Vol. 63, No. 13 (2014)
2014年07月05日
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2014, 63 (13): 134202.
doi: 10.7498/aps.63.134202
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根据波前编码理论，通过计算机仿真分析的形式，对负折射平板透镜景深延拓特性进行了探讨在折射率为-1时，实现了8.5333 倍的景深延拓；在折射率有微小偏移的情况下，以-0.99为例，引入校正透镜后，实现了6.5862倍的景深延拓.
2014, 63 (13): 134203.
doi: 10.7498/aps.63.134203
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基于文氏改进功率谱和Donelan方向分布的实验结论，结合经典的Monte Carlo法提出了一种适用于不同水深、不同风浪成长阶段的二维粗糙海面模型. 在经典的双尺度法计算海面后向散射的基础上，结合小斜率近似法的仿真结果，对电磁散射计算方法进行改进. 通过与典型海杂波均值散射系数GIT模型的拟合结果进行对比，验证了文氏改进谱在中国近海海面模拟的适应性与改进后电磁散射计算方法的有效性.
2014, 63 (13): 134204.
doi: 10.7498/aps.63.134204
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多光场与多粒子相互作用的多模Dicke模型不但存在着更为丰富的量子相，而且在量子信息中有着重要的应用. 本文运用Holstein-Primakoff变换和玻色扩展法研究双模Dicke模型的基态特性并从理论上发现了一个新的一级量子相变. 该相变在实验上可以通过测量平均光子数或原子布居数进行观察.
2014, 63 (13): 134205.
doi: 10.7498/aps.63.134205
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高功率窄线宽光纤激光器在相干探测、功率光谱合成等方面具有广泛的应用前景. 分析了高功率窄线宽光纤激光器中受激布里渊散射效应的抑制方法，以及正弦相位调制光谱展宽理论. 采用正弦相位调制技术将单频激光器的线宽展宽至2.9 GHz，通过三级放大结构对输出功率为50 mW的窄线宽种子源进行放大，实现了中心波长1064.34 nm、 线宽2.9 GHz、最大功率780 W的激光输出，光–光转换效率79%，光束质量Mx2 =1.44，My2 =1.43. 分析了相位调制前后输出功率提高的原因，认为正弦相位调制增加的纵模降低了光纤中的功率谱密度，提高了输出激光的受激布里渊散射阈值，促使相位调制后的输出功率大幅提高. 该激光器的输出功率仅受限于抽运功率，进一步提高抽运功率，有望实现更高功率的窄线宽光纤激光输出.
2014, 63 (13): 134206.
doi: 10.7498/aps.63.134206
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在掺铒光纤环形激光器中插入饱和吸收光栅是获得稳定单纵模激光的常用方法，但跳模难以完全避免. 通过干涉仪动态相移解调法将光频跳变实时转化为相位变化，发现了一种由饱和吸收动态光栅的瞬态响应特性导致的跳模新机理. 实验测量了由腔长快调触发的规则跳模，获得了跳模规律及成因. 此种跳模发生在调制曲线斜率最大值附近区域，通常在相邻模式之间出现，跳模前移频量约为纵模间隔. 在同等调制振幅下，抽运功率越高，触发跳模所需的光频调制频率越大，所需的最小移频量也越大. 实验结果给出了振动和调制条件下激光器稳定工作的条件，这为设计激光器的隔振封装和确定频率调制工作模式下的调制范围提供了实验依据.
2014, 63 (13): 134207.
doi: 10.7498/aps.63.134207
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利用Nd：YAG 再生放大器，对1064 nm掺镱锁模全光纤激光器输出的皮秒脉冲进行了功率放大. 研究分析了掺镱锁模全光纤激光器输出脉冲对Nd：YAG再生放大器能量提取效率的影响，通过对掺镱锁模全光纤激光器自相位调制的控制，减少了输出光谱的振荡结构，提高了掺镱锁模全光纤激光器对Nd：YAG再生放大器的能量提取效率，实现了对锁模全光纤激光器输出的中心波长1064.4 nm，3 dB光谱宽度0.35 nm、脉宽11 ps、单脉冲能量为3.2 nJ、频率为38 MHz的锁模脉冲的再生放大，得到输出重复频率为1 kHz，最大的单脉冲能量为1.3 mJ的皮秒脉冲.
2014, 63 (13): 134208.
doi: 10.7498/aps.63.134208
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漫反射光谱技术对生物组织快速和无创测量具有非常重要的意义，但缺乏精确的关于漫反射的解析解限制了该技术有效的应用. 本文根据光子迁移理论和二阶相似关系推导了半经验公式，然后利用Monte Carlo方法研究了二阶参量γ对半经验公式的影响. 研究表明，当小孔径收集漫反射光时，反射率与γ成二次函数关系. 与其他含有高阶参量γ的解析模型相比，本文提出的半经验解析模型具有简单的数学形式，这为生物组织光学参量测量和漫反射光谱应用提供了新的理论和技术支持.
2014, 63 (13): 134209.
doi: 10.7498/aps.63.134209
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采用空间光调制器产生球差光束，并利用旋转随机相位板模拟大气湍流，实验上研究了球差光束在大气湍流中的传输特性. 研究表明：在自由空间传输时，正、负球差光束光强分布均为环形多层分布，但经过大气湍流传输后光强均会变为类高斯分布. 正球差导致光束扩展，负球差会导致光束聚焦. 正球差越大光束能量集中度越差. 负球差对光束能量集中度的影响是非单调的. 特别地，大气湍流会削弱球差效应对光束扩展的影响.
2014, 63 (13): 134210.
doi: 10.7498/aps.63.134210
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设计了一种高双折射高非线性多零色散波长的全内反射光子晶体光纤，采用有限元法研究了这种光纤的有效模面积、非线性、色散和双折射特性. 计算结果表明，通过设置合适的结构参数，该光纤可在波长1.55 μm处获得2.54×10-2的双折射，也可在X，Y偏振方向分别获得50.22 W-1·km-1和54.61 W-1·km-1的高非线性系数. 另外，该光纤在近红外波段出现了两个零色散波长，其中的一个零色散波长出现在1.55 μm附近. 本设计为获得高双折射高非线性多零色散波长的光子晶体光纤提供了一种新的结构，其在偏振控制、非线性光学、色散管理和超连续谱传输方面具有广泛的应用前景.
2014, 63 (13): 134211.
doi: 10.7498/aps.63.134211
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溢油海水双向反射分布函数（BRDF）研究可为海水表面油膜及海水中溢油乳浊液检测提供理论基础，对保护海洋周边环境及海洋生态平衡具有重要的意义. 本文基于蒙特卡罗方法及Mie散射理论建立了溢油海水模型，针对532 nm及355 nm激光研究了无溢油海水、漂浮油膜海水及乳浊液海水情况下海水的BRDF，并给出不同油膜厚度及溢油浓度下海水的BRDF. 结果表明双向反射分布函数对水体的污染程度十分敏感，相同观测角下，溢油海水BRDF值明显小于无溢油海水BRDF值，海水的BRDF值随油膜厚度及溢油浓度的增加而减小. 海水的BRDF值可作为海水是否发生溢油污染及污染程度判断依据之一.
2014, 63 (13): 134301.
doi: 10.7498/aps.63.134301
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将弹性管壁视为膜弹性结构，得到了管径较大弹性管中泡群内气泡弱非线性振动的动力学模型. 利用逐级近似法对气泡的非线性共振频率、基频振动响应特性进行了理论分析. 结果表明：气泡共振频率主要受泡群内气泡间相互作用的影响；气泡的非线性共振频率将发生偏移，其偏移量取决于共振响应振幅；气泡的声响应区存在最大频率值；在声响应的高频率区内声响应幅值有多值性.
2014, 63 (13): 134303.
doi: 10.7498/aps.63.134303
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采用有限元法，分析了含单层柱形空腔橡胶层（厚度20 mm）的吸声性能，表明其吸声峰频率比相同尺寸的球形空腔低，这与单个柱形和球形空腔的单极共振频率相对应，通过谐波散射分析证实了空腔单极共振引起的能量耗散增强了声波的吸收。采用能量耗散功率及位移场分布，对柱形空腔结构的吸声机理进行了深入分析. 其次，在钢背衬条件下分析了横波损耗因子对橡胶层吸声特性的影响，并采用遗传算法对含不同尺寸柱形空腔橡胶层在1.5–10 kHz频段上的吸声特性进行了优化，获得了较好的宽频吸声效果.
2014, 63 (13): 134102.
doi: 10.7498/aps.63.134102
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在太赫兹与远红外频段，铝处于由导体到介质的过渡，研究该频段铝质目标与电磁波的相互作用机理对于实现太赫兹频段目标精确电磁散射计算具有重要意义. 基于实验测量数据，设计有效误差准则模型拟合得到了太赫兹与远红外频段铝的介电系数模型；基于拟合模型通过推导过渡阶段不同损耗机理下铝中传播电磁波的空间相位系数与铝的波阻抗等参数，分析了太赫兹与远红外频段电磁波在铝中的透射与反射特性，给出了铝的反射率关于频率的变化曲线. 结果表明铝中电磁波传播参数从微波向太赫兹频段过渡时具有很好的连续性与一致性；基于阻抗边界条件的雷达散射截面计算结果表明太赫兹频段光滑铝质目标可视做理想导体进行计算，太赫兹雷达散射截面测量中可利用光滑铝板或铝球做为定标体.
2014, 63 (13): 134103.
doi: 10.7498/aps.63.134103
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采用巨磁电阻（GMR）传感器对铝合金惰性气体保护焊焊缝的涡流电磁信号进行提取. 采用非线性特征分析的方法对良好、含有密集气孔和未焊透三种不同状态焊缝的涡流电磁信号的特性进行分析. 提取焊缝涡流电磁信号的Lyapunov指数、关联维数等参数进行分析，分析结果表明焊缝涡流电磁信号具有明显的非线性混沌特性. 采用Lempel-Ziv复杂度和近似熵测度分析三种状态焊缝涡流电磁信号的复杂度，结果表明：Lempel-Ziv 复杂度和近似熵对不同状态焊缝的涡流电磁信号是敏感的，可以得到焊缝的电磁信号的非线性特征，并对焊缝的类别进行分类辨识，为分析焊缝的不同状态提供了一种有效的辅助工具和方法.
2014, 63 (13): 134201.
doi: 10.7498/aps.63.134201
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基于光传输理论研究了前表面颗粒污染物诱导薄光学元件产生初始损伤的原因，提出了颗粒遮光效应和颗粒造成的光学元件局部热变形两者共同作用对光束进行扰动的损伤机理. 研究结果表明：对于高功率激光光束，薄光学元件局部热变形对光束的扰动是产生较高光强调制的重要原因；随着激光脉冲发射次数的增加，局部热变形的表面形状、位相延迟幅度、热扩散长度不断变化，会在光学元件内不同厚度处和后表面xy方向上的不同位置处产生较高的光强调制，不仅容易引起后表面产生多个损伤点，也可能在光学元件内就产生损伤，并且在厚度方向上的损伤点是分散的.
2014, 63 (13): 134212.
doi: 10.7498/aps.63.134212
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本文基于二维光子晶体波状多层膜结构，提出了叠加两种不同膜厚的周期膜堆来拓宽偏振分束器有效带宽的方法. 采用粒子群优化算法，建立偏振分束特性的评价函数，优化结构和薄膜厚度等参数，获得了中心波长565 nm，带宽220 nm，平均消光比大于30 dB的宽波段偏振分束器. 采用时域有限差分方法分析了膜层顶角的角度敏感性和波状结构的电场分布. 结果表明，两个周期膜堆组合的结构解决了禁带不连续的情况，而粒子群优化算法的使用加快了结果收敛，有效地扩展了偏振分束带宽.
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2014, 63 (13): 134302.
doi: 10.7498/aps.63.134302
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研究了一种在大地震前出现的异常次声波，揭示其与地震发生的空间、时间、强度的对应关系. 利用CASI-ICM-2011型次声测量传感器在一系列Ms6.0级以上大地震发生前2周以内检测到的一种频率范围0.001 Hz至0.01 Hz的次声波，其特征有：幅值范围50 Pa至200 Pa，持续时间0.5 h至4 h，传播速度10 m/s至30 m/s，震级越高信号越强. 通过建立广域次声传感器网络，成功定位了芦山地震前4天出现的异常次声波，以及巴基斯担地震前12天出现的异常次声波. 通过对8年时间连续监测数据的分析，研究了这类次声波的出现规律. 同时，对其产生机理提出了大地起伏激发次声波的假设，进行了理论论证，并用智利地震测量信号和玉树地震测量信号证明S波可以激发出本地同振的次声波. 文中所列举的数个震前异常次声信号的观测结果对于地震预测的信息获取具有参考价值.
2014, 63 (13): 134101.
doi: 10.7498/aps.63.134101
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蒸发波导是一种在海面上频繁出现的多径传播环境，会引起信号畸变，导致常规算法分辨率下降，使得雷达测向测距误差加大甚至无法工作. 本文提出了一种基于方向图加载的时间反演抛物方程定位算法，能够有效地处理蒸发波导效应，自适应地补偿信号畸变，形成与传播环境相匹配的、经过时间反演的电波，从而稳健地实现对目标的聚焦定位. 该算法能够巧妙地利用多径效应，增大天线阵列的有效口径，得到超分辨率的效果. 另外，它还对阵元间距有着较高的宽容性，这样就可以采用稀布形式，从而提高算法的实用性，增加其适用范围. 仿真结果表明，对于相同口径的阵列天线，该算法使方位分辨率较自由空间提高了2倍以上；在30λ 的大阵元间距下，旁瓣电平在8.96 dB以下，有效地抑制了鬼像的产生. 该算法具有较强的稳健性和较高的精度，在海面通信、搜救、预警等领域有着广阔的应用前景.
2014, 63 (13): 134304.
doi: 10.7498/aps.63.134304
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本文旨在探索人类被试对水下声目标的感知分类及在该过程中所利用的听觉特征. 首先设计了成对比较实验. 然后利用CLASCAL算法对实验获得的不相似度评分进行建模，获得感知空间，并分析了3个公共维度、特异性和3个被试潜类各自的特性及其在目标感知分类中所起的作用. 最后，基于Gammatone听觉滤波器组对声样本进行分析，发现了能够有效描述3个公共维度以及节拍特性的听觉特征，并利用它们构造决策树对新样本实现了分类，从而为实际中如何应用这些特征提供了指导.
2014, 63 (13): 134501.
doi: 10.7498/aps.63.134501
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本文探讨常数激励对参激系统共振响应的影响. 以机动飞行的裂纹转子系统为例，建立一个两自由度的振动方程，其中裂纹的呼吸行为构成参数激励，机动飞行引起的机动载荷简化为常数激励，并假设转子为平衡转子，不考虑偏心激励的影响. 采用谐波平衡法求解振动方程，得到各次谐波响应与转速及常数激励的关系式，从而分析系统的共振响应. 结果表明，常数激励对系统的参激主共振及超谐共振响应起决定性作用，这符合普通裂纹转子系统的重力占优理论，同时，系统各次谐波响应的幅值随常数激励的增加而增大，常数激励的作用方向对参激主共振响应的幅值影响较大，但对参激超谐共振响应的幅值影响很小. 这说明常数激励能起到放大裂纹转子系统超谐共振响应的作用，不利于系统的平稳运行，但从另一角度考虑，常数激励可用于裂纹故障的早期检测.
2014, 63 (13): 134701.
doi: 10.7498/aps.63.134701
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在马赫数3.4的低噪声超声速风洞中，分别采用纹影技术及基于纳米示踪的平面激光散射技术（NPLS），对台阶高度为3 mm的层流后台阶绕流结构进行了流动显示实验，旨在研究后台阶流场再附区的平均流动规律及再附边界层的瞬态流场精细结构，并通过比较不同时刻的NPLS数据，发现后台阶再附边界层涡结构的非定常演化特性；并且与马赫数4.2条件下的纹影结果和前期研究成果进行了比较. 结果表明，两种流动显示方法均可以捕捉激波膨胀波的位置，但NPLS技术在揭示流场某一截面内的瞬态精细结构方面更具优势，其时间分辨率可达6 ns，空间分辨率微米量级；该流场条件下的回流剪切层的倾角为-3.1°，再附边界层的平均增长斜率为0.07519；再附边界层中发卡涡脱落的特征时间尺度为大约10 μs. 相同膨胀比条件下，再附随着马赫数增大而推迟；膨胀比越大，再附越提前，并且流动折转角变大.
2014, 63 (13): 134502.
doi: 10.7498/aps.63.134502
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分析了平行板间密集剪切颗粒流的平均速度、速度波动、区域划分和自扩散特性. 为了分析以上问题，建立了平均固体体积分数为0.80剪切平行板间密集颗粒流的离散元物理模型. 研究结果表明：间隙间颗粒的平均速度从上到下逐渐增大，波动速度恰好相反；纵向的平均速度、波动速度较小，这一点稀疏剪切颗粒流正相反；根据剪切率和平均速度大小把间隙间纵向区域依次划分为类固体、振荡和类流体区域，并得出了波动速度对剪切率的依赖关系；间隙间颗粒的自扩散主要集中在横向，而稀疏剪切颗粒流在纵向的自扩散同样较突出. 通过对流变和扩散特性的模拟分析，直观地反映了颗粒的微观流变特性，有益于密集剪切颗粒流的流变机理的研究.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2014, 63 (13): 136001.
doi: 10.7498/aps.63.136001
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本文研究粉末衍射仪客观存在的固有角度刻度误差导致的测量角度变化对点阵参数计算精确度的影响，它理论上代表着各台衍射仪（不同实验室）所得到的点阵参数的一致性的极限. 具体方法为利用多个带有角度随机误差的多晶硅计算谱，模拟某种制造精度的多台衍射仪的测量结果，并使用三种方法进行点阵参数的拟合计算，从而进行分析.
2014, 63 (13): 136101.
doi: 10.7498/aps.63.136101
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基于Nordholm关于等离子体的库仑关联孔穴的概念，提出了描述荷电流体的有效库仑势模型. 采用经典密度泛函理论，计算了受限于纳米微腔中荷电流体的平衡结构. 通过对比计算结果，研究了粒子间的关联效应对体系平衡密度分布和剩余吸附量的影响. 此外，计算并研究了较大尺寸受限空间中荷电粒子的关联效应对体系结构的影响. 研究结果表明：本文提出的有效两体势模型可有效地预测荷电粒子间的库仑关联对体系结构和物理化学性质的影响. 研究结果可为研究和理解其他复杂的势模型体系中的关联效应提供可能的线索.
2014, 63 (13): 136501.
doi: 10.7498/aps.63.136501
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多元醇在一定温度下发生固-固相变，大量文献都报道了它们的固-固相变焓、相变温度以及相图. 本文以红外光谱测试结果以及量热实验结果为基础，探讨了新戊二醇/季戊四醇二元体系的固-固相变焓与氢键的关系：二元体系中部分分子间氢键变弱，变弱的氢键更易于断裂；温度上升到一定值，新戊二醇在季戊四醇中的相向塑性晶体相相变时保留下来的氢键断裂，形成二元体系的量热曲线的第二个吸收峰；高新戊二醇浓度的二元体系，可能保留下来的氢键数量少，第二个吸收峰对应的焓值小，但保留的氢键受新戊二醇影响更大，第二个吸收峰对应的温度更低.
2014, 63 (13): 136801.
doi: 10.7498/aps.63.136801
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为研究合金薄膜非晶化后力学性能持续提高的原因，通过双靶磁控共溅射方法制备了一系列不同Zr含量的Al-Zr合金薄膜，采用EDS，XRD，TEM 和纳米力学探针表征了薄膜的微结构和力学性能. 结果表明：在溅射粒子高分散性和薄膜生长非平衡性的共同作用下，较低Zr 含量的薄膜形成超过饱和固溶体，剧烈的晶格畸变使薄膜的晶粒纳米化，其硬度相应迅速提高. 随Zr含量的进一步增加薄膜形成非晶结构，非晶薄膜的硬度因Al-Zr键数量的增加持续提高，并在含33.3 at.%Zr达到9.8 GPa后增幅减缓. 研究结果揭示了非晶薄膜中Al-Zr键对薄膜力学性能的显著作用.
2014, 63 (13): 136802.
doi: 10.7498/aps.63.136802
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对单晶硅衬底制绒可有效增强其陷光作用，提高硅异质结太阳电池的短路电流. 但在沉积非晶硅的过程中，制绒衬底的金字塔沟壑处易出现两相式外延生长，降低电池输出特性参数. 对此本文采用两种方法修饰制绒衬底的微观形貌，并将其分别应用到硅异质结太阳电池的制备当中. 通过混酸溶液对碱制绒后的衬底进行平滑处理，使金字塔形貌更加平滑，电池开路电压由564.6 mV提高到609.4 mV. 此外，采用四甲基氢氧化铵替代碱溶液，发现制绒后的衬底不仅具有良好的陷光效果，且其形貌更为平滑，使得电池的开路电压和转换效率均有明显提升.
2014, 63 (13): 136803.
doi: 10.7498/aps.63.136803
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为了实现低电阻率厚度为纳米级的红外探测器电极材料，通过离子注入的方法将高浓度的As掺入高阻单晶硅，并经过快速退火处理，获得了厚度 ～ 200 nm、电阻率为10-4Ω·cm的Si：As电极层. 原子力显微镜测试结果表明，离子注入的样品表面依然较平整，表面均方根粗糙度仅为0.5 nm. 使用聚焦离子束设备（FIB）制备高分辨透射电镜（HRTEM）样品，高浓度的As掺入虽然会损伤Si晶格、引入大量的缺陷，但是HRTEM观察表明合适的退火工艺能够使得完整晶格得到恢复，而且霍尔效应和扩展电阻的测量分析表明，用离子注入方法制备的Si：As层载流子浓度达到2.5×1020 cm-3、电子迁移率高于40 cm2/V·s，具有优异的电学性能，适合用作各种Si基光电器件的背电极.
2014, 63 (13): 136804.
doi: 10.7498/aps.63.136804
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利用等离子体增强化学气相沉积工艺制备了α-Si：H/α-SiC：H多层膜结构，并在900–1000℃下进行了高温退火处理，获得了尺寸可控的nc-Si：H/α-SiC：H多层膜样品. Raman测量表明，900℃以上的退火温度可以使α-Si：H层发生限制晶化. 透射电子显微镜照片显示出α-Si：H层中形成的Si纳米晶粒的纵向尺寸被α-SiC：H层所限制，而与α-Si：H层的厚度相当，晶粒的择优取向是晶向. 傅里叶变换红外吸收谱则清楚地显示出，高温退火导致多层膜中的H原子大量逸出，以及α-SiC：H层中有更多的Si-C 形成. 对nc-Si：H/α-SiC：H多层膜吸收系数的测量证明，多层膜的吸收主要由nc-Si：H层支配，随着Si 晶粒尺寸减小，多层膜的光学带隙增大，吸收系数降低. 而当nc-Si：H层厚度不变时，α-SiC：H层厚度变化则不会引起多层膜吸收系数以及光学带隙的改变.
2014, 63 (13): 136102.
doi: 10.7498/aps.63.136102
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采用粗粒化模型，应用分子动力学方法研究了单个纳米粒子对聚合物结晶行为的影响. 通过改变纳米粒子与聚合物单体之间作用方式（吸引作用或排斥作用）、纳米粒子与聚合物单体之间作用强度和聚合物分子链的长度，计算整个系统和局部区域的有序参数，研究了三个不同因素下纳米粒子对聚合物结晶行为的不同影响. 研究表明，在聚合物基体中添加单个纳米粒子，纳米粒子对整个系统的结晶影响不明显，但是纳米粒子对其周围聚合物单体的结晶存在局部强化作用. 当纳米粒子与聚合物单体之间为吸引作用且作用强度较大时，纳米粒子对聚合物结晶表现出明显的局部强化作用，聚合物分子链长度也有着一定的影响，在较大吸引作用强度下，长链样本比短链样本有着更为显著的局部强化作用.
2014, 63 (13): 136103.
doi: 10.7498/aps.63.136103
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利用无催化选区金属有机化学气相沉积（SA-MOCVD）法在GaAs（111）B衬底上分别制备了GaAs纳米线和GaAs/InxGa1-xAs/GaAs纳米线径向异质结构. 系统地研究了生长条件对GaAs纳米线生长的影响. 实验结果显示，GaAs纳米线的形貌和长度依赖于生长温度、AsH3 的分压以及SiO2 掩膜表面的圆孔直径. 因此可以通过调节以上因素来得到高质量的GaAs纳米线. 并且发现扩散是影响无催化选区生长GaAs纳米线的主要机理. 微区光致发光谱（μ-PL）表明，GaAs/InxGa1-xAs/GaAs纳米线径向异质结构被成功合成，室温（300 K）下它的发光波长为913 nm. 这些结果对于GaAs纳米线及其异质结构制备的进一步研究及其在光电子器件中的应用具有很好的参考价值.
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2014, 63 (13): 136502.
doi: 10.7498/aps.63.136502
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本文根据斯托克斯和反斯托克斯拉曼光谱散射截面的不同，测量样品表面温度，并进一步提出了一种测量材料热导率的新方法. 利用该方法系统地研究了GexSb10Se90-x，GexSb15Se85-x和 GexSb20Se80-x三个系列的GeSbSe玻璃的热导率，从而证明该方法的实用性和可靠性，同时分析其化学组分对材料结构和热导率的影响. 该方法测量获得的热导率与文献报道的热导率基本一致，表明拉曼光谱法测试材料的热导率简单、快捷，是一种实用的测量材料热导率的方法. 结果表明每个系列硫系玻璃的热导率随着Ge浓度的增加而增加，在等于或近似化学配比组分处，硫系玻璃的热导率达到最大值，然后随着Ge含量的继续增加而降低. 认为GeSbSe硫系玻璃热导率表现出的阈值现象归因于GeSbSe三元网络结构分离为二元结构的结果.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2014, 63 (13): 138801.
doi: 10.7498/aps.63.138801
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本文基于极限学习机构建了一种简易模型以直接输出风电功率概率区间. 同时，为优化模型训练过程中输出区间的性能，本文基于对数据集区间带偏差信息的分析构建了一种新的优化准则，并采用量子细菌觅食优化算法以获取问题的最优解，提高模型泛化能力. 对比分析两个风电场在不同置信水平和不同优化准则下的概率预测结果，仿真表明本文模型具有更高的可靠性和更窄的区间带宽，可为风电并网安全稳定运行提供决策支持.
2014, 63 (13): 138101.
doi: 10.7498/aps.63.138101
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为了制备用于挠性电路板中的挠性覆铜板，在聚酰亚胺上使用中频磁控溅射方法制备金属Cu膜. 实验中，通过改变制备温度、衬底偏压、制备时间等工艺参数，制备出导电性符合要求的Cu薄膜. 用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）研究薄膜的成分、结构以及表面形貌，用触针式台阶仪、四探针电阻测量仪测量薄膜的膜厚以及电阻，并计算薄膜的电阻率. 最终得到制备导电性符合工业应用标准的Cu膜的最佳工艺条件：制备温度100℃，直流偏压50 V，无脉冲偏压.
2014, 63 (13): 138401.
doi: 10.7498/aps.63.138401
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为了解决大角度照射下的单侧介质加载的频率选择表面（frequency selective surfaces，FSS）通带高透过率和阻带高反射率要求之间的矛盾，本文采用离散粒子群算法（discrete particle swarm optimization，DPSO）优化设计FSS的周期间隔和图形几何尺寸等多个参数，在通带高透过率和阻带高反射率要求之间寻求一个最优的折衷的设计目标. 仿真与试验表明：在TE电波70°照射下，采用DPSO 优化出的一个半波壁厚电介质加载的密集型Y环孔径结构，其通带透过率达到80%，阻带透过率低于30%，从而为大角度照射下的天线罩提供一种优良FSS设计结果，并为解决FSS通带高透过率和阻带高反射率要求之间的矛盾提供理论指导.
2014, 63 (13): 138501.
doi: 10.7498/aps.63.138501
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自旋转矩临界电流过大的问题长期以来一直为人们所关注. 本文提出，可以通过引入面外应力即引入应力各向异性场来降低退磁场，从而降低自旋转矩的临界电流. 本文采用四分量分布式自旋电路模型计算了横向自旋阀由注入端输运到探测端（自由层）的极化电流大小. 利用Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski方程数值研究了存在应力时，横向自旋阀中自旋转矩引起的自由层磁矩翻转的性质. 结果表明，适当选择应力方向可使面外退磁场得到有效补偿，从而显著降低自旋转矩临界电流. 另外，随着应力提高和退磁场的减小，磁矩翻转时间也大大减小.
2014, 63 (13): 138901.
doi: 10.7498/aps.63.138901
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随机矩阵理论运用于金融领域中研究金融相关系数矩阵的相关性，相关系数矩阵是网络构建中的关键因素，本文将随机矩阵理论与网络构建相结合，研究基于随机矩阵的金融网络模型. 本文选取上海证券市场的股票数据，将其中的股票数据分成四个阶段，基于随机矩阵理论，讨论金融相关系数矩阵和随机矩阵的特征值统计性质，并在此基础上对现有的去噪方法进行改进，建立更适合构建金融网络的相关系数矩阵，并构建金融网络模型. 然后，基于随机矩阵理论和网络的关键节点分析比较去噪前后的金融网络以及噪声网络，发现对网络去噪后仍保留了原始网络的关键重要的信息，而噪声信息对应的是原始网络中度比较小的节点所代表的信息. 最后，基于去噪网络，分析金融网络的拓扑结构，如最小生成树、模体和社团结构，发现改进后的金融网络的拓扑性质更加明显，结构更加紧密.
2014, 63 (13): 138701.
doi: 10.7498/aps.63.138701
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低剂量计算机断层成像（computed tomography，CT）具有减少X射线对患者的伤害的优势. 本文主要针对从不完备投影数据重建出高质量低剂量CT图像的问题. 通常，这个问题可以通过统计图像重建方法来实现，而统计重建算法需要非常多的迭代次数，导致了巨大的计算时间压力，以至于很难应用在实践中. 为解决此问题，本文提出一种有序子集重建算法，该算法结合了全变分最小化和快速一阶方法以减少重建的迭代次数，采用Split Bregman交替方向法求解上述优化问题，利用投影到凸集合的方法加快迭代的收敛速率. 实验结果表明，在同样的迭代次数下，本文提出的方法与基于有序子集的一阶方法相比较，相对重建误差的下降速度更快.
总论
2014, 63 (13): 130201.
doi: 10.7498/aps.63.130201
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采用了一个简单而有效的技巧，研究了一类非线性发展方程. 首先利用待定函数法求出相应无扰动情形时方程的孤立子行波解. 然后利广义变分迭代方法得到了原扰动情形时非线性扰动色散方程的孤立子解.
2014, 63 (13): 130301.
doi: 10.7498/aps.63.130301
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提出了有中心的结构化量子通信网络概念，并在经典认证基础之上，结合量子隐形传态技术实现了无线通信网络的身份认证. 此认证方案通过对无线局域网的认证进行探讨进而推广至整个无线通信网络中. 在无线局域网中，在已获得SK 与EPR对的前提下，STA与AP两端通过量子信道进行信息传输，然后AP对手中的量子态进行幺正变换后将得到的信息与原先的备份信息进行保真度计算，从而判定是否认证成功.
2014, 63 (13): 130202.
doi: 10.7498/aps.63.130202
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针对离散颗粒模型和欧拉-欧拉双流体模型在求解气粒两相流动问题中存在的不足，提出了一种新方法——SPH-FVM耦合方法，并应用于风沙运动过程的数值模拟计算. 新方法基于拟流体模型，采用光滑粒子流体动力学方法（SPH）对离散颗粒相进行求解，追踪单颗粒运动轨迹，采用有限体积法（FVM）求解连续气体相，捕捉流场特性，两相间通过曳力、压力梯度、体积分数等参量进行耦合，建立了两种不同坐标系下方法间的耦合框架. 对SPH 粒子所承载的物质属性进行了重定义，改造成了适用于离散颗粒相求解的光滑离散颗粒流体动力学模型（SDPH），阐述了SPH粒子与离散相中颗粒之间的关系，推导得到了拟流体SPH离散方程组. 模拟了风沙运动中沙粒跃移过程和自由来流风速作用下沙粒的运动过程以及沙丘在风力作用下缓慢向前蠕移的过程，分析了颗粒的运动轨迹，流场中沙粒水平速度分布规律以及气体速度场在沙粒反作用下的变化情况等，与实验结果相符合，结果表明该方法不仅精度较高，而且计算量较小，适于求解风沙运动问题乃至其他气粒两相流动问题.
2014, 63 (13): 130501.
doi: 10.7498/aps.63.130501
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建立了V2控制Buck变换器的二阶离散迭代映射模型，在其基础上绘制了输出电容及其等效串联电阻（equivalent series resistance，ESR）变化时的分岔图，研究了输出电容时间常数对V2控制Buck变换器的动力学特性的影响. 研究结果表明，随着输出电容时间常数的逐渐减小，V2控制Buck变换器具有从稳定的连续导电模式（continuous conduction mode，CCM）周期1态逐渐演变到CCM周期2态、CCM周期4态、CCM周期8态、CCM混沌态、断续导电模式（discontinuous conduction mode，DCM）混沌态的动力学行为. 推导了不动点处的雅可比矩阵，利用特征值和最大Lyapunov指数对系统进行了稳定性分析，并验证了分岔分析的正确性. 最后，搭建了仿真和实验电路，用仿真和实验结果验证了文中理论分析的正确性.
2014, 63 (13): 130503.
doi: 10.7498/aps.63.130503
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为了能实时而有效地辨识参数不确定的超混沌l系统，以便于对该系统进行控制或跟踪，本文提出了一种基于Wiener模型自适应分段线性（PWL）滤波器的超混沌系统辨识方法. Wiener模型的线性部分采用了线性横向滤波器，非线性部分用分段线性滤波器近似表示. 根据最小均方误差准则导出了滤波器参数更新算法，并进一步推导出算法的收敛性条件. 计算机仿真证实了该自适应滤波器辨识超混沌系统的有效性. 该方法不仅克服了自适应线性滤波器难以辨识出这类强非线性系统，而且比其他非线性自适应滤波器的计算复杂性低得多.
2014, 63 (13): 130502.
doi: 10.7498/aps.63.130502
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本文提出了一种采用符号动力学和相对熵理论分析开关变换器非线性特性的新方法. 根据迭代映射描述的开关变换器非线性系统得到离散数值序列，基于拓扑共轭理论将其转化为符号序列，通过前向序列和后向序列概率计算该符号序列的相对熵. 文中以一阶电压反馈DCM Boost变换器为例，研究结果表明，开关变换器存在时间不可逆性，相对熵数值能够量化开关变换器处于混沌状态时离开平衡点的距离，从而得到一种新的可量化的开关变换器非线性动力学行为指标.
2014, 63 (13): 130504.
doi: 10.7498/aps.63.130504
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本文分析了网络流量数据的特性，针对传统预测算法在预测网络流量时的缺陷提出了一种基于相关分析的相关局域最小二乘支持向量机（LSSVM）预测算法. 算法在对训练数据重构相空间后，利用相关分析同时从距离相关和时间相关的训练样本中选择最优的训练子集，结合自适应参数优化的LSSVM预测模型对小尺度网络流量进行预测. 通过选用实际情况下的网络流量数据对算法进行测试验证，结果显示本文所提算法不仅优于传统的全局预测算法，同时也优于各种改进的局域预测算法. 算法不仅在预测精度上取得大幅的性能提升，同时能够通过留一交叉验证法在预测之前就完成预测模型和训练子集的优化.
2014, 63 (13): 130701.
doi: 10.7498/aps.63.130701
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针对无源雷达中时延估计辐射源信号未知的情况，构建了一种新的时延最大似然估计模型. 根据模型特点利用快速傅里叶变换（FFT）的计算方法实现时延估计. 为了提高估计的精度，采用马尔科夫链蒙特卡罗（MCMC）抽样的方法估计时延值. 该方法不需峰值检测，可直接给出时延估计结果. 并推导了该模型下的时延估计的克拉美罗界（CRLB）. 仿真实验表明，MCMC算法可适用于窄带和宽带信号的时延估计；在样本相同的条件下，MCMC算法估计精度高于重要性采样（IS）算法和基于峰值检测的ML算法，计算复杂度低于IS算法，且MCMC算法可直接估计采样间隔非整数倍的时延.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2014, 63 (13): 137303.
doi: 10.7498/aps.63.137303
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运用密度泛函理论结合非平衡格林函数的方法，对GaAs团簇与两半无限Au（100）-3×3电极以顶位对顶位、顶位对空位、空位对顶位、空位对空位四种不同耦合形貌构成的Au-GaAs-Au纳米结点电子输运性质进行了理论计算. 对结点在不同距离下的结构进行了几何优化，模拟了结点拉伸直至断裂的过程. 计算结果得到四种构型结点在两极距离分别为1.389 nm，1.145 nm，1.145 nm，0.861 nm时，结构最稳定. 对于各稳定结构，Ga-As键长分别为0.222 nm，0.235 nm，0.227 nm，0.235 nm，其平衡电导分别为2.33 G0，1.20 G0，1.90 G0，1.69 G0，结点具有很好的电子输运性质. 在-1.2–1.2 V的电压范围内，所有结点的电流-电压都表现出近线性关系.
2014, 63 (13): 137501.
doi: 10.7498/aps.63.137501
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采用时域有限差分法（FDTD）求解了各向异性铁氧体材料覆盖金属圆柱的雷达散射截面（RCS）. 提出一种新的磁各向异性材料的离散方法，推导了磁化铁氧体的FDTD公式，并将其应用于分析二维铁氧体覆盖金属圆柱的散射. 通过与移位算子法（SO-FDTD）对比证明了此方法的有效性. 应用此方法求解了不同铁氧体参数影响下金属圆柱的RCS. 数值结果表明，该方法正确可行，具有较高的计算效率.
2014, 63 (13): 137201.
doi: 10.7498/aps.63.137201
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目前，虽然In和2N共掺对ZnO导电性能影响的实验研究均有报道，但是，In和2N共掺在ZnO中均是随机掺杂，没有考虑利用ZnO的单极性结构进行择优位向共掺. 第一性原理的出现能够解决该问题. 因此，本文采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法，计算了未掺杂ZnO单胞、不同位向高共掺In-2N原子的Zn1-xInxO1-yNy（x= 0.0625，y=0.125）两种超胞模型的能带结构分布、态密度分布和吸收光谱分布. 计算结果表明，高共掺In-N原子沿c轴取向成键的条件下，掺杂浓度越低，体系更稳定、带隙越窄、有效质量越小、迁移率越增加、相对自由空穴浓度越增加、电导率越增加、导电性能越理想. 计算结果与实验结果相一致. 这对设计和制备导电功能材料有一定的理论指导作用.
2014, 63 (13): 137301.
doi: 10.7498/aps.63.137301
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等效电路法是分析主动FSS的主要方法，获得FSS集总参数是等效电路法分析问题的关键. 本文在传统等效电路法基础上，根据传输线理论构造传递函数. 依据等效阻抗与传输峰值之间的关系，建立由集总参数构成的矩阵方程，利用最小二乘法拟合得到等效集总参数，并借助传递函数快速得到FSS频响特性曲线. 与全波分析法对比，传递函数法的计算结果与数值计算结果吻合，从而验证该方法的准确性和可靠性. 该方法不仅能够获取FSS结构集总参数，还能够计算FSS结构的频响特性曲线，为基于等效电路法分析主动FSS提供理论参考.
2014, 63 (13): 137302.
doi: 10.7498/aps.63.137302
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分子半导体组成的异质结构是染料敏化太阳能电池的主要部分，电荷转移效率的提高是太阳能转换效率的关键. 在金属纳米粒子与染料分子和半导体TiO2 组成的系统中，考虑半导体的晶格结构、电子波函数在晶格边界的反射及金属纳米粒子中的等离激元效应，应用密度矩阵理论研究在光激发分子作用下电荷从分子转移到半导体晶格的动力学过程，采用密度矩阵和波函数相结合的处理方案研究了分子半导体电荷转移过程中的等离激元效应. 研究发现金属钠米粒子激发所产生的等离激元可以使电荷从分子到半导体的转移效率提高3个数量级，是提高电荷转移效率的有效手段，且密度矩阵理论与波函数相结合的方法使得计算分子与15 nm尺度的半导体纳米晶体间的电荷转移成为可能，理论分析了表面等离激元的增益作用对电荷转移的影响.
2014, 63 (13): 137801.
doi: 10.7498/aps.63.137801
摘要 +
本文建立了用于测量半导体载流子输运特性（载流子寿命、载流子扩散系数和前表面复合速度）的方波调制下自由载流子吸收（free carrier absorption，FCA）检测技术的时域理论模型. 通过数值模拟，分析了在不同调制频率下时域曲线的变化趋势以及各个载流子输运参数对时域曲线的影响. 结果表明方波调制下的自由载流子吸收的时域信号对各个参数都用较高的灵敏度，且参数值的测量范围大于频域测量范围.
2014, 63 (13): 137802.
doi: 10.7498/aps.63.137802
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采用高阻本征GaN薄膜，通过H3 PO4 刻蚀和SiOxNy 薄膜钝化方法对GaN薄膜进行表面态调控，研究了表面态调控对GaN薄膜光致荧光光谱的影响. 研究发现，H3PO4 刻蚀对改善GaN薄膜的紫外荧光发射作用不大，但显著增加可见荧光的强度；经SiOxNy 薄膜表面钝化的GaN紫外荧光量子效率增加12–13倍，同时对可见荧光有明显增加. 通过比较H3PO4 刻蚀和SiOxNy 薄膜钝化的室温和低温荧光光谱，探讨了表面态调控对GaN紫外荧光、蓝带荧光和黄带荧光的影响及相关物理机理.
2014, 63 (13): 137803.
doi: 10.7498/aps.63.137803
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不同于传统的频率选择表面（FSS），最小单元频率选择表面（mFSS）的工作频率取决于其基本结构单元中金属结构的内禀电容和电感，而不是单元的结构共振频率. 本文围绕用mFSS构建带通型透波材料，在分析了金属缝隙和金属线的内禀电容和电感的基础上，构建了以金属缝隙和金属线为基本单元的透波材料模型，研究了mFSS单元结构参数、等效电路参数和电波入射角对透波性能和带宽的影响，设计制备了工作在 10 GHz的透波材料. 研究结果表明；这种透波材料具有工作频带宽，对电磁波入射角度和极化方向不敏感等优点，在垂直入射时的-1 dB带宽达到40%，即使在大入射角（60°）下依然有很好的传输性能，-1 dB带宽接近20%. 实际制备的透波材料样品的测试结果和与理论计算结果相一致. mFSS的上述特性极大扩展了透波材料的应用场合，特别适用于雷达罩和天线罩等应用.
2014, 63 (13): 137701.
doi: 10.7498/aps.63.137701
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在不同的衬底温度下，使用反应射频磁控溅射法，在玻璃衬底上制备了氮化锌薄膜样品. 用X 射线衍射仪、原子力显微镜和椭偏仪对薄膜的晶体结构、表面形貌、光学性质进行了表征分析. 薄膜的晶粒尺寸会随着衬底温度的升高先增大后减小，在200 ℃时薄膜的结晶性最好. 用椭偏仪测试样品，建立物理模型计算出氮化锌薄膜在430–850 nm范围内的折射率和消光系数等光学参数. 利用Tauc公式计算出氮化锌薄膜的光学带隙在1.73–1.79 eV之间.
原子和分子物理学
2014, 63 (13): 133201.
doi: 10.7498/aps.63.133201
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与基态原子相比，高激发态原子（主量子数n15）具有很强的长程Van der Waals相互作用，这种强相互作用可以阻止相邻原子的进一步激发，产生激发阻塞效应. 本文从理论上利用微扰方法计算碱金属原子Rb和Cs激发态nS，nD原子对态的相互作用，获得原子相互作用的色散系数并分析了原子间的长程相互作用特性. 结果表明，Rb和Cs原子的nS态表现为排斥相互作用，而nD态原子L=0时，Rb 原子表现为吸引作用，Cs原子表现为排斥作用.
2014, 63 (13): 133102.
doi: 10.7498/aps.63.133102
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采用密度泛函理论中的广义梯度近似（DFT-GGA）对ComAln（m+n ≤ 6）合金团簇进行了系统的几何、电子结构和磁性质研究. 研究结果发现ComAln（m+n ≤ 6）团簇最稳定结构倾向于形成Co–Al成键数最多的构型，其中的Co–Al二元合金团簇的最稳定结构类似于纯钴团簇. 随着Al原子数的增多，团簇的平均磁矩呈线性降低趋势. ComAl（m=2–5）团簇的总磁矩均比Com+1团簇的小4 μB，与实验上对较大CoNAlM 团簇的磁性检测结果获得了很好地符合. ComAln 团簇磁性的降低主要归因于非磁性Al元素的掺入以及Al 掺杂后Co原子的整体自旋极化减弱.
2014, 63 (13): 133202.
doi: 10.7498/aps.63.133202
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本文采用速度影像技术对Eu原子的自电离弹射电子的动力学过程进行了系统研究. 实验采用三步孤立实激发方法分步从基态4f76s6s8S7/2经中间态4f76s6p6 P5/2 激发到4f76s8s8 P7/2 Rydberg态上，然后将其进一步共振激发至4f76p1/2（J=3）8 s和4f76p1/2（J=4）8 s自电离态. 根据所用的激发路径及其选择定则可以得出自电离态的总角动量的可能取值；通过自电离过程能量守恒和角动量守恒原理推测自电离衰变对应的离子终态信息. 利用电子透镜对上述自电离过程中产生的弹射电子进行聚焦和成像，通过位置敏感探测器对其动能进行分辨，运用速度影像技术进行数学变换和计算得到弹射电子的能量分布，分析并给出Eu原子自电离衰变分支比. 同时通过调谐第三步激光的波长，得出了分支比随光子能量的变化规律，探讨了实现Eu离子粒子数反转的可能性.
2014, 63 (13): 133101.
doi: 10.7498/aps.63.133101
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利用光学气敏材料吸附气体，引起材料光学性质的变化来测量气体成分，是当前气敏传感研究领域的一个热点方向. 本文针对光学气敏材料金红石相TiO2（110）表面吸附CO分子的微观特性进行研究，采用基于密度泛函理论（DFT）体系下的第一性原理平面波超软赝势方法，计算了表面的吸附能、电子态密度、光学性质和电荷密度的变化. 结果表明：终止于二配位O原子的TiO2（110）面为最稳定表面，该表面吸附CO分子以C端吸附方式最为稳定，且氧空位浓度越高，越有助于对CO分子的吸附，吸附过程为放热. 在氧空位浓度为33%时，吸附能达到1.319 eV，吸附后结构趋于更加稳定. 表面吸附CO分子后，其实质是表面的氧空位氧化了CO分子，CO分子的电荷向材料表面转移. 含有氧空位的表面吸附CO分子后都改善了其在可见光范围内的光学性质，但是氧空位浓度越高，改善其光吸收和反射能力越明显，光学气敏传感特性表现越显著.
编辑推荐
2014, 63 (13): 133203.
doi: 10.7498/aps.63.133203
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本文利用太赫兹时域光谱技术测量了室温条件下无水L-天冬酰胺与L- 天冬酰胺一水合物的光谱特征，发现二者存在显著的差异，并利用太赫兹时域光谱技术实时检测L-天冬酰胺一水合物受热脱水的动态过程. 结果表明太赫兹波对晶体结构变化、含结晶水状况以及分子间弱相互作用敏感. 结合差示扫描量热法与热重分析联用、傅里叶变换红外光谱、粉末X射线衍射等多种技术分别从热学性质、分子振动等方面进行了表征，进一步确认了太赫兹实验结果的可靠性. 采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理平面波赝势方法，结合广义梯度近似（GGA）下的PBE交换-关联泛函，对L-天冬酰胺一水合物进行模拟计算，对实验所得太赫兹光谱与分子结构以及相互作用间的关系进行了讨论分析.
