数为0, 25, 50, 75和100等不同数目时, 粒子系统的动力学性质和微观结构, 分析了不同氢气对水中溶解氧的影响. 从模拟结果可知, 在常温常压和压水堆环境下, 当氢粒子数分别为0, 25, 50, 75和100时, 粒子系统的均方位移会随氢分子数增加而增加, 并且常温常压下的增长幅度远小于压水堆环境下的增长幅度, 如压水堆环境下氢分子数为75时系统的均方位移约是常温常压下氢分子数为75时系统的均方位移的6.02倍, 比压水堆环境下氢分子数0时系统的均方位移增加了131.88%. 此外, 粒子系统的微观结构, 从径向分布函数看, 在常温常压下随着氢分子数目的增加而小幅度增加, 这与常温常压下因氢气溶解在水中增大了氧离子周围的粒子密度相符合. 而在压水堆环境下, 氢分子数为75, 50, 25与为0时的水比较, 其径向分布均不会有太大的变化, 而分子数为100时会出现明显增加, 与为0时的水比较其径向分布增加了22.00%. 模拟结果表明, 往压水堆中的水加入氢气能明显地抑制水中的溶解氧.
通过分子动力学方法模拟了在常温常压下(1 atm, 298 K)和在压水堆环境下(155 atm, 626 K), 水分子数为256, 氢分子数为0, 25, 50, 75和100等不同数目时, 粒子系统的动力学性质和微观结构, 分析了不同氢气对水中溶解氧的影响. 从模拟结果可知, 在常温常压和压水堆环境下, 当氢粒子数分别为0, 25, 50, 75和100时, 粒子系统的均方位移会随氢分子数增加而增加, 并且常温常压下的增长幅度远小于压水堆环境下的增长幅度, 如压水堆环境下氢分子数为75时系统的均方位移约是常温常压下氢分子数为75时系统的均方位移的6.02倍, 比压水堆环境下氢分子数0时系统的均方位移增加了131.88%. 此外, 粒子系统的微观结构, 从径向分布函数看, 在常温常压下随着氢分子数目的增加而小幅度增加, 这与常温常压下因氢气溶解在水中增大了氧离子周围的粒子密度相符合. 而在压水堆环境下, 氢分子数为75, 50, 25与为0时的水比较, 其径向分布均不会有太大的变化, 而分子数为100时会出现明显增加, 与为0时的水比较其径向分布增加了22.00%. 模拟结果表明, 往压水堆中的水加入氢气能明显地抑制水中的溶解氧.
2012, 61(6): 062802.
doi: 10.7498/aps.61.062802
摘要:
研究了红外光辐射诱导氘氘(DD)固体空间分布变化的内在机理, 探讨了红外光波长和辐射时间对固体冰层空间分布变化和结构的影响. 研究表明: 在特定波长红外光的辐射加热作用下, DD固体冰层的结构呈现出由多晶向单晶变化的趋势, 其空间分布变得均匀、透明. 有效的红外光加热波长为3140 nm, 在其输出功率为100 upW时, DD固体的再分布时间约为18 min.
研究了红外光辐射诱导氘氘(DD)固体空间分布变化的内在机理, 探讨了红外光波长和辐射时间对固体冰层空间分布变化和结构的影响. 研究表明: 在特定波长红外光的辐射加热作用下, DD固体冰层的结构呈现出由多晶向单晶变化的趋势, 其空间分布变得均匀、透明. 有效的红外光加热波长为3140 nm, 在其输出功率为100 upW时, DD固体的再分布时间约为18 min.
2012, 61(6): 063101.
doi: 10.7498/aps.61.063101
摘要:
利用第一性原理研究了微锗掺杂直拉单晶硅中的锗和微缺陷的相互作用, 其中微缺陷用一个空位、两个空位和三个空位模拟. CASTEP计算了锗与一个空位、两个空位和三个空位相互作用的情况, 通过分析三种情况下锗与空位(或空位组中心)的间距及空位面积(或体积)的大小, 分别给出了三种情况下最稳定的锗-空位复合体结构模型. 计算表明在微锗掺杂硅单晶中由于锗的引入, 空位容易团聚在锗原子附近, 形成锗-空位复合体.
利用第一性原理研究了微锗掺杂直拉单晶硅中的锗和微缺陷的相互作用, 其中微缺陷用一个空位、两个空位和三个空位模拟. CASTEP计算了锗与一个空位、两个空位和三个空位相互作用的情况, 通过分析三种情况下锗与空位(或空位组中心)的间距及空位面积(或体积)的大小, 分别给出了三种情况下最稳定的锗-空位复合体结构模型. 计算表明在微锗掺杂硅单晶中由于锗的引入, 空位容易团聚在锗原子附近, 形成锗-空位复合体.
2012, 61(6): 063102.
doi: 10.7498/aps.61.063102
摘要:
电荷传输是有机电子材料的重要性质. 根据Marcus理论模型, 电荷传输为电子-电子相互作用和电子-声子相互作用过程, 电子-声子相互作用耦合强度越大, 重组能越大, 不利于电荷传输. 电子-电子相互作用耦合强度越大, 电荷传输矩阵元越大, 有利于电荷传输. 对含1, 2, 4-三唑、1, 2, 3-三唑和1, 2, 3-三氮-2, 3环戊烯边链的苯并菲衍生物分子的电荷传输性质进行理论研究. 结果表明, 含1, 2, 3-三唑的苯并菲衍生物分子的空穴传输速率和电子传输速率相当, 速率常数为21012s-1. 含1, 2, 4-三唑的苯并菲衍生物分子的空穴传输速率常数为51012s-1, 约为电子传输速率常数的10倍. 含1, 2, 3-三氮-2, 3环戊烯的苯并菲衍生物分子的电子传输速率常数为31012s-1, 约为空穴传输速率常数的10倍. 目标分子的空穴传输或电子传输速率主要受传输矩阵元的影响, 即电子-电子相互作用耦合强度的大小决定传输速率的变化.
电荷传输是有机电子材料的重要性质. 根据Marcus理论模型, 电荷传输为电子-电子相互作用和电子-声子相互作用过程, 电子-声子相互作用耦合强度越大, 重组能越大, 不利于电荷传输. 电子-电子相互作用耦合强度越大, 电荷传输矩阵元越大, 有利于电荷传输. 对含1, 2, 4-三唑、1, 2, 3-三唑和1, 2, 3-三氮-2, 3环戊烯边链的苯并菲衍生物分子的电荷传输性质进行理论研究. 结果表明, 含1, 2, 3-三唑的苯并菲衍生物分子的空穴传输速率和电子传输速率相当, 速率常数为21012s-1. 含1, 2, 4-三唑的苯并菲衍生物分子的空穴传输速率常数为51012s-1, 约为电子传输速率常数的10倍. 含1, 2, 3-三氮-2, 3环戊烯的苯并菲衍生物分子的电子传输速率常数为31012s-1, 约为空穴传输速率常数的10倍. 目标分子的空穴传输或电子传输速率主要受传输矩阵元的影响, 即电子-电子相互作用耦合强度的大小决定传输速率的变化.
2012, 61(6): 063103.
doi: 10.7498/aps.61.063103
摘要:
ZnO纳米线作为新型太阳能电池结构的重要组成部件之一, 其导电能力直接影响到太阳能电池的性能. 采用密度泛函理论平面波超软赝势方法, 计算并分析了C2H6O(乙醇)、C6H5FS(4-氟苯硫酚)、C7HF7S(4-(三氟甲基L)-2, 3, 5, 6-四氟硫代苯酚) 等小分子吸附的六边形结构0001 ZNWs (ZnO 纳米线) 的几何结构、 吸附能和电子结构. 首先, 通过几何优化得到了不同基团吸附的ZNWs的稳定结构, 同时吸附能计算结果表明C7HF7S吸附的体系结构最为稳定, 且吸附呈现放热反应; 其次, 为研究表面敏化对导电性能的影响, 计算了不同小分子基团吸附下的能带结构和态密度, 并利用能带理论分析了表面吸附敏化对禁带宽度的调控机理, 结果分析表明小分子表面吸附敏化对ZNWs的电学性能有一定的影响, 其中C7H7FS和C6H5FS分子均发生了不同程度的电荷转移.
ZnO纳米线作为新型太阳能电池结构的重要组成部件之一, 其导电能力直接影响到太阳能电池的性能. 采用密度泛函理论平面波超软赝势方法, 计算并分析了C2H6O(乙醇)、C6H5FS(4-氟苯硫酚)、C7HF7S(4-(三氟甲基L)-2, 3, 5, 6-四氟硫代苯酚) 等小分子吸附的六边形结构0001 ZNWs (ZnO 纳米线) 的几何结构、 吸附能和电子结构. 首先, 通过几何优化得到了不同基团吸附的ZNWs的稳定结构, 同时吸附能计算结果表明C7HF7S吸附的体系结构最为稳定, 且吸附呈现放热反应; 其次, 为研究表面敏化对导电性能的影响, 计算了不同小分子基团吸附下的能带结构和态密度, 并利用能带理论分析了表面吸附敏化对禁带宽度的调控机理, 结果分析表明小分子表面吸附敏化对ZNWs的电学性能有一定的影响, 其中C7H7FS和C6H5FS分子均发生了不同程度的电荷转移.
2012, 61(6): 063104.
doi: 10.7498/aps.61.063104
摘要:
采用内收缩多参考组态相互作用(MRCI)方法和包含Davidson修正(+Q) 的MRCI方法结合相关一致基aug-cc-pV5Z研究了PH (X3-, a1和A3)分子的势能曲线. 在同位素质量识别的基础上对势能曲线进行拟合, 得到PH, PD和PT分子各个电子态的光谱常数(Te, Re, e, exe, e和 Be). 通过与已有实验数据的比较发现, 本文的结果与实验结果非常一致. 对于PH, PD和PT分子的-电子态, 计算得到了J = 0时的前12个振动态. 对于每一个振动态, 还分别计算了它的振动能级、惯性转动常数和离心畸变常数. 与其他理论结果和实验数据进行比较可知, 本文的结果更精确、更完整. 文中PD和PT分子的光谱常数和分子常数均属首次报导.
采用内收缩多参考组态相互作用(MRCI)方法和包含Davidson修正(+Q) 的MRCI方法结合相关一致基aug-cc-pV5Z研究了PH (X3-, a1和A3)分子的势能曲线. 在同位素质量识别的基础上对势能曲线进行拟合, 得到PH, PD和PT分子各个电子态的光谱常数(Te, Re, e, exe, e和 Be). 通过与已有实验数据的比较发现, 本文的结果与实验结果非常一致. 对于PH, PD和PT分子的-电子态, 计算得到了J = 0时的前12个振动态. 对于每一个振动态, 还分别计算了它的振动能级、惯性转动常数和离心畸变常数. 与其他理论结果和实验数据进行比较可知, 本文的结果更精确、更完整. 文中PD和PT分子的光谱常数和分子常数均属首次报导.
2012, 61(6): 063201.
doi: 10.7498/aps.61.063201
摘要:
探测了动能为1.07.0 MeV的129Xe30+ 入射Au表面产生的X射线谱. 实验结果表明, 入射离子动能较高时, 不仅激发出很强的Au的M-X射线, 还激发出了Xe的L-X射线, 且X射线产额与入射离子动能有强相关性. 分析了X射线产额与入射离子动能的关系.
探测了动能为1.07.0 MeV的129Xe30+ 入射Au表面产生的X射线谱. 实验结果表明, 入射离子动能较高时, 不仅激发出很强的Au的M-X射线, 还激发出了Xe的L-X射线, 且X射线产额与入射离子动能有强相关性. 分析了X射线产额与入射离子动能的关系.
2012, 61(6): 063202.
doi: 10.7498/aps.61.063202
摘要:
利用闭合轨道理论, 研究了变化的磁场和不同电介质表面对氢负离子光剥离截面的影响, 并推导出了该体系下的光剥离截面公式. 结果发现, 氢负离子的光剥离截面不仅与磁场的强度有关, 而且还与电介质常数有关. 当氢负离子到电介质表面的距离和电介质常数一定时, 体系的光剥离截面中的振荡随磁场的变化而明显变化. 随着磁场强度的 增大, 体系的闭合轨道数目增多, 光剥离截面的振荡越来越复杂. 当氢负离子到电介质表面的距离和磁场强度一定时, 电介质常数的变化对光剥离截面的影响也很重要, 随着电介质常数的增大, 体系的闭合轨道数目增多, 光剥离截面的振荡也变得越来越复杂. 因此, 可以通过改变磁场强度和电解质常数来调整负离子的光剥离截面. 此结果对于研究负离子体系在表面附近和外场中的光剥离问题具有一定的参考价值.
利用闭合轨道理论, 研究了变化的磁场和不同电介质表面对氢负离子光剥离截面的影响, 并推导出了该体系下的光剥离截面公式. 结果发现, 氢负离子的光剥离截面不仅与磁场的强度有关, 而且还与电介质常数有关. 当氢负离子到电介质表面的距离和电介质常数一定时, 体系的光剥离截面中的振荡随磁场的变化而明显变化. 随着磁场强度的 增大, 体系的闭合轨道数目增多, 光剥离截面的振荡越来越复杂. 当氢负离子到电介质表面的距离和磁场强度一定时, 电介质常数的变化对光剥离截面的影响也很重要, 随着电介质常数的增大, 体系的闭合轨道数目增多, 光剥离截面的振荡也变得越来越复杂. 因此, 可以通过改变磁场强度和电解质常数来调整负离子的光剥离截面. 此结果对于研究负离子体系在表面附近和外场中的光剥离问题具有一定的参考价值.
2012, 61(6): 063203.
doi: 10.7498/aps.61.063203
摘要:
论文主要从微观角度研究摩擦热产生的机理及摩擦热对摩擦性能的影响. 依据固体物理学中原子热振动理论, 以界面摩擦为研究对象, 从分析界面原子的受迫振动出发, 得出界面摩擦过程中原子的振动实际上是自激振动和受迫振动的叠加, 界面原子在非平衡状态下的热振动将导致声子的激发和湮灭, 进而导致摩擦热的产生, 摩擦界面的温度升高. 然后, 从温度对界面原子能级分布和跃迁的影响角度探讨了热激发效应对界面摩擦的影响, 分析得出如下结论: 温度低时, 界面原子处在激发态的概率随着温度的升高而增加, 导致摩擦系数随温度增加而增加; 温度在100 K附近界面原子处在激发态的概率出现峰值, 导致摩擦系数出现峰值; 当温度高于临界值后, 摩擦系数随温度的升高反而会降低. 最后将本文的理论分析的结果与他人的实验结果对比, 显示两者的趋势一致, 表明本文提出的理论和方法可行.
论文主要从微观角度研究摩擦热产生的机理及摩擦热对摩擦性能的影响. 依据固体物理学中原子热振动理论, 以界面摩擦为研究对象, 从分析界面原子的受迫振动出发, 得出界面摩擦过程中原子的振动实际上是自激振动和受迫振动的叠加, 界面原子在非平衡状态下的热振动将导致声子的激发和湮灭, 进而导致摩擦热的产生, 摩擦界面的温度升高. 然后, 从温度对界面原子能级分布和跃迁的影响角度探讨了热激发效应对界面摩擦的影响, 分析得出如下结论: 温度低时, 界面原子处在激发态的概率随着温度的升高而增加, 导致摩擦系数随温度增加而增加; 温度在100 K附近界面原子处在激发态的概率出现峰值, 导致摩擦系数出现峰值; 当温度高于临界值后, 摩擦系数随温度的升高反而会降低. 最后将本文的理论分析的结果与他人的实验结果对比, 显示两者的趋势一致, 表明本文提出的理论和方法可行.
2012, 61(6): 063301.
doi: 10.7498/aps.61.063301
摘要:
提出了一种新方法, 精确确定了稀土Eu原子第一电离阈的位置. 先用脉冲电场对Eu原子的高激发Rydberg态进行延时场电离探测, 再通过反向静电场排除光电离和自电离等其他路径所产生的离子信号的干扰, 观察并研究了Eu原子第一电离阈随着电场移动的规律. 由此所确定的零场下第一电离阈的数值与采用其他方法所确定的文献值[1, 2]相一致, 从而验证了该方法的可靠性.
提出了一种新方法, 精确确定了稀土Eu原子第一电离阈的位置. 先用脉冲电场对Eu原子的高激发Rydberg态进行延时场电离探测, 再通过反向静电场排除光电离和自电离等其他路径所产生的离子信号的干扰, 观察并研究了Eu原子第一电离阈随着电场移动的规律. 由此所确定的零场下第一电离阈的数值与采用其他方法所确定的文献值[1, 2]相一致, 从而验证了该方法的可靠性.
2012, 61(6): 064101.
doi: 10.7498/aps.61.064101
摘要:
时间反演电磁学是一门新兴学科. 高效的电磁时间反演信号获取方式是时间反演技术获得应用的关键. 本文研究了一种基于时域成像原理获得时间反演微波信号的方法. 首先根据时间透镜原理, 推导出了实现波形时间反演的条件, 并对波形反演的过程进行了数值仿真. 然后设计了两种满足反演条件的啁啾电磁带隙结构来构造色散信道, 并通过实验得到了一个时隙长度为1.5 ns的时间反演信号. 由于啁啾电磁带隙结构与理想色散信道的差异, 实验结果中存在波形失真. 文章最后对造成失真的原因进行了分析.
时间反演电磁学是一门新兴学科. 高效的电磁时间反演信号获取方式是时间反演技术获得应用的关键. 本文研究了一种基于时域成像原理获得时间反演微波信号的方法. 首先根据时间透镜原理, 推导出了实现波形时间反演的条件, 并对波形反演的过程进行了数值仿真. 然后设计了两种满足反演条件的啁啾电磁带隙结构来构造色散信道, 并通过实验得到了一个时隙长度为1.5 ns的时间反演信号. 由于啁啾电磁带隙结构与理想色散信道的差异, 实验结果中存在波形失真. 文章最后对造成失真的原因进行了分析.
2012, 61(6): 064102.
doi: 10.7498/aps.61.064102
摘要:
以电子回旋脉塞非线性理论为基础, 结合三维电磁仿真软件, 通过导入高频场数值解替代理论解析的方法, 对波瓣波导谐振腔高次谐波太赫兹回旋管进行了理论和模拟研究. 给出了该类回旋管的起振电流、耦合系数以及注波互作用效率等重要参数, 并在此基础上设计了一只工作频率为0.4 THz, 工作模式TE33模三次谐波波瓣波导谐振腔回旋管, 其电子注参数为1.0 A, 40.5 kV, 横纵速度比1.5,互作用区引导磁场为5.09 T, 输出功率达到3.3 kW.
以电子回旋脉塞非线性理论为基础, 结合三维电磁仿真软件, 通过导入高频场数值解替代理论解析的方法, 对波瓣波导谐振腔高次谐波太赫兹回旋管进行了理论和模拟研究. 给出了该类回旋管的起振电流、耦合系数以及注波互作用效率等重要参数, 并在此基础上设计了一只工作频率为0.4 THz, 工作模式TE33模三次谐波波瓣波导谐振腔回旋管, 其电子注参数为1.0 A, 40.5 kV, 横纵速度比1.5,互作用区引导磁场为5.09 T, 输出功率达到3.3 kW.
2012, 61(6): 064103.
doi: 10.7498/aps.61.064103
摘要:
在产生涡旋光束过程中, 固体激光器所输出的光束中心 很难与螺旋相位板的中心完全对准, 实际出射的光束为离轴涡旋光束. 在衍射理论的基础上, 对离轴涡旋光束的传输进行了研究, 推导了离轴涡旋光束传输一段距离后电场和光强的解析表达式.研究表明, 与理想的涡旋光束不同, 离轴涡旋光束具有非对称性的光强分布, 在传输过程中光斑除了展宽外, 涡旋暗核还会发生移动. 拓扑电荷数的大小只影响到光束的展宽, 拓扑电荷数为正时, 暗核沿着逆时针切线方向移动; 拓扑电荷数为负时, 暗核沿着顺时针的切线方向移动, 该结果对长距离探测涡旋光束的对准问题起到指导作用.
在产生涡旋光束过程中, 固体激光器所输出的光束中心 很难与螺旋相位板的中心完全对准, 实际出射的光束为离轴涡旋光束. 在衍射理论的基础上, 对离轴涡旋光束的传输进行了研究, 推导了离轴涡旋光束传输一段距离后电场和光强的解析表达式.研究表明, 与理想的涡旋光束不同, 离轴涡旋光束具有非对称性的光强分布, 在传输过程中光斑除了展宽外, 涡旋暗核还会发生移动. 拓扑电荷数的大小只影响到光束的展宽, 拓扑电荷数为正时, 暗核沿着逆时针切线方向移动; 拓扑电荷数为负时, 暗核沿着顺时针的切线方向移动, 该结果对长距离探测涡旋光束的对准问题起到指导作用.
2012, 61(6): 064201.
doi: 10.7498/aps.61.064201
摘要:
基于色心产生模型理论分析了电离辐射对光纤布拉格光栅的影响, 并推导出了光栅有效折射率变化与辐射剂量的函数关系式. 使用60Co 辐射源对光纤布拉格光栅进行了总剂量为1 106 rad的电离辐射实验, 实验结果与理论符合较好. 在辐射环境下, 光栅反射谱的峰值波长随着剂量增加向着长波方向移动, 由其计算所得的辐射致折射率变化规律与所得到的函数关系式相符. 该公式结合低剂量辐射实验可预测光栅在高剂量辐射下的性能变化, 对评估光栅产品抗辐射特性, 及筛选出性能较好产品有着实际应用价值.
基于色心产生模型理论分析了电离辐射对光纤布拉格光栅的影响, 并推导出了光栅有效折射率变化与辐射剂量的函数关系式. 使用60Co 辐射源对光纤布拉格光栅进行了总剂量为1 106 rad的电离辐射实验, 实验结果与理论符合较好. 在辐射环境下, 光栅反射谱的峰值波长随着剂量增加向着长波方向移动, 由其计算所得的辐射致折射率变化规律与所得到的函数关系式相符. 该公式结合低剂量辐射实验可预测光栅在高剂量辐射下的性能变化, 对评估光栅产品抗辐射特性, 及筛选出性能较好产品有着实际应用价值.
2012, 61(6): 064202.
doi: 10.7498/aps.61.064202
摘要:
研究了球形粒子在聚焦拉盖尔-高斯光束中的散射特性. 根据广义Mie理论, 推导出球形粒子在聚焦拉盖尔-高斯光束中散射系数的解析公式. 针对光束的电场分布及粒子散射强度进行了数值仿真, 讨论了散射强度随散射角、散射球粒子半径和拓扑荷的变化特性, 并通过散射系数解释了散射强度分布的振荡现象. 结果表明, 在聚焦拉盖尔-高斯光束照射下, 球形粒子的后向散射强度随着粒子半径的增大而逐渐增大; 后向散射强度开始增大时对应的粒子半径与拓扑荷有关. 通过与高斯光束的对比, 可以看出球形粒子在聚焦拉盖尔-高斯光束中散射特性的差异, 使其在粒径测量、光通信和大气后向散射探测等方面具有潜在应用价值.
研究了球形粒子在聚焦拉盖尔-高斯光束中的散射特性. 根据广义Mie理论, 推导出球形粒子在聚焦拉盖尔-高斯光束中散射系数的解析公式. 针对光束的电场分布及粒子散射强度进行了数值仿真, 讨论了散射强度随散射角、散射球粒子半径和拓扑荷的变化特性, 并通过散射系数解释了散射强度分布的振荡现象. 结果表明, 在聚焦拉盖尔-高斯光束照射下, 球形粒子的后向散射强度随着粒子半径的增大而逐渐增大; 后向散射强度开始增大时对应的粒子半径与拓扑荷有关. 通过与高斯光束的对比, 可以看出球形粒子在聚焦拉盖尔-高斯光束中散射特性的差异, 使其在粒径测量、光通信和大气后向散射探测等方面具有潜在应用价值.
2012, 61(6): 064203.
doi: 10.7498/aps.61.064203
摘要:
首次提出了一种基于偏振稳定双波长保偏光纤光栅激光器的可调谐微波/毫米波产生技术, 利用保偏光纤光栅选频产生两个偏振稳定的激光信号, 采用扰偏器确保激光输出的两个正交偏振态功率的一致性, 最后输入高速光电探测器产生微波/毫米波. 通过对保偏光纤光栅施加不同大小的侧向应力, 可以灵活调谐输出的毫米波频率. 实验制作了基于偏振稳定双波长保偏光纤光栅激光器的可调 谐微波/毫米波产生装置, 通过对保偏光纤光栅施加不同的轴向拉力分别产生了20.407 和22.050 GHz的微波信号. 仿真产生了60 GHz的毫米波信号, 并分析该毫米波在光纤无线通信下行链路的传输性能, 结果表明该毫米波作为副载波调制到光波上从中心站传输80 km至基站后经天线发射至用户端, 解调后仍然得到很好的眼图, 充分证明了本方案的优越传输性能.
首次提出了一种基于偏振稳定双波长保偏光纤光栅激光器的可调谐微波/毫米波产生技术, 利用保偏光纤光栅选频产生两个偏振稳定的激光信号, 采用扰偏器确保激光输出的两个正交偏振态功率的一致性, 最后输入高速光电探测器产生微波/毫米波. 通过对保偏光纤光栅施加不同大小的侧向应力, 可以灵活调谐输出的毫米波频率. 实验制作了基于偏振稳定双波长保偏光纤光栅激光器的可调 谐微波/毫米波产生装置, 通过对保偏光纤光栅施加不同的轴向拉力分别产生了20.407 和22.050 GHz的微波信号. 仿真产生了60 GHz的毫米波信号, 并分析该毫米波在光纤无线通信下行链路的传输性能, 结果表明该毫米波作为副载波调制到光波上从中心站传输80 km至基站后经天线发射至用户端, 解调后仍然得到很好的眼图, 充分证明了本方案的优越传输性能.
2012, 61(6): 064204.
doi: 10.7498/aps.61.064204
摘要:
利用数值计算结果讨论了Doppler展宽对Y型四能级原子系统中真空诱导相干性(VIC)相关的双光子吸收的影响. 研究结果表明: 1)在无Doppler展宽的情况中, 不存在VIC时, 吸收曲线具有双峰结构并产生电磁感应透明(EIT)现象, 存在VIC时吸收曲线具有单峰结构而EIT现象不再发生; 2)在有Doppler展宽的情况中, 不管是否存在VIC, EIT现象都能发生; 不存在VIC时, 不管探测场和驱动场传播方向相同还是相反, 随Doppler展宽宽度D值的增大, 吸收先增大后减小, 吸收曲线逐渐从双峰结构变为单峰结构; 存在VIC时, 若探测场和驱动场传播方向相同, 随D值的增大, 吸收先增大后减小, 吸收曲线逐渐从单峰结构变为双峰结构; 若探测场和驱动场传播方向相反, 随D值的增大, 吸收单调减小, 但吸收曲线仍保持单峰结构.
利用数值计算结果讨论了Doppler展宽对Y型四能级原子系统中真空诱导相干性(VIC)相关的双光子吸收的影响. 研究结果表明: 1)在无Doppler展宽的情况中, 不存在VIC时, 吸收曲线具有双峰结构并产生电磁感应透明(EIT)现象, 存在VIC时吸收曲线具有单峰结构而EIT现象不再发生; 2)在有Doppler展宽的情况中, 不管是否存在VIC, EIT现象都能发生; 不存在VIC时, 不管探测场和驱动场传播方向相同还是相反, 随Doppler展宽宽度D值的增大, 吸收先增大后减小, 吸收曲线逐渐从双峰结构变为单峰结构; 存在VIC时, 若探测场和驱动场传播方向相同, 随D值的增大, 吸收先增大后减小, 吸收曲线逐渐从单峰结构变为双峰结构; 若探测场和驱动场传播方向相反, 随D值的增大, 吸收单调减小, 但吸收曲线仍保持单峰结构.
2012, 61(6): 064205.
doi: 10.7498/aps.61.064205
摘要:
利用有序算符内的积分技术研究了通过双模压缩算符作用于两个单模压缩态上得到的单双模连续压缩态. 导出了单双模连续压缩算符的正规乘积形式, 并在此基础上研究了单双模连续压缩真空态的量子统计性质. 特别是利用Weyl编 序算符在相似变换下的不变性, 简洁地导出了单双模连续压缩真空态的Wigner函数. 最后, 还简单地提出了单双模连续压缩真空态的实验产生方案.
利用有序算符内的积分技术研究了通过双模压缩算符作用于两个单模压缩态上得到的单双模连续压缩态. 导出了单双模连续压缩算符的正规乘积形式, 并在此基础上研究了单双模连续压缩真空态的量子统计性质. 特别是利用Weyl编 序算符在相似变换下的不变性, 简洁地导出了单双模连续压缩真空态的Wigner函数. 最后, 还简单地提出了单双模连续压缩真空态的实验产生方案.
2012, 61(6): 064206.
doi: 10.7498/aps.61.064206
摘要:
结合旋涡耗散模型及Arrhenius化学反应速率系数来描述燃烧室内的化学反应, 对三股互击式喷注器及燃烧室的冷流场及有反应流场进行了三维的数值模拟研究. 引入螺旋度及混合长度参量分析了三股互击式喷注器的混合机理和混合效果, 获取了燃烧室的关键特征参数, 如总温、总温的空间分布、气流在燃烧室内的驻留时间等. 对燃料组合分别采用F-O-F, O-F-O的喷注器及燃烧室的流场特性进行了比较分析. 对于一定的燃料配比和燃烧室特征长度, 燃料组合采用O-F-O时, 在燃烧室出口的F2解离度比F-O-F要高出13.5%. 实验证实激光器出光功率提升了17%.
结合旋涡耗散模型及Arrhenius化学反应速率系数来描述燃烧室内的化学反应, 对三股互击式喷注器及燃烧室的冷流场及有反应流场进行了三维的数值模拟研究. 引入螺旋度及混合长度参量分析了三股互击式喷注器的混合机理和混合效果, 获取了燃烧室的关键特征参数, 如总温、总温的空间分布、气流在燃烧室内的驻留时间等. 对燃料组合分别采用F-O-F, O-F-O的喷注器及燃烧室的流场特性进行了比较分析. 对于一定的燃料配比和燃烧室特征长度, 燃料组合采用O-F-O时, 在燃烧室出口的F2解离度比F-O-F要高出13.5%. 实验证实激光器出光功率提升了17%.
2012, 61(6): 064207.
doi: 10.7498/aps.61.064207
摘要:
进行了全光纤保偏主振荡功率放大型光纤激光器的实验研究. 采用两级级联放大的方式, 利用纤芯为5 m 的小芯径双包层保偏光纤, 在最大抽运功率为88 W 时实现了67 W的1083 nm保偏激光输出, 纤芯内的激光功率密度约为3.4 W/m2, 光-光转换效率为76%.分析结果表明, 进一步提高抽运功率有望获得更高功率的激光输出.
进行了全光纤保偏主振荡功率放大型光纤激光器的实验研究. 采用两级级联放大的方式, 利用纤芯为5 m 的小芯径双包层保偏光纤, 在最大抽运功率为88 W 时实现了67 W的1083 nm保偏激光输出, 纤芯内的激光功率密度约为3.4 W/m2, 光-光转换效率为76%.分析结果表明, 进一步提高抽运功率有望获得更高功率的激光输出.
2012, 61(6): 064208.
doi: 10.7498/aps.61.064208
摘要:
在实验上分析了掺Er光纤光学频率梳中激光器与一级放大器之间光纤长度、光纤扰动以及放大器抽运功率对倍频程光谱和载波包络位相偏移频率(f0)信噪比的影响. 通过系统优化, 实现了40 dB信噪比的f0输出, 为f0的长期锁定和光纤光学频率梳的实现提供了技术保障.
在实验上分析了掺Er光纤光学频率梳中激光器与一级放大器之间光纤长度、光纤扰动以及放大器抽运功率对倍频程光谱和载波包络位相偏移频率(f0)信噪比的影响. 通过系统优化, 实现了40 dB信噪比的f0输出, 为f0的长期锁定和光纤光学频率梳的实现提供了技术保障.
2012, 61(6): 064209.
doi: 10.7498/aps.61.064209
摘要:
对光纤激光极限功率的探索和其受限因素的分析, 有利于为大功率光纤激光器的发展提供理论依据和实验指导. 本文考虑热效应、光效应、非线性效应和抽运亮度等因素对光纤激光极限功率的影响, 分析了掺镱和掺铥光纤的极限功率和受限因素. 在此基础上, 结合激光在光纤中单模传输的条件, 计算了单模掺镱和掺铥光纤激光的极限功率. 计算结果表明, 在现有技术条件下, 使用常规的976 nm和793 nm激光二极管抽运, 单模掺镱和掺铥光纤激光的极限功率分别为4.2 kW和7.8 kW, 其中单模掺铥光纤激光的功率水平还远低于它的极限功率的原因是受抽运亮度的限制. 最后分析指出减小纤芯的数值孔径和改进少模光束的光束质量是提升单模光纤激光极限功率的重要途径.
对光纤激光极限功率的探索和其受限因素的分析, 有利于为大功率光纤激光器的发展提供理论依据和实验指导. 本文考虑热效应、光效应、非线性效应和抽运亮度等因素对光纤激光极限功率的影响, 分析了掺镱和掺铥光纤的极限功率和受限因素. 在此基础上, 结合激光在光纤中单模传输的条件, 计算了单模掺镱和掺铥光纤激光的极限功率. 计算结果表明, 在现有技术条件下, 使用常规的976 nm和793 nm激光二极管抽运, 单模掺镱和掺铥光纤激光的极限功率分别为4.2 kW和7.8 kW, 其中单模掺铥光纤激光的功率水平还远低于它的极限功率的原因是受抽运亮度的限制. 最后分析指出减小纤芯的数值孔径和改进少模光束的光束质量是提升单模光纤激光极限功率的重要途径.
2012, 61(6): 064210.
doi: 10.7498/aps.61.064210
摘要:
具有分数阶拓扑荷数的涡旋光束的产生及其传输是近几年来人们感兴趣的研究课题.本文提出了一种新型的分数阶双涡旋光束, 该光束是由两束带有不同分数阶拓扑荷数的涡旋光束共轴叠加产生, 其光强分布为双环结构.我们对该光束分别进行了理论模拟和实验研究.研究表明, 分数阶双涡旋光束的双环携带不同的轨道角动量, 且相互独立地传输.这种新型的涡旋光束相对于整数阶或单个分数阶拓扑荷数的涡旋光束更具有控制多样性, 有望在光学镊子、光学扳手等微粒子操控领域开发新的应用.
具有分数阶拓扑荷数的涡旋光束的产生及其传输是近几年来人们感兴趣的研究课题.本文提出了一种新型的分数阶双涡旋光束, 该光束是由两束带有不同分数阶拓扑荷数的涡旋光束共轴叠加产生, 其光强分布为双环结构.我们对该光束分别进行了理论模拟和实验研究.研究表明, 分数阶双涡旋光束的双环携带不同的轨道角动量, 且相互独立地传输.这种新型的涡旋光束相对于整数阶或单个分数阶拓扑荷数的涡旋光束更具有控制多样性, 有望在光学镊子、光学扳手等微粒子操控领域开发新的应用.
2012, 61(6): 064211.
doi: 10.7498/aps.61.064211
摘要:
利用纳秒激光脉冲所激发的超声纵波, 非接触地测量了蓝宝石单晶沿c轴方向的弹性模量C33随温度的变化关系. 结果表明, 在室温到1000 ℃ 的范围内, 蓝宝石的弹性模量C33随温度T的升高而减小, 两者之间近似呈如下二次关系: C33 = - 1.541 10-5T2 - 0.021T + 498.3. 由于该方法利用激光烧蚀效应激发出了强度很大的纵波, 因此对弹性模量的测量具有较高的精度, 估算C33的测量误差不超过0.1%.
利用纳秒激光脉冲所激发的超声纵波, 非接触地测量了蓝宝石单晶沿c轴方向的弹性模量C33随温度的变化关系. 结果表明, 在室温到1000 ℃ 的范围内, 蓝宝石的弹性模量C33随温度T的升高而减小, 两者之间近似呈如下二次关系: C33 = - 1.541 10-5T2 - 0.021T + 498.3. 由于该方法利用激光烧蚀效应激发出了强度很大的纵波, 因此对弹性模量的测量具有较高的精度, 估算C33的测量误差不超过0.1%.
2012, 61(6): 064212.
doi: 10.7498/aps.61.064212
摘要:
首先从实验上研究了受激布里渊散射(SBS)的线宽压缩效应. 发现线宽压缩直接受到脉宽压缩的影响. 进而提出了一种通过测量SBS脉宽来测量SBS线宽的新方法. 在此基础上, 详细讨论了SBS的时间相干性, 指出SBS的时间相干性不是固定不变的, 而是随线宽压缩的程度发生变化. 最后指出SBS的脉宽压缩率和时间相干性不能同时达到最佳值.
首先从实验上研究了受激布里渊散射(SBS)的线宽压缩效应. 发现线宽压缩直接受到脉宽压缩的影响. 进而提出了一种通过测量SBS脉宽来测量SBS线宽的新方法. 在此基础上, 详细讨论了SBS的时间相干性, 指出SBS的时间相干性不是固定不变的, 而是随线宽压缩的程度发生变化. 最后指出SBS的脉宽压缩率和时间相干性不能同时达到最佳值.
2012, 61(6): 064213.
doi: 10.7498/aps.61.064213
摘要:
在由两块垂直于光轴两端面镀上电极的光折变晶体和一个外加电源组成的串联光折变晶体回路中, 在适当的条件下可以形成独立空间全息-哈密顿屏蔽孤子对. 这种孤子对共有四种类型:明-明、暗-暗、明-暗以及暗-明. 当入射光束的空间展宽尺寸远小于晶体宽度时, 孤子对中的哈密顿暗孤子可以通过光感应电流影响另一个孤子, 而哈密顿明孤子和全息孤子则不能影响另一孤子.
在由两块垂直于光轴两端面镀上电极的光折变晶体和一个外加电源组成的串联光折变晶体回路中, 在适当的条件下可以形成独立空间全息-哈密顿屏蔽孤子对. 这种孤子对共有四种类型:明-明、暗-暗、明-暗以及暗-明. 当入射光束的空间展宽尺寸远小于晶体宽度时, 孤子对中的哈密顿暗孤子可以通过光感应电流影响另一个孤子, 而哈密顿明孤子和全息孤子则不能影响另一孤子.
2012, 61(6): 064214.
doi: 10.7498/aps.61.064214
摘要:
针对铌酸锂晶体中飞秒激光脉冲线性电光效应, 研究了光学相位共轭 对群速度色散 以及一阶和二阶折射率色散的补偿方案. 结果发现, 在任意初始输入脉宽条件下, 这些色散基本上都能得到补偿, 输出脉冲波形基本上和输入脉冲相同. 在此方案中, 若同时在色散补偿铌酸锂晶体上对输出脉冲进行电光相位调制, 则在一定外加电场作用下, 输出脉冲的脉宽将进一步被压缩, 初始输入脉宽越小, 压缩程度越大.
针对铌酸锂晶体中飞秒激光脉冲线性电光效应, 研究了光学相位共轭 对群速度色散 以及一阶和二阶折射率色散的补偿方案. 结果发现, 在任意初始输入脉宽条件下, 这些色散基本上都能得到补偿, 输出脉冲波形基本上和输入脉冲相同. 在此方案中, 若同时在色散补偿铌酸锂晶体上对输出脉冲进行电光相位调制, 则在一定外加电场作用下, 输出脉冲的脉宽将进一步被压缩, 初始输入脉宽越小, 压缩程度越大.
2012, 61(6): 064215.
doi: 10.7498/aps.61.064215
摘要:
介绍了胶体晶体微结构光纤的结构, 采用时域有限差分法研究了微结构胶体晶体光纤的传输特性. 建立了该结构的FDTD模型, 计算了其透射谱和不同波长的传输场分布. 搭建了光学系统, 测量了实验制备的胶体晶体微结构光纤的透射谱, 并将其与模拟所得透射谱进行比较, 具有良好的一致性. 胶体晶体微结构光纤的传输场分布结果表明, 胶体晶体在不同波长下改变光纤传输场分布.
介绍了胶体晶体微结构光纤的结构, 采用时域有限差分法研究了微结构胶体晶体光纤的传输特性. 建立了该结构的FDTD模型, 计算了其透射谱和不同波长的传输场分布. 搭建了光学系统, 测量了实验制备的胶体晶体微结构光纤的透射谱, 并将其与模拟所得透射谱进行比较, 具有良好的一致性. 胶体晶体微结构光纤的传输场分布结果表明, 胶体晶体在不同波长下改变光纤传输场分布.
2012, 61(6): 064216.
doi: 10.7498/aps.61.064216
摘要:
为设计基于多路复用体全息光栅的角度放大器, 建立了多路复用角度放大器(MAM)模型, 从效率均衡性和角度分布均匀性两个方面归纳了其设计规则; 研究了光刻过程中的误差对MAM性能的影响; 分析了实际发散光束对MAM性能的影响. 研究表明:控制光栅空间频率和光栅倾斜角可以实现需要的MAM角度分布, 控制光栅厚度和折射率调制深度可以实现MAM最佳衍射效率; MAM最大复用路数不超过10路; 增大光栅倾角或者记录光与工作光波长之比有利于抑制参考光角度误差带来的MAM出射角分布误差, 减小光栅厚度有利于抑制厚度误差与折射率调制深度误差对衍射效率的影响; 当远场发散角大于光栅角半宽时, 最佳衍射效率下降到50%以下且角度选择曲线失去局部最小值; 增大空间频率或者光栅厚度可以减小所需的折射率调制深度, 增多MAM可复用路数, 但是不利于效率均衡性设计和抑制发散光束的影响.
为设计基于多路复用体全息光栅的角度放大器, 建立了多路复用角度放大器(MAM)模型, 从效率均衡性和角度分布均匀性两个方面归纳了其设计规则; 研究了光刻过程中的误差对MAM性能的影响; 分析了实际发散光束对MAM性能的影响. 研究表明:控制光栅空间频率和光栅倾斜角可以实现需要的MAM角度分布, 控制光栅厚度和折射率调制深度可以实现MAM最佳衍射效率; MAM最大复用路数不超过10路; 增大光栅倾角或者记录光与工作光波长之比有利于抑制参考光角度误差带来的MAM出射角分布误差, 减小光栅厚度有利于抑制厚度误差与折射率调制深度误差对衍射效率的影响; 当远场发散角大于光栅角半宽时, 最佳衍射效率下降到50%以下且角度选择曲线失去局部最小值; 增大空间频率或者光栅厚度可以减小所需的折射率调制深度, 增多MAM可复用路数, 但是不利于效率均衡性设计和抑制发散光束的影响.
2012, 61(6): 064217.
doi: 10.7498/aps.61.064217
摘要:
利用532 nm的脉冲激光进行了水的受激拉曼散射研究. 水的低激发光能量下主要表现为受激Stocks和反Stocks 3426 cm-1谱线; 在能量大于140 mJ时出现低频率313 cm-1受激Stocks谱线, 同时出现后向3389和3268 cm-1 的受激Stocks谱线. 实验结果表明, 在较强的激光作用下, 水的结构表现为冰的Ⅷ相.
利用532 nm的脉冲激光进行了水的受激拉曼散射研究. 水的低激发光能量下主要表现为受激Stocks和反Stocks 3426 cm-1谱线; 在能量大于140 mJ时出现低频率313 cm-1受激Stocks谱线, 同时出现后向3389和3268 cm-1 的受激Stocks谱线. 实验结果表明, 在较强的激光作用下, 水的结构表现为冰的Ⅷ相.
2012, 61(6): 064301.
doi: 10.7498/aps.61.064301
摘要:
传统外部声学Helmholtz边界积分方程无法在个人计算机上求解大规模工程问题. 为了有效解决这个问题, 将快速多极方法引入到边界积分方程中, 加速系统矩阵方程组的迭代求解. 由于在边界积分方程中引入基本解的对角形式多极扩展, 新的快速多极边界元法的计算效率与传统边界元相比显著提高, 计算量和存储量减少到O(N)量级(N为问题的自由度数). 包括含有420000个自由度的大型潜艇模型数值算例验证了快速多极边界元法的准确性和高效性, 清楚表明新算法在求解大规模声学问题中的优势, 具有良好的工程应用前景.
传统外部声学Helmholtz边界积分方程无法在个人计算机上求解大规模工程问题. 为了有效解决这个问题, 将快速多极方法引入到边界积分方程中, 加速系统矩阵方程组的迭代求解. 由于在边界积分方程中引入基本解的对角形式多极扩展, 新的快速多极边界元法的计算效率与传统边界元相比显著提高, 计算量和存储量减少到O(N)量级(N为问题的自由度数). 包括含有420000个自由度的大型潜艇模型数值算例验证了快速多极边界元法的准确性和高效性, 清楚表明新算法在求解大规模声学问题中的优势, 具有良好的工程应用前景.
2012, 61(6): 064302.
doi: 10.7498/aps.61.064302
摘要:
基于单矢量传感器对码分多址水声通信进行了研究. 利用单个矢量传感器自身指向性进行方位估计最为常用的方法是平均声强器和复声强器, 但这些方法对于同频带的多用户来说, 理论极限仅能测量两个用户. 提出了有源平均声强器, 利用扩频通信中伪随机码优良的自相关和互相关特性, 可同时测得多个用户的方位, 利用估计的用户方位构建矢量组合, 调整矢量传感器的指向性, 实现各用户定向通信, 抑制多址干扰, 增加处理增益, 降低误码率. 对频带相同的扩频多用户通信进行了仿真及试验研究, 验证了有源平均声强器的有效性和实用性.
基于单矢量传感器对码分多址水声通信进行了研究. 利用单个矢量传感器自身指向性进行方位估计最为常用的方法是平均声强器和复声强器, 但这些方法对于同频带的多用户来说, 理论极限仅能测量两个用户. 提出了有源平均声强器, 利用扩频通信中伪随机码优良的自相关和互相关特性, 可同时测得多个用户的方位, 利用估计的用户方位构建矢量组合, 调整矢量传感器的指向性, 实现各用户定向通信, 抑制多址干扰, 增加处理增益, 降低误码率. 对频带相同的扩频多用户通信进行了仿真及试验研究, 验证了有源平均声强器的有效性和实用性.
2012, 61(6): 064401.
doi: 10.7498/aps.61.064401
摘要:
采用10.6 m 的CO2激光, 对单次激光脉冲辐照修复熔石英存在的烧蚀采用大光斑钝化去除. 经过辐照修复的区域置于前表面测试初始损伤阈值, 结果表明调制造成的损伤得到了一定程度的抑制; 辐照区域置于后表面修复后熔石英的初始损伤阈值超过了基底的初始损伤阈值. 实验观察到了应力分布外扩, 同时明显减弱. 对损伤增长的测试说明, 经过激光熔融辐照后的损伤点, 当应力释放以后, 损伤扩展初期表现出指数增长趋势, 后期随着辐照次数的增加, 损伤增长不再明显, 并且趋于恒定值.
采用10.6 m 的CO2激光, 对单次激光脉冲辐照修复熔石英存在的烧蚀采用大光斑钝化去除. 经过辐照修复的区域置于前表面测试初始损伤阈值, 结果表明调制造成的损伤得到了一定程度的抑制; 辐照区域置于后表面修复后熔石英的初始损伤阈值超过了基底的初始损伤阈值. 实验观察到了应力分布外扩, 同时明显减弱. 对损伤增长的测试说明, 经过激光熔融辐照后的损伤点, 当应力释放以后, 损伤扩展初期表现出指数增长趋势, 后期随着辐照次数的增加, 损伤增长不再明显, 并且趋于恒定值.
2012, 61(6): 064501.
doi: 10.7498/aps.61.064501
摘要:
研究Chetaev型约束的相对运动动力学系统Nielsen方程的Noether对称性与Noether守恒量. 对Chetaev型约束的相对运动力学系统Nielsen方程的运动微分方程、Noether对称性定义和判据进行具体的研究, 得到了Noether对称性直接导致的Noether守恒量的表达式. 最后举例说明结果的应用.
研究Chetaev型约束的相对运动动力学系统Nielsen方程的Noether对称性与Noether守恒量. 对Chetaev型约束的相对运动力学系统Nielsen方程的运动微分方程、Noether对称性定义和判据进行具体的研究, 得到了Noether对称性直接导致的Noether守恒量的表达式. 最后举例说明结果的应用.
2012, 61(6): 064601.
doi: 10.7498/aps.61.064601
摘要:
针对光子晶体光纤多零色散点、高双折射的应用要求, 设计了一种新型结构的光子晶体光纤, 其纤芯由位于菱形四个角上的圆形空气孔组成. 通过有限元数值分析方法对该种结构光子晶体光纤的色散特性和双折射特性进行数值仿真, 得到色散与波长、色散与纤芯圆孔尺寸、双折射与波长、双折射与纤芯圆孔尺寸的关系. 研究结果表明:在满足光纤传输功率要求的条件下, 光纤的双折射在d10.8 m 时的性能较好. 同时, 该种结构的光子晶体光纤在芯区直径满足d1=0.4 m或d1=0.6 m时会出现两个零色散点, 这对进一步研制具有多零色散点的光子晶体光纤具有重要的意义.
针对光子晶体光纤多零色散点、高双折射的应用要求, 设计了一种新型结构的光子晶体光纤, 其纤芯由位于菱形四个角上的圆形空气孔组成. 通过有限元数值分析方法对该种结构光子晶体光纤的色散特性和双折射特性进行数值仿真, 得到色散与波长、色散与纤芯圆孔尺寸、双折射与波长、双折射与纤芯圆孔尺寸的关系. 研究结果表明:在满足光纤传输功率要求的条件下, 光纤的双折射在d10.8 m 时的性能较好. 同时, 该种结构的光子晶体光纤在芯区直径满足d1=0.4 m或d1=0.6 m时会出现两个零色散点, 这对进一步研制具有多零色散点的光子晶体光纤具有重要的意义.
2012, 61(6): 064602.
doi: 10.7498/aps.61.064602
摘要:
研究弹性细杆Kirchhoff模型及其相关演化系统, 是深入考察宏观、微观柔性体拓扑结构与稳定性问题的重要依据. 以DNA弹性细杆数学模型为背景, 考虑截面非对称性特征的影响, 构造新的复数形式Kirchhoff系统. 在此基础上, 结合复变量扭矩设解形式, 获得了非对称截面系统的有效抗弯刚度; 并通过相关理论在高维系统简化过程中的应用, 得到了对应于原有系统的单变量二阶常微分方程. 此外, 将DNA分子具备的抗弯刚度周期变化特征转化为针对有效抗弯刚度的周期摄动形式, 以期从总体上减少理论分析对于数值积分的依赖, 为后续定量分析工作提供新的思路.
研究弹性细杆Kirchhoff模型及其相关演化系统, 是深入考察宏观、微观柔性体拓扑结构与稳定性问题的重要依据. 以DNA弹性细杆数学模型为背景, 考虑截面非对称性特征的影响, 构造新的复数形式Kirchhoff系统. 在此基础上, 结合复变量扭矩设解形式, 获得了非对称截面系统的有效抗弯刚度; 并通过相关理论在高维系统简化过程中的应用, 得到了对应于原有系统的单变量二阶常微分方程. 此外, 将DNA分子具备的抗弯刚度周期变化特征转化为针对有效抗弯刚度的周期摄动形式, 以期从总体上减少理论分析对于数值积分的依赖, 为后续定量分析工作提供新的思路.
2012, 61(6): 064701.
doi: 10.7498/aps.61.064701
摘要:
在南海东沙岛附近, 从MODIS遥感图像发现内波传播是从深海经陆架坡再到浅海, 由于深海和浅海环境条件的差异以及传播模型的适用条件不同, 因此 不能采用同一模型模拟内波的传播, 需用两种模型来分别模拟内波在深海和浅海中的传播. 采用差分法, 首先用非线性薛定谔方程模拟了深海内波的传播, 然后用EKdV方程模拟了内波在浅海中的继续传播. 模拟结果与实际的MODIS遥感内波图像相符合, 并与应用单一模型模拟结果相比, 混合模型模拟该海区的内波传播更接近遥感实测, 表明了混合模型的合理性.
在南海东沙岛附近, 从MODIS遥感图像发现内波传播是从深海经陆架坡再到浅海, 由于深海和浅海环境条件的差异以及传播模型的适用条件不同, 因此 不能采用同一模型模拟内波的传播, 需用两种模型来分别模拟内波在深海和浅海中的传播. 采用差分法, 首先用非线性薛定谔方程模拟了深海内波的传播, 然后用EKdV方程模拟了内波在浅海中的继续传播. 模拟结果与实际的MODIS遥感内波图像相符合, 并与应用单一模型模拟结果相比, 混合模型模拟该海区的内波传播更接近遥感实测, 表明了混合模型的合理性.
2012, 61(6): 064702.
doi: 10.7498/aps.61.064702
摘要:
激波绕过三角楔(Schardin问题)时会产生激波马赫反射与绕射、 三角楔尾涡与涡串等复杂物理现象. 本文利用三阶精度加权基本无振荡(WENO)格式、 结构化矩形网格的自适应加密方法与沉浸边界法对Schardin问题进行了数值模拟. 数值结果清晰地显示了激波与三角楔相互作用, 在楔面发生马赫反射以及在楔角绕射诱导主涡的过程, 并与Schardin等的实验结果及相关数值结果完全符合. 另外, 数值结果还详细反映了先前实验与数值结果没有详细讨论的主涡滑移层上的涡串生成机理, 以及激波与涡串相互作用和产生声波的过程.
激波绕过三角楔(Schardin问题)时会产生激波马赫反射与绕射、 三角楔尾涡与涡串等复杂物理现象. 本文利用三阶精度加权基本无振荡(WENO)格式、 结构化矩形网格的自适应加密方法与沉浸边界法对Schardin问题进行了数值模拟. 数值结果清晰地显示了激波与三角楔相互作用, 在楔面发生马赫反射以及在楔角绕射诱导主涡的过程, 并与Schardin等的实验结果及相关数值结果完全符合. 另外, 数值结果还详细反映了先前实验与数值结果没有详细讨论的主涡滑移层上的涡串生成机理, 以及激波与涡串相互作用和产生声波的过程.
2012, 61(6): 064703.
doi: 10.7498/aps.61.064703
摘要:
对迎风凹腔与逆向喷流组合热防护系统的冷却效果进行了分析, 研究了相同总压不同流速的逆向喷流对组合结构的流场、气动受力及壁面传热的影响. 通过与相关的实验结果对比, 验证了数值方法的可靠性. 研究发现:该结构能够有效地对飞行器鼻锥表面进行冷却, 引入很小总压的逆向喷流(逆喷总压比 PR=0.1), 组合结构的冷却效果就可以远远优于单一的迎风凹腔; 相同逆向喷流总压下, 逆喷速度越高, 逆喷流量越大, 外壁面的冷却效果越好; 随逆喷流速提高, 气动阻力也进一步减小. 本文研究的组合结构非常适用于远程、 需长时间飞行的高超声速飞行器的热防护.
对迎风凹腔与逆向喷流组合热防护系统的冷却效果进行了分析, 研究了相同总压不同流速的逆向喷流对组合结构的流场、气动受力及壁面传热的影响. 通过与相关的实验结果对比, 验证了数值方法的可靠性. 研究发现:该结构能够有效地对飞行器鼻锥表面进行冷却, 引入很小总压的逆向喷流(逆喷总压比 PR=0.1), 组合结构的冷却效果就可以远远优于单一的迎风凹腔; 相同逆向喷流总压下, 逆喷速度越高, 逆喷流量越大, 外壁面的冷却效果越好; 随逆喷流速提高, 气动阻力也进一步减小. 本文研究的组合结构非常适用于远程、 需长时间飞行的高超声速飞行器的热防护.
2012, 61(6): 064704.
doi: 10.7498/aps.61.064704
摘要:
采用耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)方法, 对两平行平板间流体绕流三维球体进行了计算. 球体和平行平板由达到平衡状态的冻结DPD粒子组成, 流体在不同无量纲外力驱动下流动, 球体受力由组成球体的所有冻结DPD粒子求和得到. 流动达到充分发展后, 输出球体在流动方向的受力, 并计算球体的阻力系数, 与文献中的关联式进行了对比. 结果表明, 在Reqslant 100的范围内, DPD方法能较准确地计算出阻力系数, 在较大雷诺数时, 由于流体的压缩性导致计算结果出现差异.
采用耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)方法, 对两平行平板间流体绕流三维球体进行了计算. 球体和平行平板由达到平衡状态的冻结DPD粒子组成, 流体在不同无量纲外力驱动下流动, 球体受力由组成球体的所有冻结DPD粒子求和得到. 流动达到充分发展后, 输出球体在流动方向的受力, 并计算球体的阻力系数, 与文献中的关联式进行了对比. 结果表明, 在Reqslant 100的范围内, DPD方法能较准确地计算出阻力系数, 在较大雷诺数时, 由于流体的压缩性导致计算结果出现差异.
2012, 61(6): 066101.
doi: 10.7498/aps.61.066101
摘要:
结合EAM镶嵌原子作用势, 通过经典的分子动力学模拟研究了不同截面尺寸Al纳米线在两种冷却速率下的凝固行为, 并采用键对分析技术探讨了相变过程中原子团簇的演化情况. 结果表明:Al纳米线的最终结构不仅与冷却速率有关, 还呈现出明显的尺寸效应. 在较快的冷却速率下, 五种截面尺寸的Al纳米线均得到了多壳螺旋结构; 而当冷却速率降低以后, 除了N3纳米线发生了断裂以外, 其余纳米线的结构随着截面尺寸的增加, 逐渐从多壳螺旋结构经由类-六边形多壳结构最终过渡到稳定的晶态结构.
结合EAM镶嵌原子作用势, 通过经典的分子动力学模拟研究了不同截面尺寸Al纳米线在两种冷却速率下的凝固行为, 并采用键对分析技术探讨了相变过程中原子团簇的演化情况. 结果表明:Al纳米线的最终结构不仅与冷却速率有关, 还呈现出明显的尺寸效应. 在较快的冷却速率下, 五种截面尺寸的Al纳米线均得到了多壳螺旋结构; 而当冷却速率降低以后, 除了N3纳米线发生了断裂以外, 其余纳米线的结构随着截面尺寸的增加, 逐渐从多壳螺旋结构经由类-六边形多壳结构最终过渡到稳定的晶态结构.
2012, 61(6): 066801.
doi: 10.7498/aps.61.066801
摘要:
锰的硅化物在微电子器件、自旋电子学器件等领域具有良好的应用前景, 了解锰的硅化物薄膜在硅表面的生长规律是其走向实际应用的关键步骤之一. 本文采用分子束外延方法在Si(100)-21表面沉积了约4个原子层的锰薄膜, 并利用超高真空扫描隧道显微镜研究了该薄膜与硅衬底之间在250750℃范围内的固相反应情况. 室温下沉积在硅衬底表面的锰原子与衬底不发生反应, 薄膜由无序的锰团簇构成; 当退火温度高于290℃时, 锰原子与衬底开始发生反应, 生成外形不规则的枝晶状锰硅化物和富锰的三维小岛; 325℃时, 衬底上开始形成平板状的MnSi小岛; 525℃时, 枝晶状锰硅化物完全消失, 出现平板状的MnSi1.7大岛; 高于600℃时, 富锰的三维小岛和平板状的MnSi小岛全部消失, 仅剩下平板状的MnSi1.7大岛. 这些结果说明退火温度决定了薄膜的形态和结构. 在大约600℃退火时岛的尺寸随着退火时间的延长而逐渐增大, 表明岛的生长遵从扩散限制的Ostwald熟化机理.
锰的硅化物在微电子器件、自旋电子学器件等领域具有良好的应用前景, 了解锰的硅化物薄膜在硅表面的生长规律是其走向实际应用的关键步骤之一. 本文采用分子束外延方法在Si(100)-21表面沉积了约4个原子层的锰薄膜, 并利用超高真空扫描隧道显微镜研究了该薄膜与硅衬底之间在250750℃范围内的固相反应情况. 室温下沉积在硅衬底表面的锰原子与衬底不发生反应, 薄膜由无序的锰团簇构成; 当退火温度高于290℃时, 锰原子与衬底开始发生反应, 生成外形不规则的枝晶状锰硅化物和富锰的三维小岛; 325℃时, 衬底上开始形成平板状的MnSi小岛; 525℃时, 枝晶状锰硅化物完全消失, 出现平板状的MnSi1.7大岛; 高于600℃时, 富锰的三维小岛和平板状的MnSi小岛全部消失, 仅剩下平板状的MnSi1.7大岛. 这些结果说明退火温度决定了薄膜的形态和结构. 在大约600℃退火时岛的尺寸随着退火时间的延长而逐渐增大, 表明岛的生长遵从扩散限制的Ostwald熟化机理.
2012, 61(6): 066802.
doi: 10.7498/aps.61.066802
摘要:
利用Monte-Carlo模拟研究了全局耦合网络上扩散限制的不可逆聚集-湮没过程的动力学行为. 在系统中, 同种类集团相遇, 将发生聚集反应; 不同种类的集团相遇, 则发生部分湮没反应. 模拟结果表明:1) 当两种粒子初始浓度相等时, 系统长时间演化后, 集团浓度c(t)和粒子浓度g(t)呈现幂律形式, c(t)～t- 和g(t)～t-, 其中幂指数和满足=2的关系, 且=2/(2 + q); 集团大小分布随时间的演化满足标度律, ak(t)=k-t-(k/tz), 其中-1.27q, (3 + 1.27q)/(2 + q), z=/2=1/(2 + q); 2) 当两种粒子初始浓度不相等时, 系统经长时间演化后, 初始浓度较小的种类完全湮没, 而初始浓度较大的那个种类的集团浓度cA(t)仍具有幂律形式, cA(t)～t-, 其中=1/(1+q), 其集团大小分布随时间的演化也满足标度律, 标度指数为-1.27q, (2 + 1.27q)/(1 + q)和z==1/(1 + q). 模拟结果与已报道的理论分析结果相符得很好.
利用Monte-Carlo模拟研究了全局耦合网络上扩散限制的不可逆聚集-湮没过程的动力学行为. 在系统中, 同种类集团相遇, 将发生聚集反应; 不同种类的集团相遇, 则发生部分湮没反应. 模拟结果表明:1) 当两种粒子初始浓度相等时, 系统长时间演化后, 集团浓度c(t)和粒子浓度g(t)呈现幂律形式, c(t)～t- 和g(t)～t-, 其中幂指数和满足=2的关系, 且=2/(2 + q); 集团大小分布随时间的演化满足标度律, ak(t)=k-t-(k/tz), 其中-1.27q, (3 + 1.27q)/(2 + q), z=/2=1/(2 + q); 2) 当两种粒子初始浓度不相等时, 系统经长时间演化后, 初始浓度较小的种类完全湮没, 而初始浓度较大的那个种类的集团浓度cA(t)仍具有幂律形式, cA(t)～t-, 其中=1/(1+q), 其集团大小分布随时间的演化也满足标度律, 标度指数为-1.27q, (2 + 1.27q)/(1 + q)和z==1/(1 + q). 模拟结果与已报道的理论分析结果相符得很好.
2012, 61(6): 066803.
doi: 10.7498/aps.61.066803
摘要:
单晶硅表面微结构对晶体硅光电转换性能有非常重要的影响, 晶体硅表面微结构的调节技术一直是半导体、太阳能电池领域研究的热点之一.利用碱液与单晶硅异向腐蚀特性的刻蚀技术, 在单晶硅表面可以获得布满金字塔的绒面, 但普通碱液刻蚀的绒面, 其金字塔大小、形貌和分布随机性大, 不利于提高硅太阳电池的转换效率.在普通的碱腐蚀液中加入不同量的特种添加剂, 然后在相同的温度、时间下刻蚀单晶硅表面, 通过观察样品表面SEM图, 发现在普通碱液中加入适量添加剂后刻蚀的单晶硅表面能形成均匀密集分布金字塔, 金字塔大小在24m 之间, 棱边圆滑, 表面金字塔覆盖率高; 用积分反射仪测量了样品的反射率曲线, 发现样品平均反射率下降到12.51%.实验结果表明, 在普通碱液中加入特种添加剂, 能控制单晶硅表面金字塔的大小和分布.
单晶硅表面微结构对晶体硅光电转换性能有非常重要的影响, 晶体硅表面微结构的调节技术一直是半导体、太阳能电池领域研究的热点之一.利用碱液与单晶硅异向腐蚀特性的刻蚀技术, 在单晶硅表面可以获得布满金字塔的绒面, 但普通碱液刻蚀的绒面, 其金字塔大小、形貌和分布随机性大, 不利于提高硅太阳电池的转换效率.在普通的碱腐蚀液中加入不同量的特种添加剂, 然后在相同的温度、时间下刻蚀单晶硅表面, 通过观察样品表面SEM图, 发现在普通碱液中加入适量添加剂后刻蚀的单晶硅表面能形成均匀密集分布金字塔, 金字塔大小在24m 之间, 棱边圆滑, 表面金字塔覆盖率高; 用积分反射仪测量了样品的反射率曲线, 发现样品平均反射率下降到12.51%.实验结果表明, 在普通碱液中加入特种添加剂, 能控制单晶硅表面金字塔的大小和分布.
2012, 61(6): 066804.
doi: 10.7498/aps.61.066804
摘要:
利用脉冲激光沉积技术在c-Al2O3单晶基片上制备了Bi2Sr2Co2Oy热电薄膜并研究了沉积温度和氧压对薄膜晶体结构及电输运性能的影响.在最佳沉积条件下制备的单相、c轴取向的Bi2Sr2Co2Oy薄膜的室温电阻率和塞贝克系数S分别为2.9m/cm和110V/K,其功率因子S2/好于在单晶样品上得到的值.此外,该薄膜在低温下表现出较强的负磁阻效应,在2K,9T时达到了40%.
利用脉冲激光沉积技术在c-Al2O3单晶基片上制备了Bi2Sr2Co2Oy热电薄膜并研究了沉积温度和氧压对薄膜晶体结构及电输运性能的影响.在最佳沉积条件下制备的单相、c轴取向的Bi2Sr2Co2Oy薄膜的室温电阻率和塞贝克系数S分别为2.9m/cm和110V/K,其功率因子S2/好于在单晶样品上得到的值.此外,该薄膜在低温下表现出较强的负磁阻效应,在2K,9T时达到了40%.
2012, 61(6): 067101.
doi: 10.7498/aps.61.067101
摘要:
采用基于第一性原理的密度泛函理论平面波超软赝势方法计算了(22)GaN(0001)清洁表面的能带结构、态密度、表面能、功函数和光学性质.发现弛豫后GaN(0001)表面的能带结构发生较大变化,表面呈现金属导电特性,导带底附近存在明显的表面态,在偶极矩的作用下表面电荷发生转移,Ga端面为正极性表面;计算获得了GaN(0001)表面的表面能和功函数分别为2.1J.m-2和4.2eV;比较分析了GaN(0001)表面和体相GaN的光学性质,发现两者存在较大差异.
采用基于第一性原理的密度泛函理论平面波超软赝势方法计算了(22)GaN(0001)清洁表面的能带结构、态密度、表面能、功函数和光学性质.发现弛豫后GaN(0001)表面的能带结构发生较大变化,表面呈现金属导电特性,导带底附近存在明显的表面态,在偶极矩的作用下表面电荷发生转移,Ga端面为正极性表面;计算获得了GaN(0001)表面的表面能和功函数分别为2.1J.m-2和4.2eV;比较分析了GaN(0001)表面和体相GaN的光学性质,发现两者存在较大差异.
2012, 61(6): 067401.
doi: 10.7498/aps.61.067401
摘要:
采用异质叠层方式制备出一定厚度的Ca(Mg1/3Nb2/3)O3/CaTiO3(CMN/CT)叠层薄膜,研究了异质界面对薄膜结构、微观形貌及介电性能的影响及其规律.根据实验测试结果,提出CMN/CT叠层薄膜的模拟等效电路,建立介电常数和介电损耗的理论计算公式.结果表明:CMN/CT异质叠层薄膜具有完全正交钙钛矿结构,结构致密,厚度均匀,薄膜中存在独立的CMN和CT相.异质界面处存在过渡层,随着薄膜中异质界面个数增加,介电常数增大,介电损耗减小.减小界面过渡层的厚度,有利于提高CMN/CT叠层薄膜的介电性能.
采用异质叠层方式制备出一定厚度的Ca(Mg1/3Nb2/3)O3/CaTiO3(CMN/CT)叠层薄膜,研究了异质界面对薄膜结构、微观形貌及介电性能的影响及其规律.根据实验测试结果,提出CMN/CT叠层薄膜的模拟等效电路,建立介电常数和介电损耗的理论计算公式.结果表明:CMN/CT异质叠层薄膜具有完全正交钙钛矿结构,结构致密,厚度均匀,薄膜中存在独立的CMN和CT相.异质界面处存在过渡层,随着薄膜中异质界面个数增加,介电常数增大,介电损耗减小.减小界面过渡层的厚度,有利于提高CMN/CT叠层薄膜的介电性能.
2012, 61(6): 067501.
doi: 10.7498/aps.61.067501
摘要:
稀土(R)-过渡族(T)金属间化合物具有优异的物理和化学性质.本研究考虑电子自旋极化作用,基于第一性原理的全电子投影缀加平面波赝势法理论,采用局域自旋密度近似(LSDA),对Ni13Nd3B2金属间化合物进行结构优化,计算体系晶格常数、电子结构和磁性能.结果表明,Ni13Nd3B2为带隙很小的金属导体.LSDA近似下体系原子间存在复杂作用类型,Nd原子与近邻Ni,B原子以离子键作用为主,Ni原子与近邻Ni原子间表现共价作用情形.体系存在Nd-Ni铁磁耦合,总磁矩约8.4329B,主要由Nd原子磁矩提供,自旋极化引起的体系Nd-4f,Ni-3p,Nd-5p电子自旋劈裂为体系表现磁性的根本原因.
稀土(R)-过渡族(T)金属间化合物具有优异的物理和化学性质.本研究考虑电子自旋极化作用,基于第一性原理的全电子投影缀加平面波赝势法理论,采用局域自旋密度近似(LSDA),对Ni13Nd3B2金属间化合物进行结构优化,计算体系晶格常数、电子结构和磁性能.结果表明,Ni13Nd3B2为带隙很小的金属导体.LSDA近似下体系原子间存在复杂作用类型,Nd原子与近邻Ni,B原子以离子键作用为主,Ni原子与近邻Ni原子间表现共价作用情形.体系存在Nd-Ni铁磁耦合,总磁矩约8.4329B,主要由Nd原子磁矩提供,自旋极化引起的体系Nd-4f,Ni-3p,Nd-5p电子自旋劈裂为体系表现磁性的根本原因.
2012, 61(6): 067502.
doi: 10.7498/aps.61.067502
摘要:
利用严格对角化方法研究了一种自旋为1/2的铁磁-反铁磁交替自旋链的物理性质.计算了自旋关联函数、自旋z方向分量、自旋激发谱和磁化曲线等基本物理量,并将这些物理量和自旋为(1,1/2)的混合反铁磁自旋链对应的物理性质进行了比较.结果表明,当铁磁作用居于主导地位时,该模型的物理行为等效于混合自旋模型.因此,可以通过分析铁磁-反铁磁交替自旋链的物理性质研究混合自旋链的物理行为.
利用严格对角化方法研究了一种自旋为1/2的铁磁-反铁磁交替自旋链的物理性质.计算了自旋关联函数、自旋z方向分量、自旋激发谱和磁化曲线等基本物理量,并将这些物理量和自旋为(1,1/2)的混合反铁磁自旋链对应的物理性质进行了比较.结果表明,当铁磁作用居于主导地位时,该模型的物理行为等效于混合自旋模型.因此,可以通过分析铁磁-反铁磁交替自旋链的物理性质研究混合自旋链的物理行为.
2012, 61(6): 067701.
doi: 10.7498/aps.61.067701
摘要:
通过光刺激放电(PSD)技术研究了纳米粉末掺杂低密度聚乙烯(LDPE)中的陷阱能级.利用连续扫描法得到了不同掺杂比例的Al2O3,MgO纳米粉末掺杂试样以及相同掺杂比例的多种纳米粉末掺杂试样的PSD电流谱,定性地得出了试样陷阱能级的深浅变化.分步扫描法定量地描述了LDPE试样在Al2O3纳米掺杂前后陷阱能量分布的变化.结果表明,掺杂比例大于0.2%的Al2O3纳米粉末掺杂、大于0.5%的MgO纳米粉末掺杂能够显著地使得LDPE陷阱能级变深.结合纳米掺杂对LDPE空间电荷注入影响的相关报道,可推测纳米掺杂对空间电荷注入的抑制与试样中陷阱能级变深存在密切的关联.
通过光刺激放电(PSD)技术研究了纳米粉末掺杂低密度聚乙烯(LDPE)中的陷阱能级.利用连续扫描法得到了不同掺杂比例的Al2O3,MgO纳米粉末掺杂试样以及相同掺杂比例的多种纳米粉末掺杂试样的PSD电流谱,定性地得出了试样陷阱能级的深浅变化.分步扫描法定量地描述了LDPE试样在Al2O3纳米掺杂前后陷阱能量分布的变化.结果表明,掺杂比例大于0.2%的Al2O3纳米粉末掺杂、大于0.5%的MgO纳米粉末掺杂能够显著地使得LDPE陷阱能级变深.结合纳米掺杂对LDPE空间电荷注入影响的相关报道,可推测纳米掺杂对空间电荷注入的抑制与试样中陷阱能级变深存在密切的关联.
2012, 61(6): 067801.
doi: 10.7498/aps.61.067801
摘要:
基于金属-氧化物-半导体-场效应管(MOSFET)辐射损伤的微观机理,推导出了MOSFET经历辐照之后氧化层空穴俘获与阈值电压漂移之间关系的表达式.又根据MOSFET中1/f噪声产生的微观机理,建立了辐照之前MOSFET的1/f噪声功率谱幅值与阈值电压漂移量之间的定量关系,并通过实验予以验证.结果表明,辐照之前的1/f噪声功率谱幅值与辐照之后的阈值电压漂移量存在正比例关系,阈值电压漂移量可以反映出MOSFET内部的潜在缺陷的退化程度,因此,该模型有助于利用1/f噪声参量来表征MOSFET内部潜在缺陷的数量和严重程度.
基于金属-氧化物-半导体-场效应管(MOSFET)辐射损伤的微观机理,推导出了MOSFET经历辐照之后氧化层空穴俘获与阈值电压漂移之间关系的表达式.又根据MOSFET中1/f噪声产生的微观机理,建立了辐照之前MOSFET的1/f噪声功率谱幅值与阈值电压漂移量之间的定量关系,并通过实验予以验证.结果表明,辐照之前的1/f噪声功率谱幅值与辐照之后的阈值电压漂移量存在正比例关系,阈值电压漂移量可以反映出MOSFET内部的潜在缺陷的退化程度,因此,该模型有助于利用1/f噪声参量来表征MOSFET内部潜在缺陷的数量和严重程度.
2012, 61(6): 068001.
doi: 10.7498/aps.61.068001
摘要:
硅通孔(TSV)是三维集成电路的一种主流技术.基于TSV寄生参数提取模型,对不同物理尺寸的TSV电阻-电容(RC)参数进行提取,采用Q3D仿真结果验证了模型精度.分析TSVRC效应对片上系统的性能及功耗影响,推导了插入缓冲器的三维互连线延时与功耗的解析模型.在45nm互补金属氧化物半导体工艺下,对不同规模的互连电路进行了比较分析.模拟结果显示,TSVRC效应导致互连延时平均增加10%,互连功耗密度平均提高21%;电路规模越小,TSV影响愈加显著.在三维片上系统前端设计中,包含TSV寄生参数的互连模型将有助于设计者更加精确地预测片上互连性能.
硅通孔(TSV)是三维集成电路的一种主流技术.基于TSV寄生参数提取模型,对不同物理尺寸的TSV电阻-电容(RC)参数进行提取,采用Q3D仿真结果验证了模型精度.分析TSVRC效应对片上系统的性能及功耗影响,推导了插入缓冲器的三维互连线延时与功耗的解析模型.在45nm互补金属氧化物半导体工艺下,对不同规模的互连电路进行了比较分析.模拟结果显示,TSVRC效应导致互连延时平均增加10%,互连功耗密度平均提高21%;电路规模越小,TSV影响愈加显著.在三维片上系统前端设计中,包含TSV寄生参数的互连模型将有助于设计者更加精确地预测片上互连性能.
2012, 61(6): 068401.
doi: 10.7498/aps.61.068401
摘要:
使用时域有限差分法,研究了各向异性特异材料(AMM)作为包层的AMM/介质/AMM波导中表面等离子体的共振性质.色散关系表明,当特异材料为负磁导率的always-cutoff型时,AMM/介质/AMM波导支持TE极化的表面等离子体,表面等离子体的波长随着中间介质层的厚度和特异材料磁等离子体频率的减小而变短.在有限长度AMM/介质/AMM波导中,由于两端界面的反射,表面等离子体模在波导中形成Fabry-Perot共振,而实现亚波长的表面等离子体微腔.在共振频率,电场强度在微腔的中部达到最大值,而磁场分别在两端界面处达到最大,电磁能强局域在中间介质层中,这一性质将在可调的具有强局域特性的亚波长微腔及腔量子电动力学中具有潜在的应用.
使用时域有限差分法,研究了各向异性特异材料(AMM)作为包层的AMM/介质/AMM波导中表面等离子体的共振性质.色散关系表明,当特异材料为负磁导率的always-cutoff型时,AMM/介质/AMM波导支持TE极化的表面等离子体,表面等离子体的波长随着中间介质层的厚度和特异材料磁等离子体频率的减小而变短.在有限长度AMM/介质/AMM波导中,由于两端界面的反射,表面等离子体模在波导中形成Fabry-Perot共振,而实现亚波长的表面等离子体微腔.在共振频率,电场强度在微腔的中部达到最大值,而磁场分别在两端界面处达到最大,电磁能强局域在中间介质层中,这一性质将在可调的具有强局域特性的亚波长微腔及腔量子电动力学中具有潜在的应用.
2012, 61(6): 068402.
doi: 10.7498/aps.61.068402
摘要:
厚屏频率选择表面能较好地改善FSS带宽性能,是实现隐身雷达天线罩的有效手段.为了全面掌握厚屏FSS的传输特性,给FSS的工程应用提供可靠依据,本文设计了一种介质-金属加载圆孔单元的厚屏频率选择表面.采用矩量法对此结构进行分析计算,主要研究了加载金属直径、加载介质厚度、电磁波入射角等几个参数对厚屏FSS传输特性的影响规律.仿真实验结果表明:带宽、中心频率及其透过率都对填充介质直径、加载金属直径、加载介质厚度、电磁波入射角和不同排列方式有不同程度的敏感性,可以通过合理调整加载金属直径及加载介质厚度来获得较宽的通带和较高的透过率.这为实现厚屏FSS在曲面隐身雷达天线罩上的应用提供了一种有价值的借鉴.
厚屏频率选择表面能较好地改善FSS带宽性能,是实现隐身雷达天线罩的有效手段.为了全面掌握厚屏FSS的传输特性,给FSS的工程应用提供可靠依据,本文设计了一种介质-金属加载圆孔单元的厚屏频率选择表面.采用矩量法对此结构进行分析计算,主要研究了加载金属直径、加载介质厚度、电磁波入射角等几个参数对厚屏FSS传输特性的影响规律.仿真实验结果表明:带宽、中心频率及其透过率都对填充介质直径、加载金属直径、加载介质厚度、电磁波入射角和不同排列方式有不同程度的敏感性,可以通过合理调整加载金属直径及加载介质厚度来获得较宽的通带和较高的透过率.这为实现厚屏FSS在曲面隐身雷达天线罩上的应用提供了一种有价值的借鉴.
2012, 61(6): 068501.
doi: 10.7498/aps.61.068501
摘要:
针对GaN光电阴极表面势垒对电子逸出几率的影响问题,应用玻尓兹曼分布和基于Airy函数的传递矩阵法计算了GaN光电阴极的电子逸出几率,发现电子逸出几率主要由I势垒决定,II势垒对电子逸出几率的影响有限.利用自行研制的GaN光电阴极激活评估实验系统,测试了透射式GaN光电阴极样品的激活光电流.实验发现,Cs单独激活引起电子逸出几率的显著增加,而Cs单独充分激活后的Cs/O交替激活对电子逸出几率的影响有限.理论计算结果与激活光电流测试结果一致,其原因是Cs单独激活对降低真空能级的贡献远大于Cs/O共同激活.
针对GaN光电阴极表面势垒对电子逸出几率的影响问题,应用玻尓兹曼分布和基于Airy函数的传递矩阵法计算了GaN光电阴极的电子逸出几率,发现电子逸出几率主要由I势垒决定,II势垒对电子逸出几率的影响有限.利用自行研制的GaN光电阴极激活评估实验系统,测试了透射式GaN光电阴极样品的激活光电流.实验发现,Cs单独激活引起电子逸出几率的显著增加,而Cs单独充分激活后的Cs/O交替激活对电子逸出几率的影响有限.理论计算结果与激活光电流测试结果一致,其原因是Cs单独激活对降低真空能级的贡献远大于Cs/O共同激活.
2012, 61(6): 068701.
doi: 10.7498/aps.61.068701
摘要:
利用基于方向持续度及均方位移的轨迹自动识别方法,研究了单细胞内表皮生长因子受体(EGFR)运输轨迹的模式特征,将EGFR运动逐段划分为定向运动、超扩散运动、布朗运动和次扩散运动四种模式,计算了不同运动模式的动力学参数并讨论了其所揭示的受体运动的生物信息.
利用基于方向持续度及均方位移的轨迹自动识别方法,研究了单细胞内表皮生长因子受体(EGFR)运输轨迹的模式特征,将EGFR运动逐段划分为定向运动、超扩散运动、布朗运动和次扩散运动四种模式,计算了不同运动模式的动力学参数并讨论了其所揭示的受体运动的生物信息.
2012, 61(6): 068702.
doi: 10.7498/aps.61.068702
摘要:
噪声广泛存在于生物神经系统中,对系统功能具有重要作用.采用神经元二维映射模型构建一个复杂神经网络,由多个小世界子网络构成,研究了Gaussian白噪声诱导的随机共振现象.研究发现,只有合适的噪声强度才能使神经网络对输入刺激信号的频率响应达到峰值.另外,网络结构对系统随机共振特性有重要影响.在固定的耦合强度下,存在一个最优的局部小世界子网络结构,使得整个系统的频率响应最佳.
噪声广泛存在于生物神经系统中,对系统功能具有重要作用.采用神经元二维映射模型构建一个复杂神经网络,由多个小世界子网络构成,研究了Gaussian白噪声诱导的随机共振现象.研究发现,只有合适的噪声强度才能使神经网络对输入刺激信号的频率响应达到峰值.另外,网络结构对系统随机共振特性有重要影响.在固定的耦合强度下,存在一个最优的局部小世界子网络结构,使得整个系统的频率响应最佳.
2012, 61(6): 068703.
doi: 10.7498/aps.61.068703
摘要:
随着惯性约束核聚变(ICF)研究的逐步深入,尤其是氘氚(DT)燃料层球壳梯度掺杂的广泛应用,对轻物质界面的诊断需求日益增长.在北京同步辐射形貌成像站的微米CT机上利用类同轴相衬成像方法获取了三层球壳靶丸的相衬图像,最佳空间分辨率达到了2upm,衬度达到12%;通过分析边缘增强函数和衬度传递函数之间的关系,总结出一套完整的类同轴相衬成像方法,同时将相衬成像结果与吸收成像结果对比.实验结果表明,X射线相衬成像在轻物质界面的分辨中具有明显的优势,能够广泛应用于ICF研究、医学断层扫描CT装置和生物结构等前沿科学领域.
随着惯性约束核聚变(ICF)研究的逐步深入,尤其是氘氚(DT)燃料层球壳梯度掺杂的广泛应用,对轻物质界面的诊断需求日益增长.在北京同步辐射形貌成像站的微米CT机上利用类同轴相衬成像方法获取了三层球壳靶丸的相衬图像,最佳空间分辨率达到了2upm,衬度达到12%;通过分析边缘增强函数和衬度传递函数之间的关系,总结出一套完整的类同轴相衬成像方法,同时将相衬成像结果与吸收成像结果对比.实验结果表明,X射线相衬成像在轻物质界面的分辨中具有明显的优势,能够广泛应用于ICF研究、医学断层扫描CT装置和生物结构等前沿科学领域.
2012, 61(6): 069201.
doi: 10.7498/aps.61.069201
摘要:
许多观测资料中存在着各种各样的趋势,如季节变化引起的周期性趋势、全球变暖所造成的线性趋势、多项式趋势等.鉴于此,本文研究了各种趋势对滑动移除近似熵的影响.数值试验结果表明,周期性趋势、线性趋势及非线性趋势均对滑动移除近似熵的突变检测结果影响较小,论证了滑动移除近似熵方法检测突变的可靠性,为该方法在实际观测资料中的广泛应用提供了实验基础.
许多观测资料中存在着各种各样的趋势,如季节变化引起的周期性趋势、全球变暖所造成的线性趋势、多项式趋势等.鉴于此,本文研究了各种趋势对滑动移除近似熵的影响.数值试验结果表明,周期性趋势、线性趋势及非线性趋势均对滑动移除近似熵的突变检测结果影响较小,论证了滑动移除近似熵方法检测突变的可靠性,为该方法在实际观测资料中的广泛应用提供了实验基础.
2012, 61(6): 069202.
doi: 10.7498/aps.61.069202
摘要:
利用闪电VHF辐射源短基线定位系统2009年东北大兴安岭地区的观测资料,对正、负地闪和云闪放电过程中的VHF辐射源进行了定位研究.根据闪电VHF辐射源的二维位置(方位角和仰角)随时间的演变特征,结合同步观测的快、慢电场变化资料分析发现,持续时间较长的地闪预击穿过程在云中的放电通道呈双层结构,预击穿过程结束阶段的云内放电表现为反冲流光,预击穿过程的平均速度在104m/s量级.预击穿过程为梯级先导的发展提供了必要的条件,梯级先导从预击穿起始位置开始并向下发展,产生较强的辐射,平均速度在105m/s量级.K过程主要是流光沿之前已电离通道的传输.正、负地闪回击阶段前后的放电特征有明显不同,正地闪回击之后,连续电流期间的较长时间的云内放电产生较强的VHF辐射.对闪电在125200MHz频段范围的VHF辐射频谱特征的统计分析发现,辐射能量呈现出幅值随频率增加而减小的趋势,在通带范围上基本遵循f-2.9的衰减率递减.
利用闪电VHF辐射源短基线定位系统2009年东北大兴安岭地区的观测资料,对正、负地闪和云闪放电过程中的VHF辐射源进行了定位研究.根据闪电VHF辐射源的二维位置(方位角和仰角)随时间的演变特征,结合同步观测的快、慢电场变化资料分析发现,持续时间较长的地闪预击穿过程在云中的放电通道呈双层结构,预击穿过程结束阶段的云内放电表现为反冲流光,预击穿过程的平均速度在104m/s量级.预击穿过程为梯级先导的发展提供了必要的条件,梯级先导从预击穿起始位置开始并向下发展,产生较强的辐射,平均速度在105m/s量级.K过程主要是流光沿之前已电离通道的传输.正、负地闪回击阶段前后的放电特征有明显不同,正地闪回击之后,连续电流期间的较长时间的云内放电产生较强的VHF辐射.对闪电在125200MHz频段范围的VHF辐射频谱特征的统计分析发现,辐射能量呈现出幅值随频率增加而减小的趋势,在通带范围上基本遵循f-2.9的衰减率递减.
2012, 61(6): 069301.
doi: 10.7498/aps.61.069301
摘要:
粒子滤波(particle filter,PF)是利用蒙特卡洛仿真方法处理递推估计问题的非线性滤波算法,这种方法不受模型线性和高斯假设的约束,是处理非线性非高斯动态系统状态估计的有效算法,适用于雷达回波反演大气波导(RFC)这类非线性非高斯问题.文中分别介绍了PF的基本思想和具体算法实现步骤,最后导出PF反演算法的迭代求解格式.数值试验结果表明,与扩展卡尔曼滤波(extended kalman filter,EKF)和不敏卡尔曼滤波(unscented kalman filter,UKF)相比,PF更适用于RFC这类高度非线性反演问题,可有效提高反演结果的稳定性和精度.
粒子滤波(particle filter,PF)是利用蒙特卡洛仿真方法处理递推估计问题的非线性滤波算法,这种方法不受模型线性和高斯假设的约束,是处理非线性非高斯动态系统状态估计的有效算法,适用于雷达回波反演大气波导(RFC)这类非线性非高斯问题.文中分别介绍了PF的基本思想和具体算法实现步骤,最后导出PF反演算法的迭代求解格式.数值试验结果表明,与扩展卡尔曼滤波(extended kalman filter,EKF)和不敏卡尔曼滤波(unscented kalman filter,UKF)相比,PF更适用于RFC这类高度非线性反演问题,可有效提高反演结果的稳定性和精度.
2012, 61(6): 069501.
doi: 10.7498/aps.61.069501
摘要:
相位差波前检测方法由于其结构简单,对环境要求低,测量精度较高等优点,被应用于诸多领域.本文针对拼接型天文望远镜中主镜的共相位检测问题,对相位差波前检测方法在拼接主镜各子镜间平移误差测量进行理论分析,并搭建了实验光路.实验结果表明:相位差波前检测方法对拼接镜平移误差的测量精度高于/20(为波长),满足系统对拼接平移误差的要求.
相位差波前检测方法由于其结构简单,对环境要求低,测量精度较高等优点,被应用于诸多领域.本文针对拼接型天文望远镜中主镜的共相位检测问题,对相位差波前检测方法在拼接主镜各子镜间平移误差测量进行理论分析,并搭建了实验光路.实验结果表明:相位差波前检测方法对拼接镜平移误差的测量精度高于/20(为波长),满足系统对拼接平移误差的要求.
2012, 61(6): 069701.
doi: 10.7498/aps.61.069701
摘要:
脉冲星信号的周期估计在脉冲星搜索、观测以及定时研究中具有重要作用.在分析脉冲星周期频域识别方法的基础上,基于脉冲星观测信号的二阶循环平稳模型,提出了一种周期估计的时域新方法最大相关方差搜索法.通过对观测信号按假定周期(可变)分组,计算分组后不同时刻的相关系数,进一步得到系数的方差,然后寻找不同周期下的方差最大值,即可得到脉冲星的辐射周期估计.分别对单峰脉冲星(PSRJ0437-4715)的实测信号、双峰脉冲星(PSRB1821-24)的仿真信号以及ATNFEPN数据库中的多颗脉冲星数据进行了周期估计,均得到了令人满意的结果.对众多脉冲星的计算结果表明,与傅里叶频谱法相比,该时域方法对噪声不敏感,尤其在低信噪比情况下仍表现出较优越的性能;与双谱相干统计量方法[6]相比,运算复杂度更低;尽管其在处理非连续观测数据时能力不足,但仍然可为微弱脉冲星的实时周期估计提供有力参考.
脉冲星信号的周期估计在脉冲星搜索、观测以及定时研究中具有重要作用.在分析脉冲星周期频域识别方法的基础上,基于脉冲星观测信号的二阶循环平稳模型,提出了一种周期估计的时域新方法最大相关方差搜索法.通过对观测信号按假定周期(可变)分组,计算分组后不同时刻的相关系数,进一步得到系数的方差,然后寻找不同周期下的方差最大值,即可得到脉冲星的辐射周期估计.分别对单峰脉冲星(PSRJ0437-4715)的实测信号、双峰脉冲星(PSRB1821-24)的仿真信号以及ATNFEPN数据库中的多颗脉冲星数据进行了周期估计,均得到了令人满意的结果.对众多脉冲星的计算结果表明,与傅里叶频谱法相比,该时域方法对噪声不敏感,尤其在低信噪比情况下仍表现出较优越的性能;与双谱相干统计量方法[6]相比,运算复杂度更低;尽管其在处理非连续观测数据时能力不足,但仍然可为微弱脉冲星的实时周期估计提供有力参考.
