Vol. 62, No. 9 (2013)
2013年05月05日
总论
2013, 62 (9): 090201.
doi:10.7498/aps.62.090201
摘要 +
运用重合度理论探讨了一类非线性问题的周期解,然后将其应用于磁层-电离层耦合过程中等离子体粒子运动模型的周期解问题的研究,得到了一定条件下该模型存在周期轨的结果.
2013, 62 (9): 090202.
doi:10.7498/aps.62.090202
摘要 +
建立了一类具有时变刚度,非线性阻尼力和强迫周期力项的相对转动非线性动力系统. 运用Mawhin重合度理论,得到了该模型的周期解存在唯一性结果,推广了已有的结果, 并且列举了具体的例子来说明本文的结果是新的.
2013, 62 (9): 090203.
doi:10.7498/aps.62.090203
摘要 +
本文利用广义条件对称方法对带源项的变系数非线性反应扩散方程 f(x)ut=(g(x)D(u)ux)x+h(x)P(u)ux+q(x)Q(u)进行研究. 当扩散项D(u)取um (m≠-1,0,1)和eu两种重要情形时， 对该方程进行对称约化，得到了具有广义泛函分离变量形式的精确解. 这些精确解包含了该方程对应常系数情况下的解.
2013, 62 (9): 090204.
doi:10.7498/aps.62.090204
摘要 +
本文为获得非线性发展方程的相互作用解,研究了辅助方程法,并扩展应用辅助方程法和(G'/G)展开法, 获得了变系数非线性(2+1)维Nizhnik-Novikov-Vesselov方程的由椭圆函数、双曲函数、 三角函数和有理函数混合构成的新相互作用解.
2013, 62 (9): 090205.
doi:10.7498/aps.62.090205
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研究第一积分、Hojman方法及Birkhoff方程之间的内在联系. Hojman方法构造的Birkhoff函数(组)满足的一个特定关系, 对此关系加以分析得到更为一般的广义Hojman方法. 再将此关系与Birkhoff方程相结合, 导出Birkhoff系统Hojman意义下的循环积分. 举例说明结论的应用.
2013, 62 (9): 090206.
doi:10.7498/aps.62.090206
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从时域磁场积分方程时间步进算法出发,结合范数概念,从理论上推导得到了感应电流稳定的充分条件. 满足该条件,可以保证任何形式的入射波入射时,计算结果都后时稳定. 同时通过推导得到了表征感应电流递推关系的因子,该因子的大小可以表征感应电流收敛性的相对好坏. 最后通过数值算例验证了感应电流稳定的充分条件, 以及利用本文推导的感应电流递推因子表征感应电流后时稳定性的准确性.
2013, 62 (9): 090301.
doi:10.7498/aps.62.090301
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本文使用近邻耦合模型得到的解析解,分析了周期性波导中输入态对量子行走的粒子数的概率分布函数 和二阶相干性的影响.结果表明:输入态的对称性质对量子行走过程的二阶相干度有影响, 而对粒子数的概率分布函数影响不大.
2013, 62 (9): 090501.
doi:10.7498/aps.62.090501
摘要 +
本文建立了分数阶可停振动系统, 其可停振动状态的改变对周期策动力敏感, 对零均值随机微小扰动不敏感, 这事实上为周期未知微弱信号检测提供了一种新的高效检测方法和判别标准. 与现有的利用混沌系统的大尺度周期状态变化检测周期未知弱信号的方法 需逐一尝试设置不同频率内置信号以便期望与待检周期信号发生共振不同, 利用分数阶可停振动系统的可停振动状态变化检测周期未知微弱信号的方法, 除了同样具有因为状态变化对周期信号的敏感性而能够实现极低检测门限的特点外, 还具有混沌系统信号检测所不具有的优点: 1)无需预先估计待检信号的周期; 2)无需计算系统状态的临界阈值; 3)可停振动状态可由本文设计的指数波动函数可靠地进行判断; 4)通过系统微分阶数的变化, 将检测系统层次化, 从而可得到比整数阶检测系统更低的检测门限, 特别是在色噪声环境下, 通过选取合适的微分阶数, 基于分数阶可停振动系统的微弱周期信号检测法能够大幅度的降低检测门限, 在本文的仿真试验中, 检测门限可达-182 dB.
2013, 62 (9): 090701.
doi:10.7498/aps.62.090701
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基于所研制的侧漏型光子晶体光纤,提出并构建了出一种同时检测扭转角度 和扭转方向的高灵敏度Sagnac干涉仪型光纤扭转传感器.顺时针扭转时, 传感器传输谱向短波长方向偏移;逆时针扭转,向长波长方向偏移. 对传感器扭转特性的实验研究结果表明,构成Sagnac干涉仪的侧漏型光子晶体光纤的长度, 对扭转敏感系数和扭转角度测量范围起着决定性作用.当光纤长度较短时, 扭转传感器具有较大的扭转灵敏度,但扭转角度测量范围较小;光纤长度增加时,扭转灵敏度减小, 扭转角度测量范围增大.当构成Sagnac干涉仪的侧漏型光子晶体光纤长度为14.85 cm时, 传感器的扭转敏感系数可达到0.9354 nm/(°),扭转角度测量范围为-90°—90°; 光纤长度为32 cm时,最大扭转敏感系数降为0.2132 nm/(°), 扭转角度测量范围扩展至-180°—180°. 采用二维测量矩阵法可以有效排除温度对扭转角度的测量的影响.
2013, 62 (9): 090702.
doi:10.7498/aps.62.090702
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基于谐衍射光学元件特殊的色差和热差特性,将谐衍射元件应用于红外搜索成像系统中, 设计了一个双光谱宽温度范围的红外搜索跟踪成像系统,该系统工作波段为3.7—4.8 μm和8.7—11.3 μm, F数为2.5,有效焦距为200 mm,全视场角为5°, 环境温度为-80 ℃—200 ℃. 设计结果表明,使用谐衍射透镜不仅可以使系统在两个波段范围成像优良, 而且结构简单紧凑、透射比高、具有良好的消热差特性.
2013, 62 (9): 090703.
doi:10.7498/aps.62.090703
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喷雾颗粒的浓度、粒径等多参数的同时测量是研究喷雾的关键. 对应用全场彩虹技术测量双组分液滴的浓度及粒径分布进行了研究. 基于改进的Nussenzweig理论,对液滴折射率和粒径分布采用无分布函数算法进行最优化求解, 然后通过折射率与浓度的关系反推液滴浓度.用模拟全场彩虹信号对该算法进行了验证, 该算法可准确反演具有单峰分布、双峰分布粒径特征的液滴群的折射率与粒径分布. 并对体积分数从0%到100%的乙醇溶液喷雾进行了实验测量, 结果表明,所测得折射率与理论值符合,粒径分布稳定.该技术在喷雾浓度测量方面具有广阔的应用前景.
基本粒子物理学与场
2013, 62 (9): 091401.
doi:10.7498/aps.62.091401
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采用脉冲电沉积方法制备出高致密、高质量的纳米晶Ni, 并对其密度、组织成分和微观结构进行了表征. 利用高能粒子加速器产生的1 MeV高能电子为辐照源, 研究高能电子在纳米晶Ni和常规粗晶Ni中的能量损失. 通过辐照过程中放置的吸收剂量片来准确表征其电子的能量沉积. 结果表明, 晶粒尺寸对高能电子在材料中的能量沉积有明显的影响, 1 MeV电子在穿过一定厚度的金属Ni后, 在晶粒尺寸细小的纳米晶Ni中测得总的吸收剂量较大, 证明了高能电子在纳米材料中的总能量沉积较小, 从而表现出纳米材料抗辐照的优异性能.
核物理学
2013, 62 (9): 092301.
doi:10.7498/aps.62.092301
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从低层大气的基本属性出发,利用大气颗粒物中放射性核素的衰变特性与转移速率等相关信息, 建立了单位体积大气颗粒物中被吸附的放射性粒子数、衰变粒子数和转移粒子数的数学模型, 获得了确定低层大气颗粒物平均滞留时间的新方法.该方法解决了当前相关研究中出现的困惑, 说明了大气具有有限的自净功能,给出了大气颗粒物中同一衰变链上各核素达到活度平衡的条件 及降低平均滞留时间的途径,为大气环境的监测与治理提供了科学依据.
原子和分子物理学
2013, 62 (9): 093101.
doi:10.7498/aps.62.093101
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采用单双迭代包括非迭代三重激发微扰处理的耦合簇CCSD (T)理论和大的基组, 计算了Mg-CO体系的相互作用势, 首次得到了该体系解析表达的势能面,发现势能面呈现较弱的各向异性, 全域极小势阱深-72.21 cm-1, 位于Re=8.98a0和θ=119.09°. 利用该势能面, 计算了体系的束缚态能级, 理论上对光谱常数和微波谱作出了预测.
2013, 62 (9): 093201.
doi:10.7498/aps.62.093201
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本文从实验上研究了超冷nS Rydberg原子在外电场脉冲作用下的态转移现象. 采用双光子激发超冷基态原子制备超冷Rydberg原子, 通过脉冲场电离法探测超冷Rydberg原子的离子信号, 实验研究了由外加脉冲电场产生的nS能级和多重态的避免交叉, 获得了在外电场脉冲作用下nS态原子的态转移现象, 实验与理论计算的结果相一致.
2013, 62 (9): 093301.
doi:10.7498/aps.62.093301
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采用波包动力学方法研究了HF分子基电子态的多光子跃迁. 激光场由两束频率比为1:2的重合红外脉冲构成. 态|0,0>作为初始态, 态|4,0>与态|4,2>分别作为目标态. 计算结果表明, 通过选取不同的共振频率, 可以控制布居跃迁至不同的目标态. 两束脉冲间的初相位差可以控制布居转移概率. 当初相位差为π/2的偶数倍时, 布居转移概率为最大值. 当初相位差为π/2的奇数倍时, 布居转移概率为最小值. 初相位差对于态|4,0>的布居影响大于态|4,2>.
2013, 62 (9): 093601.
doi:10.7498/aps.62.093601
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本文论述价键优选法作为一种新颖的理论方法在材料结构预测与物性研究中的应用, 特别是在低维数纳米结构如团簇与纳米线研究中所展示的优势. 价键优选法以原子几何构型和电子云(主要是由费米能级附近的分子轨道组成, 即广义前线轨道)空间分布来合理决定纳米结构的稳定构型的选取. 本文以硅团簇为例说明价键优选法的特点, 以及锂、钠、铍、镁等金属团簇为例说明价键优选法在结构预测与材料 物性随尺寸演化规律研究中的应用, 以锂离子在MoS纳米线中的吸附为例说明价键优选法在储能材料离子传导研究中的应用, 最后总结价键优选法的进一步发展方向.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2013, 62 (9): 094101.
doi:10.7498/aps.62.094101
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本文基于积分方程法研究并建立了一种模拟横向同性介质中任意各向异性异常 体三维电磁响应的高阶广义扩展Born近似(Ho-GEBA)算法. 首先利用逐次迭代技术给出积分方程的广义级数展开解, 为保证其收敛性, 引入一种各向异性条件下满足压缩映射的迭代算子. 然后利用异常体区域分解技术, 并结合扩展Born近似原理, 得到各向异性介质三维电磁响应的Ho-GEBA解. 为提高效率, 计算过程中采用并矢Green函数的解析表达式. 最后通过数值计算实例对比验证了本文算法的有效性.
2013, 62 (9): 094102.
doi:10.7498/aps.62.094102
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本文提出一种可产生高增益高次谐波辐射的自由电子激光新结构, 将光速调管结构置于振荡器光腔中构成HGHG中的调制器, 可以去掉传统HGHG调制器中的种子激光. 这种结构可以具有振荡器的高重频、纵向相干和窄带宽等优点. 采用GINGER模拟软件对此结构进行详细模拟, 在高达12次谐波仍能很好的输出.
2013, 62 (9): 094103.
doi:10.7498/aps.62.094103
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本文从偶极子辐射场的Heaviside-Feynman表达式出发, 用经典的电动力学方法推导了考虑内禀磁矩影响后的相对论电子辐射频谱分布的表达式, 并对做匀速圆周运动的极端相对论性电子的同步辐射, 计算了两个偏振方向上的考虑磁矩修正后的辐射谱. 计算结果表明对于特征频率为ωc的同步辐射, 如果ħωc≥10 keV, 内禀磁矩对辐射的修正是可观的. 通过同步辐射的内禀磁矩修正, 本文讨论了电子束极化度与辐射场偏振度的依赖关系, 并基于此关系提出一种测量电子束极化度的新方法.
2013, 62 (9): 094202.
doi:10.7498/aps.62.094202
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在啁啾脉冲放大(CPA)系统中, 脉冲的展宽是实现安全有效放大的重要保证. 本文介绍了一种新型的由色散棱镜与光栅组合而成的反射式棱栅对展宽器. 并利用光线追迹法对色散进行了数值模拟, 测量实验结果验证了理论计算的正确性. 在此基础上, 分析了以棱栅对为展宽器和ZF7玻璃材料为压缩器的下啁啾(down-chirped)脉冲放大系统中的色散比较传统的上啁啾脉冲放大系统, 结果表明棱栅对可以同时提供负的二阶色散和三阶色散, 这样能更好地补偿放大器中材料的高阶色散, 从而获得近傅里叶变换极限的压缩脉冲. 此外以块材料作为压缩器不仅提高了传输效率, 而且简化了实验装置, 增强了系统的稳定性. 这样的展宽压缩组合在高重复频率的飞秒啁啾脉冲放大系统中具有明显优势.
2013, 62 (9): 094203.
doi:10.7498/aps.62.094203
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非旋转轴对称光学系统波像差理论的建立有利于理解旋转 轴对称光学系统的装调误差和离轴三反射光学系统等非旋转轴对称光学系统的选型设计. 本文利用旋转轴对称球面光学系统的全口径初级波像差理论推导了子孔径面对称光学系统的初级波像差分布公式, 证明了面对称光学系统中的节点像差理论, 即除球差外的所有初级像差的零值节点偏离视场中心, 而不再是视场的旋转对称函数; 并首次阐述了多零值节点初级非对称像差产生的根源和变化特性. 该理论可以有效指导非对称光学系统初始结构的选择和优化设计过程.
2013, 62 (9): 094204.
doi:10.7498/aps.62.094204
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弱散射屏产生的远场散斑由一个中央亮斑和一个分布于亮斑周围而与正态散斑类似的散斑结构, 根据弱散射屏远场的散斑图样, 人们假设弱散射屏产生的像面散斑为均匀背景与正态散斑两者相干叠加的结果, 但这种假设与实际像面散斑存在歧异, 基于上述情况, 本文利用4f高通滤波光学成像系统, 研究了高斯型弱散射屏产生的像面散斑场的统计特性, 得出只有表面均方根粗糙度与入射光波的波长相差不多时上述假设才是可行的结论.
2013, 62 (9): 094205.
doi:10.7498/aps.62.094205
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利用高斯-谢尔模型的交叉谱密度公式和惠更斯衍射积分, 得到了部分相干Airy光束的表达式. 对不同相干度的部分相干Airy光束的无衍射和横向加速偏移的性质进行了理论分析并予以实验验证, 结果一致表明部分相干Airy光束也具有无衍射和横向加速度的特性, 而且相干度越低, 部分相干Airy光束的无衍射距离越短, 横向加速度越小.
2013, 62 (9): 094206.
doi:10.7498/aps.62.094206
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本文提出了一种测量液相扩散系数的新方法. 该方法用透明毛细管构成液相扩散池, 利用毛细管成像法特有的折射率空间分辨测量能力, 通过直接观察和记录扩散介质的等折射率薄层在毛细管中的移动规律, 基于扩散过程遵循的Fick第二定律计算出液相扩散系数. 在25 ℃下研究了丙三醇和纯水间的扩散过程, 扩散系数的测量值与全息干涉法的文献报道值之间的相对误差为4.47%, 论文同时分析了折射率测量精度和毛细管管壁黏滞力对扩散系数的影响. 用毛细管成像法测量液相扩散系数具有样品需要量少、测量速度快、系统稳定性好的特点, 为快速测定微量样品的扩散系数提供了一种有效的新方法.
2013, 62 (9): 094207.
doi:10.7498/aps.62.094207
摘要 +
在数字全息成像中, 利用CCD的RGB模式采样全息图时, 全息重构像会出现特定的周期性分布. 本文从理论和实验上详细研究了这种周期像产生的机理、分布特性和应用. 研究结果显示, 由于CCD的光谱滤镜会使全息图的RGB三个单色采样阵列出现部分像素信号的缺失, 因此, 需要通过特定的demosaicing数学算法对缺失的像素信号进行重建以形成完整的单色采样阵列, 这是数字全息再现像周期分布产生的根源. 而基于demosaicing算法的采样阵列重建会在全息图频谱中引入调制函数, 导致物体再现像和零级衍射斑的周期分布差异. 本文揭示了全息图的RGB采样、demosaicing算法与全息重构像周期性之间的内在关联. 最后, 讨论了结合空间移位和图像形态学技术, 利用重构像的周期性抑制零级衍射斑的应用. 所有理论与实验研究结果完全一致.
2013, 62 (9): 094208.
doi:10.7498/aps.62.094208
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依据非链式脉冲氟化氘(DF)激光器的反应机理, 采用速率方程理论, 综合考虑了基态DF分子、D2分子、D原子、F原子对激发态DF分子的消激发作用, 建立了非链式脉冲DF激光器反应动力学模型. 运用Runge-Kutta法对该模型进行数值计算, 得到了增益区内各组分粒子数密度随时间的变化关系. 进而运用该模型研究了工作气体配比和输出镜反射率对DF激光器腔内光子数密度、 单脉冲能量、脉冲宽度和输出功率的影响, 得到了最佳气体配比和最佳输出镜反射率参数. 采用放电引发方式对非链式DF激光器进行了实验研究, 实验测得脉冲波形及单脉冲能量与速率方程理论模型计算结果基本一致. 本文的研究结果可为非链式脉冲DF激光器的优化设计提供理论参考.
编辑推荐
2013, 62 (9): 094209.
doi:10.7498/aps.62.094209
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介绍了一种新型的高能量环形长腔再生放大器, 通过对谐振腔的模式分布进行计算, 建立了腔长为12 m的环形腔再生放大器, 在150 mJ的抽运能量下, 得到了单脉冲能量为20 mJ的放大激光输出, 对应的转化效率为13.3%, 其输出激光的能量远远超过了常规的再生放大器输出激光的单脉冲量. 放大激光的输出光谱为30 nm, 可以支持<40 fs的傅里叶转换极限脉宽.
2013, 62 (9): 094210.
doi:10.7498/aps.62.094210
摘要 +
脉冲激光电化学复合加工可以有效去除激光辐照区域内的电解产物, 提高加工效率, 改善加工质量. 针对高性能金属材料的微细加工要求, 采用脉冲激光电化学复合的应力刻蚀加工方法对铝合金的刻蚀特性进行理论和试验研究. 通过比较激光直接刻蚀加工和激光电化学复合加工的特点, 应用扫描电子显微镜、光学轮廓仪等检测技术分析了刻蚀区域的形貌特征. 根据力学电化学原理, 探讨了金属材料微结构加工的应力去除机理. 通过加工试验, 研究了工艺参数和加工方式对加工质量的影响, 采用优化的工艺参数, 加工出了质量较好的微结构. 试验结果表明, 激光电化学复合的连续扫描加工稳定性好, 可以有效地降低表面粗糙度, 提高加工质量.
2013, 62 (9): 094211.
doi:10.7498/aps.62.094211
摘要 +
本文基于新型单波长外腔共振和频技术实现了转换效率高、波长可调谐589 nm激光的输出, 其中基频光波长分别为1583 nm和938 nm, 和频晶体为周期极化铌酸锂. 在1583 nm激光频率被锁定到外部环形腔腔模后, 通过对938 nm激光的频率扫描实现了输出功率4.96 mW, 调谐范围7 GHz的589 nm激光输出, 并采用声光调制器的伺服反馈技术有效提高了输出功率的稳定性. 最后采用该光源对钠原子在348—413 K (75—140 ℃)时D2线的饱和荧光谱进行了测量. 观察到了多普勒背景下钠D2a, D2b以及Crossover的亚多普勒结构, 其均可为589 nm频率的锁定提供参考信号.
2013, 62 (9): 094212.
doi:10.7498/aps.62.094212
摘要 +
提出了一种采用倾斜脉冲的级联二阶非线性来实现超短激光脉冲压缩的方法. 对基于单块BBO晶体中基频光与倍频光群速度匹配的级联二阶非线性的脉冲压缩方案进行了理论分析. 对比研究了群速度匹配与失配情况下利用级联二阶非线性进行脉冲压缩的效果, 并模拟分析了基频光与倍频光的位相失配量、非线性晶体长度、 基频光初始峰值光强和初始脉宽等因素对脉冲压缩效果的影响. 结果表明, 基频光与倍频光的群速度匹配将会大幅度改善压缩脉冲的时间波形和频谱分布. 通过对位相失配量、晶体长度、初始光强等参数的优化和选取可获得较理想的压缩效果. 采用倾斜脉冲的级联二阶非线性的脉宽压缩方法, 针对中心波长800 nm、脉宽100 fs, 峰值光强为50 GW/cm2的基频光脉冲, 采用25 mm厚BBO晶体, 当基频光与倍频光位相失配量Δk=60 mm-1(对应失谐角1.98°), 晶体外部脉冲前沿倾斜角γ0=74°时, 计算获得了质量较好的20 fs剩余基频光, 并同时产生了14 fs的倍频光.
2013, 62 (9): 094213.
doi:10.7498/aps.62.094213
摘要 +
对非局域非线性介质中, (1+1)维表面亮孤子进行了研究, 主要考虑了边界对孤子的影响. 首先, 在归一化系统中, 对于给定的边界条件, 求出了表面孤子的解析解, 得到了表面孤子的临界功率和平衡位置. 其次, 在数值模拟中, 发现当样品宽度太小时, 受到边界影响而很难形成表面孤子, 只有当样品宽度足够大时, 边界对孤子的影响可以忽略, 从而形成稳定传输的孤子, 并与解析的结果相似. 此外, 还考虑了在光束偏离平衡位置入射的情况下, 边界对孤子的影响, 发现此时光束在边界附近做周期性震荡, 相当于体介质中双光束相互作用的结果, 两者运动轨迹与震荡周期完全符合.
2013, 62 (9): 094214.
doi:10.7498/aps.62.094214
摘要 +
本文研究了大气湍流和探测光空间相干性对倾斜离轴激光束通过猫眼光学 镜头反射光光强特性的影响. 研究表明: 由于光阑效应以及光束倾斜或离轴, 反射光光强出现振荡和非对称分布现象. 大气湍流不会改变其非对称性, 但湍流中其光强不再振荡. 当猫眼光学镜头存在微弱正离焦δmax情况下, 轴上光强可达到最大值. 猫眼光学镜头焦距越大, 所需δmax越大. 但是, 大气湍流和探测光相干性好坏都不会改变所需δmax值. 在大气湍流中传输距离足够远时, 反射光强会成为离轴类高斯分布. 随着传输距离的增大, 相干性越差的探测光的反射光束扩展可以更小, 这与部分相干光自由空间传输规律完全不同. 探测光相干性越好, 其反射光强受湍流的影响越大, 但差异不大. 本文所得结果对激光主动探测的应用具有意义.
2013, 62 (9): 094215.
doi:10.7498/aps.62.094215
摘要 +
由于激光雷达光轴夹角的存在和光束质量分布的非均匀性, 导致理论回波信号与实际回波信号有较大差别, 需要对其进行校正. 基于数学推导和软件仿真, 给出了激光雷达重叠因子的数学表达式, 分析了光轴夹角导致的系统重叠因子在全程探测空间的变化情况; 分析了光束分布为高斯分布和均匀分布时的重叠因子变化情况; 对激光雷达的距离校正信号和Klett算法公式进行了重叠因子修正, 最后在对激光雷达系统参数标定的基础上, 在重叠区域利用修正的Klett公式对其所测得到的回波信号进行了修正, 在探测盲区利用斜率法修正距离校正信号, 进而得到了符合理论与实际情况的激光雷达在全程上校正的消光系数曲线.
2013, 62 (9): 094216.
doi:10.7498/aps.62.094216
摘要 +
本文系统研究了基于泰伯效应(Talbot) 的位相可调掺镁铌酸锂二维六角位相阵列光栅及其光衍射成像, 对光栅占空比D、不同位相差Δφ、及泰伯分数β条件下的光栅近场光衍射强度分布进行了理论研究, 结果表明当光栅占空比D=52%、位相差Δφ=0.75 π、 泰伯分数β=0.2时, 光栅近场衍射光图像效果最佳. 实验设计与 制备了掺镁铌酸锂二维六角位相阵列光栅, 并对其进行了Talbot衍射光成像实验研究, 得到了不同位相差和不同泰伯分数β条件下光栅近场衍射 光图像, 实验结果与理论研究结果相符.
2013, 62 (9): 094217.
doi:10.7498/aps.62.094217
摘要 +
本文利用非线性偏振锁模激光器产生的重复频率50 MHz, 脉宽为1.8 ps的脉冲分别抽运外径均匀和色散渐减两种高非线性光子晶体光纤, 在三阶非线性效应 (自相位调制、交叉相位调制、四波混频和受激拉曼散效应等) 和色散共同作用下得到扩展至蓝光部分的超连续谱. 模拟了光谱在色散渐减光纤和均匀光纤中的展宽过程, 通过对比均匀光纤发现色散渐减光纤在调控色散, 加强拉曼孤子和色散波的群速度匹配条件, 产生超带宽光谱方面具有很大优势. 实验利用20 m长的色散渐减光纤, 得到了406.1至671.8 nm的可见光波段增强的较为平坦的超连续谱.
2013, 62 (9): 094218.
doi:10.7498/aps.62.094218
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选择枯草芽孢杆菌、黑曲霉孢子和黑曲霉菌丝体等3种典型微生物制备生物样品, 采用显微红外光谱仪对3种微生物样品在2.5—15 μm波段的红外反射光谱进行测定, 基于Kramers-Kronig (K-K)关系计算得到了微生物样品在6—14 μm波段的复折射率. 以水、蛋白质和核酸的红外吸收特性为基础,根据微生物样品的 红外吸收谱线计算了微生物样品含水量. 在3种微生物远红外波段复折射率和含水量的实测数据基础上, 构建了生物颗粒在6—14 μm远红外波段的复折射率模型, 分析了模型的可靠性. 模型的构建对发展生物样品的快速分析、鉴定方法, 进而推动生物气溶胶探测、识别技术进步具有重要意义.
2013, 62 (9): 094219.
doi:10.7498/aps.62.094219
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从理论上分析了位移效应对量子点激光器的影响, 并推导了量子点激光器阈值电流相对变化、输出功率相对变化的位移损伤公式. 对量子点激光器进行了中子辐照实验, 观察到了阈值电流的增加. 结合实验结果确定了量子点载流子非辐射复合速率的损伤因子的表达式, 公式计算结果与实验结果符合较好, 证明了模型的正确性. 得到的公式可用于预测量子点激光器在辐射环境下的性能变化, 有着较大实际应用价值.
2013, 62 (9): 094301.
doi:10.7498/aps.62.094301
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本文提出了一种随机弹性接触界面与超声的非线性相互作用理论. 首先建立了描述随机弹性接触界面的模型, 然后分别研究了界面间应力-应变关系在线性简化模型、指数模型、高斯模型下与超声的非线性相互作用. 数值仿真和实验研究结果均表明高斯模型更适合描述固体接触界面. 本文在介观结构上解释了固体界面与超声的相互作用, 对工业超声无损检测裂缝、缺陷及损伤有指导意义.
2013, 62 (9): 094302.
doi:10.7498/aps.62.094302
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通过利用标准简正波程序KRAKEN计算本地简正波解及耦合矩阵, 进一步发展了求解水平变化波导中声场的全局矩阵耦合简正波方法(Luo et al., "A numerically stable coupled-mode formulation for acoustic propagation in range-dependent waveguides," Sci. China-Phys. Mech. Astron. 55, 572 (2012)), 使得该方法可以处理具有可穿透海底及随深度变化声速剖面等实际问题, 并提供声场的完全双向解. 本文还给出了双层波导中耦合矩阵的解析表达式, 并利用其验证了本方法中耦合矩阵数值算法的精度. 最后, 利用改善后的全局矩阵耦合简正波模型(DGMCM)计算了美国声学学会(ASA)提出的可穿透楔形波导标准问题, 将所得数值解与参考解比较, 结果表明DGMCM方法可以精确处理水平变化波导中声传播实际问题.
2013, 62 (9): 094303.
doi:10.7498/aps.62.094303
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针对浅海环境中低频宽带水声脉冲信号, 研究基于频散特征结合时频分析的单水听器距离和深度估计方法. 以简正波理论为依据, 将单水听器上的接收信号表示成一系列传播模式之和的形式, 分析了经典波导环境下的频散现象, 采用自适应径向高斯核函数的时频分析方法来表征接收信号的频散特征. 为提高时频分辨率, 采用自适应径向高斯核函数的时频分布来提取频散关系曲线中传播模式的到达时间差, 利用模式的到达时间差估计声源的距离. 采用多模式联合匹配的方式, 通过二值掩模滤波的时频滤波方法, 提取所需的模式. 通过计算实际提取出的模式能量与预测的模式能量之间的误差, 建立代价函数, 并通过模式能量匹配的方式, 确定声源的深度. 通过对基于Pekeris波导模型的浅海环境进行仿真验证, 结果表明: 自适应径向高斯核函数的时频分析方法能够很好地反映信号本身的频散特征, 具有较高的时频分辨率, 克服了传统短时傅里叶变换时频表征的限制, 使得模式在时频域更加容易辨识和分离; 从测距效果来看, 不同模式组合下的距离估计结果不同, 采用在时频面上具有较高能量的模式, 可得到较为准确的距离估计; 选用高能量的模式所得的距离估计的相对误差小于2%. 在定深方面, 参与联合匹配的模式个数越多, 代价函数的峰值更加地尖锐, 同时具有低的伪峰, 深度估计的性能会进一步有所提升. 该工作对于研究低频水声脉冲信号的分离和提取具有重大意义.
2013, 62 (9): 094304.
doi:10.7498/aps.62.094304
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基于亥姆霍兹共振腔单元设计并制作了一种一维局域共振型声子晶体, 针对结构中存在点缺陷的情况, 进行了实验研究. 实验结果表明, 由于点缺陷的存在, 局域共振型声禁带中出现了缺陷模式, 并且在缺陷单元周围引起了能量的局域现象, 与理论结果符合较好. 缺陷单元从两个不同的方向趋近于完美单元时, 缺陷模式分别按照不同的规律变化, 但是越靠近禁带边缘, 所局域的能量就越多. 另外, 当缺陷单元共振频率小于完美单元共振频率时, 局域能量主要集中在声波导内; 反之, 局域能量则主要集中在共振腔内. 本研究对设计新型低频声滤波装置及高声强集中装置具有一定意义.
2013, 62 (9): 094401.
doi:10.7498/aps.62.094401
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提出了一种由螺旋线慢波结构热分布特性来获知其夹持性能的方法. 设计了基于光纤光栅和热电偶的分布式温度测试平台, 计算和分析了光纤光栅等测温元件对慢波结构散热特性的影响. 搭建了实验系统, 研制了分布式微型光纤光栅温度传感阵列, 并对某型X波段行波管慢波结构进行对比测试. 结果表明, 实验获得的温差曲线可准确判别慢波结构夹持性能的优劣, 且不破坏器件结构与性能.
2013, 62 (9): 094501.
doi:10.7498/aps.62.094501
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本文从高阶非完整系统嵌入变分恒等式的积分变分原理出发, 根据三种不等价条件变分的选取, 得到了高阶非完整系统的三类不等价动力学模型, 即高阶非完整约束系统的vakonomic方程、Lagrange-d'Alembert 方程和一种新的动力学方程. 当高阶非完整约束方程退化为一阶非完整约束时, 利用此理论可以得到一般非完整系统的vakonomic模型、Chetaev模型和一种新的动力学模型. 最后借助于应用实例验证了结论的正确性.
2013, 62 (9): 094502.
doi:10.7498/aps.62.094502
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建立一类含非线性粘滑摩擦力的两质量非线性相对转动系统的动力学方程. 研究此非线性相对转动系统在外激励作用下的混沌运动及多时滞反馈控制. 当系统在外激励作用下处于混沌状态时, 考虑引入多时滞反馈对系统的混沌运动进行控制. 应用Melnikov理论给出系统在Smale意义下的混沌临界条件, 研究了多时滞反馈对系统运动及混沌临界值的影响规律. 并结合系统相图、Poincare截面图和功率谱分析多时滞反馈参数对系统混沌运动的控制作用.
2013, 62 (9): 094701.
doi:10.7498/aps.62.094701
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研究了CO2激光局域辐照对熔石英损伤特性的影响, 发现当辐照中心温度较低时(1139 K), 辐照对损伤阈值没有明显影响, 但辐照中心温度较高时(1638 K), 辐照对损伤阈值有明显的影响, 损伤阈值随距离辐照中心间距的增大而减小, 在残余应力产生光程差最大处附近, 损伤阈值降到最小, 随着与辐照中心间距的进一步增加, 损伤阈值略有上升. 对导致此现象的原因做了分析. 由于残余应力的存在, 在辐照中心发生再损伤产生的裂纹后, 裂纹先沿径向扩展, 在残余应力产生光程差最大处附近, 裂纹转而向切向扩展, 这可能与径向和环向张应力随半径的变化有关. 在采用热处理炉退火消除残余应力时, 必须注意元件的洁净处理, 否则退火会出现析晶现象, 对损伤阈值和透射率造成不良影响.
前沿领域综述
2013, 62 (9): 094201.
doi:10.7498/aps.62.094201
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飞秒激光具有超快、超强的特点.飞秒激光微纳加工发展非常迅速. 本文综述了近十年来利用飞秒激光在金属、半导体、介质等各类材料中制备的纳米周期结构, 阐述了若干关于飞秒激光诱导纳米周期结构的物理机理的观点.讨论了基于偏振调制的多光束 干涉在半导体表面制备纳米周期结构,简要叙述了周期结构对材料光学特性的影响.
气体、等离子体和放电物理
2013, 62 (9): 095201.
doi:10.7498/aps.62.095201
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本文考虑等离子体密度分布变化, 得到了修正屏蔽库仑势的解析解. 数值分析以及分子动力学模拟表明, 在常见实验室参数情况下, 等离子体密度分布变化引起的屏蔽库仑势修正对二维尘埃等离 子体系统的动力学和结构特性影响很小. 在极限参数情况下, 本模型的计算结果表明二维尘埃等离子体系统的扩散能力明显降低, 并且系统组态呈圆形分布. 此外, 本文还研究了实验室常见大小磁场对二维尘埃等离子体系统的影响.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2013, 62 (9): 096101.
doi:10.7498/aps.62.096101
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从碳纳米管中Kondo效应的影响出发, 在有限温度下采用Anderson模型表征碳纳米管/磁杂质系统, 利用Landauer公式对磁杂质碳纳米管的电导和热电势进行研究, 得出和实验结果一致结论.
2013, 62 (9): 096401.
doi:10.7498/aps.62.096401
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逾渗网格模型是当前忆阻器件机理分析研究领域的热点之一, 但现有模型缺乏对初态设定的讨论. 本文对逾渗网格模型进行了简化, 并基于此, 通过电压激励步进的方式, 研究了不同初态对单极性忆阻开关元件中逾渗导电通道形成的影响, 分析了形成通道的动态过程以及相应的物理意义, 验证了忆阻开关元件高低阻态的阻值实际表现为高斯分布而非理想双值稳态; 而不同初态条件下, 忆阻开关元件导电通道的形状存在着不同的"树形"结构, 进而影响着其阻值的分布. 研究成果有助于进一步揭示忆阻器尚未明确的导电机理, 为今后对具体不同类型的忆阻元件的初态分析提供指导性作用.
2013, 62 (9): 096801.
doi:10.7498/aps.62.096801
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采用磁控溅射法制备了Ge20Sb15Se65薄膜, 研究热处理温度(150—400 ℃)对薄膜光学特性的影响. 通过分光光度计、X射线衍射仪、显微拉曼光谱仪对热处理前后薄膜样品 的光学特性和微观结构进行了表征, 并根据Swanepoel方法以及Tauc公式分别计算了薄膜折射率色散曲线和光学带隙等参数. 结果表明当退火温度(Ta)小于薄膜的玻璃转化温度(Tg)时,薄膜的光学带隙(Egopt)随着退火温度的增加由1.845 eV上升至1.932 eV, 而折射率由2.61降至2.54; 当退火温度大于薄膜的玻璃转化温度时,薄膜的光学带隙随退火温度的增加由1.932 eV降至1.822 eV, 折射率则由2.54增至2.71. 最后利用Mott和Davis提出的非晶材料由非晶到晶态的结构转变模型对结果进行了解释, 并通过薄膜XRD和Raman光谱进一步验证了结构变化是薄膜热致变化的重要原因.
2013, 62 (9): 096802.
doi:10.7498/aps.62.096802
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利用磁过滤阴极电弧与磁控溅射相结合的薄膜沉积技术在高速钢基底上 制备了氮化铬/四面体非晶碳(CrN/ta-C)复合涂层, 通过改变过渡层氮化铬(CrN)的制备工艺, 研究了四面体非晶碳(ta-C)薄膜在钢基底材料上的附着特性的变化. 结果表明, 随着氮气流量的增大, CrN/ta-C复合涂层中的氮化铬经过了Cr-Cr2N-CrN的相变过程. 同时涂层的附着力也随着氮气流量的增大而增加, 但是当氮气流量超过30 sccm时, 涂层附着力会有所下降; 通过改变基片偏压, 复合涂层中氮化铬的择优取向与晶粒结构发生改变, 随着偏压的增大, 涂层附着力也会大大改善, 但是当偏压超过200 V, 涂层附着特性会略微降低. 通过涂层耐磨性的测试也表明, 在高速钢基底上, CrN涂层能显著提高ta-C薄膜在高速钢基底上的附着力, 同时显著提高耐磨特性.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2013, 62 (9): 097201.
doi:10.7498/aps.62.097201
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为探讨膨胀石墨作为3 mm波干扰材料的消光、散射特性及其影响因素, 基于有限长度、有限电导率圆柱状导体的电磁散射, 利用矩量法建立了膨胀石墨的消光、散射、吸收及后向散射截面(雷达散射截面RCS)的计算式. 运用Mathematica编程计算并分析了膨胀石墨长度、半径、电导率、磁导率等因素与膨胀石墨消光、散射、吸收截面及RCS的关系. 结果表明: 当膨胀石墨的长度为1.5 mm、半径为0.05 mm时, 具有较好的消光、散射效果; 适当增大膨胀石墨的电导率、磁导率, 有利于提高其消光、散射能力. 本研究为探索增强膨胀石墨干扰3 mm波效果的技术途径提供了有价值的参考.
2013, 62 (9): 097202.
doi:10.7498/aps.62.097202
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本文研究了室温条件下具有分离门的电诱导石墨烯n-i-p结构中, 与电子和空穴注入有关的粒子数反转效应. 考虑n区横向电场的屏栅效应, 计算了电子-空穴的有效温度与门电压以及光声子的有效温度与门电压的关系, 结果表明注入可以导致n区中电子-空穴等离子体显著冷却, 直至低于晶格温度; 计算了电流-电压特性以及与频率有关的动态电导率, 在一定的电压下, 动态电导率在太赫兹频段可以为负值. 研究表明电子-空穴等离子体冷却能够加强负动态电导率效应, 提高实现太赫兹激射的可行性.
2013, 62 (9): 097301.
doi:10.7498/aps.62.097301
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ZnO是一类具有潜力的热电材料, 但其较大声子热导率影响了热电性能的进一步提高. 纳米复合是降低热导率的有效途径. 本文以醋酸盐为前驱体, 溶胶-凝胶法制备了Ag-ZnO纳米复合热电材料. 扫描电镜照片显示ZnO颗粒呈现多孔结构, Ag纳米颗粒分布于ZnO的晶粒之间. Ag-ZnO纳米复合材料的电导率比未复合ZnO材料高出100倍以上, 而热导率是未复合ZnO材料的1/2. 同时, 随着Ag添加量的增加, 赛贝克系数的绝对值逐渐减小. 综合以上原因, 添加7.5%mol Ag的Ag-ZnO纳米复合材料在700 K时的热电优值达到0.062, 是未复合ZnO材料的约25倍. 在ZnO基体中添加导电金属颗粒有利于产生导电逾渗通道, 提高材料体系的电导率, 但同时导致赛贝克系数的绝对值减小. 总热导率的差异来源于声子热导率的差异. 位于ZnO晶界的纳米Ag颗粒, 有利于降低声子热导率.
编辑推荐
2013, 62 (9): 097302.
doi:10.7498/aps.62.097302
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本文采用分数维方法, 在讨论Al0.3Ga0.7As衬底上GaAs薄膜的分数维基础上, 计算了GaAs薄膜中的极化子结合能和有效质量. 随着薄膜厚度的增加, 极化子结合能和质量变化单调地减小. 当薄膜厚度Lw70 并且衬底厚度Lb200 时, 衬底厚度的变化对薄膜中极化子的结合能和质量变化的影响比较显著, 随着衬底厚度的增加, 薄膜中极化子的结合能和质量变化逐渐变大; 当薄膜厚度Lw70 或者衬底厚度Lb200 时, 衬底厚度的变化对薄膜中极化子的结合能和质量变化的影响不显著. 研究结果为GaAs薄膜电子和光电子器件的研究和应用提供参考.
2013, 62 (9): 097303.
doi:10.7498/aps.62.097303
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利用连续波段内激光对两批光伏型碲镉汞探测器进行了激光辐照实验, 发现了两种不同的过饱和现象. 实验表明, 光伏型碲镉汞探测器在强光辐照下都会出现开路电压随光强增强而减小的过饱和现象, 明晰了PV型探测器在强光辐照下的一般规律性现象和由探测器个体差异导致的特殊现象. 从等效电路模型出发, 剖析了两种过饱和现象的发生条件, 建立了数值计算的理论模型, 对两种过饱和现象进行了数值模拟, 计算结果与实验结果符合得较好. 研究表明, 光伏型碲镉汞探测器在波段内强光辐照下引起的过饱和现象有两种产生机理, 一种是热效应引起的暗电流增大机理; 另一种是探测器材料中缺陷引起的漏电流增大机理.
2013, 62 (9): 097401.
doi:10.7498/aps.62.097401
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本文运用了含时Ginzburg-Landau理论研究了双能带结构的介观超导体在外磁场作用下涡旋随时间的演化. 给出了实际温度在s波和d波的临界温度之间s波、d波以及磁场的分布, 从 理论上模拟得到涡旋进入和退出样品的磁场"过热"与"过冷"现象, 以及介观超导样品边界对涡旋结构分布的影响.
2013, 62 (9): 097501.
doi:10.7498/aps.62.097501
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研究了磁场诱导生长的BiFeO3/Ni18Fe19磁性双层膜中 的交换偏置及其热稳定性. 结果表明: BiFeO3/Ni18Fe19双层膜中的交换偏置场Hex未表现出明显的磁练习效应. 在负饱和磁场等待过程中, BiFeO3/Ni18Fe19双层膜磁滞回线的前支和后支曲 线都随着在负饱和磁场中等待时间tsat的增加向正场方向偏移. 交换偏置场Hex的大小随着等待时间tsat的增加而减小, 矫顽力Hc基本不变. 交换偏置场Hex的大小随测量温度Tm的升高变化不明显, 表现出良好的热稳定性; 但矫顽力Hc随Tm的升高而显著减小. 良好的热稳定性应该来源于铁电性和反铁磁性间的共同耦合作用.
2013, 62 (9): 097502.
doi:10.7498/aps.62.097502
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采用快速液相烧结法制备BiFeO3和Bi0.95Dy0.05Fe1-xCoxO3 (x=0, 0.05, 0.1, 0.15)陶瓷样品. 实验结果表明: 所有样品的主衍射峰与纯相BiFeO3相符合且具有良好的晶体结构, 随着Co3+掺杂量的增大, Bi0.95Dy0.05Fe1-xCoxO3样品的主 衍射峰由双峰(104)与(110)逐渐重叠为单峰(110), 当掺杂量x>0.05时, 样品呈现正方晶系结构; SEM形貌分析可知: Dy3+, Co3+共掺杂使BiFeO3晶粒尺度由原来的3—5 μ减小到约1 μ. 室温下, BiFeO3样品表现出较弱的铁磁性, 随着Dy3+和Co3+掺杂, BiFeO3样品的铁磁性显著提高. 在外加磁场为30 kOe的作用下, Bi0.95Dy0.05Fe1-xCoxO3 (x=0.05, 0.1, 0.15)的Mr分别为0.43, 0.489, 0.973 emu/g; MS分别为0.77, 1.65, 3.08 emu/g. BiFeO3和Bi0.95Dy0.05Fe1-xCoxO3样品磁矩M随着温度T的升高而逐渐减小, Dy掺杂使BiFeO3样品的TN由644 K升高到648 K, 而TC基本没有变化. Dy和Co共掺杂导致BiFeO3样品磁相变温度TC由870 K降低到780 K, 其TC变化主要取决于Fe-O-Fe反铁磁超交换作用的强弱和磁结构的相对稳定性.
2013, 62 (9): 097801.
doi:10.7498/aps.62.097801
摘要 +
采用共沉淀法制备了不同Eu3+掺杂浓度的Gd2(WO4)3纳米发光材料. 测量了纳米材料样品的X射线衍射谱(XRD) 和场发射扫描电镜, 对样品的结构和形貌进行了表征. 测量了各样品的发射光谱和激发光谱(声子边带光谱), 绘制了浓度猝灭曲线, 确定了最佳的掺杂浓度为20 mol%. 通过声子边带光谱计算了不同掺杂浓度样品的黄昆因子. 测量了不同浓度样品的荧光寿命, 利用Auzel模型对Eu3+ 5D0能级荧光寿命数据进行了拟合, 确定了5D0能级的固有寿命和猝灭过程中生成的声子数. 本文还根据荧光寿命数据计算了Eu3+之间的能量传递速率, 确定了能量传递速率与浓度的关系.
2013, 62 (9): 097802.
doi:10.7498/aps.62.097802
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测量了碱土金属正磷酸盐Ba3(PO4)2和Sr3(PO4)2常温及高温拉曼光谱, 对拉曼振动模式进行指认, 并分析了晶体拉曼振动光谱及晶体结构在高温下的变化. 在温度升高的过程中, 拉曼振动频率向低频移动且振动峰宽度展宽, 晶体中的P-O平均键长随温度升高而变长, 但O-P-O的键角并未发生变化. 晶体在900 ℃以下无结构相变发生.
编辑推荐
2013, 62 (9): 097803.
doi:10.7498/aps.62.097803
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氮是金刚石中最常见的杂质之一, 其对金刚石的缺陷发光具有重要的影响. 氮可以与金刚石中的本征缺陷形成复合缺陷. 本文首先利用阴极射线发光照片(CL)对一个高温高压合成的氮掺杂金刚石进行表征, 发现{100}晶面为蓝色, 然后利用透射电子显微镜(TEM)对该晶面进行电子辐照及后续退火处理, 以引入本征点缺陷进而形成含氮的复合缺陷, 并利用低温光致发光光谱(PL光谱)表征其缺陷发光特性, 发现该晶面主要以氮-空位复合缺陷(NV中心)发光为主, 并伴随着较弱的503 nm发光.
2013, 62 (9): 097901.
doi:10.7498/aps.62.097901
摘要 +
为了深入理解近紫外波段NEA GaN阴极的光谱响应特性, 在超高真空系统中对MOCVD生长的不同发射层厚度和掺杂浓度的三个样品进行激活实验, 并在线测试样品光谱响应. 利用反射式GaN阴极量子效率公式和最小二乘法对入射光波长为0.25—0.35 μ之间的 阴极响应量子效率实验数据进行拟合, 分别得到后界面复合速率和拟合直线L的斜率, 并使用量子效率公式对入射光波长为0.35 μ时的反射式GaN阴极光谱响应量子效率进行仿真. 结果表明, 后界面复合速率和直线v的斜率都能很好地反映GaN阴极的响应性能, 当GaN阴极后界面复合速率小于105 cm/s, 发射层的厚度取0.174—0.212 μ时, 阴极光谱响应性能最好.
2013, 62 (9): 097902.
doi:10.7498/aps.62.097902
摘要 +
本文利用化学气相反应(CVR)法, 系统研究了不同温度对Ce掺杂的SiC纳米线及其场发射性能的影响规律. 利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)、X射线衍射(XRD)对所得产物进行了表征, 并对其场发射性能进行了测试. 结果表明: 所得产物为具有立方结构的β-SiC晶体, 随着温度的升高, 纳米线逐渐变的弯曲, Ce的含量降低, 产物的开启电场和阈值电场先升高后降低. 当合成温度为1250 ℃, Ce的含量为0.27 at%, 产物的场发射性能最佳,开启电场和阈值电场分别为2.5 V/μm和5.2 V/μm.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2013, 62 (9): 098201.
doi:10.7498/aps.62.098201
摘要 +
以酸处理的中间相碳微球(MCMB)为载体, 用化学还原法在碳球表面沉积SnSb合金, 合成SnSb 包覆碳球的核壳结构负极材料. 采用XRD, SEM技术对材料的结构和形貌进行了表征, 用恒电流充放电(CC)、循环伏安(CV)和交流阻抗(EIS)测试了材料的电化学性能. 实验结果表明: SnSb/MCMB样品呈现纳米晶与非晶态的混合组织; 单一SnSb合金的容量衰减较快, 而对于SnSb/MCMB复合材料, 细小的合金颗粒均匀钉扎在MCMB表面, 不仅改善了颗粒的团聚现象, 而且增强了材料的导电能力, 使材料的循环稳定性得到改善, 复合材料具有936.161 mAh/g的首次放电比容量, 首次库仑效率80.3%, 50次循环后容量维持在498.221 mAh/g.
2013, 62 (9): 098501.
doi:10.7498/aps.62.098501
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在心磁信号探测中, 抑制环境噪声是提取心磁信号的关键. 为了提高心磁信号的信噪比, 信号平均得到了广泛地使用. 然而, 由于局部干扰噪声的存在, 对整段数据进行平均的传统方法不可避免地会带来心磁信号的失真. 本文通过采取模版匹配的方式, 提出了一种选择性平均方法. 结果显示, 本方法能有效剔除带有低频波动、脉冲毛刺等干扰的数据段, 获取高质量的平均心磁信号.
2013, 62 (9): 098502.
doi:10.7498/aps.62.098502
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本文根据超短沟道MOSFET的工作原理, 在绝缘栅和空间电荷区引入两个矩形源, 提出了亚阈值下电势二维分布的定解问题. 通过半解析法和谱方法相结合, 首次得到了该定解问题的二维半解析解, 解的结果是一个特殊函数, 为无穷级数表达式. 该模型的优点是避免了数值分析时的方程离散化, 表达式不含适配参数、运算量小、精度与数值解的精度相同, 可直接用于电路模拟程序. 文中计算了沟道长度是45—22 nm的MOSFET电势、表面势和阈值电压. 结果表明, 新模型与Medici数值分析结果相同.
2013, 62 (9): 098503.
doi:10.7498/aps.62.098503
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本文采用低能电子辐照源对NPN及PNP晶体管进行辐照试验. 在辐照试验过程中, 针对NPN及PNP晶体管发射结施加不同的偏置条件, 研究偏置条件对NPN及PNP晶体管辐射损伤的影响. 使用Keithley 4200-SCS半导体特性测试仪在原位条件下测试了双极晶体管电性能参数随低能电子辐照注量的变化关系. 测试结果表明, 在相同的辐照注量条件下, 发射结反向偏置时双极晶体管的辐照损伤程度最大; 发射结正向偏置时双极晶体管的辐照损伤程度最小; 发射结零偏时双极晶体管的辐照损伤程度居于上述情况之间.
2013, 62 (9): 098701.
doi:10.7498/aps.62.098701
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神经系统以时空编码形式刻画外部刺激信息, 针刺作为对穴位的机械作用可以等效为对神经系统的一种外部刺激. 为了揭示神经系统如何表达和传递针刺作用, 本文设计了不同频率的针刺动物实验, 即在针刺大鼠足三里穴位时获取脊髓背根神经节电信号. 首先, 经过数据预处理获得单神经元动作电位序列并转化为点过程序列. 其次, 应用广义线性模型(GLM)编码针刺作用, 产生模拟的神经放电序列. 另外, 在模型基础上应用贝叶斯解码, 根据神经放电序列重构针刺随时间变化的位移波形. 最后, 基于时间重标度理论应用分位数分位数(Q-Q)图方法检验编码模型与点过程数据的一致性. 结果表明, GLM能够模拟针刺神经编码, 并正确解码针刺信息. 本文为针刺研究提供了新的视角, 对于构建神经系统与机器接口以改善针刺的临床研究具有潜在意义.
2013, 62 (9): 098702.
doi:10.7498/aps.62.098702
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本文基于数据重排方法, 提出了T-BPF (Tent-BPF)算法, 该算法先将锥束投影数据重排成平行投影数据, 然后使用一种推导的BPF型算法重建重排后的平行投影数据. T-BPF算法将原BPF算法反投影中变化的角度积分限变成固定的, 反投影中各层循环之间没有了相关性, 这意味着T-BPF算法较原BPF算法具有更好的可并行性. 实验结果显示: 使用GPU对2563的Shepp-Logan体模的图像重建进行并行加速, T-BPF算法在保证重建质量的前提下, 加速比达到了1036, 较原BPF算法有很大提升. T-BPF算法为截断投影数据的3D图像快速重建提供了方法.
2013, 62 (9): 098901.
doi:10.7498/aps.62.098901
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本文运用复杂网络理论, 对我国北京、上海、广州和深圳等城市的地铁网络进行了实证研究. 分别研究了地铁网络的度分布、聚类系数和平均路径长度. 研究表明, 该网络具有高的聚类系数和短的平均路径长度, 显示小世界网络的特征, 其度分布并不严格服从幂律分布或指数分布, 而是呈多段的分布, 显示层次网络的特征. 此外, 它还具有重叠的社团结构特征. 基于实证研究的结果, 提出一种基于社团结构的交通网络模型, 并对该模型进行了模拟分析, 模拟结果表明, 该模型的模拟结果与实证研究结果相符. 此外, 该模型还能解释其他类型的复杂网络(如城市公共汽车交通网络)的网络特性.
地球物理学、天文学和天体物理学
2013, 62 (9): 099201.
doi:10.7498/aps.62.099201
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在水平风场切变形变的基础上引入物理量——位势切变形变, 把水平风场的垂直分量和切变形变与广义位温的空间梯度结合起来. 该物理量的二阶扰动被定义为波作用密度, 在局地直角坐标系中推导了能够描述中尺度扰动系统发展演变的波作用方程. 对2009年登陆台风莫拉克引发的暴雨过程进行诊断分析, 结果表明, 台风中心区切变形变向涡度的转化显著, 该转化通过纬向风的经向梯度实现. 纬向风速的经向梯度与广义位温垂直梯度的耦合引起位涡和位势切变形变之间的转化, 以至于位势切变形变和位涡的异常值区分别位于台风环流的外侧和内侧. 波作用密度因能够描述水平扰动风场的垂直切变和切变形变以及凝 结潜热函数扰动梯度而与观测降水联系紧密. 相关统计分析表明, 2009年夏季波作用密度与6 h观测降水存在明显滞后相关性, 对未来6 h降水有一定的指示意义. 另外, 波作用密度通量散度和扰动非地转风位涡是影响波作用密度局地变化的主要物理因素. 基于波作用密度与观测降水的良好相关性, 建立了波作用密度暴雨预报方程. 2009年登陆台风"苏迪罗", "天鹅", "莫拉菲"和"巨爵"的暴雨预报个例分析和长时间序列的ETS评分计算表明, 波作用密度对台风暴雨具有较好的预报效果, 其预报降水能力略优于美国全球预报系统(GFS)的直接降水预报.
2013, 62 (9): 099202.
doi:10.7498/aps.62.099202
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本文利用锡林郭勒草原2008年春季近地层涡旋相关系统和铁塔的风、 温平均梯度观测资料, 分析了总体输送系数随梯度Richardson数的变化特征, 建立了动量总体输送系数随大气稳定度、近地层风速以及感热总体输送系数随大气稳定度和近地层气温的关系. 中性条件下, 半干旱草原植被下垫面动量总体输送系数与近地层大气动力状态之间存在明显的相互作用, 总体输送系数与近地面层风速之间满足二次曲线拟合关系; 风速较小时, 大气动力特征对地表粗糙度长度的改变不是很明显, 动量总体输送系数随气流增强而增大; 而当风速较大时, 强风速会使植被高度发生改变, 动量总体输送系数随气流增强而减小. 另外, 感热总体输送系数与近地层气温之间也存在二次曲线关系. 动量总体输送系数与近地层风速之间的关系、感热总体输送系数与近地层气温之间关系的建立为总体输送系数参数化提供了重要途径, 同时该方案避免了对动力学粗糙度长度和热力学粗糙度长度的求解.
2013, 62 (9): 099203.
doi:10.7498/aps.62.099203
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利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University, SACOL) 2008年资料分析了SACOL代表的黄土高原半干旱区稀疏草地下垫面上的能量平衡闭合情况. 不同季节, 白天总体能量平衡比率在0.80左右. 夜间只有0.20左右. 选取不存在局地环流的资料, 考虑土壤热存储和垂直感热平流后, 白天能量平衡比率在85%以上, 春夏秋三季夜间也达到70%, 但冬季夜间能量闭合度仅为29.4%. 白天, 涡动相关系统对湍流热量通量观测的偏差存在季节差异, 冬季低估最多, 秋季次之, 春夏季观测相对较理想; 夜间, 涡动相关系统对湍流热通量严重低估. 湍流热量通量的低估通过空气密度效应修正传递对CO2通量产生影响, 造成长期净碳交换的不确定性. WPL修正引入的湍流热量误差导致涡动相关系统错误地高估下垫面吸收存储CO2能力, 全年NEE估计偏高41.2%.
2013, 62 (9): 099204.
doi:10.7498/aps.62.099204
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考虑近海面大气折射率垂直梯度的变化, 采用曲面波频谱估计方法(CWSE)计算掠射角, 并结合修正的GIT海表反射率模型和雷达距离方程对大气波导条件下雷达海杂波功率进行仿真, 最后通过数值实验及与实测数据比较, 验证了CWSE方法的可行性.
2013, 62 (9): 099205.
doi:10.7498/aps.62.099205
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针对2012年夏季中国东部降水"南旱北涝"的异常特征, 对比分析了近50年不同年代中国东部降水的分布型及海洋和环流等影响因素, 并讨论了2012年中国东部夏季降水异常作为中国东部降水年代际转型信号的可能性. 研究结果表明: 1961—1978年期间, 北太平洋年代际涛动(PDO)处于冷位相, 东亚夏季风偏强, 西太平洋副热带高压(副高)偏弱, 北方地区冷空气活动偏弱, 从而有利于南方水汽北上, 造成中国北方地区夏季降水异常偏多; 1979—1992年间则呈相反的特征, 造成1970年代末期中国东部夏季降水发生了一次年代际尺度的调整. 2010年代后期以来, PDO由暖位相向冷位向转变, 2012年北太平洋海温异常偏暖, 西太平洋海温由异常偏暖状态转变为正常略偏冷状态, 东亚夏季风由弱变强, 副高由强变弱, 北方冷系统活动减弱, 这些特征均与1961—1978年时段的情况类似, 支持2012年作为中国东部夏季降水发生年代际调整的前期信号的可能性. 近10年PDO, 东亚夏季风(EASM), 副高(WPSH)和贝湖高压(BH)四种指数夏季平均值的演变则进一步说明 了2012年的这种异常特征不仅是年际尺度的振荡, 更可能是前期演化基础上的一种量变到质变的调整.
2013, 62 (9): 099206.
doi:10.7498/aps.62.099206
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本文主要利用实际业务模式的预报结果和丰富的历史资料对乌拉尔山、 贝加尔湖和鄂霍次克海三个阻塞高压活动关键区夏季平均的500 hPa高 度场进行动力-统计跨季度预测实验, 其结果显示该方法能在一定程度上减小模式预报误差, 提高预报技巧, 显示出了良好的业务应用前景. 此外, 敏感性实验显示, 相似指标和相似年选取个数都对预测结果有显著影响.
2013, 62 (9): 099401.
doi:10.7498/aps.62.099401
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空间站等大型航天器由于采用高压太阳电池阵而引发的 带电问题成为近年来航天器带电研究领域的热点问题. 近年来观测到国际空间站(ISS)在出地影瞬间产生的"快速带电"事件 (也称"异常带电") , 再度引起了对低轨道航天器充电效应的深入研究. "快速带电"事件的特征为, 集中出现在出地影的瞬间, 在几秒内快速上升到较高电位(30—70 V), 然后在几十秒时间内缓慢衰降, 相对高压电池阵本身引起的结构体带电(称为"正常带电", 一般在30 V以下)严重得多. 目前国际上对"快速带电"的研究尚不充分. 本文在Furguson等人机理研究工作的基础上, 首次建立了描述"快速带电"事件的物理模型, 定量揭示了其充电过程的主要机理. 根据该模型对国际空间站的"快速带电"进行计算, 结果与观测到的典型充电脉冲符合, 模型预测的快速带电事件的统计规律也与观测结果基本一致.
2013, 62 (9): 099501.
doi:10.7498/aps.62.099501
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本文提出了一种基于图像熵的各向异性扩散滤波方法. 该方法使用图像熵作为边缘检测算子, 避免了由于均值和方差等统计量的估计带来的误差, 提高了边缘检测能力. 试验结果表明该方法能够获得比传统方法更好的相干斑噪声抑制效果.