2014年 63卷 第5期
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2014, 63(5): 050201.
doi: 10.7498/aps.63.050201
摘要:
研究广义Hamilton系统在无限小变换下的共形不变性与Mei对称性，给出系统共形不变性同时是Mei对称性的充分必要条件，得到广义Hamilton系统共形不变性导致的Mei守恒量，举例说明结果的应用.
研究广义Hamilton系统在无限小变换下的共形不变性与Mei对称性，给出系统共形不变性同时是Mei对称性的充分必要条件，得到广义Hamilton系统共形不变性导致的Mei守恒量，举例说明结果的应用.
2014, 63(5): 050202.
doi: 10.7498/aps.63.050202
摘要:
本文基于流形覆盖的思想，结合颗粒接触模型，构造一种新的颗粒离散元数值方法即MPD（Manifold Particle Discrete），该方法可以从宏细观角度分析岩体破裂的全过程. 通过分析流形覆盖和球颗粒模型，构造三维流形覆盖的四面体单元，得到MPD模型的平衡方程和相容方程. 通过数值算例，验证了所提出的数值方法的正确性和分析岩石破裂的可行性.
本文基于流形覆盖的思想，结合颗粒接触模型，构造一种新的颗粒离散元数值方法即MPD（Manifold Particle Discrete），该方法可以从宏细观角度分析岩体破裂的全过程. 通过分析流形覆盖和球颗粒模型，构造三维流形覆盖的四面体单元，得到MPD模型的平衡方程和相容方程. 通过数值算例，验证了所提出的数值方法的正确性和分析岩石破裂的可行性.
2014, 63(5): 050203.
doi: 10.7498/aps.63.050203
摘要:
回旋管是最有希望应用于正在实施的国际热核实验反应堆计划的微波源器件，然而研究设计符合要求的回旋管还存在很多困难需要解决. 对170 GHz兆瓦级光滑同轴回旋管的注-波互作用进行了研究. 选取模式谱相对稀疏的TE31，12作为工作模式，利用Matlab编制源程序，计算了同轴回旋管的注-波耦合系数、起振电流.在考虑电子速度零散、腔壁电阻率和单模近似的基础上，对光滑同轴谐振腔的优化设计和注-波互作用进行了仿真，给出了磁场、电压、电流和内导体倾角等参量与回旋管效率的关系.结果表明，电压和磁场对回旋管效率影响较大，电子速度零散对回旋管效率影响较小，因而可降低电子枪的设计要求.此外，优化内导体倾角和同轴谐振腔结构参数可提高注-波互作用效率，降低电子速度零散对互作用效率的影响，获得了约50%的电子效率及1.7 MW输出功率.
回旋管是最有希望应用于正在实施的国际热核实验反应堆计划的微波源器件，然而研究设计符合要求的回旋管还存在很多困难需要解决. 对170 GHz兆瓦级光滑同轴回旋管的注-波互作用进行了研究. 选取模式谱相对稀疏的TE31，12作为工作模式，利用Matlab编制源程序，计算了同轴回旋管的注-波耦合系数、起振电流.在考虑电子速度零散、腔壁电阻率和单模近似的基础上，对光滑同轴谐振腔的优化设计和注-波互作用进行了仿真，给出了磁场、电压、电流和内导体倾角等参量与回旋管效率的关系.结果表明，电压和磁场对回旋管效率影响较大，电子速度零散对回旋管效率影响较小，因而可降低电子枪的设计要求.此外，优化内导体倾角和同轴谐振腔结构参数可提高注-波互作用效率，降低电子速度零散对互作用效率的影响，获得了约50%的电子效率及1.7 MW输出功率.
2014, 63(5): 050501.
doi: 10.7498/aps.63.050501
摘要:
针对连续观点动力学模型中缺乏对个体信任及其观点的不同权重的考虑，本文通过扩展Hegselmann-Krause模型，引入个体间的信任度和观点间的相似度，将有限信任假设扩展为有限影响假设，建立带权重的观点更新模型，以研究社会群体中少数的偏执个体和权威个体对观点形成、演化以及共识构建过程的影响. 仿真结果表明，这两类个体的初始观点尽量接近观点分布区间中点0.5或者增加偏执个体的影响阈值和权威个体的可信任程度可以使群体形成更少和更大的观点簇. 随着偏执个体的影响阈值增加，最大簇的观点位置集中于0.5附近；而增加权威个体的可信任程度，最大簇的观点不断接近权威个体的最终观点. 模型结果能够在一定程度上反映和解释现实社会中偏执个体和权威个体现象.
针对连续观点动力学模型中缺乏对个体信任及其观点的不同权重的考虑，本文通过扩展Hegselmann-Krause模型，引入个体间的信任度和观点间的相似度，将有限信任假设扩展为有限影响假设，建立带权重的观点更新模型，以研究社会群体中少数的偏执个体和权威个体对观点形成、演化以及共识构建过程的影响. 仿真结果表明，这两类个体的初始观点尽量接近观点分布区间中点0.5或者增加偏执个体的影响阈值和权威个体的可信任程度可以使群体形成更少和更大的观点簇. 随着偏执个体的影响阈值增加，最大簇的观点位置集中于0.5附近；而增加权威个体的可信任程度，最大簇的观点不断接近权威个体的最终观点. 模型结果能够在一定程度上反映和解释现实社会中偏执个体和权威个体现象.
2014, 63(5): 050502.
doi: 10.7498/aps.63.050502
摘要:
混沌信号在本质上属于非线性非高斯信号，它在无线传感器网络下的应用还涉及到信号量化问题，这使得混沌信号在此应用环境下的信号盲分离更为棘手. 针对此问题，本文在容积卡尔曼粒子滤波的框架下提出一种解决方法. 文中首先推导出观测信号的概率密度函数，在量化比特有限的情况下，采用最优量化器，获得最优的量化结果. 在此基础上，使用容积卡尔曼滤波器产生粒子滤波中的重要性概率密度函数，融入最新的观测值，提高粒子对系统状态后验概率的逼近，提高信号盲分离的精度. 仿真结果表明算法能够有效地分离混合混沌信号，参数估计的精度及其运算量均优于已有的无先导卡尔曼粒子滤波算法，其运行时间为无先导卡尔曼粒子滤波算法的88.77%.
混沌信号在本质上属于非线性非高斯信号，它在无线传感器网络下的应用还涉及到信号量化问题，这使得混沌信号在此应用环境下的信号盲分离更为棘手. 针对此问题，本文在容积卡尔曼粒子滤波的框架下提出一种解决方法. 文中首先推导出观测信号的概率密度函数，在量化比特有限的情况下，采用最优量化器，获得最优的量化结果. 在此基础上，使用容积卡尔曼滤波器产生粒子滤波中的重要性概率密度函数，融入最新的观测值，提高粒子对系统状态后验概率的逼近，提高信号盲分离的精度. 仿真结果表明算法能够有效地分离混合混沌信号，参数估计的精度及其运算量均优于已有的无先导卡尔曼粒子滤波算法，其运行时间为无先导卡尔曼粒子滤波算法的88.77%.
2014, 63(5): 050503.
doi: 10.7498/aps.63.050503
摘要:
在由分数阶双稳态振子通过最近邻耦合构成的环形网络中研究了振子的同步与耦合方式以及初始条件结构的关系. 通过选择初始条件结构、耦合方式和强度，可以控制网络呈现振幅死亡同步态、振幅死亡非同步态、混沌同步态和混沌非同步态等多种动力学行为. 参数平面区域3-2内的最大条件Lyapunov 指数和最大Lyapunov指数的等高线进一步表明，y与z方向的耦合竞争对网络的动力学行为的影响结果敏感地依赖于网络的初始条件结构.
在由分数阶双稳态振子通过最近邻耦合构成的环形网络中研究了振子的同步与耦合方式以及初始条件结构的关系. 通过选择初始条件结构、耦合方式和强度，可以控制网络呈现振幅死亡同步态、振幅死亡非同步态、混沌同步态和混沌非同步态等多种动力学行为. 参数平面区域3-2内的最大条件Lyapunov 指数和最大Lyapunov指数的等高线进一步表明，y与z方向的耦合竞争对网络的动力学行为的影响结果敏感地依赖于网络的初始条件结构.
2014, 63(5): 050504.
doi: 10.7498/aps.63.050504
摘要:
电力系统中的混沌振荡对整个互联电网具有极大危害. 本文利用Lyapunov指数、分岔图、相平面图和功率谱等分析一个简单互联电力系统的动力学行为，研究电力系统对电磁功率扰动幅值的敏感性. 同时，提出一种基于继电特性函数的准滑动模态控制方法，对系统进行混沌振荡抑制，使系统快速平滑地到达控制目标. 实验表明，该方法不仅能够缩短控制时间，减少因参数过大带来的系统冲击，而且对高频抖动也有很好的抑制作用，具有较强的鲁棒性.
电力系统中的混沌振荡对整个互联电网具有极大危害. 本文利用Lyapunov指数、分岔图、相平面图和功率谱等分析一个简单互联电力系统的动力学行为，研究电力系统对电磁功率扰动幅值的敏感性. 同时，提出一种基于继电特性函数的准滑动模态控制方法，对系统进行混沌振荡抑制，使系统快速平滑地到达控制目标. 实验表明，该方法不仅能够缩短控制时间，减少因参数过大带来的系统冲击，而且对高频抖动也有很好的抑制作用，具有较强的鲁棒性.
2014, 63(5): 050505.
doi: 10.7498/aps.63.050505
摘要:
本文分析了传统支持向量机预测算法产生的误差特性，发现产生的预测误差不同于噪声，具有较强的规律性，单一的预测模型遗漏了许多混沌序列中的确定性分量. 经过误差补偿后，残差的冗余信息减少，随机性增强. 在此基础上，本文提出一种基于迭代误差补偿的最小二乘支持向量机预测算法，能够通过多模型联合预测更加有效地逼近混沌系统的映射函数，在预测精度上取得了大幅度的提升. 此外，算法通过留一交叉验证法的方法能够在预测前自动优化模型参数组合，克服了现有算法无法仅利用先验信息优化预测模型参数的缺陷. 对MackeyGlass和Lorenz混沌时间序列进行了仿真实验，实验结果优于相关文献记载方法的预测性能，在性能指标上好于现有算法一个数量级.
本文分析了传统支持向量机预测算法产生的误差特性，发现产生的预测误差不同于噪声，具有较强的规律性，单一的预测模型遗漏了许多混沌序列中的确定性分量. 经过误差补偿后，残差的冗余信息减少，随机性增强. 在此基础上，本文提出一种基于迭代误差补偿的最小二乘支持向量机预测算法，能够通过多模型联合预测更加有效地逼近混沌系统的映射函数，在预测精度上取得了大幅度的提升. 此外，算法通过留一交叉验证法的方法能够在预测前自动优化模型参数组合，克服了现有算法无法仅利用先验信息优化预测模型参数的缺陷. 对MackeyGlass和Lorenz混沌时间序列进行了仿真实验，实验结果优于相关文献记载方法的预测性能，在性能指标上好于现有算法一个数量级.
2014, 63(5): 050506.
doi: 10.7498/aps.63.050506
摘要:
癫痫脑电信号的自动检测对癫痫的临床诊断与治疗具有重要意义. 基于递归图（recurrence plot）的递归量化分析（recurrence quantification analysis，RQA）重现了非线性时间序列的动力学行为，分析了其递归特性，本文提出了基于RQA的癫痫脑电信号特征提取方法. 实验结果表明：直接基于RQA特征的癫痫脑电的检测准确率较高，其中直接基于确定率DET的分类准确率可达到90.25%. 本文还把提取的RQA特征值和变化系数、波动指数相结合组成特征向量，输入到SVM分类器，实现癫痫脑电信号的自动检测；实验结果表明：该方法的分类准确率可达到99%.
癫痫脑电信号的自动检测对癫痫的临床诊断与治疗具有重要意义. 基于递归图（recurrence plot）的递归量化分析（recurrence quantification analysis，RQA）重现了非线性时间序列的动力学行为，分析了其递归特性，本文提出了基于RQA的癫痫脑电信号特征提取方法. 实验结果表明：直接基于RQA特征的癫痫脑电的检测准确率较高，其中直接基于确定率DET的分类准确率可达到90.25%. 本文还把提取的RQA特征值和变化系数、波动指数相结合组成特征向量，输入到SVM分类器，实现癫痫脑电信号的自动检测；实验结果表明：该方法的分类准确率可达到99%.
2014, 63(5): 050507.
doi: 10.7498/aps.63.050507
摘要:
近年来，基于混沌映射和智能卡的认证密钥协商协议被相继提出. 然而，防篡改读卡器使得这类协议的实现成本较高并且很难在实际中广泛应用. 另外，基于混沌映射的数字签名方案需要很高的计算资源，这使得依赖签名方案的公钥发布存在安全问题. 据此，本文基于扩展混沌映射提出一种新的无智能卡的认证密钥协商协议. 新协议消除了公钥发布过程. 安全和性能分析表明，新协议能抵抗各类攻击并且计算复杂度较低. 因此，新协议更适合在实际环境中应用.
近年来，基于混沌映射和智能卡的认证密钥协商协议被相继提出. 然而，防篡改读卡器使得这类协议的实现成本较高并且很难在实际中广泛应用. 另外，基于混沌映射的数字签名方案需要很高的计算资源，这使得依赖签名方案的公钥发布存在安全问题. 据此，本文基于扩展混沌映射提出一种新的无智能卡的认证密钥协商协议. 新协议消除了公钥发布过程. 安全和性能分析表明，新协议能抵抗各类攻击并且计算复杂度较低. 因此，新协议更适合在实际环境中应用.
2014, 63(5): 053101.
doi: 10.7498/aps.63.053101
摘要:
基于密度泛理论的第一性原理以及VASP软件，研究了电荷俘获存储器（CTM）中俘获层HfO2在不同缺陷下（3价氧空位（VO3）、4价氧空位（VO4）、铪空位（VHf）以及间隙掺杂氧原子（IO））对写速度的影响. 对比计算了HfO2在不同缺陷下对电荷的俘获能、能带偏移值以及电荷俘获密度. 计算结果表明：VO3，VO4与VHf为单性俘获，IO则是双性俘获，HfO2在VHf时俘获能最大，最有利于俘获电荷；VHf时能带偏移最小，电荷隧穿进入俘获层最容易，即隧穿时间最短；同时对电荷俘获密度进行对比，表明VHf对电荷的俘获密度最大，即电荷被俘获的概率最大. 通过对CTM 的写操作分析以及计算结果可知，CTM俘获层m-HfO2在VHf时的写速度比其他缺陷时的写速度快. 本文的研究将为提高CTM操作速度提供理论指导.
基于密度泛理论的第一性原理以及VASP软件，研究了电荷俘获存储器（CTM）中俘获层HfO2在不同缺陷下（3价氧空位（VO3）、4价氧空位（VO4）、铪空位（VHf）以及间隙掺杂氧原子（IO））对写速度的影响. 对比计算了HfO2在不同缺陷下对电荷的俘获能、能带偏移值以及电荷俘获密度. 计算结果表明：VO3，VO4与VHf为单性俘获，IO则是双性俘获，HfO2在VHf时俘获能最大，最有利于俘获电荷；VHf时能带偏移最小，电荷隧穿进入俘获层最容易，即隧穿时间最短；同时对电荷俘获密度进行对比，表明VHf对电荷的俘获密度最大，即电荷被俘获的概率最大. 通过对CTM 的写操作分析以及计算结果可知，CTM俘获层m-HfO2在VHf时的写速度比其他缺陷时的写速度快. 本文的研究将为提高CTM操作速度提供理论指导.
2014, 63(5): 053102.
doi: 10.7498/aps.63.053102
摘要:
采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法，建立了未掺杂，Al，N单掺杂和Al-N共掺杂3C-SiC的4种超晶胞模型，并分别对模型进行了几何结构优化，对比研究了其能带结构，态密度分布和介电常数. 计算结果表明：Al掺杂会增大SiC的晶格常数，而N对SiC的晶格影响很小. Al掺杂会导致费米能级进入价带，使3C-SiC成为p型半导体，且带隙宽度略为加宽.N掺杂后的SiC其导带和价带均向低能端发生移动，带隙稍有减小. 本征3C-SiC几乎不具备微波介电损耗性能. 但是可以通过进行Al掺杂或N掺杂加以改善，Al掺杂后的效果尤为突出. 计算发现Al-N共掺杂后的3C-SiC材料在8.2–12.4 GHz范围内其微波介电损耗性能急剧下降，与实验结果相符合，并对这一结果进行了讨论分析.
采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法，建立了未掺杂，Al，N单掺杂和Al-N共掺杂3C-SiC的4种超晶胞模型，并分别对模型进行了几何结构优化，对比研究了其能带结构，态密度分布和介电常数. 计算结果表明：Al掺杂会增大SiC的晶格常数，而N对SiC的晶格影响很小. Al掺杂会导致费米能级进入价带，使3C-SiC成为p型半导体，且带隙宽度略为加宽.N掺杂后的SiC其导带和价带均向低能端发生移动，带隙稍有减小. 本征3C-SiC几乎不具备微波介电损耗性能. 但是可以通过进行Al掺杂或N掺杂加以改善，Al掺杂后的效果尤为突出. 计算发现Al-N共掺杂后的3C-SiC材料在8.2–12.4 GHz范围内其微波介电损耗性能急剧下降，与实验结果相符合，并对这一结果进行了讨论分析.
2014, 63(5): 053103.
doi: 10.7498/aps.63.053103
摘要:
采用第一性原理的计算方法，研究了全部由轻元素构成的半Heusler型NaAlGe合金中，掺杂元素对合金拓扑能带结构的影响. 发现利用同族的Cs元素掺杂替换Na元素，能够诱导Na1-xCsxAlGe合金的能带结构由原本正常带序（0 x 0.125）转换为反转带序（0.125 x 1）. 基于对这一现象的深入讨论，我们提出在几乎没有自旋-轨道耦合作用的材料中，掺杂元素（Cs）是通过其离子半径的不同，进而影响晶格参数变化导致另外两种近邻原子间杂化作用发生变化，来诱导拓扑反带结构形成的.
采用第一性原理的计算方法，研究了全部由轻元素构成的半Heusler型NaAlGe合金中，掺杂元素对合金拓扑能带结构的影响. 发现利用同族的Cs元素掺杂替换Na元素，能够诱导Na1-xCsxAlGe合金的能带结构由原本正常带序（0 x 0.125）转换为反转带序（0.125 x 1）. 基于对这一现象的深入讨论，我们提出在几乎没有自旋-轨道耦合作用的材料中，掺杂元素（Cs）是通过其离子半径的不同，进而影响晶格参数变化导致另外两种近邻原子间杂化作用发生变化，来诱导拓扑反带结构形成的.
2014, 63(5): 053104.
doi: 10.7498/aps.63.053104
摘要:
传统的利用变分原理求解Schrdinger方程获得原子激发态波函数的方法是基于HUM理论（Hylleraas-Undheim and MacDonald theorem），在有限的N维Hilbert空间中，通过求解久期方程的高阶根获得激发态的近似波函数. 在我们前期的工作中已指出，由于HUM方法的几个内禀缺陷限制，它将导致在相同的函数空间中，由传统变分法得到的激发态波函数的质量远差于足够好的基态波函数. 进一步地，为了避免基于HUM方法的变分缺陷，本文提出了新的变分函数，并证明其试探激发态波函数在其本征态处具有局域极小值，因而可以通过变分极小无限制的逼近该本征态. 在此基础上，利用广义的Laguerre类型轨道（GLTO）在组态相互作用的框架下，分别编写了基于传统HUM理论和新变分函数的关于求解原子近似波函数的计算程序，并且利用该程序计算了氦原子（He）在1S（e），1P（o）态下相应的基态及激发态近似波函数及对应的能量值和径向平均值，并与已有文献中结果进行比较，计算结果显示了HUM理论的缺陷及新变分函数优越性，并就进一步提高激发态的精度指明了方向.
传统的利用变分原理求解Schrdinger方程获得原子激发态波函数的方法是基于HUM理论（Hylleraas-Undheim and MacDonald theorem），在有限的N维Hilbert空间中，通过求解久期方程的高阶根获得激发态的近似波函数. 在我们前期的工作中已指出，由于HUM方法的几个内禀缺陷限制，它将导致在相同的函数空间中，由传统变分法得到的激发态波函数的质量远差于足够好的基态波函数. 进一步地，为了避免基于HUM方法的变分缺陷，本文提出了新的变分函数，并证明其试探激发态波函数在其本征态处具有局域极小值，因而可以通过变分极小无限制的逼近该本征态. 在此基础上，利用广义的Laguerre类型轨道（GLTO）在组态相互作用的框架下，分别编写了基于传统HUM理论和新变分函数的关于求解原子近似波函数的计算程序，并且利用该程序计算了氦原子（He）在1S（e），1P（o）态下相应的基态及激发态近似波函数及对应的能量值和径向平均值，并与已有文献中结果进行比较，计算结果显示了HUM理论的缺陷及新变分函数优越性，并就进一步提高激发态的精度指明了方向.
2014, 63(5): 053201.
doi: 10.7498/aps.63.053201
摘要:
用345 keV的Kr15+和340 keV的Kr17+离子以45角入射n型GaAs单晶（100）面，测量了表面形貌的变化和发射的375500 nm GaⅠ和Kr Ⅱ的特征光谱线. Krq+（q=15，17）离子轰击后表面形貌的变化主要取决于入射离子的电荷态q. 离子沉积到靶表面的能量引起Ga原子激发，其辐射光谱为GaⅠ 403.2 nm和GaⅠ 417.0 nm. 入射离子中性化过程中俘获GaAs导带电子形成高激发态原子，通过级联退激填充3p，4d等空穴，P壳层电子跃迁发射谱线为Kr Ⅱ 410.0 nm，Kr Ⅱ 430.4 nm，Kr Ⅱ 434.0 nm和Kr Ⅱ 486.0 nm，Kr Ⅱ 486.0 nm为较强谱线. 实验结果表明，入射离子与GaAs单晶相互作用发射的可见光产额与入射离子的电荷态密切相关，较高电荷态Kr17+离子入射产生的光辐射产额大约为Kr15+离子的两倍.
用345 keV的Kr15+和340 keV的Kr17+离子以45角入射n型GaAs单晶（100）面，测量了表面形貌的变化和发射的375500 nm GaⅠ和Kr Ⅱ的特征光谱线. Krq+（q=15，17）离子轰击后表面形貌的变化主要取决于入射离子的电荷态q. 离子沉积到靶表面的能量引起Ga原子激发，其辐射光谱为GaⅠ 403.2 nm和GaⅠ 417.0 nm. 入射离子中性化过程中俘获GaAs导带电子形成高激发态原子，通过级联退激填充3p，4d等空穴，P壳层电子跃迁发射谱线为Kr Ⅱ 410.0 nm，Kr Ⅱ 430.4 nm，Kr Ⅱ 434.0 nm和Kr Ⅱ 486.0 nm，Kr Ⅱ 486.0 nm为较强谱线. 实验结果表明，入射离子与GaAs单晶相互作用发射的可见光产额与入射离子的电荷态密切相关，较高电荷态Kr17+离子入射产生的光辐射产额大约为Kr15+离子的两倍.
2014, 63(5): 053202.
doi: 10.7498/aps.63.053202
摘要:
实验中首先通过增大四极磁场梯度、提高背景真空度、缩小冷却俘获激光光束直径的方法获得了磁光阱中单原子的装载. 其次，通过减小冷却光失谐量、适当增加其光强、同时使用偏振光谱锁频技术抑制冷却光噪声的方法得到了磁光阱中高信号背景比的单原子荧光信号. 此外，通过实时反馈控制磁光阱四极磁场梯度的方法，在实验中实现了单原子98%的装载概率. 使用Hamburg Brown-Twiss 方案测量了磁光阱中的单原子在连续光激发下所辐射荧光的光子统计特性，得到二阶关联度g（2）（=0）=0.09.
实验中首先通过增大四极磁场梯度、提高背景真空度、缩小冷却俘获激光光束直径的方法获得了磁光阱中单原子的装载. 其次，通过减小冷却光失谐量、适当增加其光强、同时使用偏振光谱锁频技术抑制冷却光噪声的方法得到了磁光阱中高信号背景比的单原子荧光信号. 此外，通过实时反馈控制磁光阱四极磁场梯度的方法，在实验中实现了单原子98%的装载概率. 使用Hamburg Brown-Twiss 方案测量了磁光阱中的单原子在连续光激发下所辐射荧光的光子统计特性，得到二阶关联度g（2）（=0）=0.09.
2014, 63(5): 054101.
doi: 10.7498/aps.63.054101
摘要:
采用土壤介电常数的四成分模型表示实际地面的介电特性，应用指数型分布粗糙面模型和Monte Carlo方法模拟实际的粗糙地面，运用时域有限差分方法研究了微分高斯脉冲波照射时粗糙地面与上方目标的宽带电磁散射问题，得出了后向复合散射系数的频率响应曲线，计算了后向复合散射系数随粗糙地面高度起伏均方根、相关长度、土壤湿度、目标尺寸、高度、倾角等几何参数及介电参数等的变化情况，并做了详细分析与讨论，得到了指数型粗糙地面与上方目标宽带电磁散射特性.
采用土壤介电常数的四成分模型表示实际地面的介电特性，应用指数型分布粗糙面模型和Monte Carlo方法模拟实际的粗糙地面，运用时域有限差分方法研究了微分高斯脉冲波照射时粗糙地面与上方目标的宽带电磁散射问题，得出了后向复合散射系数的频率响应曲线，计算了后向复合散射系数随粗糙地面高度起伏均方根、相关长度、土壤湿度、目标尺寸、高度、倾角等几何参数及介电参数等的变化情况，并做了详细分析与讨论，得到了指数型粗糙地面与上方目标宽带电磁散射特性.
2014, 63(5): 054201.
doi: 10.7498/aps.63.054201
摘要:
本研究利用纳秒激光两次双光束干涉无掩模烧蚀、快速制备硫化锌（ZnS）微纳结构抗反射疏水表面，使其红外透过率由原来的75%增加到92%，解决了表面淀积抗反射镀层膜层附着力、抗蚀性、热胀失配等问题. 此方法加工过程快速简单，可实现大面积制作，且微纳结构使基底具有疏水性能，疏水角可达145°. 使其在光电子、太阳能、航空航天及红外制导等领域具有广泛的应用前景.
本研究利用纳秒激光两次双光束干涉无掩模烧蚀、快速制备硫化锌（ZnS）微纳结构抗反射疏水表面，使其红外透过率由原来的75%增加到92%，解决了表面淀积抗反射镀层膜层附着力、抗蚀性、热胀失配等问题. 此方法加工过程快速简单，可实现大面积制作，且微纳结构使基底具有疏水性能，疏水角可达145°. 使其在光电子、太阳能、航空航天及红外制导等领域具有广泛的应用前景.
2014, 63(5): 054202.
doi: 10.7498/aps.63.054202
摘要:
受激布里渊散射（SBS）具有脉冲压缩的特性，受激布里渊散射的脉冲宽度随着抽运能量的增大而变小，在水中可以达到几百皮秒的量级. 本文在实验上观察到一种受激布里渊散射的脉冲宽度随抽运能量增大而变大的现象，这里称之为反常压缩. SBS的脉冲反常压缩和脉冲压缩与抽运光的强弱会聚情况有关. 利用数值模拟，模拟了强弱会聚情况下抽运光在水中的传输规律，强弱会聚情况的抽运光对受激布里渊散射形成的有效增益长度不同：抽运光强会聚时有效增益长度短，形成SBS脉冲宽度的反常压缩；弱会聚时有效增益长度长，也就是正常的SBS脉冲压缩.
受激布里渊散射（SBS）具有脉冲压缩的特性，受激布里渊散射的脉冲宽度随着抽运能量的增大而变小，在水中可以达到几百皮秒的量级. 本文在实验上观察到一种受激布里渊散射的脉冲宽度随抽运能量增大而变大的现象，这里称之为反常压缩. SBS的脉冲反常压缩和脉冲压缩与抽运光的强弱会聚情况有关. 利用数值模拟，模拟了强弱会聚情况下抽运光在水中的传输规律，强弱会聚情况的抽运光对受激布里渊散射形成的有效增益长度不同：抽运光强会聚时有效增益长度短，形成SBS脉冲宽度的反常压缩；弱会聚时有效增益长度长，也就是正常的SBS脉冲压缩.
2014, 63(5): 054203.
doi: 10.7498/aps.63.054203
摘要:
自衍射效应在飞秒激光领域有非常重要的应用，如提高飞秒脉冲的时域对比度、作为自参考光谱干涉脉冲测量法的参考光、作为频率分辨光学开关法的信号光等. 然而，具有较宽光谱带宽的飞秒激光在自衍射效应过程中产生的信号光存在明显的角色散，这给自衍射效应的应用带来不利影响. 本文研究发现通过在自衍射效应的一个光路中加入等腰直角棱镜，当到棱镜的入射角为23°时可以明显地减小飞秒激光脉冲自衍射信号的角色散. 这就为以后将自衍射效应更好的应用到飞秒激光脉冲的研究提供了有用的参考.
自衍射效应在飞秒激光领域有非常重要的应用，如提高飞秒脉冲的时域对比度、作为自参考光谱干涉脉冲测量法的参考光、作为频率分辨光学开关法的信号光等. 然而，具有较宽光谱带宽的飞秒激光在自衍射效应过程中产生的信号光存在明显的角色散，这给自衍射效应的应用带来不利影响. 本文研究发现通过在自衍射效应的一个光路中加入等腰直角棱镜，当到棱镜的入射角为23°时可以明显地减小飞秒激光脉冲自衍射信号的角色散. 这就为以后将自衍射效应更好的应用到飞秒激光脉冲的研究提供了有用的参考.
2014, 63(5): 054204.
doi: 10.7498/aps.63.054204
摘要:
本文采用商用532 nm激光器作为基频光源，利用偏硼酸钡（β-BBO）晶体进行外腔倍频，实现了266 nm连续激光的高效输出. 文中详细模拟了BBO晶体中的束腰形状对倍频效率的影响，仿真和实验结果均表明椭圆高斯光束可以有效改善走离效应，提高倍频转换效率. 通过优化蝶形倍频腔，可以使椭圆高斯光束在腔内共振，当1 W基频光输入时可输出约180 mW的266 nm紫外连续激光，倍频转换效率达到18%.
本文采用商用532 nm激光器作为基频光源，利用偏硼酸钡（β-BBO）晶体进行外腔倍频，实现了266 nm连续激光的高效输出. 文中详细模拟了BBO晶体中的束腰形状对倍频效率的影响，仿真和实验结果均表明椭圆高斯光束可以有效改善走离效应，提高倍频转换效率. 通过优化蝶形倍频腔，可以使椭圆高斯光束在腔内共振，当1 W基频光输入时可输出约180 mW的266 nm紫外连续激光，倍频转换效率达到18%.
2014, 63(5): 054205.
doi: 10.7498/aps.63.054205
摘要:
本文利用高重复频率，高平均功率大模场面积飞秒光纤激光器作为同步抽运源，抽运以多周期极化掺氧化镁铌酸锂为非线性晶体的单共振光学参量振荡器，获得了高功率可调谐红光至中红外光，信号光调谐范围为1450–2200 nm，闲频光调谐范围为2250–4000 nm，在2 W的抽运功率下，信号光输出波长为1502 nm时获得最大输出功率374 mW，转换效率为18.7%，脉冲宽度为144 fs，此时中红外输出中心波长为3.4 μm，平均功率为166 mW. 再利用BBO晶体对信号光进行腔内和频，获得和频光输出波长调谐范围为610–668 nm，在4.1 W抽运的情况下，最高平均功率为615 nm处的694 mW，转换效率达16.9%.
本文利用高重复频率，高平均功率大模场面积飞秒光纤激光器作为同步抽运源，抽运以多周期极化掺氧化镁铌酸锂为非线性晶体的单共振光学参量振荡器，获得了高功率可调谐红光至中红外光，信号光调谐范围为1450–2200 nm，闲频光调谐范围为2250–4000 nm，在2 W的抽运功率下，信号光输出波长为1502 nm时获得最大输出功率374 mW，转换效率为18.7%，脉冲宽度为144 fs，此时中红外输出中心波长为3.4 μm，平均功率为166 mW. 再利用BBO晶体对信号光进行腔内和频，获得和频光输出波长调谐范围为610–668 nm，在4.1 W抽运的情况下，最高平均功率为615 nm处的694 mW，转换效率达16.9%.
2014, 63(5): 054206.
doi: 10.7498/aps.63.054206
摘要:
采用溶胶凝胶协同自组装与光刻相结合的方法，在光子晶体反蛋白石结构中引入缺陷，通过溶胶凝胶协同自组装方法在硅片上垂直沉积胶体晶体复合薄膜，把BP212正性光刻胶均匀旋涂在复合薄膜上，通过曝光、显影等光刻工艺，把掩膜版图案复制在复合薄膜上，用此样品再次垂直沉积一层复合薄膜，使图案被复合薄膜覆盖. 最后去除胶体微球与光刻胶图案，从而在反蛋白石结构中引入缺陷，用扫描电子显微镜对样品进行表征. 分析了光刻胶图案对胶体微球排列的影响.
采用溶胶凝胶协同自组装与光刻相结合的方法，在光子晶体反蛋白石结构中引入缺陷，通过溶胶凝胶协同自组装方法在硅片上垂直沉积胶体晶体复合薄膜，把BP212正性光刻胶均匀旋涂在复合薄膜上，通过曝光、显影等光刻工艺，把掩膜版图案复制在复合薄膜上，用此样品再次垂直沉积一层复合薄膜，使图案被复合薄膜覆盖. 最后去除胶体微球与光刻胶图案，从而在反蛋白石结构中引入缺陷，用扫描电子显微镜对样品进行表征. 分析了光刻胶图案对胶体微球排列的影响.
2014, 63(5): 054301.
doi: 10.7498/aps.63.054301
摘要:
为了精确描述超声散斑场的特性，提出了采用计算机模拟产生超声散斑场的方法. 利用模拟产生的高斯相关随机表面，获得了这类表面远场超声散斑场，同时得到了声强分布和相位分布. 与实验产生的散斑场进行对比，建立了超声散斑场接收的实验系统，取与计算模拟相同的参数，获得了实验散斑场. 通过对比发现：计算机模拟产生的超声散斑场相位存在奇异点，奇异点周围相位分布类似漩涡，计算机模拟产生的散斑场与实验得到的散斑场强度分布相似，强度值比实验产生的散斑场强度大，携带有用信息的高亮散斑较多，暗点较少，更利于研究和分析.
为了精确描述超声散斑场的特性，提出了采用计算机模拟产生超声散斑场的方法. 利用模拟产生的高斯相关随机表面，获得了这类表面远场超声散斑场，同时得到了声强分布和相位分布. 与实验产生的散斑场进行对比，建立了超声散斑场接收的实验系统，取与计算模拟相同的参数，获得了实验散斑场. 通过对比发现：计算机模拟产生的超声散斑场相位存在奇异点，奇异点周围相位分布类似漩涡，计算机模拟产生的散斑场与实验得到的散斑场强度分布相似，强度值比实验产生的散斑场强度大，携带有用信息的高亮散斑较多，暗点较少，更利于研究和分析.
2014, 63(5): 054302.
doi: 10.7498/aps.63.054302
摘要:
本文借助单一声样本与人工合成的混合声样本，重点研究了由多个单一声源共同作用形成的混合声的剂量值预测方法. 首先，提出了一种基于对作用时长短时化处理的声音样本剂量值确定流程，并利用该方法分别确定了单一声样本与人工合成的混合声样本的剂量值. 随后，分析了混合声样本剂量值（亦称总剂量，记为LTotal）与构成混合声样本的每个单一声样本剂量值（亦称组分剂量，记为Li，i=1，2，，K；K为单一噪声样本的个数亦称组分数量）之间的关系，实现了在已知所有单一声剂量值的前提下成功预测混合声的剂量值，为深入开展复杂声环境下的噪声源控制和噪声总剂量控制、实现高效的环境噪声治理提供了理论依据.
本文借助单一声样本与人工合成的混合声样本，重点研究了由多个单一声源共同作用形成的混合声的剂量值预测方法. 首先，提出了一种基于对作用时长短时化处理的声音样本剂量值确定流程，并利用该方法分别确定了单一声样本与人工合成的混合声样本的剂量值. 随后，分析了混合声样本剂量值（亦称总剂量，记为LTotal）与构成混合声样本的每个单一声样本剂量值（亦称组分剂量，记为Li，i=1，2，，K；K为单一噪声样本的个数亦称组分数量）之间的关系，实现了在已知所有单一声剂量值的前提下成功预测混合声的剂量值，为深入开展复杂声环境下的噪声源控制和噪声总剂量控制、实现高效的环境噪声治理提供了理论依据.
2014, 63(5): 054303.
doi: 10.7498/aps.63.054303
摘要:
为实现浅海复杂环境下的多基地声纳多源目标回波分辨，本文设计了一种适用于多入多出垂直阵信道环境下的空时码探测信号，并针对倾斜垂直阵的多途子信道差异问题，提出了信号的时反相关检测技术. 空时码探测信号采用伪随机信号调制，具有良好的正交性，能在抗子信道严重衰落的同时，分辨多源目标回波. 垂直阵受水流冲击，呈倾斜状态时，其多途子信道不一致性会导致各子信道传递信号无法在接收端聚焦，使阵列增益受损，同时导致时延测量能力下降和信号判决错误率上升，为此本文设计了信道训练信号用以估计多途子信道环境，通过虚拟时间反转镜获得子信道不一致条件下的最佳匹配检测信号，实现对接收信号的时反相关检测. 仿真结果表明，本文所设计的探测信号和检测方法，能够克服复杂的信道条件和多途子信道不一致性引起的检测问题，满足多基地声纳探测需求，实现多源目标回波分辨.
为实现浅海复杂环境下的多基地声纳多源目标回波分辨，本文设计了一种适用于多入多出垂直阵信道环境下的空时码探测信号，并针对倾斜垂直阵的多途子信道差异问题，提出了信号的时反相关检测技术. 空时码探测信号采用伪随机信号调制，具有良好的正交性，能在抗子信道严重衰落的同时，分辨多源目标回波. 垂直阵受水流冲击，呈倾斜状态时，其多途子信道不一致性会导致各子信道传递信号无法在接收端聚焦，使阵列增益受损，同时导致时延测量能力下降和信号判决错误率上升，为此本文设计了信道训练信号用以估计多途子信道环境，通过虚拟时间反转镜获得子信道不一致条件下的最佳匹配检测信号，实现对接收信号的时反相关检测. 仿真结果表明，本文所设计的探测信号和检测方法，能够克服复杂的信道条件和多途子信道不一致性引起的检测问题，满足多基地声纳探测需求，实现多源目标回波分辨.
2014, 63(5): 054304.
doi: 10.7498/aps.63.054304
摘要:
基于传感器网络的信号被动定位技术在电磁学、声学、声呐系统以及传热学等领域具有广泛的应用前景，当传感器网络节点所接收噪声强度不同或传输信道存在阴影衰落效应时，给出了目标信号到达距离比定位关联度量的估计方法与基于信号到达距离比的被动定位算法. 将特征值分解技术引入到信号到达距离比定位关联度量估计中，通过接收信号协方差矩阵特征值分解技术估计各节点所接收噪声强度，并通过网络参考节点轮换与特征值分解方法消除阴影衰落效应所引入的定位误差，最后给出该算法的最小二乘定位解. 该方法可较好的消除由于节点接收噪声强度不同以及阴影衰落效应等因素所带来的定位性能恶化.
基于传感器网络的信号被动定位技术在电磁学、声学、声呐系统以及传热学等领域具有广泛的应用前景，当传感器网络节点所接收噪声强度不同或传输信道存在阴影衰落效应时，给出了目标信号到达距离比定位关联度量的估计方法与基于信号到达距离比的被动定位算法. 将特征值分解技术引入到信号到达距离比定位关联度量估计中，通过接收信号协方差矩阵特征值分解技术估计各节点所接收噪声强度，并通过网络参考节点轮换与特征值分解方法消除阴影衰落效应所引入的定位误差，最后给出该算法的最小二乘定位解. 该方法可较好的消除由于节点接收噪声强度不同以及阴影衰落效应等因素所带来的定位性能恶化.
2014, 63(5): 054401.
doi: 10.7498/aps.63.054401
摘要:
如何灵活地控制和操纵热流是目前研究的热点. 本文根据变换热力学方法，导出了具有任意横截面形状热集中器的材料参数表达式，并在此基础上设计了具有圆形、椭圆形、正五边形等规则横截面形状的热集中器和具有共形、非共形任意横截面形状的热集中器. 全波仿真结果表明，这些热集中器使等温线和热通量向其压缩区弯曲，靠近热源的一侧热扩散加快而相反的一侧热扩散减慢，在很小的区域内表现出对热量的集中作用，这一特点在热能工程中有潜在应用. 此外，研究了圆柱形热集中器的层化实现方法. 结果显示，热集中器可通过将同性材料沿角向分层交替填充来实现. 这项工作对热集中器的设计及制备具有指导意义.
如何灵活地控制和操纵热流是目前研究的热点. 本文根据变换热力学方法，导出了具有任意横截面形状热集中器的材料参数表达式，并在此基础上设计了具有圆形、椭圆形、正五边形等规则横截面形状的热集中器和具有共形、非共形任意横截面形状的热集中器. 全波仿真结果表明，这些热集中器使等温线和热通量向其压缩区弯曲，靠近热源的一侧热扩散加快而相反的一侧热扩散减慢，在很小的区域内表现出对热量的集中作用，这一特点在热能工程中有潜在应用. 此外，研究了圆柱形热集中器的层化实现方法. 结果显示，热集中器可通过将同性材料沿角向分层交替填充来实现. 这项工作对热集中器的设计及制备具有指导意义.
2014, 63(5): 054701.
doi: 10.7498/aps.63.054701
摘要:
采用格子Boltzmann方法研究了固体壁面对流体的作用强度与其润湿性的关系，在此基础上进一步模拟了疏水表面微通道内的流体流动，获得了润湿性对疏水表面滑移流动及减阻特性的影响规律，证实了疏水表面表观滑移的存在性并揭示了其产生机理. 结果表明，疏水性作用在疏水表面的近壁区诱导了一个低密度层，而表观滑移则发生在低密度层上. 表观滑移是疏水表面具有减阻作用的直接原因，减阻效果随滑移长度的增大而增大. 对于特定的流体系统，滑移长度是疏水表面的固有属性，仅是壁面润湿性的单一函数，而与流动本身的性质无关.
采用格子Boltzmann方法研究了固体壁面对流体的作用强度与其润湿性的关系，在此基础上进一步模拟了疏水表面微通道内的流体流动，获得了润湿性对疏水表面滑移流动及减阻特性的影响规律，证实了疏水表面表观滑移的存在性并揭示了其产生机理. 结果表明，疏水性作用在疏水表面的近壁区诱导了一个低密度层，而表观滑移则发生在低密度层上. 表观滑移是疏水表面具有减阻作用的直接原因，减阻效果随滑移长度的增大而增大. 对于特定的流体系统，滑移长度是疏水表面的固有属性，仅是壁面润湿性的单一函数，而与流动本身的性质无关.
2014, 63(5): 054702.
doi: 10.7498/aps.63.054702
摘要:
采用直接数值模拟方法，对槽道湍流中确定分布的Lorentz力的流动控制与减阻问题进行研究. 讨论了Lorentz力作用于槽道湍流后，流场的特性和涡结构的特性，并对此类Lorentz力对槽道湍流的控制与减阻机理进行了讨论. 研究发现：1）Lorentz力诱导的层流流场壁面附近存在梯度极大的展向速度剪切层，该剪切层容易形成流向涡结构；2）在给定合适参数的确定分布的Lorentz力作用下，湍流流场仅剩周期分布的准流向涡；3）与未控制流场相比，控制后的流场中，准流向涡的抬升高度大大降低，从而减小猝发强度，使壁面阻力下降.
采用直接数值模拟方法，对槽道湍流中确定分布的Lorentz力的流动控制与减阻问题进行研究. 讨论了Lorentz力作用于槽道湍流后，流场的特性和涡结构的特性，并对此类Lorentz力对槽道湍流的控制与减阻机理进行了讨论. 研究发现：1）Lorentz力诱导的层流流场壁面附近存在梯度极大的展向速度剪切层，该剪切层容易形成流向涡结构；2）在给定合适参数的确定分布的Lorentz力作用下，湍流流场仅剩周期分布的准流向涡；3）与未控制流场相比，控制后的流场中，准流向涡的抬升高度大大降低，从而减小猝发强度，使壁面阻力下降.
2014, 63(5): 054703.
doi: 10.7498/aps.63.054703
摘要:
利用量级分析和风洞实验研究了可压缩混合层流动第二发展阶段气动光学效应的规律性. 理论分析主要针对二维大尺度结构存在时视线误差（boresight error，BSE）与混合层流场及其特征参数之间的关系进行了讨论. 研究结果表明：在混合层发展的第二阶段，时均BSE 与对流马赫数呈现出复杂的非线性关系；同时还发现流场中的湍动能和混合层界面处的雷诺应力分布也是影响时均BSE 的重要因素；采用细光束穿越混合层流场的风洞试验结果主要证实了时均BSE与对流马赫数之间的非线性关系.
利用量级分析和风洞实验研究了可压缩混合层流动第二发展阶段气动光学效应的规律性. 理论分析主要针对二维大尺度结构存在时视线误差（boresight error，BSE）与混合层流场及其特征参数之间的关系进行了讨论. 研究结果表明：在混合层发展的第二阶段，时均BSE 与对流马赫数呈现出复杂的非线性关系；同时还发现流场中的湍动能和混合层界面处的雷诺应力分布也是影响时均BSE 的重要因素；采用细光束穿越混合层流场的风洞试验结果主要证实了时均BSE与对流马赫数之间的非线性关系.
2014, 63(5): 054704.
doi: 10.7498/aps.63.054704
摘要:
本文基于速度梯度张量分析，对其中四种 判据、Q判据、 判据、ci判据的物理意义和局限性进行分析，揭示各判据常用等值面展示的涡形态或强度的实际物理意义. 首次采用基于速度梯度张量正规性的四元分解，将流体微元的运动分解为胀缩、沿正规标架的轴向变形、做平面运动和简单剪切，使得各涡判据的运动学意义更加清晰. 涡量 反映的流体微元的平均转动中总是包含简单剪切运动；Q判据可揭示流体微元在复特征向量平面上净转动相对于轴向变形的强弱，是净转动存在的充分但非必要条件； 判据能准确辨别净转动是否存在，却无法表示出净转动的强度；在净转动存在的前提下，ci可反映其绝对强度大小，净转动是复特征向量平面内正规转动和简单剪切的总和效果，正规转动是最基本的转动. 新引入的四元分解方法有利于深入了解流体的涡及其运动.
本文基于速度梯度张量分析，对其中四种 判据、Q判据、 判据、ci判据的物理意义和局限性进行分析，揭示各判据常用等值面展示的涡形态或强度的实际物理意义. 首次采用基于速度梯度张量正规性的四元分解，将流体微元的运动分解为胀缩、沿正规标架的轴向变形、做平面运动和简单剪切，使得各涡判据的运动学意义更加清晰. 涡量 反映的流体微元的平均转动中总是包含简单剪切运动；Q判据可揭示流体微元在复特征向量平面上净转动相对于轴向变形的强弱，是净转动存在的充分但非必要条件； 判据能准确辨别净转动是否存在，却无法表示出净转动的强度；在净转动存在的前提下，ci可反映其绝对强度大小，净转动是复特征向量平面内正规转动和简单剪切的总和效果，正规转动是最基本的转动. 新引入的四元分解方法有利于深入了解流体的涡及其运动.
2014, 63(5): 054705.
doi: 10.7498/aps.63.054705
摘要:
本文针对毫米量级的上浮气泡在壁面处的弹跳现象进行数值研究. 基于势流方法求解气泡的运动，同时考虑气泡的表面张力作用. 在伯努利方程中，对气泡与壁面之间水膜中因黏性引起的压力梯度进行修正，开发相应的计算程序，计算值与实验值符合良好. 从气泡弹跳的基本现象入手，研究了特征参数对气泡弹跳过程的动态特性以及最终平衡形态的影响. 发现随着泡在撞击壁面之前上浮距离增大，气泡回弹距离和弹跳周期增加，但是当上浮距离增加到一定程度后将不会影响气泡的弹跳特性；表面张力是影响气泡弹跳特性的重要因素，气泡的弹跳周期随其增大逐渐减小，但回弹距离却呈现先增后减的规律；最后，影响气泡最终平衡形态的主要因素是气泡的浮力参数与韦伯数.
本文针对毫米量级的上浮气泡在壁面处的弹跳现象进行数值研究. 基于势流方法求解气泡的运动，同时考虑气泡的表面张力作用. 在伯努利方程中，对气泡与壁面之间水膜中因黏性引起的压力梯度进行修正，开发相应的计算程序，计算值与实验值符合良好. 从气泡弹跳的基本现象入手，研究了特征参数对气泡弹跳过程的动态特性以及最终平衡形态的影响. 发现随着泡在撞击壁面之前上浮距离增大，气泡回弹距离和弹跳周期增加，但是当上浮距离增加到一定程度后将不会影响气泡的弹跳特性；表面张力是影响气泡弹跳特性的重要因素，气泡的弹跳周期随其增大逐渐减小，但回弹距离却呈现先增后减的规律；最后，影响气泡最终平衡形态的主要因素是气泡的浮力参数与韦伯数.
2014, 63(5): 054706.
doi: 10.7498/aps.63.054706
摘要:
气枪气泡的远场压力子波特性研究是研究气枪震源的基础，本文在前人研究基础上建立了三维边界元气泡动力学模型，并针对气泡射流这一技术瓶颈提出了能量等效算法. 再在上述模型中加入了简化的热力学模型，考虑了气枪释放气体以及气泡传热等热力学因素，将上面模型计算结果和Nucleus软件模拟结果对比，两者符合良好，并以此为基础探讨了传热系数、气枪发射时间、气体等体比热容对气枪主要参数的影响规律. 最后将轴对称气泡融合技术拓展到三维边界元模型，对相干枪进行初步研究，探讨了气枪间距对压力子波的影响规律，旨在为气枪的研究提供参考.
气枪气泡的远场压力子波特性研究是研究气枪震源的基础，本文在前人研究基础上建立了三维边界元气泡动力学模型，并针对气泡射流这一技术瓶颈提出了能量等效算法. 再在上述模型中加入了简化的热力学模型，考虑了气枪释放气体以及气泡传热等热力学因素，将上面模型计算结果和Nucleus软件模拟结果对比，两者符合良好，并以此为基础探讨了传热系数、气枪发射时间、气体等体比热容对气枪主要参数的影响规律. 最后将轴对称气泡融合技术拓展到三维边界元模型，对相干枪进行初步研究，探讨了气枪间距对压力子波的影响规律，旨在为气枪的研究提供参考.
2014, 63(5): 054707.
doi: 10.7498/aps.63.054707
摘要:
以水为工作介质，在不同文丘里管入口压力下，利用YAG激光器产生的激光轰击水中的金属靶材产生空泡，借助高速摄像系统记录激光空泡在文丘里管中的运动过程，并采用流体动力学模拟对文丘里管中的流场特性和空泡的溃灭特性进行分析. 结果表明：激光空泡在文丘里管中的运动，其形状变化可分为产生阶段、挤压阶段、溃灭初始阶段和溃灭阶段等四个阶段. 空泡的溃灭取决于流场状态，当流动为层流时，空泡不发生溃灭；当流动为湍流时，空泡发生溃灭，且湍流程度越剧烈，溃灭现象越显著. 搭建的激光空泡生成与运动系统能够实现空泡的定点溃灭.
以水为工作介质，在不同文丘里管入口压力下，利用YAG激光器产生的激光轰击水中的金属靶材产生空泡，借助高速摄像系统记录激光空泡在文丘里管中的运动过程，并采用流体动力学模拟对文丘里管中的流场特性和空泡的溃灭特性进行分析. 结果表明：激光空泡在文丘里管中的运动，其形状变化可分为产生阶段、挤压阶段、溃灭初始阶段和溃灭阶段等四个阶段. 空泡的溃灭取决于流场状态，当流动为层流时，空泡不发生溃灭；当流动为湍流时，空泡发生溃灭，且湍流程度越剧烈，溃灭现象越显著. 搭建的激光空泡生成与运动系统能够实现空泡的定点溃灭.
2014, 63(5): 054708.
doi: 10.7498/aps.63.054708
摘要:
通过构造具有棋盘状微结构的疏水表面，考虑表面张力的影响，利用定常与非定常结合的数值模拟方法，研究了疏水表面在湍流状态下的减阻特性以及微结构内气体封存的效果，其中Re=3000–30000. 在低雷诺数下，疏水表面微结构内气体封存状态良好，减阻率最高约为30%；随着雷诺数的增大，压差阻力增大，减阻率有下降趋势. 当来流速度过大时，水会大量进入微结构，疏水表面的减阻率变化剧烈，且已经不再减阻. 结果表明，表面张力削弱了壁面切应力的影响，使得低雷诺数下微结构内气体能够有效封存，进而减小壁面阻力.
通过构造具有棋盘状微结构的疏水表面，考虑表面张力的影响，利用定常与非定常结合的数值模拟方法，研究了疏水表面在湍流状态下的减阻特性以及微结构内气体封存的效果，其中Re=3000–30000. 在低雷诺数下，疏水表面微结构内气体封存状态良好，减阻率最高约为30%；随着雷诺数的增大，压差阻力增大，减阻率有下降趋势. 当来流速度过大时，水会大量进入微结构，疏水表面的减阻率变化剧烈，且已经不再减阻. 结果表明，表面张力削弱了壁面切应力的影响，使得低雷诺数下微结构内气体能够有效封存，进而减小壁面阻力.
2014, 63(5): 055201.
doi: 10.7498/aps.63.055201
摘要:
在“强光一号”装置（1.3 MA，100 ns）上进行了镀2 μm聚酰亚胺绝缘膜平面铝丝阵与普通铝丝阵Z箍缩对比实验研究. 实验结果表明，表面绝缘能够影响Z箍缩内爆动力学和辐射特性. 通过简单理论分析，表面绝缘可能会增加初始阶段的能量沉积和参与内爆的质量；表面绝缘对于抑制平面丝阵多峰现象有明显作用，然而在所进行的实验中，并未观察到对X射线产额的改善作用.
在“强光一号”装置（1.3 MA，100 ns）上进行了镀2 μm聚酰亚胺绝缘膜平面铝丝阵与普通铝丝阵Z箍缩对比实验研究. 实验结果表明，表面绝缘能够影响Z箍缩内爆动力学和辐射特性. 通过简单理论分析，表面绝缘可能会增加初始阶段的能量沉积和参与内爆的质量；表面绝缘对于抑制平面丝阵多峰现象有明显作用，然而在所进行的实验中，并未观察到对X射线产额的改善作用.
2014, 63(5): 056101.
doi: 10.7498/aps.63.056101
摘要:
本文采用分子动力学方法研究了公度、无公度情况下含空位、Stone-Thrower-Wales（STW）型缺陷的单壁碳纳米管（SWCNT）在石墨基底上的摩擦与运动行为. 结果表明，公度时缺陷的存在导致了界面局部无公度，减小了摩擦. 随着碳纳米管底部STW缺陷的增多，碳纳米管变形增大，侧向力波动的幅值减小，局部无公度性增强，摩擦减小. 含空位缺陷的碳纳米管所受的摩擦力明显大于含STW 缺陷的碳纳米管，原因在于含空位缺陷的碳纳米管在运动的后期出现了明显的翻转现象，增大了能量耗散. 无公度时，碳纳米管与石墨基底间的摩擦力很小，缺陷对其摩擦力影响不大，原因在于无论是否含有缺陷，碳纳米管与石墨组成的界面的无公度性差别不大.
本文采用分子动力学方法研究了公度、无公度情况下含空位、Stone-Thrower-Wales（STW）型缺陷的单壁碳纳米管（SWCNT）在石墨基底上的摩擦与运动行为. 结果表明，公度时缺陷的存在导致了界面局部无公度，减小了摩擦. 随着碳纳米管底部STW缺陷的增多，碳纳米管变形增大，侧向力波动的幅值减小，局部无公度性增强，摩擦减小. 含空位缺陷的碳纳米管所受的摩擦力明显大于含STW 缺陷的碳纳米管，原因在于含空位缺陷的碳纳米管在运动的后期出现了明显的翻转现象，增大了能量耗散. 无公度时，碳纳米管与石墨基底间的摩擦力很小，缺陷对其摩擦力影响不大，原因在于无论是否含有缺陷，碳纳米管与石墨组成的界面的无公度性差别不大.
2014, 63(5): 056102.
doi: 10.7498/aps.63.056102
摘要:
对某国产0.5 μm CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）N阱工艺CMOS有源像素传感器的电离总剂量效应进行了研究，通过60Co-γ 射线辐照试验，着重分析了对辐射最敏感的暗信号和暗信号非均匀性随总剂量退化的物理机理. 实验发现，随着辐照剂量的增加，暗信号和暗信号非均匀性显著退化，并且静态偏置条件下器件的辐射损伤最大. 暗信号退化的主要原因是光电二极管pn结和复位晶体管源端N+ /Psub结表面边界周围的SiO2产生了大量的界面态；暗信号非均匀性显著退化是由于光电二极管的暗信号增大引起. 上述工作可为深入研究CMOS有源像素传感器的抗辐射加固及其辐射损伤评估提供参考.
对某国产0.5 μm CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）N阱工艺CMOS有源像素传感器的电离总剂量效应进行了研究，通过60Co-γ 射线辐照试验，着重分析了对辐射最敏感的暗信号和暗信号非均匀性随总剂量退化的物理机理. 实验发现，随着辐照剂量的增加，暗信号和暗信号非均匀性显著退化，并且静态偏置条件下器件的辐射损伤最大. 暗信号退化的主要原因是光电二极管pn结和复位晶体管源端N+ /Psub结表面边界周围的SiO2产生了大量的界面态；暗信号非均匀性显著退化是由于光电二极管的暗信号增大引起. 上述工作可为深入研究CMOS有源像素传感器的抗辐射加固及其辐射损伤评估提供参考.
2014, 63(5): 056801.
doi: 10.7498/aps.63.056801
摘要:
金属有机化学气相沉积（MOCVD）法生长的掺硼氧化锌（BZO）薄膜，具有天然的类金字塔绒面结构，作为硅基薄膜太阳电池的前电极具有良好的陷光效果. 但直接获得的BZO薄膜表面形貌过于尖锐，影响后续硅基薄膜材料生长质量及太阳电池的光电转换效率. 本文设计了以一层超薄In2O3：Sn（ITO）薄膜（～ 4 nm厚度）作为中间层的多层膜，并通过对顶层BZO薄膜的厚度调制，改善BZO 薄膜的表面特性，薄膜结构为：glass/底层BZO/ITO/顶层BZO. 合适厚度的顶层BZO薄膜有助于获得类似菜花状形貌特征，尖锐的表面趋于柔和，而较厚的顶层BZO薄膜仍然保持类金字塔状结构. 柔和的BZO薄膜表面结构有助于提高后续生长薄膜电池的结晶质量. 将获得的新型三明治结构多层膜应用于p-i-n型氢化微晶硅（c-Si：H）薄膜太阳电池，相比传统的BZO薄膜，电池的量子效率QE在500800 nm 波长范围提高了～ 10%，并且电池的Jsc和Voc均有所提高.
金属有机化学气相沉积（MOCVD）法生长的掺硼氧化锌（BZO）薄膜，具有天然的类金字塔绒面结构，作为硅基薄膜太阳电池的前电极具有良好的陷光效果. 但直接获得的BZO薄膜表面形貌过于尖锐，影响后续硅基薄膜材料生长质量及太阳电池的光电转换效率. 本文设计了以一层超薄In2O3：Sn（ITO）薄膜（～ 4 nm厚度）作为中间层的多层膜，并通过对顶层BZO薄膜的厚度调制，改善BZO 薄膜的表面特性，薄膜结构为：glass/底层BZO/ITO/顶层BZO. 合适厚度的顶层BZO薄膜有助于获得类似菜花状形貌特征，尖锐的表面趋于柔和，而较厚的顶层BZO薄膜仍然保持类金字塔状结构. 柔和的BZO薄膜表面结构有助于提高后续生长薄膜电池的结晶质量. 将获得的新型三明治结构多层膜应用于p-i-n型氢化微晶硅（c-Si：H）薄膜太阳电池，相比传统的BZO薄膜，电池的量子效率QE在500800 nm 波长范围提高了～ 10%，并且电池的Jsc和Voc均有所提高.
2014, 63(5): 056802.
doi: 10.7498/aps.63.056802
摘要:
基于Landau-Khalatnikov运动方程，本文研究了含有表面过渡层和铁电界面耦合的反转动力学行为（包括平均极化、反转时间、反转电流和矫顽场）. 研究结果表明：在铁电双层膜系统中存在一个竞争的机理，即表面过渡层与界面耦合的竞争作用. 我们发现在双层膜反转过程中出现了反常行为，这些反常行为归因于表面过渡层与界面耦合之间的竞争. 表面过渡层与界面耦合的共同行为对铁电双层膜的动力学特性起到了决定性的作用.
基于Landau-Khalatnikov运动方程，本文研究了含有表面过渡层和铁电界面耦合的反转动力学行为（包括平均极化、反转时间、反转电流和矫顽场）. 研究结果表明：在铁电双层膜系统中存在一个竞争的机理，即表面过渡层与界面耦合的竞争作用. 我们发现在双层膜反转过程中出现了反常行为，这些反常行为归因于表面过渡层与界面耦合之间的竞争. 表面过渡层与界面耦合的共同行为对铁电双层膜的动力学特性起到了决定性的作用.
2014, 63(5): 057101.
doi: 10.7498/aps.63.057101
摘要:
目前，虽然Zn1-xTMxO1-yNy（TM=Al，Ga，In）p 型掺杂的理论计算研究已有报道，但是，掺杂均是随机的，没有考虑ZnO的非对称性进行择优位向掺杂. 因此，本研究采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法，构建TM：N=1：2比例择优位向共掺，共设六种不同的Zn1-xTMxO1-yNy（TM=Al，Ga，In. x=0.03125，y=0.0625）超胞模型，并分别进行几何结构优化、态密度分布和能带结构分布的计算. 结果表明，重掺杂条件下，择优位向共掺后，同类择优位向共掺的体系中，TM-N 沿c轴方向成键体系的电导率大于垂直于c轴方向成键体系的电导率. 不同类TM-N沿c轴方向成键共掺的体系中，In-N沿c轴方向成键共掺时ZnO的电导率最强，电离能最小，Bohr半径最大，In-N沿c轴方向成键共掺对ZnO p型导电更有利. 因此，TM：N=1：2比例择优位向共掺，对设计和制备导电性能更强的ZnO功能材料具有一定的理论指导作用.
目前，虽然Zn1-xTMxO1-yNy（TM=Al，Ga，In）p 型掺杂的理论计算研究已有报道，但是，掺杂均是随机的，没有考虑ZnO的非对称性进行择优位向掺杂. 因此，本研究采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法，构建TM：N=1：2比例择优位向共掺，共设六种不同的Zn1-xTMxO1-yNy（TM=Al，Ga，In. x=0.03125，y=0.0625）超胞模型，并分别进行几何结构优化、态密度分布和能带结构分布的计算. 结果表明，重掺杂条件下，择优位向共掺后，同类择优位向共掺的体系中，TM-N 沿c轴方向成键体系的电导率大于垂直于c轴方向成键体系的电导率. 不同类TM-N沿c轴方向成键共掺的体系中，In-N沿c轴方向成键共掺时ZnO的电导率最强，电离能最小，Bohr半径最大，In-N沿c轴方向成键共掺对ZnO p型导电更有利. 因此，TM：N=1：2比例择优位向共掺，对设计和制备导电性能更强的ZnO功能材料具有一定的理论指导作用.
2014, 63(5): 057102.
doi: 10.7498/aps.63.057102
摘要:
采用密度泛函理论的平面波超软赝势计算方法，对不同W掺杂浓度下β-Ga2O3的导电性能进行研究. 计算了β-Ga2（1-x）W2xO3（x=0，0.0625，0.125）的优化参数、总态密度和能带结构. 结果表明，W掺入β-Ga2O3使Ga2（1-x）W2xO3材料的体积增大，总能量升高，稳定性降低. 当W的掺杂量较小时，其电子迁移率较大，导电性能也很强. 当增加W的掺杂量，Ga2（1-x）W2xO3材料的平均电子有效质量就略有增大，能隙变得越窄，这与实验的变化趋势相一致.
采用密度泛函理论的平面波超软赝势计算方法，对不同W掺杂浓度下β-Ga2O3的导电性能进行研究. 计算了β-Ga2（1-x）W2xO3（x=0，0.0625，0.125）的优化参数、总态密度和能带结构. 结果表明，W掺入β-Ga2O3使Ga2（1-x）W2xO3材料的体积增大，总能量升高，稳定性降低. 当W的掺杂量较小时，其电子迁移率较大，导电性能也很强. 当增加W的掺杂量，Ga2（1-x）W2xO3材料的平均电子有效质量就略有增大，能隙变得越窄，这与实验的变化趋势相一致.
2014, 63(5): 057103.
doi: 10.7498/aps.63.057103
摘要:
目前，Pr掺杂对锐钛矿TiO2带隙和吸收光谱研究结果存在相反的结论，红移和蓝移两种实验结果都有文献报道. 为解决这个矛盾，本文基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法，对纯的和不同浓度Pr高掺杂锐钛矿TiO2的电子结构和吸收光谱进行了计算. 计算结果表明，与纯锐钛矿TiO2相比较，Pr掺杂后，掺杂量越增加，掺杂体系各原子电荷量越减小，掺杂体系总能量越高，形成能越大，稳定性越下降，带隙越窄，吸收光谱红移现象越显著，吸收强度越强. 计算结果与实验结果相一致.
目前，Pr掺杂对锐钛矿TiO2带隙和吸收光谱研究结果存在相反的结论，红移和蓝移两种实验结果都有文献报道. 为解决这个矛盾，本文基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法，对纯的和不同浓度Pr高掺杂锐钛矿TiO2的电子结构和吸收光谱进行了计算. 计算结果表明，与纯锐钛矿TiO2相比较，Pr掺杂后，掺杂量越增加，掺杂体系各原子电荷量越减小，掺杂体系总能量越高，形成能越大，稳定性越下降，带隙越窄，吸收光谱红移现象越显著，吸收强度越强. 计算结果与实验结果相一致.
2014, 63(5): 057201.
doi: 10.7498/aps.63.057201
摘要:
热电材料是一类能够实现热与电相互转换的功能材料，在制冷和发电领域极具应用潜力. 本文采用金属Sb元素非等电子替换Cu3Ga5Te9化学式中的Cu和Te，观察到材料Seebeck系数和电导率提升的现象. 这些电学性能的改善与载流子浓度和有效质量的增大及迁移率基本维持不变有关. 载流子浓度的提高是由于Sb原子占位在Te晶格位置后费米能级进入到价带所产生的空穴掺杂效应所致，同时也与Cu含量减少后铜空位（V-1Cu）浓度增大相关联. 另外，非等电子替换后，阴离子（Te2-）移位导致了晶格结构缺陷参数u和η的改变，其改变量Δu和Δη与材料晶格热导率（κL）的变化密切相关. 在766 K时，适量的Sb替换量使材料的最大热电优值（ZT）达到0.6，比Cu3Ga5Te9提高了近25%. 因此，通过选择替换元素、被替换元素及替换量有效地调控了材料的电学及热学性能，在黄铜矿结构半导体中实现了非等电子元素替换改善热电性能的思想.
热电材料是一类能够实现热与电相互转换的功能材料，在制冷和发电领域极具应用潜力. 本文采用金属Sb元素非等电子替换Cu3Ga5Te9化学式中的Cu和Te，观察到材料Seebeck系数和电导率提升的现象. 这些电学性能的改善与载流子浓度和有效质量的增大及迁移率基本维持不变有关. 载流子浓度的提高是由于Sb原子占位在Te晶格位置后费米能级进入到价带所产生的空穴掺杂效应所致，同时也与Cu含量减少后铜空位（V-1Cu）浓度增大相关联. 另外，非等电子替换后，阴离子（Te2-）移位导致了晶格结构缺陷参数u和η的改变，其改变量Δu和Δη与材料晶格热导率（κL）的变化密切相关. 在766 K时，适量的Sb替换量使材料的最大热电优值（ZT）达到0.6，比Cu3Ga5Te9提高了近25%. 因此，通过选择替换元素、被替换元素及替换量有效地调控了材料的电学及热学性能，在黄铜矿结构半导体中实现了非等电子元素替换改善热电性能的思想.
2014, 63(5): 057301.
doi: 10.7498/aps.63.057301
摘要:
本文在有效质量近似下，通过自洽地求解薛定鄂方程及泊松方程计算了在温度T=273 K，磁感应强度B=25 T，Si均匀掺杂的GaAs/AlGaAs量子阱系统的电子态结构. 研究了温度与外磁场对子带能量，本征包络函数，自洽势，电子密度分布，及费米能量的影响. 发现在给定磁感应强度B≠0下，随温度升高子带能量单调增加，费米能量单调递减，自洽势的势阱变深变陡，电子密度分布变宽，峰值降低；在给定温度下，随磁感应强度的增加子带能量及费米能量单调递增，自洽势阱变浅变宽，电子密度分布变窄，峰值升高.
本文在有效质量近似下，通过自洽地求解薛定鄂方程及泊松方程计算了在温度T=273 K，磁感应强度B=25 T，Si均匀掺杂的GaAs/AlGaAs量子阱系统的电子态结构. 研究了温度与外磁场对子带能量，本征包络函数，自洽势，电子密度分布，及费米能量的影响. 发现在给定磁感应强度B≠0下，随温度升高子带能量单调增加，费米能量单调递减，自洽势的势阱变深变陡，电子密度分布变宽，峰值降低；在给定温度下，随磁感应强度的增加子带能量及费米能量单调递增，自洽势阱变浅变宽，电子密度分布变窄，峰值升高.
2014, 63(5): 057302.
doi: 10.7498/aps.63.057302
摘要:
为了优化AlGaN/GaN HEMTs器件表面电场，提高击穿电压，本文首次提出了一种新型阶梯AlGaN/GaN HEMTs结构. 新结构利用AlGaN/GaN异质结形成的2DEG浓度随外延AlGaN层厚度降低而减小的规律，通过减薄靠近栅边缘外延的AlGaN层，使沟道2DEG浓度分区，形成栅边缘低浓度2DEG区，低的2DEG使阶梯AlGaN交界出现新的电场峰，新电场峰的出现有效降低了栅边缘的高峰电场，优化了AlGaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布，使器件击穿电压从传统结构的446 V，提高到新结构的640 V. 为了获得与实际测试结果一致的击穿曲线，本文在GaN缓冲层中设定了一定浓度的受主型缺陷，通过仿真分析验证了国际上外延GaN缓冲层时掺入受主型离子的原因，并通过仿真分析获得了与实际测试结果一致的击穿曲线.
为了优化AlGaN/GaN HEMTs器件表面电场，提高击穿电压，本文首次提出了一种新型阶梯AlGaN/GaN HEMTs结构. 新结构利用AlGaN/GaN异质结形成的2DEG浓度随外延AlGaN层厚度降低而减小的规律，通过减薄靠近栅边缘外延的AlGaN层，使沟道2DEG浓度分区，形成栅边缘低浓度2DEG区，低的2DEG使阶梯AlGaN交界出现新的电场峰，新电场峰的出现有效降低了栅边缘的高峰电场，优化了AlGaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布，使器件击穿电压从传统结构的446 V，提高到新结构的640 V. 为了获得与实际测试结果一致的击穿曲线，本文在GaN缓冲层中设定了一定浓度的受主型缺陷，通过仿真分析验证了国际上外延GaN缓冲层时掺入受主型离子的原因，并通过仿真分析获得了与实际测试结果一致的击穿曲线.
2014, 63(5): 057401.
doi: 10.7498/aps.63.057401
摘要:
模拟了淤泥地基加固工况对应的几种典型荷载效应，并利用核磁共振测试寻求典型荷载水平和速率下，淤泥孔隙及其孔径分布的变化规律，以探讨淤泥地基典型加固条件下微细观结构的三维响应. 结果表明：在一定压力作用下，淤泥中最大孔隙数将会减少，应力水平越高，减少量越大，而当冲击荷载达到更高的某一水平时，淤泥中最大孔隙和最小孔隙所占比例均会减小，孔隙更趋于均匀；约束样品的侧限刚度将会增加淤泥土的总受力水平，进而更易减小大孔隙所占比例；当荷载水平≤ 680 kPa时，加载速率是决定相对最大孔隙占总孔隙数比例的关键因素，速率较小会使得该比例增大，速率较大则使得该比例减小，其界限值在 >0.8 MPa/s 与≤ 1.6 MPa/s之间；一定的冲击荷载和速率水平下，随着作用次数即总能量的提高，淤泥中的相对大孔隙和最大孔隙部分会明显减少，而当间隔时间较短的作用次数再提高时，上述效应会降低；对于有效减少较大孔隙而言，淤泥受冲击的次数存在某个合适的量值.上述规律有助于从内部本质上寻求和掌握各种静动力排水固结法处理淤泥类软基的微观机理，为其科学设计及施工优化提供了进一步的依据.
模拟了淤泥地基加固工况对应的几种典型荷载效应，并利用核磁共振测试寻求典型荷载水平和速率下，淤泥孔隙及其孔径分布的变化规律，以探讨淤泥地基典型加固条件下微细观结构的三维响应. 结果表明：在一定压力作用下，淤泥中最大孔隙数将会减少，应力水平越高，减少量越大，而当冲击荷载达到更高的某一水平时，淤泥中最大孔隙和最小孔隙所占比例均会减小，孔隙更趋于均匀；约束样品的侧限刚度将会增加淤泥土的总受力水平，进而更易减小大孔隙所占比例；当荷载水平≤ 680 kPa时，加载速率是决定相对最大孔隙占总孔隙数比例的关键因素，速率较小会使得该比例增大，速率较大则使得该比例减小，其界限值在 >0.8 MPa/s 与≤ 1.6 MPa/s之间；一定的冲击荷载和速率水平下，随着作用次数即总能量的提高，淤泥中的相对大孔隙和最大孔隙部分会明显减少，而当间隔时间较短的作用次数再提高时，上述效应会降低；对于有效减少较大孔隙而言，淤泥受冲击的次数存在某个合适的量值.上述规律有助于从内部本质上寻求和掌握各种静动力排水固结法处理淤泥类软基的微观机理，为其科学设计及施工优化提供了进一步的依据.
2014, 63(5): 057501.
doi: 10.7498/aps.63.057501
摘要:
提出了一种以Fe3O4纳米颗粒和聚二甲基硅氧烷（PDMS）组成的复合材料为介质的平行板磁电容结构，并对其产生的磁电容效应的特点以及影响磁电容效应的因素进行了研究. 对不同粒径的Fe3O4纳米颗粒按不同比例与PDMS混合形成的复合材料进行了测试. 研究表明，与无磁场情况相比，在外磁场作用下，Fe3O4纳米颗粒/PDMS复合材料的电容值和介电损耗均发生了改变，产生了磁电容效应. 由该复合材料磁电容效应所产生的电容变化量随着纳米颗粒混合浓度的增大而增大，并且当纳米颗粒粒径尺寸大于常温超顺磁临界尺寸时，材料的电容变化量随着颗粒尺寸的减小而增大.
提出了一种以Fe3O4纳米颗粒和聚二甲基硅氧烷（PDMS）组成的复合材料为介质的平行板磁电容结构，并对其产生的磁电容效应的特点以及影响磁电容效应的因素进行了研究. 对不同粒径的Fe3O4纳米颗粒按不同比例与PDMS混合形成的复合材料进行了测试. 研究表明，与无磁场情况相比，在外磁场作用下，Fe3O4纳米颗粒/PDMS复合材料的电容值和介电损耗均发生了改变，产生了磁电容效应. 由该复合材料磁电容效应所产生的电容变化量随着纳米颗粒混合浓度的增大而增大，并且当纳米颗粒粒径尺寸大于常温超顺磁临界尺寸时，材料的电容变化量随着颗粒尺寸的减小而增大.
2014, 63(5): 057801.
doi: 10.7498/aps.63.057801
摘要:
利用飞秒脉冲激光对单晶硅进行辐照，研究了在不同环境（纯水和空气）和能量密度条件下激光刻蚀过后硅片的光致荧光特性. 对于辐照后的硅片，利用了场发射扫描电子显微镜（FESEM）、能谱仪（EDS）、傅里叶红外光谱仪（FT-IR）、 光致荧光光谱仪（PL）进行表征. 结果显示：在空气中样品表面形成了条纹状微结构，纯水中硅片表面生成了尺寸更小的珊瑚状微结构；激光刻蚀后在硅片表面的生成物主要是SiOx（x-1）和Si–O–Si键（1105 cm-1）的振动；在空气和纯水中激发出的荧光均为蓝光（420–470 nm），在各自最佳激发波长下，纯水中荧光强度比空气中强2到3倍，但是在可见光范围内荧光峰的位置和形状都基本没有发生变化. 研究表明：氧元素在光致发光增强上起着重要作用，光致发光最主要是由形成的氧缺陷SiOx（xx的多少决定了发光的强弱.
利用飞秒脉冲激光对单晶硅进行辐照，研究了在不同环境（纯水和空气）和能量密度条件下激光刻蚀过后硅片的光致荧光特性. 对于辐照后的硅片，利用了场发射扫描电子显微镜（FESEM）、能谱仪（EDS）、傅里叶红外光谱仪（FT-IR）、 光致荧光光谱仪（PL）进行表征. 结果显示：在空气中样品表面形成了条纹状微结构，纯水中硅片表面生成了尺寸更小的珊瑚状微结构；激光刻蚀后在硅片表面的生成物主要是SiOx（x-1）和Si–O–Si键（1105 cm-1）的振动；在空气和纯水中激发出的荧光均为蓝光（420–470 nm），在各自最佳激发波长下，纯水中荧光强度比空气中强2到3倍，但是在可见光范围内荧光峰的位置和形状都基本没有发生变化. 研究表明：氧元素在光致发光增强上起着重要作用，光致发光最主要是由形成的氧缺陷SiOx（xx的多少决定了发光的强弱.
2014, 63(5): 057802.
doi: 10.7498/aps.63.057802
摘要:
本文将三种金属纳米颗粒（球形银纳米颗粒、三角形银纳米薄片和三角形金纳米薄片）分别置于Eu（TTFA）3掺杂的Su8薄膜上研究了它们对铕配合物薄膜发光的影响. 结果显示，金属纳米颗粒的局域等离子体共振（LSPR）谱对薄膜发光有很好的调控作用. 对于LSPR谱分别与铕配合物激发谱和辐射谱重叠较好的球形和三角形两种银颗粒，相比于未放置颗粒时薄膜的发光，放置有颗粒的发光有明显的增强，其中球形银颗粒的样品的发光增强效果更为明显. 而对于LSPR谱与铕配合物激发谱和辐射谱都不重叠的三角形片状金颗粒，该颗粒对样品的发光则起到了猝灭作用.
本文将三种金属纳米颗粒（球形银纳米颗粒、三角形银纳米薄片和三角形金纳米薄片）分别置于Eu（TTFA）3掺杂的Su8薄膜上研究了它们对铕配合物薄膜发光的影响. 结果显示，金属纳米颗粒的局域等离子体共振（LSPR）谱对薄膜发光有很好的调控作用. 对于LSPR谱分别与铕配合物激发谱和辐射谱重叠较好的球形和三角形两种银颗粒，相比于未放置颗粒时薄膜的发光，放置有颗粒的发光有明显的增强，其中球形银颗粒的样品的发光增强效果更为明显. 而对于LSPR谱与铕配合物激发谱和辐射谱都不重叠的三角形片状金颗粒，该颗粒对样品的发光则起到了猝灭作用.
2014, 63(5): 057803.
doi: 10.7498/aps.63.057803
摘要:
研究了光子晶体表面石墨烯在应力赝磁场作用下的太赫兹（THz）吸收. 由于应力赝磁场的存在使得石墨烯中电子出现朗道能级并对THz波呈现出一个较强的吸收. 而光子晶体和石墨烯形成了表面微腔结构使得石墨烯对THz波的吸收比无光子晶体时增强了将近四倍. 且可以通过改变应力赝磁场和间隔层厚度来调控石墨烯的THz吸收.
研究了光子晶体表面石墨烯在应力赝磁场作用下的太赫兹（THz）吸收. 由于应力赝磁场的存在使得石墨烯中电子出现朗道能级并对THz波呈现出一个较强的吸收. 而光子晶体和石墨烯形成了表面微腔结构使得石墨烯对THz波的吸收比无光子晶体时增强了将近四倍. 且可以通过改变应力赝磁场和间隔层厚度来调控石墨烯的THz吸收.
2014, 63(5): 057901.
doi: 10.7498/aps.63.057901
摘要:
太赫兹波辐射源是太赫兹（THz）波技术的关键. 真空电子太赫兹器件在高频、大功率太赫兹源发展中较其他技术有明显的优势，微米尺度高电流密度微型电子束源则是研制真空电子太赫兹器件的核心之一. 本文在研制低温、大电流纳米粒子氧化钪掺杂含钪扩散阴极（nanosized-scandia doped dispenser cathode）的基础上，采用发射抑制膜沉积与聚焦离子束（FIB）刻蚀技术，研制无需压缩直接提供高电流密度的微型电子束的电子源. 所研究的电子束源直径 400 μm，在工作温度950 ℃，提供空间电荷限制电流密度50 A/cm2 时，已稳定工作1000 h以上，并且层流性良好. 本文阐述了阴极制备工艺、电子发射特性、微米尺度电子束源的获得和特性，介绍了发射抑制膜的结构和抑制特性的评估. 并探讨了镀膜和刻蚀对发射的影响机理. 这一电子束源在常规毫米尺度电子源的基础上产生微米尺度的微区高电流密度的电子束，为真空电子太赫兹辐射源的研制提供了新的途径.
太赫兹波辐射源是太赫兹（THz）波技术的关键. 真空电子太赫兹器件在高频、大功率太赫兹源发展中较其他技术有明显的优势，微米尺度高电流密度微型电子束源则是研制真空电子太赫兹器件的核心之一. 本文在研制低温、大电流纳米粒子氧化钪掺杂含钪扩散阴极（nanosized-scandia doped dispenser cathode）的基础上，采用发射抑制膜沉积与聚焦离子束（FIB）刻蚀技术，研制无需压缩直接提供高电流密度的微型电子束的电子源. 所研究的电子束源直径 400 μm，在工作温度950 ℃，提供空间电荷限制电流密度50 A/cm2 时，已稳定工作1000 h以上，并且层流性良好. 本文阐述了阴极制备工艺、电子发射特性、微米尺度电子束源的获得和特性，介绍了发射抑制膜的结构和抑制特性的评估. 并探讨了镀膜和刻蚀对发射的影响机理. 这一电子束源在常规毫米尺度电子源的基础上产生微米尺度的微区高电流密度的电子束，为真空电子太赫兹辐射源的研制提供了新的途径.
2014, 63(5): 058101.
doi: 10.7498/aps.63.058101
摘要:
本文选取了三种不同断裂韧度值的金属玻璃Zr41.25Ti13.75Ni10Cu12.5Be22.5，Ce68Al10Cu20Co2和Fe41Co7Cr15Mo14Y2C15B6，通过压缩实验测量了它们的应力-应变关系；样品断裂以后观察了其断口形貌，发现这三种金属玻璃具有不同的断裂模式. 经过对这三种金属玻璃做缺口三点弯曲实验，利用数字散斑技术研究了缺口前端应变集中方向弹性应变场的演化过程. 根据金属玻璃的屈服准则，阐述了不同断裂韧度值的金属玻璃的断裂机理.
本文选取了三种不同断裂韧度值的金属玻璃Zr41.25Ti13.75Ni10Cu12.5Be22.5，Ce68Al10Cu20Co2和Fe41Co7Cr15Mo14Y2C15B6，通过压缩实验测量了它们的应力-应变关系；样品断裂以后观察了其断口形貌，发现这三种金属玻璃具有不同的断裂模式. 经过对这三种金属玻璃做缺口三点弯曲实验，利用数字散斑技术研究了缺口前端应变集中方向弹性应变场的演化过程. 根据金属玻璃的屈服准则，阐述了不同断裂韧度值的金属玻璃的断裂机理.
2014, 63(5): 058401.
doi: 10.7498/aps.63.058401
摘要:
为了更好地改善单通道多分量调频体制雷达引信信号的时频分布，以便于完成参数估计和信号分离，将自适应chirplet分解法引入到单通道雷达引信信号的分离问题当中，并加入时频曲线弯曲度因子，提出一种改进的自适应chirplet分解法，使其能够被用于非线性相位信号的分解，利用快速算法和优化算法，优化了运算过程，可准确且快速地求解出各参数，得到无交叉项的多分量信号时频分布，使复杂混合情况下的多分量信号也能够被较好地分离. 通过仿真，利用该方法对多种情况下混合信号的时频分布进行了很好的改进，而后分解出了各分量信号，并通过分析计算出了相应的混合系数，仿真结果说明了该方法的有效性，且具有一定的抗噪声性能.
为了更好地改善单通道多分量调频体制雷达引信信号的时频分布，以便于完成参数估计和信号分离，将自适应chirplet分解法引入到单通道雷达引信信号的分离问题当中，并加入时频曲线弯曲度因子，提出一种改进的自适应chirplet分解法，使其能够被用于非线性相位信号的分解，利用快速算法和优化算法，优化了运算过程，可准确且快速地求解出各参数，得到无交叉项的多分量信号时频分布，使复杂混合情况下的多分量信号也能够被较好地分离. 通过仿真，利用该方法对多种情况下混合信号的时频分布进行了很好的改进，而后分解出了各分量信号，并通过分析计算出了相应的混合系数，仿真结果说明了该方法的有效性，且具有一定的抗噪声性能.
2014, 63(5): 058501.
doi: 10.7498/aps.63.058501
摘要:
条纹变像管因其超高时间分辨特性而成为实现皮秒至飞秒量级时间分辨的重要测量仪器. 本文设计了一种同时兼顾高时空分辨的行波偏转器前置短磁聚焦条纹变像管. 该管型通过减小电子渡越时间以抑制空间电荷效应、采用偏转器前置以及行波偏转方式提高偏转灵敏度，实现整管时空分辨率的大幅提升. 利用CST微波工作室有限元法数值计算条纹变像管行波偏转器的通频带宽、偏转灵敏度，结果表明：本设计中的行波偏转器因其较高的通频带宽特性实现了偏转器上的电磁波相速度在很宽频率范围内与电子轴向群速度匹配，产生更有效偏转. 利用CST粒子工作室模拟追踪光电子的运行轨迹，通过最佳像面上的时间调制传递函数和空间调制传递函数，计算得到其理论时间分辨率可达220 fs，空间分辨率高于100 lp/mm. 同时根据像差定义给出追踪实际电子轨迹的像差计算方法，实现对变像管成像质量评价. 最后利用紫外灯对其进行静态测试，获得静态空间分辨率优于35 lp/mm的结果.
条纹变像管因其超高时间分辨特性而成为实现皮秒至飞秒量级时间分辨的重要测量仪器. 本文设计了一种同时兼顾高时空分辨的行波偏转器前置短磁聚焦条纹变像管. 该管型通过减小电子渡越时间以抑制空间电荷效应、采用偏转器前置以及行波偏转方式提高偏转灵敏度，实现整管时空分辨率的大幅提升. 利用CST微波工作室有限元法数值计算条纹变像管行波偏转器的通频带宽、偏转灵敏度，结果表明：本设计中的行波偏转器因其较高的通频带宽特性实现了偏转器上的电磁波相速度在很宽频率范围内与电子轴向群速度匹配，产生更有效偏转. 利用CST粒子工作室模拟追踪光电子的运行轨迹，通过最佳像面上的时间调制传递函数和空间调制传递函数，计算得到其理论时间分辨率可达220 fs，空间分辨率高于100 lp/mm. 同时根据像差定义给出追踪实际电子轨迹的像差计算方法，实现对变像管成像质量评价. 最后利用紫外灯对其进行静态测试，获得静态空间分辨率优于35 lp/mm的结果.
2014, 63(5): 058702.
doi: 10.7498/aps.63.058702
摘要:
针对多金属伪影的校正问题，本文通过仿真实验分析了多金属伪影的成因，并提出了一种基于投影校正的多金属伪影校正方法. 该方法首先直接从投影域分割出金属区域，然后建立对金属区域投影值的校正模型，最后通过调整模型参数达到校正目的. 模型以重建图像的灰度熵为目标函数，采用单纯形法迭代求解使熵最小时的校正参数. 仿真和实际数据的实验结果表明，本文算法对多金属伪影的校正起到了良好的效果，且校正后的图像质量优于插值校正法.
针对多金属伪影的校正问题，本文通过仿真实验分析了多金属伪影的成因，并提出了一种基于投影校正的多金属伪影校正方法. 该方法首先直接从投影域分割出金属区域，然后建立对金属区域投影值的校正模型，最后通过调整模型参数达到校正目的. 模型以重建图像的灰度熵为目标函数，采用单纯形法迭代求解使熵最小时的校正参数. 仿真和实际数据的实验结果表明，本文算法对多金属伪影的校正起到了良好的效果，且校正后的图像质量优于插值校正法.
2014, 63(5): 058703.
doi: 10.7498/aps.63.058703
摘要:
利用核磁共振图像（MRI）中提取的人体和心脏边界，根据边界元方法（BEM）建立了一个考虑左、右心房和心室的多腔体心脏磁场模型. 分析了用该模型得到的36通道心脏磁场数据和特定时刻的磁场图. 并在此基础上，研究了完全性右束支传导阻滞（CRBBB）和完全性左束支传导阻滞（CLBBB）病人ST-T段的心脏电活动. 结果显示，用移动单电流偶极子模拟的单束支电兴奋传导所产生的磁场图与用超导量子干涉器（SQUID）测量的CRBBB/CLBBB病人数据绘制的心脏复极时的心磁图（MCG）十分相似. 结果表明，该多腔体心脏BEM模型可用于CLBBB/CRBBB病人心脏磁场逆问题的研究. 此外，文中给出了两个评价指标：测量平面上多腔体与单腔体的心脏磁场强度极大值之比，以及两种模型的36个测量点上磁场强度均方根之比. 分析表明，多腔体心脏模型更贴近人体心脏的实际情况. 该模型中心脏组织电导率参数的取值，以及等效电流偶极子的位置和个数决定了磁场的强度和分布.
利用核磁共振图像（MRI）中提取的人体和心脏边界，根据边界元方法（BEM）建立了一个考虑左、右心房和心室的多腔体心脏磁场模型. 分析了用该模型得到的36通道心脏磁场数据和特定时刻的磁场图. 并在此基础上，研究了完全性右束支传导阻滞（CRBBB）和完全性左束支传导阻滞（CLBBB）病人ST-T段的心脏电活动. 结果显示，用移动单电流偶极子模拟的单束支电兴奋传导所产生的磁场图与用超导量子干涉器（SQUID）测量的CRBBB/CLBBB病人数据绘制的心脏复极时的心磁图（MCG）十分相似. 结果表明，该多腔体心脏BEM模型可用于CLBBB/CRBBB病人心脏磁场逆问题的研究. 此外，文中给出了两个评价指标：测量平面上多腔体与单腔体的心脏磁场强度极大值之比，以及两种模型的36个测量点上磁场强度均方根之比. 分析表明，多腔体心脏模型更贴近人体心脏的实际情况. 该模型中心脏组织电导率参数的取值，以及等效电流偶极子的位置和个数决定了磁场的强度和分布.
2014, 63(5): 058701.
doi: 10.7498/aps.63.058701
摘要:
本文主要针对计算机断层成像（computed tomography，CT）不完全投影数据重建中探测器全覆盖稀疏角度重建和探测器部分覆盖截断数据重建问题，综述了其在研究方法上国内外的进展. 在探测器对被检测物体可以完全覆盖的情况下，针对稀疏均匀采样和视角受限采样，探讨了离散模型迭代重建算法和压缩感知采样重建算法. 在探测器对被检测物体不能完全覆盖的情况下，探讨了锥束螺旋BPF重建算法、加型迭代重建算法和锥束FDK改进算法. 论文可以为CT重建领域的研究工作者提供全面的方法梳理和总结，并指出了当前研究的重点和未来研究的方向.
本文主要针对计算机断层成像（computed tomography，CT）不完全投影数据重建中探测器全覆盖稀疏角度重建和探测器部分覆盖截断数据重建问题，综述了其在研究方法上国内外的进展. 在探测器对被检测物体可以完全覆盖的情况下，针对稀疏均匀采样和视角受限采样，探讨了离散模型迭代重建算法和压缩感知采样重建算法. 在探测器对被检测物体不能完全覆盖的情况下，探讨了锥束螺旋BPF重建算法、加型迭代重建算法和锥束FDK改进算法. 论文可以为CT重建领域的研究工作者提供全面的方法梳理和总结，并指出了当前研究的重点和未来研究的方向.
2014, 63(5): 059201.
doi: 10.7498/aps.63.059201
摘要:
从冷暖系统配置的角度，选取东亚夏季风（EASM）和7月亚洲区极涡面积（APVA），分析了二者的气候特征与中国夏季降水分布之间的关系. 在此基础上，将1951–2010年EASM和APVA的异常配置分为四种类型：A：季风强、极涡大；B：季风强、极涡小；C：季风弱、极涡大；D：季风弱、极涡小. 研究发现，二者的异常配置下，中国夏季大尺度旱涝分布在季尺度上表现出多面性特征：A型年，夏季整体偏旱；B型年，夏季南涝北旱；C型年，夏季北涝南旱；D型年，夏季整体偏涝. 由此可见，中国夏季旱涝总体分布除了与EASM有关外还与APVA密切相关，二者异常的不同配置下，夏季降水多寡和旱涝分布表现出了显著的差异和规律性，这对夏季降水总体趋势预测有一定的指示意义. 此外，通过研究不同配置关系对应大气环流异常特征，并分析不同要素在夏季风和极涡关系变化中的作用，发现不同配置类型下夏季降水表现出的差异和规律性直接取决于环流场的整体配置，其中西太副高和中高纬阻塞形势起主导作用.
从冷暖系统配置的角度，选取东亚夏季风（EASM）和7月亚洲区极涡面积（APVA），分析了二者的气候特征与中国夏季降水分布之间的关系. 在此基础上，将1951–2010年EASM和APVA的异常配置分为四种类型：A：季风强、极涡大；B：季风强、极涡小；C：季风弱、极涡大；D：季风弱、极涡小. 研究发现，二者的异常配置下，中国夏季大尺度旱涝分布在季尺度上表现出多面性特征：A型年，夏季整体偏旱；B型年，夏季南涝北旱；C型年，夏季北涝南旱；D型年，夏季整体偏涝. 由此可见，中国夏季旱涝总体分布除了与EASM有关外还与APVA密切相关，二者异常的不同配置下，夏季降水多寡和旱涝分布表现出了显著的差异和规律性，这对夏季降水总体趋势预测有一定的指示意义. 此外，通过研究不同配置关系对应大气环流异常特征，并分析不同要素在夏季风和极涡关系变化中的作用，发现不同配置类型下夏季降水表现出的差异和规律性直接取决于环流场的整体配置，其中西太副高和中高纬阻塞形势起主导作用.
