2013年 62卷 第4期
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2013, 62(4): 040201.
doi: 10.7498/aps.62.040201
摘要:
为了了解水平温度梯度作用下旋转环形浅液池内耦合热-溶质毛细对流基本特征, 采用匹配渐近展开法对旋转环形浅液池内耦合热-溶质毛细对流过程进行了求解, 获得了中心区域的速度、温度和浓度分布,分析了旋转、Soret效应、浮力、溶质扩散 系数和液池的几何尺寸对流动结构的影响.将所得到的渐近解和文献中的已有结果进行对比,证明了所求结果的正确性;在浅液池内,耦合热-溶质毛细力对流体流动起主导作用, 旋转和浮力对流动的影响较小,溶质扩散系数和几何尺寸有较明显影响;当各种耦合的 驱动力作用方向相同时,流动增强;否则, 流动减弱.
为了了解水平温度梯度作用下旋转环形浅液池内耦合热-溶质毛细对流基本特征, 采用匹配渐近展开法对旋转环形浅液池内耦合热-溶质毛细对流过程进行了求解, 获得了中心区域的速度、温度和浓度分布,分析了旋转、Soret效应、浮力、溶质扩散 系数和液池的几何尺寸对流动结构的影响.将所得到的渐近解和文献中的已有结果进行对比,证明了所求结果的正确性;在浅液池内,耦合热-溶质毛细力对流体流动起主导作用, 旋转和浮力对流动的影响较小,溶质扩散系数和几何尺寸有较明显影响;当各种耦合的 驱动力作用方向相同时,流动增强;否则, 流动减弱.
2013, 62(4): 040202.
doi: 10.7498/aps.62.040202
摘要:
通过分析对称性破缺分岔机制, 采用了一个直接的、有效的线性控制器, 精确控制了一类三次方对称离散混沌系统发生对称性破缺分岔和倍周期分岔时分岔点的位置. 进而分析了系统对初始值的敏感性和对称性, 选择合适的吸引域, 将对称性破缺分岔进行进一步控制, 从而使得对称性破缺分岔所缺解枝得以恢复. 数值结果表明了该控制器的有效性.
通过分析对称性破缺分岔机制, 采用了一个直接的、有效的线性控制器, 精确控制了一类三次方对称离散混沌系统发生对称性破缺分岔和倍周期分岔时分岔点的位置. 进而分析了系统对初始值的敏感性和对称性, 选择合适的吸引域, 将对称性破缺分岔进行进一步控制, 从而使得对称性破缺分岔所缺解枝得以恢复. 数值结果表明了该控制器的有效性.
2013, 62(4): 040203.
doi: 10.7498/aps.62.040203
摘要:
研究了一类具有非线性阻尼力和强迫周期力项的相对转动扰动动力学方程. 首先利用变分原理构造了广义变分迭代, 其次决定方程的初始近似, 最后通过迭代表示式得到了对应方程的任意次近似解.
研究了一类具有非线性阻尼力和强迫周期力项的相对转动扰动动力学方程. 首先利用变分原理构造了广义变分迭代, 其次决定方程的初始近似, 最后通过迭代表示式得到了对应方程的任意次近似解.
2013, 62(4): 040301.
doi: 10.7498/aps.62.040301
摘要:
提出了一种将新型的神经网络互学习模型和常见的多混沌系统融合互扰的复合流密码方案. 首先利用三个Logistics混沌映射产生的随机序列作为神经网络互学习模型中三个 隐含层神经元的随机输入, 神经网络交互学习达到内部权值同步后, 再将同步权值映射为随机序列并与三个Logistics序列复合产生最终的密钥流. 实验表明, 产生的密钥流具有更好的随机性, 混沌流加密应用效果好.
提出了一种将新型的神经网络互学习模型和常见的多混沌系统融合互扰的复合流密码方案. 首先利用三个Logistics混沌映射产生的随机序列作为神经网络互学习模型中三个 隐含层神经元的随机输入, 神经网络交互学习达到内部权值同步后, 再将同步权值映射为随机序列并与三个Logistics序列复合产生最终的密钥流. 实验表明, 产生的密钥流具有更好的随机性, 混沌流加密应用效果好.
2013, 62(4): 040501.
doi: 10.7498/aps.62.040501
摘要:
讨论了分数阶Frenkel-Kontorova模型的物理意义, 并应用该模型刻画了耦合粒子链在记忆性介质中的输运现象, 研究了各参数对粒子链运动状态的影响. 数值仿真结果表明: 系统的记忆性对粒子链的运动有显著影响, 尤其出现了在非记忆性情况下所不具有的反向流. 同时发现粒子链的平均流速会随耦合强度、分数阶的阶数变化而产生广义共振; 此外, 平均流速还会随噪声强度的变化出现广义随机共振现象.
讨论了分数阶Frenkel-Kontorova模型的物理意义, 并应用该模型刻画了耦合粒子链在记忆性介质中的输运现象, 研究了各参数对粒子链运动状态的影响. 数值仿真结果表明: 系统的记忆性对粒子链的运动有显著影响, 尤其出现了在非记忆性情况下所不具有的反向流. 同时发现粒子链的平均流速会随耦合强度、分数阶的阶数变化而产生广义共振; 此外, 平均流速还会随噪声强度的变化出现广义随机共振现象.
2013, 62(4): 040502.
doi: 10.7498/aps.62.040502
摘要:
针对数字控制三相逆变系统, 对其在同步旋转坐标系比例控制下的局部振荡行为进行了分析.通过建立系统各个状态变量离散迭代方程, 针对这个高阶系统提出了各种不稳定行为的解析判别式. 以此为基础,得到了系统产生局部振荡的条件,以及控制参数与局部振荡点的关系. 最后,通过Simulink仿真以及电路实验证明了理论分析的正确性以及有效性. 研究结果揭示了三相逆变系统的运动行为及各相之间的内在耦合关系, 并准确地描述了系统产生的局部振荡现象.
针对数字控制三相逆变系统, 对其在同步旋转坐标系比例控制下的局部振荡行为进行了分析.通过建立系统各个状态变量离散迭代方程, 针对这个高阶系统提出了各种不稳定行为的解析判别式. 以此为基础,得到了系统产生局部振荡的条件,以及控制参数与局部振荡点的关系. 最后,通过Simulink仿真以及电路实验证明了理论分析的正确性以及有效性. 研究结果揭示了三相逆变系统的运动行为及各相之间的内在耦合关系, 并准确地描述了系统产生的局部振荡现象.
2013, 62(4): 040503.
doi: 10.7498/aps.62.040503
摘要:
针对具有随机节点结构的复杂网络, 研究其同步问题. 基于Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式技术给出了复杂网络同步稳定的充分性条件, 该充分性条件不仅与复杂网络的状态时延有关, 还与节点结构的概率分布有关. 数值仿真表明本文方法的有效性.
针对具有随机节点结构的复杂网络, 研究其同步问题. 基于Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式技术给出了复杂网络同步稳定的充分性条件, 该充分性条件不仅与复杂网络的状态时延有关, 还与节点结构的概率分布有关. 数值仿真表明本文方法的有效性.
2013, 62(4): 040504.
doi: 10.7498/aps.62.040504
摘要:
通过数值模拟的方法对非局域非线性自散焦材料中的光学 涡旋孤子的传输特性以及相互作用特性进行了研究. 研究表明, 拓扑荷|m|=1的非局域涡旋孤子是稳定的, 而拓扑荷|m|>1的非局域涡旋孤子均具有拓扑不稳定性. 在微扰存在的情况下以及在近距离相互作用的过程中, |m|>1的涡旋孤子会分裂成一系列的|m|=1的涡旋孤子. 非局域涡旋孤子与局域涡旋孤子具有相同的长距离相互作用模式, 即点涡旋相互作用模式. 但两者的短距离相互作用存在一些差别, 在相同的距离下, 两涡旋间的相互绕转的周期随着材料的非局域响应长度增大而增大.
通过数值模拟的方法对非局域非线性自散焦材料中的光学 涡旋孤子的传输特性以及相互作用特性进行了研究. 研究表明, 拓扑荷|m|=1的非局域涡旋孤子是稳定的, 而拓扑荷|m|>1的非局域涡旋孤子均具有拓扑不稳定性. 在微扰存在的情况下以及在近距离相互作用的过程中, |m|>1的涡旋孤子会分裂成一系列的|m|=1的涡旋孤子. 非局域涡旋孤子与局域涡旋孤子具有相同的长距离相互作用模式, 即点涡旋相互作用模式. 但两者的短距离相互作用存在一些差别, 在相同的距离下, 两涡旋间的相互绕转的周期随着材料的非局域响应长度增大而增大.
2013, 62(4): 040701.
doi: 10.7498/aps.62.040701
摘要:
通过数值计算及粒子模拟程序, 分析了强流电子束阻抗、电压及电流特性对相对论速调管放大器(relativistic klystron amplifier, RKA)中束流调制、群聚特性的影响, 其中粒子模拟程序中采用 束发射方式以精确控制电子束的阻抗.结果表明, 低阻抗电子束有利于减小群聚距离, 缩短RKA器件的整体长度, 不利于注入微波对电子束的调制, 而高阻抗电子束情况正好相反.在电子束阻抗不变时, 增加电子束加速电压类似于增大电子束阻抗的情况.另外, 用粒子模拟方法确定了不同阻抗电子束对特定输入腔的电子负载电导, 从而可以得到不同阻抗的强流电子束对种子源 功率水平的需求以及对输入腔外观品质因数的要求.
通过数值计算及粒子模拟程序, 分析了强流电子束阻抗、电压及电流特性对相对论速调管放大器(relativistic klystron amplifier, RKA)中束流调制、群聚特性的影响, 其中粒子模拟程序中采用 束发射方式以精确控制电子束的阻抗.结果表明, 低阻抗电子束有利于减小群聚距离, 缩短RKA器件的整体长度, 不利于注入微波对电子束的调制, 而高阻抗电子束情况正好相反.在电子束阻抗不变时, 增加电子束加速电压类似于增大电子束阻抗的情况.另外, 用粒子模拟方法确定了不同阻抗电子束对特定输入腔的电子负载电导, 从而可以得到不同阻抗的强流电子束对种子源 功率水平的需求以及对输入腔外观品质因数的要求.
2013, 62(4): 040702.
doi: 10.7498/aps.62.040702
摘要:
提出了结合稀疏编码和空间约束的红外图像聚类分割新算法, 在稀疏编码的基础上融合聚类算法, 扩展了传统的基于K-means聚类的图像分割方法. 结合稀疏编码的聚类分割算法能有效融合图像的局部信息, 便于利用像素之间的内在相关性, 但是对于分割会出现过分割和像素难以归类的问题.为此, 在字典的学习过程中, 将原子的聚类算法引入其中, 有助于缩减字典中原子所属类别的数目, 防止出现过分割; 考虑到像素及其邻域像素具有类别属性一致性的特点, 引入了空间类别属性约束信息, 并给出了一种交替优化算法. 联合学习字典、稀疏系数、聚类中心和隶属度, 将稀疏编码系数同原子对聚类中心的隶属程度相结合, 构造像素归属度来判断像素所属的类别. 实验结果表明, 该方法能够有效提高红外图像重要区域的分割效果, 具有较好的鲁棒性.
提出了结合稀疏编码和空间约束的红外图像聚类分割新算法, 在稀疏编码的基础上融合聚类算法, 扩展了传统的基于K-means聚类的图像分割方法. 结合稀疏编码的聚类分割算法能有效融合图像的局部信息, 便于利用像素之间的内在相关性, 但是对于分割会出现过分割和像素难以归类的问题.为此, 在字典的学习过程中, 将原子的聚类算法引入其中, 有助于缩减字典中原子所属类别的数目, 防止出现过分割; 考虑到像素及其邻域像素具有类别属性一致性的特点, 引入了空间类别属性约束信息, 并给出了一种交替优化算法. 联合学习字典、稀疏系数、聚类中心和隶属度, 将稀疏编码系数同原子对聚类中心的隶属程度相结合, 构造像素归属度来判断像素所属的类别. 实验结果表明, 该方法能够有效提高红外图像重要区域的分割效果, 具有较好的鲁棒性.
2013, 62(4): 043101.
doi: 10.7498/aps.62.043101
摘要:
采用Davidson修正的内收缩多参考组态相互作用方法(MRCI+Q)及相关一致基aug-cc-pV5Z和aug-cc-pVQZ分别计算了SiSe分子X1Σ+和A1Π电子态的势能曲线. 为提高势能曲线的计算精度, 利用两点总能量外推公式, 将两个电子态的势能曲线外推至完全基组极限, 并对其进行了标量相对论修正, 相对论效应是在cc-pV5Z基组水平下使用三级Douglas-Kroll-Hess哈密顿算符计算的. 利用MRCI+Q/Q5+DK理论水平的势能曲线获得了这两个态的光谱常数(Te, De, Re, ωe, ωexe, ωeye, Be和αe)和J=0时前30个振动态的Bυ和Dυ等分子常数. 其值与已有的实验结果非常一致. 本文得到的光谱常数和分子常数达到了很高精度, 能为进一步的光谱实验和理论研究提供可靠参考.
采用Davidson修正的内收缩多参考组态相互作用方法(MRCI+Q)及相关一致基aug-cc-pV5Z和aug-cc-pVQZ分别计算了SiSe分子X1Σ+和A1Π电子态的势能曲线. 为提高势能曲线的计算精度, 利用两点总能量外推公式, 将两个电子态的势能曲线外推至完全基组极限, 并对其进行了标量相对论修正, 相对论效应是在cc-pV5Z基组水平下使用三级Douglas-Kroll-Hess哈密顿算符计算的. 利用MRCI+Q/Q5+DK理论水平的势能曲线获得了这两个态的光谱常数(Te, De, Re, ωe, ωexe, ωeye, Be和αe)和J=0时前30个振动态的Bυ和Dυ等分子常数. 其值与已有的实验结果非常一致. 本文得到的光谱常数和分子常数达到了很高精度, 能为进一步的光谱实验和理论研究提供可靠参考.
2013, 62(4): 043102.
doi: 10.7498/aps.62.043102
摘要:
利用基于密度泛函理论的第一性原理对不同P掺杂形式(P替位Ti, P替位O, 间隙P)的锐钛矿相TiO2的晶格常数、电荷布居、能带结构、分态密度和吸收光谱进行了计算. 结果表明, P替位Ti时, TiO2体积减小, P替位O和间隙P的存在使TiO2的体积膨胀; 替位Ti的P和间隙P均有不同程度的氧化, 而替位O的P带有负电荷. 三种P掺杂形式均导致锐钛矿相TiO2禁带宽度的增大, 并在TiO2禁带之内引入了掺杂局域能级. P掺杂导致TiO2禁带宽度增大的程度依次为: 间隙P>P替位Ti>P替位O. 吸收光谱的计算结果表明, P替位Ti并不能增强TiO2的可见光吸收能力, 但间隙P的存在大幅提高了TiO2的可见光光吸收能力, 间隙P有可能是造成实验上P掺杂增强锐钛矿相TiO2光催化活性的重要原因.
利用基于密度泛函理论的第一性原理对不同P掺杂形式(P替位Ti, P替位O, 间隙P)的锐钛矿相TiO2的晶格常数、电荷布居、能带结构、分态密度和吸收光谱进行了计算. 结果表明, P替位Ti时, TiO2体积减小, P替位O和间隙P的存在使TiO2的体积膨胀; 替位Ti的P和间隙P均有不同程度的氧化, 而替位O的P带有负电荷. 三种P掺杂形式均导致锐钛矿相TiO2禁带宽度的增大, 并在TiO2禁带之内引入了掺杂局域能级. P掺杂导致TiO2禁带宽度增大的程度依次为: 间隙P>P替位Ti>P替位O. 吸收光谱的计算结果表明, P替位Ti并不能增强TiO2的可见光吸收能力, 但间隙P的存在大幅提高了TiO2的可见光光吸收能力, 间隙P有可能是造成实验上P掺杂增强锐钛矿相TiO2光催化活性的重要原因.
2013, 62(4): 043201.
doi: 10.7498/aps.62.043201
摘要:
利用理论模型成像方法, 对氢负离子在变形球面附近的光剥离进行了研究. 首先, 推导出了光剥离电子通量的计算公式, 然后对电子通量分布和光剥离截面进行了计算.结果表明: 平面效应只在一定范围内对氢负离子的光剥离过程产生影响. 在距离z轴比较近的区域, 球面效应起主要作用, 电子通量分布和光剥离截面与只有球面存在的情况一致, 此时平面效应可以忽略; 距离z轴较远的区域, 平面效应和球面效应共同起作用, 此时变形球面对光剥离过程会产生比较大的影响. 当球面半径和氢负离子到球面之间的距离给定, 随着入射光子的能量增大, 光剥离电子通量的振幅先增大后减小, 然后又慢慢增大, 振荡频率增大.当固定球面与氢负离子之间的距离, 随着球面半径的增大, 光剥离电子的通量趋向于只存在球面的情况.因此, 可以通过改变入射光子能量和球面的半径对氢负离子的光剥离进行调控. 本文的结果对于研究负离子体系在曲面附近的光剥离及光剥离 显微问题的实验研究具有一定的参考价值.
利用理论模型成像方法, 对氢负离子在变形球面附近的光剥离进行了研究. 首先, 推导出了光剥离电子通量的计算公式, 然后对电子通量分布和光剥离截面进行了计算.结果表明: 平面效应只在一定范围内对氢负离子的光剥离过程产生影响. 在距离z轴比较近的区域, 球面效应起主要作用, 电子通量分布和光剥离截面与只有球面存在的情况一致, 此时平面效应可以忽略; 距离z轴较远的区域, 平面效应和球面效应共同起作用, 此时变形球面对光剥离过程会产生比较大的影响. 当球面半径和氢负离子到球面之间的距离给定, 随着入射光子的能量增大, 光剥离电子通量的振幅先增大后减小, 然后又慢慢增大, 振荡频率增大.当固定球面与氢负离子之间的距离, 随着球面半径的增大, 光剥离电子的通量趋向于只存在球面的情况.因此, 可以通过改变入射光子能量和球面的半径对氢负离子的光剥离进行调控. 本文的结果对于研究负离子体系在曲面附近的光剥离及光剥离 显微问题的实验研究具有一定的参考价值.
2013, 62(4): 043401.
doi: 10.7498/aps.62.043401
摘要:
利用低速(V≈0.01 VBohr)高电荷态Krq+ (q=8, 10, 13, 15, 17)离子轰击金属Al表面, 获得了碰撞过程产生的300–600 nm的光谱. 实验结果表明: 低能大流强(μA/cm2量级)离子束入射金属表面, 可产生溅射原子、离子和入射离子中性化后发射的可见光. 随着入射离子势能(电荷态)增加, 碰撞过程中发射谱线的强度增强. 与激发态3d能级相比, 较高的势能可以有效地激发Al原子的电子到较高4s能级.
利用低速(V≈0.01 VBohr)高电荷态Krq+ (q=8, 10, 13, 15, 17)离子轰击金属Al表面, 获得了碰撞过程产生的300–600 nm的光谱. 实验结果表明: 低能大流强(μA/cm2量级)离子束入射金属表面, 可产生溅射原子、离子和入射离子中性化后发射的可见光. 随着入射离子势能(电荷态)增加, 碰撞过程中发射谱线的强度增强. 与激发态3d能级相比, 较高的势能可以有效地激发Al原子的电子到较高4s能级.
2013, 62(4): 044101.
doi: 10.7498/aps.62.044101
摘要:
利用坐标系转换矩阵给出实验室系中磁化等离子体介质的频域极化率张量, 采用部分分式展开方法通过傅里叶逆变换得到极化率张量的时域指数函数形式, 应用数字信号处理中的半解析递归卷积算法, 给出适用于处理任意外磁场方向情形下磁化等离子体目标电磁散射的半解析递归卷积-时域有限差分计算方法. 计算了磁化等离子体球的同极化和交叉极化后向雷达散射截面, 结果表明了算法的正确有效性.
利用坐标系转换矩阵给出实验室系中磁化等离子体介质的频域极化率张量, 采用部分分式展开方法通过傅里叶逆变换得到极化率张量的时域指数函数形式, 应用数字信号处理中的半解析递归卷积算法, 给出适用于处理任意外磁场方向情形下磁化等离子体目标电磁散射的半解析递归卷积-时域有限差分计算方法. 计算了磁化等离子体球的同极化和交叉极化后向雷达散射截面, 结果表明了算法的正确有效性.
2013, 62(4): 044102.
doi: 10.7498/aps.62.044102
摘要:
基于射频识别技术原理及Friis传输方程, 导出了无源超高频射频识别系统链路模型, 结合二端口网络分析方法, 导出了标签密集环境下的标签天线互阻抗计算表达式.利用单阅读器单标签时的标签阻抗匹配条件, 基于功率传输系数及调制因子, 分析了互偶效应对系统链路的影响.在开阔室内环境中, 测试了双标签及标签单、双平面布置情形下的阅读器天线最小发射功率及系统识别率.测试结果表明, 双标签及双平面情形下, 阅读器天线最小发射功率变化率分别为(-7%, 11.6%)及(-10%, 12.5%).
基于射频识别技术原理及Friis传输方程, 导出了无源超高频射频识别系统链路模型, 结合二端口网络分析方法, 导出了标签密集环境下的标签天线互阻抗计算表达式.利用单阅读器单标签时的标签阻抗匹配条件, 基于功率传输系数及调制因子, 分析了互偶效应对系统链路的影响.在开阔室内环境中, 测试了双标签及标签单、双平面布置情形下的阅读器天线最小发射功率及系统识别率.测试结果表明, 双标签及双平面情形下, 阅读器天线最小发射功率变化率分别为(-7%, 11.6%)及(-10%, 12.5%).
2013, 62(4): 044103.
doi: 10.7498/aps.62.044103
摘要:
设计了一种基于一阶Minkowski分形双方环(Minkowski fractal double square loop, MFDSL)电谐振器结构与电阻膜复合的超薄、 宽频带、极化不敏感和宽入射角的超材料吸波体. 该吸波体的基本结构单元由MFDSL电谐振器结构、方块电阻膜、电介质基板和金属背板组成. 采用时域有限差分算法对这种复合结构吸波体的电磁波吸收特性进行数值模拟分析. 模拟得到的反射率和吸收率表明: 该吸波体在7.5-42 GHz之间对入射电磁波具有大于90%以上的强吸收特性. 模拟得到的不同极化角和不同入射角下的吸收率表明: 该吸波体具有极化不敏感和宽入射角特性. 进一步的数值模拟结果表明, 该复合结构吸波体对电磁波的吸收主要是基于电磁谐振和电路谐振机制, 通过方块电阻的设计可以实现工作频率范围的调节.
设计了一种基于一阶Minkowski分形双方环(Minkowski fractal double square loop, MFDSL)电谐振器结构与电阻膜复合的超薄、 宽频带、极化不敏感和宽入射角的超材料吸波体. 该吸波体的基本结构单元由MFDSL电谐振器结构、方块电阻膜、电介质基板和金属背板组成. 采用时域有限差分算法对这种复合结构吸波体的电磁波吸收特性进行数值模拟分析. 模拟得到的反射率和吸收率表明: 该吸波体在7.5-42 GHz之间对入射电磁波具有大于90%以上的强吸收特性. 模拟得到的不同极化角和不同入射角下的吸收率表明: 该吸波体具有极化不敏感和宽入射角特性. 进一步的数值模拟结果表明, 该复合结构吸波体对电磁波的吸收主要是基于电磁谐振和电路谐振机制, 通过方块电阻的设计可以实现工作频率范围的调节.
2013, 62(4): 044104.
doi: 10.7498/aps.62.044104
摘要:
数值仿真研究了内嵌钛酸锶钡薄膜夹层的金属网格谐振单元人工电磁媒质的谐振行为. 垂直电磁波激励下, 电磁响应频率随着内嵌夹层钛酸锶钡薄膜介电常数的变大呈现红移, 调谐率为22.6%. 本文提出的人工电磁媒质调谐方法只需要以结构单元的上下两层金属图形本身作为电极对内嵌夹层钛酸锶钡薄膜施加电压, 极大地简化了可调谐人工电磁媒质的制备及应用, 在太赫兹人工电磁媒质调制器等方面具有潜在的应用.
数值仿真研究了内嵌钛酸锶钡薄膜夹层的金属网格谐振单元人工电磁媒质的谐振行为. 垂直电磁波激励下, 电磁响应频率随着内嵌夹层钛酸锶钡薄膜介电常数的变大呈现红移, 调谐率为22.6%. 本文提出的人工电磁媒质调谐方法只需要以结构单元的上下两层金属图形本身作为电极对内嵌夹层钛酸锶钡薄膜施加电压, 极大地简化了可调谐人工电磁媒质的制备及应用, 在太赫兹人工电磁媒质调制器等方面具有潜在的应用.
2013, 62(4): 044105.
doi: 10.7498/aps.62.044105
摘要:
超宽带微波成像技术可作为有效的方法用于乳房早期乳腺肿瘤的检测. 该方法基于乳房组织和肿瘤之间较大的电学特性差异的特点进行成像, 能提供足够的分辨率以及足够的穿透深度. 本文采用时域有限差分方法建立超宽带微波信号在三维乳房组织中传播的模型, 并采用单极德拜模型完成了生物组织色散特性的模拟. 利用8发9收的天线阵列实现微波肿瘤探测, 利用共焦成像算法对乳房组织进行图像重构并进行肿瘤定位. 仿真结果显示共焦成像算法能够实现最小直径3 mm的肿瘤的检测, 同时证实了超宽带微波成像技术应用于早期乳腺肿瘤检测的有效性.
超宽带微波成像技术可作为有效的方法用于乳房早期乳腺肿瘤的检测. 该方法基于乳房组织和肿瘤之间较大的电学特性差异的特点进行成像, 能提供足够的分辨率以及足够的穿透深度. 本文采用时域有限差分方法建立超宽带微波信号在三维乳房组织中传播的模型, 并采用单极德拜模型完成了生物组织色散特性的模拟. 利用8发9收的天线阵列实现微波肿瘤探测, 利用共焦成像算法对乳房组织进行图像重构并进行肿瘤定位. 仿真结果显示共焦成像算法能够实现最小直径3 mm的肿瘤的检测, 同时证实了超宽带微波成像技术应用于早期乳腺肿瘤检测的有效性.
2013, 62(4): 044106.
doi: 10.7498/aps.62.044106
摘要:
用综合物性测量系统测试了国产Nd2Fe14B (N50M)永磁铁在低温下(10–300 K)的M-H和M-T. 获得了N50M剩磁Br和内禀矫顽力Hci在低温下的变化图, 对其取向度和三维磁化强度进行了分析研究. 结果表明, N50M在80–150 K发生强烈自旋再取向效应, Br在120–130 K出现峰值, Hci随温度下降呈线性增加. 在130 K, Br和Hci分别比常温(300 K)增加15.6%和220%, 达到1.65 T和3638 kA/m. 在150–300 K, 随温度下降, N50M宏观取向度与外磁场均匀性逐步改善, 但在80–235 K, 微观外磁场均匀性恶化.实验研究发现, 235 K附近, N50M垂直取向方向呈现“剩余磁化强度跳跃”. 研究结果为上海光源Ⅱ期低温波荡器及其他高精度低温永磁仪器与设备的物理设计提供了参考.
用综合物性测量系统测试了国产Nd2Fe14B (N50M)永磁铁在低温下(10–300 K)的M-H和M-T. 获得了N50M剩磁Br和内禀矫顽力Hci在低温下的变化图, 对其取向度和三维磁化强度进行了分析研究. 结果表明, N50M在80–150 K发生强烈自旋再取向效应, Br在120–130 K出现峰值, Hci随温度下降呈线性增加. 在130 K, Br和Hci分别比常温(300 K)增加15.6%和220%, 达到1.65 T和3638 kA/m. 在150–300 K, 随温度下降, N50M宏观取向度与外磁场均匀性逐步改善, 但在80–235 K, 微观外磁场均匀性恶化.实验研究发现, 235 K附近, N50M垂直取向方向呈现“剩余磁化强度跳跃”. 研究结果为上海光源Ⅱ期低温波荡器及其他高精度低温永磁仪器与设备的物理设计提供了参考.
2013, 62(4): 044201.
doi: 10.7498/aps.62.044201
摘要:
研制出一种新型抗弯曲大模场面积石英光子晶体光纤. 利用光子晶体光纤结构设计的灵活性, 通过规划缺陷的位置及空气孔的尺寸, 实现了大模场面积单模及低弯曲损耗特性.应用建立的实际光子晶体光纤特性分析模型, 研究了研制光纤的模式特性和弯曲特性, 在波长1064 nm处, 平直状态下光纤的模场面积可以达到2812 μm2, 基模限制损耗为0.00024 dB/m, 高阶模限制损耗高于1.248 dB/m. 基模和高阶模之间的高传输损耗差, 保证了在获得大模场面积的同时实现单模传输. 弯曲半径和弯曲方向角所带来弯曲损耗变化的研究结果显示, 即使在弯曲半径小到5 cm时, 弯曲损耗也在10-3 dB/m量级以下, 而且在弯曲半径为30 cm时光纤可承受的弯曲方向角范围扩展至-60°–60°. 研制的光纤具有良好的低弯曲损耗特性, 可有效解决非对称结构所带来的光纤弯曲特性对弯曲方向角敏感的问题. 该光纤在高功率光纤激光器、放大器及高功率传输等技术领域具有重要的应用价值.
研制出一种新型抗弯曲大模场面积石英光子晶体光纤. 利用光子晶体光纤结构设计的灵活性, 通过规划缺陷的位置及空气孔的尺寸, 实现了大模场面积单模及低弯曲损耗特性.应用建立的实际光子晶体光纤特性分析模型, 研究了研制光纤的模式特性和弯曲特性, 在波长1064 nm处, 平直状态下光纤的模场面积可以达到2812 μm2, 基模限制损耗为0.00024 dB/m, 高阶模限制损耗高于1.248 dB/m. 基模和高阶模之间的高传输损耗差, 保证了在获得大模场面积的同时实现单模传输. 弯曲半径和弯曲方向角所带来弯曲损耗变化的研究结果显示, 即使在弯曲半径小到5 cm时, 弯曲损耗也在10-3 dB/m量级以下, 而且在弯曲半径为30 cm时光纤可承受的弯曲方向角范围扩展至-60°–60°. 研制的光纤具有良好的低弯曲损耗特性, 可有效解决非对称结构所带来的光纤弯曲特性对弯曲方向角敏感的问题. 该光纤在高功率光纤激光器、放大器及高功率传输等技术领域具有重要的应用价值.
2013, 62(4): 044202.
doi: 10.7498/aps.62.044202
摘要:
采用光线光学方法对非线性自聚焦现象进行仿真, 能够从宏观上直观地体现强激光的传输过程, 同时避免采用近轴近似、自相似近似等. 本文采用在光传输路径上垂直于光轴切片的方法, 将光的非线性传输转化为切片上的光对折射率的调制作用和切片间的线性传输. 在切片端面上统计光强后对量化误差进行了抑制, 而线性传输过程采用了亚当斯法求解光线方程从而解决了龙格库塔法等不能用于非线性光传输仿真的问题. 仿真结果显示, 强激光自聚焦在轴上有多个焦点, 且第一个焦点的位置随光功率的增大而更靠近入射位置; 由于追迹的是实际光线, 故可以得到近轴区以外区域自聚焦及成丝(环)的情况, 这对于强激光系统安全是有重要意义的. 利用已有的同样基于光线追迹方法的光学设计、仿真软件, 可以把非线性自聚焦介质和线性介质结合起来, 仿真光在实际强激光系统中的传输.
采用光线光学方法对非线性自聚焦现象进行仿真, 能够从宏观上直观地体现强激光的传输过程, 同时避免采用近轴近似、自相似近似等. 本文采用在光传输路径上垂直于光轴切片的方法, 将光的非线性传输转化为切片上的光对折射率的调制作用和切片间的线性传输. 在切片端面上统计光强后对量化误差进行了抑制, 而线性传输过程采用了亚当斯法求解光线方程从而解决了龙格库塔法等不能用于非线性光传输仿真的问题. 仿真结果显示, 强激光自聚焦在轴上有多个焦点, 且第一个焦点的位置随光功率的增大而更靠近入射位置; 由于追迹的是实际光线, 故可以得到近轴区以外区域自聚焦及成丝(环)的情况, 这对于强激光系统安全是有重要意义的. 利用已有的同样基于光线追迹方法的光学设计、仿真软件, 可以把非线性自聚焦介质和线性介质结合起来, 仿真光在实际强激光系统中的传输.
2013, 62(4): 044203.
doi: 10.7498/aps.62.044203
摘要:
采用光传播的数值模拟方法, 对伪部分相干高斯-谢尔模型光束大气传播过程进行数值模拟, 统计分析不同接收口径内的光强起伏特性,计算闪烁的孔径平滑因子, 讨论了表征伪部分相干光的调制相位屏的相对变化频率对闪烁指数的影响, 并将其与充分发展的部分相干高斯-谢尔模型光束及完全相干光的闪烁指数对比. 结果表明: 降低光源相干性可大幅度降低闪烁指数, 但同时其闪烁指数的孔径平滑效应减弱, 在相同接收孔径下, 伪部分相干光闪烁指数的孔径平滑效果要比完全相干光差; 增大调制相位屏的相对变化频率可在一定程度上降低闪烁指数, 随着其相对频率的增大, 伪部分相干光的闪烁指数与部分相干光的结果趋于一致.
采用光传播的数值模拟方法, 对伪部分相干高斯-谢尔模型光束大气传播过程进行数值模拟, 统计分析不同接收口径内的光强起伏特性,计算闪烁的孔径平滑因子, 讨论了表征伪部分相干光的调制相位屏的相对变化频率对闪烁指数的影响, 并将其与充分发展的部分相干高斯-谢尔模型光束及完全相干光的闪烁指数对比. 结果表明: 降低光源相干性可大幅度降低闪烁指数, 但同时其闪烁指数的孔径平滑效应减弱, 在相同接收孔径下, 伪部分相干光闪烁指数的孔径平滑效果要比完全相干光差; 增大调制相位屏的相对变化频率可在一定程度上降低闪烁指数, 随着其相对频率的增大, 伪部分相干光的闪烁指数与部分相干光的结果趋于一致.
2013, 62(4): 044204.
doi: 10.7498/aps.62.044204
摘要:
针对大尺度分层介质电磁场散射回波数据, 提出了一种用于分层介质特性参数反演的新方法, 实现了分层介质的介电常数、电导率和介质厚度的同时反演. 方法首先将这些参数的反演转化为最优化问题进行求解, 然后应用模拟退火算法搜索最优解, 充分利用算法的全局寻优能力, 同时改善了算法的搜索控制策略, 使算法在最优解的搜索过程中可以自适应地调整搜索步长, 提高了算法的搜索效率. 结果表明, 本文方法可以实现大尺度分层介质特性参数的准确反演, 且具有较强的抗噪声能力. 该方法可以应用于火星/月球 雷达探测回波数据的反演以及地下分层结构特性的分析.
针对大尺度分层介质电磁场散射回波数据, 提出了一种用于分层介质特性参数反演的新方法, 实现了分层介质的介电常数、电导率和介质厚度的同时反演. 方法首先将这些参数的反演转化为最优化问题进行求解, 然后应用模拟退火算法搜索最优解, 充分利用算法的全局寻优能力, 同时改善了算法的搜索控制策略, 使算法在最优解的搜索过程中可以自适应地调整搜索步长, 提高了算法的搜索效率. 结果表明, 本文方法可以实现大尺度分层介质特性参数的准确反演, 且具有较强的抗噪声能力. 该方法可以应用于火星/月球 雷达探测回波数据的反演以及地下分层结构特性的分析.
2013, 62(4): 044205.
doi: 10.7498/aps.62.044205
摘要:
对Airy光束的特性做进一步探讨, 一方面对无限宽Airy光束的重心问题给出新的理论说明, 另一方面着重对有限宽情形下的Airy光束的奇特性质进行探讨. 文中采用反证法给出无衍射的讨论, 同时结合数值模拟给出高斯函数及矩形函数限定下的有限宽Airy光束的场分布, 并由此得到其重心位置的轨迹: 重心位置是不变的, 不可能整体自由加速. 最终得到有限宽Airy光束既不可能在自由空间加速, 也不可能是无衍射光束.
对Airy光束的特性做进一步探讨, 一方面对无限宽Airy光束的重心问题给出新的理论说明, 另一方面着重对有限宽情形下的Airy光束的奇特性质进行探讨. 文中采用反证法给出无衍射的讨论, 同时结合数值模拟给出高斯函数及矩形函数限定下的有限宽Airy光束的场分布, 并由此得到其重心位置的轨迹: 重心位置是不变的, 不可能整体自由加速. 最终得到有限宽Airy光束既不可能在自由空间加速, 也不可能是无衍射光束.
2013, 62(4): 044206.
doi: 10.7498/aps.62.044206
摘要:
光谱偏振成像技术是成像光谱技术与偏振成像技术的有机融合, 是当前空间光学遥感技术研究的热点和前沿. 针对目前光谱偏振成像技术受测量原理、探测模式的限制, 普遍需要运动、电控调制等部件, 导致体积大, 结构复杂, 加工装调困难, 抗振能力差等问题, 我们于2010年在国际上首先提出了一种多信息融合的静态傅里叶变换超光谱全偏振成像方法. 本文在此基础上, 阐述了新方法的基本原理, 给出了具体实现方案. 新方案无需运动、电控调制部件, 可实现目标图像、光谱、全偏振信息的一体获取. 推导出了新方案的调制干涉强度数据表达式及Stokes矢量解调公式, 分析了新方法实现光谱、全偏振探测的物理过程. 对新方案进行了计算机数值模拟验证, 研制了原理验证样机开展了室内、室外验证实验, 首次获得了室外推扫光谱图像数据立方体和全色全偏振度图像, 模拟及实验结果均表明新方案原理正确, 技术可行. 上述研究为新型空间遥感器的开发提供了基础理论及实践支持.
光谱偏振成像技术是成像光谱技术与偏振成像技术的有机融合, 是当前空间光学遥感技术研究的热点和前沿. 针对目前光谱偏振成像技术受测量原理、探测模式的限制, 普遍需要运动、电控调制等部件, 导致体积大, 结构复杂, 加工装调困难, 抗振能力差等问题, 我们于2010年在国际上首先提出了一种多信息融合的静态傅里叶变换超光谱全偏振成像方法. 本文在此基础上, 阐述了新方法的基本原理, 给出了具体实现方案. 新方案无需运动、电控调制部件, 可实现目标图像、光谱、全偏振信息的一体获取. 推导出了新方案的调制干涉强度数据表达式及Stokes矢量解调公式, 分析了新方法实现光谱、全偏振探测的物理过程. 对新方案进行了计算机数值模拟验证, 研制了原理验证样机开展了室内、室外验证实验, 首次获得了室外推扫光谱图像数据立方体和全色全偏振度图像, 模拟及实验结果均表明新方案原理正确, 技术可行. 上述研究为新型空间遥感器的开发提供了基础理论及实践支持.
2013, 62(4): 044207.
doi: 10.7498/aps.62.044207
摘要:
对存在倾斜透镜时两个刃型位错的相互作用进行了研究.研究表明, 两个离轴刃型位错在一定条件下由于相互作用会消失, 并有一个或两个非正则光涡旋产生, 一个共轴刃型位错和一个离轴刃型位错相互作用时产生一个非正则光涡旋. 当初始场中两个刃型位错相互垂直或者平行时, 出射场中会有一个或者两个刃型位错出现. 改变透镜的倾斜因子不影响出射场中位相奇点的类型和数量, 但位相奇点的横向位置与倾斜因子有线性关系. 两个刃型位错相互作用产生的光涡旋对的三维轨迹是非线性的, 但光涡旋对的中心沿直线传输.
对存在倾斜透镜时两个刃型位错的相互作用进行了研究.研究表明, 两个离轴刃型位错在一定条件下由于相互作用会消失, 并有一个或两个非正则光涡旋产生, 一个共轴刃型位错和一个离轴刃型位错相互作用时产生一个非正则光涡旋. 当初始场中两个刃型位错相互垂直或者平行时, 出射场中会有一个或者两个刃型位错出现. 改变透镜的倾斜因子不影响出射场中位相奇点的类型和数量, 但位相奇点的横向位置与倾斜因子有线性关系. 两个刃型位错相互作用产生的光涡旋对的三维轨迹是非线性的, 但光涡旋对的中心沿直线传输.
2013, 62(4): 044208.
doi: 10.7498/aps.62.044208
摘要:
利用激光全息光刻技术, 在重铬酸盐明胶 感光材料中制备了掺杂有机染料的层状光子晶体. 在532 nm纳秒脉冲激光激励下, 样品的荧光光谱表现出良好的带隙特征; 随着抽运能量的增加, 在荧光带隙带边位置获得了激射光, 并进一步研究了光子晶体的带边位置与染料荧光峰的匹配对激射的影响.带边位置越靠近染料的荧光峰, 激射阈值越低, 反之则不易产生激射.该研究为超低阈值光子晶体激光器的发展提供了思路和方法.
利用激光全息光刻技术, 在重铬酸盐明胶 感光材料中制备了掺杂有机染料的层状光子晶体. 在532 nm纳秒脉冲激光激励下, 样品的荧光光谱表现出良好的带隙特征; 随着抽运能量的增加, 在荧光带隙带边位置获得了激射光, 并进一步研究了光子晶体的带边位置与染料荧光峰的匹配对激射的影响.带边位置越靠近染料的荧光峰, 激射阈值越低, 反之则不易产生激射.该研究为超低阈值光子晶体激光器的发展提供了思路和方法.
2013, 62(4): 044209.
doi: 10.7498/aps.62.044209
摘要:
关联成像可提供一种运用常规手段难以获得清晰图像的方法, 能够解决一些常规成像技术不易解决的问题, 是近些年来量子光学领域的前沿和热点之一.本文提出一种基于压缩感知的差分关联成像方案(简称, 差分压缩关联成像方案), 将高斯分布的热光源强度分布作为压缩感知的测量矩阵, 差分物体信息作为被成像物体信息, 利用差分关联成像方案的高成像信噪比和压缩感知技术的低采样次数, 通过正交匹配追踪算法, 高质量地恢复出物体信息. 并以二灰度双缝、NUPT, 多灰度Lena图和Boats图为例, 数值仿真差分压缩关联成像过程; 同时将本方案350次测量的结果与差分关联成像方案30000次测量的结果进行对比, 研究结果表明针对不同的被成像物体(二灰度双缝、NUPT, 以及多灰度Lena图和Boats图), 10次成像的均方误差平均值分别降低了97.7%, 93.9%, 92.5%和71.4%; 与压缩鬼成像方案相比, 同样测量次数条件下均方误差值对于二灰度双缝和多灰度Lena图、Boats图等目标物 体分别有50.4%, 72.9%和66.8%的降低. 差分压缩关联成像方案极大地提高了成像信噪比, 降低了成像时间.
关联成像可提供一种运用常规手段难以获得清晰图像的方法, 能够解决一些常规成像技术不易解决的问题, 是近些年来量子光学领域的前沿和热点之一.本文提出一种基于压缩感知的差分关联成像方案(简称, 差分压缩关联成像方案), 将高斯分布的热光源强度分布作为压缩感知的测量矩阵, 差分物体信息作为被成像物体信息, 利用差分关联成像方案的高成像信噪比和压缩感知技术的低采样次数, 通过正交匹配追踪算法, 高质量地恢复出物体信息. 并以二灰度双缝、NUPT, 多灰度Lena图和Boats图为例, 数值仿真差分压缩关联成像过程; 同时将本方案350次测量的结果与差分关联成像方案30000次测量的结果进行对比, 研究结果表明针对不同的被成像物体(二灰度双缝、NUPT, 以及多灰度Lena图和Boats图), 10次成像的均方误差平均值分别降低了97.7%, 93.9%, 92.5%和71.4%; 与压缩鬼成像方案相比, 同样测量次数条件下均方误差值对于二灰度双缝和多灰度Lena图、Boats图等目标物 体分别有50.4%, 72.9%和66.8%的降低. 差分压缩关联成像方案极大地提高了成像信噪比, 降低了成像时间.
2013, 62(4): 044210.
doi: 10.7498/aps.62.044210
摘要:
开展了基于同带抽运的高功率、低量子亏损的掺镱光纤放大器实验研究. 搭建了一台输出功率为21 W的1018 nm短波 长掺镱光纤激光器, 并利用其对双包层掺镱光纤进行同带抽运, 获得18.6 W的1080 nm波段激光输出, 光-光转换效率高达90.86%.
开展了基于同带抽运的高功率、低量子亏损的掺镱光纤放大器实验研究. 搭建了一台输出功率为21 W的1018 nm短波 长掺镱光纤激光器, 并利用其对双包层掺镱光纤进行同带抽运, 获得18.6 W的1080 nm波段激光输出, 光-光转换效率高达90.86%.
2013, 62(4): 044211.
doi: 10.7498/aps.62.044211
摘要:
基于激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对赣南脐橙中Cd元素进行定量分析. 利用LIBS获取样品中Cd元素的特征谱线信息, 并结合原子吸收分光光度计测量样品中Cd元素的真实含量.采用五点平滑法和中心化法对样品光谱数据进行预处理, 基于偏最小二乘法(PLS)对其中的39个样品建立Cd元素的定量分析模型, 在该模型的基础上预测另外13个样品的Cd含量, 并对PLS模型进行对比验证. PLS模型中拟合曲线的相关系数为0.9806, 12个样品的验证结果的相对误差为10.94%.研究结果表明, 激光诱导击穿光谱技术能够准确的检测农产品中重金属含量, 为农产品的安全检测提供技术方法.
基于激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对赣南脐橙中Cd元素进行定量分析. 利用LIBS获取样品中Cd元素的特征谱线信息, 并结合原子吸收分光光度计测量样品中Cd元素的真实含量.采用五点平滑法和中心化法对样品光谱数据进行预处理, 基于偏最小二乘法(PLS)对其中的39个样品建立Cd元素的定量分析模型, 在该模型的基础上预测另外13个样品的Cd含量, 并对PLS模型进行对比验证. PLS模型中拟合曲线的相关系数为0.9806, 12个样品的验证结果的相对误差为10.94%.研究结果表明, 激光诱导击穿光谱技术能够准确的检测农产品中重金属含量, 为农产品的安全检测提供技术方法.
2013, 62(4): 044212.
doi: 10.7498/aps.62.044212
摘要:
报道了一种基于双向拉曼放大延长相位敏感光时域反射仪分布式光纤传感系统传感距离的方法.利用双向拉曼抽运对信号光进行拉曼放大, 补偿了光纤传输损耗.实验表明, 该方法提高了整个传感光纤上信号光的分布均匀性, 实现了74 km的超长传感距离和20 m的空间分辨率, 同时, 试验了不同信号光入纤功率和抽运功率对基于双向拉曼放大的相位敏感光时域反射仪系统的影响.
报道了一种基于双向拉曼放大延长相位敏感光时域反射仪分布式光纤传感系统传感距离的方法.利用双向拉曼抽运对信号光进行拉曼放大, 补偿了光纤传输损耗.实验表明, 该方法提高了整个传感光纤上信号光的分布均匀性, 实现了74 km的超长传感距离和20 m的空间分辨率, 同时, 试验了不同信号光入纤功率和抽运功率对基于双向拉曼放大的相位敏感光时域反射仪系统的影响.
2013, 62(4): 044213.
doi: 10.7498/aps.62.044213
摘要:
基于非线性薛定谔方程和分步傅里叶算法, 研究了高功率平顶高斯光束经过厚非线性介质后在自由空间传输的光强演变过程, 详细分析了介质表面缺陷对光强演化规律的影响.研究结果表明, 平顶阶数越大, 光束的自聚焦效果越差, 最大光强点越靠近介质后表面.入射光束的初始场强越强, 介质的厚度和非线性系数越大, 光束的自聚焦越强, 且极值点越靠近介质后表面.介质表面的缺陷使得光束在靠近介质后表面有较大的光强. 并且相位调制型缺陷比振幅调制型缺陷对光强的影响更大.
基于非线性薛定谔方程和分步傅里叶算法, 研究了高功率平顶高斯光束经过厚非线性介质后在自由空间传输的光强演变过程, 详细分析了介质表面缺陷对光强演化规律的影响.研究结果表明, 平顶阶数越大, 光束的自聚焦效果越差, 最大光强点越靠近介质后表面.入射光束的初始场强越强, 介质的厚度和非线性系数越大, 光束的自聚焦越强, 且极值点越靠近介质后表面.介质表面的缺陷使得光束在靠近介质后表面有较大的光强. 并且相位调制型缺陷比振幅调制型缺陷对光强的影响更大.
2013, 62(4): 044214.
doi: 10.7498/aps.62.044214
摘要:
由于其在通信领域潜在的应用前景, 非局域空间孤子一直是研究热点. 但空间非局域暗孤子由于其边界的特殊性, 对其特别是稳定性方面研究甚少. 提出了非局域暗孤子稳定性分析理论, 并对热非线性体介质中1+1维基态和二阶暗孤子的稳定性进行了数值分析和研究, 得到了稳定性图. 从稳定性分析图可知: 在热非线性体介质中, 1+1维基态暗孤子在其存在区域总是稳定的, 而1+1维二阶暗孤子是震荡不稳定的, 其不稳定区域的宽度与传播常数以及介质的非局域程度有关. 为了验证非局域暗孤子稳定性分析理论的正确性, 对加噪声初始输入的传输进行数值模拟得到了传输图, 传输图表明稳定性分析理论的正确性.
由于其在通信领域潜在的应用前景, 非局域空间孤子一直是研究热点. 但空间非局域暗孤子由于其边界的特殊性, 对其特别是稳定性方面研究甚少. 提出了非局域暗孤子稳定性分析理论, 并对热非线性体介质中1+1维基态和二阶暗孤子的稳定性进行了数值分析和研究, 得到了稳定性图. 从稳定性分析图可知: 在热非线性体介质中, 1+1维基态暗孤子在其存在区域总是稳定的, 而1+1维二阶暗孤子是震荡不稳定的, 其不稳定区域的宽度与传播常数以及介质的非局域程度有关. 为了验证非局域暗孤子稳定性分析理论的正确性, 对加噪声初始输入的传输进行数值模拟得到了传输图, 传输图表明稳定性分析理论的正确性.
2013, 62(4): 044215.
doi: 10.7498/aps.62.044215
摘要:
根据考虑拉曼效应后的双折射光纤所满足的非线性相干耦合薛定谔方程, 推导出了当沿两个偏振轴入射两束不同波长的激光脉冲时所产生的增益表达式. 通过与入射相同频率的光脉冲所产生增益的对比, 在考虑拉曼效应的情况下, 讨论了入射不同频率光脉冲对增益谱的影响. 结果表明, 在正常色散区和反常色散区, 当输入两束激光脉冲频率不同时, 增益谱较输入相同频率激光脉冲时产生了明显的变化, 其外侧的斯托克斯部分和反斯托克斯部分增益峰, 随着群速度失配的增加强度明显加强、偏离中心频率, 可以用于提取太赫兹脉冲.当两偏振模处于不同色散区时, 增益谱与不考虑拉曼效应时也存在明显的不同, 增益谱的对称性遭到破坏, 斯托克斯部分的增益峰强度要明显高于反斯托克斯部分.
根据考虑拉曼效应后的双折射光纤所满足的非线性相干耦合薛定谔方程, 推导出了当沿两个偏振轴入射两束不同波长的激光脉冲时所产生的增益表达式. 通过与入射相同频率的光脉冲所产生增益的对比, 在考虑拉曼效应的情况下, 讨论了入射不同频率光脉冲对增益谱的影响. 结果表明, 在正常色散区和反常色散区, 当输入两束激光脉冲频率不同时, 增益谱较输入相同频率激光脉冲时产生了明显的变化, 其外侧的斯托克斯部分和反斯托克斯部分增益峰, 随着群速度失配的增加强度明显加强、偏离中心频率, 可以用于提取太赫兹脉冲.当两偏振模处于不同色散区时, 增益谱与不考虑拉曼效应时也存在明显的不同, 增益谱的对称性遭到破坏, 斯托克斯部分的增益峰强度要明显高于反斯托克斯部分.
2013, 62(4): 044216.
doi: 10.7498/aps.62.044216
摘要:
多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)通过测量不同角度的太阳散射光, 获取痕量气体的柱浓度信息, 广泛应用于整层NO2柱浓度的监测. 由于缺少有效观测距离的信息, MAX-DOAS无法获取近地面NO2的体积混合比浓度. 本文分析了消光系数和有效观测距离的关系, 提出了利用能见度信息获取有效观测距离, 进而将MAX-DOAS测量的水平方向NO2斜柱浓度转换为体积混合比浓度的方法. 并在合肥开展了相应的观测实验, 成功实现了基于MAX-DOAS的NO2体积混合比浓度测量. 通过与主动式长程差分吸收光谱仪测量的NO2浓度进行对比, 结果呈现出较好的一致性, 说明了方法的可行性.研究为MAX-DOAS监测近地面NO2体积混合比浓度提供了一种简单有效的方法, 拓展了MAX-DOAS的应用领域.
多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)通过测量不同角度的太阳散射光, 获取痕量气体的柱浓度信息, 广泛应用于整层NO2柱浓度的监测. 由于缺少有效观测距离的信息, MAX-DOAS无法获取近地面NO2的体积混合比浓度. 本文分析了消光系数和有效观测距离的关系, 提出了利用能见度信息获取有效观测距离, 进而将MAX-DOAS测量的水平方向NO2斜柱浓度转换为体积混合比浓度的方法. 并在合肥开展了相应的观测实验, 成功实现了基于MAX-DOAS的NO2体积混合比浓度测量. 通过与主动式长程差分吸收光谱仪测量的NO2浓度进行对比, 结果呈现出较好的一致性, 说明了方法的可行性.研究为MAX-DOAS监测近地面NO2体积混合比浓度提供了一种简单有效的方法, 拓展了MAX-DOAS的应用领域.
2013, 62(4): 044217.
doi: 10.7498/aps.62.044217
摘要:
研究了光束通过大气湍流传输的高阶强度矩, 提出了大气湍流中光束高阶强度矩的推导方法, 并推导出了一至四阶光束强度矩传输的解析表达式. 所得结果具有一般性,任意某一光束在自由空间和大气湍流中传输的高阶强度矩均可作为本文结果的特例. 另一方面, 以高斯光束为例, 研究了其K参数在湍流大气中的传输规律. 研究表明,高斯光束在大气湍流中其K参数并不是一个传输不变量,它与传输距离、束腰半径、湍流内外尺度以及湍流强度均有关.这个结论与采用Rytov相位结构函数二次近似或强湍流近似下的结论不同,本文给出了合理解释.
研究了光束通过大气湍流传输的高阶强度矩, 提出了大气湍流中光束高阶强度矩的推导方法, 并推导出了一至四阶光束强度矩传输的解析表达式. 所得结果具有一般性,任意某一光束在自由空间和大气湍流中传输的高阶强度矩均可作为本文结果的特例. 另一方面, 以高斯光束为例, 研究了其K参数在湍流大气中的传输规律. 研究表明,高斯光束在大气湍流中其K参数并不是一个传输不变量,它与传输距离、束腰半径、湍流内外尺度以及湍流强度均有关.这个结论与采用Rytov相位结构函数二次近似或强湍流近似下的结论不同,本文给出了合理解释.
2013, 62(4): 044218.
doi: 10.7498/aps.62.044218
摘要:
基于传统反演算法和Kramers-Kronig关系改进算法, 分别提取弱耦合和强耦合超材料渔网结构模型的等效参数, 并对两种算法的有效性及普适性进行了探讨.理论分析及计算结果表明, 传统的反演算法可以准确地反演弱、强耦合情形下电磁超材料结构的等效参数, 但计算复杂度较高;而基于Kramers-Kronig关系的改进算法巧妙地降低了计算的复杂度, 能简单准确地提取弱耦合情形下电磁超材料结构的等效参数, 但对于强耦合情形则不适用, 原因在于强耦合情形破坏了Kramers-Kronig关系的解析且连续性要求. 研究结果拓展了等效媒质理论并可为新的电磁超材料的设计提供理论参考.
基于传统反演算法和Kramers-Kronig关系改进算法, 分别提取弱耦合和强耦合超材料渔网结构模型的等效参数, 并对两种算法的有效性及普适性进行了探讨.理论分析及计算结果表明, 传统的反演算法可以准确地反演弱、强耦合情形下电磁超材料结构的等效参数, 但计算复杂度较高;而基于Kramers-Kronig关系的改进算法巧妙地降低了计算的复杂度, 能简单准确地提取弱耦合情形下电磁超材料结构的等效参数, 但对于强耦合情形则不适用, 原因在于强耦合情形破坏了Kramers-Kronig关系的解析且连续性要求. 研究结果拓展了等效媒质理论并可为新的电磁超材料的设计提供理论参考.
2013, 62(4): 044219.
doi: 10.7498/aps.62.044219
摘要:
设计制作了楔形盒掺杂激光染料PM580的胆甾相液晶器件, 研究了激光辐射行为. 在楔形液晶盒中出现了一系列与楔棱平行的向错线和不同规则形状的晶畴, 胆甾相液晶形成了平面态排列. 采用固体Nd:YAG倍频532 nm 波长激光作为抽运光, 获得调谐精度约1 nm, 调谐范围约17 nm的一维波长可调谐激光器. 楔形盒中, 液晶扭曲力与取向膜表面锚定力相互平衡的过程中胆甾相液晶螺距伸张, 光子禁带位置移动, 从而调谐光子禁带边沿出射激光波长.
设计制作了楔形盒掺杂激光染料PM580的胆甾相液晶器件, 研究了激光辐射行为. 在楔形液晶盒中出现了一系列与楔棱平行的向错线和不同规则形状的晶畴, 胆甾相液晶形成了平面态排列. 采用固体Nd:YAG倍频532 nm 波长激光作为抽运光, 获得调谐精度约1 nm, 调谐范围约17 nm的一维波长可调谐激光器. 楔形盒中, 液晶扭曲力与取向膜表面锚定力相互平衡的过程中胆甾相液晶螺距伸张, 光子禁带位置移动, 从而调谐光子禁带边沿出射激光波长.
2013, 62(4): 044220.
doi: 10.7498/aps.62.044220
摘要:
基于光子晶体非线性Kerr效应设计了一种结构简单的任意比能量输出光分束器, 通过控制抽运光的强度来控制端口能量输出比. 该结构还可以实现控制光传输的动态开关作用, 并且具有插入损耗低、无串扰、信号光的开/关两个状态下的透射率相差非常大的特点, 因此该光开关具有很高的开关比.
基于光子晶体非线性Kerr效应设计了一种结构简单的任意比能量输出光分束器, 通过控制抽运光的强度来控制端口能量输出比. 该结构还可以实现控制光传输的动态开关作用, 并且具有插入损耗低、无串扰、信号光的开/关两个状态下的透射率相差非常大的特点, 因此该光开关具有很高的开关比.
2013, 62(4): 044221.
doi: 10.7498/aps.62.044221
摘要:
利用平面波展开法和时域有限差分法, 模拟研究了基于自准直条件下的高斯光束入射光子晶体Kretschmann结构时发生的同时具有正向和负向Goos-Hänchen位移的双束反射现象. 研究表明, 反射光束中具有一束较小的正向位移, 而另一束具有较大的负向位移, 发现当Kretschmann结构支持的泄漏的表面模式被激发时才出现这一特殊现象; 表面模式的场分布说明介质波导中存在着强局域稳态场, 大的位移来自于表面模式与自准直体模式间的强耦合, 同时探讨了表面模式与光子晶体自准直体模式之间发生耦合的条件和影响参数. 本文负向位移最大达到-23.23a(a为晶格常数), 对应入射光波长的4.99倍, 是束腰半径的1.1615倍.
利用平面波展开法和时域有限差分法, 模拟研究了基于自准直条件下的高斯光束入射光子晶体Kretschmann结构时发生的同时具有正向和负向Goos-Hänchen位移的双束反射现象. 研究表明, 反射光束中具有一束较小的正向位移, 而另一束具有较大的负向位移, 发现当Kretschmann结构支持的泄漏的表面模式被激发时才出现这一特殊现象; 表面模式的场分布说明介质波导中存在着强局域稳态场, 大的位移来自于表面模式与自准直体模式间的强耦合, 同时探讨了表面模式与光子晶体自准直体模式之间发生耦合的条件和影响参数. 本文负向位移最大达到-23.23a(a为晶格常数), 对应入射光波长的4.99倍, 是束腰半径的1.1615倍.
2013, 62(4): 044222.
doi: 10.7498/aps.62.044222
摘要:
光子晶体光纤由于其灵活可调的色散特性用作色散补偿具有极大的应用潜力. 设计了一种色散补偿光子晶体光纤, 并运用频域有限差分法模拟了其色散特性,从理论上分析了其结构参数孔间距Λ和空气占空比d/Λ对该光子晶体光纤的色散系数的影响, 并且实际制备出了3种不同结构参数的光子晶体光纤. 通过对其色散曲线对比分析表明: 当光子晶体光纤孔间距在1 μm附近时, 其色散系数随着孔间距Λ和占空比d/Λ的增大而增加, 但对于孔间距Λ的变化比占空比d/Λ更为敏感, 并且随着孔间距Λ的增加,其对色散系数的影响能力逐渐减小. 设计并制备的光子晶体光纤在1550 nm处的色散系数为-241.5 ps·nm-1·km-1, 相对色散斜率为0.0018, 具有较好的色散补偿能力.
光子晶体光纤由于其灵活可调的色散特性用作色散补偿具有极大的应用潜力. 设计了一种色散补偿光子晶体光纤, 并运用频域有限差分法模拟了其色散特性,从理论上分析了其结构参数孔间距Λ和空气占空比d/Λ对该光子晶体光纤的色散系数的影响, 并且实际制备出了3种不同结构参数的光子晶体光纤. 通过对其色散曲线对比分析表明: 当光子晶体光纤孔间距在1 μm附近时, 其色散系数随着孔间距Λ和占空比d/Λ的增大而增加, 但对于孔间距Λ的变化比占空比d/Λ更为敏感, 并且随着孔间距Λ的增加,其对色散系数的影响能力逐渐减小. 设计并制备的光子晶体光纤在1550 nm处的色散系数为-241.5 ps·nm-1·km-1, 相对色散斜率为0.0018, 具有较好的色散补偿能力.
2013, 62(4): 044223.
doi: 10.7498/aps.62.044223
摘要:
利用毛细现象将磁流体完全填充到六角形微结构光纤的空气孔中, 分析了磁流体填充长度、浓度对其传导特性的影响. 结合磁流体独特的热光效应, 并对一定浓度、长度下填充的光纤进行了温度特性的研究. 结果表明, 随着温度的升高, 透射谱1460 nm处磁流体的吸收峰逐渐变浅. 基于磁流体载液与表面活性剂对温度的不同敏感性, 吸收峰左右两个边沿表现出不同的温度响应; 在波长为1100–1700 nm之间透射损耗与温度变化成线性关系, 对于填充长度为10 cm的微结构光纤, 敏感度达到0.06 dB/℃, 且液体填充长度越长, 灵敏度越高. 该研究将微结构光纤与磁流体材料有机地结合起来, 并利用填充材料自身的热光特性, 实现了对透射谱的单边调谐, 将其作为热光可调谐器件、滤波器等相关可调谐光子器件在光通信、 光传感等领域将具有很大的应用潜力. 因此, 基于材料填充微结构光纤的研究可为探索新型全光纤光子器件的新技术和新结构提供有效的方法.
利用毛细现象将磁流体完全填充到六角形微结构光纤的空气孔中, 分析了磁流体填充长度、浓度对其传导特性的影响. 结合磁流体独特的热光效应, 并对一定浓度、长度下填充的光纤进行了温度特性的研究. 结果表明, 随着温度的升高, 透射谱1460 nm处磁流体的吸收峰逐渐变浅. 基于磁流体载液与表面活性剂对温度的不同敏感性, 吸收峰左右两个边沿表现出不同的温度响应; 在波长为1100–1700 nm之间透射损耗与温度变化成线性关系, 对于填充长度为10 cm的微结构光纤, 敏感度达到0.06 dB/℃, 且液体填充长度越长, 灵敏度越高. 该研究将微结构光纤与磁流体材料有机地结合起来, 并利用填充材料自身的热光特性, 实现了对透射谱的单边调谐, 将其作为热光可调谐器件、滤波器等相关可调谐光子器件在光通信、 光传感等领域将具有很大的应用潜力. 因此, 基于材料填充微结构光纤的研究可为探索新型全光纤光子器件的新技术和新结构提供有效的方法.
2013, 62(4): 044224.
doi: 10.7498/aps.62.044224
摘要:
提出了一种新型双空气孔多芯-双模-大模场面积光纤结构, 计算了其模场分布、基模有效面积及弯曲损耗特性, 分析了各结构参量对其有效折射率及有效面积的影响. 这种结构在增大有效面积的同时使得二阶模的TE01, TM01模截止, 实现双模传输, 基模有效面积约为1044 μm2.调整其结构参量, 甚至可以达到单模传输.这种结构制作简单、设计灵活, 可用于高速大容量无源光纤及有源器件中.合理设计各结构参量, 可以使有效面积达到3512 μm2甚至更高, 从而满足光通信领域中大容量、高功率传输等实际应用的需求.
提出了一种新型双空气孔多芯-双模-大模场面积光纤结构, 计算了其模场分布、基模有效面积及弯曲损耗特性, 分析了各结构参量对其有效折射率及有效面积的影响. 这种结构在增大有效面积的同时使得二阶模的TE01, TM01模截止, 实现双模传输, 基模有效面积约为1044 μm2.调整其结构参量, 甚至可以达到单模传输.这种结构制作简单、设计灵活, 可用于高速大容量无源光纤及有源器件中.合理设计各结构参量, 可以使有效面积达到3512 μm2甚至更高, 从而满足光通信领域中大容量、高功率传输等实际应用的需求.
2013, 62(4): 044301.
doi: 10.7498/aps.62.044301
摘要:
利用边界条件推导出SH波在一维固-固声子晶体中的转移矩阵, 得出一维固-固无限周期声子晶体中SH波的色散关系. 通过建立一维固-固无限周期声子晶体的谐振腔模型并利 用共振条件得出SH波的全反射隧穿的波长公式. 利用波长公式研究了SH波全反射隧穿的波长变化规律, 其结果与色散法一致. 解释了一维固-固无限周期声子晶体中SH波的全反射隧穿效应产生的原因.
利用边界条件推导出SH波在一维固-固声子晶体中的转移矩阵, 得出一维固-固无限周期声子晶体中SH波的色散关系. 通过建立一维固-固无限周期声子晶体的谐振腔模型并利 用共振条件得出SH波的全反射隧穿的波长公式. 利用波长公式研究了SH波全反射隧穿的波长变化规律, 其结果与色散法一致. 解释了一维固-固无限周期声子晶体中SH波的全反射隧穿效应产生的原因.
2013, 62(4): 044501.
doi: 10.7498/aps.62.044501
摘要:
对固结于旋转刚环上内接柔性梁的刚柔耦合动力学特性进行了研究. 在精确描述柔性梁非线性变形基础上, 利用Hamilton变分原理和假设模态法, 在计入柔性梁由于横向变形而引起的轴向变形二阶耦合量的条件下, 推导出一次近似耦合模型. 忽略柔性梁纵向变形的影响,给出一次近似简化模型,引入无量纲变量, 对简化模型做无量纲化处理. 首先分析在非惯性系下内接悬臂梁的动力学响应, 并与外接悬臂梁进行比较; 其次研究内接悬臂梁的稳定性;最后分析内接悬臂梁失稳临界转速的收敛性. 研究发现, 与外接悬臂梁存在动力刚化效应不同,内接悬臂梁存在着动力柔化效应; 给出了内接悬臂梁无条件稳定的临界径长比以及失稳的临界转速的计算方法; 若第一阶固有频率随转速增大而减小,则该内接悬臂梁处于有条件稳定; 随着模态截断数的增加,内接悬臂梁失稳的临界转速减小且有收敛值.
对固结于旋转刚环上内接柔性梁的刚柔耦合动力学特性进行了研究. 在精确描述柔性梁非线性变形基础上, 利用Hamilton变分原理和假设模态法, 在计入柔性梁由于横向变形而引起的轴向变形二阶耦合量的条件下, 推导出一次近似耦合模型. 忽略柔性梁纵向变形的影响,给出一次近似简化模型,引入无量纲变量, 对简化模型做无量纲化处理. 首先分析在非惯性系下内接悬臂梁的动力学响应, 并与外接悬臂梁进行比较; 其次研究内接悬臂梁的稳定性;最后分析内接悬臂梁失稳临界转速的收敛性. 研究发现, 与外接悬臂梁存在动力刚化效应不同,内接悬臂梁存在着动力柔化效应; 给出了内接悬臂梁无条件稳定的临界径长比以及失稳的临界转速的计算方法; 若第一阶固有频率随转速增大而减小,则该内接悬臂梁处于有条件稳定; 随着模态截断数的增加,内接悬臂梁失稳的临界转速减小且有收敛值.
2013, 62(4): 044601.
doi: 10.7498/aps.62.044601
摘要:
以脱氧核糖核酸和工程中的细长结构为背景, 大变形大范围运动的弹性杆动力学受到关注. 将分析力学方法运用到精确Cosserat弹性杆动力学, 旨在为前者拓展新的应用领域, 为后者提供新的研究方法. 基于平面截面假定, 在弯扭基础上再计及拉压和剪切变形形成精确Cosserat弹性杆模型. 用刚体运动的概念描述弹性杆的变形, 导出弹性杆变形和运动的几何关系; 在定义截面虚位移及其变分法则的基础上, 建立用矢量表达的d’Alembert-Lagrange原理, 在线性本构关系下化作分析力学形式, 并导出Lagrange方程和Nielsen方程, 定义正则变量后化作Hamilton正则方程; 对于只在端部受力的弹性杆静力学, 导出了将守恒量预先嵌入的Lagrange方程, 并讨论了其首次积分. 从弹性杆的d’Alembert-Lagrange原理导出积分变分原理, 在线性本构关系下化作Hamilton原理. 形成的分析力学方法使弹性杆的全部动力学方程具有统一的形式, 为弹性杆动力学的对称性和守恒量的研究及其数值计算铺平道路.
以脱氧核糖核酸和工程中的细长结构为背景, 大变形大范围运动的弹性杆动力学受到关注. 将分析力学方法运用到精确Cosserat弹性杆动力学, 旨在为前者拓展新的应用领域, 为后者提供新的研究方法. 基于平面截面假定, 在弯扭基础上再计及拉压和剪切变形形成精确Cosserat弹性杆模型. 用刚体运动的概念描述弹性杆的变形, 导出弹性杆变形和运动的几何关系; 在定义截面虚位移及其变分法则的基础上, 建立用矢量表达的d’Alembert-Lagrange原理, 在线性本构关系下化作分析力学形式, 并导出Lagrange方程和Nielsen方程, 定义正则变量后化作Hamilton正则方程; 对于只在端部受力的弹性杆静力学, 导出了将守恒量预先嵌入的Lagrange方程, 并讨论了其首次积分. 从弹性杆的d’Alembert-Lagrange原理导出积分变分原理, 在线性本构关系下化作Hamilton原理. 形成的分析力学方法使弹性杆的全部动力学方程具有统一的形式, 为弹性杆动力学的对称性和守恒量的研究及其数值计算铺平道路.
2013, 62(4): 044701.
doi: 10.7498/aps.62.044701
摘要:
应用同伦分析法研究微重力环境下圆管毛细流动解析近似解问题, 给出了级数解的表达公式. 不同于其他解析近似方法, 该方法从根本上克服了摄动理论对小参数的过分依赖, 其有效性与所研究的非线性问题是否含有小参数无关, 适用范围广. 同伦分析法提供了选取基函数的自由, 可以选取较好的基函数, 更有效地逼近问题的解, 通过引入辅助参数和辅助函数来调节和控制级数解的收敛区域和收敛速度, 同伦分析法为圆管毛细流动问题的解析近似求解开辟了一个全新的途径. 通过具体算例, 将同伦分析法与四阶龙格库塔方法数值解做了比较, 结果表明, 该方法具有很高的计算精度.
应用同伦分析法研究微重力环境下圆管毛细流动解析近似解问题, 给出了级数解的表达公式. 不同于其他解析近似方法, 该方法从根本上克服了摄动理论对小参数的过分依赖, 其有效性与所研究的非线性问题是否含有小参数无关, 适用范围广. 同伦分析法提供了选取基函数的自由, 可以选取较好的基函数, 更有效地逼近问题的解, 通过引入辅助参数和辅助函数来调节和控制级数解的收敛区域和收敛速度, 同伦分析法为圆管毛细流动问题的解析近似求解开辟了一个全新的途径. 通过具体算例, 将同伦分析法与四阶龙格库塔方法数值解做了比较, 结果表明, 该方法具有很高的计算精度.
2013, 62(4): 044702.
doi: 10.7498/aps.62.044702
摘要:
与传统网格法相比, 光滑粒子流体动力学方法不能直接施加壁面边界条件, 这就限制了该方法在工程中的应用.为此, 本文基于Galerkin加权余量法并结合传统排斥力方法, 推导出一种新的排斥力公式来施加壁面边界条件.该方法不含未知参数, 能在不减小边界粒子尺寸的情形下有效地防止流体粒子穿透壁面, 同时可避免邻近边界的流体粒子的速度及压力振荡. 分别通过静止液柱算例、液柱坍塌算例、容器中液体静止算例及溃坝算 例来验证本文方法的有效性, 并与传统边界处理方法进行对比, 结果表明: 本文方法克服了传统方法存在的缺陷, 是一种有效的固壁边界处理方法.
与传统网格法相比, 光滑粒子流体动力学方法不能直接施加壁面边界条件, 这就限制了该方法在工程中的应用.为此, 本文基于Galerkin加权余量法并结合传统排斥力方法, 推导出一种新的排斥力公式来施加壁面边界条件.该方法不含未知参数, 能在不减小边界粒子尺寸的情形下有效地防止流体粒子穿透壁面, 同时可避免邻近边界的流体粒子的速度及压力振荡. 分别通过静止液柱算例、液柱坍塌算例、容器中液体静止算例及溃坝算 例来验证本文方法的有效性, 并与传统边界处理方法进行对比, 结果表明: 本文方法克服了传统方法存在的缺陷, 是一种有效的固壁边界处理方法.
2013, 62(4): 044703.
doi: 10.7498/aps.62.044703
摘要:
研究了盘状势阱中二维玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的孤立波. 在平均场理论下, 由BEC所满足的Gross-Pitaevkii方程出发导出了二维BEC所满足的非线性Schrödinger方程. 从该方程出发, 研究单组分常振幅二维BEC(单组分常振幅 BEC)的调制不稳定性, 得到了该系统相应的增长率.
研究了盘状势阱中二维玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的孤立波. 在平均场理论下, 由BEC所满足的Gross-Pitaevkii方程出发导出了二维BEC所满足的非线性Schrödinger方程. 从该方程出发, 研究单组分常振幅二维BEC(单组分常振幅 BEC)的调制不稳定性, 得到了该系统相应的增长率.
2013, 62(4): 045201.
doi: 10.7498/aps.62.045201
摘要:
在低于一个标准大气压的条件下对飞秒激光产生的N2等离子体光谱进行了实验研究.结果表明, 各种样品气压下的激光N2等离子体光谱均表现为连续谱和线状谱的叠加.随着样品气压的降低, 连续谱和原子谱线的强度经历了由缓慢增强发展为缓慢降低再到迅速降低的过程, 而正一价离子谱线强度呈现逐步增强的特征.在气压低于0.3 atm (1 atm=101325 Pa)时, 出现了正二价态的离子谱线. 给出了低压N2等离子体对于飞秒激光传输和能量吸收的物理特性, 并初步讨论了低压等离子体通道特性.这些结果有助于加深了解飞秒激光等离子体的特性和机理, 特别是给出了在实验上测量不同价态离子光谱的条件, 为今后的研究提供了有益的实验依据.
在低于一个标准大气压的条件下对飞秒激光产生的N2等离子体光谱进行了实验研究.结果表明, 各种样品气压下的激光N2等离子体光谱均表现为连续谱和线状谱的叠加.随着样品气压的降低, 连续谱和原子谱线的强度经历了由缓慢增强发展为缓慢降低再到迅速降低的过程, 而正一价离子谱线强度呈现逐步增强的特征.在气压低于0.3 atm (1 atm=101325 Pa)时, 出现了正二价态的离子谱线. 给出了低压N2等离子体对于飞秒激光传输和能量吸收的物理特性, 并初步讨论了低压等离子体通道特性.这些结果有助于加深了解飞秒激光等离子体的特性和机理, 特别是给出了在实验上测量不同价态离子光谱的条件, 为今后的研究提供了有益的实验依据.
2013, 62(4): 045202.
doi: 10.7498/aps.62.045202
摘要:
基于正交预烧蚀双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS) 技术对长春市四个地点地表土壤样品中的重金属元素进行了研究, 根据光谱线强度定性分析了重金属元素Mn, Cr, Cu, Pb含量.实验结果发现, 在532和1064 nm激光脉冲能量分别为70和100 mJ的条件下光谱增强随延时的变化出现双峰结构. 脉冲间延时20 μs时, Mn I 406.4 nm光谱增强幅度达到2.75倍, 延时为30 μs时出现第二个尖峰, 增强幅度为2.4倍.最后对正交预烧蚀DP-LIBS光谱增强机理进行了讨论.
基于正交预烧蚀双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS) 技术对长春市四个地点地表土壤样品中的重金属元素进行了研究, 根据光谱线强度定性分析了重金属元素Mn, Cr, Cu, Pb含量.实验结果发现, 在532和1064 nm激光脉冲能量分别为70和100 mJ的条件下光谱增强随延时的变化出现双峰结构. 脉冲间延时20 μs时, Mn I 406.4 nm光谱增强幅度达到2.75倍, 延时为30 μs时出现第二个尖峰, 增强幅度为2.4倍.最后对正交预烧蚀DP-LIBS光谱增强机理进行了讨论.
2013, 62(4): 045203.
doi: 10.7498/aps.62.045203
摘要:
在神光Ⅲ原型装置上发展和改进了新型针孔点背光技术. 通过1600 J/1 ns/351 nm激光与3 μm钛背光靶相互作用产生4.75 keV的点光源, 利用该点光源成像获得了高质量的钨丝以及靶丸图像, 并通过多种诊断设备获取了较为完整的背光源参数. 实验结果表明, 新型的针孔点背光具备高亮度、 高空间分辨等优点, 可以广泛应用于高能量密度物理研究中.
在神光Ⅲ原型装置上发展和改进了新型针孔点背光技术. 通过1600 J/1 ns/351 nm激光与3 μm钛背光靶相互作用产生4.75 keV的点光源, 利用该点光源成像获得了高质量的钨丝以及靶丸图像, 并通过多种诊断设备获取了较为完整的背光源参数. 实验结果表明, 新型的针孔点背光具备高亮度、 高空间分辨等优点, 可以广泛应用于高能量密度物理研究中.
2013, 62(4): 045204.
doi: 10.7498/aps.62.045204
摘要:
为了获得填充泡沫的钨丝阵动态黑腔动力学演化图像, 研究钨等离子体与泡沫柱的相互作用形式, 在1 MA脉冲功率装置上设计了四分幅紫外探针光(266 nm)阴影成像系统, 该系统时间分辨为2.5 ns, 静态空间分辨优于70 μm, 径向阴影图像展示了从固体丝膨胀消融到先驱等离子体与泡沫相互作用, 从泡沫的箍缩到反弹膨胀的全过程. 图像显示了在长约50 ns时间内丝等离子体以雨的形式持续与泡沫相互作用, 在整个箍缩阶段并未观察到等离子体壳层结构. 定量分析表明泡沫柱的最小箍缩速度为1.0×106 cm/s, 最大箍缩速度为6.0×106 cm/s, 在轴上滞止的直径约为1 mm. 通过对数值模拟计算结果的讨论, 明确了在Z箍缩等离子体状态下阴 影成像结果主要反映了逆轫致吸收效应, 与径向功率波形的时间关联给出了钨等离子体主体与泡沫柱相互作用时刻的图像.
为了获得填充泡沫的钨丝阵动态黑腔动力学演化图像, 研究钨等离子体与泡沫柱的相互作用形式, 在1 MA脉冲功率装置上设计了四分幅紫外探针光(266 nm)阴影成像系统, 该系统时间分辨为2.5 ns, 静态空间分辨优于70 μm, 径向阴影图像展示了从固体丝膨胀消融到先驱等离子体与泡沫相互作用, 从泡沫的箍缩到反弹膨胀的全过程. 图像显示了在长约50 ns时间内丝等离子体以雨的形式持续与泡沫相互作用, 在整个箍缩阶段并未观察到等离子体壳层结构. 定量分析表明泡沫柱的最小箍缩速度为1.0×106 cm/s, 最大箍缩速度为6.0×106 cm/s, 在轴上滞止的直径约为1 mm. 通过对数值模拟计算结果的讨论, 明确了在Z箍缩等离子体状态下阴 影成像结果主要反映了逆轫致吸收效应, 与径向功率波形的时间关联给出了钨等离子体主体与泡沫柱相互作用时刻的图像.
2013, 62(4): 045205.
doi: 10.7498/aps.62.045205
摘要:
基于微通道板(MCP)X射线光学, 提出了一种透射式软X光带通方法. 通过三种通道结构的MCP-X光传输特性比较, 给出了带通设计方法. 利用北京同步辐射装置开展了方孔MCP和滤片标定. 结果表明, MCP透射谱具有宽能带选择范围和高效率的特点, 并且在1 keV以下可以在多个多能点实现100 eV带宽的带通设计.
基于微通道板(MCP)X射线光学, 提出了一种透射式软X光带通方法. 通过三种通道结构的MCP-X光传输特性比较, 给出了带通设计方法. 利用北京同步辐射装置开展了方孔MCP和滤片标定. 结果表明, MCP透射谱具有宽能带选择范围和高效率的特点, 并且在1 keV以下可以在多个多能点实现100 eV带宽的带通设计.
2013, 62(4): 046201.
doi: 10.7498/aps.62.046201
摘要:
利用基于密度泛函理论的第一性原理系统地研究了5d过渡金属二硼化物TMB2 (TM=Hf–Au) 的结构、热学、力学和电学性质. 我们考虑了三种结构, 分别为AlB2, ReB2和WB2结构. 计算得到的晶格常数与先前的理论和实验研究符合得很好. 通过计算生成焓预测了化合物的热力学稳定性; 从HfB2到AuB2, 生成焓的整体趋势是逐渐增加的. 在所考虑的结构中, 对HfB2和TaB2, AlB2结构是最稳定的; 对WB2, ReB2, OsB2, IrB2和AuB2, ReB2结构是最稳定的; 对PtB2, WB2结构是最稳定的. 在所考虑的化合物中, ReB2结构的ReB2具有最大的剪切模量(295 GPa), 是最硬的化合物, 与先前的理论和实验结果相符. 计算得到的总态密度显示所有结构都具有金属特性. 讨论了系列化合物的变化趋势.
利用基于密度泛函理论的第一性原理系统地研究了5d过渡金属二硼化物TMB2 (TM=Hf–Au) 的结构、热学、力学和电学性质. 我们考虑了三种结构, 分别为AlB2, ReB2和WB2结构. 计算得到的晶格常数与先前的理论和实验研究符合得很好. 通过计算生成焓预测了化合物的热力学稳定性; 从HfB2到AuB2, 生成焓的整体趋势是逐渐增加的. 在所考虑的结构中, 对HfB2和TaB2, AlB2结构是最稳定的; 对WB2, ReB2, OsB2, IrB2和AuB2, ReB2结构是最稳定的; 对PtB2, WB2结构是最稳定的. 在所考虑的化合物中, ReB2结构的ReB2具有最大的剪切模量(295 GPa), 是最硬的化合物, 与先前的理论和实验结果相符. 计算得到的总态密度显示所有结构都具有金属特性. 讨论了系列化合物的变化趋势.
2013, 62(4): 046202.
doi: 10.7498/aps.62.046202
摘要:
基于密度泛函理论的第一性原理计算获得了α-Ti2Zr的晶体结构、弹性常数、德拜温度和电子分布情况, 研究了它们与压力的关系. 计算得到的晶体结构参数与实验值一致. 运用有限应变方法计算得到了α-Ti2Zr的体积模量B、剪切模量G、杨氏模量E和泊松比σ. B和E的零压值分别为101.2和35.6 GPa. G/B的值较小, 并且随着压力的增加而减小, 表明α-Ti2Zr具有优异的延展性. 基于弹性常数得到平均声速, 从而获得了德拜温度Θ=321.7 K. 通过解Christoffel方程获得的压缩波和剪切波数据揭示α-Ti2Zr具有较强的各向异性. 此外, 压力诱导电子从s轨道到d轨道的转移说明在一定压力下α-Ti2Zr将转变为β相.
基于密度泛函理论的第一性原理计算获得了α-Ti2Zr的晶体结构、弹性常数、德拜温度和电子分布情况, 研究了它们与压力的关系. 计算得到的晶体结构参数与实验值一致. 运用有限应变方法计算得到了α-Ti2Zr的体积模量B、剪切模量G、杨氏模量E和泊松比σ. B和E的零压值分别为101.2和35.6 GPa. G/B的值较小, 并且随着压力的增加而减小, 表明α-Ti2Zr具有优异的延展性. 基于弹性常数得到平均声速, 从而获得了德拜温度Θ=321.7 K. 通过解Christoffel方程获得的压缩波和剪切波数据揭示α-Ti2Zr具有较强的各向异性. 此外, 压力诱导电子从s轨道到d轨道的转移说明在一定压力下α-Ti2Zr将转变为β相.
2013, 62(4): 046401.
doi: 10.7498/aps.62.046401
摘要:
基于改进的Newman和Ziff算法以及有限尺寸标度理论, 通过对表征渗流相变特征物理量的序参量、平均集团尺寸、二阶矩、标准偏差及尺寸不均匀性的数值模拟, 分析研究了Erds Rnyi随机网络上Achlioptas爆炸渗流模型的相变性质.研究表明: 尽管序参量表现出了不连续相变的特征, 但序参量以及其他特征物理量仍具有连续相变的幂律标度行为.因此严格地说, Erds Rnyi随机网络中的爆炸渗流相变是一种奇异相变, 它既不是标准的不连续相变, 又与常规随机渗流表现出的连续相变处于不同的普适类.
基于改进的Newman和Ziff算法以及有限尺寸标度理论, 通过对表征渗流相变特征物理量的序参量、平均集团尺寸、二阶矩、标准偏差及尺寸不均匀性的数值模拟, 分析研究了Erds Rnyi随机网络上Achlioptas爆炸渗流模型的相变性质.研究表明: 尽管序参量表现出了不连续相变的特征, 但序参量以及其他特征物理量仍具有连续相变的幂律标度行为.因此严格地说, Erds Rnyi随机网络中的爆炸渗流相变是一种奇异相变, 它既不是标准的不连续相变, 又与常规随机渗流表现出的连续相变处于不同的普适类.
2013, 62(4): 047101.
doi: 10.7498/aps.62.047101
摘要:
基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,运用Castep计算分析了Er, Gd两种稀土元素掺杂的ZnO结构, 对本征ZnO和掺杂晶体的能带结构、态密度以及光学性质进行了分析对比. 由掺杂前后的结果分析发现,稀土掺杂的ZnO结构引入了由稀土原子贡献的导电载流子, 增强了体系的电导率, 费米能级上移进入导带. 研究表明由于稀土元素的掺入, ZnO结构在费米能级附近出现了杂质能带, 这是由稀土的4f态电子所形成. 同时, 纯净ZnO与Er-ZnO, Gd-ZnO和(Er, Gd)-ZnO的介电函数虚部有明显的差异. 在光学性质上, 掺杂ZnO在可见光区的吸收系数和反射率都比纯净ZnO高, 能量损失峰出现红移现象.
基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,运用Castep计算分析了Er, Gd两种稀土元素掺杂的ZnO结构, 对本征ZnO和掺杂晶体的能带结构、态密度以及光学性质进行了分析对比. 由掺杂前后的结果分析发现,稀土掺杂的ZnO结构引入了由稀土原子贡献的导电载流子, 增强了体系的电导率, 费米能级上移进入导带. 研究表明由于稀土元素的掺入, ZnO结构在费米能级附近出现了杂质能带, 这是由稀土的4f态电子所形成. 同时, 纯净ZnO与Er-ZnO, Gd-ZnO和(Er, Gd)-ZnO的介电函数虚部有明显的差异. 在光学性质上, 掺杂ZnO在可见光区的吸收系数和反射率都比纯净ZnO高, 能量损失峰出现红移现象.
2013, 62(4): 047102.
doi: 10.7498/aps.62.047102
摘要:
采用基于单电子晶体场机制的对角化能量矩阵方法, 计算了Gd3+在钼酸盐AMoO4 (A=Ca, Sr, Ba, Pb)晶体中的自旋哈密顿参量(g因子g//, g⊥和零场分裂b20, b40, b44, b60, b64). 矩阵中的晶体场参量采用重叠模型计算. 计算结果显示, 应用三个合理的可调参量[即重叠模型中的内禀参量A2 (R0), A4 (R0)和A6 (R0)], 计算的七个自旋哈密顿参量与实验结果符合甚好, 表明该方法可用于计算或解释Gd3+在晶体中的自旋哈密顿参量.
采用基于单电子晶体场机制的对角化能量矩阵方法, 计算了Gd3+在钼酸盐AMoO4 (A=Ca, Sr, Ba, Pb)晶体中的自旋哈密顿参量(g因子g//, g⊥和零场分裂b20, b40, b44, b60, b64). 矩阵中的晶体场参量采用重叠模型计算. 计算结果显示, 应用三个合理的可调参量[即重叠模型中的内禀参量A2 (R0), A4 (R0)和A6 (R0)], 计算的七个自旋哈密顿参量与实验结果符合甚好, 表明该方法可用于计算或解释Gd3+在晶体中的自旋哈密顿参量.
2013, 62(4): 047201.
doi: 10.7498/aps.62.047201
摘要:
采用射频反应溅射法于室温下在Cu/Ti/SiO2/Si基底上制备了氧化钒薄膜. X-射线衍射、X射线光电子能谱分析仪及原子力显微镜结果表明, 室温下制备的氧化钒薄膜除微弱的V2O5 (101)和V2O3 (110)峰外, 没有明显的结晶取向, 是VO2, V2O5, V2O3及VO的混合相薄膜, 且薄膜表面颗粒大小均匀, 表面均方根粗糙度约为1 nm. 采用半导体参数分析仪对薄膜的电开关特性进行测试. 结果表明薄膜具有较低的开关电压(VSetVResetIReset)随限流的增大而增大.通过高低阻态时I-V对数曲线的拟合(高阻态斜率>1, 低阻态斜率=1), 认为Cu离子在薄膜中扩散形成的导电细丝是该体系发生电阻转变的主要机制.
采用射频反应溅射法于室温下在Cu/Ti/SiO2/Si基底上制备了氧化钒薄膜. X-射线衍射、X射线光电子能谱分析仪及原子力显微镜结果表明, 室温下制备的氧化钒薄膜除微弱的V2O5 (101)和V2O3 (110)峰外, 没有明显的结晶取向, 是VO2, V2O5, V2O3及VO的混合相薄膜, 且薄膜表面颗粒大小均匀, 表面均方根粗糙度约为1 nm. 采用半导体参数分析仪对薄膜的电开关特性进行测试. 结果表明薄膜具有较低的开关电压(VSetVResetIReset)随限流的增大而增大.通过高低阻态时I-V对数曲线的拟合(高阻态斜率>1, 低阻态斜率=1), 认为Cu离子在薄膜中扩散形成的导电细丝是该体系发生电阻转变的主要机制.
2013, 62(4): 047202.
doi: 10.7498/aps.62.047202
摘要:
采用溶胶-凝胶方法成功制备了Sr的替代化合物Y1-xSrxCoO3 (x=0, 0.01, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20), 系统地研究了20–720 K温度范围内Y1-xSrxCoO3的电阻率温度关系. 研究表明, 随着Sr的替代含量的增加, Y1-xSrxCoO3的电阻率迅速地降低, 这主要是由于载流子浓度的增加引起. 样品x=0和0.01在低于330和260 K的温度范围内, 电阻率与温度之间满足指数关系lnρ∝1/T, 获得导电激活能分别为0.2950和0.1461 eV. 然而, 实验显示lnρ∝1/T关系仅成立于重掺杂样品的高温区; 在低温区莫特定律lnρ∝T-1/4成立, 且表明重掺杂引入势垒, 导致大量局域态的形成. 根据莫特T-1/4定律拟合实验数据, 评估了局域态密度N(EF), 它随着掺杂量的增加而增加.
采用溶胶-凝胶方法成功制备了Sr的替代化合物Y1-xSrxCoO3 (x=0, 0.01, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20), 系统地研究了20–720 K温度范围内Y1-xSrxCoO3的电阻率温度关系. 研究表明, 随着Sr的替代含量的增加, Y1-xSrxCoO3的电阻率迅速地降低, 这主要是由于载流子浓度的增加引起. 样品x=0和0.01在低于330和260 K的温度范围内, 电阻率与温度之间满足指数关系lnρ∝1/T, 获得导电激活能分别为0.2950和0.1461 eV. 然而, 实验显示lnρ∝1/T关系仅成立于重掺杂样品的高温区; 在低温区莫特定律lnρ∝T-1/4成立, 且表明重掺杂引入势垒, 导致大量局域态的形成. 根据莫特T-1/4定律拟合实验数据, 评估了局域态密度N(EF), 它随着掺杂量的增加而增加.
2013, 62(4): 047203.
doi: 10.7498/aps.62.047203
摘要:
在考虑了电导率调制效应的情况下对深亚微米静电放电(electrostatic discharge, ESD)保护器件的衬底电阻流控电压源模型进行优化, 并根据轻掺杂体衬底和重掺杂外延型衬底的不同物理机制提出了可根据 版图尺寸调整的精简衬底电阻宏模型, 所建模型准确地预估了不同衬底 结构上源极扩散到衬底接触扩散间距变化对触发电压Vt1的影响. 栅接地n型金属氧化物半导体器件的击穿特性结果表明, 所提出的衬底电阻模 型与实验结果符合良好, 且仿真时间仅为器件仿真软件的7%, 为ESD保护器件版 图优化设计提供了方法支持.
在考虑了电导率调制效应的情况下对深亚微米静电放电(electrostatic discharge, ESD)保护器件的衬底电阻流控电压源模型进行优化, 并根据轻掺杂体衬底和重掺杂外延型衬底的不同物理机制提出了可根据 版图尺寸调整的精简衬底电阻宏模型, 所建模型准确地预估了不同衬底 结构上源极扩散到衬底接触扩散间距变化对触发电压Vt1的影响. 栅接地n型金属氧化物半导体器件的击穿特性结果表明, 所提出的衬底电阻模 型与实验结果符合良好, 且仿真时间仅为器件仿真软件的7%, 为ESD保护器件版 图优化设计提供了方法支持.
2013, 62(4): 047301.
doi: 10.7498/aps.62.047301
摘要:
柔性有机场效应晶体管具有可折叠、质量轻、低成本等优点,在柔性显示、柔性传感器、柔性射频标签和柔性集成电路等方面显示了广阔的应用前景.本文在介绍柔性有机场效应 晶体管最新研究进展的基础上, 总结了柔性有机场效应晶体管的器件结构和柔性有机场效应晶体管所使用的衬底材料、 栅绝缘层材料、有源层材料及电极材料, 阐述了柔性有机场效应晶体管的制备工艺, 并讨论了不同的弯曲方式对柔性有机场效应晶体管性能的影响, 最后总结和展望了柔性有机场效应晶体管的应用领域.
柔性有机场效应晶体管具有可折叠、质量轻、低成本等优点,在柔性显示、柔性传感器、柔性射频标签和柔性集成电路等方面显示了广阔的应用前景.本文在介绍柔性有机场效应 晶体管最新研究进展的基础上, 总结了柔性有机场效应晶体管的器件结构和柔性有机场效应晶体管所使用的衬底材料、 栅绝缘层材料、有源层材料及电极材料, 阐述了柔性有机场效应晶体管的制备工艺, 并讨论了不同的弯曲方式对柔性有机场效应晶体管性能的影响, 最后总结和展望了柔性有机场效应晶体管的应用领域.
2013, 62(4): 047401.
doi: 10.7498/aps.62.047401
摘要:
通过求解磁性d波超导中的能隙和磁交换能的自洽方程, 研究磁性d波超导/铁磁/磁性d波超导结中的约瑟夫森电流. 计算结果表明: 1)临界电流随中间的铁磁层厚度呈现出两种不同周期的振荡混合, 通过增强铁磁层中的磁交换能q0和铁磁/磁性d波超导界面处的势垒强度z0, 短周期分量可从长周期中分离出来, 反之, 通过降低q0和z0, 长周期分量可从短周期中分离出来; 2)在两边磁性d波超导的磁化方向取平行时, 在取一些特定的铁磁层厚度下, 磁性d波超导中的磁交换能可增强系统的临界电流.
通过求解磁性d波超导中的能隙和磁交换能的自洽方程, 研究磁性d波超导/铁磁/磁性d波超导结中的约瑟夫森电流. 计算结果表明: 1)临界电流随中间的铁磁层厚度呈现出两种不同周期的振荡混合, 通过增强铁磁层中的磁交换能q0和铁磁/磁性d波超导界面处的势垒强度z0, 短周期分量可从长周期中分离出来, 反之, 通过降低q0和z0, 长周期分量可从短周期中分离出来; 2)在两边磁性d波超导的磁化方向取平行时, 在取一些特定的铁磁层厚度下, 磁性d波超导中的磁交换能可增强系统的临界电流.
2013, 62(4): 047501.
doi: 10.7498/aps.62.047501
摘要:
采用传统的固相法制备了(1-x)(K0.5Na0.5NbO3-LiSbO3-BiFeO3)-xCuFe2O4 (x=0.1, 0.2, 0.3, 0.4) 磁电复合陶瓷, 并借助X射线衍射仪、扫描电镜和磁电耦合系数测试仪等对复合陶瓷的微结构和性能进行了分析. 结果表明, 复合陶瓷的K0.5Na0.5NbO3-LiSbO3-BiFeO3和CuFe2O4物相之间发生了一定的离子相互扩散作用, 且两相的颗粒大小匹配性较好. 随着CuFe2O4含量增加, 复合陶瓷的压电系数从130 pC/N减小到30 pC/N, 饱和磁致伸缩系数从4.5×10-6增加到12.4×10-6左右, 磁电耦合系数表现出先增加后减小, 在x=0.3时获得最大的磁电耦合系数9.4 mV·cm-1·Oe-1.
采用传统的固相法制备了(1-x)(K0.5Na0.5NbO3-LiSbO3-BiFeO3)-xCuFe2O4 (x=0.1, 0.2, 0.3, 0.4) 磁电复合陶瓷, 并借助X射线衍射仪、扫描电镜和磁电耦合系数测试仪等对复合陶瓷的微结构和性能进行了分析. 结果表明, 复合陶瓷的K0.5Na0.5NbO3-LiSbO3-BiFeO3和CuFe2O4物相之间发生了一定的离子相互扩散作用, 且两相的颗粒大小匹配性较好. 随着CuFe2O4含量增加, 复合陶瓷的压电系数从130 pC/N减小到30 pC/N, 饱和磁致伸缩系数从4.5×10-6增加到12.4×10-6左右, 磁电耦合系数表现出先增加后减小, 在x=0.3时获得最大的磁电耦合系数9.4 mV·cm-1·Oe-1.
2013, 62(4): 047801.
doi: 10.7498/aps.62.047801
摘要:
在低温5 K下, 采用光致发光光谱及外加偏压调谐量子点电荷组态研究了InAs单量子点的精细结构和对应发光光谱的偏振性、不同带电荷激子的圆偏振特性. 得出如下结果: 1) 指认InAs单量子点中不同荷电激子的发光光谱和对应的激子本征态的偏振特性; 2) 外加偏压可以调谐量子点的荷电激子的发光光谱; 3) 伴随着电子、空穴的能量弛豫, 电子的自旋弛豫时间远大于空穴的自旋弛豫时间.
在低温5 K下, 采用光致发光光谱及外加偏压调谐量子点电荷组态研究了InAs单量子点的精细结构和对应发光光谱的偏振性、不同带电荷激子的圆偏振特性. 得出如下结果: 1) 指认InAs单量子点中不同荷电激子的发光光谱和对应的激子本征态的偏振特性; 2) 外加偏压可以调谐量子点的荷电激子的发光光谱; 3) 伴随着电子、空穴的能量弛豫, 电子的自旋弛豫时间远大于空穴的自旋弛豫时间.
2013, 62(4): 048101.
doi: 10.7498/aps.62.048101
摘要:
针对金属橡胶材料在高温环境下的热稳定性能和热传导性能, 基于金属橡胶的内部基本组分以及特殊的编织制作工艺, 构建了两种典型排列微元体结构, 并以此描述微元体在三种接触状态下的热膨胀特性, 提出了金属橡胶热膨胀Schapery分析模型, 从理论上解释了金属橡胶热膨胀的产生机理.根据金属橡胶基本组成单元的传热模式, 研究了金属橡胶的传热过程.利用热电比拟法和有限元法, 分析微元体的导热性能, 结合微元体的分布形式, 提出了金属橡胶的导热分析模型.试验测试了不同相对密度金属橡胶的热膨胀和热传导性能, 验证了金属橡胶热膨胀和导热特性分析理论模型的适用性.所得到的金属橡胶的热膨胀和热传导性能理论模型和试验结果, 为金属橡胶材料在高温环境下的热物理特性分析提供了理论基础和计算分析依据.
针对金属橡胶材料在高温环境下的热稳定性能和热传导性能, 基于金属橡胶的内部基本组分以及特殊的编织制作工艺, 构建了两种典型排列微元体结构, 并以此描述微元体在三种接触状态下的热膨胀特性, 提出了金属橡胶热膨胀Schapery分析模型, 从理论上解释了金属橡胶热膨胀的产生机理.根据金属橡胶基本组成单元的传热模式, 研究了金属橡胶的传热过程.利用热电比拟法和有限元法, 分析微元体的导热性能, 结合微元体的分布形式, 提出了金属橡胶的导热分析模型.试验测试了不同相对密度金属橡胶的热膨胀和热传导性能, 验证了金属橡胶热膨胀和导热特性分析理论模型的适用性.所得到的金属橡胶的热膨胀和热传导性能理论模型和试验结果, 为金属橡胶材料在高温环境下的热物理特性分析提供了理论基础和计算分析依据.
2013, 62(4): 048102.
doi: 10.7498/aps.62.048102
摘要:
采用单辊急冷技术实现了NiAl-Mo三元两相共晶合金的快速凝固, 同时与常规条件下的凝固组织进行了对比研究. 实验发现, 单辊急冷的合金条带与常规条件的凝固样品均由B2结构的NiAl金属间化合物和bcc结构的Mo固溶体两相组成, 两相均具有(110)晶面优先生长的趋势, 并呈现出(110)NiAl//(110)Mo取向关系. 常规条件下得到的微观结构主要由规则的两相共晶组织组成, 形成了类似菊花状的共晶胞. 而单辊急冷条件下形成的组织结构主要是由近辊面的柱状晶区和近自由面的等轴晶区组成的凝固组织. 理论计算发现, 合金熔体的单辊辊速由10 m/s增大至50 m/s后, 其冷却速率从1.01×107 K/s逐渐增大到2.46×107 K/s, 冷却速率明显高于常规铸造过程, 因而形成了差别很大的凝固组织. 随着辊速(冷却速率)的增加, 合金条带的厚度从54.4 μm减小至22 μm, 近辊面柱状晶区的厚度所占比例也逐渐增大, 晶粒发生了明显细化.
采用单辊急冷技术实现了NiAl-Mo三元两相共晶合金的快速凝固, 同时与常规条件下的凝固组织进行了对比研究. 实验发现, 单辊急冷的合金条带与常规条件的凝固样品均由B2结构的NiAl金属间化合物和bcc结构的Mo固溶体两相组成, 两相均具有(110)晶面优先生长的趋势, 并呈现出(110)NiAl//(110)Mo取向关系. 常规条件下得到的微观结构主要由规则的两相共晶组织组成, 形成了类似菊花状的共晶胞. 而单辊急冷条件下形成的组织结构主要是由近辊面的柱状晶区和近自由面的等轴晶区组成的凝固组织. 理论计算发现, 合金熔体的单辊辊速由10 m/s增大至50 m/s后, 其冷却速率从1.01×107 K/s逐渐增大到2.46×107 K/s, 冷却速率明显高于常规铸造过程, 因而形成了差别很大的凝固组织. 随着辊速(冷却速率)的增加, 合金条带的厚度从54.4 μm减小至22 μm, 近辊面柱状晶区的厚度所占比例也逐渐增大, 晶粒发生了明显细化.
2013, 62(4): 048401.
doi: 10.7498/aps.62.048401
摘要:
衬底温度保持恒定, 在Se气氛下按照一定的元素配比顺序蒸发Ga, In, Cu制备厚度约为0.7 μrm的Cu(In0.7Ga0.3)Se2 (CIGS)薄膜. 利用X射线衍射仪分析薄膜的晶体结构及物相组成, 扫描电子显微镜表征薄膜形貌及结晶质量, 二次离子质谱仪测试薄膜内部元素分布, 拉曼散射谱 分析薄膜表面构成, 带积分球附件的分光光度计测量薄膜光学性能. 研究发现在Ga-In-Se预制层内, In主要通过晶界扩散引起Ga/(Ga+In)分布均匀化. 衬底温度高于450 ℃时, 薄膜呈现单一的Cu(In0.7Ga0.3)Se2相; 低于400℃, 薄膜存在严重的Ga的两相分离现象, 且高含Ga相主要存在于薄膜的上下表面; 低于300 ℃, 薄膜结晶质量进一步恶化. 薄膜表层的高含Ga相Cu(In0.5Ga0.5)Se2以小晶粒形式均匀分布于薄膜表面, 增加了薄膜的粗糙度, 在电池内形成陷光结构, 提高了超薄电池对光的吸收. 加上带隙值较小的低含Ga相的存在, 使电池短路电流密度得到较大改善. 衬底温度在550 ℃–350 ℃变化时, 短路电流密度JSC是影响超薄电池转换效率的主要因素; 而衬底温度Tsub低于300 ℃时, 开路电压VOC和填充因子FF降低已成为电池性能减退的主要原因. Tsub为350 ℃时制备的0.7 μm左右的超薄CIGS电池转换效率达到了10.3%.
衬底温度保持恒定, 在Se气氛下按照一定的元素配比顺序蒸发Ga, In, Cu制备厚度约为0.7 μrm的Cu(In0.7Ga0.3)Se2 (CIGS)薄膜. 利用X射线衍射仪分析薄膜的晶体结构及物相组成, 扫描电子显微镜表征薄膜形貌及结晶质量, 二次离子质谱仪测试薄膜内部元素分布, 拉曼散射谱 分析薄膜表面构成, 带积分球附件的分光光度计测量薄膜光学性能. 研究发现在Ga-In-Se预制层内, In主要通过晶界扩散引起Ga/(Ga+In)分布均匀化. 衬底温度高于450 ℃时, 薄膜呈现单一的Cu(In0.7Ga0.3)Se2相; 低于400℃, 薄膜存在严重的Ga的两相分离现象, 且高含Ga相主要存在于薄膜的上下表面; 低于300 ℃, 薄膜结晶质量进一步恶化. 薄膜表层的高含Ga相Cu(In0.5Ga0.5)Se2以小晶粒形式均匀分布于薄膜表面, 增加了薄膜的粗糙度, 在电池内形成陷光结构, 提高了超薄电池对光的吸收. 加上带隙值较小的低含Ga相的存在, 使电池短路电流密度得到较大改善. 衬底温度在550 ℃–350 ℃变化时, 短路电流密度JSC是影响超薄电池转换效率的主要因素; 而衬底温度Tsub低于300 ℃时, 开路电压VOC和填充因子FF降低已成为电池性能减退的主要原因. Tsub为350 ℃时制备的0.7 μm左右的超薄CIGS电池转换效率达到了10.3%.
2013, 62(4): 048501.
doi: 10.7498/aps.62.048501
摘要:
针对国产锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBTs), 采用半导体器件模拟工具, 建立SiGe HBT单粒子效应三维损伤模型, 研究影响SiGe HBT单粒子效应电荷收集的关键因素. 分析比较重离子在不同位置入射器件时, 各电极的电流变化和感生电荷收集情况, 确定SiGe HBT电荷收集的敏感区域. 结果表明, 集电极/衬底结内及附近区域为集电极和衬底收集电荷的敏感区域, 浅槽隔离内的区域为基极收集电荷的敏感区域, 发射极收集的电荷可以忽略. 此项工作的开展为下一步采用设计加固的方法提高器件的抗辐射性能打下了良好的基础.
针对国产锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBTs), 采用半导体器件模拟工具, 建立SiGe HBT单粒子效应三维损伤模型, 研究影响SiGe HBT单粒子效应电荷收集的关键因素. 分析比较重离子在不同位置入射器件时, 各电极的电流变化和感生电荷收集情况, 确定SiGe HBT电荷收集的敏感区域. 结果表明, 集电极/衬底结内及附近区域为集电极和衬底收集电荷的敏感区域, 浅槽隔离内的区域为基极收集电荷的敏感区域, 发射极收集的电荷可以忽略. 此项工作的开展为下一步采用设计加固的方法提高器件的抗辐射性能打下了良好的基础.
2013, 62(4): 048701.
doi: 10.7498/aps.62.048701
摘要:
针对NaCl水溶液(0.0010.5 mol/L)介电特性, 实验调查了频率(2006.25 GHz), 温度(293353 K)、 浓度相关复介电常数. 结果表明: 频率增大的过程中虚部呈逐渐减小的趋势, 高温使离子扰动增大, 破坏了溶液内部水分子四面体结构和氢键构象而使介电常数实部减小. 与纯水相比, 溶液的损耗角正切在高温353 K低频区下降明显. 同时发现2.45和5.8 GHz的复介电常数随温度变化的温度窗效应, 温度窗效应导致微波加热时耗散功率的振荡变化, 温度分布不均匀现象在实验中得以证实.
针对NaCl水溶液(0.0010.5 mol/L)介电特性, 实验调查了频率(2006.25 GHz), 温度(293353 K)、 浓度相关复介电常数. 结果表明: 频率增大的过程中虚部呈逐渐减小的趋势, 高温使离子扰动增大, 破坏了溶液内部水分子四面体结构和氢键构象而使介电常数实部减小. 与纯水相比, 溶液的损耗角正切在高温353 K低频区下降明显. 同时发现2.45和5.8 GHz的复介电常数随温度变化的温度窗效应, 温度窗效应导致微波加热时耗散功率的振荡变化, 温度分布不均匀现象在实验中得以证实.
2013, 62(4): 048702.
doi: 10.7498/aps.62.048702
摘要:
数据采集时间长是制约磁共振成像技术发展的重要瓶颈.为了解决这一问题, 本文基于压缩感知成像理论, 提出了一种结合非均匀螺旋线磁共振数据采集序列和布雷格曼迭代重建的快速磁共振成像方法, 通过欠采样缩短数据采集时间.欠采样引起混迭伪影则通过非均匀螺旋线欠采样特性和布雷格曼迭代重建去除.水模磁共振成像实验和在体磁共振成像实验结果表明: 欠采样情况下, 所提出的方法能有效去除欠采样导致的混迭伪影, 获得的图像结构信息完整的成像结果, 在缩短采样时间的同时, 具有较高的准确度.
数据采集时间长是制约磁共振成像技术发展的重要瓶颈.为了解决这一问题, 本文基于压缩感知成像理论, 提出了一种结合非均匀螺旋线磁共振数据采集序列和布雷格曼迭代重建的快速磁共振成像方法, 通过欠采样缩短数据采集时间.欠采样引起混迭伪影则通过非均匀螺旋线欠采样特性和布雷格曼迭代重建去除.水模磁共振成像实验和在体磁共振成像实验结果表明: 欠采样情况下, 所提出的方法能有效去除欠采样导致的混迭伪影, 获得的图像结构信息完整的成像结果, 在缩短采样时间的同时, 具有较高的准确度.
2013, 62(4): 048801.
doi: 10.7498/aps.62.048801
摘要:
利用卢瑟夫背散射/沟道技术和金属有机化学气相沉积方法, 对蓝宝石衬底上 在不同温度、压强下生长的Ga2+xO3-x薄膜进行结构和结晶品质的测量与分析; 并结合高分辨X射线衍射分析技术, 通过对其对称(402)面的θ–2θ及ω扫描, 确定了其结构类型及结晶品质. 实验表明: 在相同的生长温度(500 ℃)下, 结晶品质随压强的下降而变好, 生长压强为15 Torr (1 Torr=133.322 Pa)的样品其结晶品质最好, 沿轴入射之比χmin值为14.5%; 在相同的生长压强(15 Torr)下, 结晶品质受生长温度的影响不大, 所以, 生长温度不是改变结晶品质的主要因素; 此外, 在相同的生长条件下制备的样品, 分别经过700, 800和900 ℃退火后, 其结晶品质随退火温度的变化而变化. 退火温度为800 ℃的样品的结晶品质最好, χmin值为11.1%; 当退火温度达到900 ℃时, 样品部分分解; 经热处理的样品其X射线衍射谱中有一个强的Ga2O3 (402)面衍射峰, 其半峰全宽为0.5°, 表明该Ga2O3外延膜是(402)择优取向.
利用卢瑟夫背散射/沟道技术和金属有机化学气相沉积方法, 对蓝宝石衬底上 在不同温度、压强下生长的Ga2+xO3-x薄膜进行结构和结晶品质的测量与分析; 并结合高分辨X射线衍射分析技术, 通过对其对称(402)面的θ–2θ及ω扫描, 确定了其结构类型及结晶品质. 实验表明: 在相同的生长温度(500 ℃)下, 结晶品质随压强的下降而变好, 生长压强为15 Torr (1 Torr=133.322 Pa)的样品其结晶品质最好, 沿轴入射之比χmin值为14.5%; 在相同的生长压强(15 Torr)下, 结晶品质受生长温度的影响不大, 所以, 生长温度不是改变结晶品质的主要因素; 此外, 在相同的生长条件下制备的样品, 分别经过700, 800和900 ℃退火后, 其结晶品质随退火温度的变化而变化. 退火温度为800 ℃的样品的结晶品质最好, χmin值为11.1%; 当退火温度达到900 ℃时, 样品部分分解; 经热处理的样品其X射线衍射谱中有一个强的Ga2O3 (402)面衍射峰, 其半峰全宽为0.5°, 表明该Ga2O3外延膜是(402)择优取向.
2013, 62(4): 049101.
doi: 10.7498/aps.62.049101
摘要:
(Mg, Fe)SiO3钙钛矿是下地幔中最主要的候选矿物成分之一, 关于其高温高压特性的研究对于深层地幔状态的理解和地震波变化规律的探索具有重要意义. 应用第一性原理计算了MgSiO3和(Mg0.75, Fe0.25)SiO3在0–140 GPa静水压范围内的晶体结构和弹性模量, 并由Voigt-Reuss-Hill方程计算了地震波速随压力的变化, 利用准简谐近似下的Debye模型模拟了高温效应, 分析了Fe2+取代Mg2+后镁铁钙钛矿弹性和热学性质的变化, 推断Fe2+取代行为软化了MgSiO3等含镁的地球深部矿物的地震波速. 为解释地幔中某些区域的地震波速软化现象提供了一个有力的理论依据.
(Mg, Fe)SiO3钙钛矿是下地幔中最主要的候选矿物成分之一, 关于其高温高压特性的研究对于深层地幔状态的理解和地震波变化规律的探索具有重要意义. 应用第一性原理计算了MgSiO3和(Mg0.75, Fe0.25)SiO3在0–140 GPa静水压范围内的晶体结构和弹性模量, 并由Voigt-Reuss-Hill方程计算了地震波速随压力的变化, 利用准简谐近似下的Debye模型模拟了高温效应, 分析了Fe2+取代Mg2+后镁铁钙钛矿弹性和热学性质的变化, 推断Fe2+取代行为软化了MgSiO3等含镁的地球深部矿物的地震波速. 为解释地幔中某些区域的地震波速软化现象提供了一个有力的理论依据.
2013, 62(4): 049102.
doi: 10.7498/aps.62.049102
摘要:
采用水热法在普通载玻片上热解醋酸锌生成的ZnO种子层上制备ZnO纳米棒, 采用 X射线衍射仪、扫描电镜、分光光度计等测试手段详细研究了醋酸锌热解温度对 ZnO纳米棒的结构和光学性质的影响. 结果表明: 纳米棒的结晶质量、端面尺寸、宏观应力和透射率与醋酸锌热解温度有密切关系. 随着热解温度的增加, ZnO纳米棒具有的c轴择优取向性先增强后减弱, 拉应力先减小后增大, 可见光区的平均透射率先增大后减小. 热解温度为350 ℃时, ZnO纳米棒c轴择优取向性最强, 拉应力最小, 平均透射率最大. 端面尺寸诱导的表面散射 是影响ZnO纳米棒可见光区平均透射率的主要机制.
采用水热法在普通载玻片上热解醋酸锌生成的ZnO种子层上制备ZnO纳米棒, 采用 X射线衍射仪、扫描电镜、分光光度计等测试手段详细研究了醋酸锌热解温度对 ZnO纳米棒的结构和光学性质的影响. 结果表明: 纳米棒的结晶质量、端面尺寸、宏观应力和透射率与醋酸锌热解温度有密切关系. 随着热解温度的增加, ZnO纳米棒具有的c轴择优取向性先增强后减弱, 拉应力先减小后增大, 可见光区的平均透射率先增大后减小. 热解温度为350 ℃时, ZnO纳米棒c轴择优取向性最强, 拉应力最小, 平均透射率最大. 端面尺寸诱导的表面散射 是影响ZnO纳米棒可见光区平均透射率的主要机制.
2013, 62(4): 049201.
doi: 10.7498/aps.62.049201
摘要:
大气Ekman层湍流系数的准确计算对数值天气预报和污染物扩散计算有着重要的意义. 将集合计算和变分法结合起来, 提出了目标泛函梯度计算的集合变分方案, 并根据正演模式的线性化情况提出了两种计算流程. 利用这种集合变分梯度算法及两种流程对Ekman层湍流系数进行了反演试验, 结果表明这种算法实施简单、方便, 根据观测资料能够比较准确地反演湍流系数值.
大气Ekman层湍流系数的准确计算对数值天气预报和污染物扩散计算有着重要的意义. 将集合计算和变分法结合起来, 提出了目标泛函梯度计算的集合变分方案, 并根据正演模式的线性化情况提出了两种计算流程. 利用这种集合变分梯度算法及两种流程对Ekman层湍流系数进行了反演试验, 结果表明这种算法实施简单、方便, 根据观测资料能够比较准确地反演湍流系数值.
