Vol. 63, No. 10 (2014)
2014年05月20日
总论
2014, 63 (10): 100501.
doi: 10.7498/aps.63.100501
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Lyapunov指数是判定系统非线性行为的重要工具，然而目前的大多算法并不适用于切换系统. 在传统Jacobi法的基础上，提出了一种新算法，可以直接计算得到n维切换系统的n个Lyapunov 指数. 首先，根据切换面处相邻轨线的动态变化规律，从相空间几何推导出切换面处轨线变化的Jacobi 矩阵；然后，对该矩阵进行QR分解，从而利用R的对角线元素实现Lyapunov指数的切换补偿；最后，将新算法应用到平面双螺旋混沌系统、Glass网络和航天器供电系统三个实例中，并将计算结果与Poincaré映射方法的计算结果进行比较，对新算法的有效性进行验证.
2014, 63 (10): 100502.
doi: 10.7498/aps.63.100502
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研究了在内噪声、外噪声（固有频率涨落噪声）及周期激励信号共同作用下具有指数型记忆阻尼的广义Langevin方程的共振行为. 首先将其转化为等价的三维马尔可夫线性系统，再利用Shapiro-Loginov公式和Laplace变换导出系统响应一阶矩和稳态响应振幅的解析表达式. 研究发现，当系统参数满足Routh-Hurwitz稳定条件时，稳态响应振幅随周期激励信号频率、记忆阻尼及外噪声参数的变化存在“真正”随机共振、传统随机共振和广义随机共振，且随机共振随着系统记忆时间的增加而减弱. 数值模拟计算结果表明系统响应功率谱与理论结果相符.
2014, 63 (10): 100503.
doi: 10.7498/aps.63.100503
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样本熵（或近似熵）以信息增长率刻画时间序列的复杂性，能应用于短时序列，因而在生理信号分析中被广泛采用. 然而，一方面由于传统样本熵采用与标准差线性相关的容限，使得熵值易受非平稳突变干扰的影响，另一方面传统样本熵还受序列概率分布的影响，从而导致其并非单纯反映序列的信息增长率. 针对上述两个问题，将符号动力学与样本熵结合，提出等概率符号化样本熵方法，并对其物理意义、数学推导及参数选取都做了详细阐述. 通过对噪声数据的仿真计算，验证了该方法的正确性及其区分不同强度时间相关的有效性. 此方法应用于脑电信号分析的结果表明，在不对信号做人工伪迹去除的前提下，只需要1.25 s的脑电信号即可有效地区分出注意力集中和注意力发散两种状态. 这进一步证明了该方法可很好地抵御非平稳突变干扰，能快速获得短时序列的潜在动力学特性，对脑电生物反馈技术具有很大的应用价值.
2014, 63 (10): 100504.
doi: 10.7498/aps.63.100504
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研究考虑重力梯度扰动的自由漂浮空间机器人姿态动力学建模方法. 以二连杆空间机器人模型为基础，对机械臂构型固定时系统俯仰姿态受扰运动的非线性特征进行了深入分析. 利用相平面轨迹和Poincaré截面对受扰运动特征进行了描述，反映出受扰运动对轨道偏心率的变化比较敏感，在圆轨道时仅有周期摆动和翻滚两种形式，而在椭圆轨道时出现了准周期运动. 进一步利用系统分岔图、功率谱图对这种非线性运动特征进行了定量分析.
2014, 63 (10): 100505.
doi: 10.7498/aps.63.100505
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基于复杂非线性系统的相空间重构理论，提出了一种基于遗传算法的支持向量机预测方法. 利用改进的自相关法和饱和关联维数法确定混沌信号的时间延迟和嵌入维，从而实现相空间重构. 通过遗传算法优化支持向量机中的惩罚系数和核函数参数，并结合支持向量机建立混沌序列的单步预测模型，从预测误差中检测出淹没在混沌背景中的微弱信号（包括瞬态信号和周期信号）. 以Lorenz系统和加拿大McMaster大学利用IPIX 雷达实测得到的海杂波数据作为混沌背景噪声进行仿真实验，结果表明该方法能够有效地从混沌背景噪声中检测出微弱目标信号，所得的均方根误差为0.00049521（信噪比为-89.7704 dB），这比传统支持向量机方法的均方根误差（0.049，信噪比为-54.60 dB）降低了两个数量级.
2014, 63 (10): 100601.
doi: 10.7498/aps.63.100601
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采用光学频率梳的高精度绝对距离测量技术在航空航天、科学研究和工业生产等领域都发挥着重要作用. 提出一种利用光学频率梳技术，通过检测光强实现绝对距离测量的新方法，研究了光学频率梳发出脉冲的时间相干性，分析了光强与被测距离之间的关系、干涉条纹峰值点位置与被测距离之间的关系. 建立了基于Michelson干涉原理的测距系统，通过测量光强信息得到被测距离. 以高精度纳米位移平台的位移量作为长度基准进行了绝对测距实验，在每个被测距离点都重复进行了10次实验，将10次实验测得的光强值取平均后用于距离的计算. 实验结果表明，该方法可以实现绝对距离测量，在10 μm测量范围内，最大误差为47 nm. 因此，该方法可以应用于大尺寸高精度的绝对距离测量.
2014, 63 (10): 100602.
doi: 10.7498/aps.63.100602
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由于鉴相精度限制、电路等引入的附加相移干扰等因素，传统相位测距技术精度的提高受到了限制. 采用二次偏振调制技术对相位测距技术进行了改进. 利用二次偏振调制方法能够直接在相位调制器上对两次调制信号的相位差进行解调，大幅度简化了系统的复杂程度. 采用变频方法替代传统的鉴相方法，从而系统的测量精度不再受鉴相问题的困扰. 从理论上得到系统输出光强与调制频率成正余弦关系，并进行了实验验证. 基于变频测距的实验中，系统频率的稳定度优于10-6，测量精度可以达到±10.6 μm（被测距离为4.5 m）. 并对一段长200 m的光纤进行了实际测量，得到了清晰的调制频率与系统输出光强的曲线.
2014, 63 (10): 100701.
doi: 10.7498/aps.63.100701
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为满足红外成像光谱仪大光通量、高稳定性的应用需求，提出了一种基于多级阶梯微反射镜的静态化、无狭缝式、新型红外时空联合调制型傅里叶变换成像光谱仪结构. 对其工作原理和光程差的产生方式进行了分析. 作为该成像光谱仪的重要部件，前置成像系统决定了光程差的分布，其性能直接影响到目标物体的图像质量. 根据系统光程差的产生方式，分析和设计了像方远心光路结构的前置成像系统. 利用被动光学消热差方法对前置成像系统进行了消热差研究. 结果表明：当温度在-20–60 ℃的范围内时，各个视场的调制传递函数均达到衍射极限，在多级阶梯微反射镜的总阶梯高度范围内成像质量良好；在不同的温度下，各视场处主光线在像面上的最大入射角小于0.02°.
2014, 63 (10): 100702.
doi: 10.7498/aps.63.100702
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提出了一种双外延高能离子注入的单片集成有源像素探测器的传感器结构，以提升传感器对电荷的收集性能和辐射加固，并进行了三维工艺模拟和物理级器件仿真计算. 研究结果表明，所提出的传感器结构改善了内部电场和电势的分布，且目标电极的电荷收集效率提高70%，电荷收集时间减少64%. 此外，当等效中子辐射流通量在1012–1015 cm-2范围内时，所提出的传感器结构比标准传感器结构有更高的电荷收集能力.
原子和分子物理学
2014, 63 (10): 103401.
doi: 10.7498/aps.63.103401
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利用准经典轨线方法计算了O+DCl→OD+Cl 反应的动力学性质. 所得到的积分反应截面反映出该反应为典型的放热反应，这与势能面反应路径上没有能垒的特点一致. 其微分反应截面的分布表明反应产物的前向散射和后向散射是不对称的，前向散射强于后向散射，因此该反应遵循间接反应机理，此机理通过对反应轨线进行抽样分析得到验证. 反映两矢量K-J’相关的分布函数P（θr）和取向系数2（J’·K）>值的变化趋势均反映出产物分子OD 的取向程度随碰撞能的增加先减弱后增强. 反映三矢量K-K’-J’相关的二面角分布函数P（ør）表明产物分子转动角动量具有沿y 轴的取向效应，当碰撞能较高时出现了比较明显的沿y 轴正向的定向效应. 随着碰撞能的增加，产物分子的转动由“平面内” 机理向“平面外” 机理过渡.
2014, 63 (10): 103101.
doi: 10.7498/aps.63.103101
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以在可见光区有吸收峰的Cs构型的Si2N2分子团簇为研究对象，利用密度泛函B3LYP方法，在aug-cc-pVTZ基组水平下优化得到了处于不同外电场中的Si2N2分子团簇的稳定结构. 分析发现：在不同的外电场中，Si2N2分子构型对称性没有发生改变，均为Cs对称性，且都有6种振动模式；随着外电场强度的逐渐增大，Si2N2 分子振动频率较低的前三种振动模式的频率略有减小，而后三种振动模式的频率逐渐增加；随着外电场强度的逐渐增大，在一定电场范围内最高占据分子轨道与最低空分子轨道的能隙值出现振荡，之后能隙值随着外电场强度的增大而减小. 在此基础上，采用含时密度泛函TD-B3LYP方法研究了外电场对Si2N2分子吸收谱的影响规律. 计算得到的吸收谱范围在紫外-可见光区，这与实验值相符合. 随着外电场强度的逐渐增大，在可见光区吸收谱发生红移，最大跃迁振子强度逐渐增大. 结果表明，施加外电场有利于Si2N2分子在可见光区的吸收，也有利于操控分子特定激发态的电子状态，进而调节相应的跃迁光谱特性，可达到获得所需特定波长的要求.
编辑推荐
2014, 63 (10): 103602.
doi: 10.7498/aps.63.103602
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飞秒强激光与团簇相互作用产生多价离子的现象已被广泛报道，然而近期多个研究小组发现当功率密度低至1010 W/cm2的纳秒激光照射团簇时，同样也观察到了多价离子的存在. 虽然可以用多光子电离引发-逆韧致吸收加热-电子碰撞电离电离机理对这种现象进行解释，但是缺乏相应的数值模拟. 建立了一个简化的数值模型，根据有质动力势Up计算团簇内电子能量，再由Lotz公式计算出相应的电离截面，最后由动力学反应速率方程计算出团簇内多价碳离子随时间的演变. 详细分析了团簇尺寸、电子密度等关键参数对多价离子产生的影响. 数值模拟结果表明：团簇电离在小于0.7 ns 时间尺度内完成，C2+，C3+和C4+多价离子强度达到平衡后，离子相对强度由大到小依次为C2+，C3+，C4+，这与实验结果相一致；多价离子的价态随着团簇尺寸的增加而升高，半径为5.6 nm的苯团簇比半径为3 nm的苯团簇更容易产生高价态的离子，这也与实验结果相一致.
2014, 63 (10): 103601.
doi: 10.7498/aps.63.103601
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利用瑞利散射方法研究了超声喷流Ar-CH4混合团簇和超声喷流Ar-H2混合团簇的特性. 通过测量不同混合比例和不同背压下所形成混合团簇的散射信号发现，当用Ar气和CH4的混合气体进行超声喷流时很容易形成Ar-CH4 混合团簇，当Ar气含量为50%时混合团簇尺度最大且大于相同气压下纯Ar团簇尺度和纯CH4团簇尺度. 实验发现，与纯H2团簇只能在低温条件下获得不同，常温下即可形成Ar-H2混合团簇，实现了常温下含氢团簇的获取，从而有效降低了制备成本. 在H2含量大于40% 时混合团簇开始形成并在60%时达到最大尺度. 含氢（氘）混合团簇在氢（氘）团簇的基础上引入了更重的异核Ar元素，在激光氘团簇聚变实验中它将进一步加速氘离子从而获得更高的能量，并具有更高的中子产额和聚变效率.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2014, 63 (10): 104101.
doi: 10.7498/aps.63.104101
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根据Debye 模型、Drude 模型和Lorentz 模型3 种常见色散介质模型频域极化率的特点, 利用频域到时域的转换关系jω→∂/∂t, 将极化矢量P 与电场强度E 的频域关系转换成时域内关于P 的二阶微分方程, 其对3 种色散介质模型皆适用, 具有统一的形式. 然后采用相比于中心差分具有更高精度的Newmark 两步算法(Newmark-β-γ 法) 求解该方程, 进而得到E→P 的递推公式, 再结合本构关系得到D→E的时域递推式.实现了色散介质电磁场量的时域有限差分迭代计算. 数值计算结果表明该方法是适用于3 种色散介质模型的通用算法, 并且相比于移位算子时域有限差分方法等以中心差分为基础的离散方案具有更高的计算精度.
2014, 63 (10): 104201.
doi: 10.7498/aps.63.104201
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根据光束扩展理论，以部分相干的电磁高斯-谢尔光束为研究对象，分析了电磁光束传输时其偏振特性的变化机理. 结果表明，光源参数和大气湍流对电磁光束分量扩展的影响是导致传输过程中电磁光束偏振特性变化的原因. 在真空中传输时，电磁光束两分量的相干性存在差异，导致传输时电磁光束两分量扩展快慢不同，从而引起传输路径上光束谱偏振度的变化. 在大气湍流中，电磁光束两分量扩展的快慢与光源参数和大气湍流强度均有关，当传输路径较短时，电磁光束偏振变化主要与光源参数有关，变化特性与在真空中传输时的情况类似，而传输距离较远时，电磁光束偏振变化受大气湍流的影响明显，变化特性与在真空中传输时的情形存在不同.
2014, 63 (10): 104202.
doi: 10.7498/aps.63.104202
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随着高性能第三代同步辐射光源的建成开放，基于X射线相干特性的实验方法得到了快速发展和广泛应用. 作为一个典型的例子，X射线相位衬度成像已经成为常规的X射线实验方法并向用户开放. 相干散射、相干衍射成像、光子关联谱等X射线实验方法正日益受到重视，在高空间分辨、时间分辨等研究领域已显示出其独特的优越性. 因此，研究和测量第三代同步辐射的空间相干特性对进一步发展这些新的实验方法具有重要意义. 基于Talbot自成像原理成功测量了上海光源X射线成像线站发射的X射线的空间相干长度，并进而测得了相应光源的空间尺度. 光子能量为33.2 keV时，测得的X射线光束垂直方向空间相干长度为8.84 μm，对应的光源尺寸为23 μm，测量结果与理论分析相符.
2014, 63 (10): 104203.
doi: 10.7498/aps.63.104203
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研究了相干场成像技术（又称傅里叶望远术）的基本原理，从理论上分析其局限性，明确定义测量对象并通过曲面积分推导成像过程中的数学关系. 结果表明，该技术的重建图像中含测量对象表面的梯度信息，其对物体表面反射率分布的测量是不准确的，并进行了计算机仿真验证. 这为评估该技术成像结果和进一步发展相干场三维成像提供借鉴.
2014, 63 (10): 104205.
doi: 10.7498/aps.63.104205
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导出了高斯光束在梯度负折射率介质中的ABCD矩阵，据此得到光束在此介质中的传输模型. 并利用此模型分析了高斯光束在梯度负折射率介质中的传输特性，发现它能产生空间孤子及呼吸子形式的传输，并发现光束的束腰半径不一定是最小束宽半径. 还研究了梯度系数对介质聚焦能力的影响，据此可以设计出相应聚焦能力所需要的折射率分布. 最后分析了传输时高斯光束曲率半径的变化情况，与光束束宽半径的变化显著不同，曲率半径始终从无穷大开始，然后产生一个个周期性的变换.
2014, 63 (10): 104206.
doi: 10.7498/aps.63.104206
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不同的图像采集策略下，基于分析晶体相衬成像技术的折射信息提取方法（衍射增强成像法、广义衍射增强成像法、多图成像法）的折射角提取结果有明显的差异. 与摇摆曲线腰位作为图像采集位置的传统策略相比，采集位置靠近摇摆曲线中轴时，衍射增强成像法能够提取得到更好的折射角结果. 广义衍射增强成像法的三个图像采集位置相对摇摆曲线中轴对称时，折射角的提取结果好于采集位置非对称的结果，并且采集位置靠近摇摆曲线中轴时，折射角的提取结果好于摇摆曲线腰位或趾位的结果. 对于多图成像法，相邻图像采集位置的角度间隔大于摇摆曲线半高全宽时，折射角提取结果非常差；而当角度间隔小于半高全宽并且图像采集位置对应的角度范围接近样品的最大折射角理论值时，能够获得很好的折射角提取结果. 此研究有助于实验上对图像采集策略的合理选择以及对折射信息提取方法的更深理解.
2014, 63 (10): 104207.
doi: 10.7498/aps.63.104207
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提出了一种双Lloyd镜数字全息显微测量技术. 其基本思想是将Lloyd镜的共光束自干涉特性与双波长光学相位解包裹方法相结合，使用两个Lloyd镜调节参考光与物光夹角以形成共光束自干涉，从而获得一张双波长复合全息图，再通过角谱法再现得到每个波长对应的包裹相位，利用两波长的相位差求得解包裹后的相位图和三维高度分布图. 采用532和632 nm两波长记录全息图，通过数值再现重构被测物体的振幅和相位信息. 与标定值相比，实验值的误差小于5%，证明了该方法的有效性.
2014, 63 (10): 104208.
doi: 10.7498/aps.63.104208
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微片激光器由于自身的内应力会输出频率分裂的正交偏振的两个模式. 研究了回馈对微片激光器频差的影响. 研究发现：在回馈的作用下微片激光器的频差大小呈现出以初始频差为中心的类正弦的频差调制，周期为λ/2；频差调制曲线的幅度与回馈水平成正比，但是当回馈水平过强时会出现偏振态跳变，从而使频差消失；在一定的回馈外腔范围内，频差调制曲线的幅度与初始频差亦成正比. 并利用复合腔模型和激光器的自洽理论进行了理论分析和模拟，所得结果与实验结果相符. 此调制现象在精密测量领域有潜在应用.
2014, 63 (10): 104209.
doi: 10.7498/aps.63.104209
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通过仿真计算和实验研究了一种基于频率选择表面的双层改进型互补结构太赫兹带通滤波器. 对四裂缝互补型电感电容式谐振单元结构进行了改进，可以在提高滤波性能的同时增加单晶石英介质衬底的厚度.利用电磁仿真技术设计并加工了中心频率为0.28 THz的带通滤波器，并利用太赫兹时域光谱仪测试了在0.1–0.6 THz范围内此滤波器的传输频谱特性，实验结果与仿真结果基本一致. 结果表明，利用双层改进型互补结构可以设计出对于入射角度不敏感、带外抑制佳、边带陡峭度大、能有效抑制寄生谐振的宽带太赫兹带通滤波器，并降低了加工难度.
2014, 63 (10): 104210.
doi: 10.7498/aps.63.104210
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基于Gyrator变换，推导了广义双曲正弦-高斯光束场分布的解析表达式，研究了广义双曲正弦-高斯光束在Gyrator变换平面上的光强分布和相位特性. 结果表明，在Gyrator变换过程中，具有边缘位错相位特性的双曲正弦-高斯光束能转换为具有涡旋的暗空心光束，并确定产生的暗空心光束的拓扑荷指数为一，而不具有边缘位错相位特性的双曲余弦-高斯光束则不可能出现空心结构. 对影响变换场强度和相位分布的束结构参数及系统参数进行了分析讨论.
2014, 63 (10): 104211.
doi: 10.7498/aps.63.104211
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针对高能量千赫兹重复频率飞秒激光的应用需求，设计了一套采用线性再生腔结构的高效率飞秒钛宝石激光啁啾脉冲放大系统. 通过优化腔型设计，在重复频率为1 kHz、单脉冲能量为20 mJ 的527 nm激光抽运下，将展宽后的800 nm啁啾脉冲激光的能量放大到5.8 mJ，对应斜效率达到30.7%. 进一步通过色散补偿压缩脉冲宽度，获得了单脉冲能量为4 mJ、脉冲宽度为45.7 fs的输出，稳定性测量表明激光的能量抖动仅为0.18%（均方根值）.
2014, 63 (10): 104212.
doi: 10.7498/aps.63.104212
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为了进一步深入了解超高功率光纤激光深熔焊接过程中等离子体特征，试验拍摄了深熔小孔内外等离子体形态，并采用光谱仪检测分析了光纤激光致等离子体光谱信号. 利用检测得到的等离子体光谱信号，计算研究了等离子体的电子温度、电子密度、电离度以及等离子体压力特征，并分析了在小孔内不同深度处及孔外等离子体的变化规律. 结果表明，孔内等离子体呈现不均匀分布特征，孔外金属蒸气远多于等离子体. 等离子体光谱分析显示，光纤激光致等离子体辐射出的谱线较少，即电离程度较低. 进一步的计算结果同样证实了光纤激光致等离子体处于弱电离状态，但等离子体电子密度仍然处于较高水平，且等离子体瞬态压力可达到数百个大气压.
2014, 63 (10): 104213.
doi: 10.7498/aps.63.104213
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建立了利用激光诱导击穿光谱（LIBS）技术分析脐橙中Pb含量的多元线性回归定量分析模型. 选用脐橙中Ca Ⅱ 393.37 nm与Ca Ⅱ 396.84 nm特征谱线强度之和、Pb I 405.78 nm特征谱线强度、在405.03–405.96 nm范围内Pb元素的谱线积分强度作为自变量，得到了回归关联式，通过方差分析和回归统计验证了关联式的可行性. 结果表明，多元线性回归模型预测值与原子吸收光谱法检测值之间的相对误差最大值为12.99%，平均值为4.87%，并且利用这两种方法得到的结果拟合效果很好，拟合度达到0.995. 这说明多变量的定标法能比较充分地利用光谱中的信息，降低基体效应的影响，从而提高LIBS 定量分析的精确度，并对LIBS技术进一步应用于水果中重金属元素的定量检测提供了实验指导.
2014, 63 (10): 104214.
doi: 10.7498/aps.63.104214
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研制了一套接收硬目标回波的差分吸收激光雷达系统以用于全天候监测大气CO2浓度变化. 系统采用10和12 kHz正弦波分别对处在CO2吸收峰内和吸收峰外的波长进行强度调制，利用单频检测技术提取回波信号. 提出了一种利用激光扫频推算系统精度的方法，从而弥补了长期以来只能在理论上计算差分吸收激光雷达系统精度的不足，给实际系统自定标问题提供了一种解决方案. 该系统采用全光纤结构，结构可靠，便于移动. 利用此系统获得了上海市多天CO2浓度变化曲线，在450 m的积分路径长度上，1 s 的积分时间取得了优于3.39×10-6的测量精度.
2014, 63 (10): 104215.
doi: 10.7498/aps.63.104215
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求出了高阶Hirota方程在可积条件下的一种精确呼吸子解，并基于此呼吸子解得到了Hirota方程的一种怪波解. 在此怪波解的基础上研究了怪波的激发，发现对平面波进行周期性扰动可以激发怪波，对平面波进行高斯扰动可以更快地激发怪波，还可以直接在常数项上增加高斯扰动激发怪波. 作为一个实例，采用分步傅里叶方法数值研究了在考虑自频移和拉曼增益时怪波的传输特性，自频移使怪波中心发生偏移，拉曼增益使得怪波分裂得更快，而且拉曼增益值越大怪波分裂得越快，但是拉曼增益对怪波的峰值强度没有明显影响. 最后数值模拟了相邻怪波之间的相互作用特点，随着怪波之间距离的减小，怪波将合二为一，成为一束怪波，之后再分裂，并分析了拉曼增益和自频移对怪波相互作用的影响.
2014, 63 (10): 104216.
doi: 10.7498/aps.63.104216
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针对InGaAs单光子雪崩光电二极管（SPAD）的光电感应特性，研究了基于门控主动式淬灭的SPAD动态偏置控制和电路实现的策略. 采用门控主动淬灭控制可降低淬灭时间，有效抑制暗计数和后脉冲效应. 接口感应检测电路采用标准互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺进行制造，而SPAD则采用非标准CMOS工艺. 利用铟柱互连混合封装工艺实现SPAD与感应接口电路的协同工作. 在低温-30 ℃的条件下，实现了SPAD光触发雪崩电流信号的提取和快速淬灭. 研究了感应电阻和临界检测电压对传感检测电性能的影响，并采用简单电路结构实现状态检测，实测得到的SPAD恢复时间、传输延时分别为575，563 ps，淬灭时间为1.88 ns，满足纳秒级精度传感检测应用的需要.
2014, 63 (10): 104217.
doi: 10.7498/aps.63.104217
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从产生大气湍流随机相位屏的功率谱反演法原理出发，分析了均匀采样造成的随机相位屏大量低频信息泄漏的不足，提出利用非均匀采样方法对功率谱进行滤波产生随机相位屏. 建立了非均匀采样模型，并分析比较了两种采样方法覆盖的采样频率范围和单边采样频率区域的湍流功率，理论证明了非均匀采样功率谱反演产生大气湍流随机相位屏的可行性和有效性. 针对大气湍流的Kolmogorov 谱，分别仿真计算了两种采样模型下功率谱反演生成的大气湍流随机相位屏. 仿真结果表明，在不增加采样点和计算量条件下，非均匀采样方法生成的大气湍流随机相位屏具有丰富的低频和高频信息，有效改善了传统功率谱反演大气湍流随机相位屏时低频信息严重不足的缺陷.
2014, 63 (10): 104301.
doi: 10.7498/aps.63.104301
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针对线性调频信号同步相关的旁瓣、m序列扩频同步的序列自噪声和二进制相移键控调制信号在主瓣周围一个码片范围内存在较强烈的旁瓣三个问题，提出了一种基于二进制偏移载波（BOC）调制信号的无干扰窗水声同步方式. 利用互补序列的非周期自相关函数之和为零的特殊性质，实现了在主瓣周围一个码片范围外，零相关窗范围内的无干扰窗. 使用BOC（1，1）方式对信号进行亚载波调制，以减少主瓣周围一个码片范围内的旁瓣. 对单通道信号和双通道信号的零相关窗形式都进行了设计，通过仿真和实验验证了BOC零相关窗方法在水声系统的同步、信道测量和估计中的有效性.
2014, 63 (10): 104302.
doi: 10.7498/aps.63.104302
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近几十年来，匹配场处理技术得到了广泛深入的研究，并针对实际应用提出了一系列的具体处理算法. 当感兴趣的水下目标信号被水面强干扰信号掩蔽时，对水下目标的匹配场处理定位性能显著下降. 现有的广义空域滤波器可以抑制水面强干扰，但计算速度较慢并且内存消耗较大. 提出了一种基于压缩拷贝场算法的空域滤波器设计方案，并通过非相干叠加处理宽带问题. 相对于现有的空域滤波器，当接收阵元数N大于波导中有效简正波号数Q时，该滤波器可以大幅度缩减计算时间、节约运行内存，并且保持了对水面强干扰的抑制性能. 针对近岸浅海环境进行了仿真计算，并给出了一些近岸浅海海域试验数据处理结果，验证了该空域滤波器的性能和对计算速度的提升. 结果表明，应用基于压缩拷贝向量的矩阵滤波器对强干扰下的弱目标进行宽带非相干匹配场定位，可实现水下目标的有效区分.
2014, 63 (10): 104303.
doi: 10.7498/aps.63.104303
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为了利用声场中少量测点声压数据精确重建复杂结构的辐射声场，提出了源强密度声辐射模态分析理论和声场重建公式. 在结构表面定义的空间上，利用以源强密度分布函数为参量的结构辐射声功率泛函表达式定义了一个线性自伴正辐射算子，该算子的特征函数为结构的源强密度声辐射模态. 然后通过对矩形平板和带有半球帽的圆柱体的源强密度声辐射模态的分析，证明了源强密度声辐射模态具有空间滤波特性，并利用该性质建立了声场重建公式. 球体仿真和平板实验验证了所提出的声场重建方法的可行性和稳健性. 基于源强密度声辐射模态的声场重建方法简单，利用较少测点数据就可以获得较高的声场重建精度，特别适合于复杂结构的低频声场重建.
2014, 63 (10): 104304.
doi: 10.7498/aps.63.104304
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纳米力学方法适用于具有离散特性的材料. 利用纳米力学方法，得出声波在多层皮肤组织中的波动方程. 分别改变黑素瘤皮肤的泊松比、黑素瘤侵袭厚度（Breslow深度）、节间距离，计算多层皮肤结构模型对垂直入射纵声波的反射系数. 同时计算了声速和声衰减系数随组织参数的变化. 计算结果表明，可综合利用一定频率段内反射系数最小点数、声速和衰减系数的变化来表征正常皮肤和病变皮肤.
2014, 63 (10): 104501.
doi: 10.7498/aps.63.104501
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基于El-Nabulsi动力学模型，研究了小扰动作用下Birkhoff系统Noether对称性的摄动与绝热不变量问题. 首先，将El-Nabulsi提出的在分数阶微积分框架下基于Riemann-Liouville分数阶积分的非保守系统动力学模型拓展到Birkhoff系统，建立El-Nabulsi-Birkhoff方程；其次，基于在无限小变换下El-Nabulsi-Pfaff作用量的不变性，给出Noether准对称性的定义和判据，得到了Noether对称性导致的精确不变量；再次，引入力学系统的绝热不变量概念，研究El-Nabulsi动力学模型下受小扰动作用的Birkhoff系统Noether对称性的摄动与绝热不变量之间的关系，得到了对称性摄动导致的绝热不变量的条件及其形式. 作为特例，给出了El-Nabulsi动力学模型下相空间中非保守系统和经典Birkhoff系统的Noether对称性的摄动与绝热不变量. 以著名的Hojman-Urrutia问题为例，研究其在El-Nabulsi动力学模型下的Noether对称性，得到了相应的精确不变量和绝热不变量.
2014, 63 (10): 104502.
doi: 10.7498/aps.63.104502
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研究了相空间中相对运动完整力学系统的共形不变性与守恒量. 给出了该系统共形不变性的定义，并推导出相空间中相对运动完整力学系统的运动微分方程具有共形不变性并且是Lie对称性的充分必要条件. 利用规范函数满足的结构方程导出该系统相应的守恒量，并给出应用算例.
2014, 63 (10): 104503.
doi: 10.7498/aps.63.104503
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基于侧壁分为上下两部分的装置，测量了圆柱对称颗粒系统（竖直粮仓）的压力随高度的变化，并讨论了测得的仓内压力与Janssen理论模型的偏离情况. 实验结果显示无论是否对粮仓进行Vanel等建议的让“侧壁摩擦力充分动员”的底座缓慢下沉操作处理，测得的仓内压力都有不同程度的偏离Janssen现象. 另外如果没有沉降处理，在填充颗粒的荷载下上侧壁会发生微弱下沉，从而显著增大压力偏离的程度，但沉降处理可将其消除. 这些结果表明，粮仓的颗粒重量在仓底和沿侧壁边界上的分配情况受制备方式和装置变形的影响明显，具体分布情况复杂多样. 因此颗粒物质的静应力弹性理论分析应该取应力边界条件.
2014, 63 (10): 104701.
doi: 10.7498/aps.63.104701
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基于疏水固壁改性会引起润湿性反转的特点，采用考虑固体与液体间分子力的格子Boltzmann方法，从壁面的线性和瞬时改性两方面对润湿性反转现象进行了数值模拟，并结合流体体积方法处理界面层质量. 结果表明：壁面线性改性的过程中润湿性反转变化平稳，润湿所需时间大幅减少，所得到的接触角与固液吸引力系数的关系与其他文献结果一致；壁面瞬时改性幅度越大说明固壁对液滴作用力越强，表现为润湿性变化越明显，瞬时改性后接触角随时间呈指数规律变化，这与现有结论相符合. 研究发现：在改性条件下液膜铺展过程中伴随着振荡变化，线性改性的振动峰值与改性幅度相关；瞬时改性的液膜速度会在某一时刻突然增大，这种现象与夹带空气有关.
2014, 63 (10): 104702.
doi: 10.7498/aps.63.104702
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研究了耗散粒子动力学基于计算统一设备架构的图形处理器（GPU）并行计算的实施. 对其中涉及的算法映射模型、Cell-List法数组的并行化更新、随机数生成、存储器访问优化、负载平衡等进行了详细的讨论. 进一步模拟了Poiseuille流动和突扩突缩流动，从而验证了GPU计算结果的正确性. 计算结果表明，相对于基于中央处理器的串行计算，在耗散粒子动力学中实施GPU 并行计算可以获得约20倍的加速比.
2014, 63 (10): 104401.
doi: 10.7498/aps.63.104401
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混合流体Rayleigh-Bénard对流是研究非平衡对流的非线性动力学特性的典型模型之一. 基于流体力学方程组的数值模拟，首先探讨了矩形腔体中具有强Soret效应（分离比Ψ=-0.60）的混合流体行波对流的分叉特性及斑图演化，沿着分叉曲线的上部分支，随着相对瑞利数的增加，此系统依次出现了局部行波对流、具有缺陷的行波对流、行波对流、摆动行波对流及定常对流5种行波对流解. 然后，研究了分离比Ψ对对流解的影响，与弱Soret效应（Ψ=-0.11）时的对流解相比较，强Soret效应（Ψ=-0.60）时出现的对流解更丰富. 由于有强Soret效应的对流的复杂性，Ψ=-0.60时的对流解与Ψ=-0.20，-0.4 时的对流解不同.
2014, 63 (10): 104204.
doi: 10.7498/aps.63.104204
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在低双折射光纤中，利用线偏振光满足的包含拉曼效应的非线性耦合模传输方程，通过引入斯托克斯参量，导出了斯托克斯参量所满足的耦合模传输方程. 利用庞加莱球图示法，描述了拉曼增益效应作用下光波偏振态的演化，研究分析了拉曼效应对低双折射光纤中光波偏振态演化规律的影响. 结果表明，当输入功率与运动常量满足一定关系时，拉曼增益效应改变了光波传输时其偏振态演化周期和偏振态的椭圆率.
综述
2014, 63 (10): 104218.
doi: 10.7498/aps.63.104218
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报道了国际上关于硅基光子集成的最新研究进展和本课题组在该领域的研究成果，包括对一些光收发模块、Ⅲ-V族/硅基激光器等集成器件的结构改进和工艺的探索，展示了兼容互补金属氧化物半导体工艺的硅基光子集成在信息技术领域中的巨大前景. 可以预见，硅基光子集成已成为硅光子学的主要研究内容，硅光子学及硅基光子集成的发展目标是趋向更高速率、更低功耗及更大集成密度.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2014, 63 (10): 106101.
doi: 10.7498/aps.63.106101
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单壁碳纳米管能够强烈吸收光线，尤其是在近红外区域，并能将光能转换成热能. 同时，单壁碳纳米管还具有相当大的将热能转换成电能的能力. 通过真空过滤方法，将由化学气相沉积生成的单壁碳纳米管阵列制备成单壁碳纳米管膜. 根据研究的需要设计了一个简单的单壁碳纳米管膜光伏性质测试实验装置，并在其两端成功地实现了由红外光转换为电压输出. 通过功能化步骤，制备了单壁碳纳米管/三聚氰胺甲醛树脂复合材料膜，实验结果表明该复合材料能产生符号相反的输出电压. 这预示着单壁碳纳米管及其三聚氰胺甲醛树脂复合材料在光电领域具有良好的应用前景.
2014, 63 (10): 106102.
doi: 10.7498/aps.63.106102
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实验中已发现氦离子低温预辐照不锈钢材料能有效抑制高温辐照阶段的氦泡生长，但这一结果一直缺少理论解释. 基于持续注入粒子的三维格子气模型，采用Monte Carlo模拟方法研究了不同温度模式对氦泡生长行为的影响. 研究发现，计算结果能很好地再现氦离子低温预注入抑制高温氦泡生长的实验现象，其原理为低温预注入时材料中形成了较高数密度的小氦泡，由于氦泡数量较多从而限制了氦泡平均尺寸的增大.
2014, 63 (10): 106801.
doi: 10.7498/aps.63.106801
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研究了金属表面电子发射阈值的测量原理. 以待测材料为阴极，以法拉第筒作为阳极收集电子. 在“晨光号”加速器上，测量了不同粗糙度的304L不锈钢和铝表面电子发射阈值及经表面涂覆工艺处理后这两种电极材料表面电子发射阈值. 研究发现：电极表面磨光可以抑制电子发射，随着粗糙度的增加，电子发射阈值降低；金属表面涂覆对抑制电子发射效果更为显著，电子发射阈值增加了一倍.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2014, 63 (10): 107101.
doi: 10.7498/aps.63.107101
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对于V高掺杂ZnO，当摩尔分数为0.0417–0.0625时，随着掺杂量的增加，吸收光谱出现蓝移减弱和蓝移增强两种不同实验结果均有文献报道. 采用密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法，构建未掺杂ZnO单胞模型、V高掺杂Zn1-xVxO（x=0.0417，0.0625）两种超胞模型，采用GGA+U 方法计算掺杂前后体系的形成能、态密度、分波态密度、磁性和吸收光谱. 结果表明，当V 的掺杂量（原子含量）为2.083%–3.125%时，随着V掺杂量增加，掺杂体系磁矩增大，磁性增强，并且掺杂体系体积增加，总能量下降，形成能减小，掺杂体系更稳定，同时，掺杂ZnO体系的最小光学带隙增宽，吸收带边向低能级方向移动. 上述计算结果与实验结果一致.
2014, 63 (10): 107102.
doi: 10.7498/aps.63.107102
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基于第一性原理的理论计算，研究了不同氟化程度的BC3，BC5，BC7 的稳定结构和电子特征，发现通过B原子替代C原子，F原子与平面结构的结合能力更强了，氟化的硼碳结构比氢化的硼碳结构更加稳定. 研究发现：当只有C原子与F原子成键时，体系变成半导体，而当B原子与F 原子成键时，即所有原子都与F 原子成键，体系变成导体. 通过不同程度的氟化，BC3发生半 导体-金属的转变，BC5和BC7 发生金属-半导体-金属的转变. 理论分析表明，B原子的pz 轨道对电学性质变化有较大影响. 由于其丰富的电学特性，此类氟化硼碳平面在纳米电子器件领域中具有潜在应用，并且该结果对实验合成也有一定的指导意义.
2014, 63 (10): 107103.
doi: 10.7498/aps.63.107103
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利用第一性原理计算方法，研究了CuHg2Ti结构下Ti2CrK（K=Sb，Ge，Sn，Sb，Bi）系列合金的电子结构、能隙起源和磁性. 研究发现：Ti2CrK（K=Si，Ge）合金是普通半导体材料；Ti2CrK（K=Si，Bi）合金是亚铁磁性半金属材料，其半金属性能隙受到Sb 和Bi 原子s 态的直接影响；Ti2CrSn合金是完全补偿的亚铁磁性半导体. 基于Ti2CrSn合金两个自旋方向上的能隙起源不同，通过Si和Ge替换掺杂同族Sn元素调制能隙的宽度，获得了完全补偿亚铁磁性自旋无能隙材料；通过Fe和Mn替换掺杂过渡族Cr元素获得了一系列半金属材料. Ti2Cr1-xFexSn 和Ti2Cr1-xMnxSn合金都具有亚铁磁性. 所研究的这些半金属性合金的分子磁矩Mtotal 与总的价电子数Zt服从Mtotal=Zt-18 规则.
2014, 63 (10): 107105.
doi: 10.7498/aps.63.107105
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运用改进的无规元素等位移模型和玻恩-黄近似，结合电磁场的麦克斯韦方程和边界条件，研究了真空/极性二元晶体薄膜/极性三元混晶薄膜/极性二元晶体衬底四层系统的表面和界面声子极化激元. 以AlxGa1-xAs/GaAs和ZnxCd1-xSe/ZnSe为例，获得了表面和界面声子极化激元模的色散关系以及表面模和界面模的频率随混晶组分和薄膜厚度的变化关系. 结果表明，三元混晶四层异质结系统中存在七支表面和界面声子极化激元模，且这七支表面模和界面模的频率随混晶组分和薄膜厚度呈非线性变化，三元混晶的“单模”和“双模”性也在色散曲线中得到了很好的体现.
2014, 63 (10): 107301.
doi: 10.7498/aps.63.107301
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对于纤锌矿结构ZnO/MgxZn1-xO有限深单量子阱结构，考虑内建电场、导带弯曲及材料掺杂对实际异质结势的影响，利用有限差分法和自洽法数值求解Schrödinger方程和Poisson 方程，获得电子（空穴）的本征能级和本征波函数. 进而，采用费米黄金法则讨论带间光吸收的尺寸效应和三元混晶效应. 结果表明：三元混晶材料MgxZn1-xO中Mg组分的增加会增强垒层和阱层的内建电场强度，使得电子（空穴）平均位置靠近左（右）垒，导致带间跃迁吸收峰呈指数减小且发生蓝移；ZnO/MgxZn1-xO 量子阱带间跃迁吸收峰随阱宽增大而减小，吸收峰发生红移. 所得结果可为改善异质结构材料和器件的光电性能提供理论指导，以期获得实际应用所需的光学吸收频谱和波长.
2014, 63 (10): 107302.
doi: 10.7498/aps.63.107302
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为降低绝缘体上硅（SOI）横向双扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件的导通电阻，同时提高器件击穿电压，提出了一种具有纵向漏极场板的低导通电阻槽栅槽漏SOI-LDMOS器件新结构. 该结构特征为采用了槽栅槽漏结构，在纵向上扩展了电流传导区域，在横向上缩短了电流传导路径，降低了器件导通电阻；漏端采用了纵向漏极场板，该场板对漏端下方的电场进行了调制，从而减弱了漏极末端的高电场，提高了器件的击穿电压. 利用二维数值仿真软件MEDICI对新结构与具有相同器件尺寸的传统SOI结构、槽栅SOI结构、槽栅槽漏SOI 结构进行了比较. 结果表明：在保证各自最高优值的条件下，与这三种结构相比，新结构的比导通电阻分别降低了53%，23%和提高了87%，击穿电压则分别提高了4%、降低了9%、提高了45%. 比较四种结构的优值，具有纵向漏极场板的槽栅槽漏SOI结构优值最高，这表明在四种结构中新结构保持了较低导通电阻，同时又具有较高的击穿电压.
2014, 63 (10): 107701.
doi: 10.7498/aps.63.107701
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采用德国Trioptics公司生产的新一代全自动高精度折射率测量仪，测量了磷酸二氢钾（KDP）晶体不同部位的样品位于近紫外到近红外波段（0.253–1.530 u m）内12个不同波长处的折射率，测量精度达到10-6量级. 结果表明，大尺寸KDP晶体不同部位样品的折射率存在不均一性，靠近晶体恢复区的样品折射率小于晶体锥头区的样品折射率，偏差在10-5–10-4量级. 研究发现，这种折射率不均一性与晶体不同部位的结晶质量存在差异有关. 另外，将测量数据与其他文献中的数据进行对比. 结果显示，所测试的样品数、波段宽度、测量点数量以及数据的精度均超过其他文献，结合测试条件分析了不同文献数据存在差异的原因. 最后，使用最小二乘法拟合得到了KDP晶体较为可靠的Sellmeier方程.
2014, 63 (10): 107801.
doi: 10.7498/aps.63.107801
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采用Frens法制备金纳米粒子溶胶，通过界面自组装技术在掺磷的非晶碳衬底表面构筑三维的金/氧化石墨烯/金复合结构. 以罗丹明B为探针分子，考察金/氧化石墨烯/金复合材料的表面增强拉曼散射活性. 结果表明，由于氧化石墨烯的化学增强和金纳米粒子的电磁场增强的协同作用，在该三维复合材料上获得了很强的罗丹明B拉曼信号. 所设计的三维金/氧化石墨烯/金复合材料在生物分析、环境监测、疾病防控、食品安全等领域具有潜在的应用价值.
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2014, 63 (10): 107802.
doi: 10.7498/aps.63.107802
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采用基于传统熔融淬冷技术的热化学还原法制备了系列Ag纳米颗粒复合Ho3+/Tm3+ 共掺铋锗酸盐玻璃样品，研究了Ag纳米颗粒含量对玻璃2 m发光特性的影响. 结果表明，Ag纳米颗粒的表面等离子体共振带位于500900 nm，峰值位于650 nm，透射电子显微镜图像中观察到均匀分布的Ag纳米颗粒，尺寸约为510 nm. 通过测试玻璃样品在1.72.3 um 波段的荧光光谱发现，Ag掺杂后Ho3+ 离子2 m处的荧光强度得到了极大的提高，其中AgCl掺杂质量分数为0.3%时的荧光强度比未掺杂时的荧光强度增强10倍，这归因于Ag纳米颗粒的局域场增强作用. 计算得到Ho3+离子的吸收截面为0.49110-20 cm-2，发射截面为1.0310-20 cm-2，当增益系数为0.2时即可实现正的增益.
2014, 63 (10): 107803.
doi: 10.7498/aps.63.107803
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采用离散偶极子近似方法计算了内嵌圆饼空心方形银纳米结构的消光光谱以及其近场的电场强度分布，并进一步与空心方形纳米结构的消光光谱和表面电场做比较. 结果表明，在耦合作用下内嵌圆饼空心方形银纳米结构不仅产生了新的共振模式，而且新的共振模式在传统表面增强拉曼散射的激发波长范围内，进而可以弥补由于实验上运用纳米切片法所制备的空心方形纳米结构尺寸较大导致其共振吸收峰在远红外波长范围的不足. 此外，可以通过改变内嵌圆饼空心方形银纳米结构的形貌参数调节其表面等离子体共振峰的共振波长，以满足在表面增强拉曼散射、生物分子或化学分子探测上的应用.
2014, 63 (10): 107901.
doi: 10.7498/aps.63.107901
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针对激光辐照聚甲醛的烧蚀现象，建立了一种包含升温、相变、热解及热解产物飞散等过程的热-化学耦合模型. 采用无规热解模型描述聚甲醛升温后的热解过程，给出了不同热解率下热解产物的组成. 利用基团贡献法计算烧蚀产物组分的热力学性质，并按照混合法则确定烧蚀产物混合物的名义标准沸点和临界温度. 当烧蚀产物温度低于临界温度时，以液态蒸发机理表征热解产物的烧蚀，用Knudsen层关系式计算烧蚀质量；反之热解产物飞散由气体动力学机理控制，采用间断守恒关系及Jouguet条件描述烧蚀进程. 本模型可给出激光辐照下聚甲醛的烧蚀质量、烧蚀温度、烧蚀产物组成和不同机理的烧蚀比率. 与实验结果对比表明，当激光能量密度小于30 J/cm2时本模型能准确地描述烧蚀过程.
2014, 63 (10): 107104.
doi: 10.7498/aps.63.107104
摘要 +
在可见光–近红外波段的不同波长下，测量了半导体-金属相变过程中氧化钒薄膜样品的反射率和透射率. 在薄膜相变过程中，不同波段的反射率曲线和透射率曲线表现出不同的变化趋势. 利用非相干光在薄膜中的多级反射-透射模型，计算了相变过程中不同波长下氧化钒薄膜的折射率n和消光系数k随温度的变化. 结果表明，在相变温度附近氧化钒薄膜光学性质的异常变动，其原因既有薄膜的折射率和消光系数随波长的变化趋势不同，也有在吸收性薄膜中存在探测光多次反射和透射的累加效应.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
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2014, 63 (10): 108101.
doi: 10.7498/aps.63.108101
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采用高温高压（HPHT）方法，以水热法制备的聚乙烯醇包覆FeOOH纳米棒为前驱体，合成了碳包覆-Fe2O3纳米棒. 通过使用多种表征方法，研究了HPHT过程中合成温度对样品结构和形貌的影响，并对样品的生长机理进行了探讨. 利用振动样品磁强计测量了样品的室温磁学性质. 实验结果表明，反应温度为400 ℃，压强为1 GPa条件下制备的碳包覆-Fe2O3纳米棒具有较高的长径比（直径约为20 nm，长度约为150 nm），矫顽力可达到330 Oe（1 Oe=79.5775 A/m）. 该方法为制备具有核壳结构的一维纳米材料提供了新思路.
2014, 63 (10): 108701.
doi: 10.7498/aps.63.108701
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为了使Eigen模型能够更真实地描述物种的演化过程，将确定性Eigen模型改造成随机模型. 以Eigen模型为理论框架，把基因序列中每一个位点的突变率看作一个高斯随机变量，从而导出随机性Eigen模型. 对于此随机性Eigen模型，当突变率的涨落强度较小时，准物种的误差阈位置几乎没有改变，仍是个相变点；而当突变率的涨落强度变大时，误差阈由一个相变点变为一个转变区域. 在真实的物种演化过程中，误差阈应是一个转变区域，而且在解决实际问题时应考虑该转变区域的上限.
