Vol. 63, No. 24 (2014)
2014年12月20日
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2014, 63 (24): 248105.
doi: 10.7498/aps.63.248105
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利用微芯片制备技术制备了带有电极的原位电学薄膜芯片, 并结合自制的原位透射电镜样品台, 实现了低温下透射电子显微镜聚焦电子束对InAs纳米线的精细刻蚀以及不同温度下的原位电学性能测量. 研究发现, 随着刻蚀区域截面积的减小, 纳米线的电导率也随之减小. 当纳米线的截面积从大于10000 nm2刻蚀至约800 nm2时, 纳米线电导的减小速率与截面积的减小具有线性关系. 同时利用低温聚焦电子束刻蚀, 在InAs纳米线上原位制备了一个10 nm的纳米点, 并在77与300 K下对该纳米点进行了电学性能测量. 通过测量发现在77 K 时出现库仑阻塞效应, 发生了电子隧穿现象; 而300 K时, 热扰动提供的能量使这种现象消失.
2014, 63 (24): 248503.
doi: 10.7498/aps.63.248503
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针对国产锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT), 采用半导体器件三维计算机模拟工具, 建立单粒子效应三维损伤模型, 研究不同偏置状态对SiGe HBT单粒子效应的影响. 分析比较不同偏置下重离子入射器件后, 各端口电流瞬变峰值和电荷收集量随时间的变化关系, 获得SiGe HBT单粒子效应与偏置的响应关系. 结果表明: 不同端口对单粒子效应响应的最劣偏置不同, 同一端口电荷收集量和瞬变电流峰值的最劣偏置也有所差异. 载流子输运方式变化和外加电场影响是造成这种现象的主要原因.
2014, 63 (24): 248101.
doi: 10.7498/aps.63.248101
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采用基于密度泛函理论的第一性原理, 研究了稀土La对bcc-Fe中Cu析出行为的影响. 计算了α-Fe中La原子和Cu原子与空位之间, 以及La原子和Cu原子之间的点缺陷结合能; 在此基础上, 讨论了α-Fe中La对Cu扩散激活能的关系. 结果表明: La原子与空位之间有较强的相互吸引作用, 且对近邻Cu原子也有一定的束缚. 此外, La的加入使Cu原子近邻的空位形成能显著升高, 这表明La, Cu 偏聚区形成空位较为困难. 与此同时, 由于La原子对近邻空位和Cu原子的吸引作用, 使Cu原子向近邻空位跳跃的迁移能有所升高. 迁移能与空位形成能变化的计算结果显示, La原子的加入能够使α-Fe中Cu的扩散激活能显著升高, 从而延缓了铁素体区富铜相的偏聚和析出.
2014, 63 (24): 248502.
doi: 10.7498/aps.63.248502
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提出了一种堆叠栅介质对称双栅单Halo应变Si金属氧化物半导体场效应管(metal-oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET)新器件结构. 采用分区的抛物线电势近似法和通用边界条件求解二维泊松方程, 建立了全耗尽条件下的表面势和阈值电压的解析模型. 该结构的应变硅沟道有两个掺杂区域, 和常规双栅器件(均匀掺杂沟道)比较, 沟道表面势呈阶梯电势分布, 能进一步提高载流子迁移率; 探讨了漏源电压对短沟道效应的影响; 分析得到阈值电压随缓冲层Ge组分的提高而降低, 随堆叠栅介质高k层介电常数的增大而增大, 随源端应变硅沟道掺杂浓度的升高而增大, 并解释了其物理机理. 分析结果表明: 该新结构器件能够更好地减小阈值电压漂移, 抑制短沟道效应, 为纳米领域MOSFET器件设计提供了指导.
2014, 63 (24): 248504.
doi: 10.7498/aps.63.248504
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在利用电磁悬浮技术实现液滴悬浮的过程中, 液滴内部往往存在剧烈对流、外部伴随快速旋转和质心的水平位移等不稳定因素; 因此, 实现液滴的稳定悬浮是完善电磁悬浮技术的关键. 本文采用实验观测的方法, 通过U形静磁场组件对液滴所在空间施加横向静磁场, 利用高速相机记录了不同磁场强度下纯铜熔融液滴的振荡变形过程; 分析了横向静磁场对悬浮铜液滴振荡频率、振幅以及旋转的影响. 实验发现: 对于熔融前的固态铜颗粒, 若静磁场强度超过0.3 T, 铜颗粒几乎以静止状态悬浮. 熔融后, 当施加0.15 T的静磁场, 与未加静磁场时相比, 液滴拟合出的椭圆轮廓线半长短轴差R-=Rx-Ry, 椭圆面积A和椭圆长轴长度Dmax, R-的振幅分别减小了25%, 76% 和60%; 随着磁场强度的继续增加, 振幅和频率继续减小, 但在静磁场强度为0.3 T时, 相比静磁场强度为0.2 T, 频率增加了1 Hz. 横向静磁场还抑制了悬浮铜液滴的旋转, 当磁场强度增加到0.53 T时, 悬浮液滴只在10°的角度范围内摆动. 这些结果表明, 施加横向静磁场能够有效提高悬浮液滴的稳定性.
2014, 63 (24): 248701.
doi: 10.7498/aps.63.248701
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神经元电活动可以从静息通过Hopf分岔到放电, 放电频率有固定周期; 也可以从静息通过鞍-结分岔到放电, 放电频率接近零. 在具有周期性的相位噪声作用下的Hopf分岔和鞍-结分岔点附近, 都会产生相干共振. 噪声的周期小于Hopf分岔点附近的放电的周期时, 相位噪声可以引起神经系统产生一次相干共振, 位于系统内在的固有频率附近; 噪声的周期大于系统的固有周期时, 相位噪声可以引起双共振, 对应低噪声强度的共振产生在噪声频率附近, 对应高噪声强度的共振产生在系统的固有频率附近; 并对双共振的产生原因进行了解释. 在鞍-结分岔点附近, 无论噪声的周期是大是小, 都只会引起一次共振, 研究结果不仅揭示了相位噪声作用下平衡点分岔点相干共振的动力学特性和对应于两类分岔的两类神经兴奋性的差别, 还对近期的相位噪声诱发产生单或双共振的不同研究结果给出了解释.
2014, 63 (24): 248102.
doi: 10.7498/aps.63.248102
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讨论了计算InGaAsSb四元合金材料禁带宽度常用的Glisson方法和Moon方法, 比较了它们的计算结果. 将两者化成相同形式下的等价公式后发现, 二者都只考虑了Γ点带隙弯曲因子对禁带宽度的影响. 通过考虑自旋轨道分裂带对价带的影响, 提出一种将自旋轨道分裂带弯曲因子引入计算InGaAsSb禁带宽度的新方法. 研究结果表明, 该方法计算结果的准确性要优于两种常见的方法.
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2014, 63 (24): 248104.
doi: 10.7498/aps.63.248104
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利用温度梯度法,在6.26.4 GPa, 12701400 ℃条件下,通过在NiMnCo-C体系中添加不同比例的锌粉成功合成出3 mm左右的大尺寸金刚石单晶. 研究了锌添加对金刚石颜色、形貌、内部氮杂质以及晶体结晶度的影响. 结果表明: 随着锌添加量逐渐增加, 晶体的颜色逐渐变浅, 晶体的透光性增强; 当锌添加比例达到3 wt.%时, 晶体表面出现大量不规则的凹坑; 晶体内氮杂质主要以C心形式存在, 随着锌添加量的增多晶体内氮含量逐渐降低, 基于锌的除氮能力总结出两种可能的除氮机制; 拉曼光谱测试结果表明, 在锌添加量小于3.0 wt.%的研究范围内, 锌的添加有利于提高晶体的结晶度. 本研究不仅有助于天然金刚石形成机制的探究, 而且对丰富金刚石的种类以及扩展人工合成金刚石的应用领域都有着重要意义.
2014, 63 (24): 248106.
doi: 10.7498/aps.63.248106
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用CO2激光烧结合成了负热膨胀材料Sc2(WO4)3和Sc2(MoO4)3. 实验表明, 激光合成负热膨胀材料Sc2(WO4)3和Sc2(MoO4)3属于快速合成技术, 合成一个样品的时间仅需几秒到十几秒, 具有快速凝固的特征; X射线衍射和拉曼光谱分析表明, 所合成的材料为正交相结构, 且具有较高的纯度; 变温拉曼光谱分析表明, 所合成的材料在室温以上没有相变, 但可能有微弱的吸水性; 在对Sc2O3, MoO3, WO3, Sc2(MoO4)3和Sc2(WO4)3拉曼光谱分析的基础上, 给出了激光光子能量及原料和合成产物的声子能级图, 分析了激光烧结合成的机理. 激光光子能量转化为激发声子的能量是光热转化的主要通道, 原料在熔池中反应并快速凝固形成最终产物.
2014, 63 (24): 248107.
doi: 10.7498/aps.63.248107
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LuTaO4是最高密度的闪烁体基质, 研究它的结构及其相变对单晶制备具有指导意义. 用固相法制备了Lu2O3和Ta2O5摩尔比为1:1时在不同温度下形成的多晶粉末, 用X射线衍射及Rietveld全谱拟合研究了多晶粉末的物相和结构. 结果表明, Lu2O3: Ta2O5摩尔比为1:1的样品在1740 ℃时合成的物相为M'-LuTaO4, 在1800 ℃时为M'-LuTaO4和M-LuTaO4的混合物, 在1840 ℃时全部转变为M-LuTaO4. 当温度升高到2058 ℃时, 样品呈熔融状态, 对淬火得到的样品进行结构精修, 给出了M-LuTaO4, Lu3TaO7和Ta2O5的晶胞和原子坐标参数, 它们的重量比分别占78.1%, 18.9%和3.0%. 这些结果为制备以LuTaO4为基质的高密度闪烁体单晶具有参考价值.
2014, 63 (24): 248201.
doi: 10.7498/aps.63.248201
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刻蚀表面仿真是研究等离子体刻蚀工艺过程机理的重要手段. 在刻蚀表面仿真方法中, 刻蚀表面演化模型和离子刻蚀产额模型直接决定了刻蚀表面演化结果. 但现有的刻蚀表面演化模型不够精确, 且目前离子刻蚀产额模型主要来自分子动力学仿真和物理实验, 而实际加工过程十分复杂,等效的离子刻蚀产额包含很多因素. 针对这些问题,本文首先对当前的刻蚀表面演化模型进行改进, 同时重新定义了离子刻蚀产额模型的优化目标, 并利用实际刻蚀加工数据来优化离子刻蚀产额模型. 为缩短优化模型所用时间, 本文采用并行方法来加速优化过程. 最后, 将得到的离子刻蚀产额模型参数应用于采用元胞自动机法的刻蚀工艺实际仿真过程中. 实验结果表明, 该优化建模方法确实提高了仿真的精确度, 同时优化过程所用时间也大大减少.
2014, 63 (24): 248401.
doi: 10.7498/aps.63.248401
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脉冲序列控制(PT)是一种离散的非线性开关变换器控制方法, 具有瞬态响应快、无需补偿网络、控制电路实现简单等优点. 根据控制脉冲的产生方式不同, 脉冲序列控制可分为电压型脉冲序列控制(voltage-mode PT, VM-PT)和电流型脉冲序列控制(current-mode PT, CM-PT). 研究表明, 工作于电感电流连续导电模式(continuous conduction mode, CCM)与工作于电感电流断续导电模式(discontinuous conduction mode)的VM-PT控制开关变换器的工作特性存在明显差别, VM-PT控制CCM开关变换器存在的低频振荡现象严重影响了其稳态及瞬态性能. 目前, 对CM-PT控制CCM开关变换器的工作特性还未见相关报道. 本文研究了CM-PT控制CCM开关变换器的工作特性, 对其控制参数以及稳定工作域进行了分析. 分析结果表明, 通过参数的合理设计, 虽然可以避免低频振荡现象的发生以及开关管不能正常关断的问题, 但存在变换器功率范围窄的缺点. 最后针对这一缺点提出了一种改进的控制方法.
2014, 63 (24): 248403.
doi: 10.7498/aps.63.248403
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以 poly(3-hexylthiophene)(P3HT)为电子给体, indene-C60 bisadduct (ICBA)为电子受体, 通过掺杂不同浓度胆甾液晶氯化胆甾醇制备了有机体异质结太阳能电池.结果表明, 适当浓度掺杂使器件的开路电压提高到了0.78 V, 但短路电流密度却有所降低, 填充因子几乎不变, 能量转换效率提高了10%. 利用X射线、光致发光、原子力显微镜及紫外-可见吸收光谱进行表征, 发现液晶掺杂对活性层的结晶度、分子内部排列情况、薄膜表面形貌和光吸收特性等都有明显影响.
2014, 63 (24): 248501.
doi: 10.7498/aps.63.248501
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介绍垂直多结器件的结构, 给出了热迁移制结的工艺条件和结果; 介绍了处理器件电极引线的隔离线方法, 解决了经过热迁移掺杂后光刻电极套不准的难题, 解决了把所有P型区域连接起来的问题, 达到了敏感区金属零遮挡的目的. 描述了利用展宽电极尺度的方法实现多单元器件的集成; 给出了X光强与光电流电压之间的数学模型和几个重要参数, 介绍了器件输出电压与X光强度之间的测量关系, 理论与实际情况符合得非常好. 最后对测量数据做了分析, 证明器件有足够的灵敏度和分辨率.
2014, 63 (24): 248801.
doi: 10.7498/aps.63.248801
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应用基于密度泛函理论的第一原理方法, 研究了TiF3, TiCl3催化剂中阴阳离子对LiBH4的协同催化机理. 研究发现i金属Ti相对于卤族元素掺杂不容易实现; 金属和卤族元素同时掺杂比Ti单独掺杂容易实现; 对TiF3催化剂, 一种元素掺杂的实现有助于另一种元素掺杂的实现, 这大大提高了掺杂浓度. 基于电子结构分析, 得出卤族元素单独掺杂会降低LiBH4的稳定性; Ti单独掺杂使LiBH4费米能级升高、在带隙中引入缺陷能级、使BH键结合减弱, 这些可能是Ti的卤化物催化剂大大改善LiBH4释氢性能的原因. LiBH4中加入Ti的卤化物催化剂改善其释氢性能主要是由于催化剂使BH共价结合减弱, 这使得氢扩散容易. TiF3, TiCl3催化剂, 在LiBH4可逆释氢反应过程中F,Ti协同降低BH共价结合, 而Cl, Ti这种协同作用不显著, 这是TiF3对LiBH4催化效果优于TiCl3的原因.
2014, 63 (24): 248901.
doi: 10.7498/aps.63.248901
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提出一种复杂网络上的局部路由策略, 算法采用节点收缩法评估节点的重要度, 发送节点根据邻居节点的重要度及网络的状态自适应地调整向邻居节点转发数据包的概率. 在网络处于自由流通状态时充分发挥关键节点的优势, 保证数据包快速到达目的地; 在网络处于即将拥塞时分散业务, 根据节点重要度准确识别网络中的关键节点, 通过有效分流予以保护. 仿真结果表明: 在网络处于自由流通状态时, 该局部路由策略能充分发挥网络中关键节点的枢纽作用, 保持较低的传输时延; 在网络部分关键节点出现拥塞时, 该局部路由策略能有效避开拥挤严重的节点, 将数据包均匀地分布在各个节点上, 有效抑制网络拥塞, 提高网络的容量.
2014, 63 (24): 248103.
doi: 10.7498/aps.63.248103
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石墨烯作为一种二维sp2杂化碳的同素异形体, 具有优良的电学、光学、热学及力学等性质. 产业化应用石墨烯要求其具有大的尺寸且性质均一. 化学气相沉积法(CVD)的出现为制备大尺寸、高质量的石墨烯提供了可能. 本文结合近几年CVD法制备石墨烯的研究进展, 综述了影响大尺寸、单晶石墨烯制备的工艺参数, 包括衬底选择与预处理、碳源与辅助气体流量调控、腔体温度和压力控制、沉积时间以及降温速率设定等. 最后展望了制备大尺寸单晶石墨烯的研究方向.
2014, 63 (24): 248402.
doi: 10.7498/aps.63.248402
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研究应用地月平动点轨道的深空导航星座的概要设计问题. 首先, 建立三体平动点动力学模型, 给出计算平动点周期轨道族的微分校正算法, 并介绍周期轨道的稳定性因子概念; 然后, 定义有效覆盖概念, 分析实现有效覆盖的平动点导航星座的相关要素, 给出设计步骤; 在此基础上, 分别从轨道选择、空间覆盖率、几何精度衰减因子、导航信号传输、导航精度等角度, 对平动点导航星座进行设计、分析与估算, 以全球定位系统为参照, 通过综合对比分析, 全面论证平动点导航星座的可行性, 并给出技术指标与性能. 研究表明: 采用所设计的地月L3 平动点Vertical轨道的5星星座可为地月空间各种飞行器提供有效覆盖的导航服务, 在不考虑星座卫星等误差因素情况下, 导航精度可优于10 m, 并可随导航卫星数目增加而进一步提高.
2014, 63 (24): 248702.
doi: 10.7498/aps.63.248702
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提出了一种多时窗的波束形成器, 可以从多通道心脏磁场测量数据中估计强、弱和持续时间长短不同的等效电流源. 这种心脏电活动可视化技术将有助于相关心脏疾病的诊断. 通过两个已知电流源的仿真实验说明了这种方法的可行性. 并通过一个完全左束支传导阻滞和一个完全右束支传导阻滞病人的心脏QRS段磁场测量数据的源估计结果及其二维电兴奋传播图的比较, 分析了用这种成像方法揭示的心脏电生理现象.
总论
2014, 63 (24): 240303.
doi: 10.7498/aps.63.240303
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中尺度沙尘暴是美国内华达州、我国北部及中东国家等地沙尘天气的常见形式. 为了研究中尺度沙尘暴对量子卫星通信信道的影响, 首先分析了沙尘暴的物理特性, 根据中尺度沙尘暴的扩散模型, 提出了中尺度沙尘特性与量子纠缠度的关系; 然后仿真了沙尘特性对量子卫星信道参数的影响. 结果表明, 如果沙尘扩散时间为12 h, 中尺度沙尘粒子半径分别为1和25μm, 则量子卫星信道的纠缠度依次为0.6和0.4, 信道的利用率分别为0.9和0.8, 信道容量分别为0.95和0.8. 由此可见, 量子信道的各种参数与沙尘暴的特性密切相关. 因此, 为了提高量子卫星通信的可靠性, 应根据沙尘灾变程度, 自适应调整卫星信道的各种参数.
2014, 63 (24): 240302.
doi: 10.7498/aps.63.240302
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给出了在量子物理学、量子统计学、算符排序理论、矩阵论以及控制理论中有着重要用途的复合函数算符的一般微分法则, 利用这一法则研究了Wigner算符和Weyl对应规则中的积分问题, 证明了两类典型的算符恒等公式. 给出了Wigner算符的有序算符内的微分形式, 并得到了一些重要函数的新的微分式. 最后, 引入了一个参数型的Wigner算符来统一正规序、Weyl编序以及反正规序三种算符排序.
2014, 63 (24): 240502.
doi: 10.7498/aps.63.240502
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利用围路积分表达的计算系统热力学势的一个公式, 得到被一维谐振子势限制、有垂直磁场作用的三维自由电子气的在任意温度下的热力学势的精确解析表达式. 然后利用其研究了不同温度和尺度区域内磁化强度、磁化率和比热随磁场强度的变化情况. 研究表明,低温下磁化强度、磁化率和比热随磁场强度变化出现振荡现象, 其中比热还会出现两种不同的振荡模式.
2014, 63 (24): 240503.
doi: 10.7498/aps.63.240503
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用n阶时间导数噪声作为内部热噪声驱动自由粒子运动时, 若该噪声所对应的非各态历经强度b≠0, 且系统初始处于热平衡, 则此时系统的长时稳态速度可以作为非各态历经噪声使用. 非各态历经噪声具有谱密度在零频处发散的特点, 一维半无界耦合简谐振子链对与之相连的气体分子的作用具有非各态历经噪声的特点, 是非各态历经噪声的实例. 最后将非各态历经噪声作为外噪声驱动倾斜周期势中的粒子运动, 系统出现扩散指数α>2的超弹道扩散现象. 同时发现系统的速度分布将呈现出迁移态和锁定态两种不同状态, 并且处于迁移态的粒子的速度分布为双峰. 迁移态中双峰的出现是一种比较新奇的现象.
2014, 63 (24): 240508.
doi: 10.7498/aps.63.240508
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针对受高斯白噪声激励的非线性随机系统, 提出了使状态响应的概率密度函数形状跟踪期望形状的调节方法. 首先, 确立了非线性随机系统的多项式反馈机制, 同时对系统中的非线性部分进行多项式展开; 然后, 以Fokker-Planck-Kolmogorov方程为工具, 导出了与控制增益相关的各阶矩递推方程, 并根据跟踪问题的要求, 构造了矩逼近优化问题, 用梯度搜索法求解该优化问题, 获得了调节函数; 再依据特征函数与概率密度函数构成Fourier对的关系, 对状态响应的概率密度函数进行重构; 最后, 通过两个例子仿真, 验证了本文方法的有效性.
2014, 63 (24): 240601.
doi: 10.7498/aps.63.240601
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利用单模光纤中的光弹效应和交叉相位调制(XPM)效应, 提出了一种频率分辨光学开关法测量超短脉冲的新方案. 在本方案中, 单模光纤的前一部分产生可变延迟, 后一部分作为非线性介质产生非线性效应. 该方案只需一根单模光纤, 无须复杂的光路校准, 结构简单, 损耗低; 光纤中的XPM效应易发生, 无须相位匹配. 对提出的方案进行了数值模拟, 采用基于矩阵的主元素广义投影算法, 恢复出待测脉冲的幅度和相位信息, 并研究了光纤长度和待测超短脉冲的脉冲宽度对测量结果的影响. 结果表明: 测量准确度随着光纤长度的增加而提高, 选取长度为2 km的光纤, 就可以实现对超短脉冲的准确测量; 本文方案适用于脉冲宽度不小于80 fs 的超短光脉冲的测量.
2014, 63 (24): 240504.
doi: 10.7498/aps.63.240504
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为便于评价、优化磁式压电振动能量采集系统的性能, 系统研究了该类系统的建模与分析方法, 建立了非线性的分布参数模型用于描述系统的非线性动力学行为, 并采用谐波平衡法给出了谐波响应的解析解. 随后利用仿真模型分析了磁铁间距、加速度幅值、负载阻抗对输出功率的影响, 比较了不同激励频率和加速度幅值下的最优阻抗. 结果表明: 双稳态特性适用于低强度的振动环境, 且愈接近临界区域, 输出功率愈高, 而单稳态渐硬特性适用于高强度振动环境, 其最优间距并不靠近临界区域; 阱间大幅运动和阱内小幅运动均存在高低能量态共存的现象, 愈接近临界区域, 现象愈明显; 激振频率是影响最优负载阻抗的决定性因素.
2014, 63 (24): 240506.
doi: 10.7498/aps.63.240506
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提出了一种新的能产生多翼混沌吸引子的四维混沌系统, 该系统在不同的参数条件下能产生混沌、超混沌吸引子. 然后对此混沌系统的一些基本的动力学特性进行了理论分析和数值仿真, 如平衡点、Poincaré映射、耗散性、功率谱、Lyapunov指数谱、分岔图等. 同时设计了一个模拟振荡电路实现四翼超混沌吸引子, 硬件电路模拟实验结果与数值仿真结果相一致. 最后将此四维多翼超混沌系统用于物理混沌加密和高级加密标准加密级联的混合图像加密算法, 这种利用物理混沌不可预测性的混合加密系统, 不存在确定的明文密文映射关系, 且密文统计特性也比其他加密系统要好.
2014, 63 (24): 240501.
doi: 10.7498/aps.63.240501
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微博是在通过用户关注机制建立的用户网络上分享实时信息的社交平台, 而微博消息主要通过用户的转发行为使消息在用户网络上传播. 掌握微博消息的传播机制, 对研究微博上舆论谣言的传播、产品推广等具有指导作用. 本文通过对微博传播网络的结构分析来探索微博传播过程, 利用新浪微博数据, 建立微博传播网络, 分析该网络的生成机制, 使用平均场论的方法, 推导微博传播网络的度分布模型. 实验结果表明: 微博传播网络的度分布是时间相依的, 在特定时间下网络的度分布服从幂律分布.
2014, 63 (24): 240701.
doi: 10.7498/aps.63.240701
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提出了基于微椭球型空气腔的在线型光纤复合法布里-珀罗干涉结构, 并对其折射率传感特性进行了研究. 椭球型空气微腔利用光纤熔接机对实芯光子晶体光纤和单模光纤以特定的熔接参数熔接形成. 用高斯光束模型和ABCD法则分析了椭球型空气腔的腔内损耗, 建立了电磁场在复合法布里-珀罗干涉结构中传播的物理模型. 根据腔长比值的不同, 环境折射率对干涉条纹的影响有对比度调制和波长调制, 本文主要研究了一种波长调制型复合法布里-珀罗结构折射率传感器. 仿真结果表明该折射率传感器在1–1.6范围内不出现折射率转折点; 实验结果表明在1.333–1.466范围内, 折射率灵敏度～ 37.088 nm·RIU-1, 分辨率约为2.69×10-5. 该光纤复合法布里-珀罗结构干涉条纹对比度高、体积小、成本低, 用于折射率测量可靠性高、分辨率高、无折射率拐点、温度串扰小.
2014, 63 (24): 240509.
doi: 10.7498/aps.63.240509
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交通流时间序列在不同时间尺度上具有不同的波动特征. 为了分析交通流的突变特征, 以一段实际的交通流量序列为研究对象进行实证研究. 采用小波变换的方法求得交通流在不同尺度上的突变点, 按照小波函数过零点数目将交通流的尺度划分为若干层次, 并分析了交通流突变的层次性. 计算表明: 以突变点数目为测度时, 在一定的尺度范围内, 交通流在突变层次上的突变点数目满足自相似性特征. 因此, 交通流的突变在不同尺度上具有无标度性.
2014, 63 (24): 240201.
doi: 10.7498/aps.63.240201
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研究了一类飞秒脉冲激光对纳米金属薄膜传导模型. 首先求出一个特殊模型的精确解析解, 然后利用泛函同伦映射理论和方法, 得到了相应模型的任意次近似解析解. 最后论述了解的意义.
2014, 63 (24): 240301.
doi: 10.7498/aps.63.240301
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利用二阶矢量位和洛伦兹互易定理, 解析求解了导电、导磁金属管道外任意放置线圈激励下非轴对称涡流场的频域解. 利用求频域式极点处留数的方法求解拉普拉斯反变换, 得到了脉冲电流激励下检测线圈两端感应电压以及管壁内脉冲涡流分布的时域解析式. 分析比较了不同线圈放置方式下管壁内脉冲涡流的分布和扩散过程, 以及感应电压对管壁的灵敏度. 研究结果表明: 当线圈轴线沿管道径向法线方向放置时, 得到的感应电压时域信号最强, 对壁厚的检测灵敏度最高.
2014, 63 (24): 240702.
doi: 10.7498/aps.63.240702
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提出了一种利用数学变换来快速设计环形汇聚光栅反射镜的方法. 通过分析具体的物理场景, 抽象出已有条形汇聚光栅的“线”汇聚特性与所要设计的“点”汇聚特性在数学上对应的变换关系, 然后用该数学变换对条形汇聚光栅进行外形上的变换, 外形变换后的条形光栅即为可以实现“点”汇聚的环形光栅. 用有限元算法对设计的环形汇聚光栅进行仿真, 仿真证明采用该方法设计的环形光栅可以很好地实现高反、高汇聚. 采用这一方法, 设计了直径为29.788μm的环形光栅反射镜, 当垂直入射的径向偏振光从设计的环形光栅表面反射回来后将发生汇聚, 汇聚焦点位于环形光栅表面10μm处. 经计算, 反射镜的数值孔径为0.8302, 反射率为0.9163, 在焦点所在的汇聚面上, 汇聚光栅电场分布的半高宽为1.5548μm.
2014, 63 (24): 240505.
doi: 10.7498/aps.63.240505
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通过在文氏桥振荡器中引入广义忆阻器和LC吸收网络, 提出了一种忆阻文氏桥混沌振荡器．建立了忆阻文氏桥混沌振荡器的动力学模型, 研究了它的平衡点和稳定性, 进一步开展了电路元件参数变化时的动力学行为分析．研究发现, 忆阻文氏桥混沌振荡器有3个确定的平衡点, 其稳定性取决于电路元件参数, 当参数发生变化时, 存在周期振荡、混沌振荡、快慢效应等复杂的非线性现象．实验电路简单易制作, 实验波形和数值仿真一致, 较好地验证了理论分析结果.
2014, 63 (24): 240202.
doi: 10.7498/aps.63.240202
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数值模拟的一个重要误差来源是模式物理参数, 为提高模拟准确率, 如何改进模式物理参数是亟需解决的问题. 本文对经典四维变分同化技术进行了改进, 提出了一种新的利用观测资料来同时优化模式初始场和物理参数的扩展四维变分同化方法, 并以Ekman边界层模式和Lorenz模式为例进行了数值试验. 结果表明, 利用本文提出的新方法, 通过对观测资料的变分同化, 可以在实现对模式初始场进行优化的同时, 纠正了模式物理参数中的误差, 从而有效提高了模式的模拟准确率. 该方法对于改进数值模式物理参数有着重要的促进意义.
2014, 63 (24): 240507.
doi: 10.7498/aps.63.240507
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在三维(3 dimensional, 3D)空间域信道建模中, 针对波达信号仰角(elevation angle, EA) 在不同覆盖区散射体环境中的分布, 提出了指数型EA仰角概率密度函数并对其信道特征实现建模. 在假设波达信号方位谱为均匀分布时, 采用近似算法在对称和非对称两种情况下导出其多普勒功率谱密度(power spectral density, PSD)闭合表达式. 从分析结果可发现PSD与仰角函数式及波达信号边界角度参数βmin 和βmax关系密切, 并与多普勒频移密切相关. 对该三维空间域中的多输入多输出(multiple input multiple output, MIMO)多天线信号衰落相关性(spatial fading correlation, SFC)进行了推导和仿真. 结果表明MIMO多天线阵元间SFC与βmin和βmax关系密切, 而EA仰角概率密度函数参数n 对SFC影响较小. 本文引入的指数型EA仰角概率密度函数可应用于多种无线通信环境下的信道参数估计, 且与传统模型对比表明本模型的信道参数估计结果符合理论和经验值, 拓展了对3D空间域统计信道的建模与MIMO多天线分析计算.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2014, 63 (24): 247301.
doi: 10.7498/aps.63.247301
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为了突破传统横向双扩散金属-氧化物-半导体器件(lateral double-diffused MOSFET)击穿电压与比导通电阻的极限关系, 本文在缓冲层横向双扩散超结功率器件(super junction LDMOS-SJ LDMOS)结构基础上, 提出了具有缓冲层分区新型SJ-LDMOS结构. 新结构利用电场调制效应将分区缓冲层产生的电场峰引入超结(super junction)表面而优化了SJ-LDMOS的表面电场分布, 缓解了横向LDMOS器件由于受纵向电场影响使横向电场分布不均匀、横向单位耐压量低的问题. 利用仿真分析软件ISE分析表明, 优化条件下, 当缓冲层分区为3时, 提出的缓冲层分区SJ-LDMOS表面电场最优, 击穿电压达到饱和时较一般LDMOS结构提高了50%左右, 较缓冲层SJ-LDMOS结构提高了32%左右, 横向单位耐压量达到18.48 V/μm. 击穿电压为382 V的缓冲层分区SJ-LDMOS, 比导通电阻为25.6 mΩ·cm2, 突破了一般LDMOS击穿电压为254 V时比导通电阻为71.8 mΩ·cm2的极限关系.
2014, 63 (24): 247803.
doi: 10.7498/aps.63.247803
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采用自悬浮定向流-真空热压法, 在不同压强下制得铝纳米晶材料, 并利用X射线衍射(XRD)和正电子湮没寿命谱(PALS)分析手段对铝纳米晶的结构和微观缺陷进行表征. XRD分析表明: 所制备的铝纳米晶的晶粒度为48 nm. PALS分析表明: 铝纳米晶的微观缺陷主要为类空位以及空位团, 而微孔洞很少; 短寿命τ1, 中间寿命τ2以及其对应的强度I1, I2随压强变化而呈现阶段性变化; 压制压强(P)低于0.39 GPa时制得的纳米晶空位团随压强的增加而逐渐转变为类空位; 0.39 GPa ≤ P≤ 0.72 GPa 时, 各类缺陷发生消除; P≥ 0.72 GPa时, 各类缺陷进一步发生消除. 随压强的提高, 铝纳米晶的密度增加, 其显微硬度也明显增高.
2014, 63 (24): 247801.
doi: 10.7498/aps.63.247801
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用高温熔融法制备了Tm2O3掺杂浓度为0.25, 0.5, 0.75, 1, 1.25, 1.5 mol%的40 GeO2-35TeO2-15PbO-5Al2O3-2.5CaO-2.5SrO锗碲酸盐玻璃. 热学性质测试表明该玻璃的转变温度为446 ℃, 没有析晶峰. 玻璃的最大声子能量约为750 cm-1. 利用Judd-Ofelt 理论计算了Tm3+ 的Judd-Ofelt 参数Ωt(t = 2, 4, 6)、不同浓度下Tm3+ 离子各激发态能级的自发辐射几率、荧光分支比以及辐射寿命等参数. 采用808 nm 波长抽运源测试了Tm3+ 离子的荧光光谱. 发现掺杂浓度为1 mol% 时约1.8 μm 处的荧光强度最强. 根据McCumber 理论计算了3F4 →3H6 的发射截面, 其峰值发射截面为6.5 × 10-21 cm2. 根据速率方程计算了玻璃中OH 引起的Tm3+ 的3F4 能级的无辐射弛豫速率, 随着Tm3+ 浓度增加, OH 对3F4 能级的猝灭速率增加. 这种玻璃有望研制成一种新型的约2 μm 的激光玻璃材料.
2014, 63 (24): 247802.
doi: 10.7498/aps.63.247802
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在草酸溶液中用二次阳极氧化法制备了纳米多孔氧化铝薄膜, 分析了制备过程中氧化铝薄膜中缺陷的形成机理. 场发射电子显微镜给出了薄膜的表面形貌和结构. X 射线色散能谱和傅里叶红外透射光谱测试表明, 进入薄膜中的草酸杂质加热到500 ℃未全部分解. 对多孔氧化铝薄膜的光致发光PL光谱做了高斯拟合, 结合测试结果和薄膜中的缺陷分析指出: 多孔氧化铝薄膜的发光由F+, F和草酸杂质相关缺陷引起, 对应发光中心分别在402, 433, 475 nm处, 并提出F中心起主导作用. 对不同草酸浓度中制备的多孔氧化铝薄膜的PL光谱讨论指出: 随草酸浓度增加, 三种发光中心的峰位不会发生变化, 但相对强度发生改变, F+中心和F中心减少, 草酸杂质相关发光中心增加, PL 峰红移. 最后提出通过控制草酸浓度来控制多孔氧化铝薄膜中的草酸杂质. 此研究将对多孔氧化铝薄膜发光起源和机理有更深入的理解, 同时也为多孔氧化铝薄膜的制备提供一种全新的思路.
2014, 63 (24): 247501.
doi: 10.7498/aps.63.247501
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利用Ginzburg-Landau理论模拟在外磁场作用下超导圆环的涡旋演化, 讨论了外磁场、材料参数以及圆环内外径对涡旋进入超导圆环体以及涡旋达到稳定分布的影响. 研究结果表明: 外磁场越大, 材料参数κ越大, 圆环环身越宽, 则超导圆环体内容纳的涡旋就越多. 当磁场较小时, 涡旋只由内边界进入超导体, 当磁场足够大时, 涡旋则先由外边界, 然后再从内边界进入超导体.
2014, 63 (24): 247502.
doi: 10.7498/aps.63.247502
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当前从事非晶态合金丝巨磁阻抗效应的理论研究均以忽略其内部退磁场为前提, 该前提对于小尺寸非晶态合金丝不适用. 本文提出一种用于计算CoFe-基非晶态合金丝内部静磁化强度、退磁场分布的模型. 该模型将非晶态合金丝内部划分成同轴、等宽、等厚、半径不同的相邻无交圆环, 计算各圆环内磁化强度对场点r处退磁场冲激响应, 得到冲激响应矩阵. 利用该矩阵求解均匀/非均匀直流偏置磁场中非晶态合金丝内静磁化强度、退磁场分布.
2014, 63 (24): 247101.
doi: 10.7498/aps.63.247101
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通过基于密度泛函理论的第一性原理计算, 对光催化水解半导体Ag2ZnSnS4的改性方案做了理论研究. 在与同类化合物的带边位置比较后发现, Cu与Ge共掺杂能够在Ag2ZnSnS4中实现禁带宽度和带边位置的双重调节, 从而使其能带结构优化到光催化水解最为理想的状态. 另外, CuGaSe2 可与Ag2ZnSnS4形成type-Ⅱ型带阶结构, 制备它们的异质结同样可用于提升其光催化水解性能.
原子和分子物理学
2014, 63 (24): 243601.
doi: 10.7498/aps.63.243601
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采用简化库仑爆炸模型对强激光脉冲照射氘代乙烷团簇发生的库仑爆炸过程进行数值模拟, 研究了氘代乙烷团簇爆炸产生的氘核动能、中子产额与团簇尺寸的关系, 且与氘代甲烷团簇产生的氘核动能及中子产额进行了比较. 研究表明, 尺寸为5 nm的氘代乙烷团簇在发生库仑爆炸后氘核的最大动能为20.96 keV, 获得的中子产额为6.31×105, 比同尺寸氘代甲烷团簇产生的氘核最大动能及中子产额更大. 因此相对于氘代甲烷团簇, 大尺寸的氘代乙烷团簇更适合作为激光驱动团簇库仑爆炸获得高额中子的靶材, 这与报道的实验推论相一致.
2014, 63 (24): 243101.
doi: 10.7498/aps.63.243101
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利用密度泛函理论TPSSh方法对B采用6-311+G(d), 对Y采用Lanl2dz相对论有效势基组, 研究了BnY (n=1–11)团簇的平均结合能、二阶能量差分、最高分子占据轨道和最低空轨道之间的能级间隙、极化率和第一静态超极化率等物理化学性质. 结果表明, 随着尺寸的增大, BnY (n=1–11)团簇的最低能量结构从平面逐步演变为立体结构. 随硼原子数n的增加, 团簇的平均结合能表明了较好的热力学稳定性, 有利于Y掺杂B团簇形成较大的块体材料.二阶能量差分表明基态B3Y, B5Y和B7Y团簇较相邻团簇稳定. 能隙表明了基态B3Y, B5Y, B7Y和B9Y的化学稳定性较高. 综合说明BnY (n=1–11)硼团簇中, 基态B3Y, B5Y和B7Y具有较好的稳定性. 极化率表明基态BnY团簇的电子结构随B原子的增加趋于紧凑, 第一静态超极化率表明基态B5Y, B4Y, B3Y和B6Y平面结构的团簇具有明显的非线性光学性质, 为寻找性能优异的非线性光学材料提供了一定的参考.
2014, 63 (24): 243102.
doi: 10.7498/aps.63.243102
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运用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 系统研究了小尺寸锐钛矿相(n,0)型TiO2纳米管(D2分子的形成能降低, 体系趋于稳定; 在管径14 Å左右, (n,0)型TiO2纳米管会发生一次构型的转变. 能带分析显示, TiO2纳米管的电子态比较局域化, 小管径下(D2纳米管由直接带隙转变为间接带隙, 并且带隙值随着管径的增大而增大, 这是由于π轨道重叠效应的影响大于量子限域效应所导致的结果. 两种效应的竞争, 使得TiO2纳米管的介电函数虚部ε2 (ω)谱的峰值位置随管径增大既可能红移也可能蓝移, 管径大于9 Å (即(8, 0)管)之后, TiO2纳米管的光吸收会出现明显的增强.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2014, 63 (24): 244204.
doi: 10.7498/aps.63.244204
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实验研究了处于单周期振荡的光注入半导体激光器在频率等于单周期振荡频率一半的1/2次谐波调制下所产生的微波信号的特性. 实验结果显示: 在合适的注入条件下, 处于单周期(P1)振荡的光注入半导体激光器可输出频率可达26.5 GHz、光谱具有单边带结构的光生微波信号, 但微波信号的线宽比较宽(MHz量级); 通过采用频率为单周期振荡频率一半的次谐波信号调制光注入半导体激光器, 可将微波线宽从十几MHz 压缩到几十kHz. 进一步分析了次谐波调制信号的功率以及频率对微波信号的相位噪声的影响, 并在由次谐波调制信号的功率和频率构成的参数空间绘制出了能实现次谐波频率锁定的分布区域.
编辑推荐
2014, 63 (24): 244203.
doi: 10.7498/aps.63.244203
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腔内中性原子的长时间控制与俘获一直是腔量子电动力学(QED)中的一个难题, 极大地制约了人们相干操控单原子及其与光相互作用的研究. 本文基于传统Fabry-Perot光学腔, 设计了一套易于内腔原子操控的强耦合腔QED系统, 其典型参数为: 腔长3.5 mm精细度约为57000, (g0,,)=2 (1.48, 0.375, 2.61) MHz, 临界光子数和原子数分别为1.54和0.89. 该系统的特点是: 能够在腔内直接实现冷原子磁光阱, 并建立腔内光学晶格, 实现腔内可控数目的中性原子的长时间俘获. 通过合理选择构建光学偶极阱和原子成像系统, 可实现对腔内单个原子或原子阵列的操控、探测、成像等. 该系统可以克服传统腔QED系统中转移原子的困难, 大幅增加腔内原子的寿命, 为构建以腔QED系统为基础的量子信息演示平台提供了一种可能.
2014, 63 (24): 244205.
doi: 10.7498/aps.63.244205
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对于强耦合腔量子电动力学系统中以自由下落方式转移原子与腔模强耦合作用过程进行了实验研究, 并在理论上利用蒙特卡罗方法对整个实验过程进行了模拟. 根据模拟的高精度光学微腔实时记录的原子穿腔信号, 获得了原子与腔模相互作用以及冷原子的参数等基本信息, 包括不同初始条件下原子与腔模相互作用时腔的透射谱、单个原子在腔内的驻留时间、原子到达腔模时刻的概率分布以及原子到达腔模的动能分布等, 并作为对比给出了相应的实验结果. 基于模拟结果, 实验上建立了腔内光学偶极阱来俘获单个原子, 测量的单原子的腔内俘获寿命达到5 ms,比自由穿越时延长了约30倍. 该研究对于原子-腔受限空间内, 以自由下落方式转移原子以及原子与腔的耦合过程给出详细的分析, 有助于对类似实验结果的分析和系统参数的优化.
2014, 63 (24): 244208.
doi: 10.7498/aps.63.244208
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利用飞秒光电子影像技术研究了碘甲烷分子在飞秒强激光场作用下的多光子电离动力学, 在实验上实现了运用飞秒强场多光子电离技术对多原子分子离子的振动量子态进行光学操控. 本文提高了飞秒激光的强度, 从1.6×1013 W/cm2提高到2.5×1013 W/cm2. 在增大的激光强度范围内, 发现了新的能量组分, 并对此进行归属. 通过采集光电离的光电子影像可以得到强场电离后光电子的动能分布和角度分布两方面的信息, 前期的研究主要侧重于讨论光电子动能随光强的变化, 本文重点讨论了光电子角度分布随光强的变化, 通过观察光电子角度分布的变化趋势对振动量子态调控机理进一步认识.
2014, 63 (24): 244102.
doi: 10.7498/aps.63.244102
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利用超材料概念, 通过在接地面上蚀刻条形缝隙图案, 并引入“八木”天线中的反射器和引向器的设计思想, 设计并且制作了一种超宽带强定向型贴片天线. 仿真结果表明, 天线相对带宽为65.3% (6.9–13.6 GHz), 带内回波损耗均在-10 dB以下, 整个频段内天线的增益均在4.4 dBi以上. 由于接地板上蚀刻的超材料结构的左手特性影响了天线介质基底的等效媒质参数, 天线电磁场的传播方向被改变, 天线辐射场主要集中在水平方向而不是传统贴片天线的垂直方向. 在传统的贴片天线上引入反射器和引向器增强了天线的方向性. 实验结果与仿真结果有较好的一致性.
2014, 63 (24): 244103.
doi: 10.7498/aps.63.244103
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涡旋光束的产生、传输与应用是当前光学领域热门的研究课题之一. 本文提出的新型多环涡旋光束, 包括双环涡旋及三环涡旋光束, 它是由多束携带不同拓扑电荷数且束腰半径不同的拉盖尔-高斯涡旋光束共轴叠加而成, 其光强分布为多环结构. 从理论上研究了多环涡旋光束的形成与分布特征, 基于共轭对称延拓Fourier计算全息方法生成了多环涡旋光束的计算全息图, 并利用一个空间光调制器实验产生了与理论一致的高质量的多环涡旋光束. 研究表明多环涡旋光束的各环携带不同的轨道角动量, 空间分布保持相互独立. 这种新型的多环涡旋光束相对于携带单一拓扑电荷数的涡旋光束, 提供了更多的控制参数和更加多样化的结构分布, 因此在光学镊子、光学捕获等微操控以及光通信领域具有潜在的应用潜力.
2014, 63 (24): 244101.
doi: 10.7498/aps.63.244101
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将修正的等效电流近似法与图形计算电磁学法相结合引入到热防护层覆盖弹体目标的电磁散射问题的研究中. 应用修正的等效电流近似法对介质和有耗表面进行散射计算, 结合图形计算电磁学法, 借助于计算机显示技术, 将三维目标图形在计算机屏幕上投影, 由图形加速卡完成遮挡和消隐工作, 利用图形计算电磁学的积分公式, 把三维空间的计算转化为二维空间的计算, 大大降低了计算时间和复杂度. 计算结果表明: 当入射波频率较低时, 热防护层的厚度不会影响弹体雷达截面值的大小, 当频率升高,随着热防护层厚度的增加, 弹体雷达截面值不断减小, 说明热防护涂层为有耗介质, 介电常数的虚部越大其消耗能量的能力越强, 弹体雷达截面变化越明显; 当热防护层中存在孔隙, 热防护层厚度一定, 孔隙率越大, 雷达截面值越大, 孔隙率为零时, 雷达截面值最小. 当孔隙率相同, 热防护层越薄, 其雷达截面值越大; 当弹体在高空中出现脱粘现象,对弹体的雷达截面值影响不大.
2014, 63 (24): 244201.
doi: 10.7498/aps.63.244201
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像面数字全息是数字全息技术中常用的测量和成像方式, 它通常采用离散傅里叶变换和频率滤波的方法进行物光波的重建. 本文讨论了这些算法对重建相位的影响. 首先分析了频谱泄露对于相位误差的影响, 结果表明当采样周期为整数时, 重建相位误差很小, 因此具有极高的相位重建精度; 而当不满足整周期采样时, 相位重建误差有了明显的增加. 为了改善频谱泄露所引起的相位误差, 采用Hanning函数对数字全息图进行了预处理, 结果表明Hanning窗的加入能够有效地提高重建相位的准确程度.
2014, 63 (24): 244202.
doi: 10.7498/aps.63.244202
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提出了一种基于数字全息技术测定涡旋光束拓扑电荷数的方法. 该方法通过数字全息技术获取涡旋光束和参考光的全息图并重构出涡旋光束的波前相位, 判定相位围绕相位奇点的周期性分布来测定涡旋光束的拓扑电荷数. 在拓扑电荷数取值分别为整数和分数的情况下, 通过对数值模拟和实验结果的比较, 表明该方法能够较准确地测定出拓扑电荷数.
2014, 63 (24): 244206.
doi: 10.7498/aps.63.244206
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设计和构建了波长为355, 532和1064 nm的多波长米散射激光雷达系统, 并研究了多波长激光雷达信号数据处理和反演算法, 实现了对地表气溶胶的探测; 利用该激光雷达对2013年冬季西安市上空大气进行了探测, 研究分析了雾霾天、晴天和有云天气的混合层高度、气溶胶消光特征和粒径分布特征. 分析比较了不同波长探测到的混合层高度变化情况. 在雾霾天, 大气混合层高度与晴天和有云天相比明显偏低, 在0.4 km附近, 而晴天的混合层高度有0.5–0.8 km. 利用长波(1064 nm/532 nm)段和短波(532 nm/355 nm)段两个Ångström指数分析了不同天气情况下的粒径分布特征. 对于近地层气溶胶, 雾霾天的长波Ångström (1064/532)指数小于短波Ångström (532/355)指数, 而晴天与之相反, 说明在近地层雾霾有污染的大气中, 存在有较多的粗粒子. 在云层中, Ångström指数明显减小, 并且出现负值, 说明云粒子半径比较大.
2014, 63 (24): 244207.
doi: 10.7498/aps.63.244207
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结合表面缺陷半无限光子晶体Tamm态与多孔硅光学传感机理, 在光子晶体表面缺陷腔中引入多孔硅, 并利用其高效的承载机制, 提出基于多孔硅表面缺陷光子晶体Tamm态的折射率传感结构. 在半无限光子晶体中缺陷腔与原来的周期性分层介质结构的界面上存在Tamm态, 通过入射角度调制使其在缺陷腔中实现多次全反射, 并在缺陷腔中加入吸收介质, 使谐振波长在缺陷腔中完成衰荡, 从而在反射谱中得到缺陷峰; 调整光子晶体参数, 使缺陷峰的半高全宽得到优化, 提高其品质因数(Q值); 在此基础上, 根据Goos-Hänchen相位移与谐振波长的关系, 建立由待测样本折射率改变所导致的多孔硅表面吸附层有效折射率变化与缺陷峰值波长漂移之间的关系模型, 并分析其折射率传感特性. 结果表明, 此生物传感结构Q值为1429, 灵敏度为546.67 nm/RIU, 证明了该传感结构的有效性, 可为高Q值和高灵敏度折射率传感器的设计提供一定的理论参考.
地球物理学、天文学和天体物理学
2014, 63 (24): 249201.
doi: 10.7498/aps.63.249201
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大气水分循环过程耦合了降水、蒸发、水汽输送等多个环节. 本文利用ERA-Interim与MERRA再分析资料, 研究了中国1979–2012年夏季大气水分循环的时空变化特征及其对全球气候变化的响应, 并对两套再分析资料在中国地区的适用性进行了评估. 结果表明: 1)中国夏季降水、蒸发、可降水量均自东南沿海地区向西北内陆递减; 降水与蒸发相互联系、相互制约, 由于不同地区下垫面物理条件的差异, 它们之间同时存在正、负反馈的影响机制, 可降水量主要集中在地面至700 hPa高度, 约占总量的75%; 2)近34 年大气水分循环显著变化的区域主要集中在西部和东北地区, 西部内陆地区可降水量显著增加, 北方大部分地区纬向水汽输送通量显著减小, 西北北部地区经向水汽输送通量显著增大, 蒸发量与水汽输送的气候变化可能是造成可降水量增加的主要原因; 3) Interim与MERRA资料对降水量时空变化特征的再现能力要优于蒸发量, 此外, 它们对降水与蒸发气候变化趋势的模拟结果差别较大, 使用时应该慎重; 两套资料对可降水量与水汽输送通量的时空变化特征以及气候变化趋势的模拟比较一致, 可信度较高; 4) Interim资料对西南、东南以及东北区域夏季水循环均有较好的描述能力; 而MERRA资料更适用于研究西南和西北区域的水汽收支情况.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2014, 63 (24): 246101.
doi: 10.7498/aps.63.246101
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采用基于壳模型的分子动力学模拟方法, 研究了存在外延压应变时BaTiO3铁电体的辐射位移效应, 以O原子作为初冲原子(primary knock-on atom, PKA), 能量为1 keV, 方向为[001], 分别计算了外延压应变为0, 0.4%, 0.8%, 1.2%, 1.6%, 2.0%时体系的缺陷数量、分布, 以及辐射前后的极化强度, 比较了压应变为2%以及无应变下损伤区域、缺陷离位距离和反向外电场下PKA的迁移距离. 结果表明, 随外延压应变增加体系极化近似线性增加, 辐射后极化降低幅度降低、缺陷产生的数量有所减小, 2% 压应变存在时缺陷原子的离位距离、PKA在反向外电场作用下的迁移距离和损伤区域都小于无应变的情况, 说明外延压应变的存在对辐射造成的晶格损伤具有抑制作用, 对辐射损伤具有改善作用, 可以通过引入外延压应变来调控BaTiO3的辐射损伤.
编辑推荐
2014, 63 (24): 246102.
doi: 10.7498/aps.63.246102
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微孔洞显著地影响着脆性材料的冲击响应, 理解其介观演化机制和宏观响应规律将使微孔洞有利于而无害于脆性材料的工程应用. 通过建立能够准确表现材料弹性性质和断裂演化的格点-弹簧模型, 本文揭示了孔洞的演化对于脆性材料的影响. 冲击下孔洞导致的塌缩变形和从孔洞发射的剪切裂纹所导致的滑移变形产生了显著的应力松弛, 并调制了冲击波的传播. 在多孔脆性材料中, 冲击波逐渐展宽为弹性波和变形波. 变形波在宏观上类似于延性金属材料的塑性波, 在介观上对应于塌缩变形和滑移变形过程. 样品中的气孔率决定了脆性材料的弹性极限, 气孔率和冲击应力共同影响着变形波的传播速度和冲击终态的应力幅值. 含微孔洞脆性材料在冲击波复杂加载实验、功能材料失效的预防、建筑物防护等方面具有潜在的应用价值. 本文获得的冲击响应规律有助于针对特定应用优化设计脆性材料的冲击响应和动态力学性能.
2014, 63 (24): 246801.
doi: 10.7498/aps.63.246801
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研究了非晶氧化钛薄膜沉积过程中入射钛离子能量对表面结构形成机理以及薄膜特性的影响. 模拟结果表明, 通过提高入射钛离子能量, 可以有效降低成膜表面粗糙度, 从而减小薄膜表面的光学散射损耗. 研究发现, 当入射离子能量提高后, 薄膜生长模式从“岛”状生长过渡到了“层”状生长, 且离子入射点附近的平均扩散系数也有显著增加, 这有利于形成更加平整的高质量薄膜表面.
2014, 63 (24): 246103.
doi: 10.7498/aps.63.246103
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研究了不同剂量的60 kW高功率脉冲电子束辐照对高纯熔石英玻璃的微观结构、光学性能和激光损伤特性的影响规律. 光学显微图像表明, 辐照后熔石英样品由于热效应导致表面破裂, 裂纹密度和尺寸随辐照剂量增加而增大, 采用原子力显微镜分析表面裂纹的微观形貌, 裂纹宽度约1 um, 同时样品表面分布着大量尺寸约0.1–1μm的碎片颗粒. 吸收光谱测试表明, 所有样品均在394 nm处出现微弱的吸收峰, 吸收强度随着电子束辐照剂量增大呈现先增加后减小的趋势. 荧光光谱测试发现辐照前后样品均有3个荧光带, 分别位于460, 494和520 nm, 荧光强度随辐照剂量的变化趋势与吸收光谱一致. 利用355 nm激光研究了不同剂量电子束辐照对熔石英激光损伤阈值的影响, 结果表明熔石英的损伤阈值随着辐照剂量的增加而降低. 在剂量较低时, 导致熔石英激光损伤阈值下降的原因主要是色心缺陷; 剂量较高时, 导致损伤阈值降低的原因主要是样品表面产生的大量微裂纹和碎片颗粒对激光的调制和吸收.
