Vol. 61, No. 8 (2012)
2012年04月20日
总论
2012, 61 (8): 080201.
doi: 10.7498/aps.61.080201
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给出椭圆方程的一组Riemann 函数解, 结合它的一个Backlund变换, 得到这个椭圆方程的无穷序列Riemann 函数解. 最后利用这个椭圆方程作为辅助方程, 借助于符号计算软件 Mathematica, 得到了修正的Korteweg de Vries-正弦Gordon方程的无穷序列Riemann 函数解.
2012, 61 (8): 080202.
doi: 10.7498/aps.61.080202
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讨论了带有扰动非线性源的多孔介质方程的近似泛函分离变量问题. 给出了该类方程容许近似泛函分离变量解的完全分类. 举例阐述了近似泛函分离变量解的求解步骤,获得了分类方程的近似泛函分离变量解.
2012, 61 (8): 080203.
doi: 10.7498/aps.61.080203
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利用边界层函数法基础上发展起来的直接展开法研究了一类奇异摄动最优控制问题. 证明了内部层解的存在性, 并构造了一致有效的渐近解.
2012, 61 (8): 080204.
doi: 10.7498/aps.61.080204
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研究了一类厄尔尼诺/拉尼娜-南方涛动(ENSO)随机扰动模型. 首先, 利用特殊的待定系数方法得到了无扰动ENSO模型下的孤子精确解. 然后利用渐近理论和方法构造了随机扰动ENSO模型的近似解, 并举例说明得到的渐近解具有较好的精度.
2012, 61 (8): 080205.
doi: 10.7498/aps.61.080205
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采用具有离散点插值特性的重构核粒子法形函数, 较精确地重构弹性体 变形的位移试函数, 再与弹性力学的最小势能原理相结合, 形成新的分析弹性力 学平面问题的插值型重构核粒子法. 由于插值型重构核粒子法形函数具有点插值特性和不低于核函数 的高阶光滑性, 因而既克服了多数无网格方法处理本质边界条件的困难, 也保证了较高的数值精度. 与早期的无网格方法相比, 本方法具有精度高、解题规模较小、可直接施加边界条件等优点. 通过对典型弹性力学问题数值模拟, 验证了所提方法的有效性和正确性.
2012, 61 (8): 080301.
doi: 10.7498/aps.61.080301
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αη协议是一种利用量子噪声隐藏信息的随机加密协议. 通过求解高斯噪声信道中窃听者获取信息量的计算公式, 推导了该协议实际安全判据. 结果表明, 协议是否安全主要取决于信源量子态的平均光子数和密文符号数. 基于此, 计算了在光束分离攻击下两者的安全取值区间以及协议的有效通信距离.
2012, 61 (8): 080401.
doi: 10.7498/aps.61.080401
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时空度规是广义相对论的一个基础性概念,是宇宙学和天体物理学建立模型的逻辑基础.将随时序参数变化的空间尺度 因子函数引入相对论四维时空间隔模型,研究空间球对称形式的四维平直时 空度规、Schwarzschild度规、Robertson-Walker (R-W)度规之间的变换条件.基于空间变尺度因子球坐标系的时空间隔, 通过严格的计算,推导出R-W度规中与k=1对应的尺度因子函数解析解,还推导出星球外非真空条件下的四维时空度规. 提出了一种理解现代物理学非平直时空模型的新视角.
2012, 61 (8): 080501.
doi: 10.7498/aps.61.080501
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通过调节双稳系统参数实现大参数频率范围内周期信号的随机共振, 在工程上具有重要意义. 推导了双稳系统参数的归一化变换, 利用归一化变换原理对大参数周期信号的随机共振进行了数值仿真, 阐明该原理适用于任意频率周期信号. 对大参数随机共振用电路模拟进行了实验验证, 揭示了通过调节双稳系统参数可以实现大参数频率范围内的随机共振. 分析了二次采样实现大参数周期信号随机共振的机理, 通过数值仿真与参数归一化变换方法进行了比较. 仿真结果表明, 在输入信号幅度变化的情况下, 二次采样方法易出现发散现象, 而归一化变换具有更好的稳定性与适应性.
2012, 61 (8): 080502.
doi: 10.7498/aps.61.080502
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针对线性谐振子受到具有频率涨落的简谐力激励的情况, 计算出系统响应的一阶矩解析表达式.研究发现系统的输出响应以固有频率振动, 响应振幅随简谐激励力频率的变化出现"真实"随机共振,随固有频率的变化出现抑制和 共振两种现象.
2012, 61 (8): 080503.
doi: 10.7498/aps.61.080503
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基于单电子晶体管与金属氧化物半导体混合结构构造出一种一维离散混沌系统. 研究了单电子晶体管与金属氧化物半导体串联混合结构的电压传输特性,并建立了相应的N型分段线性函数模型. 基于该模型实现了一维离散映射系统,分析了它的一维映射过程、分岔图和Lyapunov指数谱等动力学特性. 最后利用单电子晶体管与金属氧化物半导体混合电路设计出该离散混沌系统的电路结构,仿真验证与理论分析一致. 研究结果表明,利用单电子晶体管与金属氧化物半导体混合结构设计的离散混沌电路不仅结构非常简单,功耗很低, 而且有利于混沌系统的集成和应用.
2012, 61 (8): 080504.
doi: 10.7498/aps.61.080504
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识别非周期神经放电节律是混沌还是随机一直是一个重要的科学问题. 在神经起步点实验中发现了一类介于周期k和周期k+1(k=1,2)节律之间非周期自发放电节律, 其行为是长串的周期k簇和周期k+1簇的交替. 确定性理论模型Chay模型展示出了周期k和周期k+1节律的共存行为. 噪声在共存区诱发出了与实验结果类似的非周期节律, 说明该类节律是噪声引起的两类簇的跃迁. 非线性预报及其回归映射揭示该节律具有确定性机理; 将两类簇分别转换为0和1得到一个二进制序列, 对该序列进行概率分析获得了两类簇跃迁的随机机理. 这不仅说明该节律是具有确定性结构的随机节律而不是混沌, 还为深入识别现实神经系统的混沌和随机节律提供了典型示例和有效方法.
2012, 61 (8): 080505.
doi: 10.7498/aps.61.080505
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研究了脉冲作用下Chen系统的复杂动力学行为. 对脉冲作用下的Chen系统进行了非光滑分岔分析. 该系统可经级联倍周期分岔到达混沌, 也可由周期解经鞍结分岔直接到达混沌. 最后通过Floquet理论揭示了该系统周期解的非光滑分岔机理.
2012, 61 (8): 080506.
doi: 10.7498/aps.61.080506
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混沌现象普遍存在于自然界及人类社会中,因此混沌时间序列预测具有重要意义. 提出了一种新的混沌时间序列预测模型小波回声状态网络,该模型可以有效克服传统回声状态 网络模型中普遍存在的病态矩阵问题,提高了混沌时间序列预测精度.通过对Lorenz、含噪声Lorenz 及间歇式反应釜釜温三个时间序列的预测,将小波回声状态网络与传统回声状态网络进行了比较. 结果表明,小波回声状态网络与传统回声状态网络相比,预测精度提高一倍以上且预测结果更加稳定.
2012, 61 (8): 080507.
doi: 10.7498/aps.61.080507
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针对多变量混沌时间序列预测问题, 提出了一种基于输入变量选择和极端学习机的预测模型. 其基本思想是 对多变量混沌时间序列进行相空间重构后, 采用互信息方法选择与预测输出统计相关最高的重构输入变量, 借助极端学习机的通用逼近能力建立多变量混沌时间序列的预测模型. 为进一步提高预测精度, 采用模型选择算法选择具有最小期望风险的极端学习机预测模型. 基于Lorenz, Rssler多变量混沌时间序列及Rssler超混沌时间序列的仿真结果证明所提方法的有效性.
2012, 61 (8): 080508.
doi: 10.7498/aps.61.080508
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构造了一个三维混沌系统, 简要分析了该混沌系统的平衡点性质、混沌吸引子相图和Lyapunov指数等特性. 在此基础上, 利用反馈同步思想设计了一种利用混沌信号部分信息实现混沌同步的方法, 完成了三维混沌系统的同步. 该方法仅利用混沌信号幅值信息即可实现两个混沌系统的同步, 其同步建立与混沌信号的极性无关, 此特性可有效提高混沌通信质量. 通过分析系统的条件Lyapunov指数证实该方法的有效性, 数值仿真表明该方法与利用混沌信号全部信息的线性反馈同步法相比, 同步建立时间基本相同.
2012, 61 (8): 080509.
doi: 10.7498/aps.61.080509
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建立了以一维谐振子势阱中的单粒子为工质的量子热机模型.当势阱壁宽度和粒子的量子态缓慢改变时, 该热机类似于经典卡诺热机对外做功.假设势阱壁移动速度非常缓慢并且考虑热漏, 推导出量子热机循环的输出功率和效率等重要性能参数的一般表达式.通过优化分析, 获得了热机循环中各主要性能参数的最佳优化值和优化区间.
2012, 61 (8): 080701.
doi: 10.7498/aps.61.080701
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为了在不改变立体图像质量的前提下对立体图像实施版权保护,提出了一种基于超混沌离散系统的立体图像零水印算法. 该算法利用立体图像左右视点小波变换域低频子带视差的稳定性以及离散余弦变换直流系数稳定的特点构造了一种视差零水印. 在水印构造过程中,利用了超混沌离散系统的初始值敏感性、参数密钥空间大和动力学行为复杂等特性映射视差零水印的位置信息,从而增强了水印算法的安全性.此外,还分析了水印安全性与水印容量之间的关系. 实验结果表明,该立体图像视差零水印算法对加噪、滤波、压缩、剪切、图像放大和缩小等各种对称和非对称攻击表现出了较强的鲁棒性.
核物理学
2012, 61 (8): 082901.
doi: 10.7498/aps.61.082901
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近年来,涂硼电离室已逐渐成为核反应堆周围大通量中子/射线混合场监测的辐射探测器之一. 研制了一种高灵敏度涂硼电离室,并给出了其内部结构.用fA级弱电流放大器测得: 当涂硼电离室的工作电压在700 V以下时,漏电流小于1.0 pA; 用Am-Be中子源辐照时测得涂硼电离室的电流曲线坪长为500 V, 坪斜为3.7210-4 V-1;当涂硼电离室的工作电压为400 V时, 对应漏电流为0.4 pA.测试表明涂硼电离室中子信号电流与辐照源的相对位置有关, 将Am-Be中子源置于距石蜡慢化体底部8 cm时,测得中子信号电流最大值为2.0 pA. 用137Cs和90Sr辐照时测得涂硼电离室射线信号电流为 1.02.0 pA,但在射线场中坪特性不如中子场中坪特性明显. 电离室中子探测灵敏度达1.010-15 Acm2s量级,射线探测灵敏度达9.0 10-22 Acm2seV-1量级. 这种涂硼电离室漏电流小、灵敏度高、坪特性好,可用于反应堆周围的中子/射线混合场测量.
原子和分子物理学
2012, 61 (8): 083201.
doi: 10.7498/aps.61.083201
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利用数值模拟程序模拟了不同高度核爆炸下大气的X射线电离及演化过程.结果表明: X射线电离产生的电子数密度在射线到达后约100 ns时刻达到峰值, 峰值数密度随着到裸核区距离的增加而减小;电子具有较长的寿命, 电子寿命随着到裸核区距离的增加而增大; X射线电离空气产生正离子O+, O2+, N2+,爆高为120 km情况下 O+的峰值数密度与O2+的相近,能维持约1 s. X射线对空气的电离影响范围在数十千米以内,在距裸核区较近的区域, 爆高为80 km时产生的电子峰值数密度比爆高为120 km时的电子峰值数密度高, 在距裸核区较远的区域则相反.
2012, 61 (8): 083601.
doi: 10.7498/aps.61.083601
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采用密度泛函方法,研究了MnxSny(x=2,3,4; y=18,24,30)团簇的几何结构. 发现MnxSn6x+6(x=2,3,4)倾向于形成 Mn 原子内掺入D3d Sn团簇单笼结构,即Mn2Sn18, Mn3Sn24 和Mn4Sn30.而MnxSn6x+12(x=2,3)则倾向于形成由两个小笼连接 而成的双笼结构,即MnSn12-MnSn12 和MnSn12-Mn2Sn18.因此,可望通过控制掺杂Mn 原子的数量来组装成不同结构的MnxSny一维纳米线.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2012, 61 (8): 084101.
doi: 10.7498/aps.61.084101
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为解决电磁逆散射问题,提出了一种实时逆散射方法,该方法利用支持向量机(SVM)将逆散射问题转化为一个回归估计问题. 基于SVM的电磁逆散射方法成功地解决了逆散射问题中的非线性和不适定性.利用穿墙问题测试了该方法的可行性和有效性, 测试结果表明,不论是无噪声还是有噪声的情况,该方法都能很好地对墙后目标进行探测与定位.此外, 在穿墙环境下用SVM预测模型讨论了接收天线的采样位置数对预测结果的影响.最后对多源设置下的预测误差进行了分析和研究, 研究表明,相比于单源情况多源设置有利于对墙后目标的识别.
2012, 61 (8): 084102.
doi: 10.7498/aps.61.084102
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以连通长杆加树枝结构为基本单元模型,制备出折射率为零的超材料,并研究其电磁特性.首先考察了连通长杆加单级树枝的情况, 调节结构单元的几何参数可使其在频率f =9.5 GHz处实现有效介电常数和有效磁导率同时从负值趋于零点, 从而得到折射率n=0.同时也研究了单级树枝长度及夹角对零折射率超材料电磁参量的影响. 最后考察了树枝结构为二级和三级的情况,发现通过调节各单元的结构参数,均能得到在同一频率点处介电常数和 磁导率同时为零的零折射率超材料.
2012, 61 (8): 084103.
doi: 10.7498/aps.61.084103
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提出了一种双面环各向同性结构单元模型, 理论与实验研究了其微波电磁谐振行为. 结果表明: 在电磁波平行入射和垂直入射条件下, 该结构可在同一频段实现磁谐振, 且在谐振频段磁导率为负; 当电磁波以不同角度斜入射时, 其产生负磁导率频段也保持不变, 即该结构的电磁特性不依赖于入射角度, 双面环结构具有各向同性的特点. 将双面环结构与金属线结构组合, 该组合结构具有负折射率. 另外,双面环结构还具有小型化的优点, 在不增加结构单元几何尺寸的情况下, 通过在结构单元中引入金属化过孔的方法, 增加结构单元的电长度, 可使谐振频率大幅度地向低频方向移动, 使其在低频工作时 仍保持小型化的优点. 在双面环结构中引入金属化过孔技术可使谐振单元的几何尺寸减小50%, 在微波器件、滤波器、天线等领域有广阔的应用前景.
2012, 61 (8): 084201.
doi: 10.7498/aps.61.084201
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由于雾滴的非球形、多重散射特性以及几何光学效应,光通过实际雾场的散射问题成为一个研究难点. 建立了近于实际的椭球雾滴模型,考虑光的衍射、透射及反射特性后,利用辐射传播方程得到了在不同的雾滴大小分布 及不同的雾滴形状分布下通过雾场的多重散射光强公式.在两种特例下与已有的结果较为相符,说明了方法的可靠性. 计算表明:与随机取向的非球形颗粒场的散射谱呈圆形特征不同,通过椭球形雾滴场的散射谱呈椭圆特征, 不同方位角的散射光强角分布有所差异,雾滴的形状因子越接近于1,差异越小;与单散射不同, 散射谱中的条纹随光学厚度增大逐步消失;对于不同大小分布及不同形状分布的雾滴场, 在不同方位角及不同观察角的散射光强随光学厚度的增加总是先增大再减小,光强的极大值位置在 = 1.03.0 范围内.计算同时还表明,由于多数情况下实际雾场的雾滴大小偏差较大, 因而通过雾场的散射谱将呈现以中央亮斑为中心向四周弥散的图样.
2012, 61 (8): 084202.
doi: 10.7498/aps.61.084202
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在全息光栅制作过程中, 由空气悬浮颗粒及光学器件缺陷引起的散射光会被记录在光刻胶上, 既影响光栅衍射效率, 又会带来光栅杂散光. 为消除系统散射光, 需要对激光光束的高频成分进行滤波处理. 但是, 激光光束通过空间滤波器后发生衍射, 进而影响干涉场质量, 因此选择合适的空间滤波器孔径是搭建全息光栅曝光系统的前提条件. 根据标量衍射积分理论, 通过卷积计算滤波光束的振幅分布分析光束的相位变化, 以光束相位突变位置远离光束中心为依据确定滤波器针孔半径与光束束腰半径的比值下限; 根据滤波光束的能量守恒关系, 通过滤波光束的高斯参数变化描述光束的衍射强弱规律, 以光束发生衍射的临界条件确定滤波器针孔半径与光束束腰半径的比值上限. 结果表明, 当空间滤波器针孔半径与激光束腰半径之比满足1.52 a/02.2时, 滤波光束曝光区域相位恒定, 光束能量通过率大于99%, 在此区间空间滤波器滤波效果最好.
2012, 61 (8): 084203.
doi: 10.7498/aps.61.084203
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提出了一种在小波域中图像信息隐藏与盲提取算法. 该算法首先对载体图像进行分块两层离散小波变换, 找到每块第二级分解子带中的最大值即最重要小波系数, 然后根据小波特征树的对应关系将其在第一级分解子带中的对应区域作为嵌入区域, 在该区域嵌入由秘密信息生成的伪随机序列. 提取过程中, 同样按照小波系数对应关系寻找到嵌入区域并判断其与伪随机序列的相关性即可解密, 不需要提供原始图像. 实验结果表明, 该算法能实现二值图像的嵌入与盲提取, 且提取出的图像质量较好并具备一定的抗攻击能力, 尤其对于剪切攻击的鲁棒性较好.
2012, 61 (8): 084204.
doi: 10.7498/aps.61.084204
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用光反馈半导体激光器产生混沌超宽带(UWB)信号, 搭建了混沌UWB光载无线通信链路, 实现了360, 720 Mbit/s和1.44 Gbit/s三种不同传输速率下混沌UWB脉冲信号的生成和传输. 在未经任何色散补偿处理的情况下, 1.44 Gbit/s的混沌UWB信号在经过10 km单模光纤和0.6 m无线链路传输后, 在天线接收端被成功解调. 由于混沌UWB信号输出的随机性, 对应的UWB信号频谱中未出现任何离散的谱线. 这意味着利用混沌UWB信号实现的光载无线通信链路, 可以完全避免离散谱线对系统传输性能的劣化.
2012, 61 (8): 084205.
doi: 10.7498/aps.61.084205
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针对分布反馈式光纤激光器(DFB-FL)线宽特性进行了深入研究.通过理论推导和实验验证, 分析了自脉动、相 移光栅、激射窗口宽度以及外界环境扰动等因素对DFB-FL线宽的展宽作用. 进一步提出了压缩DFB-FL线宽的有效方法和途径,给出了自注入锁模方式下对DFB-FL线宽压缩的对比实验结果, 将DFB-FL的线宽从35 kHz压缩到了10 kHz.
2012, 61 (8): 084206.
doi: 10.7498/aps.61.084206
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相干合成技术是实现高功率、高亮度光纤激光系统的重要技术途径.然而, 脉冲激光阵列中常常存在时域误差,这将影响脉冲激光的相干合成效果. 建立了脉冲激光存在时域误差时的相干合成理论模型,并在不同波形(方波、三角波、正弦波) 的脉冲激光存在时域误差时,对相干合成光束在远场的脉冲波形、峰值功率、光强分布和桶中功率(PIB)等特性进行了数值计算和对比分析.计算结果表明: 方波脉冲激光相干合成光束的脉冲波形受时域误差影响严重,光强分布和PIB随着时域误差 的增大发生线性变化;三角波脉冲激光相干合成光束的脉冲波形和峰值功率受时域误差影响严重,光强分布和PIB在时域误差较大时随着时域误差的增大发生较为剧烈的变化; 正弦波脉冲激光相干合成光束具有较好的输出特性,在两路正弦波脉冲激光相干合成中, 将两脉冲之间的时延控制在脉冲持续时间的10%以内,就能取得良好的合成效果.
2012, 61 (8): 084207.
doi: 10.7498/aps.61.084207
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熔石英亚表面划痕对入射激光的近场调制是导致光学元件低阈值损伤的主要因素之一. 用三维时域有限差分方法研究了连续横向划痕的近场分布, 对比了尖锐截面与光滑截面场调制的差异, 着重探讨了光场调制与划痕宽深比R的关系. 研究表明: 酸蚀后的光滑截面有助于减弱近场调制, 这类划痕的R10.0时调制较弱且相互接近, R5.0时调制显著增强. 当R取13时, 亚表面的调制达最大值, 最大电场幅值为入射波幅值的4.3倍. 当R取1.03.5时, 缺陷附近有80%以上取样点的最大电场幅值超过入射波幅值的2倍. 随着深度的增大, 强场区具有明显的趋肤效应: 位于划痕正下方的强场区首先往左右两侧移动, 然后移向抛物口界面以及水平界面, 同时衍生出的多条增强线诱导整个亚表面层的光场增强.
2012, 61 (8): 084208.
doi: 10.7498/aps.61.084208
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建立了光强分布为高斯型的抽运光端面单程抽运时薄片激光器的温度模型, 实验测量了不同抽运功率下薄片介质表面的 温度分布、温度随时间的变化特性以及介质表面的温度差. 采用Hartmann法测量了薄片介质的热焦距. 考虑热焦距随抽运功率的变化, 基于四能级系统薄片激光器的速率方程组, 建立了薄片激光器热效应对输出功率影响的物理模型, 薄片激光器输入-输出功率曲线与实际相符. 所得结果对薄片激光器的设计和优化具有一定的指导意义.
2012, 61 (8): 084209.
doi: 10.7498/aps.61.084209
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建立了输入信号光偏振方向任意情况下的半导体光放大器(SOA)中垂直双抽运四波混频(FWM)效应的完整宽带理论模型. 以基于SOA的垂直双抽运FWM型全光波长转换器为例, 通过数值模拟的方法, 理论研究了输入信号光与两抽运光功率、两抽运光与信号光之间的波长失谐量和输入信号光偏振方向等工作参数对SOA的垂直双抽运FWM效应及基于SOA的垂直双抽运FWM型波长转换器特性的影响.
2012, 61 (8): 084210.
doi: 10.7498/aps.61.084210
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对非局域自散焦克尔介质中的空间光暗孤子成丝进行了研究. 理论上从非局域非线性理论模型出发, 数值模拟研究了非局域程度和吸收系数对暗孤子成丝的影响. 当入射背景光强一定时, 非局域程度越大成丝起始点越远、成丝数量越少; 而当入射背景光强与临界光强之比一定时, 非局域程度基本不影响成丝起始点以及成丝数量, 且非局域下的成丝数量与局域下一样. 此外, 当入射背景光强一定时, 吸收系数越大成丝数量越少. 实验上通过改变染料溶液的浓度以及背景光斑的椭圆率, 分别研究了样品浓度和背景光斑椭圆率对暗孤子成丝的影响. 当入射背景平均光强一定时, 样品浓度越小成丝数量越少, 背景光斑椭圆率越小成丝数量越少; 而当入射背景平均光强与临界光强之比一定时, 样品浓度基本不影响成丝数量. 在实验中还观察到了光学冲击波现象.
2012, 61 (8): 084211.
doi: 10.7498/aps.61.084211
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研究了溶胶凝胶协同自组装制备大面积高质量SiO2反蛋白石结构薄膜的方法. 向单分散的聚苯乙烯(PS)胶体溶液中添加SiO2前驱物溶液,用垂直自组装法一步得到微球空隙中均匀填充有凝胶的 复合PS胶体晶体薄膜,在空气中烧结去除PS后得到SiO2反蛋白石结构薄膜.通过对添加前驱物溶液比例、 自组装温度以及烧结温度等参数的研究,用不同粒径的PS微球制备了不同孔径的高质量SiO2反蛋白石结构薄膜. 用扫描电子显微镜和X射线能量色散谱仪对制备得到的薄膜样品进行显微形貌和成分表征,并测试了其透射光谱. 结果表明:溶胶凝胶协同自组装法制备的SiO2反蛋白石结构薄膜大面积高度有序,孔径可以控制且选择范围宽; 薄膜的透射光谱带隙明显,带隙中心波长与理论计算结果相符.
2012, 61 (8): 084212.
doi: 10.7498/aps.61.084212
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为了对不同集成成像系统三维显示应用中的视觉分辨效果进行表征, 提出了一种基于人眼视觉的集成成像三维显示分辨率的分析比较方法. 通过分析集成成像三维显示系统的分辨率与人眼在最佳显示观看距离下分辨本领的关系, 定义了相对分辨率参数, 分析了其与集成成像三维显示实际观看时视觉分辨效果的关系. 研究结果表明, 透镜阵列的大小对集成成像三维显示的视觉分辨效果有重要的影响. 针对两个系统实例的理论计算结果表明, 系统间的相对分辨率参数差异是传统分辨率差异的1.75倍, 实验结果与理论分析一致. 该研究方法对三维显示分辨率的评价有一定的指导意义.
2012, 61 (8): 084213.
doi: 10.7498/aps.61.084213
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设计了一种同轴双芯六角点阵光子晶体光纤, 该光纤中心缺失一根空气柱形成内纤芯, 通过减小第4环空气孔的直径形成外纤芯. 采用全矢量有限元法并结合各向异性完美匹配层边界条件, 对其色散、非线性、约束损耗和模场等特性进行了数值模拟. 结果发现, 该光纤呈现高负色散可调效应和较强的模场约束能力, 约束损耗接近10-2 dB m-1. 调整光纤结构参数(即空气孔间隔, 小孔直径d1和相对孔间隔比f), 可以控制其高负色散工作波长. 若调整光纤结构参数=1.2 , f=0.917, d1=0.515 m时, 该光纤在低损耗通信窗口C波段呈现负色散和负色散斜率, 其色散斜率在-1-6 ps km-1nm-2范围内波动, 在波长1.55 m处负色散值为-3400 ps km-1nm-1, 模场面积高达43 m2, 非线性系数仅有3.6 km-1W-1. 该光纤在C波段呈现的低损耗低非线性高负色散特性, 具有很好的色散补偿能力, 将在长距离大容量 高功率高速光通信系统中获得很好的应用.
2012, 61 (8): 084214.
doi: 10.7498/aps.61.084214
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提出了一种新型的基于高非线性光纤(HNLF)中非线性 偏振旋转(NPR)效应的全光逻辑门实现方案. 将两路非归零码数据信号A和B以及一路直流光同时注入HNLF, 光功率变化导致的非线性双折射在两个偏振分量上引入非线性相对相移, 从而导致光信号的偏振态旋转. 在HNLF输出端, 通过波分解复用器和偏振分束器同时滤出数据信号和直流光的正交偏振态, 从而同时实现多种基础组合逻辑, 并可以在同一段HNLF中实现较为复杂的半加器、半减器逻辑功能. 理论分析了信号光在HNLF中的偏振态演化, 以及利用HNLF中的NPR效应同时实现多种全光逻辑门的原理. 并在实验中得到了10 Gbit/s全光信号与、非、或、同或、异或、A B、AB、半加器、半减器等逻辑功能, 验证了方案的可行性.
2012, 61 (8): 084215.
doi: 10.7498/aps.61.084215
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用改进的化学气相沉积方法和溶液掺杂方法制备了掺Bi双包层石英基光纤. 测试了掺Bi光纤预制棒切片的吸收光谱和掺Bi光纤在特定波长下的吸收系数,在不同波长的激光激发下, 研究了掺Bi光纤的近红外荧光光谱. 掺Bi光纤在976 nm激光激发下,其荧光光谱范围在10001400 nm之间, 荧光峰的峰值位于1140 nm附近,半高宽约为130 nm;在793和808 nm激光激发下得到了 10001700 nm的超宽带近红外荧光,半高宽超过250 nm.通过对掺Bi光纤预制棒切片进行900 ℃ 保温1 h的热处理后,发现在808 nm激光 激发下预制棒切片的荧光强度增加了近4倍.研究结果表明,具有超宽带荧光特性的双包层掺Bi光纤 有望作为超短脉冲激光器和可调谐激光器的增益介质.
2012, 61 (8): 084301.
doi: 10.7498/aps.61.084301
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海洋的声速结构对水下声传播有重要影响,在印度洋中北部复杂多变的海洋物理和水文环境中, 获取声速剖面的时空统计分布规律对水下目标探测和水下声通信有重要意义. 由于垂直梯度法在声速结构分析中的局限性及其在印度洋中北部海域的适用性问题, 采用多元统计分析中的最优分割法对声速跃层进行分析,并应用最近10年的地转海洋学实时观测阵 数据对印度洋中北部海域声速剖面的特征量进行了计算,获得了声速跃层的垂直结构特征和时空变化规律; 还利用经验正交函数(EOF)表示方法,分析了印度洋中北部声速剖面拟合精度随EOF阶次的分布特点. 根据印度洋的海洋物理特征,揭示了声速剖面特征量时空演变的内在物理机理.研究结果表明: 最优分割法是适合印度洋声速结构的跃层判断方法,并提出了相应的判断准则参数; 声速剖面拟合精度随EOF阶次变化的区域性分布特征较明显,其季节性变化较小; 印度洋中北部的深海声道轴只在5S以南明显存在,在15S25S 附近海域存在三个跃层;印度洋中北部声速剖面结构可分为单跃层、双跃层Ⅰ型、双跃层Ⅱ型和三跃层四种类型以及春夏秋冬四个季节模态. 声速剖面的分析结果对于水声传播和声纳系统的使用具有一定参考意义.
2012, 61 (8): 084701.
doi: 10.7498/aps.61.084701
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气泡在不同边界附近运动时,其运动特性与在自由场中相比会发生很大变化,特别是当气泡在近自由面附近运动时, 与自由面发生强烈的耦合作用而产生极其复杂的水面现象.为探究其规律,在前人研究的基础上, 采用电火花生成气泡,利用高速摄影系统对气泡与自由液面的相互作用进行了实验观察和研究. 通过对大量实验数据的分析和整理,总结了自由液面的存在对气泡最大半径、脉动周期、射流时间以及射流宽度的影响, 并初步拟合了放电电压与气泡最大半径的关系.对不同水冢现象的具体过程进行了分类和详细的描述, 得出了发生不同水冢现象的决定因素,同时统计得到相同初始条件下水柱最大高度随无量纲距离的变化规律, 为气泡与自由液面相互作用的研究提供了参考.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2012, 61 (8): 086101.
doi: 10.7498/aps.61.086101
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利用熔融快淬结合放电等离子烧结(SPS), 制备了CuxAg1-xSbTe2(x= 00.3)样品. 粉末x射线衍射(XRD)分析结果显示, SPS处理以前, 含Cu样品形成NaCl型结构的固溶体, 而未加入Cu的样品析出Ag2Te第二相. 根据热分析和XRD测量结果, Cu的加入能够有效抑制Ag2Te的析出, 但同时会在快淬样品中产生少量非晶相. 在温度升高到540 K左右时, 非晶相发生晶化, 形成Sb7Te亚稳相, 并最终转变成Sb2Te3稳定相. 对快淬样品进行低温SPS快速处理后, x =0.1样品为面心立方结构的单相化合物, 但是x=0.2, 0.3的样品分别析出第二相Sb7Te和Sb2Te3. 由于析出第二相, x=0.2, 0.3样品的电导率增大, Seebeck系数减小, 热导率相应升高, 综合热电性能降低.x=0.1单相样品的功率因子与文献报道的AgSbTe2化合物相当. 元素替代的合金化效应 增强了Cu0.1Ag0.9SbTe2化合物的声子散射, 有效降低了样品的热导率. 因此, 单相样品Cu0.1Ag0.9SbTe2表现出较佳的热电性能, 在620 K时热电优值达到1.
2012, 61 (8): 086102.
doi: 10.7498/aps.61.086102
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用高温熔融法制备了Bi2O3掺杂的(0.9-x) GeO2-xNb2O5-0.1BaO (含量x为摩尔分数, x=0, 0.04, 0.07, 0.1)系列玻璃. 测定了玻璃样品的差热分析(DTA)曲线、吸收光谱、发射光谱及X射线光电子能谱(XPS). 从DTA曲线分析得到玻璃的结晶起始温度与软化温度之差(Tx-Tg)达200℃以上. 吸收光谱中可观察到位于500, 700, 808和1000 nm处的吸收峰, 并随着Nb2O5含量x的增加吸收边带发生红移. 在波长为808 nm激光激发下, 观察到发光中心位于1300 nm处、荧光光谱半高宽约为200 nm的宽带发光. 荧光强度随Bi2O3掺杂量的增加先增强后减弱, 当掺杂量达到约0.01时, 荧光强度达到最强. 随着Nb2O5含量x从0.04增加到0.1时, 荧光强度逐步减弱. 样品的XPS峰分别位于159.6和164.7 eV, 它们介于Bi3+与Bi5+的特征结合能之间, 因此Bi3+与Bi5+可能同时存在于玻璃基质中. 从XPS及Bi离子的发光特性推断, 宽带的荧光发射可能起因于Bi5+. 随着Nb2O5含量x的增加, 荧光强度逐步减弱. 分析认为, Nb2O5取代GeO2后形成了NbGe缺陷, 需要低价Bi离子进行电子补偿, 因而抑制了Bi5+形成, 致使荧光强度减弱.
2012, 61 (8): 086103.
doi: 10.7498/aps.61.086103
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采用保角映射方法和扰动技巧,研究了一维六方准晶中螺形位错和半无限楔形裂纹的相互作用. 讨论了位错的位置和楔形角对作用在位错上的力的影响,得到了应力强度因子和作用在 位错上的力的解析解.此外,还详细地讨论了位错对裂纹的影响.当楔形角参数=1/2时, 半无限楔形裂纹退化成半无限尖裂纹,相应的结果 可以作为特殊情况而直接得到.
2012, 61 (8): 086801.
doi: 10.7498/aps.61.086801
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基于含噪声Kuramoto-Sivashinsky方程, 采用动力学重正化群技术, 研究生长表面存在点缺陷或杂质对表面生长动力学标度行为的影响, 得到了相应的粗糙度指数和动力学标度指数z. 所得结果表明, 点缺陷的存在使生长表面粗化, 并缩短达到稳定生长的弛豫时间.
2012, 61 (8): 086802.
doi: 10.7498/aps.61.086802
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利用等效变换和自旋重标相结合的方法, 研究了镶嵌正方晶格上的Gauss模型. 研究发现, 该系统可以变换为正方晶格上具有最近邻和次近邻相互作用的Gauss系统, 由此严格求得了镶嵌正方晶格上Gauss模型的临界温度, 得到了该系统的精确相图.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2012, 61 (8): 087101.
doi: 10.7498/aps.61.087101
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采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 计算了不同Mn掺杂浓度LiFe1-xMnxPO4 (x=0,0.25,0.50,0.75) 的电子结构. 同时采用流变相辅助高温固相碳热还原法制备了LiFe1-xMnxPO4 (x= 0,0.25,0.50,0.75) 材料. 理论计算表明: LiFePO4具有Eg = 0.725 eV的带隙宽度, 为半导体材料. 通过Fe位掺杂25%的Mn离子可最大程度地 减小材料带隙宽度、降低FeO键及LiO键键能, 进而提高材料的电子电导率及锂离子扩散速率. 实验结果亦表明, 当Mn掺杂量x=0.25时, 材料具有最优的电化学性能, 其具有约为158 mAh g-1的放电比容量以及551 Wh kg-1的能量密度. 理论计算与实验结果非常符合.
2012, 61 (8): 087102.
doi: 10.7498/aps.61.087102
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将Zr55Al10Ni5Cu30块体非晶合金在715 K等温退火30 min, 引入少量纳米晶, 然后于室温以不同的应变速率进行轧制, 用差示扫描量热仪考察不同应变量样品的热稳定性和自由体积演化. 结果表明:即使轧制到95%的最大应变量, 样品的热稳定性也几乎没有发生改变. 在各种应变速率下, 随着应变量的增加, 自由体积含量持续上升. 但随着应变速率的增加, 相同应变量下自由体积的含量先上升后降低, 该规律与单一非晶态结构合金在塑性变形过程中自由体积的变化情况截然不同.
2012, 61 (8): 087201.
doi: 10.7498/aps.61.087201
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对含有AlN插入层纤锌矿AlxGa1-xN/AlN/GaN异质结构,考虑有限厚势垒和导带弯曲的实际 异质结势,同时计入自发极化和压电极化效应产生的内建电场作用,采用数值自洽求解薛定谔方程和泊松方程, 获得二维电子气(2DEG)中电子的本征态和本征能级.依据介电连续模型和Loudon单轴晶体模型, 用转移矩阵法分析该体系中可能存在的光学声子模及三元混晶效应.进一步, 在室温下计及各种可能存在的光学声子散射,推广雷-丁平衡方程方法,讨论2DEG分布及二维电子迁移率的 尺寸效应和三元混晶效应.结果显示: AlN插入层厚度和AlxGa1-xN势垒层中Al组分的增加均会 增强GaN层中的内建电场强度,致使2DEG的分布更靠近异质结界面,使界面光学声子强于其他类型的 光学声子对电子的散射作用而成为影响电子迁移率的主导因素.适当调整AlN插入层的厚度和Al组分, 可获得较高的电子迁移率.
2012, 61 (8): 087202.
doi: 10.7498/aps.61.087202
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以Pb粉、Te粉、Ag粉、Ge粉为原材料,在真空气氛下合成(AgSbTe2)100-x-(GeTe)x (x=8090) (TAGS)合金热电材料, X射线衍射(XRD)分析表明,热压烧结后合金具有低温菱形结构. 通过热压烧结法将TAGS粉末制备成块体材料,运用XRD和扫描电子显微镜对材料的物相成分、晶体结构和形貌进行了表征.采用直流四探针法测定样品的电导率,当样品两端的温差为14℃ 的情况下测量Seebeck系数.通过材料热电性能测试,研究了30500℃温度范围内不同组分 样品性能参数的变化.结果表明,所制备的TAGS热电材料具有纳米结构, 其性能随着组分的变化而变化, TAGS-80具有较好的热电性能,在530℃时具有最高热电优值(ZT=1.80).
编辑推荐
2012, 61 (8): 087203.
doi: 10.7498/aps.61.087203
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从理论上研究了串型耦合双量子点之间库仑作用对其近藤共振的影响. 采用非平衡态格林函数和奴役玻色子平均场近似方法求解了系统的哈密顿量; 计算了系统电子的态密度、透射率、占居数和近藤温度随双量子点之间库仑作用能的变化, 同时也计算了电极处于极化时双量子点之间库仑作用能对系统电子态密度的影响. 结果表明,双量子点之间库仑作用能够极大地影响系统的基态物理性质. 同时还对相关的物理问题进行了讨论.
2012, 61 (8): 087204.
doi: 10.7498/aps.61.087204
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载流子迁移率测量是有机半导体材料与器件研究中的重要内容之一.以聚噻吩为电子给体材料, C60的衍生物为电子受体材料,制备了一种单电荷传输器件.用空间电荷限制电流法测出了不同溶剂形成的活性层及不同温度热处理后器件中空穴的迁移率.结果表明:器件中电荷的传输J-V曲线符合Mott-Gurney方程, 不同溶剂形成活性层中空穴具有不同的迁移率,高沸点的溶剂1, 2-二氯苯形成的活性层具有较高的空穴迁移率, 热处理有利于器件中空穴迁移率的提高.同时还进一步分析了空穴迁移率变化的原因.
2012, 61 (8): 087301.
doi: 10.7498/aps.61.087301
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基于密度泛函理论的第一性原理计算,对过渡金属Ni晶体与Ni (111)表面的结构和电子性质进行了研究, 并探讨了单个C原子在过渡金属Ni (111)表面的吸附以及两个C原子在Ni(111)表面的共吸附. 能带和态密度计算表明, Ni晶体及Ni (111)表面在费米面处均存在显著的电子自旋极化. 通过比较Ni (111)表面各位点的吸附能,发现单个C原子在该表面最稳定的吸附位置为第二层Ni原子上方所在的六角密排洞位, 吸附的第二个C原子与它形成碳二聚物时最稳定吸附位为第三层Ni原子上方所在的面心立方洞位. 电荷分析表明,共吸附时从每个C原子上各有1.566e电荷转移至相邻的Ni原子, 与单个C原子吸附时C与Ni原子间的电荷转移量(1.68e)相当. 计算发现两个C原子共吸附时在六角密排洞位和面心立方洞位的磁矩分别为0.059B和 0.060B,其值略大于单个C原子吸附时所具有的磁矩(0.017B).
2012, 61 (8): 087302.
doi: 10.7498/aps.61.087302
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在平均场近似下,通过对相平面和不动点的分析, 研究了非线性两能级系统中费米超流气体的Landau-Zener 隧穿现象. 研究发现,费米子间的相互作用能够显著地影响量子隧穿. 当相互作用参数c小于临界值c*时,在绝热极限下隧穿仍然满足量子绝热定理, 而大于这一临界值时,量子绝热定理不再满足. 最后通过和线性情况比较,得到了c*时隧穿率与扫描速率间满足的指数关系.
2012, 61 (8): 087303.
doi: 10.7498/aps.61.087303
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基于氢化非晶硅薄膜晶体管(a-Si:H TFT)沟道中陷阱态的双指数分布, 区分了带尾陷阱态和深能级陷阱态的特征温度.利用源端、漏端串联电阻及沟道电阻, 将源端和漏端特征长度与有源层接触长度、SiO2/氢化非晶硅 (a-Si:H)界面陷阱态及a-Si:H薄膜内陷阱态联系起来. 由串联电阻上电流密度相等解出沟道势. 通过泊松方程和高斯定理 得出a-Si:H TFT沟道各点的阈值电压表达式, 结果表明 沟道中某一点的阈值电压随着该点与源端距离的增大而减小. 在此基础上, 研究了自加热效应引起沟道各点温度的变化, 结果显示a-Si:H TFT在自加热效应下, 从源端到漏端各点温度变化先增大后减小, 沟道中心的温度变化最大.
2012, 61 (8): 087501.
doi: 10.7498/aps.61.087501
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研究磁性半导体中负磁电阻产生机理对正确理解载流子与磁性离子间的sp-d磁交换作用是非常重要的.通过变温(10300 K)磁输运和变温(5300 K)磁化率实验研究了一系列不同Mn含量非简并p型Hg1-xMnxTe单晶(x0.17)的负磁电阻和顺磁增强效应. 实验结果表明其负磁电阻与温度的关系和磁化率与温度的关系基本一致, 两者都包含一个呈指数型变化的温度函数exp(-K/T).根据磁性半导体的杂质能级理论, 非简并p型Hg1-xMnxTe单晶在低磁场范围内出现负磁电阻效应的主要物理机理 为外磁场的磁化效应使得受主杂质或受主型束缚磁极化子的有效电离能减小.
2012, 61 (8): 087701.
doi: 10.7498/aps.61.087701
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利用光学显微观察、局部放电测量和共聚焦Raman光谱分析相结合的方法, 研究了交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘材料中两种典型电树枝的导电特性.尽管具有相似的培养条件, 两种电树枝却呈现出完全不同的形态,其中9 kV下典型电树枝为枝-松枝状, 11 kV下为枝状, 而且电树枝生长及局部放电规律呈现出明显的差异.枝-松枝状电树枝主干通道内存在无序石墨碳的沉积, 根据石墨碳G带与D带的相对强度,估算碳层厚度约为8 nm,树枝通道单位长度电阻小于 10 m-1,足以抑制电树枝内局部放电的发展,电树枝呈现出导电型电树枝特征. 枝状电树枝通道内观察到荧光背景,存在材料劣化的产物,但不存在无序石墨碳的聚集, 通道具有明显的非导电特性而不足以抑制电树枝内局部放电的连续作用. 最后提出了XLPE电缆绝缘材料中导电型和非导电型电树枝的单通道生长模型, 利用等效电路理论对XLPE电缆绝缘材料中两种不同导电特性电树枝的生长机理进行了探讨.
2012, 61 (8): 087702.
doi: 10.7498/aps.61.087702
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铁电阴极因其优异的电子发射性能在高功率微波管的电子束源、平板显示技术以及宇航推进器等领域 有着广阔应用前景而日益受到人们的重视.大量研究表明,铁电阴极电子发射性能受阴极材料性能的影响. 在激励电场作用下,铁电阴极材料会产生表面非屏蔽电荷而引起极化强度的变化, 这表明铁电阴极电子发射性能可能与阴极材料的极化强度变化量存在着某种关系. 为研究阴极材料极化强度变化量对铁电阴极电子发射性能的影响,以掺镧锆锡钛酸铅铁电和反铁电陶瓷样品作为阴极材料,通过正半周电滞回线测试得到阴极材料在不同电场强度下的极化强度变化量, 测量得到电子发射电流强度随激励电场的变化曲线,并分析了电子发射电流强度与极化强度变化量的关系. 结果表明,两种样品电子发射电流强度与极化强度变化量正相关.
2012, 61 (8): 087801.
doi: 10.7498/aps.61.087801
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顶发射白光有机发光二极管(TEWOLED)在白光照明和全彩显示中有着良好的应用前景, 克服顶发射器件中的微腔效应是制备光电性能良好的TEWOLED的前提. 使用具有高折射率的ZnS作为增透膜改善金属阴极在蓝光波段的透射率,降低其反射性, 从而有效抑制了微腔的影响.同时利用转移矩阵理论和宽角干涉方法分别对阴极结构和 蓝光发光层位置进行了优化,最终获得了高效、色纯度良好、色度随视角变化小的TEWOLED. 最高亮度和效率分别达到9213 cd/m2和3 cd/A,色坐标位于白光区且接近白光等能点, 同时具有良好的视角稳定性,在060范围内色坐标仅变化(0.02, 0).
2012, 61 (8): 087802.
doi: 10.7498/aps.61.087802
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采用光学传递矩阵方法设计了紫外波段SiO2/Si3N4介质膜分布式布拉格反射镜, 并利用等离子体增强化学气相沉积技术在蓝宝石(0001)衬底上制备了SiO2/Si3N4介质膜分布式布拉格反射镜. 光反射测试表明, 样品反射谱的峰值波长仅与理论模拟谱线相差10 nm, 并随着反射镜周期数的增加而蓝移. 由于SiO2与Si3N4具有相对较大的折射率比, 因而制备的周期数为13的样品反射谱的峰值反射率就已大于99%. 样品反射谱的中心波长为333 nm, 谱峰的半高宽为58 nm. 样品截面的扫描电子显微镜和表面的原子力显微镜测量结果表明, 样品反射谱的中心波长蓝移是由子层的层厚和界面粗糙度的变化引起的. X射线反射谱表明,子层界面过渡层对于反射率的影响较小, 并且SiO2膜的质量比Si3N4差, 也是造成反射率低于理论值的原因之一.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2012, 61 (8): 088101.
doi: 10.7498/aps.61.088101
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采用液相电化学沉积技术制备了ZnO纳米颗粒掺杂的类金刚石(DLC)薄膜, 研究了ZnO纳米颗粒掺杂对DLC薄膜场发射性能的影响. 利用X射线光电子能谱、透射电子显微镜、Raman光谱以及原子力显微镜分别对薄膜的化学组成、微观结构和表面形貌进行了表征. 结果表明: 薄膜中的ZnO纳米颗粒具有纤锌矿结构, 其含量随着电解液中Zn源的增加而增加. ZnO纳米颗粒掺杂增强了DLC薄膜的石墨化和表面粗糙度. 场发射测试表明, ZnO纳米颗粒掺杂能提高DLC薄膜的场发射性能, 其中Zn与Zn+C的原子比为10.3%的样品在外加电场强度为20.7 V/m时电流密度达到了1 mA/cm2. 薄膜场发射性能的提高归因于ZnO掺杂引起的表面粗糙度和DLC薄膜石墨化程度的增加.
2012, 61 (8): 088102.
doi: 10.7498/aps.61.088102
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采用电子回旋共振-化学气相沉积结合中频磁控溅射的真空镀膜技术, 以99.99%Ti为靶材, 乙炔为碳源制备了Ti/Ti-类金刚石(DLC)多层膜. 利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪 对Ti/Ti-DLC多层膜进行了相结构、组织、成分及形态分析. 采用显微硬度仪、摩擦磨损仪、表面粗糙度仪对Ti/Ti-DLC多层膜进行了力学性能考察. 结果表明: Ti/Ti-DLC多层膜中主要含有TiC晶相; Ti层和Ti-DLC层中未出现柱状晶体生长模式, 分层中均以岛状模式生长; 当调制周期 50 nm时, 分层结构变模糊; 调制周期对Ti/Ti-DLC多层膜的复合硬度、摩擦系数、表面形貌、表面粗糙度都有影响, 当调制周期较小时表现出纳米增硬效应, 表面出现大颗粒, 表面粗糙度和摩擦系数均变大.
2012, 61 (8): 088103.
doi: 10.7498/aps.61.088103
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理论和实验研究表明,纳米厚度周期调制的贫铀(DU)/Au多层膜材料具有高效的激光X射线转换效率. 采用交替磁控溅射制备纳米厚度的DU/Au平面多层周期结构,通过白光干涉仪、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱对DU/Au多层膜的几何参数、表面形貌、成分以及界面形貌进行表征.实验结果表明: 8 nm为Au连续成膜的厚度阈值,结合理论计算最优化原子配比,选取DU层厚度为30 nm、Au层厚度为8 nm的调制周期结构;实测周期厚度为37 nm;扫描电子显微镜照片显示DU/Au分层明显; X射线光电子能谱深度刻蚀分析表明DU/Au界面处存在扩散, DU, Au, O三者原子比为73:26:1; 由于团簇效应, Au原子4f电子结合能向高能端移动,没有观察到DU相应的电子结合能移动现象.
2012, 61 (8): 088104.
doi: 10.7498/aps.61.088104
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在相场再结晶模型中提出了形式为 f(ik,jk) = Es (ide )2 (1-(jre)2)的冷变形储能项,并应用该模型模拟了AZ31镁合金的再结晶过程,模拟结果和实验观测结果符合很好.研究表明, 引入储能释放模型可以实现再结晶形核物理过程的模拟; 模拟结果可以把合金在冷变形后退火的过程按照机理分为再结晶和热晶粒长大两个阶段,模拟得出的理论再结晶时间是实验再结晶时间的2/3. 考察了冷变形应变大小对形变金属的亚晶粒尺寸和储能的影响机理和试验结果,并将考察结果代入到改进后的再结晶模拟模型, 成功地再现了一个经典实验结果:随预先应变量的增加, 存在临界应变量对应的一个再结晶晶粒尺寸峰值.同时还给出了这一经典实验结果的理论解释.
2012, 61 (8): 088105.
doi: 10.7498/aps.61.088105
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针对金属管材电涡流检测线圈阻抗的理论计算问题,通过施加磁绝缘边界条件, 应用分离变量法和Cheng矩阵法建立了内穿式和外穿式线圈阻抗解析模型.因模型含有与虚宗量Bessel函数有关的积分, 通过研究函数特性,提出基于高斯积分算法的数值计算方法.以铜管管壁减薄为例进行仿真研究,并与Dodd模型、有限元模型进行了对比.比较表明,三种方法的仿真结果基本一致,验证了所建立模型的正确性.与传统的Dodd模型、有限元模型相比,所建立的模型具有效率高、精度调整方便等优点.
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2012, 61 (8): 088401.
doi: 10.7498/aps.61.088401
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用高阻硅制作的光学元件是太赫兹系统里常用的器件, 但是其高达3.42的相对折射率所引起的阻抗失配严重影响了太赫兹系统的功率, 因此研究人员尝试了各种各样的方式在高阻硅表面镀上有效的增透膜. 在太赫兹波段, 缺乏合适的材料是增透研究中亟需解决的一个重要问题. 介绍一种结构新颖的硅材料增透器件三维光子倒置光栅. 与普通高阻硅片相比, 当结构周期为15 m时, 该器件在0.27.3 THz范围内对太赫兹波具有明显的增透作用, 且覆盖了大部分太赫兹波段. 此外, 该器件的使用不受太赫兹偏振方向限制, 适用于大入射角情形, 并具有高达116.3%的相对3 dB带宽.
2012, 61 (8): 088501.
doi: 10.7498/aps.61.088501
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4H-SiC浮动结结势垒肖特基二极管与常规结势垒肖特基二极管相比在相同的导通电阻条件下具有更高的击穿电压. 由p+埋层形成的浮动结与主结p+区之间的套刻对准是实现该结构的一项关键技术. 二维模拟软件ISE的模拟结果表明, 套刻偏差的存在会明显影响器件的击穿特性, 随着偏差的增大击穿电压减小. 尽管主结和埋层的交错结构与对准结构具有相似的击穿特性, 但是当正向电压大于2V后, 交错结构的串联电阻更大.
2012, 61 (8): 088502.
doi: 10.7498/aps.61.088502
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采用软件理论分析的方法对选择性p型掺杂量子阱垒层在InGaN双波长发光二极管(LED)中的光谱调控作用进行模拟分析.分析结果表明, 选择性p型掺杂对量子阱中电子和空穴浓度分布的均衡性起到一定的调控作用, 在适当选择p型掺杂量子阱垒层层数的条件下,能够改善量子阱中载流子的辐射复合速率, 降低溢出电子浓度,从而有效提高芯片内量子效率,并减缓内量子效率随驱动电流增大而快速下降的趋势.随着活性层量子阱增加到特定数量, 选择性p型掺杂的调控效果更加明显, LED芯片的双波长发光峰强度达到基本均衡.
2012, 61 (8): 088503.
doi: 10.7498/aps.61.088503
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基于自旋扩散漂移方程,考虑到电场的影响及有机半导体中特殊的载流子电荷自旋关系, 对一个简单的T型结构有机自旋器件模型进行了理论研究,得出了此有机器件的电流自旋极化放大率表达式.研究表明,器件中极化子比率、电场和电流密度都会影响器件的电流自旋极化放大率,通过调节此有机器件的电场和极化子比率可以获得较大的电流自旋极化放大率.
2012, 61 (8): 088801.
doi: 10.7498/aps.61.088801
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染料敏化太阳电池(DSC)中的纳米薄膜电极 是决定太阳电池光电转换性能的重要组成部分. 为改善薄膜电极特性, 采用了不同浓度的TiO2溶胶对DSC光阳极导电玻 璃和纳米TiO2多孔薄膜进行不同方式的界面处理. 利用X射线衍射方法对制备得到的多孔薄膜以及溶胶经高温处理 后致密层中纳米TiO2颗粒的尺寸及晶型进行了测试. 采用高分辨透射电子显微镜和场发射扫描电子显微镜观察了纳米颗粒及薄膜微结构形貌. 采用强度调制光电流谱/光电压谱分析了TiO2溶胶的不同处理方式对电子传输和复合的影响. 在100 mWcm-2光强以及暗环境下分别测试了DSC的伏安输出性能以及暗电流. 结果表明, 不同浓度和处理方式均能较好地抑制暗电流. 溶胶处理后光生电子寿命n延长, 电子传输平均时间d相应缩短. 采用浓度为0.10 molL-1的 溶胶对导电玻璃和多孔膜同时处理, DSC的宏观输出特性最佳, 短路电流密度Jsc提高了10.9%, 光电转换效率提高了11.9%.
2012, 61 (8): 088802.
doi: 10.7498/aps.61.088802
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通过采用4,4,4-三(N-3-甲基苯基-N-苯基氨基)三苯胺(m-MTDATA)掺入MoOx作为器件的空穴传输层来提高酞菁铜(CuPc)/C60小分子有机太阳电池的效率. 采用真空蒸镀的方法制备了一系列器件, 其中结构为铟锡氧化物(ITO)/m-MTDATA:MoOx(3:1)(30 nm)/CuPc(20 nm)/C60(40 nm)/4,7-二苯 基-1,10-菲罗啉(Bphen)(8 nm)/LiF(0.8 nm)/Al(100 nm)的器件, 在AM1.5 (100 mW/cm2)模拟太阳光的照射条件下, 开路电压Voc=0.40 V, 短路电流Jsc=6.59 mA/cm2, 填充因子为0.55, 光电转换效率达1.46%, 比没有空穴传输层的器件ITO/CuPc(20 nm)/C60(40 nm)/Bphen(8 nm)/LiF(0.8 nm)/Al(100 nm)光电转换效率提高了38%. 研究表明, 加入m-MTDATA:MoOx(3:1)(30 nm)空穴传输层减小了有机层和ITO电极之间的接触电阻, 从而减小了整个器件的串联电阻, 提高了器件的光电转换效率.
地球物理学、天文学和天体物理学
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2012, 61 (8): 089101.
doi: 10.7498/aps.61.089101
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提出水平层状横向同性地层中频率测深资料的全参数快速迭代反演算法,以便从测量资料中同时确定各个地层的横向、纵向电导率及层界面深度.首先,利用水平层状介质中电磁场并矢Green函数在频率波数域中的解析解和Sommerfeld积分的快速计算技术确定正演响应.然后,利用摄动理论和Fourier逆变换公式,研究建立一套快速求解全参数Frchet导数的有效算法,并利用规范化处理和奇异值分解技术给出迭代反演过程.最后,给出数值试验证明反演理论的有效性以及反演算法的抗噪声能力.
2012, 61 (8): 089401.
doi: 10.7498/aps.61.089401
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在中性钡云扩散动力学模型的基础上,考虑钡原子的氧化和电离损耗, 探讨了钡云释放早期(t 100 s)的演化基本特征、钡云形态、亮度以及电子密度分布等问题. 得到了不同释放量(1, 10 kg)、不同释放高度(250, 300 km)和不同初始形状因子(1, 10) 条件下钡云释放早期动力学行为的数值模拟结果.
2012, 61 (8): 089501.
doi: 10.7498/aps.61.089501
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液晶相位调制器的响应时间延迟是影响液晶自适应光学系统性能的一个主要因素, 为了提高系统的响应速度, 开发了一种快速响应的向列相液晶材料, 并制成了反射式硅基液晶器件(LCOS). 分析了该LCOS的相位调制特性及其对静态畸变波前和扰动波前的校正能力. 首先, 测量了LCOS的电光响应特性, 得出其780 nm相位调制量的响应时间为2 ms. 其次, 测量了LCOS的相位调制特性, 并对相位调制进行了线性化处理. 再次, 测量了用该LCOS搭建的液晶自适应光学系统的闭环和开环3 dB带宽, 它们分别为16和18 Hz. 最后, 给出了开环液晶自适应光学系统校正大气湍流的数值模拟结果, 结果表明. 系统的Strehl比由校正前的0.025上升到了校正后的0.225. 因此, 该液晶自适应光学系统可以对Greenwood频率为30 Hz以下的大气湍流进行较良好的校正.
