Vol. 63, No. 8 (2014)
2014年04月20日
总论
2014, 63 (8): 080201.
doi: 10.7498/aps.63.080201
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回旋行波管是下一代高分辨率成像雷达、高速率远程通信等电子系统首选的高功率电磁波辐射源，在国防安全方面具有重要的战略意义. 研究发现，螺旋波纹波导回旋行波管具有较大的带宽，较高的电子效率及稳定性. 本文从有源麦克斯韦方程组出发，系统地推导了螺旋波纹波导的色散方程及非线性注波互作用理论，数值计算结果与已有的实验报道基本相符. 在此基础上，设计了W波段螺旋波纹回旋行波管，工作电压为80 kV，工作电流为 5 A，中心频率为95 GHz，3 dB带宽约4.5%，饱和增益为52 dB，最大输出功率为142 kW，电子效率达20%–35%. 最后，本文计算了电流、电压及输入功率的改变对W波段螺旋波纹波导回旋行波管输出性能的影响.
2014, 63 (8): 080202.
doi: 10.7498/aps.63.080202
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通过自洽求解薛定谔方程和泊松方程，较系统地研究了GaN沟道层、AlGaN背势垒层、Si掺杂和AlN 插入层对N极性GaN/AlGaN异质结中二维电子气（2DEG）的影响. 分析表明，GaN沟道层厚度、AlGaN背势垒层厚度及Al 组分变大都能一定程度上提高二维电子气面密度，AlGaN背势垒层的厚度和Al 组分变大也可提高二维电子气限阈性，且不同的Si掺杂形式对二维电子气的影响也有差异，而AlN插入层在提高器件二维电子气面密度、限阈性等方面表现都较为突出. 在模拟中GaN沟道层厚度小于5 nm 时无法形成二维电子气，超过20 nm后二维电子气面密度趋于饱和，而AlGaN背势垒厚度超过40 nm后二维电子气也有饱和趋势. 对均匀掺杂和delta 掺杂而言AlGaN 背势垒层Si掺杂浓度超过5×1019 cm-3后2DEG面密度开始饱和.而厚度为2 nm AlN 插入层的引入会使2DEG面密度从无AlN插入层时的0.93×1013 cm-2提高到1.17×1013 cm-2.
2014, 63 (8): 080501.
doi: 10.7498/aps.63.080501
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通过简化广义Jerk系统，构建了一个三维网格多涡卷混沌系统，利用同相第二代电流传输器（CCII+）设计并实现了该系统的模拟电路. 将该电路与传统运放实现的混沌电路进行了对比，发现基于CCII+ 的混沌电路能在更高频段产生网格多涡卷吸引子，且电路结构更简单，使用器件更少. 最后，通过示波器观测到了网格多涡卷混沌吸引子，验证了混沌电路的物理可实现性，电路实验结果与数值仿真结果一致.
2014, 63 (8): 080502.
doi: 10.7498/aps.63.080502
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近年来，忆阻混沌电路受到国内外学者的广泛关注，然而目前四维忆阻系统往往只存在普通混沌（仅有一个正Lyapunov指数）. 本文通过用忆阻替换Chua电路中电阻的新途径，得出一个简单的四维忆阻电路. 与仅含有限个孤立不稳定平衡点的大多已知系统不同，本系统存在无穷多个稳定和不稳定平衡点. 研究发现该系统存在着极限环、混沌、超混沌等丰富的复杂行为. 通过进一步数值分析和电路仿真实验，证实了超混沌吸引子的存在，从而解决了关于四维忆阻电路是否存在超混沌的疑问.
2014, 63 (8): 080503.
doi: 10.7498/aps.63.080503
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根据生物视觉系统的功能原理，用忆阻器模拟生物突触，结合忆阻器的记忆特性和spiking 神经网络的高效处理能力，构造了一种可用于图像边缘提取的三层spiking神经网络模型，该网络用忆阻器电导的变化量来表征图像边缘信息. 仿真结果表明，该方法的边缘提取结果具有连续性、光滑性、低误检漏检性和边缘定位准确性. 该神经网络的处理过程符合生物信息处理机制，为视觉系统的仿生实现提供了新的思路.
2014, 63 (8): 080504.
doi: 10.7498/aps.63.080504
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研究了一类混沌系统的同步问题、基于稳定性理论和极点配置技术，设计了两个混沌系统之间的同步方案，实现两个混沌系统之间的同步. 通过函数矩阵，实现驱动系统和响应系统的状态变量按给定的函数矩阵同步. 同时证明了该方法同样适用于两个混沌系统之间的滞后同步. 通过对Lorenz 混沌系统和Lorenz 超混沌系统的数值模拟，进一步验证了所提方案的有效性.
2014, 63 (8): 080505.
doi: 10.7498/aps.63.080505
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提出了一种构造多翼蝴蝶混沌吸引子的新方法. 在Liu混沌系统的基础上，通过设计一种新的分段线性函数，构造了一个产生多翼蝴蝶混沌吸引子的混沌系统. 对系统的平衡点、Lyapunov指数谱、分岔图、相图、频谱和Poincaré截面进行了分析. 最后，设计了相应的硬件电路. 电路实验结果与数值仿真结果一致，验证了该方法的可行性和有效性.
2014, 63 (8): 080506.
doi: 10.7498/aps.63.080506
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借助 Maple 符号计算软件，利用 Riccati 方程（ξ’=a0+a1ξ+a2ξ2）展开法和变量分离法，得到了（2+1）维 Korteweg-de Vries 方程（KdV）包含 q=C1x+C2y+C3t+R（x，y，t）的复合波解. 根据得到的孤立波解，构造出 KdV 方程新颖的复合波裂变和复合波湮灭等局域激发结构.
2014, 63 (8): 080507.
doi: 10.7498/aps.63.080507
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为了有效刻画行人在三维空间中的疏散状况，结合阶梯因素提出了一种新的三维元胞自动机模型. 该模型首先基于位置吸引力和碰撞可能性给出了行人移动概率的计算公式，并通过定义元胞演化过程阐述其疏散策略. 同时，利用建立的仿真平台进行实验，深入分析了疏散时间、出口流率、出口宽度、初始行人密度以及系统平均速度之间的关系，以此获得更加符合实际情况的行人流特征. 结果表明，疏散时间、出口流率与初始行人密度呈现正相关，而与出口宽度呈现负相关，并且系统平均速度和出口宽度对于最优疏散时间存在一个理想阈值.
原子和分子物理学
2014, 63 (8): 083101.
doi: 10.7498/aps.63.083101
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熔石英是高功率激光装置中广泛使用的激光透镜材料. 采用第一性原理结合平面波赝势方法，研究了熔石英材料中羟基结构的生成模式，系统计算了材料的电子态密度、差分电荷密度、原子电荷布居分布，分析了包含羟基熔石英材料的光学跃迁模式. 研究结果表明：熔石英中的三配位硅原子缺陷在禁带中生成了两条缺陷能级，分别位于7.8和8.8 eV；研究还发现氢原子与五配位硅原子发生相互作用生成羟基结构，该反应还使三配位硅原子的杂化方式由sp2变为sp3，这种羟基结构会影响体系的电子结构，使原有的7.8和8.8 eV缺陷能级消失，并在费米面上生成一条半占据态缺陷能级，引起激发能为6.2 eV的光学跃迁.
2014, 63 (8): 083102.
doi: 10.7498/aps.63.083102
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对O原子以aug-cc-pvTZ为基组，Sn原子以aug-cc-pvTZ-PP为基组，分别采用多参考组态相互作用方法（MRCI）及运用Davidson 修正的多参考组态相互作用方法对SnO分子基态X1Σ+ 及两 个激发态a3Π和A1Π态的势能曲线进行计算，进而得到了各态的平衡键长Re，谐振频率ωe，非谐振常数ωeχe，转动常数Be，垂直跃迁能Te 以及离解能De，通过群论原理确定了各电子状态和离解通道. 计算结果表明：3个电子态有共同的离解通道，即Sn（3P）+O（3P）；利用Level程序对势能曲线进行拟合得到的光谱数据表明，MRCI方法的计算结果与实验值符合更好；通过求解核运动的Schrödinger方程得到了J=0 时这三个电子态的前30个振动态的Bv和Dv 等分子常数和振动能级E.
2014, 63 (8): 083103.
doi: 10.7498/aps.63.083103
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基于部分离子势函数的分子动力学方法，研究了U1-xPuxO2（x=0.07，0.15，0.25和0.5）在300–3000 K温度范围和0–1.5 GPa下的热力学性质. 研究发现，在等压和不同温度下，随着钚（Pu）比率的增加，U1-xPuxO2的晶格常数线性减小，线性膨胀系数有所增大，等温压缩系数减小. 通过拟合得到了零压下U1-xPuxO2晶格常数和线膨胀系数随Pu比率变化的经验表达式.
编辑推荐
2014, 63 (8): 083301.
doi: 10.7498/aps.63.083301
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真空环境不仅会导致热电偶等温度传感器表面材料解吸，而且其传热机理也与常压不同，因此采用常压下校准和溯源的温度传感器测量真空环境下气体温度存在诸多不确定性问题. 为此，本文利用可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）测量真空环境下气体温度，探索TDLAS温度测量技术在真空环境下的应用前景. 在模拟热真空实验过程中，首先将真空气室浸没于恒温槽中，然后利用TDLAS测量真空气室中气体温度，同时利用一等标准铂电阻测量恒温槽的温度. 试验结果表明：TDLAS和一等标准铂电阻测量得到的气体温度和恒温槽温度具有高度的一致性，两者之间的误差在恒温槽温度稳定时不超过0.2℃.
2014, 63 (8): 083302.
doi: 10.7498/aps.63.083302
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海水水下温度的快速大范围测量是海洋监测的重要内容，在民用和军事领域都有着至关重要的意义. 本文提出了采用相干瑞利散射方法测量海水水下温度的新方法：用宽带高速光电探测器接收本振激光和海水后向瑞利散射光相干产生的差频信号，进行傅里叶变换分析获取海水瑞利散射展宽谱，从而反演海水温度. 首先从海水的热力学特性出发，对利用瑞利散射谱测量海水水下温度的基本原理进行了理论研究和软件模拟；然后对采用相干探测测量海水瑞利散射谱的测量方法进行了理论分析和软件模拟；在此基础上对瑞利散射海水水下温度测量精度进行了分析，得出当水体瑞利散射频谱半宽度测量精度为1 MHz时，测温精度约为0.35 K.
2014, 63 (8): 083401.
doi: 10.7498/aps.63.083401
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采用非平衡分子动力学方法，通过分别控制温度和速度的方式研究了C60轰击石墨烯的瞬间动力学. 研究表明，无论温度如何变化，C60在低速轰击石墨烯时都不能击穿石墨烯，但在高速轰击石墨烯时都能击穿石墨烯，并不受温度影响. 对于在低速与高速的过渡段，发现C60击穿石墨烯的概率会随着温度的提升而呈现增加的趋势，导致此现象的原因是在高温时C60破坏石墨烯C–C键的概率更高. C60轰击石墨烯的动力学在石墨烯表面清理和纳米孔制备方面有潜在应用.
2014, 63 (8): 083402.
doi: 10.7498/aps.63.083402
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以准相对论Hartree-Fock理论为基础，对Fe24+离子 KLn（n=L，M，N，O，P）共振激发态可能辐射衰变通道的双电子复合过程的共振强度进行了系统的理论计算研究. 计算了KLL 共振激发态谱项能级电偶极允许跃迁的共振强度和截面. 在此基础上，根据已有H2分子的实验Compton 轮廓，进一步计算了能量在300–800 MeV范围内，抛射体Fe24+离子俘获H2分子靶电子的 KLn（n=L，M，N，O，P）共振电荷转移与激发X射线发射截面. 计算结果与最新实验值或者其他理论计算结果做了对比分析. 研究表明，对于Fe24+ 离子KLn（n=L，M，N，O，P）的双激发态，Kα辐射衰变通道对双电子复合过程的共振强度贡献最大，是起主导性作用的重要通道. Kα辐射衰变X 射线的波长范围λ为1.850–1.880 Å，而非Kα辐射衰变的波长范围λ为1.460–1.601 Å，两者共振X 射线的波长位置并不重叠.
2014, 63 (8): 083701.
doi: 10.7498/aps.63.083701
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提出了利用π相位板产生矢量空心光束的新方案，两个偏振方向互相垂直的线偏振光波分别通过π相位板调制后进行强度叠加，得到椭圆空心光束. 用矩形光阑调节相位板的几何尺寸，可以实时调节椭圆的离心率；调节π相位板的方位，能够实现径向矢量空心光束到角向矢量空心光束的转换. 分析、讨论了方案的可行性和在原子光学中的潜在应用. 结果表明：本方案在原子光学中有很好的应用前景.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2014, 63 (8): 084101.
doi: 10.7498/aps.63.084101
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基于变换光学理论和互补媒质理论，提出了新型椭圆形互补隐身斗篷的设计方法，并得到了本构参数张量表达式. 利用基于有限元算法的电磁仿真软件对该模型进行了全波仿真验证，结果证实了所得到的表达式的正确性. 这种隐身斗篷不仅能够实现对位于其内部的物体隐身，而且电磁波能透进隐身斗篷内部进而可以与外界进行通信.
2014, 63 (8): 084102.
doi: 10.7498/aps.63.084102
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提出了在时间反演技术条件下单频的电磁波信号可以实现超分辨力聚焦这一思路，并基于信道理论推导了该思路的可行性；基于传统的同轴探针结构建立了间距为1/4波长的微结构模型，仿真结果证实了该模型结合时间反演技术在单频信号和宽带信号激励时均可以表现出超分辨力聚焦特性. 理论分析和仿真结果为单频以及多频带天线的超分辨力聚焦特性的研究提供了重要的指导作用.
2014, 63 (8): 084103.
doi: 10.7498/aps.63.084103
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针对相位梯度超表面在隐身技术中的应用，提出通过表面波耦合和异常反射两种机制复合实现宽频带后向雷达散射截面（RCS）缩减. 采用开口谐振环进行相位梯度设计，实现了一种二维极化无关相位梯度超表面，在10 GHz 附近，超表面通过将垂直入射电磁波耦合为表面波实现RCS缩减，而在大于11 GHz的频率范围内，相位分布的不均匀性使垂直入射的电磁波发生漫反射或者异常反射，降低后向RCS. 制作了厚度为2 mm 的超表面样品，测试了其反射率曲线和后向RCS，并与相同尺寸的金属板进行了对比. 实验结果表明，在宽频段内（9.5–17.0 GHz），超表面在垂直入射情况下可将后向RCS 缩减至少10 dB. 由于厚度薄、重量轻、频带宽，RCS 缩减超表面在隐身新材料和新技术方面具有很大的应用潜力.
2014, 63 (8): 084104.
doi: 10.7498/aps.63.084104
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寻找新光源，特别是短波长相干光源引起了人们的广泛注意. 利用晶体摆动场辐射作为短波长相干光源是最有可能的方案之一. 本文从势和场的观点出发，把周期弯晶产生的离心力视为离心势，将粒子运动方程化为Duffing 型Mathieu方程，从能量观点出发讨论了系统的稳定性. 用摄动法对共振线附近粒子的运动行为进行了分析；揭示了系统的跳跃现象和不稳定行为. 结果表明，系统的稳定性与其参数有关，适当调节这些参数，系统的分叉和不稳定性原则上可以避免.
2014, 63 (8): 084201.
doi: 10.7498/aps.63.084201
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利用平均场理论和微扰论解析求解了失谐存在且环境作用下Jaynes-Cummings-Hubbard 模型的哈密顿量，得到了体系序参量的解析表达式，并讨论了失谐对体系超流-绝缘相变的影响. 研究结果表明：调节失谐可以改变腔间的有效排斥势和系统的临界隧穿率，实现系统在超流态和绝缘态之间转变. 结合耗散耦合腔阵列的输运性质探讨了失谐对序参量取值的影响，结果显示：沿失谐负支随着失谐的增大，序参量会经历先增后减的变化.
2014, 63 (8): 084202.
doi: 10.7498/aps.63.084202
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利用氧化石墨烯作为可饱和吸收体，在被动锁模全正常色散掺镱光纤激光器中研究了多脉冲的现象. 在同一抽运功率不同偏振态下，实验获得了矩形脉冲谐波锁模、耗散孤子谐波锁模、准谐波锁模，脉冲峰值周期性调制，脉冲簇、脉冲束、混沌多重脉冲的多脉冲现象. 插入激光腔内的2 nm窄带滤波器具有限制增益带宽、对脉冲塑形、诱导多脉冲产生的作用. 调节偏振控制器相当于改变腔内增益，是实现不同类型多脉冲现象的主要原因. 本实验研究有利于加深对多脉冲动力学行为在正常色散区域氧化石墨烯锁模掺镱光纤激光器中的理解.
2014, 63 (8): 084203.
doi: 10.7498/aps.63.084203
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使用复互相干度的定义对时域光波分裂前后以及不同输入噪声、不同初始啁啾和波形下抽运脉冲在高非线性光纤中产生的超连续谱的相干度进行了数值计算，得到了光波分裂前后和不同输入噪声下生成的超连续谱的演化和相干性变化. 结果表明：皮秒脉冲在高非线性光纤正常色散区产生超连续谱的相干性主要受到系统中噪声占比的影响，其中由光波分裂生成的频谱旁瓣的相干度低于由自相位调制生成的中心频谱的相干度；抽运脉冲啁啾和波形对在高非线性光纤正常色散区产生超连续谱的相干性的影响不明显. 若想获得高相干的超连续谱，需要采用低噪声的脉冲进行抽运；若获得大谱宽高相干度的超连续谱，则需要合理选择皮秒脉冲的功率.
2014, 63 (8): 084204.
doi: 10.7498/aps.63.084204
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研制了基于4阵列传感器的光声内窥镜探头，并基于此搭建了光声内窥镜成像系统，开展了仿体实验成像研究，通过内窥镜探头4个阵元位置激光吸收强度的变化情况来分析仿体中吸收体的位置，论证了其定位能力. 利用光声内窥镜系统对人体离体的正常组织、直肠癌早期组织进行成像研究；通过对不同阵元位置的光吸收强度分布进行统计分析，证明了光声内窥镜对早期直肠癌组织和正常组织的辨别能力. 此项技术有望提高直肠癌早期诊断的准确率，具有潜在的临床应用前景.
2014, 63 (8): 084205.
doi: 10.7498/aps.63.084205
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对基于半导体光放大器（SOA）中非线性偏振旋转效应（NPR）效应的单一光缓存环多数据包的全光时隙交换（TSI）处理能力进行了理论和实验研究. 在使用归纳法导出单一缓存环实现多数据包全光时隙（TSI）必要条件的基础上，针对各种全光TSI操作要求得出了相应光数据包的调度方案. 在实验上，以基于SOA中NPR效应的单一光缓存环实验系统，开展了多数据包全光TSI操作的实验研究. 根据上述光数据包理论调度方案进行相应系统参数设定，进行了速率为10 Gb/s的3个和4个数据包的全光TSI实验. 实验结果与理论预期相符合. 研究成果为减少昂贵SOA元件的用量、简化基于光缓存环全光TSI系统的结构提供了可靠依据，对推进全光TSI技术的发展具有重要意义.
2014, 63 (8): 084301.
doi: 10.7498/aps.63.084301
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非嵌入式随机多项式展开法是目前性能最优的一种不确定声场快速算法，但配点的选择对算法计算精度影响较大，且当计算随不确定海洋环境参数变化剧烈的声场输出时，需采用分段概率配点法等特殊方法处理. 基于Kriging模型提出了一种新的浅海不确定声场快速算法. 首先给出了该算法的理论推导，然后通过数值计算验证了算法性能，并给出具体的物理解释. 结果表明：在同等条件下，新算法的计算精度较非嵌入式随机多项式展开法更高；无需针对声场输出随不确定海洋环境参数的变化情况采取特殊处理过程；克服了非嵌入式随机多项式展开法为提高计算精度将随机多项式展开至非常高的阶数，从而增加计算量的不足；较非嵌入式随机多项式展开法，其样本点的选择简单易行，且可直接计算误差. 因此，本文算法较非嵌入式随机多项式展开法普适性更强.
2014, 63 (8): 084302.
doi: 10.7498/aps.63.084302
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针对现有海底地声参数估计方法的不足，提出了利用相控参量阵浅地层剖面仪接收的多角度海底反向散射信号进行地声参数估计的方法. 首先利用正下方和斜入射方向上沉积层上、下表面的差频反向散射信号进行沉积层厚度和声速估计，然后利用正下方沉积层上、下表面两个不同频率的差频信号的反向散射信号估计沉积层衰减系数，最后利用正下方沉积层上表面原频反向散射信号估计沉积层阻抗，计算沉积层密度从而解决和声速的耦合性. 通过水池试验验证了该方法的有效性.
2014, 63 (8): 084601.
doi: 10.7498/aps.63.084601
摘要 +
建立了黏弹性流体在充模过程中带有相变的气-液两相模型，该模型分别由气、液两相的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程描述，并通过引入Heaviside函数将气-液两相的方程组统一为一个方程组；建立了一个对型腔内熔体和气体都适用的修正的焓方法来描述充模过程中的相变. 采用基于同位网格的有限体积方法对模型进行求解，水平集 方法捕捉充模过程中的界面演化，模拟出了黏弹性流体在充模过程中的凝固现象，得出了充模过程中型腔内的温度、压力、第一法向应力差等随时间的变化；并讨论了型腔壁面温度、熔体温度、注射速度对充模过程中凝固现象的影响. 研究结果表明：型腔壁面温度越高，凝固层越薄；熔体温度越高，凝固层越薄；注射速度越高，凝固层越薄，故提高型腔壁面温度、熔体温度、注射速度可以减少或消除型腔壁面附近的凝固层.
2014, 63 (8): 084701.
doi: 10.7498/aps.63.084701
摘要 +
利用多体耗散粒子动力学（MDPD）方法对介观尺度下液滴动力学进行了模拟分析. 探讨了MDPD系统中液气共存界面的形成，并对表面张力进行了模拟研究. 研究结果表明，MDPD方法形成的液气共存界面满足Laplace定律. 通过改变不同的粒子间保守力作用参数，获得了液滴在固体壁面上不同的接触角，并研究了保守力作用参数与接触角之间的变化规律. 进一步模拟了液滴在复杂微通道内的流动，研究结果有助于解释带自由面流体在粗糙表面上的运动行为.
2014, 63 (8): 084702.
doi: 10.7498/aps.63.084702
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从Lagrangian角度数值分析了圆柱瞬时起动过程中的非定常瞬态流动现象，如分离泡产生、破裂和涡脱落等及其产生的非定常效应，揭示了所列现象诱导的物质输运和迁移效应. 首先采用双时间步长的特征线算子分裂算法数值模拟了圆柱起动过程中的瞬时流场，然后采用数值方法从流场中提取出Lagrangian拟序结构（LCSs），并根据非线性动力学理论研究了流动分离和旋涡演化过程中的物质输运作用. 结果表明，圆柱瞬时起动后所产生的非定常阻力与相应瞬态现象中的物质输运有密切的关系：对称分离泡产生及其在流向方向的生长，能够使分离泡内压力升高且分布均匀，从而减小阻力；对称分离泡的失稳增强了分离泡与主流之间的物质输运作用，最终导致涡的脱落，并有利于推迟流动分离和减小分离区域. 非定常流动中LCSs所描述的物质输运和迁移作用对流动控制的机理研究具有一定指导意义.
2014, 63 (8): 084703.
doi: 10.7498/aps.63.084703
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在超声速风洞中，分别对层流和湍流来流条件下的边界层和斜激波（激波强度足以引起流动分离）相互干扰进行了实验研究. 利用纳米粒子示踪平面激光散射（NPLS）技术获得了两种条件下流场的精细结构图像；利用粒子图像测速（PIV）技术获得了两种条件下流场的速度场和涡量场；综合运用NPLS结果和PIV 结果对比分析了两种流动的瞬时流动结构和时间相关性. 实验结果表明：层流边界层内的分离区呈现出狭长的条状，而湍流边界层内分离区呈现出较规则的椭圆；在入射激波上游距入射点较远的位置，层流边界层外围拟序结构会诱导出一系列压缩波系，进而汇聚成空间位置不稳定的诱导激波，而湍流边界层则是在入射激波上游较近的地方直接形成较强且稳定的诱导激波；在入射激波下游，层流边界层内的膨胀区域较小且急促，膨胀后产生的再附激波很弱，而湍流边界层内的膨胀区域较大，膨胀后产生的激波较强.
2014, 63 (8): 084704.
doi: 10.7498/aps.63.084704
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设计构建了一排和三排阵列的八重准周期短条纹沟槽减阻结构，以及作为对比研究的无序和周期结构，并采用雷诺Navier-Stokes方程和RANG k-ε湍流模型，系统计算了这些结构表面的湍流边界层状态和总应力. 模拟结果显示：八重准周期沟槽结构相对于周期和无序结构具有更优的减阻效应，且为三排阵列时的减阻效果明显优于单排阵列. 这一结果得到了减阻实验的验证. 通过分析比较不同结构的流体边界层特性发现，八重准周期结构可有效抑制附面层的涡强度，减小湍流耗散速率，保持流体条纹相的稳定性. 结合二维光栅的夫琅禾费衍射波模型分析表明，八重准周期结构可减弱衍射谱在大角度方向上的谱强度，揭示出该结构抑制流体相干扰动波扩展的物理机制，并与流场分析结果相符合.
气体、等离子体和放电物理
2014, 63 (8): 085101.
doi: 10.7498/aps.63.085101
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用溶胶-凝胶+快速热处理方法制备Bi1-xBaxFeO3（BBFO-x，x=0，0.05，0.15）陶瓷材料，研究不同工艺条件和元素掺杂对样品的结构和磁特性的影响. 实验结果表明，BBFO-x纯相样品制备工艺要求较高，在工艺条件为800 ℃下退火450 s时，样品具有最好的结构及磁性能；X射线衍射测试表明，Ba元素替代会引起晶格畸变，但没有改变样品的宏观晶格结构；Raman光谱测试进一步证实了样品的纯相结构及Ba元素掺杂对样品结构的影响；此外，Ba 元素替代有助于增强样品的磁性，其原因在于掺杂使得原有的长程反铁磁螺旋磁结构受到破坏，同时可能出现Fe 离子价态变化，产生自旋耦合，从而在样品中表现出更大的宏观净磁矩. 本工作可对开展这一单相多铁材料体系的微观结构以及磁电耦合效应的研究提供很好的实验基础.
2014, 63 (8): 085201.
doi: 10.7498/aps.63.085201
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高速飞行器等离子鞘套由于飞行姿态调整、湍流、非均匀烧蚀等因素的影响，使其等离子体参数存在时变特性. 针对这种传输介质的快速时变特性引起的电波幅度、相位上的寄生调制效应，本文利用大面积辉光放电等离子体产生装置，搭建了等离子体中信号传输实验系统，进行了S频段的单频信号与调制信号传输实验，观测验证了调制效应的存在，且其调制频率与等离子体变化频率具有一致性，进一步分析了等离子参数与寄生调制效应的关系. 理论和实验结果表明：即使当载波频率大于等离子频率时，时变等离子引起的寄生调制效应也会使传输信号的星座图发生旋转，造成其判决容差裕度变小，通信可靠性下降，并且载波频率越接近等离子频率时，其寄生调制效应越强烈.
2014, 63 (8): 085202.
doi: 10.7498/aps.63.085202
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模式不稳定指高功率光纤激光随着输出功率提升发生的模式突变，会导致光束质量下降，限制了衍射极限光束质量光纤激光输出功率的提升. 本文研究了全光纤结构主振荡功率放大器中的模式不稳定现象. 结果表明，全光纤结构主振荡功率放大器中的模式不稳定现象会导致放大器斜率效率下降；理论计算表明，对于20/400阶跃折射率大模场双包层掺镱光纤，注入种子功率在百瓦左右时，模式不稳定发生的阈值功率在1 kW 左右；热效应是模式不稳定现象发生的根源.
2014, 63 (8): 085203.
doi: 10.7498/aps.63.085203
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采用理论分析的方法考察了磁场中非理想流体中Rayleigh-Taylor（RT）不稳定性气泡的演化过程. 在与磁场垂直的平面中，综合考虑流体黏性和表面张力的影响，推导了二维非理想磁流体RT不稳定性气泡运动的控制方程组，给出了不同情况下气泡速度的渐近解和数值解，分析了流体黏性、表面张力和磁场对气泡发展的影响. 分析结果表明：流体黏性和表面张力能够降低气泡速度和振幅，即能够抑制RT不稳定性；而磁场对RT不稳定性的影响是由非线性部分引起的，并且磁场非线性部分的方向决定了磁场是促进还是抑制RT 不稳定性的发展.
2014, 63 (8): 085204.
doi: 10.7498/aps.63.085204
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霍尔推进器放电通道等离子体与壁面相互作用形成鞘层，不同壁面材料的二次电子发射对推进器鞘层特性具有重要影响. 本文针对推进器壁面鞘层区域建立二维物理模型，研究了氮化硼（BN）、碳化硅（SiC）和三氧化二铝（Al2O3）三种不同壁面材料的二次电子发射特性，在改进SiC材料二次电子发射模型的基础上，采用粒子模拟方法，讨论了壁面二次电子发射系数与电子温度和磁场强度的关系，研究了三种材料（BN，SiC和Al2O3）的鞘层特性. 结果表明：修正的二次电子发射模型拟合曲线与实验曲线几乎一致；在相同电子温度下，三种材料（BN，SiC和Al2O3）的二次电子发射系数和壁面电子数密度依次增大，而鞘层电场和鞘层电势降依次减小. BN材料具有合适的二次电子发生射系数，使得霍尔推进器能在低电流下稳态工作.
2014, 63 (8): 085205.
doi: 10.7498/aps.63.085205
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基于大涡模拟，结合五阶加权基本无振荡格式以及沉浸边界法对平面入射激波与两种SF6梯形重气柱的相互作用过程进行了数值模拟. 数值结果清晰地显示了激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性所导致的两种梯形重气柱的变形过程，详细分析了入射激波在两种梯形重气柱界面发生反射、折射、绕射以及折射激波与透射激波在气柱内部来回反射的过程，并研究了该过程中所产生的复杂波系结构. 对两种梯形气柱变形过程中与周围空气的混合过程进行了分析；通过记录气柱界面四个特征尺寸随时间的变化对两种梯形气柱界面的不同演化过程进行了定量分析.
2014, 63 (8): 085206.
doi: 10.7498/aps.63.085206
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梳理了两极驱动的研究思路和神光-Ⅲ原型装置两极驱动的研究内容；提出了针对靶丸表面均匀照明设计的光束近似原则，基于该原则建立了逐次递进的方法. 优化设计了不同条件下靶丸表面均匀照明的激光条件，并对设计方法进行了数值模拟分析. 设计内容在神光-Ⅲ原型装置上进行了初步的实验验证，结果进一步支持了靶丸表面均匀照明设计的合理性. 研究结果为后续的实验设计和理论研究提供了指导方向.
2014, 63 (8): 085207.
doi: 10.7498/aps.63.085207
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利用一维（1D3V）、显式、全电磁、相对论粒子模拟代码研究动理学范畴内激光与等离子体相互作用中的受激拉曼散射，给出了粒子代码的控制方程及其数值离散的详细方案. 研究表明：动理学效应在受激拉曼散射不稳定性中十分重要；时间平均的反射率在阈值强度处跃升，在更高的激光强度处达到饱和；受激拉曼背向散射周期性地在次皮秒内爆发，离子效应延迟背向拉曼散射的发生；电子俘获导致了背向拉曼散射出现爆发；Langmuir波的非线性频移使得背向散射达到饱和.
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2014, 63 (8): 085208.
doi: 10.7498/aps.63.085208
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经典的放电理论（Townsend和流注理论）不能很好地解释纳秒脉冲放电中的现象，近年来基于高能量电子逃逸击穿的纳秒脉冲气体放电理论研究受到广泛关注. 有研究发现，高能逃逸电子是纳秒脉冲气体放电中的新特征参数. 本文研制了用于测量纳秒脉冲放电中逃逸电子束流的收集器，并对脉宽35 ns、上升沿1.21.6 ns激励的大气压纳秒脉冲气体放电中逃逸电子束流进行了测量. 收集器采用类似法拉第杯的原理，利用金属极收集纳秒脉冲放电中的高能电子，并转换为电信号后由示波器采集. 为了获得更好的逃逸电子束流波形，对逃逸电子束流收集器进行了优化设计，提高了收集器的阻抗匹配特性. 基于上述的逃逸电子束流收集器，研究了纳秒脉冲气体放电中逃逸电子的特征. 实验结果表明，所设计的收集器可以有效地测量到逃逸电子束流，改进设计后收集器测得的逃逸电子束流的时间分辨率和幅值均得到提高. 施加电压约80 kV 时，大气压空气中的逃逸电子束流幅值可达160 mA，脉宽小于1 ns. 多个脉冲激励放电的结果表明逃逸电子束流收集器具有较好的可靠性，其瞬态响应与时间分辨率比较稳定.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2014, 63 (8): 086101.
doi: 10.7498/aps.63.086101
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以静态随机存储器为研究对象，对其在线和离线测试下的总剂量辐射损伤规律进行了研究. 探寻了两种测试条件下总剂量损伤的差异并对造成差异的物理机制进行了分析和讨论. 研究结果表明：由于静态随机存储器存在多种总剂量失效模式，相对于在线测试只能覆盖存储单元固定错误的一种失效模式，离线测试可覆盖多种功能失效模式；由于信号完整性对测试频率的限制，使得在线测试得到的动态功耗电流值要明显小于离线测试得到的动态功耗电流值；由于“印记效应”的存在，在线测试静态功耗电流小于离线测试中器件存储与辐照相反数据时的静态功耗电流值；在线无法测量的一些电参数，有可能先于在线可测参数而失效. 这些研究结果对于静态随机存储器在星用辐射环境下的总剂量辐射损伤规律的研究和实验评估 具有重要意义.
2014, 63 (8): 086102.
doi: 10.7498/aps.63.086102
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运用经典分子动力学方法，研究了呈现不同堆积方式的多层石墨烯在不同温度下 的表面起伏，并且和单层、双层石墨烯做对比. 计算发现：室温下，多层石墨烯中存在着横 向特征尺寸约为100 的起伏，该尺寸会随着温度的升高而增大；同时，起伏的高度也 随着温度的升高而增大. 这些石墨烯的层内起伏高度关联函数都遵从幂指数标度行为 Gh（q） q-，对于同一种石墨烯，温度越高幂指数越小；而在 同一温度下，不同堆积方式的石墨烯的幂指数也不同. 所有这些特征都来源于温度以及层间 耦合作用引起的非谐效应.
2014, 63 (8): 086401.
doi: 10.7498/aps.63.086401
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利用分子动力学模拟方法和反应力场势函数研究了Al/SiO2层状纳米体系的铝热反应，模拟了在不同初始温度下（600，700，800，900，1000和1100 K）绝热反应的结构变化和能量性质. 发现Al/SiO2体系的铝热反应是自加热的氧化还原反应. 当初始温度为900和1000 K时，Al经历了熔化前的一个临界状态，与SiO2的铝热反应比较活跃，系统温度随着反应时间的增加不断升高. 当初始温度为600，700，800和1100 K时，初始温度越高，在Al和SiO2界面形成的Al-O层越薄，系统发生铝热反应达到的最终绝热温度越高，所用的时间（有效反应时间）越短，即界面扩散阻挡层的厚度对铝热反应的自加热速率产生了影响. 初始温度为600，700，800，1100 K时的自加热速率分别为3.4，3.5，4.7 和5.4 K/ps. Al/SiO2体系的铝热反应析出了Si单质，与实验结果相符合.
2014, 63 (8): 086801.
doi: 10.7498/aps.63.086801
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部分润湿液滴是适宜纳米结构表面上滴状冷凝传热的主要载体，研究纳米结构参数与部分润湿液滴合并弹跳之间的关系有重要意义. 本文依据冷凝液滴生长过程中能量增加最小的原理来判断其是否为部分润湿状态，并根据液滴合并前后的体积和界面自由能守恒，确定了合并液滴的初始形状，进而对合并液滴变形过程的动力学方程进行了求解. 结果表明：部分润湿冷凝液滴仅在纳米柱具有一定高度、直径间距比较大的表面上形成，而当纳米柱高度过低、直径间距比小于0.1时则形成完全润湿的冷凝液滴；液滴合并后能否弹跳与纳米结构参数紧密相关，仅在纳米柱较高、直径间距比适宜的表面上，部分润湿液滴合并后才能诱发弹跳；液滴尺度及待合并液滴间的尺度比对合并弹跳也有重要影响；多个部分润湿液滴合并后由于具有更多的过剩界面自由能而比两个液滴合并更容易诱发弹跳. 本模型对纳米结构表面上冷凝液滴是否合并诱发弹跳的计算结果与绝大部分实测结果相一致，准确率达到95%.
2014, 63 (8): 086802.
doi: 10.7498/aps.63.086802
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利用化学镀方法对多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes，MWNTs）表面金属化镀镍（MWNTs/Ni），采用丝网印刷制备MWNTs/Ni场发射阴极，并在磁场辅助下热处理所得阴极，研究磁场辅助热处理对MWNTs/Ni阴极的场发射性能的影响. 经300 mT磁场辅助热处理的MWNTs/Ni的场发射阴极开启场强约为0.80 V-1，场增强因子 约为16068. 对单根MWNTs/Ni在磁场中的受力情况进行建模分析，实验结果表明：磁场辅助热处理有助于提高MWNTs/Ni在阴极表面的直立分布，提高了MWNTs/Ni的场发射性能.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2014, 63 (8): 087101.
doi: 10.7498/aps.63.087101
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利用密度泛函理论的平面波超软赝势方法，对纤锌矿TM0.125Zn0.875O（TM=Be，Mg）合金和Ga掺杂TM0.125Zn0.875O的结构参数、能带、电子态密度和光学能隙进行计算和分析. 结果表明：TM0.125Zn0.875O掺入Ga容易实现并且结构更稳定. TM0.125Zn0.875O合金掺Ga 能获得很好的n型材料改性，能隙由导带底Ga 4s 态和价带顶O 2p 态决定. 由于Burstein-Moss移动和多体效应，Ga掺杂后的TM0.125Zn0.875O光学能隙变大，这与实验结果相一致. TM0.125Zn0.875O掺Ga材料可作透明导电薄膜应用到紫外和深紫外光电子器件中.
2014, 63 (8): 087102.
doi: 10.7498/aps.63.087102
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基于密度泛函理论，采用第一性原理方法计算了在Mo中掺杂摩尔百分比分别为2.08% 和4.17% 的过渡金属元素W，Ti，Cu和Fe后，体系在 [111]（110）滑移系统上的广义层错能以及解理能，并研究了掺杂元素对Mo的剪切形变以及脆性-韧性的影响. 研究发现，掺杂W和Ti 原子会使体系剪切形变的发生变得困难，并使Mo材料变脆；而掺杂Cu和Fe原子则会使体系剪切形变的发生变得相对容易，并使Mo 材料的韧性增强. 此外，随着掺杂浓度的增加，掺杂W会使体系剪切形变的发生变得更为困难，并使Mo材料脆性更强；而掺杂Fe则会使体系剪切形变的发生变得更为容易，并使Mo材料的韧性更强.
2014, 63 (8): 087301.
doi: 10.7498/aps.63.087301
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通过求解沟道与埋氧层的二维泊松方程，同时考虑垂直沟道与埋氧层方向的二阶效应，建立了高k栅介质GeOI金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）的阈值电压和亚阈斜率解析模型，研究了器件主要结构参数对器件阈值特性、亚阈特性、短沟道效应、漏极感应势垒降低效应及衬偏效应的影响，提出了优化器件性能的结构参数设计原则及取值范围. 模拟结果与TCAD仿真结果符合较好，证实了模型的正确性与实用性.
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2014, 63 (8): 087501.
doi: 10.7498/aps.63.087501
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通过在Co82Zr18合金中添加过渡族元素Cr的方法，利用快淬工艺，制备出了Co82-xZr18Crx（x=0，2，3，4）快淬合金薄带. 利用磁性测量、X光衍射、热磁分析、扫描电子显微镜，对其磁性能、相组成、微结构进行了研究. 实验结果表明，在Co82Zr18合金中添加少量的Cr 可以使其矫顽力（iHc）显著提高. 其中，Co79Zr18Cr3 快淬薄带经600 ℃退火处理后iHc=6.5 kOe. 相分析发现，600 ℃退火后的Co79Zr18Cr3快淬薄带由单一Co11Zr2 相组成，Cr原子进入到了Co11Zr2相的晶格之中替换了原子半径相对较小的Co原子，这导致了Co11Zr2居里温度（TC）的降低却使其磁晶各向异性场（Ha）显著提高；另一方面，通过微结构研究发现，未退火的Co79Zr18Cr3快淬薄带由5080 nm 的等轴晶粒组成. 经600 ℃退火后，其晶粒形态并未发生改变然而晶粒尺寸却增长到400500 nm.
2014, 63 (8): 087502.
doi: 10.7498/aps.63.087502
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EuTiO3是钙钛矿结构的量子顺电体，实验发现其基态具有平面各向异性G类反铁磁结构. 本文运用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了EuTiO3处于量子顺 电相和应力作用下处于铁电四方相时可能的自旋取向和自旋交换耦合作用，分析了自旋耦合作用的路径，探讨了应力对磁性交换路径的作用. 结果发现：当体系自由时，EuTiO3具有自旋沿[110]方向平面内单轴各向异性的G类反铁磁结构，该结构下Eu离子4f电子自旋通过处于面心位置的O 2p实现自旋反铁磁性的超交换耦合，而在外加应力诱导的铁电四方结构下，由于自旋交换路径中EuOEu键角改变，Eu 4f电子自旋实现了[110]方向的铁磁交换耦合.
2014, 63 (8): 087503.
doi: 10.7498/aps.63.087503
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本文利用溶胶-凝胶法制备了名义成分为La2/3Sr1/3FexMn1-xO3（x=0.0，0.1，0.2，0.3，0.5）的系列样品. 样品先后经过773，873，1073 K热处理. 热处理时采用缓慢升温方式. X射线衍射分析表明，该系列样品均为单相钙钛矿结构，空间群为R3c. 利用 XPert HighScore Plus 软件计算了样品的晶粒尺寸、晶格常数、晶胞体积及键长、键角. 利用物理性能测量系统测量了样品的磁性，发现样品在10 K 的磁矩随掺杂量的增加而减小，但存在两个明显不同的变化区域：从x=0到x=0.2 时，平均每个分子的磁矩从2.72 B 迅速下降到0.33 B，居里温度从327 K下降到95 K，下降了232 K；而从x=0.2到x=0.5时，平均每个分子的磁矩从0.33 B 缓慢下降到0.05 B，居里温度从95 K 下降到46 K，只下降了49 K. 我们认为Fe与Mn 离子磁矩反平行是样品磁矩随Fe 掺杂量增加而下降的原因之一.
2014, 63 (8): 087801.
doi: 10.7498/aps.63.087801
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由于微观结构的差异，使激光单晶的理论计算方法并不适用于激光陶瓷晶体. 本文通过分析激光陶瓷晶体的荧光衰减曲线和晶界特性，获得了连续抽运和脉冲抽运条件下激光陶瓷上能级布居数与掺杂浓度的关系表达式；并以Nd3+：YAG激光陶瓷为例，研究其最佳掺杂浓度，就其激光性能与Nd3+：YAG激光单晶进行了比较研究. 结果表明：Nd3+：YAG激光陶瓷不但最佳掺杂浓度大，而且在掺杂浓度相同时，其上能级布居数较高，并且Nd3+：YAG激光陶瓷在很大掺杂浓度范围内的上能级布居数都大于激光单晶在最佳掺杂浓度时的上能级布居数.
2014, 63 (8): 087802.
doi: 10.7498/aps.63.087802
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实验和理论研究了不同自组装密度的银纳米颗粒膜对 8-羟基喹啉铝（Alq3）光致发光的影响. 结果表明：Alq3光致发光的表观增强和发射增强因子与银纳米颗粒膜密度呈正相关关系，最大值约为3.2 和13；理论计算表明银纳米颗粒膜对Alq3光致发光的量子效率和发射的最大增强因子约为1.4和15. 对比实验和理论结果，金属纳米颗粒膜的近场场强增强是导致Alq3光致发光发射强度增强的主要因素，且Alq3光致发光效率与Alq3相对银纳米颗粒的分布和热点区域面积覆盖率有关.
2014, 63 (8): 087803.
doi: 10.7498/aps.63.087803
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采用射频磁控溅射法制备得到Er3+/Yb3+共掺杂TiO2薄膜，在980 nm的抽运源作用下上转换可以得到490 nm的绿光和670 nm的红光. 上转换红、绿光发光强度受到烧绿石ErxYb2-xTi2O7晶体的 生成以及Er3+/Yb3+掺杂浓度的影响. 实验表明，适量共掺杂Er3+/Yb3+可明显增强上转换发光. Er3+在上转换发光中起主要作用，而引入敏化离子Yb3+可以大大提高上转换发光效率. 磁控溅射法制备的TiO2薄膜声子态密度较小，从而抑制了无辐射跃迁过程，导致490 nm绿光形成以及红光强度大于绿光强度.
2014, 63 (8): 087804.
doi: 10.7498/aps.63.087804
摘要 +
针对超材料优化设计参数多、权重各异的特点，提出一种基于加权实数编码的遗传算法. 该算法采用等位基因或双倍基因实现对遗传基因的加权编码，是二进制编码中加权思想的推广. 与普通遗传算法相比，加权实数编码遗传算法加入了人工选择因素，既可以加快种群收敛速度，又可以提高算法的求解质量，尤其适用于种群规模较大的遗传优化计算. 文中以一个超材料吸波体的优化设计为例，对算法进行了验证.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2014, 63 (8): 088801.
doi: 10.7498/aps.63.088801
摘要 +
针对多跳认知无线电网络的多层资源分配问题，提出了协作去耦合方法和跨层联合方法. 协作去耦合方法首先单独完成路径选择任务，随后进行信道与功率的博弈分配；跨层联合方法则通过博弈直接对路径、信道、功率三层资源进行同时分配. 两种方法都综合考虑网络层、介质访问控制层、物理层的启发原则，引入了节点被干扰度信息和节点主动干扰度信息来辅助路径选择，设计了基于功率允许宽度信息的Boltzmann探索来完成信道与功率选择，设计了长链路和瓶颈链路替换消除机制以进一步提高网络性能. 从促进收敛角度，选择序贯博弈并设计了具体的博弈过程，此外还分析了博弈的纳什均衡，讨论了两种算法的复杂度. 仿真结果表明，协作去耦合方法和跨层联合方法在成功流数量、流可达速率、发射功耗性能指标上均优于简单去耦合的链路博弈、流博弈方法.
地球物理学、天文学和天体物理学
2014, 63 (8): 089101.
doi: 10.7498/aps.63.089101
摘要 +
针对现有重力导航匹配算法的匹配精度、匹配率受惯导初始位置误差影响较大以及实时性较差等不足，提出了一种基于自适应混沌蚁群径向分析的实时重力辅助导航匹配算法，新算法引入改进的连续域蚁群算法进行优化模型求解. 通过进行连续域蚁群算法的信息素的自适应调整，同时对蚁群算法的搜索策略、计算参数、局部信息素进行混沌自适应处理，最终达到提高算法搜索效率、匹配率、抗噪性能的效果. 实验结果表明，新算法对惯导初始误差不敏感，匹配率高，实时性强.
2014, 63 (8): 089201.
doi: 10.7498/aps.63.089201
摘要 +
地表反照率反映了地面对太阳辐射的反射能力，在地表能量平衡中起着非常重要的作用. 本文利用“中国北方协同观测”的资料，分析了不同下垫面10个站点7–9月的反照率变化特征和对降水的响应，并讨论了榆中、通榆草地、通榆农田、密云、玛曲和锦州站地表反照率与太阳高度角和土壤湿度的关系. 结果表明：反照率的相对关系是东北干旱草甸>西北高寒草甸>西北绿洲农田>黄土高原自然植被>东北半干旱草甸>东北农田>东 北果林，并且反照率基本上和降水对应，降水量大的站点反照率小，降水量小的站点反照率大. 反照率的日变化曲线分为早晚对称型，早上比较大、中午下午比较小和晚上最大、早上最小的不对称型三种. 选取的6个观测站反照率的谷值一般出现在降水日，峰值一般出现在没有降水、太阳辐射比较强的日子. 地表反照率随着太阳高度角的增大而减小，当太阳高度角大于40°时，地表反照率基本不变. 榆中和通榆农田地表反照率随着土壤湿度增大减小较明显，其次是通榆草地，玛曲、密云和锦州地表反照率随着土壤湿度变化不明显.
