Vol. 65, No. 1 (2016)
2016年01月05日
综述
2016, 65 (1): 010702.
doi:10.7498/aps.65.010702
摘要 +
反射镜是同步辐射光束线中应用广泛的光学元件之一, 双压电片反射镜由于具有结构简单、面形能动以及自适应可调等优点, 逐渐引起同步辐射界的重视. 本文综述了同步辐射中双压电片反射镜的研究现状. 主要讨论了双压电片反射镜的工作原理和研究概况, 包括在几个大型同步辐射装置中的结构特点、制备技术及面形校正结果等; 简要介绍了双压电片反射镜面形校正时所采用的反射波前探测技术和反馈控制算法; 最后总结了其发展中存在的关键问题, 并展望了其未来的发展方向.
2016, 65 (1): 010704.
doi:10.7498/aps.65.010704
摘要 +
目前太赫兹辐射信号的功率不高, 辐射带宽也较窄, 这些对于生化、含能材料的太赫兹检测应用领域来说是一大限制因素, 因此如何获得宽谱高功率的太赫兹源对于太赫兹时域光谱系统的发展是非常重要的; 另一方面, 常规的太赫兹系统是在自由空间传输探测的, 测量过程需要在氮气或者干燥空气环境中进行, 以克服空气中水的吸收干扰, 同时自由空间中的光场与物质相互作用的模式又降低了物质检测的灵敏度, 这对于痕量物质检测运用来说构成了一个挑战. 面对这一问题, 太赫兹片上系统利用微纳结构中的局域场效应实现对物质的低浓度检测, 这一方案可以有助于解决这一应用难题. 综上所述, 本文分成以下两部分阐述: 首先阐述了纳米金属薄膜作为新的太赫兹源, 它可以同时产生非相干的和相干的太赫兹信号, 其输出为超过100 THz的太赫兹-红外辐射, 功率能高达10 mW, 这超宽谱和高功率现象主要是由于非相干的热辐射效应引起的; 第二, 阐述了基于不同传输线结构、不同基底材料的太赫兹片上系统结构设计和光谱应用. 基于共面带状线结构和聚合物材料基底的太赫兹片上系统有着较低的损耗, 能够实现超过2 THz带宽的测量和生化应用.
2016, 65 (1): 018102.
doi:10.7498/aps.65.018102
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近年来, 层状二硫化钼由于其特殊的类石墨烯结构和独特的物理化学性质已成为国内外研究的热点. 本文综述了层状二硫化钼的物理结构、价带结构和光学性质; 介绍了制备方法, 包括生长制备和剥离制备. 生长制备的原料包括四硫代钼酸铵((NH4)2MoS4)、钼(Mo)和三氧化钼(MoO3)等. 剥离制备包括微机械剥离、液相超声法、锂离子插层法和电化学锂离子插层法等. 归纳了层状二硫化钼在场效应晶体管、传感器和存储方面的应用, 展望了层状二硫化钼的研究前景.
总论
2016, 65 (1): 010501.
doi:10.7498/aps.65.010501
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空隙率波是气液两相流系统的特殊物理现象, 理解空隙率波的传播特性对揭示两相流流型转变与流速测量物理机理具有重要意义. 本文首先考察了典型非线性系统的多尺度互相关特性, 发现去趋势互相关分析方法可有效揭示系统的多尺度非线性动力学特征; 然后, 通过采集垂直上升小管径气液两相流电导传感器阵列上下游空隙率波动数据, 提出采用多尺度去趋势互相关分析方法探测空隙率波传播的多尺度互相关特性, 并提取了低尺度空隙率波互相关水平增长率; 另外, 通过计算空隙率波空间衰减因子, 考察了气液两相流空隙率波传播的结构不稳定行为. 结果表明, 空隙率波结构的多尺度互相关特性与其空间衰减特性具有较好的物理关联性: 对于气液两相流过渡流型, 低尺度空隙率波互相关水平增长率较高, 且与较为稳定的空隙率波传播特性相对应; 而当气液两相流空隙率波明显衰减或放大时, 空隙率波互相关水平增长速率一般较低.
2016, 65 (1): 010502.
doi:10.7498/aps.65.010502
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基于Newell跟驰模型, 建立考虑车与车互联(vehicle-to-vehicle, V2V)通讯技术的单车道跟驰模型. 根据V2V技术的特征, 引入参数以表征驾驶员在收到V2V技术所提供的实时交通信息后的提前反应程度. 根据线性稳定分析方法, 得到V2V跟驰模型的中性稳定条件. 通过计算机的模拟, 研究V2V技术对交通流运行的影响, 分析小扰动下V2V跟驰模型对参数变化的敏感性, 研究不同 取值下交通流密度波及迟滞回环的变化. 研究发现: 1)与全速度差跟驰模型相比, 在引入V2V后, 交通流在加速起步、减速刹车及遇到突发事件时, 车辆运行的安全性和舒适性均得到不同程度的提升; 2) V2V跟驰模型对参数 及T的变化较为敏感, 且在交通流较为拥堵时, V2V技术的引入可以提升交通流的平均速度; 3)参数 的增大、T 的减小可以有效提升V2V跟驰模型在不同交通环境下的运行稳定性. 由于可以实时地获取交通流运行的状态并针对性地改变车辆自身的运行, V2V交通流跟驰模型提升了交通流运行的稳定性.
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2016, 65 (1): 010701.
doi:10.7498/aps.65.010701
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基于锑化铟材料在太赫兹波段的横向磁光效应, 提出了一种金属-空气-锑化铟-金属非对称周期性亚波长线栅阵列结构的表面等离子体器件, 研究了外加磁场和温度对不同频率透射波聚焦特性的影响. 结果表明, 在外加磁场强度B=0.6 T、温度T=172 K时, 可实现0.8 THz 透射光束的聚焦, 焦点处能流密度透过率比没有外加磁场时增强28倍. 对于不同频率入射波, 通过主动调节磁场强度和温度, 能实现从0.40.8 THz宽频带的聚焦, 而且焦点处的透过率相比于无外加磁场时的普通狭缝聚焦透过率增强20倍以上, 该器件是太赫兹波段理想的可调谐、宽频段、高透过率的聚焦器件.
2016, 65 (1): 010703.
doi:10.7498/aps.65.010703
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基于栅控脉冲发射X射线源与单光子探测技术的X射线通信已经实现了实验室语音通信验证, 并对通信系统的误码率性能进行了分析, 为探索未来X射线深空应用打下了坚实的基础. 针对目前X射线通信面临的信号发散角大、通信距离短、难以实现工程化应用的情况, 迫切需要 对X射线通信天线系统进行深入研究. 为了提高信号增益、增大X射线通信的距离, 提出了多层嵌套式X射线聚焦光学作为X射线通信的 收发天线, 理论分析了X射线聚焦光学用于X射线通信收发天线的可行性, 分析了X射线聚焦光学的理论基础与结构设计, 对发射天线发散角、接收天线有效面积与焦斑尺寸、信号增益等性能做了探讨. 结果表明: 在信号发射端, 天线的发散角为3 mrad左右, 发射增益23 dB; 在信号接收端, 接收天线的有效面积5700 mm2@1.5 keV, 焦斑直径为4.5 mm, 接收增益为25 dB, 通信系统总的增益可达48 dB.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2016, 65 (1): 014101.
doi:10.7498/aps.65.014101
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提出了一种用于Smith-Purcell效应器件的介质加载光栅慢波结构, 通过研究该结构的注-波互作用过程, 推导出带电子注的色散方程, 并数值求解出波的线性增长率. 利用色散方程, 结合电磁场传播的边界条件, 推导出Smith-Purcell效应振荡器工作所需的起振电流. 详细研究了高频结构长度、电子注主要参数和介质相对介电常数对起振电流的影响, 并与普通金属光栅结构进行了比较. 结果表明: 保持其他参数不变时, 高频结构长度越短, 起振电流越大; 保持高频结构参数不变时, 起振电流随电子注厚度和注-栅距离的增大而增大, 随电子注电压的增大而减小; 与金属光栅相比, 介质的引入提高了注-波互作用的增长率, 有效减小了振荡器的起振电流. 理论计算结果与软件CHIPIC的模拟结果比较符合.
2016, 65 (1): 014201.
doi:10.7498/aps.65.014201
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由于扫频光源的采集触发信号和采样时钟信号存在时间上的随机延时, 导致扫频光学相干层析成像(SS-OCT)系统干涉信号光谱的整体错移, 进而引发OCT空间域信号的相位跳变, 阻碍了基于相位信息的功能成像. 为了获得稳定的相位, 便于开展功能OCT的研究, 提出了一种基于界面信号的数字相位矫正方法. 对界面附近相邻A-line间同一深度的相位信号进行差分运算, 计算得到相位跳变的A-line位置与光谱错移量(以像素为单位), 然后在原始干涉信号上对齐光谱, 重新傅里叶逆变换, 得到矫正后的复信号. 该数字矫正算法不会引入额外的相位噪声, 可以实现OCT信噪比受限的相位探测. 通过对反射镜、荧光板和小鼠脑皮层血流的多普勒成像验证了该方法的可行性.
2016, 65 (1): 014202.
doi:10.7498/aps.65.014202
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利用交叉谱密度函数的传输公式, 推导出部分相干刃型位错光束在自由空间中传输的解析表达式. 结合谱Stokes 参数, 详细讨论了其Stokes场的奇点变化规律. 结果表明, 部分相干刃型位错光束在自由空间传输过程中存在谱s12, s23和s31奇点. 改变刃型位错的离轴量、斜率、空间相关长度等光束参数以及随着传输距离的变化, 会有谱Stokes奇点的移动、产生和湮没, 也会有V点的产生和C点旋性的反转.
2016, 65 (1): 014203.
doi:10.7498/aps.65.014203
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为模拟低太阳高度角条件下的天空偏振模式, 自主开发了考虑大气球形几何及大气折射效应的辐射传输模式VSPART, 并将其运用于漫射光偏振特性仿真. 在模式中, 基于射线追踪法实现了光线传播轨迹的追踪和入射光偏振态及透过率的计算, 基于矩阵算法实现了辐射传输方程的求解. 将VSPART模拟结果与基准值、SPDISORT模拟值进行了比较, 验证了模型的准确性. 在瑞利散射大气和含气溶胶大气条件下, 模拟并分析了漫射光偏振度及偏振方向的分布特征, 讨论了大气球形几何及折射效应对天空偏振度的影响. 结果表明, 低太阳高度角条件下, 随着波长增加, 瑞利散射大气对应的偏振度整体随之增强, 中性点向大天顶角方向移动; 气溶胶的存在并不改变天空偏振度分布特征, 但对偏振方向影响显著, 随着光学厚度的增加, 天空偏振度值迅速降低; 中性点的偏移可能与低阶散射过程紧密相关; 大气球形几何和折射效应的主要影响区域为地平线区域、两中性点附近及天顶区域; 瑞利散射大气条件下, 随着波长增加, 大气球形几何及折射效应的影响逐步减弱, 特别在中性点附近及天顶区域, 其影响逐步消失; 随着气溶胶光学厚度的增加, 其影响随之增强.
2016, 65 (1): 014204.
doi:10.7498/aps.65.014204
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叠层衍射成像是一种新兴的无透镜成像技术, 目前限制这项技术发展的是光束透过样品时的乘法近似假设, 这意味着在可见光域微米级分辨率下, 叠层衍射成像的样品厚度不能超过数十微米. 通过将样品沿轴多层切片的方式, 在模拟实验和光学实验中均实现了对毫米量级厚样品的三维叠层衍射成像. 模拟实验结果表明, 单波长并不能很好地恢复三维厚样品, 从而有必要引入多波长光束照明, 随着波长数量的增加, 三维厚样品的复原质量不断提高. 光学实验使用两组不同厚度的样品进行实验验证, 进一步研究了波长数量对复原结果的影响. 随着波长数量增加, 复原图像质量不断提高, 证明了模拟实验的结论. 利用所建光学实验装置, 在三波长照明条件下取得了最好的成像与分离效果. 同时针对实验中出现的叠影现象做出了合理的解释. 研究结果对提高厚样品三维叠层衍射成像的质量具有现实意义.
2016, 65 (1): 014205.
doi:10.7498/aps.65.014205
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利用电磁感应透明(EIT)效应在87Rb热原子气室中进行了慢光和光存储的实验研究, 在单光子红失谐650 MHz处测量了双光子失谐对光脉冲延迟和光存储的影响. 结果表明: 在双光子失谐00.5 MHz范围内存在显著的光脉冲延迟和光存储恢复信号, 其慢光波形与理论计算结果基本相符; 而恢复光脉冲信号随着双光子失谐的变化出现形变, 这是由于多个EIT子系统之间的干涉引起的. 这一研究结果为连续变量光场在热原子系综中的存储提供了实验参考.
2016, 65 (1): 014206.
doi:10.7498/aps.65.014206
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自适应光学中普遍采用的比例-积分-微分(PID)控制严格依赖于变形镜的响应模型, 响应模型的标定非常繁琐且性能容易随时间和温度而漂移. 采用模糊控制摆脱了对变形镜响应模型的依赖, 通过波面的快速重构, 从波面中提取波面评价指标, 将该评价指标及其微分作为模糊PID控制器的输入. 选择模糊输入和输出论域的隶属度函数, 设计出模糊规则库, 通过模糊推理、解模糊等过程, 对PID控制器的3个参数即比例kp、积分ki和微分kd进行模糊自整定, 实现了自适应控制. 采用高速数字信号处理器(DSP)设计了硬件验证测试平台, 通过该平台的测试, 证明该方法有效可行, 在不需要变形镜响应矩阵的前提下, 能够将光斑的衍射极限倍增因子 值从1012校正到34, 与传统的PID控制基本一致, 但稳定性更好. 因无需标定, 故降低了变形镜的安装要求.
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2016, 65 (1): 014207.
doi:10.7498/aps.65.014207
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提出一种基于1550 nm垂直腔表面发射激光器(1550 nm-VCSEL)获取高质量微波信号的全光方案. 在该方案中, 采用波长位于VCSEL中被抑制模式的中心波长附近、振动方向与VCSEL中主导模式相同的偏振光注入(即平行注入) 1550 nm-VCSEL获取高频微波, 并借助双光反馈对该高频微波的线宽进行窄化. 一方面, 基于VCSEL的自旋反转模型, 从理论上分析了采用该方案产生微波信号的可行性; 另一方面, 通过构建相应的实验系统, 对该方案产生的微波的特性进行初步实验研究. 实验结果表明: 在合适的注入条件下, 1550 nm-VCSEL能够产生30 GHz左右的微波信号, 但该信号的线宽较宽(百兆水平); 引入双光反馈后, 微波线宽可被压窄两个数量级以上, 得到了线宽低于1 MHz、信噪比大于40 dB的微波信号.
2016, 65 (1): 014208.
doi:10.7498/aps.65.014208
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采用时间转换法研究了周期量级飞秒脉冲电场在非线性克尔介质中的传输. 由于周期量级飞秒脉冲电场的脉宽小于介质拉曼响应的特征时间, 在传输过程中脉冲电场会发生剧烈的变形和分裂, 并在频谱上观察到了强烈的拉曼感应频移和色散波. 由于周期量级脉冲电场依赖于载波包络相位, 发现在脉冲电场传输过程中, 主脉冲电场和色散波电场的相位线性地依赖于初始脉冲的载波包络相位.
2016, 65 (1): 014209.
doi:10.7498/aps.65.014209
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针对可用于微弱红外图像探测的光学参量变频与增强技术, 进行了仿真与实验探索. 针对高增益光参量放大器(OPA)过程中的参量荧光背景噪声, 提出了基于外接圆模型的空间滤波技术, 通过仿真优化设计, 利用空域、频域滤波与像传递系统相结合的方法, 将参量荧光背景的抑制比例超过70%, 其增强后的成像质量较之前有明显改善, 峰值信噪比提升22%. 基于10 Hz, 355 nm的大能量皮秒紫外抽运激光, 实现了红外波段到可见光波段的参量频率上转换, 得到了超过1.3108(82 dB)的光学图像增益. 实验结果表明, 采用高增益OPA作为光学预放大级之后, 常规非制冷电荷耦合器件可实现微弱红外成像的有效探测, 灵敏度可达每像素7.4个光子. 该方案有望用于单光子级高灵敏红外成像场合.
2016, 65 (1): 014210.
doi:10.7498/aps.65.014210
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利用MODTRAN模型在水平低仰角探测模式下, 对生物气溶胶探测的问题进行了分析讨论. 用傅里叶变换红外(FTIR)光谱技术对生物气溶胶进行探测研究. 首先介绍了MODTRAN模型的大气模式和廓线, 根据FTIR光谱技术对生物气溶胶的被动探测要求, 利用辐射传输理论和最简单的三层模型, 仿真计算得到大气背景和目标生物气溶胶之间的辐射亮度差L, 然后对L进一步差值得到信号2Lt, 同时再结合光谱仪自身的噪声等效辐射亮度值, 得到实际情况下的信号值 2Lt; 最后根据探测条件和MODTRAN提供的大气模式, 使用被动遥测红外光谱方法预测每种大气模式下生物气溶胶的探测限浓度. 每种大气模式下探测限浓度的不同, 是因为边界层温度、透过率和背景辐射亮度的不同所导致, 同时还与生物气溶胶的吸收系数有关. 研究表明, FTIR光谱被动遥测技术能够探测到生物气溶胶的存在, 进一步说明探测生物气溶胶的可行性, 也为生物气溶胶实际探测提供了一种方法.
2016, 65 (1): 014211.
doi:10.7498/aps.65.014211
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为探索新型激光晶体, 采用固相法合成了(3 at.%) Nd3+:SrY2O4多晶, 对其结构和发光性质进行了研究. 对样品的X射线衍射谱进行Rietveld精修得到了样品的晶胞参数、原子位置等. 在353 nm激发下,Nd3+:SrY2O4在可见波段的最强荧光峰位于419~nm, 对应Nd3+的2D15/24I9/2跃迁. 在824~nm激发下, Nd3+的4F3/24I11/2跃迁的荧光谱带宽约为90~nm, 最强峰为1083 nm, 荧光寿命为281.7 s. 宽发射光谱和长的能级寿命表明, Nd3+:SrY2O4是一种很有希望的新波长激光二极管抽运超短脉冲激光材料.
2016, 65 (1): 014212.
doi:10.7498/aps.65.014212
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利用基于密度泛函理论的第一性原理对Cu, Fe单掺及共掺LiNbO3晶体的电子结构和光学性质进行了计算. 结果显示: Cu, Fe单掺杂LiNbO3晶体禁带内均产生了杂质能级, 主要由Cu 3d, Fe 3d轨道及O 2p轨道贡献; 共掺LiNbO3晶体禁带内出现了双能级结构, 深能级由Cu 3d和O 2p轨道贡献, 浅能级由Fe 3d和O 2p轨道贡献. Cu, Fe单掺和共掺LiNbO3晶体带隙依次缩小, 在可见光区的光吸收明显增强. 共掺LiNbO3在445和630 nm左右分别表现出一个宽吸收峰, 比单掺LiNbO3晶体表现出更好的光吸收性质. 研究表明, Fe占Nb位比Fe占Li位的双掺样品在双光存储应用中更有优势; 同时, 浓度比[Fe2+]/[Fe3+]值的适当降低有助于这种优势的形成.
2016, 65 (1): 014213.
doi:10.7498/aps.65.014213
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基于典型水基Fe3O4磁流体, 建立了工作频率可调的近似零折射率磁流体光子晶体的理论模型. 这种近似零折射率材料具有与自由空间阻抗相匹配的优点, 更重要的是其工作频率可由外磁场的大小来调节. 在满足等效折射率的绝对值小于0.05的条件下, 材料的归一化工作频率可由0.716变化到0.750.
2016, 65 (1): 014214.
doi:10.7498/aps.65.014214
摘要 +
基于一维光子晶体异质结构的多帯隙交叠补偿思想, 提出了一种新颖的混合准周期级联结构, 用于扩大全方位光子带隙. 该全方位反射器结构由Fibonacci准周期结构和Thue-Morse准周期结构级联构成, 研究表明, 相比单种准周期结构, 其全方位光子带隙宽度有显著提高. 系统研究了结构参数(如周期数、阶数、介质折射率和厚度)对该结构光子带隙的影响, 通过与周期结构带隙特性的比较, 分析了准周期结构易于实现多带隙交叠的原因, 为更复杂带隙结构的补偿和展宽奠定了设计基础.
2016, 65 (1): 014215.
doi:10.7498/aps.65.014215
摘要 +
研究了不同畴腐蚀深度的掺镁铌酸锂二维六角可调阵列光分束器的分数Talbot效应. 对不同Talbot分数 和不同畴腐蚀深度的阵列光分束器Talbot衍射像进行了数值模拟理论研究. 模拟结果表明, Talbot分数 可以改变Talbot衍射像的周期及结构分布, 而畴腐蚀深度可有效调制衍射像的光强分布. 在理论研究的基础上, 设计并制备了具有不同畴腐蚀深度的掺镁铌酸锂二维六角阵列光分束器, 对其在不同Talbot分数 条件下的分数Talbot效应进行了通光实验研究, 实现了畴腐蚀阵列光分束器对近场Talbot衍射光强分布的调制, 实验结果与理论研究结果一致.
2016, 65 (1): 014301.
doi:10.7498/aps.65.014301
摘要 +
利用Lagrange方程得到了次Bjerknes力作用下气泡的体积振动方程, 并探讨了次Bjerknes力作用下不同参数对气泡体积振动振幅和振动初相位的影响, 研究了振动初相位差为和0的气泡对在液体中形成的散射声场特征. 结果表明: 次Bjerknes作用力下, 相邻气泡半径、气泡间距、多方指数均能影响气泡的体积振动振幅, 气泡对的均衡半径、气泡间距和驱动频率则对气泡振动初相位产生明显影响; 相距很近、相位相差为的两个气泡的散射声压与气泡体积振动振幅、气泡间距、驱动频率和振动初相位有关, 随声场距离成反比减小, 与声场位置有关, 其平均散射声功率是单个孤立气泡的1/6 (kd12)2; 半径相同、相距很近、相位相同的两个气泡的散射声压与气泡振动初相位、体积振动振幅、气泡间距、驱动频率有关, 随声场距离成反比减小, 其平均散射声功率是单个孤立气泡的4倍.
2016, 65 (1): 014302.
doi:10.7498/aps.65.014302
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海面的起伏和多普勒效应使得接收信号的载波相位发生跳变以及水声信道的多途扩展使得接收信号波形发生畸变, 这严重影响循环移位扩频系统的性能. 本文提出循环移位能量检测器算法, 通过检测循环移位匹配滤波器的输出能量对系统进行解码, 可有效解决载波相位跳变对循环移位扩频系统的影响; 将时间反转镜技术与循环移位能量检测器相结合, 进一步提出时反镜能量检测器算法, 利用已检测到的符号对信道进行实时估计并进行时反处理, 抑制了水声信道多途扩展的影响, 保证了循环移位扩频系统可在低信噪比条件下工作. 通过大连海上试验以及莲花湖湖上试验验证, 在复杂水声信道多途扩展、载波相位跳变和低信噪比条件下实现了低误码水声通信.
2016, 65 (1): 014303.
doi:10.7498/aps.65.014303
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海底地形变化对声传播具有很大影响, 在南海深海区域海底斜坡环境下进行了一次声传播实验, 实验显示倾斜海底环境下声传播损失出现了一些不同于平坦海底环境下的现象, 分析并解释了海底地形变化对产生声传播差异的原因. 结果表明, 海底斜坡对声波的反射增强作用可使斜坡上方的声传播损失减少约5 dB. 当声波第一次入射到达的海底位置有较小幅度的山丘(凸起高度小于1/10海深)时, 海底小山丘即可对声波有反射遮挡作用, 导致在其反射区特定传播距离和深度上出现倒三角声影区, 比平坦海底环境下相同影区位置处的传播损失增大约8 dB, 影响深度可达海面以下1500 m. 而海底斜坡对声波的反射阻挡作用使得从海面反射及水体向下折射的会聚区结构消失, 只剩下从水体向上折射的会聚结构. 因此, 海底地形对深海声传播影响较大, 在水下目标探测和性能评估等应用中应予以重视.
2016, 65 (1): 014304.
doi:10.7498/aps.65.014304
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传统的基于绝缘体上硅的Mach-Zehnder (MZ)声光调制器中, 叉指换能器位于两臂的同一侧. 为实现高的调制效率, 声表面波的波峰和波谷分别调制MZ干涉仪的两臂, 这要求控制MZ干涉仪两臂之间的距离为奇数倍声波半波长. 但实际上由于传播过程中衬底材料的变化, 声波波长会变大, 这会导致两臂的间距难以准确设置. 另一方面, 声波在传播过程中经过MZ干涉仪的一臂后会发生衰减, 降低了对另一臂的调制效果, 影响了整体的调制效率. 本文针对这些问题给出了一种解决方案, 把叉指换能器放在MZ波导两臂之间, 确保MZ干涉仪两臂到叉指电极中心距离相等. 采用有限元法, 首先对新提出的结构进行分析, 然后通过声光互作用原理得到了材料的折射率变化; 进而研究了波导类型、波导宽度、氧化锌厚度及叉指对数等因素对声光调制效率的影响, 并对声光调制器的结构参数进行了优化以提高其性能. 基于COMSOL Multiphysics 的仿真结果表明, 当条波导宽度为6 m, 氧化锌只覆盖有叉指电极的部分且厚度为2.2 m, 控制叉指电极数目为50对时, 波导有效折射率变化在驱动电压为1 V时可以达到4.0810-4, 比传统结构提高了12%.
2016, 65 (1): 014305.
doi:10.7498/aps.65.014305
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应用了一种等效方法计算敷设声学覆盖层无限长圆柱壳体水下声散射特性. 等效方法的核心是忽略复杂声学覆盖层内部的声学结构, 将其作为具有等效材料参数的均匀阻尼层进行建模, 该均匀阻尼层具有和原覆盖层相同的复反射系数. 进而, 应用COMSOL Mutiphysics软件建立敷设均匀阻尼层圆柱壳体的有限元模型并求解其声散射特性. 等效方法的关键是等效材料参数的获取. 采用充水阻抗管实验和有限元数值实验两种方法获取声学覆盖层贴敷在与壳体具有相同厚度、相同材料背衬条件下的复反射系数, 在此基础上, 基于遗传算法反演材料的等效参数. 研究表明, 等效参数具有频变特性, 且尽管等效杨氏模量和等效泊松比在频率范围内存在较大波动, 但是等效前后复反射系数仍保持一致. 为了验证等效方法求解壳体声散射特性的准确性, 同时建立了敷设声学覆盖层壳体的完整有限元模型, 将覆盖层内部声学结构进行精细建模, 并求其声散射特性. 结果表明, 两种方法求得的形态函数符合得较好, 在整个频率范围内平均误差大约为1 dB.
2016, 65 (1): 014501.
doi:10.7498/aps.65.014501
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转子耦合摆系统广泛应用于航空动力装置、矿业筛分机械和并联机器人等高速旋转设备. 但是对转子耦合摆系统同步行为(稳定相位差值)研究甚少, 系统同步行为通常影响系统的工作执行精度. 基于这一特殊背景, 提出了转子与摆耦合系统的简化物理模型. 利用庞加莱法研究转子耦合摆系统的同步问题, 进一步揭示了该类系统同步现象的本质机理. 首先运用拉格朗日方程建立了转子同向和反向旋转的系统动力方程, 随后将系统动力方程转换为无量纲方程. 然后利用拉普拉斯法对无量纲方程解耦, 计算出了系统各个自由度的近似稳态响应解. 继而采用庞加莱法导出了系统实现同步的平衡方程和稳定准则. 只有系统的物理参数同时满足系统同步平衡方程和稳定准则时, 系统才能实现稳定的同步行为. 通过理论研究发现, 系统的同步行为主要受弹簧刚度、摆杆安装倾角和转子旋转方向的影响. 同时系统同步临界点会造成相位差角无解, 导致系统动态特性表现为混沌. 最后, 使用计算机模拟验证了理论计算的正确性, 两者的结果相符.
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2016, 65 (1): 014502.
doi:10.7498/aps.65.014502
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颗粒体系由于非弹性碰撞和摩擦等内秉的能量耗散特性, 由宏观粒子形成的颗粒气体体系经常会有局部凝聚现象, 这是颗粒气体体系与分子气体体系的最大区别之一. 理解和预测这一现象的发生将有助于人们对远离平衡态体系的复杂现象, 如有序结构、斑图和团簇形成的认知. 这种局部凝聚现象可以类比于分子气体中亚稳分解形成的液滴, 将气液相分离用于解释和寻求局部凝聚现象的此模型得到了分子动力学模拟的校验. 但是实验的校验却由于宏观粒子运动受重力作用的影响难以在实验室中实现. 作为实践十号卫星的前期实验, 本文利用国家微重力实验室落塔装置, 以水平激振装有不同尺寸和数目的颗粒样品, 在短时微重力条件下, 成功观察到颗粒气体团簇的形成; 并将实验结果与颗粒气体类范德瓦耳斯气体分子相分离模型对比, 由形成团簇样品的颗粒数密度条件, 来实验确定了所选颗粒的恢复系数, 得到直径为0.5 mm的钛珠颗粒的恢复系数在0.60.8之间, 直径为1 mm的钛珠颗粒的恢复系数约为0.8, 直径为2.5 mm的钛珠颗粒的恢复系数应大于0.8.
2016, 65 (1): 014701.
doi:10.7498/aps.65.014701
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提出了一种基于边界元法求解变系数瞬态热传导问题的特征正交分解(POD)降阶方法, 重组并推导出变系数瞬态热传导问题适合降阶的边界元离散积分方程, 建立了变系数瞬态热传导问题边界元格式的POD降阶模型, 并用常数边界条件下建立的瞬态热传导问题的POD降阶模态, 对光滑时变边界条件瞬态热传导问题进行降阶分析. 首先, 对一个变系数瞬态热传导问题, 建立其边界域积分方程, 并将域积分转换成边界积分; 其次, 离散并重组积分方程, 获得可用于降阶分析的矩阵形式的时间微分方程组; 最后, 用POD模态矩阵对该时间微分方程组进行降阶处理, 建立降阶模型并对其求解. 数值算例验证了本文方法的正确性和有效性. 研究表明: 1) 常数边界条件下建立的低阶POD模态矩阵, 能够用来准确预测复杂光滑时变边界条件下的温度场结果; 2)低阶模型的建立, 解决了边界元法中采用时间差分推进技术求解大型时间微分方程组时求解速度慢、算法稳定性差的问题.
2016, 65 (1): 014702.
doi:10.7498/aps.65.014702
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多孔介质中高Pclet数和大黏性比下混溶流体的流动和扩散广泛存在于二氧化碳驱油、化工生产等工业过程中. 用数值方法对该问题进行研究时, 关键在于如何正确描述高Pclet数和大黏性比下多孔介质内流体的行为. 为此, 提出了一种基于多松弛模型和格子动理模型的耦合格子Boltzmann模型. 通过Chapman-Enskog分析, 证明该模型能有效求解不可压Navier-Stokes方程和对流扩散方程. 数值结果表明, 该模型不仅具有二阶精度和良好的稳健性, 而且对于高Pclet数和大黏性比的问题具有良好的数值稳定性, 为模拟此类问题提供了有效工具.
2016, 65 (1): 014703.
doi:10.7498/aps.65.014703
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为提高采用二维九速离散速度模型的格子Boltzmann方法(LBM)模拟微尺度流动中非线性现象的精度和效率, 引入Dongari等提出的有效平均分子自由程对黏性进行修正(Dongari N, Zhang Y H, Reese J M 2011 J. Fluids Eng. 133 071101); 并针对以往研究微尺度流动时采用边界处理格式含有离散误差的问题, 采用多松弛系数格子Boltzmann方法结合二阶滑移边界条件, 对微尺度Couette流动和周期性Poiseuille流动进行模拟, 并将速度分布以及质量流量等模拟结果与直接模拟蒙特卡罗方法模拟数据、线性Boltzmann方程的数值解以及现有的LBM模型模拟结果进行对比. 结果表明, 相对于现有的LBM模型, 引入新的修正函数所建立的有效黏性多松弛系数LBM模型有效提高了LBM模拟过渡区的微尺度流动中的非线性现象的能力.
2016, 65 (1): 014704.
doi:10.7498/aps.65.014704
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基于高速摄像方法, 针对入水空泡流动特征和机理, 进行了开放腔体圆柱壳垂直入水实验研究. 通过对实验现象的观测, 发现开放腔体圆柱壳入水运动会形成波动流动和云化流动两种流动方式, 结合影像数据, 分别描述了两种流动状态下的空泡形态特征, 并获得了空泡波动参数的变化规律; 对比不同入水速度实验, 分析了入水速度对入水空泡流动方式和流动参数的影响; 依据流体力学基本理论, 分析了入水空泡波动和云化现象的形成机理. 结果表明: 随入水速度增加, 入水空泡依次呈现波动和云化两种流动状态, 波动频率与入水速度无关, 闭合发生时间随入水速度增加而减小, 与Froude数呈线性关系; 入水导致开放空腔内部气体涨缩, 引起开放端压力场和速度场周期性扰动, 空泡截面扩展程度出现差异, 形成空泡波动现象; 空泡闭合后尾部形成回射流, 回射流触及空泡壁面引起壁面流动转捩, 形成空泡云化现象.
气体、等离子体和放电物理
2016, 65 (1): 015201.
doi:10.7498/aps.65.015201
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基于麦克斯韦方程组和物质本构方程对石墨烯表面等离子体进行了研究. 从理论上探索了石墨烯表面等离子体激元在太赫兹波段的增益特性曲线, 并且讨论了石墨烯表面等离子体增益与石墨烯中载流子浓度、石墨烯所处温度以及载流子动量弛豫时间的关系. 研究结果表明: 在太赫兹波段增益峰值随着石墨烯载流子浓度的增加而发生蓝移, 并且在所讨论的温度范围内, 由于增益峰所对应的频率都大于1 THz, 因此温度的变化对增益峰值以及相应频率的影响不大, 即在不同的温度下, 相同载流子浓度所对应的增益曲线上峰值的位置和强度几乎相同; 增益与石墨烯载流子动量弛豫时间相关, 随着载流子动量弛豫时间的增加, 使得激发态激励的电子增加, 从而导致石墨烯表面等离子体增益变得更大, 但这种动量弛豫时间的增加却因弛豫时间对受激辐射频率影响较小而并未对增益峰值位置产生影响.
2016, 65 (1): 015202.
doi:10.7498/aps.65.015202
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提高黑腔辐射温度对高能量密度物理研究, 尤其是惯性约束聚变研究至关重要. 提高黑腔腔壁再发射率是增强黑腔辐射温度的一个有效措施. 理论研究发现低密度泡沫材料能够降低腔壁能量损失, 进而提高再发射率. 在神光Ⅲ原型激光装置上开展了泡沫金和固体金再发射能流对比测量实验, 证实了该理论研究. 实验利用透射光栅得到具有空间分辨和谱分辨的X射线发射, 测量结果表明在190 eV的黑腔辐射场作用下, 0.4 g/cc密度的泡沫金可比固体金提升约20%的X射线能流发射, 并且增加的发射以1 keV以下的低能能段为主. 自相似解得到的理论结果和MULTI 1D模拟计算的结果均表明泡沫金可提高腔壁再发射能流, 与实验结果定性一致. 研究结果表明, 泡沫金作为黑腔腔壁材料可提高腔壁再发射率, 增强黑腔辐射温度, 具有诱人的应用前景.
2016, 65 (1): 015203.
doi:10.7498/aps.65.015203
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开展了铝单丝在负极性电流脉冲作用下电爆炸特性的研究. 利用皮秒激光探针, 搭建了阴影、纹影和干涉的光学诊断平台, 得到了不镀膜铝丝典型的能量沉积过程, 在电压崩溃时刻其沉积能量为2.4 eV/atom. 为了增加金属丝内的沉积能量, 开展了相同电参数及金属丝尺寸下的镀膜铝丝电爆炸实验, 其沉积能量可达到5 eV/atom, 实现了在电压崩溃之前铝丝完全气化(完全气化所需能量为4 eV/atom). 阴影图像展示了高密度丝核区域的膨胀过程, 不镀膜铝丝平均膨胀速度为2.2 km/s, 而镀膜铝丝因为沉积能量大, 其膨胀速度约为不镀膜铝丝的2.3倍, 高密度区域膨胀速度为5 km/s. 由于阴影不能反映低密度等离子体的膨胀, 开展了平行双丝实验, 通过测量自发光辐射, 估算了低密度等离子体的膨胀速度. 利用条纹相机拍摄了不镀膜铝丝电爆炸过程中自发光区域的图像. 纹影图像清晰地展示了不镀膜铝丝在电爆炸过程中形成的核冕结构, 而镀膜铝丝电爆炸过程中核冕结构得到了一定程度的抑制. 从干涉图像计算了相移, 在轴对称假设下对相移进行阿贝尔逆变换, 重构了三维的铝原子数密度分布.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2016, 65 (1): 016101.
doi:10.7498/aps.65.016101
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基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了含单排线缺陷锯齿型石墨烯纳米带(ZGNR)的电磁性质, 主要计算了该缺陷处于不同位置时的能带结构、透射谱、自旋极化电荷密度、总能以及布洛赫态. 研究表明, 含单排线缺陷的ZGNR和无缺陷的ZGNR在非磁性态和铁磁态下都为金属. 虽然都为金属, 但其呈金属性的成因有差异. 在反铁磁态下, 单排线缺陷越靠近ZGNR的边缘, 对ZGNR电磁性质的影响越明显, 缺陷由ZGNR对称轴线向边缘移动过程中, 含单排线缺陷的ZGNR有一个半导体-半金属-金属的相变过程. 虽然线缺陷靠近中线的ZGNR为半导体, 但由于缺陷引入新的能带, 导致含单排线缺陷的ZGNR的带隙小于无缺陷ZGNR的带隙. 单排线缺陷紧邻边界时, 含缺陷ZGNR最稳定; 单排线缺陷位于次近邻边界位置时, 含缺陷ZGNR最不稳定. 在反铁磁态下, 对单排线缺陷位于对称轴线的ZGNR施加适当的横向电场, 可以实现半导体到半金属的转变. 这些研究结果对于发展基于石墨烯的纳米电子器件有重要的意义.
2016, 65 (1): 016801.
doi:10.7498/aps.65.016801
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液滴在固体表面上的铺展行为与润湿特性对许多工业生产过程的研究具有重要意义. 根据液滴在光滑表面上的受力情况, 建立了液滴平壁铺展的动力学模型. 应用润滑近似方法和二维Navier-Stokes方程, 建立了液滴沿理想表面铺展的动量和连续性方程. 根据建立的方程, 应用数值解法求解并详细分析了液滴在铺展过程中膜厚、接触线铺展半径以及铺展速度随时间的变化关系. 研究结果表明: 液滴的铺展过程可分为扩展和收缩两个阶段, 铺展过程伴随着表面能、动能以及各种势能的相互转化, 液滴最终的铺展半径大小由固体基面固有的润湿特性所决定; 液滴在铺展过程中出现的坍塌效应与弯曲液面处的Laplace压力差有关; 铺展半径随时间变化的标定律近似满足1/7次方标度律.
2016, 65 (1): 016802.
doi:10.7498/aps.65.016802
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利用金属有机物化学气相沉积技术在蓝宝石衬底上制备了掺Fe高阻GaN以及AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(HEMT)结构. 对Cp2Fe流量不同的高阻GaN特性进行了研究. 研究结果表明, Fe杂质在GaN 材料中引入的Fe3+/2+深受主能级能够补偿背景载流子浓度从而实现高阻, Fe 杂质在GaN 材料中引入更多起受主作用的刃位错, 也在一定程度上补偿了背景载流子浓度. 在一定范围内, GaN 材料方块电阻随Cp2Fe流量增加而增加, Cp2Fe流量为100 sccm时, 方块电阻增加不再明显; 另外增加Cp2Fe流量也会导致材料质量下降, 表面更加粗糙. 因此, 优选Cp2Fe流量为75 sccm, 相应方块电阻高达1 1010 /\Box, 外延了不同掺Fe层厚度的AlGaN/GaN HEMT结构, 并制备成器件. HEMT 器件均具有良好的夹断以及栅控特性, 并且增加掺Fe层厚度使得HEMT器件的击穿电压提高了39.3%, 同时对器件的转移特性影响较小.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2016, 65 (1): 017401.
doi:10.7498/aps.65.017401
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MgB2材料具备临界转变温度较高、相干长度大、临界电流和临界磁场高等优点, 被认为有替代Nb基超导材料的潜力. 研究了不同温度下以化学气相沉积法制备的硼(B)薄膜的微观结构. 实验结果表明: 较低温度沉积的B先驱薄膜为无定形B膜, 可以与Mg蒸气反应生成MgB2超导薄膜; 当沉积温度高于550 ℃时, 所得硼薄膜为晶型薄膜; 以晶型硼薄膜为先驱膜在镁蒸气中退火, 不能生成硼化镁超导薄膜. 利用晶型B膜的这一特点, 成功制备了以晶型硼薄膜为介质层的硼化镁超导约瑟夫森结.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2016, 65 (1): 018101.
doi:10.7498/aps.65.018101
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通过在石墨烯超表面设计周期性切条, 实现了基于石墨烯互补超表面的可调谐太赫兹吸波体. 通过改变外加电压来改变石墨烯的费米能级, 吸波体实现频率可调谐特性. 研究了石墨烯费米能级、结构尺寸对超材料吸波体吸收特性的影响, 并利用多重反射理论研究了其物理机理并且证明了模拟方法的可行性. 研究结果表明: 当石墨烯费米能级取0.6 eV, 基底厚度13 m, 石墨烯上切条长宽分别为2.9 m, 0.1 m 时, 吸波体在1.865 THz可以实现99.9%的完美吸收; 石墨烯费米能级从0.4 eV增大到0.9 eV, 吸波体共振频率从1.596 THz 蓝移到2.168 THz, 且伴随共振吸收率的改变, 吸收率在0.6 eV时达到最大; 通过改变费米能级实现的最大吸收率调制度达84.55%.
2016, 65 (1): 018103.
doi:10.7498/aps.65.018103
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磁性材料被广泛应用于磁记录和磁润滑等领域, 聚甲基丙烯酸甲酯因其良好的介电性,能够用作磁性材料的表面涂层. 本文对外磁场作用下, 外加载荷和磁场强度对往复滑动的聚甲基丙烯酸甲酯/磁性薄膜双膜系摩擦性能的影响开展了研究. 实验结果表明: 聚甲基丙烯酸甲酯/磁性双膜体系的摩擦性能随载荷和磁场强度改变而变化; 但在干摩擦和硅油润滑两种模式下, 磁场对其摩擦学性能的影响规律不同. 理论分析了磁场作用下磁场诱发的磁性力与摩擦副物理性质变化对摩擦力和摩擦系数的影响, 与实验结果符合良好. 研究结果为磁性薄膜的界面介质设计与控制提供了依据.
2016, 65 (1): 018201.
doi:10.7498/aps.65.018201
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基于第一性原理的密度泛函理论研究了B, P单掺杂以及B, P共掺杂石墨烯对O, O2, OH和OOH的吸附特性. 通过分析吸附能、键长、 态密度以及电荷转移, 比较了不同掺杂对燃料电池氧还原反应(ORR)中间物吸附的影响, 进而探讨了反应过程, 并给出各步反应自由能的变化趋势. 结果表明: B, P单掺杂石墨烯对各中间物的吸附能存在线性关系, 掺P石墨烯吸附OOH的吸附能为3.26 eV, 远大于掺B石墨烯的吸附能0.73 eV; 掺P石墨烯较大的吸附能有利于中间物OOH中OO键的断裂, 掺B石墨烯吸附能小有利于中间物OH生成H2O脱附的反应发生; 而B, P 共掺杂石墨烯的吸附存在协同效应, 具有更好的催化ORR的反应能力.
2016, 65 (1): 018501.
doi:10.7498/aps.65.018501
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利用应变技术和沟道晶向工程技术, 均可有效增强Si基金属氧化物半导体器件的性能. 本文提出了(100) Si p型金属氧化物半导体(PMOS) [110]晶向电导率有效质量双椭球模型, 从理论上解释了Si PMOS [100]晶向沟道空穴迁移率为[110]晶向沟道空穴迁移率1.15倍的原因. 基于(100) Si基应变PMOS反型层E-k关系, 拓展应用该模型, 首先获得了(100) Si基应变PMOS 反型层价带第一子带等能图, 然后给出了(100) Si基应变PMOS器件反型层[110]晶向空穴电导率有效质量模型. 本文的模型方案合理可行, 可为Si 基应变PMOS器件的研究与设计提供有价值的参考.
2016, 65 (1): 018502.
doi:10.7498/aps.65.018502
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基于条纹相机的非推扫式激光雷达可以实现三维多光谱荧光及偏振成像, 克服了传统雷达技术中由于目标和搭载平台之间相对移动形成的图像畸变, 图像刷新率高, 也便于小型化. 本文针对这一新技术发展的需求设计了一款大面积(阴极有效面积 25)、超小型(阴极到荧光屏净尺寸为100 mm)、无栅网、球面阴极、球面荧光屏的条纹管, 利用电子轨迹追踪法理论分析了偏转板位置对偏转灵敏度和空间分辨率的影响. 动态分析演示了从阴极面狭缝上同时出发的光电子在条纹管内部不同飞行阶段的时间畸变过程, 给出了条纹管在扫描工作模式下狭缝像弯曲所对应的定量时间畸变值. 该条纹管极限时间分辨率优于30 ps, 在其阴极狭缝长28 mm的范围内, 边缘动态空间分辨率大于10 lp/mm, 阴极狭缝为30 mm50 m时条纹管的动态时间分辨率优于50 ps, 放大倍率为1.2.