2014年 63卷 第11期
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2014, 63(11): 110201.
doi: 10.7498/aps.63.110201
摘要:
集成经验模态分解（EEMD）在一定程度上减轻了经验模态分解（EMD）中的模态混叠，但集成平均会带来新的模态混叠、频谱丢失和运算量增大等问题，影响到对信号物理特征的分析与提取. 因此，本文提出一种基于复数据经验模态分解（CEMD）的噪声辅助信号分解方法，在CEMD中以白噪声分解的内禀模态函数（IMF）在指定方向上的投影为基函数来辅助观测信号分解过程中的极值选取，从而减小模态混叠，同时利用噪声投影的影响在求包络质心时被消除的特性，减小EEMD因集成平均带来的相关问题. 仿真结果表明，本文方法在进一步降低模态混叠效应的同时，明显提高了运算速度，并且在一定程度上减轻了频谱丢失问题.
集成经验模态分解（EEMD）在一定程度上减轻了经验模态分解（EMD）中的模态混叠，但集成平均会带来新的模态混叠、频谱丢失和运算量增大等问题，影响到对信号物理特征的分析与提取. 因此，本文提出一种基于复数据经验模态分解（CEMD）的噪声辅助信号分解方法，在CEMD中以白噪声分解的内禀模态函数（IMF）在指定方向上的投影为基函数来辅助观测信号分解过程中的极值选取，从而减小模态混叠，同时利用噪声投影的影响在求包络质心时被消除的特性，减小EEMD因集成平均带来的相关问题. 仿真结果表明，本文方法在进一步降低模态混叠效应的同时，明显提高了运算速度，并且在一定程度上减轻了频谱丢失问题.
2014, 63(11): 110202.
doi: 10.7498/aps.63.110202
摘要:
将梯度系统推广到包含时间的情形，称之为广义梯度系统. 给出完整力学成为梯度系统的条件. 如果广义梯度系统的势函数可以成为Lyapunov函数，那么可用Lyapunov定理来研究系统的稳定性.
将梯度系统推广到包含时间的情形，称之为广义梯度系统. 给出完整力学成为梯度系统的条件. 如果广义梯度系统的势函数可以成为Lyapunov函数，那么可用Lyapunov定理来研究系统的稳定性.
2014, 63(11): 110203.
doi: 10.7498/aps.63.110203
摘要:
研究了一类非线性尘埃等离子体孤波解. 首先对无扰动情形下的孤波解作了阐述，接着用同伦映射方法，构造了一个迭代，并求出到了非线性尘埃等离子体扰动单孤波的行波解. 最后得到了对应模型的单孤波的各次近似解.
研究了一类非线性尘埃等离子体孤波解. 首先对无扰动情形下的孤波解作了阐述，接着用同伦映射方法，构造了一个迭代，并求出到了非线性尘埃等离子体扰动单孤波的行波解. 最后得到了对应模型的单孤波的各次近似解.
2014, 63(11): 110204.
doi: 10.7498/aps.63.110204
摘要:
本文是讨论一类时滞非线性扰动长波系统的孤波解. 首先，引入非扰动的典型长波方程的精确解. 然后，用同伦映射和改进的技巧构造了非线性扰动时滞长波系统孤波行波解的近似展开式.
本文是讨论一类时滞非线性扰动长波系统的孤波解. 首先，引入非扰动的典型长波方程的精确解. 然后，用同伦映射和改进的技巧构造了非线性扰动时滞长波系统孤波行波解的近似展开式.
2014, 63(11): 110205.
doi: 10.7498/aps.63.110205
摘要:
增强网络的动态容错性对于抵御级联失效具有重要的现实意义. 根据无线传感器网络无标度拓扑中节点可变负载和恒定容量的特点建立级联失效模型，在随机节点失效下研究负载参数和拓扑参数对其级联失效容错性的影响规律，解析推导出该网络大规模级联失效的承载极限，同时模拟结果发现该网络的级联失效容错性与其度分布系数和幂指数正相关. 这为从参数优化角度抵御随机节点失效下无线传感器网络无标度拓扑级联失效危害提供了依据.
增强网络的动态容错性对于抵御级联失效具有重要的现实意义. 根据无线传感器网络无标度拓扑中节点可变负载和恒定容量的特点建立级联失效模型，在随机节点失效下研究负载参数和拓扑参数对其级联失效容错性的影响规律，解析推导出该网络大规模级联失效的承载极限，同时模拟结果发现该网络的级联失效容错性与其度分布系数和幂指数正相关. 这为从参数优化角度抵御随机节点失效下无线传感器网络无标度拓扑级联失效危害提供了依据.
2014, 63(11): 110301.
doi: 10.7498/aps.63.110301
摘要:
本文首次采用求解密度矩阵的振幅衰减主方程来研究介观RLC电路的量子耗散. 我们考虑到电路实际上处在热环境中，就尝试用（经约化了热库自由度以后）密度矩阵的振幅耗散主方程来研究介观RLC电路的量子衰减，即将电路看作是一个哈密顿稳态系统（不显含时），而该系统对应的密度矩阵是处在振幅耗散通道中（耗散系数由回路的品质因数决定）随着时间演化，我们求出该回路密度矩阵的量子耗散及回路能量的衰减规律. 我们采用纠缠态表象和有序算符内的积分（求和）技术探讨此问题，可以给出终态密度矩阵的解析形式，具有简捷的特点.
本文首次采用求解密度矩阵的振幅衰减主方程来研究介观RLC电路的量子耗散. 我们考虑到电路实际上处在热环境中，就尝试用（经约化了热库自由度以后）密度矩阵的振幅耗散主方程来研究介观RLC电路的量子衰减，即将电路看作是一个哈密顿稳态系统（不显含时），而该系统对应的密度矩阵是处在振幅耗散通道中（耗散系数由回路的品质因数决定）随着时间演化，我们求出该回路密度矩阵的量子耗散及回路能量的衰减规律. 我们采用纠缠态表象和有序算符内的积分（求和）技术探讨此问题，可以给出终态密度矩阵的解析形式，具有简捷的特点.
2014, 63(11): 110302.
doi: 10.7498/aps.63.110302
摘要:
通过求解系统的Milburn方程，研究了包含Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的自旋链系统中纠缠和保真度的动力学演化特性，讨论了不同方向Dzyaloshinskii-Moriya相互作用、不同方向均匀和非均匀磁场、不同初始态对纠缠以及保真度退相干的影响. 研究发现，非均匀磁场的引入能够抑制纠缠退相干的发生，初始态的选择对系统纠缠状态的影响很大，可以通过调制Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的方向来获得所需纠缠和较高的保真度. 研究还发现，退相干条件下，无论是均匀还是非均匀磁场对于保真度的提高并不明显. 纠缠和保真度随初始态角度的变化具有周期性，可以根据需要来选取不同系统中的最优初始态.
通过求解系统的Milburn方程，研究了包含Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的自旋链系统中纠缠和保真度的动力学演化特性，讨论了不同方向Dzyaloshinskii-Moriya相互作用、不同方向均匀和非均匀磁场、不同初始态对纠缠以及保真度退相干的影响. 研究发现，非均匀磁场的引入能够抑制纠缠退相干的发生，初始态的选择对系统纠缠状态的影响很大，可以通过调制Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的方向来获得所需纠缠和较高的保真度. 研究还发现，退相干条件下，无论是均匀还是非均匀磁场对于保真度的提高并不明显. 纠缠和保真度随初始态角度的变化具有周期性，可以根据需要来选取不同系统中的最优初始态.
2014, 63(11): 110303.
doi: 10.7498/aps.63.110303
摘要:
采用几何量子失协度量两个子系统间的关联，利用数值计算方法研究了原子-腔-光纤复合系统中两个原子之间和两个腔场之间的几何量子失协. 讨论了腔场与光纤模间的耦合系数和弱相干场强度变化对几何量子失协的影响. 研究结果表明：两原子之间和两腔场之间的几何量子失协均随时间作周期性演化，其演化频率随腔场与光纤模间的耦合系数增大而增大. 另一方面，随弱相干场强度增大，两原子间和两腔场间的几何量子失协增大. 这表明随弱相干场强度增大两原子间或两腔场间的关联增强.
采用几何量子失协度量两个子系统间的关联，利用数值计算方法研究了原子-腔-光纤复合系统中两个原子之间和两个腔场之间的几何量子失协. 讨论了腔场与光纤模间的耦合系数和弱相干场强度变化对几何量子失协的影响. 研究结果表明：两原子之间和两腔场之间的几何量子失协均随时间作周期性演化，其演化频率随腔场与光纤模间的耦合系数增大而增大. 另一方面，随弱相干场强度增大，两原子间和两腔场间的几何量子失协增大. 这表明随弱相干场强度增大两原子间或两腔场间的关联增强.
2014, 63(11): 110304.
doi: 10.7498/aps.63.110304
摘要:
我们用量子力学算符Hermite多项式方法发现了涉及双变数Hermite多项式的二项式的两个定理，它们在计算若干量子光场的物理性质时有实质性的应用. 该方法不但具有简捷的优点，而且能导出很多新的算符恒等式，成为发展数学物理理论的一个重要分支. 若干常用的特殊函数的宗量也由普通数变为算符.
我们用量子力学算符Hermite多项式方法发现了涉及双变数Hermite多项式的二项式的两个定理，它们在计算若干量子光场的物理性质时有实质性的应用. 该方法不但具有简捷的优点，而且能导出很多新的算符恒等式，成为发展数学物理理论的一个重要分支. 若干常用的特殊函数的宗量也由普通数变为算符.
2014, 63(11): 110305.
doi: 10.7498/aps.63.110305
摘要:
本文对基于海森堡XXZ自旋链模型的隐形传态的平均保真度进行了详细计算和分析. 通过比较不带三体相互作用、仅带一种三体相互作用和同时带两种三体相互作用的各种海森堡铁磁质和反铁磁质XXZ模型在外磁场正向和反向时的保真度与外磁场和温度的关系，找到了一些理想模型，用这些模型进行隐形传态时需要的外界磁场相对较弱、温度相对较高，这个结论为实验上用海森堡XXZ模型进行隐形传态提供了很好的理论依据.
本文对基于海森堡XXZ自旋链模型的隐形传态的平均保真度进行了详细计算和分析. 通过比较不带三体相互作用、仅带一种三体相互作用和同时带两种三体相互作用的各种海森堡铁磁质和反铁磁质XXZ模型在外磁场正向和反向时的保真度与外磁场和温度的关系，找到了一些理想模型，用这些模型进行隐形传态时需要的外界磁场相对较弱、温度相对较高，这个结论为实验上用海森堡XXZ模型进行隐形传态提供了很好的理论依据.
2014, 63(11): 110306.
doi: 10.7498/aps.63.110306
摘要:
本文对自旋-轨道耦合的玻色-爱因斯坦凝聚体经过尖端势垒散射的过程进行了数值模拟，发现散射过程中存在Klein隧穿现象. 相较于高斯势垒，尖端势垒散射的Klein阻塞及Klein隧穿区域会向较高势垒方向移动. 在Klein隧穿区域，透射系数随势垒高度而振荡下降，且振幅随着势垒增高而逐渐减小. 最后，分别讨论了原子相互作用对经典透射区域、Klein阻塞区域以及Klein隧穿区域散射过程的影响.
本文对自旋-轨道耦合的玻色-爱因斯坦凝聚体经过尖端势垒散射的过程进行了数值模拟，发现散射过程中存在Klein隧穿现象. 相较于高斯势垒，尖端势垒散射的Klein阻塞及Klein隧穿区域会向较高势垒方向移动. 在Klein隧穿区域，透射系数随势垒高度而振荡下降，且振幅随着势垒增高而逐渐减小. 最后，分别讨论了原子相互作用对经典透射区域、Klein阻塞区域以及Klein隧穿区域散射过程的影响.
2014, 63(11): 110501.
doi: 10.7498/aps.63.110501
摘要:
本文将细胞内环境假定为分数阶牛顿黏弹性体并建立了单位质量的一维线动分子马达的时间非对称分数阶类郎之万棘齿模型，其中的周期势函数是空间对称的，而用于刻画ATP水解反应引起的环境波动的则是无偏的时间非对称类郎之万噪声. 然后本文将模型转化为离散映射以便进行计算机模拟. 最后本文以Logistic映射所生成的类郎之万噪声为例简单模拟了模型的定向输运行为. 各参数情形下的模拟结果均显示：无需势函数的空间对称破缺，时间非对称的类郎之万噪声已足以引起模型的定向输运. 负向的输运行为应归因于Logistic映射的两个不稳定不动点的非对称分布. 因此，尽管模拟结果同整数阶模型相比并无本质区别，但分数阶模型对于分子马达的噪声整流机理的刻画却无疑更接近实际情况.
本文将细胞内环境假定为分数阶牛顿黏弹性体并建立了单位质量的一维线动分子马达的时间非对称分数阶类郎之万棘齿模型，其中的周期势函数是空间对称的，而用于刻画ATP水解反应引起的环境波动的则是无偏的时间非对称类郎之万噪声. 然后本文将模型转化为离散映射以便进行计算机模拟. 最后本文以Logistic映射所生成的类郎之万噪声为例简单模拟了模型的定向输运行为. 各参数情形下的模拟结果均显示：无需势函数的空间对称破缺，时间非对称的类郎之万噪声已足以引起模型的定向输运. 负向的输运行为应归因于Logistic映射的两个不稳定不动点的非对称分布. 因此，尽管模拟结果同整数阶模型相比并无本质区别，但分数阶模型对于分子马达的噪声整流机理的刻画却无疑更接近实际情况.
2014, 63(11): 110502.
doi: 10.7498/aps.63.110502
摘要:
本文以一类典型的相对转动振动系统为研究对象，研究激励引起的系统混沌运动和安全域侵蚀，并对系统施加时滞位置反馈来抑制这两类复杂动力学行为. 首先，利用Melnikov函数法获得相对转动系统的混沌运动及安全盆侵蚀的激励振幅阈值；其次，通过讨论时滞反馈系统的Hopf分岔条件获得适用于Melnikov函数法的控制参数取值范围，进而利用Melnikov函数法获得时滞受控系统的全局分岔必要条件；最后，利用四阶Rung-Kutta法和点映射法数值模拟了时滞受控系统动力学行为随参数的演变，从而验证解析结果的有效性. 研究发现：在正的增益系数和较短的时滞量下，时滞位置反馈能够有效抑制相对转动系统的混沌运动和安全盆侵蚀现象.
本文以一类典型的相对转动振动系统为研究对象，研究激励引起的系统混沌运动和安全域侵蚀，并对系统施加时滞位置反馈来抑制这两类复杂动力学行为. 首先，利用Melnikov函数法获得相对转动系统的混沌运动及安全盆侵蚀的激励振幅阈值；其次，通过讨论时滞反馈系统的Hopf分岔条件获得适用于Melnikov函数法的控制参数取值范围，进而利用Melnikov函数法获得时滞受控系统的全局分岔必要条件；最后，利用四阶Rung-Kutta法和点映射法数值模拟了时滞受控系统动力学行为随参数的演变，从而验证解析结果的有效性. 研究发现：在正的增益系数和较短的时滞量下，时滞位置反馈能够有效抑制相对转动系统的混沌运动和安全盆侵蚀现象.
2014, 63(11): 110503.
doi: 10.7498/aps.63.110503
摘要:
本文利用了Olver提出的等价活动标架方法，通过构造合适的活动标架，得到了CDG方程和耦合KdV-MKdV方程的微分不变量，并推得了微分不变量代数.
本文利用了Olver提出的等价活动标架方法，通过构造合适的活动标架，得到了CDG方程和耦合KdV-MKdV方程的微分不变量，并推得了微分不变量代数.
2014, 63(11): 110504.
doi: 10.7498/aps.63.110504
摘要:
本文中，在优化速度模型的基础上，提出一个计及跟随车与当前车车头间距的跟驰模型. 从控制论角度出发，对模型进行稳定性分析，得到了模型的稳定性条件. 同时，在新模型中引入了反馈控制信息，考虑当前车与前后方车辆之间的速度差. 对模型进行线性分析后得到小扰动不会导致交通堵塞的条件. 在开放边界条件下，对两个模型进行数值模拟，结果表明在控制信号下，车辆速度波动明显减小，拥堵现象得到有效缓解. 从而证实反馈控制信号对缓解交通拥堵的重要作用.
本文中，在优化速度模型的基础上，提出一个计及跟随车与当前车车头间距的跟驰模型. 从控制论角度出发，对模型进行稳定性分析，得到了模型的稳定性条件. 同时，在新模型中引入了反馈控制信息，考虑当前车与前后方车辆之间的速度差. 对模型进行线性分析后得到小扰动不会导致交通堵塞的条件. 在开放边界条件下，对两个模型进行数值模拟，结果表明在控制信号下，车辆速度波动明显减小，拥堵现象得到有效缓解. 从而证实反馈控制信号对缓解交通拥堵的重要作用.
2014, 63(11): 110505.
doi: 10.7498/aps.63.110505
摘要:
如何解决粒子的退化问题和提高算法对突变状态的跟踪能力，是粒子滤波算法研究和应用中需要考虑的两个主要因素. 传统的再采样算法虽然可以解决退化问题，但是容易导致粒子耗尽；扩展粒子滤波算法虽然可在一定程度上解决粒子耗尽问题，但其对突变状态的跟踪能力却不近人意；强跟踪粒子滤波算法可以提高对突变状态的跟踪能力，但却未能较好地改善粒子退化问题. 针对上述问题，本文将随机摄动再采样方法引入强跟踪粒子滤波算法，提出了一种随机摄动强跟踪粒子滤波算法. 当粒子退化问题严重时，对权值最大的粒子迭加随机摄动，用摄动粒子替换退化粒子以解决粒子退化问题，同时由于摄动粒子的加入增加了粒子集的多样性，可在一定程度上缓解粒子耗尽问题，提高算法对突变状态的跟踪能力. 利用标准验证模型和分时恒定系统对所提出的算法进行了仿真验证，仿真结果证明了该算法的可行性和有效性.
如何解决粒子的退化问题和提高算法对突变状态的跟踪能力，是粒子滤波算法研究和应用中需要考虑的两个主要因素. 传统的再采样算法虽然可以解决退化问题，但是容易导致粒子耗尽；扩展粒子滤波算法虽然可在一定程度上解决粒子耗尽问题，但其对突变状态的跟踪能力却不近人意；强跟踪粒子滤波算法可以提高对突变状态的跟踪能力，但却未能较好地改善粒子退化问题. 针对上述问题，本文将随机摄动再采样方法引入强跟踪粒子滤波算法，提出了一种随机摄动强跟踪粒子滤波算法. 当粒子退化问题严重时，对权值最大的粒子迭加随机摄动，用摄动粒子替换退化粒子以解决粒子退化问题，同时由于摄动粒子的加入增加了粒子集的多样性，可在一定程度上缓解粒子耗尽问题，提高算法对突变状态的跟踪能力. 利用标准验证模型和分时恒定系统对所提出的算法进行了仿真验证，仿真结果证明了该算法的可行性和有效性.
2014, 63(11): 110506.
doi: 10.7498/aps.63.110506
摘要:
目前已有的随机共振理论对于随机共振系统的非线性动力学行为及其发生机理阐释得不够具体和明晰，本文从分析一阶非线性Duffing方程的动力学特性入手，推导得到非自治Duffing方程的吸引子曲线，基于该曲线和输入信号之间的映射关系分析了系统输出的动力学行为，并由此进一步定性分析了随机共振现象发生的动力学机理；研究表明：作用于系统的内禀信号能推动系统动点沿吸引子曲线移动，它对系统的输出起内在的和本质的作用，而噪声在一定条件下能够诱发系统产生跃迁行为；文章最后利用该动力学机理对已有的调参数和调阻尼等基于随机共振的微弱信号检测方法作了统一和延拓.
目前已有的随机共振理论对于随机共振系统的非线性动力学行为及其发生机理阐释得不够具体和明晰，本文从分析一阶非线性Duffing方程的动力学特性入手，推导得到非自治Duffing方程的吸引子曲线，基于该曲线和输入信号之间的映射关系分析了系统输出的动力学行为，并由此进一步定性分析了随机共振现象发生的动力学机理；研究表明：作用于系统的内禀信号能推动系统动点沿吸引子曲线移动，它对系统的输出起内在的和本质的作用，而噪声在一定条件下能够诱发系统产生跃迁行为；文章最后利用该动力学机理对已有的调参数和调阻尼等基于随机共振的微弱信号检测方法作了统一和延拓.
2014, 63(11): 110701.
doi: 10.7498/aps.63.110701
摘要:
本文报道了分布式反馈（简称DFB）激光抽运铯磁力仪实验系统，研究并优化了激光光强、激光频率、射频强度、铯吸收泡温度、吸收泡缓冲气体压强等5 类参数，测算得到不同情况下铯原子塞曼跃迁谱谱线宽度Δf与信噪比S/N的比值，并利用公式???（γCs 为铯原子旋磁比）将其转化为磁力仪灵敏度，得到最优灵敏度为2.5 pT/Hz1/2. 实验表明，本文所研究的5类参数都会不同程度提高磁力仪灵敏度，其中，激光频率、射频强度、铯吸收泡温度更是将灵敏度提高了10倍以上，这为更高性能、实用化半导体激光抽运铯磁力仪的研制提供了重要参考.
本文报道了分布式反馈（简称DFB）激光抽运铯磁力仪实验系统，研究并优化了激光光强、激光频率、射频强度、铯吸收泡温度、吸收泡缓冲气体压强等5 类参数，测算得到不同情况下铯原子塞曼跃迁谱谱线宽度Δf与信噪比S/N的比值，并利用公式???（γCs 为铯原子旋磁比）将其转化为磁力仪灵敏度，得到最优灵敏度为2.5 pT/Hz1/2. 实验表明，本文所研究的5类参数都会不同程度提高磁力仪灵敏度，其中，激光频率、射频强度、铯吸收泡温度更是将灵敏度提高了10倍以上，这为更高性能、实用化半导体激光抽运铯磁力仪的研制提供了重要参考.
2014, 63(11): 110702.
doi: 10.7498/aps.63.110702
摘要:
针对搭载于水下无人航行器（UUV）的四面体磁梯度张量系统易受载体磁场干扰的问题，提出了一种载体磁干扰补偿方法. 该方法在载体磁干扰产生机理的基础上，利用磁梯度张量差分测量算法融合四面体磁梯度张量系统中四个矢量磁力仪的载体磁干扰，建立了磁梯度张量系统载体磁干扰数学模型；然后在此数学模型的基础上提出了磁干扰补偿方法，并根据磁梯度张量9分量的数学关系提出了补偿参数辨识方法；最后通过仿真实验对方法进行了验证，结果表明该补偿方法可以有效补偿磁梯度张量系统95.9%的载体磁干扰. 该方法利用补偿参数对磁梯度张量系统的输出值直接进行磁干扰补偿，从理论上解决了磁梯度张量系统中各个矢量磁力仪载体磁干扰的统一补偿问题.
针对搭载于水下无人航行器（UUV）的四面体磁梯度张量系统易受载体磁场干扰的问题，提出了一种载体磁干扰补偿方法. 该方法在载体磁干扰产生机理的基础上，利用磁梯度张量差分测量算法融合四面体磁梯度张量系统中四个矢量磁力仪的载体磁干扰，建立了磁梯度张量系统载体磁干扰数学模型；然后在此数学模型的基础上提出了磁干扰补偿方法，并根据磁梯度张量9分量的数学关系提出了补偿参数辨识方法；最后通过仿真实验对方法进行了验证，结果表明该补偿方法可以有效补偿磁梯度张量系统95.9%的载体磁干扰. 该方法利用补偿参数对磁梯度张量系统的输出值直接进行磁干扰补偿，从理论上解决了磁梯度张量系统中各个矢量磁力仪载体磁干扰的统一补偿问题.
2014, 63(11): 110703.
doi: 10.7498/aps.63.110703
摘要:
为了提高太赫兹表面波振荡器的输出功率，本文提出了同轴结构的表面波振荡器模型，并且获得了该同轴结构TM01模的色散曲线，采用自行研制的全电磁粒子模拟软件UNIPIC对提出的同轴结构表面波振荡器进行了模拟，结果表明器件的工作频率与圆柱结构时的表面波振荡器相同，在输出端以TEM模式传输太赫兹波，输出功率相比圆柱结构的表面波振荡器输出功率水平提高了67.8%.
为了提高太赫兹表面波振荡器的输出功率，本文提出了同轴结构的表面波振荡器模型，并且获得了该同轴结构TM01模的色散曲线，采用自行研制的全电磁粒子模拟软件UNIPIC对提出的同轴结构表面波振荡器进行了模拟，结果表明器件的工作频率与圆柱结构时的表面波振荡器相同，在输出端以TEM模式传输太赫兹波，输出功率相比圆柱结构的表面波振荡器输出功率水平提高了67.8%.
2014, 63(11): 110704.
doi: 10.7498/aps.63.110704
摘要:
本文介绍了一种基于Wollaston棱镜角剪切和Savart偏光镜横向剪切组合的静态、紧凑型、高通量差分偏振干涉成像光谱技术. 其显著特点是无运动部件，可同时获取目标正交偏振组分的干涉图和二维空间图像. 干涉图经傅里叶变换和图像融合算法可得到正交偏振组分的偏振光谱图像，正交偏振光谱图像之和等效于传统强度光谱图像，正交偏振光谱图像之差称为差分偏振光谱图像. 高对比度的差分偏振光谱不仅能刻画目标详细的表面形貌、纹理和结构信息，还可反演弹性散射粒子的尺度、浓度和折射率等信息. 文中描述了差分偏振干涉成像光谱仪的原理结构，给出了干涉强度分布规律表达式，分析了完整干涉图和二维空间图像的数据获取模式. 利用杨氏干涉模型对光通过Savart偏光镜后形成干涉直条纹的近轴关系进行了深入分析. 利用光场衍射理论确定了光谱仪中准直透镜和成像透镜实现紧凑化的结构关系. 计算机仿真模拟验证了方案的可行性. 为偏振成像光谱仪的发展提供了一种新思路.
本文介绍了一种基于Wollaston棱镜角剪切和Savart偏光镜横向剪切组合的静态、紧凑型、高通量差分偏振干涉成像光谱技术. 其显著特点是无运动部件，可同时获取目标正交偏振组分的干涉图和二维空间图像. 干涉图经傅里叶变换和图像融合算法可得到正交偏振组分的偏振光谱图像，正交偏振光谱图像之和等效于传统强度光谱图像，正交偏振光谱图像之差称为差分偏振光谱图像. 高对比度的差分偏振光谱不仅能刻画目标详细的表面形貌、纹理和结构信息，还可反演弹性散射粒子的尺度、浓度和折射率等信息. 文中描述了差分偏振干涉成像光谱仪的原理结构，给出了干涉强度分布规律表达式，分析了完整干涉图和二维空间图像的数据获取模式. 利用杨氏干涉模型对光通过Savart偏光镜后形成干涉直条纹的近轴关系进行了深入分析. 利用光场衍射理论确定了光谱仪中准直透镜和成像透镜实现紧凑化的结构关系. 计算机仿真模拟验证了方案的可行性. 为偏振成像光谱仪的发展提供了一种新思路.
2014, 63(11): 110705.
doi: 10.7498/aps.63.110705
摘要:
基于Wollaston棱镜角剪切和Savart偏光镜横向剪切组合的静态差分偏振干涉成像光谱仪可同时获取二维目标的正交偏振组分的高光谱图像信息. 依据干涉光谱学原理和实际探测器提出了该仪器的光学技术指标，并论证各关键偏光元件的光学设计方案. 主要是利用波法线追迹法论证Savart偏光镜、Wollaston棱镜和Glan-Taylor棱镜等元件的参数选择依据. 着重分析双折射元件色散特性对入射角、厚度及结构角的影响，并提出解决方案. 为差分偏振干涉成像光谱仪的工程化提供理论指导.
基于Wollaston棱镜角剪切和Savart偏光镜横向剪切组合的静态差分偏振干涉成像光谱仪可同时获取二维目标的正交偏振组分的高光谱图像信息. 依据干涉光谱学原理和实际探测器提出了该仪器的光学技术指标，并论证各关键偏光元件的光学设计方案. 主要是利用波法线追迹法论证Savart偏光镜、Wollaston棱镜和Glan-Taylor棱镜等元件的参数选择依据. 着重分析双折射元件色散特性对入射角、厚度及结构角的影响，并提出解决方案. 为差分偏振干涉成像光谱仪的工程化提供理论指导.
2014, 63(11): 110706.
doi: 10.7498/aps.63.110706
摘要:
提出了一种基于悬浮式双芯多孔光纤的低损耗、宽带太赫兹偏振分离器. 通过纤芯的多孔结构实现器件的低损耗特性，利用两个纤芯微结构的正交关系实现宽带的单偏振模式匹配. 结构参数设计采用折射率反转匹配耦合法；数值计算采用全矢量有限元法；光纤基底材料选择太赫兹波段低损耗环烯烃共聚物COC. 首先对单芯高双折射悬浮式多孔光纤的色散、模式双折射、基模在空气中的能量分数、以及损耗等特性进行了分析，在此基础上，对悬浮式双芯多孔光纤偏振分离器的特性进行了详细研究. 发现该偏振分离器的工作带宽超过1.5 THz（0.8 THz到2.3 THz）. 其偏振分离长度和吸收损耗随频率的增大而增大，在1 THz，分离长度仅为0.66 cm；x，y两偏振的消光比分别为-14.64 dB和-14.84 dB，两偏振模式的实际吸收损耗均小于0.12 dB. 相对于其他双芯光纤偏振分离器设计，该结构具有宽带、低损耗、设计简单、拉制容易、以及抗环境干扰等优点.
提出了一种基于悬浮式双芯多孔光纤的低损耗、宽带太赫兹偏振分离器. 通过纤芯的多孔结构实现器件的低损耗特性，利用两个纤芯微结构的正交关系实现宽带的单偏振模式匹配. 结构参数设计采用折射率反转匹配耦合法；数值计算采用全矢量有限元法；光纤基底材料选择太赫兹波段低损耗环烯烃共聚物COC. 首先对单芯高双折射悬浮式多孔光纤的色散、模式双折射、基模在空气中的能量分数、以及损耗等特性进行了分析，在此基础上，对悬浮式双芯多孔光纤偏振分离器的特性进行了详细研究. 发现该偏振分离器的工作带宽超过1.5 THz（0.8 THz到2.3 THz）. 其偏振分离长度和吸收损耗随频率的增大而增大，在1 THz，分离长度仅为0.66 cm；x，y两偏振的消光比分别为-14.64 dB和-14.84 dB，两偏振模式的实际吸收损耗均小于0.12 dB. 相对于其他双芯光纤偏振分离器设计，该结构具有宽带、低损耗、设计简单、拉制容易、以及抗环境干扰等优点.
2014, 63(11): 110707.
doi: 10.7498/aps.63.110707
摘要:
本文介绍了基于外部调制二极管激光器（波长661.85 nm，线宽为0.3 nm）为光源的腔衰荡光谱技术探测环境大气中NO3自由基. 通过改变外部调制信号，优化二极管激光器的输出光谱，获得NO3自由基的有效吸收截面；探讨了大气中的其他气体成分（O3，NO2和水蒸气）对NO3自由基的测量干扰；考虑PFA管的壁碰撞损耗和过滤膜的损耗，初步量化本系统的NO3自由基进气效率约为70%. 当时间分辨率为7 s时，在实验室环境下，系统的探测限为2.0 pptv. 将本系统初步应用于夜间大气中NO3自由基的测量（2 h），获得了NO3自由基的浓度主要在17.951.7 pptv之间，平均浓度为36.3 pptv，实际的探测限为3.5 pptv；由于NO3自由基进气效率的不确定性等因素，系统的测量误差约为 8%（1）. 实验结果表明，二极管激光腔衰荡光谱技术可实现大气中NO3自由基的高灵敏度在线探测.
本文介绍了基于外部调制二极管激光器（波长661.85 nm，线宽为0.3 nm）为光源的腔衰荡光谱技术探测环境大气中NO3自由基. 通过改变外部调制信号，优化二极管激光器的输出光谱，获得NO3自由基的有效吸收截面；探讨了大气中的其他气体成分（O3，NO2和水蒸气）对NO3自由基的测量干扰；考虑PFA管的壁碰撞损耗和过滤膜的损耗，初步量化本系统的NO3自由基进气效率约为70%. 当时间分辨率为7 s时，在实验室环境下，系统的探测限为2.0 pptv. 将本系统初步应用于夜间大气中NO3自由基的测量（2 h），获得了NO3自由基的浓度主要在17.951.7 pptv之间，平均浓度为36.3 pptv，实际的探测限为3.5 pptv；由于NO3自由基进气效率的不确定性等因素，系统的测量误差约为 8%（1）. 实验结果表明，二极管激光腔衰荡光谱技术可实现大气中NO3自由基的高灵敏度在线探测.
2014, 63(11): 110708.
doi: 10.7498/aps.63.110708
摘要:
本文研究了多轴差分吸收光谱技术（MAX-DOAS）的云和气溶胶类型鉴别方法. 首先研究了晴朗低气溶胶、晴朗高气溶胶、分散云、连续薄云和连续厚云下，色彩因子、光通量和O4的大气质量因子的变化特征. 分析发现随着云和气溶胶光学厚度的增加，色彩因子会逐渐减小. 分散云会使色彩因子发生快速变化，连续云会使各高度角的色彩因子趋于一致. 另外，厚云会使天顶方向光强剧烈下降，同时O4大气质量因子大幅度增加. 根据分析结果，最终形成了MAX-DOAS技术的云和气溶胶类型鉴别方案. 利用该鉴别方案，统计分析了2012年6月1日到10月30日的MAX-DOAS观测结果. 分散云和连续薄云出现频率最高，达到了66%和14.3%. 两种类型下，NO2对流层垂直柱浓度（VCD）的平均值相对晴朗低气溶胶下高出35%和66%. 而表征NO2 VCD测量值稳定度的标准偏差大约增大了2倍. 连续厚云下NO2 VCD常出现突然的极大值和极小值. 因此实时判别云和气溶胶的种类，将对MAX-DOAS数据的解析和数据质量的保证起到十分重要的作用.
本文研究了多轴差分吸收光谱技术（MAX-DOAS）的云和气溶胶类型鉴别方法. 首先研究了晴朗低气溶胶、晴朗高气溶胶、分散云、连续薄云和连续厚云下，色彩因子、光通量和O4的大气质量因子的变化特征. 分析发现随着云和气溶胶光学厚度的增加，色彩因子会逐渐减小. 分散云会使色彩因子发生快速变化，连续云会使各高度角的色彩因子趋于一致. 另外，厚云会使天顶方向光强剧烈下降，同时O4大气质量因子大幅度增加. 根据分析结果，最终形成了MAX-DOAS技术的云和气溶胶类型鉴别方案. 利用该鉴别方案，统计分析了2012年6月1日到10月30日的MAX-DOAS观测结果. 分散云和连续薄云出现频率最高，达到了66%和14.3%. 两种类型下，NO2对流层垂直柱浓度（VCD）的平均值相对晴朗低气溶胶下高出35%和66%. 而表征NO2 VCD测量值稳定度的标准偏差大约增大了2倍. 连续厚云下NO2 VCD常出现突然的极大值和极小值. 因此实时判别云和气溶胶的种类，将对MAX-DOAS数据的解析和数据质量的保证起到十分重要的作用.
2014, 63(11): 113101.
doi: 10.7498/aps.63.113101
摘要:
采用密度泛函理论（DFT）方法，在BPW91/LANL2DZ水平下详细研究了PdnAl（n=18）团簇的几何结构、稳定性和电极化率，并与Pdn+1和PdnAl（n=18）团簇进行了比较. 结果表明：除n=6，8外，PdnAl团簇和Pdn+1团簇的基态结构保持了相同的构型，除Pd2Al和Pd6Al+外，PdnAl团簇的基态结构与PdnAl团簇的保持了相同的结构. 且在PdnAl和PdnAl团簇基态结构中，Al原子位于较高的配位点上. 分裂能和二阶能量差分的分析结果表明Pd4，Pd3Al和Pd3Al团簇相对其他团簇具有较高的稳定性. 极化率的研究表明富Pd团簇的非线性光学效应强，容易被外场极化. Pd6，Pd5Al和Pd3Al团簇的极化率各向异性不变量为最小值，说明相应团簇对外场的各向异性响应最弱，各方向的极化率大小变化不大.
采用密度泛函理论（DFT）方法，在BPW91/LANL2DZ水平下详细研究了PdnAl（n=18）团簇的几何结构、稳定性和电极化率，并与Pdn+1和PdnAl（n=18）团簇进行了比较. 结果表明：除n=6，8外，PdnAl团簇和Pdn+1团簇的基态结构保持了相同的构型，除Pd2Al和Pd6Al+外，PdnAl团簇的基态结构与PdnAl团簇的保持了相同的结构. 且在PdnAl和PdnAl团簇基态结构中，Al原子位于较高的配位点上. 分裂能和二阶能量差分的分析结果表明Pd4，Pd3Al和Pd3Al团簇相对其他团簇具有较高的稳定性. 极化率的研究表明富Pd团簇的非线性光学效应强，容易被外场极化. Pd6，Pd5Al和Pd3Al团簇的极化率各向异性不变量为最小值，说明相应团簇对外场的各向异性响应最弱，各方向的极化率大小变化不大.
2014, 63(11): 113102.
doi: 10.7498/aps.63.113102
摘要:
基于全电子的相关一致极化4-（aug-cc-pwCVQZ-DK）基组，采用高精度的多参考组态相互作用方法计算了SiS自由基与最低的解离极限Si（3Pg）+S（3Pg）对应的18个-S电子态的势能曲线. 计算中考虑了标量相对论效应以及Si（2s22p6）和S（2s22p6）内壳层电子产生的关联效应. 基于计算的势能曲线，拟合出了束缚态的光谱参数，包括平衡核间距Re，绝热激发能Te，振动常数e和ee，平衡转动常数Be；并分析了束缚态在不同键长位置处的电子组态. 计算了18个-S态的电偶极矩函数，阐明了电子态的组态变化对电偶极矩的影响. 给出了包含b3和A1态的自旋-轨道矩阵元随核间距变化的曲线，分析了邻近的电子激发态对b3和A1态的扰动. 计算了A1-X1+和E1+X1+跃迁的跃迁偶极矩和Franck-Condon因子，讨论了A1和E1+的最低五个振动能级的辐射寿命.
基于全电子的相关一致极化4-（aug-cc-pwCVQZ-DK）基组，采用高精度的多参考组态相互作用方法计算了SiS自由基与最低的解离极限Si（3Pg）+S（3Pg）对应的18个-S电子态的势能曲线. 计算中考虑了标量相对论效应以及Si（2s22p6）和S（2s22p6）内壳层电子产生的关联效应. 基于计算的势能曲线，拟合出了束缚态的光谱参数，包括平衡核间距Re，绝热激发能Te，振动常数e和ee，平衡转动常数Be；并分析了束缚态在不同键长位置处的电子组态. 计算了18个-S态的电偶极矩函数，阐明了电子态的组态变化对电偶极矩的影响. 给出了包含b3和A1态的自旋-轨道矩阵元随核间距变化的曲线，分析了邻近的电子激发态对b3和A1态的扰动. 计算了A1-X1+和E1+X1+跃迁的跃迁偶极矩和Franck-Condon因子，讨论了A1和E1+的最低五个振动能级的辐射寿命.
2014, 63(11): 114201.
doi: 10.7498/aps.63.114201
摘要:
为了解决天空偏振光模式的描述问题，从经典的瑞利散射模型出发，考虑大气粒子尤其是气溶胶粒子的多次散射特性，构建了一种天空偏振光模式的解析模型. 首先分析大气分子的瑞利散射，并结合Perez光强分布模型描述光强分布，而后考虑二次散射因素，分析不同尺度不同组分典型粒子的散射相位函数，根据其角度分布特征，解决二次散射积分的求解问题，最终得到本模型. 仿真实验表明，与瑞利散射模型相比，本模型能够解决实际天空中存在的中性点的描述问题. 与晴朗天气下不同时刻实际测量结果之间的对比进一步说明，本模型不仅可以定性地描述实际天空中偏振光模式的角度变化趋势、中性点以及对称性等重要特征，而且具体数值与实际分布之间的符合程度要优于单次散射模型，其中偏振度的相似度最高可以达到75%左右.
为了解决天空偏振光模式的描述问题，从经典的瑞利散射模型出发，考虑大气粒子尤其是气溶胶粒子的多次散射特性，构建了一种天空偏振光模式的解析模型. 首先分析大气分子的瑞利散射，并结合Perez光强分布模型描述光强分布，而后考虑二次散射因素，分析不同尺度不同组分典型粒子的散射相位函数，根据其角度分布特征，解决二次散射积分的求解问题，最终得到本模型. 仿真实验表明，与瑞利散射模型相比，本模型能够解决实际天空中存在的中性点的描述问题. 与晴朗天气下不同时刻实际测量结果之间的对比进一步说明，本模型不仅可以定性地描述实际天空中偏振光模式的角度变化趋势、中性点以及对称性等重要特征，而且具体数值与实际分布之间的符合程度要优于单次散射模型，其中偏振度的相似度最高可以达到75%左右.
2014, 63(11): 116101.
doi: 10.7498/aps.63.116101
摘要:
为了对双极器件在电离辐射环境下的损伤机理及加固技术进行深入的研究，对设计制作的不同工艺类型的栅控横向PNP双极晶体管进行了60Co-γ 低剂量率辐照试验. 结果表明：1）栅控双极晶体管的辐射特性具有很强的工艺相关性，钝化层的存在对于双极晶体管的辐射响应具有很大影响，有钝化层的器件在电离辐射环境中会产生更多的界面态，其抗辐射能力大大减弱；2）针对国产栅控横向PNP晶体管在低剂量率辐照时会发生峰值电流展宽效应，文中对展宽效应潜在机理进行了分析，并针对展宽效应提出了新的分离方法. 这不但对设计抗辐射加固器件提供了依据，而且为进一步深入研究双极器件的低剂量率辐射损伤增强效应提供了强有力工具.
为了对双极器件在电离辐射环境下的损伤机理及加固技术进行深入的研究，对设计制作的不同工艺类型的栅控横向PNP双极晶体管进行了60Co-γ 低剂量率辐照试验. 结果表明：1）栅控双极晶体管的辐射特性具有很强的工艺相关性，钝化层的存在对于双极晶体管的辐射响应具有很大影响，有钝化层的器件在电离辐射环境中会产生更多的界面态，其抗辐射能力大大减弱；2）针对国产栅控横向PNP晶体管在低剂量率辐照时会发生峰值电流展宽效应，文中对展宽效应潜在机理进行了分析，并针对展宽效应提出了新的分离方法. 这不但对设计抗辐射加固器件提供了依据，而且为进一步深入研究双极器件的低剂量率辐射损伤增强效应提供了强有力工具.
2014, 63(11): 116401.
doi: 10.7498/aps.63.116401
摘要:
基于GRAY模型建立了金属铝的固液气三相完全物态方程，并与等温压缩线、Hugoniot线、熔化线以及零压热力学函数的实验结果进行对比，表明本物态方程可合理描述金属铝在宽广热力学空间的热力学状态.
基于GRAY模型建立了金属铝的固液气三相完全物态方程，并与等温压缩线、Hugoniot线、熔化线以及零压热力学函数的实验结果进行对比，表明本物态方程可合理描述金属铝在宽广热力学空间的热力学状态.
2014, 63(11): 116701.
doi: 10.7498/aps.63.116701
摘要:
在不同氧分压η（η =O2/[Ar+O2]）实验条件下，通过直流反应溅射制备了氧化镓薄膜，然后在真空环境下进行高温再结晶热处理. 用紫外-可见分光光度计（UV-Vis）研究了氧分压η 对光学带隙Eg的影响. X射线衍射（XRD）和共聚焦拉曼散射光谱（Raman Scattering）分析显示：经900 ℃高温热处理后，薄膜呈结晶β 相氧化镓，且晶粒尺寸随着氧分压的逐渐增加而变大. 室温下由UV-Vis测试薄膜透过率并利用Tauc公式计算得到样品的光学带隙Eg在4.68–4.85 eV之间，且随氧分压η 的逐渐增加而变大.
在不同氧分压η（η =O2/[Ar+O2]）实验条件下，通过直流反应溅射制备了氧化镓薄膜，然后在真空环境下进行高温再结晶热处理. 用紫外-可见分光光度计（UV-Vis）研究了氧分压η 对光学带隙Eg的影响. X射线衍射（XRD）和共聚焦拉曼散射光谱（Raman Scattering）分析显示：经900 ℃高温热处理后，薄膜呈结晶β 相氧化镓，且晶粒尺寸随着氧分压的逐渐增加而变大. 室温下由UV-Vis测试薄膜透过率并利用Tauc公式计算得到样品的光学带隙Eg在4.68–4.85 eV之间，且随氧分压η 的逐渐增加而变大.
2014, 63(11): 116801.
doi: 10.7498/aps.63.116801
摘要:
利用喷雾装置在清洁载玻片上喷洒出各种尺寸（微米到毫米量级）的硅油滴，采用直流磁控溅射方法在硅油滴上沉积金属铬薄膜，研究了薄膜中由热应力引起的自组装褶皱. 实验发现硅油滴上的铬薄膜受到油滴边缘的约束而具有受限的边界条件，其对褶皱的形貌具有很好的调控作用：褶皱呈垂直于边界的辐射状条纹；越靠近约束边界，褶皱的波长和振幅越小. 褶皱的形貌特征还与薄膜厚度和硅油滴尺寸密切相关. 随着膜厚的增加，褶皱在约束边界处首先形成，并逐渐扩展到油滴中心区域；相同尺寸油滴中心处的褶皱波长基本不变，而振幅随膜厚先增大随后减小. 薄膜厚度相同时，随着油滴尺寸的增加，褶皱的波长和振幅都相应增加. 进一步的研究表明：在沉积过程中，高能粒子的轰击和溅射源的热辐射导致硅油表面层的结构发生改变而形成聚合物层，在此基础上对褶皱的形貌特征和振幅演化给出合理的解释.
利用喷雾装置在清洁载玻片上喷洒出各种尺寸（微米到毫米量级）的硅油滴，采用直流磁控溅射方法在硅油滴上沉积金属铬薄膜，研究了薄膜中由热应力引起的自组装褶皱. 实验发现硅油滴上的铬薄膜受到油滴边缘的约束而具有受限的边界条件，其对褶皱的形貌具有很好的调控作用：褶皱呈垂直于边界的辐射状条纹；越靠近约束边界，褶皱的波长和振幅越小. 褶皱的形貌特征还与薄膜厚度和硅油滴尺寸密切相关. 随着膜厚的增加，褶皱在约束边界处首先形成，并逐渐扩展到油滴中心区域；相同尺寸油滴中心处的褶皱波长基本不变，而振幅随膜厚先增大随后减小. 薄膜厚度相同时，随着油滴尺寸的增加，褶皱的波长和振幅都相应增加. 进一步的研究表明：在沉积过程中，高能粒子的轰击和溅射源的热辐射导致硅油表面层的结构发生改变而形成聚合物层，在此基础上对褶皱的形貌特征和振幅演化给出合理的解释.
2014, 63(11): 117101.
doi: 10.7498/aps.63.117101
摘要:
基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法的计算，研究了通过吸附不同有机分子对单层MoS2进行化学掺杂. 计算结果表明有机分子与MoS2单层衬底间的相互作用主要是范德瓦尔斯作用力. 吸附不同有机分子的单层MoS2结构均表现出间接带隙的特征，还表明吸附TTF分子的单层MoS2结构表现出n型半导体的特质，而吸附TCNQ，TCNE两种分子的单层MoS2结构均表现出p型半导体的性质，这些结果表明可以通过改变吸附的分子来实现对单层MoS2的掺杂类型的调控. 本文的研究结果将对单层MoS2在晶体管中的应用提供理论基础和指导.
基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法的计算，研究了通过吸附不同有机分子对单层MoS2进行化学掺杂. 计算结果表明有机分子与MoS2单层衬底间的相互作用主要是范德瓦尔斯作用力. 吸附不同有机分子的单层MoS2结构均表现出间接带隙的特征，还表明吸附TTF分子的单层MoS2结构表现出n型半导体的特质，而吸附TCNQ，TCNE两种分子的单层MoS2结构均表现出p型半导体的性质，这些结果表明可以通过改变吸附的分子来实现对单层MoS2的掺杂类型的调控. 本文的研究结果将对单层MoS2在晶体管中的应用提供理论基础和指导.
2014, 63(11): 117102.
doi: 10.7498/aps.63.117102
摘要:
实验研究表明石墨烯纳米带中广泛地存在边缘结构重构且稳定的边缘缺陷结构. 本文采用第一性原理的计算方法研究了锯齿型石墨烯纳米带中边缘结构重构形成的两种不同缺陷结构对材料电子输运性能的影响. 研究发现两种缺陷边缘结构对稳定纳米尺度位型结构和电子能带结构具有显著影响，它使得费米能级发生移动并引起了共振背散射. 两种边缘缺陷重构均抑制了费米能级附近电子输运特性并导致不同区域的电子完全共振背散射，电导的抑制不仅与边缘缺陷结构的大小有关，它更取决于边缘缺陷重构位型引起的缺陷态的具体分布和电子能带的移动.
实验研究表明石墨烯纳米带中广泛地存在边缘结构重构且稳定的边缘缺陷结构. 本文采用第一性原理的计算方法研究了锯齿型石墨烯纳米带中边缘结构重构形成的两种不同缺陷结构对材料电子输运性能的影响. 研究发现两种缺陷边缘结构对稳定纳米尺度位型结构和电子能带结构具有显著影响，它使得费米能级发生移动并引起了共振背散射. 两种边缘缺陷重构均抑制了费米能级附近电子输运特性并导致不同区域的电子完全共振背散射，电导的抑制不仅与边缘缺陷结构的大小有关，它更取决于边缘缺陷重构位型引起的缺陷态的具体分布和电子能带的移动.
2014, 63(11): 117301.
doi: 10.7498/aps.63.117301
摘要:
利用低温X射线衍射研究了Bi2Te3晶体的线热膨胀系数. 结果表明：拓扑绝缘体Bi2Te3晶体的线热膨胀系数||和表现为各向异性，并遵从不同的温度依赖关系. 反映a-a平面内的膨胀系数在较宽的温区内服从Debye关系，而反映垂直于a-a平面方向的膨胀系数||在100 K左右就开始出现与Debye模型在定性上的差别. 利用Debye模型并结合Bi2Te3晶体的面内和层间原子之间的键合特性对||和所表现出的不同温度依赖特性进行了解释.
利用低温X射线衍射研究了Bi2Te3晶体的线热膨胀系数. 结果表明：拓扑绝缘体Bi2Te3晶体的线热膨胀系数||和表现为各向异性，并遵从不同的温度依赖关系. 反映a-a平面内的膨胀系数在较宽的温区内服从Debye关系，而反映垂直于a-a平面方向的膨胀系数||在100 K左右就开始出现与Debye模型在定性上的差别. 利用Debye模型并结合Bi2Te3晶体的面内和层间原子之间的键合特性对||和所表现出的不同温度依赖特性进行了解释.
2014, 63(11): 117302.
doi: 10.7498/aps.63.117302
摘要:
本文制备了AlGaN/GaN HEMT器件中常规结构与带有纵向接触孔结构的两种接触电极，研究了该两种源欧姆接触模式对器件电学特性的影响. 在相同条件下进行快速退火，发现在750 ℃下退火30 s后，常规结构还没有形成欧姆接触，而带有纵向欧姆接触孔的接触电极与外延片已经形成了良好的欧姆接触. 同时，比较了Ti/Al/Ti/Au 和Ti/Al/Ni/Au电极退火后表面形态，Ti/Al/Ni/Au具有更好的表面形貌. 通过测试两种结构的HEMT器件后，发现采用纵向欧姆接触孔结构器件具有更高的跨导和饱和电流，但是也会在栅极电压为0.5–2 V之间产生严重的电流崩塌现象.
本文制备了AlGaN/GaN HEMT器件中常规结构与带有纵向接触孔结构的两种接触电极，研究了该两种源欧姆接触模式对器件电学特性的影响. 在相同条件下进行快速退火，发现在750 ℃下退火30 s后，常规结构还没有形成欧姆接触，而带有纵向欧姆接触孔的接触电极与外延片已经形成了良好的欧姆接触. 同时，比较了Ti/Al/Ti/Au 和Ti/Al/Ni/Au电极退火后表面形态，Ti/Al/Ni/Au具有更好的表面形貌. 通过测试两种结构的HEMT器件后，发现采用纵向欧姆接触孔结构器件具有更高的跨导和饱和电流，但是也会在栅极电压为0.5–2 V之间产生严重的电流崩塌现象.
2014, 63(11): 117303.
doi: 10.7498/aps.63.117303
摘要:
半导体纳米材料超大的弹性极限使其物理性能具有很宽的调谐范围，被认为是应变工程理想的研究材料，引起了人们广泛的关注. 本研究中，利用聚焦离子束技术从p型Si的单晶薄膜上切割出取向的单根纳米线，在透射电子显微镜中利用纳米操控系统对其加载弯曲形变，同时实时监测其电流-电压曲线的变化，研究弯曲应变对其电学性能的影响. 结果表明，随着应变的增大，纳米线输运性能明显增强，当应变接近2%时，输运性能随应变的提升接近饱和；当应变达到3%以后，输运性能有时会略微下降，这可能由塑形事件导致的. 本实验结果可能会对Si应变工程起到重要的参考意义.
半导体纳米材料超大的弹性极限使其物理性能具有很宽的调谐范围，被认为是应变工程理想的研究材料，引起了人们广泛的关注. 本研究中，利用聚焦离子束技术从p型Si的单晶薄膜上切割出取向的单根纳米线，在透射电子显微镜中利用纳米操控系统对其加载弯曲形变，同时实时监测其电流-电压曲线的变化，研究弯曲应变对其电学性能的影响. 结果表明，随着应变的增大，纳米线输运性能明显增强，当应变接近2%时，输运性能随应变的提升接近饱和；当应变达到3%以后，输运性能有时会略微下降，这可能由塑形事件导致的. 本实验结果可能会对Si应变工程起到重要的参考意义.
2014, 63(11): 117701.
doi: 10.7498/aps.63.117701
摘要:
随着电力设备电压等级的提高，对电力设备中聚合物电介质材料的可靠性提出了更加严格的要求，然而由于聚合物电介质材料在生产制造过程中不可避免的存在气泡、杂质等缺陷，导致在高电场作用下会发生局部放电从而大大降低了电力设备的使用寿命. 因此，为了预防和减少电力设备中因聚合物电介质材料老化所带来的事故，需要合理地估算其电老化寿命. 本文从局部放电老化模型的微观机理出发，利用非平衡态统计理论建立了电裂纹不断扩展的随机微分方程，然后推导出聚合物电介质的击穿概率、可靠性以及电老化寿命与外加电场的函数关系. 最后，对聚苯二甲酸乙二醇酯（polyetllyleneterephthalate，PET）薄膜材料进行具体分析，将电老化寿命公式的理论值与实验数据作了比较，发现实验数据与理论值较为相符. 因此，本文推导的聚合物电介质电老化寿命公式可以有效地应用在定量分析中，并有望为材料的电寿命预测提供帮助.
随着电力设备电压等级的提高，对电力设备中聚合物电介质材料的可靠性提出了更加严格的要求，然而由于聚合物电介质材料在生产制造过程中不可避免的存在气泡、杂质等缺陷，导致在高电场作用下会发生局部放电从而大大降低了电力设备的使用寿命. 因此，为了预防和减少电力设备中因聚合物电介质材料老化所带来的事故，需要合理地估算其电老化寿命. 本文从局部放电老化模型的微观机理出发，利用非平衡态统计理论建立了电裂纹不断扩展的随机微分方程，然后推导出聚合物电介质的击穿概率、可靠性以及电老化寿命与外加电场的函数关系. 最后，对聚苯二甲酸乙二醇酯（polyetllyleneterephthalate，PET）薄膜材料进行具体分析，将电老化寿命公式的理论值与实验数据作了比较，发现实验数据与理论值较为相符. 因此，本文推导的聚合物电介质电老化寿命公式可以有效地应用在定量分析中，并有望为材料的电寿命预测提供帮助.
2014, 63(11): 117702.
doi: 10.7498/aps.63.117702
摘要:
采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法，在无氨与1050 ℃的条件下通过气液固（V-L-S）机理成功制备出六方纤锌矿结构单晶GaN纳米线其拉曼测试结果表明，所制备的纳米线存在较大的表面无序度并表现出明显的小尺寸效应样品光致发光表明其具有典型的纳米线光谱特征，另外，无氨法制备的纳米线也具有较好的场发射特性.
采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法，在无氨与1050 ℃的条件下通过气液固（V-L-S）机理成功制备出六方纤锌矿结构单晶GaN纳米线其拉曼测试结果表明，所制备的纳米线存在较大的表面无序度并表现出明显的小尺寸效应样品光致发光表明其具有典型的纳米线光谱特征，另外，无氨法制备的纳米线也具有较好的场发射特性.
2014, 63(11): 117703.
doi: 10.7498/aps.63.117703
摘要:
通过改变Si 掺杂量制备出了具有显著铁电和反铁电特征的HfO2 纳米薄膜，对其电滞回线、电容-电压和漏电流-电压特性以及物相温度稳定性进行了对比研究. 反铁电薄膜的介电系数大于铁电薄膜，在电场加载和减载过程中发生的可逆反铁电-铁电相变导致了双电滞回线的出现，在室温至185℃的测试温度范围内未出现反铁电顺电相变. 在电流-电压特性测量时观察到的负微分电阻效应归因于极化弛豫等慢响应机理的贡献.
通过改变Si 掺杂量制备出了具有显著铁电和反铁电特征的HfO2 纳米薄膜，对其电滞回线、电容-电压和漏电流-电压特性以及物相温度稳定性进行了对比研究. 反铁电薄膜的介电系数大于铁电薄膜，在电场加载和减载过程中发生的可逆反铁电-铁电相变导致了双电滞回线的出现，在室温至185℃的测试温度范围内未出现反铁电顺电相变. 在电流-电压特性测量时观察到的负微分电阻效应归因于极化弛豫等慢响应机理的贡献.
2014, 63(11): 117801.
doi: 10.7498/aps.63.117801
摘要:
本文利用反射式飞秒抽运-探测技术，系统研究了飞秒激光诱导La和Nb共掺杂的铁酸铋（Bi0.8La0.2Fe0.99Nb0.01O3）薄膜中纵向声学声子的动力学过程，声学声子的产生源于光致应变效应. 实验发现不同的衬底（ZrO2和PbMg1/3Nb2/3-PbTiO3）可以调制外延生长的Bi0.8La0.2Fe0.99Nb0.01O3薄膜的面外弹性系数C. 此外，通过对压电晶体衬底PbMg1/3Nb2/3-PbTiO3外加电压，实现了对薄膜应力的调制.
本文利用反射式飞秒抽运-探测技术，系统研究了飞秒激光诱导La和Nb共掺杂的铁酸铋（Bi0.8La0.2Fe0.99Nb0.01O3）薄膜中纵向声学声子的动力学过程，声学声子的产生源于光致应变效应. 实验发现不同的衬底（ZrO2和PbMg1/3Nb2/3-PbTiO3）可以调制外延生长的Bi0.8La0.2Fe0.99Nb0.01O3薄膜的面外弹性系数C. 此外，通过对压电晶体衬底PbMg1/3Nb2/3-PbTiO3外加电压，实现了对薄膜应力的调制.
2014, 63(11): 117802.
doi: 10.7498/aps.63.117802
摘要:
纳米微粒的光学性能与其表面等离子体共振关系密切. 本文利用推广的Mie理论计算研究了Au-Ag体系单质、合金以及核壳结构纳米颗粒的消光、吸收和散射的性能（包括壳核结构Ag-Au微粒在紫外-可见光的吸收性能），计算结果与实验值相符合得很好. 研究表明，随着粒径的增加，微粒表面等离子体共振偶极吸收峰出现红移，波峰位置与纳米微粒的尺寸具有线性关系. 壳核结构中，粒径与核壳比决定了整个微粒的吸收性能. 进一步研究表明，当Au壳层较薄时，可以获得具有可调光学性能的壳核纳米结构；而当Au 壳层较厚时，其光学性能与同尺寸单质Au微粒一致. 通过计算分析，本文还将Mie理论推广到具有空腔结构并且壳层厚度达到一定值的纳米微粒. 另外，研究发现合金结构纳米微粒的吸收峰位置与合金成分有着线性关系. 本研究表明，人们可以通过控制纳米微粒的尺寸、形貌和结构，调节其表面等离子体共振峰位，这大大拓展了纳米微粒的应用范围.
纳米微粒的光学性能与其表面等离子体共振关系密切. 本文利用推广的Mie理论计算研究了Au-Ag体系单质、合金以及核壳结构纳米颗粒的消光、吸收和散射的性能（包括壳核结构Ag-Au微粒在紫外-可见光的吸收性能），计算结果与实验值相符合得很好. 研究表明，随着粒径的增加，微粒表面等离子体共振偶极吸收峰出现红移，波峰位置与纳米微粒的尺寸具有线性关系. 壳核结构中，粒径与核壳比决定了整个微粒的吸收性能. 进一步研究表明，当Au壳层较薄时，可以获得具有可调光学性能的壳核纳米结构；而当Au 壳层较厚时，其光学性能与同尺寸单质Au微粒一致. 通过计算分析，本文还将Mie理论推广到具有空腔结构并且壳层厚度达到一定值的纳米微粒. 另外，研究发现合金结构纳米微粒的吸收峰位置与合金成分有着线性关系. 本研究表明，人们可以通过控制纳米微粒的尺寸、形貌和结构，调节其表面等离子体共振峰位，这大大拓展了纳米微粒的应用范围.
2014, 63(11): 118101.
doi: 10.7498/aps.63.118101
摘要:
利用第一性原理分子动力学模拟对Cu45Zr55-xAlx（x=3，7，12）块体非晶合金熔体在快速冷却为玻璃态过程中原子结构的演变进行了系统的研究. 结果显示，以Al为中心的二十面体是合金熔体在液–固转变过程中最稳定的原子团簇结构，可视为该合金系中的基本结构单元；以Al为中心的稳定团簇的数量和在空间中的组成形式决定了该合金微观结构的非均匀性和原子扩散能力的大小，这也是影响合金宏观力学性能和玻璃形成能力的关键因素.
利用第一性原理分子动力学模拟对Cu45Zr55-xAlx（x=3，7，12）块体非晶合金熔体在快速冷却为玻璃态过程中原子结构的演变进行了系统的研究. 结果显示，以Al为中心的二十面体是合金熔体在液–固转变过程中最稳定的原子团簇结构，可视为该合金系中的基本结构单元；以Al为中心的稳定团簇的数量和在空间中的组成形式决定了该合金微观结构的非均匀性和原子扩散能力的大小，这也是影响合金宏观力学性能和玻璃形成能力的关键因素.
2014, 63(11): 118102.
doi: 10.7498/aps.63.118102
摘要:
本文提出了一种基于科赫（Koch）分形结构的新型超材料双频吸收器，其由二阶科赫分形阵列、介质层和金属背板三部分组成. 通过利用分形结构的空间填充性，其单元尺寸在相同吸收频率下相对于具有正方形谐振结构的传统吸收器有近17.5%的尺寸缩减. 与传统实现多频工作的组合法、层叠法不同，该型吸收器的双频特性来源于科赫分形曲线在电磁波激励下呈现出的两种不同的谐振模式. 而且由于结构上具有旋转对称性，该型吸收器对入射波的极化方向不敏感，在横电波、横磁波大角度入射时仍能保持较高的吸收率. 文中采用等效介质理论对该型吸收器进行了分析，测量结果与仿真结果取得了较好的一致性.
本文提出了一种基于科赫（Koch）分形结构的新型超材料双频吸收器，其由二阶科赫分形阵列、介质层和金属背板三部分组成. 通过利用分形结构的空间填充性，其单元尺寸在相同吸收频率下相对于具有正方形谐振结构的传统吸收器有近17.5%的尺寸缩减. 与传统实现多频工作的组合法、层叠法不同，该型吸收器的双频特性来源于科赫分形曲线在电磁波激励下呈现出的两种不同的谐振模式. 而且由于结构上具有旋转对称性，该型吸收器对入射波的极化方向不敏感，在横电波、横磁波大角度入射时仍能保持较高的吸收率. 文中采用等效介质理论对该型吸收器进行了分析，测量结果与仿真结果取得了较好的一致性.
2014, 63(11): 118103.
doi: 10.7498/aps.63.118103
摘要:
本文重点探讨了金属有机源化学气相沉积生长ZnO薄膜中氢气的作用与机理. 研究表明氢气对ZnO薄膜的结构与性质具有重要的影响. 当采用叔丁醇为氧源时，氢气对ZnO薄膜的晶体质量，表面结构和发光性质主要产生负面的影响，同时发现氢气的加入有助于抑制碳的沾污. 而当采用笑气为氧源时，测量显示表面变光滑，晶体质量得到提高，发光强度也得到提升. 氢气在笑气作为氧源生长ZnO的过程中基本起到了正面的作用. 论文最后从氢气降低生长表面能量，提高表面原子迁移能力但存在表面腐蚀作用的方向以上结果给予了较好的解释. 研究显示MOCVD生长高质量ZnO薄膜中氢气的优化具有特别重要的意义.
本文重点探讨了金属有机源化学气相沉积生长ZnO薄膜中氢气的作用与机理. 研究表明氢气对ZnO薄膜的结构与性质具有重要的影响. 当采用叔丁醇为氧源时，氢气对ZnO薄膜的晶体质量，表面结构和发光性质主要产生负面的影响，同时发现氢气的加入有助于抑制碳的沾污. 而当采用笑气为氧源时，测量显示表面变光滑，晶体质量得到提高，发光强度也得到提升. 氢气在笑气作为氧源生长ZnO的过程中基本起到了正面的作用. 论文最后从氢气降低生长表面能量，提高表面原子迁移能力但存在表面腐蚀作用的方向以上结果给予了较好的解释. 研究显示MOCVD生长高质量ZnO薄膜中氢气的优化具有特别重要的意义.
2014, 63(11): 118201.
doi: 10.7498/aps.63.118201
摘要:
考虑一个由两种类粒子组成的系统，同种类粒子相遇时发生不可逆的聚集反应；不同种类的粒子相遇时，则发生不可逆的完全湮没反应. 利用Mont-Carlo模拟各种参数条件下的粒子聚集-完全湮没竞争过程，分析了聚集速率、湮没速率以及初始浓度分布对系统动力学行为的影响. 模拟结果表明：1）粒子大小分布总是满足一定的标度律；2）当两种粒子的聚集速率都等于湮没速率的2倍时，粒子大小分布的标度指数与粒子初始浓度分布有关；3）其余情况下，标度指数则取决于反应速率的相对大小. 此外，当两种粒子的聚集速率都大于或等于湮没速率的两倍，系统的所有粒子将完全湮没；当且仅当至少一种粒子的聚集速率小于湮没速率的两倍，聚集速率较小的那一种粒子才可能最终保存下来. 模拟结果与已报道的理论分析结果符合得较好.
考虑一个由两种类粒子组成的系统，同种类粒子相遇时发生不可逆的聚集反应；不同种类的粒子相遇时，则发生不可逆的完全湮没反应. 利用Mont-Carlo模拟各种参数条件下的粒子聚集-完全湮没竞争过程，分析了聚集速率、湮没速率以及初始浓度分布对系统动力学行为的影响. 模拟结果表明：1）粒子大小分布总是满足一定的标度律；2）当两种粒子的聚集速率都等于湮没速率的2倍时，粒子大小分布的标度指数与粒子初始浓度分布有关；3）其余情况下，标度指数则取决于反应速率的相对大小. 此外，当两种粒子的聚集速率都大于或等于湮没速率的两倍，系统的所有粒子将完全湮没；当且仅当至少一种粒子的聚集速率小于湮没速率的两倍，聚集速率较小的那一种粒子才可能最终保存下来. 模拟结果与已报道的理论分析结果符合得较好.
2014, 63(11): 118401.
doi: 10.7498/aps.63.118401
摘要:
提出了一种220 GHz三次谐波光子带隙谐振腔回旋管振荡器的物理结构. 利用光子晶体高频带隙确定了回旋管高阶电磁模式类TE63和三次电子回旋模的互作用状态. 通过非线性理论，研究了腔内类TE63和类TE92模的弱模式竞争，得到了有利于回旋管三次谐波起振的工作条件和起振过程的非线性特征，其结果与粒子模拟基本一致. 研究表明，利用光子带隙谐振腔的禁带特征，回旋管中高阶电磁模与高次电子回旋模能够发生有效的互作用关系被得到证实.
提出了一种220 GHz三次谐波光子带隙谐振腔回旋管振荡器的物理结构. 利用光子晶体高频带隙确定了回旋管高阶电磁模式类TE63和三次电子回旋模的互作用状态. 通过非线性理论，研究了腔内类TE63和类TE92模的弱模式竞争，得到了有利于回旋管三次谐波起振的工作条件和起振过程的非线性特征，其结果与粒子模拟基本一致. 研究表明，利用光子带隙谐振腔的禁带特征，回旋管中高阶电磁模与高次电子回旋模能够发生有效的互作用关系被得到证实.
2014, 63(11): 118402.
doi: 10.7498/aps.63.118402
摘要:
针对认知无线电系统中认知用户在利用频谱聚合技术时出现的调度不公平问题，提出了一种基于频谱聚合的全局比例公平调度算法. 在比例公平调度的基础上，结合频谱聚合技术的特点，引入了频谱聚合的跨度与认知用户剩余数据队列长度这两个参量，使认知用户在聚合可用频谱的范围内，最大限度的保证吞吐量公平性. 仿真结果表明，相比于局部比例公平调度算法和最大载干比调度算法，该算法在公平性指数和系统服务时间上更占优势，同时具有较低的吞吐量抖动，从而有效地提高系统容量和系统效率，确保认知用户之间对系统资源的公平利用.
针对认知无线电系统中认知用户在利用频谱聚合技术时出现的调度不公平问题，提出了一种基于频谱聚合的全局比例公平调度算法. 在比例公平调度的基础上，结合频谱聚合技术的特点，引入了频谱聚合的跨度与认知用户剩余数据队列长度这两个参量，使认知用户在聚合可用频谱的范围内，最大限度的保证吞吐量公平性. 仿真结果表明，相比于局部比例公平调度算法和最大载干比调度算法，该算法在公平性指数和系统服务时间上更占优势，同时具有较低的吞吐量抖动，从而有效地提高系统容量和系统效率，确保认知用户之间对系统资源的公平利用.
2014, 63(11): 118403.
doi: 10.7498/aps.63.118403
摘要:
针对弹载合成孔径雷达（SAR）回波信号的多普勒参数随斜距变化大及传统脉冲压缩成像算法分辨率低的问题，本文提出了一种基于分数阶傅里叶变换（FrFT）的弹载SAR成像算法. 首先建立弹载SAR末制导阶段回波信号模型，然后通过局部最优处理来测量回波信号的调频率，并以此计算FrFT的最优阶次，在最优阶次下分别对回波信号进行距离向和方位向的FrFT，从而得到成像区域的SAR图像，最后分别采用传统脉冲压缩成像算法与本文基于FrFT的成像算法进行仿真和实测对比实验. 实验结果表明，该算法能够对目标区域精确成像；由于在成像处理过程中，对每个距离向和方位向的回波信号进行独立的局部最优处理，因此该算法更适应于弹载SAR的非线性飞行轨迹，大大提高了弹载SAR的成像性能. 该研究成果在目标探测与识别，精确制导等领域中具有重要的应用价值.
针对弹载合成孔径雷达（SAR）回波信号的多普勒参数随斜距变化大及传统脉冲压缩成像算法分辨率低的问题，本文提出了一种基于分数阶傅里叶变换（FrFT）的弹载SAR成像算法. 首先建立弹载SAR末制导阶段回波信号模型，然后通过局部最优处理来测量回波信号的调频率，并以此计算FrFT的最优阶次，在最优阶次下分别对回波信号进行距离向和方位向的FrFT，从而得到成像区域的SAR图像，最后分别采用传统脉冲压缩成像算法与本文基于FrFT的成像算法进行仿真和实测对比实验. 实验结果表明，该算法能够对目标区域精确成像；由于在成像处理过程中，对每个距离向和方位向的回波信号进行独立的局部最优处理，因此该算法更适应于弹载SAR的非线性飞行轨迹，大大提高了弹载SAR的成像性能. 该研究成果在目标探测与识别，精确制导等领域中具有重要的应用价值.
2014, 63(11): 118404.
doi: 10.7498/aps.63.118404
摘要:
针对高频地波雷达浅海观测尝试中面临的参数反演新问题进行了研究. 描述了高频地波雷达浅海探测机理，提出了多站高频地波雷达海洋参数反演方法，并推导了利用多站高频地波雷达回波多普勒谱反演浅海水深和矢量流的理论模型. 通过三站探测和多站探测的反演数值模拟，表明了多站浅海探测的可行性和反演方法的有效性；通过分析苏北浅滩的三站高频地波雷达观测试验数据，表明了本文反演方法的实用性，这对于利用高频地波雷达进行浅海海洋环境探测的实际工程应用具有广阔的前景.
针对高频地波雷达浅海观测尝试中面临的参数反演新问题进行了研究. 描述了高频地波雷达浅海探测机理，提出了多站高频地波雷达海洋参数反演方法，并推导了利用多站高频地波雷达回波多普勒谱反演浅海水深和矢量流的理论模型. 通过三站探测和多站探测的反演数值模拟，表明了多站浅海探测的可行性和反演方法的有效性；通过分析苏北浅滩的三站高频地波雷达观测试验数据，表明了本文反演方法的实用性，这对于利用高频地波雷达进行浅海海洋环境探测的实际工程应用具有广阔的前景.
2014, 63(11): 118501.
doi: 10.7498/aps.63.118501
摘要:
将SOI技术优势引入SiGe HBT，可满足当前BiCMOS高速低功耗的应用需求. SOI SiGe HBT作为BiCMOS工艺的核心器件，其频率特性决定了电路所能达到的工作速度. 为此，本文针对所提出的SOI SiGe HBT 器件结构，重点研究了该器件的频率特性，并通过所建立的集电区电容模型予以分析. 规律和结果为：1）SOI SiGe HBT特征频率随集电区掺杂浓度的升高而增加；2）SOI SiGe HBT特征频率与集电极电流IC之间的变化规律与传统SiGe HBT的相一致；3）正常工作状态，SOI SiGe HBT（集电区3×1017 cm-3 掺杂）最高振荡频率fmax大于140 GHz，且特征频率fT大于60 GHz. 与传统SiGe HBT相比，特征频率最大值提高了18.84%. 以上规律及结论可为SOI SiGe HBT及BiCMOS的研究设计提供重要依据.
将SOI技术优势引入SiGe HBT，可满足当前BiCMOS高速低功耗的应用需求. SOI SiGe HBT作为BiCMOS工艺的核心器件，其频率特性决定了电路所能达到的工作速度. 为此，本文针对所提出的SOI SiGe HBT 器件结构，重点研究了该器件的频率特性，并通过所建立的集电区电容模型予以分析. 规律和结果为：1）SOI SiGe HBT特征频率随集电区掺杂浓度的升高而增加；2）SOI SiGe HBT特征频率与集电极电流IC之间的变化规律与传统SiGe HBT的相一致；3）正常工作状态，SOI SiGe HBT（集电区3×1017 cm-3 掺杂）最高振荡频率fmax大于140 GHz，且特征频率fT大于60 GHz. 与传统SiGe HBT相比，特征频率最大值提高了18.84%. 以上规律及结论可为SOI SiGe HBT及BiCMOS的研究设计提供重要依据.
2014, 63(11): 118502.
doi: 10.7498/aps.63.118502
摘要:
本文采用溶胶凝胶法制备了锆掺杂铝氧化物（锆铝氧化物）和铪铟锌氧化物薄膜，并用于制造薄膜晶体管的绝缘层和有源层. 锆铝氧化物绝缘层具有较高的介电常数，其相对介电常数为19.67，且薄膜表面光滑，致密，其表面粗糙度仅为0.31 nm. 获得的薄膜晶体管具备良好的器件性能，当器件宽长比为5时，器件的饱和迁移率为21.3 cm2/V·s，阈值电压为0.3 V，开关比可以达到4.3×107，亚阈值摆幅仅有0.32 V/dec.
本文采用溶胶凝胶法制备了锆掺杂铝氧化物（锆铝氧化物）和铪铟锌氧化物薄膜，并用于制造薄膜晶体管的绝缘层和有源层. 锆铝氧化物绝缘层具有较高的介电常数，其相对介电常数为19.67，且薄膜表面光滑，致密，其表面粗糙度仅为0.31 nm. 获得的薄膜晶体管具备良好的器件性能，当器件宽长比为5时，器件的饱和迁移率为21.3 cm2/V·s，阈值电压为0.3 V，开关比可以达到4.3×107，亚阈值摆幅仅有0.32 V/dec.
2014, 63(11): 118503.
doi: 10.7498/aps.63.118503
摘要:
液氮冲击中InSb面阵探测器表面经常出现局部分层、开裂等失效模式. 为明晰材料分层、光敏元芯片断裂过程，基于三维等效建模设想，在易分层处添加内聚区模型，合理选取界面分层开裂参数，建立了128×128 InSb探测器结构分层模型. 模拟结果涵盖了典型碎裂照片中呈现的所有形变信息，即1）在光敏元阵列区域，复现出典型棋盘格屈曲模式；2）在Negative电极区域上方，InSb芯片与下层材料逐渐分开，且分层向两侧逐步扩展；3）在面阵探测器周边区域，表面起伏相对平整. 上述模拟结果证明了所建分层模型的正确性和参数选取的合理性，为后续裂纹起源、传播过程的研究提供了模型基础.
液氮冲击中InSb面阵探测器表面经常出现局部分层、开裂等失效模式. 为明晰材料分层、光敏元芯片断裂过程，基于三维等效建模设想，在易分层处添加内聚区模型，合理选取界面分层开裂参数，建立了128×128 InSb探测器结构分层模型. 模拟结果涵盖了典型碎裂照片中呈现的所有形变信息，即1）在光敏元阵列区域，复现出典型棋盘格屈曲模式；2）在Negative电极区域上方，InSb芯片与下层材料逐渐分开，且分层向两侧逐步扩展；3）在面阵探测器周边区域，表面起伏相对平整. 上述模拟结果证明了所建分层模型的正确性和参数选取的合理性，为后续裂纹起源、传播过程的研究提供了模型基础.
2014, 63(11): 118701.
doi: 10.7498/aps.63.118701
摘要:
针对乳腺MR图像信息量大、灰度不均匀、边界模糊、难分割的特点，提出一种多分辨率水平集乳腺MR图像分割算法. 算法的核心是首先利用小波多尺度分解对图像进行多尺度空间分析，得到粗尺度图像；然后对粗尺度图像利用改进CV 模型进行分割. 为了去除乳腺MR图像中灰度偏移场对分割效果的影响，算法中引入局部拟合项，并用核函数进一步改进CV模型，进而对粗尺度分割效果进行优化处理. 仿真和临床数据分割结果表明，所提算法分割灰度不均匀图像具有较高的分割精度和鲁棒性，能够有效的实现乳腺MR图像的分割.
针对乳腺MR图像信息量大、灰度不均匀、边界模糊、难分割的特点，提出一种多分辨率水平集乳腺MR图像分割算法. 算法的核心是首先利用小波多尺度分解对图像进行多尺度空间分析，得到粗尺度图像；然后对粗尺度图像利用改进CV 模型进行分割. 为了去除乳腺MR图像中灰度偏移场对分割效果的影响，算法中引入局部拟合项，并用核函数进一步改进CV模型，进而对粗尺度分割效果进行优化处理. 仿真和临床数据分割结果表明，所提算法分割灰度不均匀图像具有较高的分割精度和鲁棒性，能够有效的实现乳腺MR图像的分割.
2014, 63(11): 118801.
doi: 10.7498/aps.63.118801
摘要:
光生电流是太阳电池电流方程中的一个关键数值，但在单原点坐标系中无法进行标示，因此设计了双原点坐标系. 在双原点坐标系中，通过对基尔霍夫电流定律如何进行标示的讨论，实现了太阳电池等效电路中各电流项和电压项的标示. 双原点坐标系清晰地指出：光生电流与短路电流之差随短路电流增大而增大，只有在低光照下光生电流与短路电流才大致相当，在高光照下两者差异不可忽略；太阳电池输出功率与内耗功率在光生电流总功率中的占比随光生电流会发生改变，若要求输出功率大于内耗功率，则太阳电池不宜工作在高光照下. 双原点坐标系为太阳电池的研究提供了一个适配的坐标系.
光生电流是太阳电池电流方程中的一个关键数值，但在单原点坐标系中无法进行标示，因此设计了双原点坐标系. 在双原点坐标系中，通过对基尔霍夫电流定律如何进行标示的讨论，实现了太阳电池等效电路中各电流项和电压项的标示. 双原点坐标系清晰地指出：光生电流与短路电流之差随短路电流增大而增大，只有在低光照下光生电流与短路电流才大致相当，在高光照下两者差异不可忽略；太阳电池输出功率与内耗功率在光生电流总功率中的占比随光生电流会发生改变，若要求输出功率大于内耗功率，则太阳电池不宜工作在高光照下. 双原点坐标系为太阳电池的研究提供了一个适配的坐标系.
2014, 63(11): 118802.
doi: 10.7498/aps.63.118802
摘要:
溅射后硒化制备Cu（In，Ga）Se2吸收层工艺过程中，Ga元素在吸收层底部富集现象是较为普遍的. 本文从预制层工艺和硒化工艺两个方面研究了Ga 元素在Cu（In，Ga）Se2吸收层中扩散的影响因素. 结果表明，预制层中的Cu/（In+Ga）和硒化温度对Ga元素扩散的影响较为显著，而预制层中的Ga/（In+Ga）对Ga元素扩散的影响较小，Ga元素的扩散系数制约了其在Cu（In，Ga）Se2吸收层表面的含量. 通过工艺优化提高吸收层表面的Ga含量，制备获得了光电转换效率为12.42%的Cu（In，Ga）Se2薄膜太阳能电池.
溅射后硒化制备Cu（In，Ga）Se2吸收层工艺过程中，Ga元素在吸收层底部富集现象是较为普遍的. 本文从预制层工艺和硒化工艺两个方面研究了Ga 元素在Cu（In，Ga）Se2吸收层中扩散的影响因素. 结果表明，预制层中的Cu/（In+Ga）和硒化温度对Ga元素扩散的影响较为显著，而预制层中的Ga/（In+Ga）对Ga元素扩散的影响较小，Ga元素的扩散系数制约了其在Cu（In，Ga）Se2吸收层表面的含量. 通过工艺优化提高吸收层表面的Ga含量，制备获得了光电转换效率为12.42%的Cu（In，Ga）Se2薄膜太阳能电池.
2014, 63(11): 119101.
doi: 10.7498/aps.63.119101
摘要:
将交错网格高阶有限差分纵横波分离的方法与逆时偏移成像方法相结合，给出了基于裂缝诱导TTI双孔隙介质模型的纵波逆时偏移成像算法，并对二维水平层状模型的数据进行偏移成像. 结果表明，对于裂缝诱导TTI双孔隙介质模型，常规的基于各向同性背景孔隙岩石速度的偏移方法会导致成像结果出现过偏移现象. 为研究裂缝参数对过偏移程度的影响，利用Christoffel方程，对裂缝诱导TTI 双孔隙介质模型中的相速度公式进行了推导，并在此基础上，分析了裂缝角度和密度参数对介质纵波相速度及成像位置的影响. 结果表明，在二维情况下，裂缝极化角增大会减小成像速度与真实速度之间的误差，从而使得成像结果逐渐接近储层的真实位置；而裂缝密度的增大则使得速度误差增大，导致成像结果与真实模型的偏差越来越大.
将交错网格高阶有限差分纵横波分离的方法与逆时偏移成像方法相结合，给出了基于裂缝诱导TTI双孔隙介质模型的纵波逆时偏移成像算法，并对二维水平层状模型的数据进行偏移成像. 结果表明，对于裂缝诱导TTI双孔隙介质模型，常规的基于各向同性背景孔隙岩石速度的偏移方法会导致成像结果出现过偏移现象. 为研究裂缝参数对过偏移程度的影响，利用Christoffel方程，对裂缝诱导TTI 双孔隙介质模型中的相速度公式进行了推导，并在此基础上，分析了裂缝角度和密度参数对介质纵波相速度及成像位置的影响. 结果表明，在二维情况下，裂缝极化角增大会减小成像速度与真实速度之间的误差，从而使得成像结果逐渐接近储层的真实位置；而裂缝密度的增大则使得速度误差增大，导致成像结果与真实模型的偏差越来越大.
2014, 63(11): 119201.
doi: 10.7498/aps.63.119201
摘要:
本文利用兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL站）2006–2012年陆面过程观测资料和榆中站气象资料，分析了7年间榆中气温降水的气候变化背景，讨论了陆面地表能量平衡分量的年际变化，研究了波文比、能量闭合度的年际波动，探讨了地表能量平衡分量以及各陆面过程参数对黄土高原气温、降水年际波动的反馈. 结果显示，地表各能量分量都对气候背景的波动做出响应，但敏感性各有不同，净辐射与气温相关性最强，感热潜热与降水相关性较好. 分为冬夏半年讨论后得出，冬半年地表平衡分量与气候波动的相关性更好. 冬半年中，各分量又与气温有着较高的相关，可见该地区地表能量各分量对冬半年气温波动的响应更为敏感. 波文比的上升趋势与该地区降水量减少的背景响应，说明干旱程度的加深. 能量闭合度的波动变化显示了在气候变化的背景下该地区陆面能量不闭合程度的加深.
本文利用兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL站）2006–2012年陆面过程观测资料和榆中站气象资料，分析了7年间榆中气温降水的气候变化背景，讨论了陆面地表能量平衡分量的年际变化，研究了波文比、能量闭合度的年际波动，探讨了地表能量平衡分量以及各陆面过程参数对黄土高原气温、降水年际波动的反馈. 结果显示，地表各能量分量都对气候背景的波动做出响应，但敏感性各有不同，净辐射与气温相关性最强，感热潜热与降水相关性较好. 分为冬夏半年讨论后得出，冬半年地表平衡分量与气候波动的相关性更好. 冬半年中，各分量又与气温有着较高的相关，可见该地区地表能量各分量对冬半年气温波动的响应更为敏感. 波文比的上升趋势与该地区降水量减少的背景响应，说明干旱程度的加深. 能量闭合度的波动变化显示了在气候变化的背景下该地区陆面能量不闭合程度的加深.
2014, 63(11): 119202.
doi: 10.7498/aps.63.119202
摘要:
对数值模式预测误差进行相似预报进而订正模式预报结果，是提高模式预报水平的有效手段之一. 本文从数值模式预测误差场存在相似性的角度出发，研究了长江中下游汛期降水逐年模式误差场间的相似性及其可预报性，探讨了数值模式预测误差在历史资料中的相似信息量，发现利用相似误差订正可以明显提高模式预报水平. 进一步对历史模式预测误差场进行经验正交函数（EOF）分解，着重研究了误差场前三个特征向量的空间分布及其时间系数演化规律，发现对各分量分别进行相似预报可以简化预报对象，并且针对性更强，可以提高其潜在预报水平. 在研究数值模式预测误差场相似性的基础上，定义了数值模式预测误差的相似可预报度，用以衡量逐年模式预测误差的可预测性，发现模式预测误差场前三个分量的相似可预报度明显高于原始模式误差场，揭示出有针对性地分别预报模式预测误差各分量的潜在应用价值.
对数值模式预测误差进行相似预报进而订正模式预报结果，是提高模式预报水平的有效手段之一. 本文从数值模式预测误差场存在相似性的角度出发，研究了长江中下游汛期降水逐年模式误差场间的相似性及其可预报性，探讨了数值模式预测误差在历史资料中的相似信息量，发现利用相似误差订正可以明显提高模式预报水平. 进一步对历史模式预测误差场进行经验正交函数（EOF）分解，着重研究了误差场前三个特征向量的空间分布及其时间系数演化规律，发现对各分量分别进行相似预报可以简化预报对象，并且针对性更强，可以提高其潜在预报水平. 在研究数值模式预测误差场相似性的基础上，定义了数值模式预测误差的相似可预报度，用以衡量逐年模式预测误差的可预测性，发现模式预测误差场前三个分量的相似可预报度明显高于原始模式误差场，揭示出有针对性地分别预报模式预测误差各分量的潜在应用价值.
2014, 63(11): 119203.
doi: 10.7498/aps.63.119203
摘要:
传统四维变分（4D-Var）同化台风初始化中，bogus资料的同化将不可避免引起初始时刻风场和质量场之间的非平衡，在预报时段产生高频振荡噪音，进而影响数值模拟效果. 如何有效滤除bogus 资料引入产生的高频噪音非常重要. 本文为第I部分，基于数字滤波弱约束4D-Var方法，开展台风初始化个例试验研究. 2010年Chaba台风两个不同时刻数值试验结果表明：bogus资料4D-Var同化台风初始化中，呈现出与暴雨个例明显不同的3 h地面气压倾向特征，不同数字滤波权重试验在初始时刻差异小，在预报1–4 h差异明显；实施数字滤波弱约束使得初始时刻700 hPa垂直速度场和850 hPa散度场在台风区域减小，bogus资料为引起高频噪音的一个重要因素；数字滤波权重选择是影响台风同化和数值模拟效果的重要因素，合理的数字滤波权重选择试验可明显改善台风路径和强度预报，相对于台风强度预报，路径预报改善更加明显；同时，某些个例中，数字滤波权重的选择直接决定着台风数值模拟的成功与否. 不同台风个例相对最佳数字滤波权重并不相同，如何选择数字滤波权重非常重要. 第II部分中将针对bogus资料同化台风初始化，提出一种数字滤波权重优选方案.
传统四维变分（4D-Var）同化台风初始化中，bogus资料的同化将不可避免引起初始时刻风场和质量场之间的非平衡，在预报时段产生高频振荡噪音，进而影响数值模拟效果. 如何有效滤除bogus 资料引入产生的高频噪音非常重要. 本文为第I部分，基于数字滤波弱约束4D-Var方法，开展台风初始化个例试验研究. 2010年Chaba台风两个不同时刻数值试验结果表明：bogus资料4D-Var同化台风初始化中，呈现出与暴雨个例明显不同的3 h地面气压倾向特征，不同数字滤波权重试验在初始时刻差异小，在预报1–4 h差异明显；实施数字滤波弱约束使得初始时刻700 hPa垂直速度场和850 hPa散度场在台风区域减小，bogus资料为引起高频噪音的一个重要因素；数字滤波权重选择是影响台风同化和数值模拟效果的重要因素，合理的数字滤波权重选择试验可明显改善台风路径和强度预报，相对于台风强度预报，路径预报改善更加明显；同时，某些个例中，数字滤波权重的选择直接决定着台风数值模拟的成功与否. 不同台风个例相对最佳数字滤波权重并不相同，如何选择数字滤波权重非常重要. 第II部分中将针对bogus资料同化台风初始化，提出一种数字滤波权重优选方案.
2014, 63(11): 119401.
doi: 10.7498/aps.63.119401
摘要:
针对火箭尾焰喷射出的大量物质消耗大气中电子密度以及干扰高频电磁波传播的问题，本文从分析火箭尾焰高频雷达回波特性入手，重点研究了尾焰电磁特性和对高频电磁波衰减的物理机理，分析了尾焰雷达散射特性与尾焰高频回波产生的时机. 在此基础上，提出了一种尾焰回波频域能量凝聚的目标检测方法. 通过仿真实验和理论分析，得到了火箭尾焰高频电磁回波与海拔高度、尾焰电磁特性、电波频率、入射角之间的关系，所提检测方法能够及时有效检测火箭目标，并降低虚警和漏警概率.
针对火箭尾焰喷射出的大量物质消耗大气中电子密度以及干扰高频电磁波传播的问题，本文从分析火箭尾焰高频雷达回波特性入手，重点研究了尾焰电磁特性和对高频电磁波衰减的物理机理，分析了尾焰雷达散射特性与尾焰高频回波产生的时机. 在此基础上，提出了一种尾焰回波频域能量凝聚的目标检测方法. 通过仿真实验和理论分析，得到了火箭尾焰高频电磁回波与海拔高度、尾焰电磁特性、电波频率、入射角之间的关系，所提检测方法能够及时有效检测火箭目标，并降低虚警和漏警概率.
2014, 63(11): 119601.
doi: 10.7498/aps.63.119601
摘要:
微小空间碎片撞击诱发放电能够触发航天器的在轨工作异常甚至失效，对航天器的安全运行构成严重威胁. 国内外相关机构已经利用地面模拟装置对撞击诱发放电的机理进行了初步的研究，但是更深入的研究由于实验条件的限制受到制约，本文根据激光诱导等离子体与碎片撞击诱发等离子体参数相似的特点，首次提出了利用脉冲激光诱导等离子体技术模拟微小空间碎片撞击诱发放电的方法，并从理论上对该方法进行分析，初步的实验结果证实了该方法的可行性.
微小空间碎片撞击诱发放电能够触发航天器的在轨工作异常甚至失效，对航天器的安全运行构成严重威胁. 国内外相关机构已经利用地面模拟装置对撞击诱发放电的机理进行了初步的研究，但是更深入的研究由于实验条件的限制受到制约，本文根据激光诱导等离子体与碎片撞击诱发等离子体参数相似的特点，首次提出了利用脉冲激光诱导等离子体技术模拟微小空间碎片撞击诱发放电的方法，并从理论上对该方法进行分析，初步的实验结果证实了该方法的可行性.
