Vol. 65, No. 8 (2016)
2016年04月20日
总论
2016, 65 (8): 080201.
doi:10.7498/aps.65.080201
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提出了两类广义梯度系统, 即广义斜梯度系统以及具有对称负定矩阵的广义梯度系统. 分别讨论了这两类梯度系统与动力学系统稳定性的关系. 研究了广义Brikhoff系统的两类广义梯度表示, 分别给出条件和表达式. 给出了广义Brikhoff系统稳定性的梯度判别法, 利用广义梯度系统的性质来研究广义Birkhoff系统的稳定性. 并举例说明了方法的应用.
2016, 65 (8): 080202.
doi:10.7498/aps.65.080202
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为了从含有噪声的混合信号中有效提取各个信号分量, 提出一种基于多项式调频Fourier变换的分量提取方法. 通过研究Fourier变换和分数阶Fourier变换的信号能量积累方式及变换基函数的时频表示, 提出利用时频平面上的多项式调频曲线族代替Fourier变换和分数阶Fourier 变换的调频直线族, 将变换的适用范围扩展到非线性调频信号. 采用粒子群智能优化算法搜索调频曲线族的最优多项式参数, 使混合信号中的某一分量在多项式调频Fourier域上能量谱集中. 最后对能量谱集中的分量进行窄带滤波, 并利用多项式调频逆Fourier变换重构信号分量. 仿真实验结果表明, 该方法不仅能够提取混合信号中的线性调频分量, 还能够实现非线性调频分量的能量谱集中、信号分离和时频特征提取.
2016, 65 (8): 080301.
doi:10.7498/aps.65.080301
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非正交编码协议和诱骗态方法可以有效地抵御光子数分离攻击. 由于相干叠加态中单光子成分高达90%, 常作为单光子量子比特的替代出现, 用于量子信息过程处理和计算. 本文结合非正交编码协议和诱骗态方法提出一种新的量子密钥分发方案, 光源采用相干叠加态, 推导了单光子的密钥生成速率、计数率下限和误码率的上限, 利用Matlab 模拟了无限多诱骗态情况下和有限多诱骗态情况下密钥生成速率和传输距离的关系, 得出该方案可以提升密钥生成速率并且提高安全传输距离, 验证了该方案可以进一步提高量子密钥分发系统的性能.
2016, 65 (8): 080302.
doi:10.7498/aps.65.080302
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完全图KN 上某个顶点连接到图G将破坏其对称性. 为加速定位这类结构异常, 基于散射量子行走模型设计搜索算法, 首先给出了算法酉算子的定义, 在此基础上利用完全图的对称性, 将算法的搜索空间限定为一个低维的坍缩图空间. 以G为一个顶点的情况为例, 利用硬币量子行走模型上的研究结论简化了坍缩图空间中酉算子的计算, 并借助矩阵扰动理论分析算法演化过程. 针对星图SN 上结构异常的研究表明, 以星图中心节点为界将整个图分为左右两个部分, 当且仅当两部分在N时具有相同的特征值, 搜索算法可以获得量子加速. 本文说明星图上的分析方法和结论可以推广至完全图的坍缩图上. 基于此, 本文证明无论完全图连接的图G结构如何, 搜索算法均可在O(N) 时间内定位到目标顶点, 成功概率为1-O(1N), 即量子行走搜索该类异常与经典搜索相比有二次加速.
2016, 65 (8): 080303.
doi:10.7498/aps.65.080303
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量子纠缠是量子信息的重要物理资源. 然而当量子系统与环境相互作用时, 会不可避免地产生消相干导致纠缠下降, 因此保护纠缠不受环境的影响具有重要意义. 振幅衰减是一种典型的衰减机制. 如果探测环境保证没有激发从系统中流出, 即视为对系统的一种弱测量. 本文基于局域脉冲序列和弱测量, 提出了一种可以保护多粒子纠缠不受振幅衰减影响的有效物理方案, 保护的对象是在量子通信和量子计算中发挥重要作用的Cluster态和Maximal slice态.
2016, 65 (8): 080601.
doi:10.7498/aps.65.080601
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论述了偏振型干涉成像光谱仪的工作原理, 针对复原光谱谱线位置漂移问题, 提出了原理修正和数据处理两种具有代表性的实验室谱线位置定标方法, 给出了定标结果及对比分析. 原理修正方法从干涉型成像光谱仪的参数选择着手, 分析了产生谱线位置漂移的原因, 针对复原谱线位置随行变化的问题, 给出了修正方案, 使得谱线位置精度明显提高; 对于给定的四组激光器标准波长, 谱线位置均方根误差由定标前的28.3914下降至5.5371, 该方法对干涉型成像光谱仪具有普适性, 且其定标参数对分析仪器指标提供了便利. 数据处理方法弥补了原理修正定标存在的数据量大、短波定标效果弱等弊端, 谱线位置均方根误差下降至0.9178, 该方法实施简单, 对不同的输入波长, 所取不同行的数据用统一的表达式进行修正. 该方法化繁为简、间接定标的思想具有一定的借鉴价值. 该研究为偏振型干涉成像光谱仪的设计、研制、调试和工程化提供了重要的理论依据和实践指导.
2016, 65 (8): 080602.
doi:10.7498/aps.65.080602
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本文基于飞秒激光模间拍频法实现多波长相位式绝对距离测量, 通过改变光频梳重复频率合成波长扩大测距量程, 并采用监测臂和双快门切换系统补偿和消除由电路产生的相位差单向漂移和大幅抖动. 实验中以20倍重复频率的拍频进行测量, 在30 min内相位测量的标准偏差为0.022; 与双频激光干涉仪比对1125 mm行程内位移测量结果, 测距精度优于50 m; 实验验证了合成波长方法扩大量程方案的可行性, 获得的测距重复性优于3 m, 该系统理论上可扩展量程至7.5 km.
2016, 65 (8): 080603.
doi:10.7498/aps.65.080603
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如何实现高精度的测量是现代制造业及微电子技术领域的热点问题之一. 基于微纳米测头的三坐标测量机是当前实现高精度测量的重要手段. 随着测量尺寸的减小, 常用的纳米/微纳尺度的测头与待测表面之间形成静态接触, 其表面相互作用成为了影响其测量精度和可靠性的关键因素之一. 本文基于一种触发式振动测头, 研究了其动力学模型, 并通过对测头纳米尺度表面相互作用的理论分析及数值模拟, 确立了测头振动参数与表面相互作用之间的关联. 实验研究表明, 参数优化后的谐振微纳测头能有效抑制表面作用带来的干扰, 提高测量精度.
2016, 65 (8): 080701.
doi:10.7498/aps.65.080701
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传统的液栅型石墨烯场效应管虽然灵敏度高, 但是石墨烯沟道极易被污染, 致使器件的稳定性减小, 不能被重复利用. 为此, 我们设计制造了一种顶栅石墨烯离子敏场效应管, 以化学气相沉积生长的石墨烯为沟道, 通过原子层沉积在石墨烯表面沉积绝缘层HfO2/Al2O3, 其中Al2O3作为敏感膜, HfO2/Al2O3作为石墨烯及电极的保护膜. 经过一系列的电学表征和测试发现, 相较于液栅型石墨烯场效应管, 顶栅石墨烯场效应管具有更高的信噪比、更好的稳定性. 为了利用顶栅石墨烯进行生物分子的检测, 我们将单链DNA修饰在Al2O3表面, 成功检测到了修饰DNA前后的信号差异, 并结合荧光修饰的表征验证了顶栅石墨烯场效应管用于生物传感器的可行性.
2016, 65 (8): 080702.
doi:10.7498/aps.65.080702
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本文提出了一种金属栅-开口环/硅环-金属栅结构的透射式超表面偏振控制器, 研究了入射角度和抽运光对该器件传输及偏振态控制性能的影响. 研究结果表明, 当线偏振太赫兹波垂直入射时, 可对0.39-1.11 THz频段的太赫兹波实现偏振方向90旋转, 偏振旋转效率为99%, 损耗为1 dB. 对于斜入射的情况, 偏振转换性能在0-60范围内基本保持不变, 且透过率达到90%以上. 同时, 通过调控抽运光强度的方式, 该器件能够实现对透射与反射太赫兹光束的强度调制, 调制深度均达到90%, 且可以实现太赫兹波偏振分束功能. 该器件可以作为未来太赫兹空间光通信和信息处理的宽带、角度不敏感、可调谐的偏振转换器和分束器.
2016, 65 (8): 080703.
doi:10.7498/aps.65.080703
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本文基于孔径分割、视场分割与通道光谱技术, 提出一种成像光谱偏振技术的新方案. 本方案在单一面阵探测器上同时获取经过不同强度调制的两对正反相干涉图, 四幅干涉图相加获取强度加倍的目标图像, 正反相干涉图相减获取纯干涉条纹, 纯干涉条纹相加减获取强度加倍的单通道干涉条纹, 对单通道干涉条纹进行傅里叶变换获取目标的光谱与偏振信息. 文中描述了方案的原理结构, 推导出了干涉强度的表达式, 并利用计算机仿真验证了方案的可行性. 为新型成像光谱偏振仪的设计和工程化应用提供了一种新思路.
原子和分子物理学
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2016, 65 (8): 083201.
doi:10.7498/aps.65.083201
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本文利用密度矩阵理论和Racah代数推导出了光电子角分布的一般计算公式, 并在多组态Dirac-Fock方法基础上发展了计算原子光电离过程中产生的光电子角分布的相对论程序, 利用该程序对氖原子2s和2p光电子角分布的偶极和非偶极参数进行了具体计算, 所得结果与已有文献具有很好的一致性. 在此基础上, 本文讨论了光子与电子相互作用多级展开中的非偶极项以及入射光的极化性质对光电子角分布的影响.
2016, 65 (8): 083202.
doi:10.7498/aps.65.083202
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本文利用强场近似理论研究了氢负离子在少周期激光场中的解离过程. 在计算中采用了数值积分和鞍点近似两种计算方法并得到了一致的结果. 更为重要的是, 利用鞍点法对激光脉冲中不同时刻解离产生的电子波包之间的干涉效应进行了研究, 发现光电子动量谱的主要结构是电子波包间的周期间干涉和周期内干涉共同作用的结果, 并分析了周期内和周期间干涉效应对光电子能量谱的影响. 最后, 讨论了激光脉宽对周期内和周期间干涉效应的影响. 本文的工作对进一步了解负离子光解离过程中的量子干涉效应和利用光场对其进行调控方面的研究具有意义.
2016, 65 (8): 083301.
doi:10.7498/aps.65.083301
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本文利用三维经典系综模型研究了低强度周期量级脉冲驱动排列分子的非次序双电离. 结果表明, 电子对的关联特性强烈地依赖于分子的排列方向和激光脉冲的载波包络相位; 垂直分子反关联电子对的比例总是高于平行分子反关联电子对的比例; 当载波包络相位从0到 逐渐增加时, 反关联电子对的数目先增加再减少; 对于平行分子, 电子对的释放总是以正关联为主; 而垂直分子的主导关联模式则依赖于激光脉冲的载波包络相位, 当载波包络相位为0.3-0.7之间时, 电子对以反关联释放为主, 其他相位下以正关联为主. 本文利用分子势能曲线和电子返回能量很好地解释了电子关联特性对分子排列方向和载波包络相位的依赖关系.
2016, 65 (8): 083701.
doi:10.7498/aps.65.083701
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三维拉曼边带冷却后的铯原子样品装载于一个磁悬浮的大体积交叉光学偶极阱中, 继续加载一个小体积的光学偶极阱后, 实现了Dimple光学偶极阱对铯原子的高效装载. 对不同磁场下磁悬浮大体积光阱的有效装载势能进行理论分析与实验测量, 得出最优化的梯度磁场和均匀偏置磁场, 获得了基于磁悬浮大体积光阱的Dimple光学偶极阱的装载势能曲线, 实现了Dimple光学偶极阱对经拉曼边带冷却后俘获在磁悬浮的大体积光阱中的铯原子样品的有效装载. 比较了Dimple光学偶极阱分别从拉曼边带冷却、大体积的交叉光阱和消除反俘获势后的磁悬浮大体积光阱装载的结果, 将俘获在磁悬浮大体积光阱中的铯原子样品装载到Dimple光学偶极阱, 铯原子样品的密度提高了约15倍.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2016, 65 (8): 084201.
doi:10.7498/aps.65.084201
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浑浊介质中图像对比度的物理增强方法一直是研究热点, 目前学者们提出的距离选通成像、偏振差分成像和偏振距离选通成像均能提高图像的对比度, 但提高效果与成像距离的关系尚不明确. 本文分别利用以上三种成像方式及普通强度成像对处于不同浓度浑浊介质中的目标进行成像, 研究了图像强度和对比度随成像距离的变化情况. 结果表明: 从滤除的散射光强来看, 偏振距离选通成像最优, 而偏振差分成像在成像距离较远时优于距离选通成像; 三种成像方式滤除的散射光强值趋于稳定的阈值距离各不相同; 对比度改变相同量时, 偏振距离选通成像对应成像距离的变化量最大, 偏振差分成像次之, 强度成像最小, 且均与散射系数成反比. 本文对浑浊介质成像效果及机理的分析, 对进一步提高浑浊介质中目标的分辨及识别具有重要意义.
2016, 65 (8): 084202.
doi:10.7498/aps.65.084202
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冻干法处理过的药品瓶中残存的水汽(H2O)是药品变质的主要影响因素之一, 如何快速准确地测量瓶中的水汽浓度及压力, 是检测药瓶是否泄漏的关键. 本文报道了利用1.39 m半导体激光器作为光源, 结合波长调制吸收光谱技术, 实现了对密闭玻璃容器(药瓶)中水汽浓度及压力的探测, 并通过转台模拟生产线对系统在动态条件下的性能进行了测试. 研究结果表明, 在0.2%-12%的H2O浓度范围内真实值与测量值之间的相关度和标准偏差为0.9978 和4.81%, 在0.1-100 atm (1 atm=1.01325105 Pa)的压力范围内两者之间的相关度和标准偏差为0.982和5.6%, 系统对应的压力及浓度的最低检测限约为2.5 Torr (1 Torr=1.33102 Pa)和400 ppm. 通过利用转台以及Labview编写的快速在线处理软件进行了动态条件下的测试, 一分钟可以处理300个左右的药瓶, 可以很好地满足快速实时探测的要求. 该方案可以直接应用于药瓶在线检测, 并且使用2台激光器可以实现多组分同时探测分析(如H2O、氧气等).
2016, 65 (8): 084203.
doi:10.7498/aps.65.084203
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以不同滤波器带宽下获得的全正色散光纤激光器耗散孤子作为啁啾脉冲放大(CPA)系统的种子脉冲, 研究了光栅对和光纤展宽器CPA系统输出脉冲的可压缩性. 结果表明, 对于大能量耗散孤子种子脉冲, 当CPA系统采用正色散光纤展宽器时, 光纤群速色散与自相位调制之间的相互作用不仅可抑制耗散孤子脉冲光谱调制的影响, 还可使脉冲在光纤展宽器中自相似演化, 从而可提高CPA输出脉冲的可压缩性. 通过优化光纤展宽器长度, 对于耗散孤子种子源, 采用光纤展宽器的CPA系统输出脉冲可压缩性与主脉冲所占脉冲总能量之比均优于采用光栅对展宽器时的情况.
2016, 65 (8): 084204.
doi:10.7498/aps.65.084204
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卫星遥感技术已成为城市污染气体SO2监测和全球火山活动监测及预警的重要手段. 目前新的PCA (principal component analysis)算法有效减小了反演数据噪声, 并替代之前业务算法BRD (band residual difference)用于边界层SO2柱总量产品的反演. 然而, 目前对PCA算法反演产品精度的评价和验证研究较少, 缺少与BRD算法产品进行长时间序列的比较以评估算法适用性, 尤其在中国大气污染重点城市区域. 本文利用地基多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS)观测及多尺度空气质量模式系统(RAMS-CMAQ)大气化学模式模拟等数据, 评估PCA和BRD 反演算法的精度及误差. 另外, 选取洁净海洋地区、中国大气污染重点城市区域和高浓度火山喷发三种情况, 比较分析PCA 与BRD SO2 总量的时空格局变化差异及对不同SO2总量下的适用性, 并对两种算法反演不确定性进行分析讨论. 结果表明, 在中国京津冀、珠江三角洲和长江三角洲区域, PCA SO2总量反演值低于BRD, BRD反演结果更接近于地基的MAX-DOAS观测值, 冬季BRD和PCA SO2总量值低于RAMS-CMAQ 模拟结果, 夏季7月和8月BRD SO2总量值高于RAMS-CMAQ 模拟结果. 在SO2总量接近于0 值的洁净海洋地区, PCA 算法产品噪声水平低于BRD算法, 但PCA 反演结果整体偏差大于BRD算法. 在高浓度火山喷发情况下, 当SO2总量大于25 DU时BRD SO2总量反演值低于PCA, 且随着SO2 总量增大, 两种算法反演值差异亦增大. 该研究对于OMI (Ozone Monitering Instrument) SO2产品的应用具有重要的参考价值, 通过分析不同反演算法的差异及对其不确定性追因, 对于算法改进研究也具有重要的科学意义.
2016, 65 (8): 084205.
doi:10.7498/aps.65.084205
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采用水热法成功制备了Er3+/Yb3+共掺杂的NaYF4和LiYF4微米晶体. 通过X射线衍射仪和环境扫描电子显微镜对样品的晶体结构及形貌进行表征. 实验结果表明: 六方相NaYF4微米晶体为棒状结构, 而四方相LiYF4微米晶体则为八面体结构. 在近红外光980 nm激发下, NaYF4:Yb3+/Er3+和LiYF4:Yb3+/Er3+ 微米晶体均展现出很强上转换荧光发射. 且NaYF4:Yb3+/Er3+微米晶体的荧光发射强度大约是LiYF4:Yb3+/Er3+微米晶体的2倍, 但红绿比明显较低. 根据荧光光谱, 并借助激光光谱学及发光动力学深入探讨基质变化及表面修饰剂乙二胺四乙二酸(EDTA)对荧光特性的影响. 实验结果发现: 影响荧光强度的主要因素是基质环境的局域对称性, 而导致不同红绿比则是由于样品表面较多的EDTA分子所引起. Er3+掺杂的NaYF4和LiYF4 微米晶体呈现出很强的绿光发射可被应用于全色显示, 荧光粉和微光电子器件中.
2016, 65 (8): 084206.
doi:10.7498/aps.65.084206
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本文根据统计理论分析了激光线宽对外差探测结果的影响, 并讨论了激光线宽对杨氏干涉条纹对比度的影响. 本文基于解析结果做了数值仿真, 所得结果表明激光线宽增加时, 外差探测方式仍可以检测到中频信号, 但在线宽较大时, 受噪声影响无法准确地提取到中频频率. 为验证理论分析结果, 使用线宽为1 MHz的激光光源进行了8.1 km外场实验, 实验结果与数值分析结论一致, 即不会因为线宽增加而无法检测到中频信号. 文中所得结论对于外差探测光源的选择有重要指导意义, 因此根据测量目标的特性和测量要求, 可按照文中结论评估光源的线宽指标.
2016, 65 (8): 084207.
doi:10.7498/aps.65.084207
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目前, 光无线通信的质量主要受到大气信道环境的制约, 大气信道中混沌介质与湍流的强烈扰动使得通信质量很差, 甚至通信中断. 提出了一种面到点的光无线通信机理: 利用面阵各单元的光信号在混沌介质中传输通道的空间非相干性, 通过桶探测器收集通过混沌介质的光信号的能量和, 平均各传输通道的交叉干扰, 降低混沌介质对光无线通信的影响; 利用随机噪声与随机编码的空间非相干性, 经过二阶相关运算, 构建新的信号传输方程, 减弱大气湍流及背景光对信号解码的干扰, 使得接收端并不需要窄带光学滤波器. 数值仿真和演示实验表明, 该光无线通信机理在混沌与湍流大气中的误码率为10-4-10-2, 能够实现复杂大气环境中的光通信, 在军事、抢险救援等方面具有重要应用价值.
2016, 65 (8): 084208.
doi:10.7498/aps.65.084208
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基于对离轴反射变焦距光学系统进行计算机辅助装调研究, 需要检测离轴反射变焦距系统各个视场的波像差, 除零度视场外, 获得包括其他视场的波像差有助于提高计算机辅助装调的准确性, 但是目前已有的波像差检测方法往往只能获得系统零度视场的波像差. 本文针对这个难题提出了一种检测离轴反射变焦距光学系统各个视场波像差的方法, 并应用于离轴三反变焦距光学系统的各视场波像差仿真检测. 该方法在传统自准直干涉法的基础上进行改进, 关键在于采用变形镜代替扫描的平面镜, 并采用夏克-哈特曼波前传感器代替干涉仪, 配合精确标定的激光器光源阵列, 可以实现对离轴三反变焦距光学系统的多视场波像差同时检测. 由理论分析和仿真模拟得出, 该系统在视场(0, 3), (0, 4.2), (0, 5.5), (0, 7), (0, 9.8), (0, 14)处经过变形镜补偿后的剩余波像差的RMS值分别为0.00039, 0.00075, 0.0024, 0.00017, 0.00053, 0.0057, 分析仿真结果表明此检测方案是可行的, 且适用于离轴反射变焦距系统的计算机辅助装调技术的研究.
2016, 65 (8): 084209.
doi:10.7498/aps.65.084209
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本文结合分子动力学方法和动力学蒙特卡罗方法, 研究了单个粒子入射硅引起的位移损伤缺陷的产生和演化过程; 基于Shockley-Read-Hall理论计算了单个粒子入射引起的位移损伤缺陷导致的泄漏电流增加及其演化过程, 比较了缺陷退火因子与泄漏电流退火因子之间的差异, 并将计算结果与实验值进行了对比. 结果表明, 计算泄漏电流时, 仅考虑一种缺陷的情况下缺陷退火因子与泄漏电流退火因子相同, 考虑两种缺陷类型情况下二者在数值上有所区别, 但缺陷退火因子仍能在一定程度上反映泄漏电流的退火行为. 分子动力学模拟中采用Stillinger-Weber势函数和Tersoff势函数时缺陷退火因子和泄漏电流退火因子与实验结果一致, 基于Stillinger-Weber势函数的计算结果与实验值更为接近.
2016, 65 (8): 084501.
doi:10.7498/aps.65.084501
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本文研究了基础激励下含分数阶阻尼的线性系统的响应特性. 当基础激励为简谐激励时, 通过待定系数方法求得系统的动力传递系数; 当基础激励为非简谐周期激励时, 首先将激励展开成傅里叶级数, 然后根据线性系统的叠加原理求得激励中各阶频率成分所引起的动力传递系数, 并根据展开的傅里叶级数解决了数值运算中的不可导问题. 用数值仿真的方法对解析结果进行了验证, 两者符合良好, 证明了解析分析的正确性. 研究表明, 基础激励引起的动力传递系数依赖于分数阶阻尼阶数的值, 通过调节阻尼阶数可以控制动力传递系数的大小. 对于基础激励为非简谐的周期激励情况, 当激励频率一定时, 激励中的高阶频率成分引起的动力传递系数可能大于激励中的低阶频率成分引起的动力传递系数. 因此, 激励中的高阶频率成分所起的作用是不可忽略的.
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2016, 65 (8): 084502.
doi:10.7498/aps.65.084502
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本文发现在测量误差内颗粒物质的下列三个临界角度相等: 1)从直径为D的倾斜孔洞流出的Beverloo颗粒流的流量开始停止的临界倾角c 向大孔径极限线性外推cc(D) 的补角s= 180-c;2) 从靠近堆顶的点源向光滑底板缓慢下落颗粒形成的圆锥形堆的休止角r; 3) 直接剪切矩形颗粒固体测得的库仑内摩擦角. 该结果倾向支持倾斜孔洞和颗粒堆自由表面的固-液转变与颗粒固体内部的库仑屈服均来自材料的同一临界性质. 由于三种情况样品的内部应力和变形等都是目前还远不能定量分析的复杂非均匀分布, 我们仅从定性角度对此给出一些讨论.
2016, 65 (8): 084503.
doi:10.7498/aps.65.084503
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在考虑自适应巡航(adaptive cruise control, ACC)车辆的交通流模型的基础上, 建立了考虑ACC车辆影响的上匝道系统混合交通流模型, 研究ACC车辆引入对上匝道交通系统交通流的影响. 为了描述ACC车辆和手动驾驶车辆在交通流运行中的差异, 分别构建了基于常车头时距原则的ACC 车辆跟驰子模型和手动驾驶车辆MCD元胞自动机子模型; 基于上匝道车辆合流驶入主线的需求, 建立了换道子模型, 引入了表征驾驶员换道心理的参数. 通过对混合交通流模型进行数值模拟发现, ACC车辆的混入可以有效改善上匝道系统交通流的运行, 降低合流等事件对于交通流运行的影响, 抑制交通拥堵的时空范围及拥堵强度, 提高交通流的平均速度和流量. 此外在混合交通流模型中, ACC车辆期望车头时距Hd的减小与换道心理参数 的增大均可以提高混合交通流运行的速度和流量, 而合流区长度lw对混合交通流影响则因上匝道车辆驶入概率的不同而存在差异.
2016, 65 (8): 084701.
doi:10.7498/aps.65.084701
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基于高阶的间断有限元方法, 数值模拟低马赫数下并列圆柱的可压缩层流流动, 捕捉并列圆柱流场中的漩涡结构, 以便分析并列圆柱尾流的流动特性. 针对二维圆柱的边界形式, 采用曲边三角形单元构造二维圆柱的曲面边界, 以适应高阶离散格式的精度. 在验证方法合理性的基础上, 分析圆柱间距及雷诺数对漩涡脱落及受力特性的影响规律. 研究结果表明: 并列圆柱的间距是影响流场流动特性的一个主要因素, 它会改变圆柱漩涡脱落的形式. 随着圆柱间距的增加, 上下圆柱的平均阻力系数及平均升力系数的绝对值随之显著下降. 雷诺数对于平均阻力系数的影响相对较小. 但随着雷诺数的增加, 上下圆柱的平均升力系数会随之降低, 而漩涡的脱落频率会随之增大.
2016, 65 (8): 084702.
doi:10.7498/aps.65.084702
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本文采用格子Boltzmann方法对液滴撞击液膜过程进行了研究, 主要考察了雷诺数(Re)、韦伯数(We)、相对液膜厚度 (h) 以及表面张力 () 等物理参数对界面运动过程的影响. 首先, 随着Re数和We数的增加, 可以明显观察到液滴撞击液膜过程中形成的皇冠状水花以及卷吸现象; 当Re数较大时, 液体会发生飞溅, 由液体飞溅形成的小液滴则会继续下落, 并与液膜再次发生碰撞. 其次, 当相对液膜厚度较小时, 液滴撞击液膜并最终导致液膜断裂; 然而随着相对液膜厚度的增大, 尽管撞击过程溅起的液体会越来越多, 但是液膜并不会发生断裂. 再次, 随着表面张力的增大, 界面变形阻力增大, 撞击过程中产生的界面形变也逐渐减弱. 最后还发现皇冠(由液滴溅起形成)半径r 随时间满足r/(2R) Ut/(2R), 这一结果与已有结论是一致的.
2016, 65 (8): 084703.
doi:10.7498/aps.65.084703
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喷射颗粒与气体混合是内爆压缩领域的热点和难点. 针对喷射混合中的气粒双向耦合问题, 开展了理论建模、离散算法以及颗粒反馈对激波流场的影响研究. 建立了拉格朗日计算框架下的数学模型; 给出了耦合源项的离散算法; 开展了平面及汇聚构型条件下, 气粒双向耦合的数值模拟研究; 发现了颗粒反馈导致气体激波提速现象以及气区流场物理量分布形态的改变, 初步获得了量化分析结果. 本文建立的数学模型、计算方法和获得的新的物理认识, 为深入理解喷射混合现象、解决相关工程应用问题提供了重要理论支撑.
2016, 65 (8): 084704.
doi:10.7498/aps.65.084704
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柔性纳米通道是在刚性纳米通道壁面处添加一层带某种电荷的聚电解质层或固定电荷层的纳米通道. 本文在低Zeta势近似下, 通过解析求解电势满足的线性化Poisson-Boltzmann方程和速度满足的Cauchy动量方程, 给出了圆柱形柔性纳米通道中电解质溶液的流向势和电动能量转换效率的解析解. 在表面Zeta势取值相同, 且管径相同(聚电解质层厚度远小于管径前提下)的情形下, 将圆柱形柔性纳米通道和刚性纳米通道中电解质溶液的流向势和电动转换效率进行了比较. 结果表明, 柔性纳米通道中的流向势和转换效率明显高于刚性通道中的流向势和转换效率. 在本文选取的参数范围内, 柔性纳米通道中的电动转换效率比刚性纳米通道中的转换效率提高1.5-3倍.
气体、等离子体和放电物理
2016, 65 (8): 085201.
doi:10.7498/aps.65.085201
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提出一种通过诊断等离子体反冲动量来计算激光加载产生冲击压强的方法. 当强激光辐照固体靶表面时, 所产生的高速喷射的等离子体对靶具有反冲作用, 通过诊断等离子体反冲动量的变化可以计算激光辐照固体靶产生的冲击压强变化. 本文利用辐射流体力学软件研究了这种诊断方法, 模拟采用的激光功率密度为51012-51013 W/cm2, 激光脉宽选取纳秒量级. 模拟结果表明该方法是有效且可行的.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2016, 65 (8): 086101.
doi:10.7498/aps.65.086101
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W/Si多层膜反射镜在硬X射线天文望远镜中有重要应用. 为减小其应力对反射镜面形和望远镜分辨率的影响, 同时保证较高的反射率, 采用150, 175和200 ℃ 的低温退火工艺对采用磁控溅射镀制的W/Si周期多层膜进行后处理. 利用掠入射X射线反射测试和样品表面面形测试对退火前后W/Si多层膜的应力和结构进行表征. 结果表明, 在150 ℃ 退火3 h 后, 多层膜1级峰反射率和膜层结构几乎没有发生变化, 应力减少约27%; 在175 ℃ 退火3 h后, 多层膜膜层结构开始发生变化, 应力减少约50%; 在200 ℃退火3 h 后, 多层膜应力减小超过60%, 但1级布拉格峰反射率相对下降17%, 且膜层结构发生了较大变化. W, Si界面层的增大和相互扩散加剧是应力和反射率下降的主要原因.
2016, 65 (8): 086301.
doi:10.7498/aps.65.086301
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采用非平衡格林函数方法, 在保持总的能量输出通道中石墨链数不变的条件下, 研究并比较了并列的石墨纳米带通道中弹性声学声子输运和热导特性. 结果表明, 能量输出通道的增加能降低每个能量输出通道的热导; 与能量输入热库最近的能量输出通道热导最大, 最远的能量输出通道热导最小; 中间能量输出通道的热导性质与并列的各输出通道的结构参数密切相关, 最近和最远的能量输出通道的热导性质仅与各自能量输出通道的结构参数有关; 粗糙边缘结构能有效调节各通道的热导; 总的热导性质与能量输出通道石墨链数、能量输出通道数以及边缘结构粗糙程度密切相关.
2016, 65 (8): 086801.
doi:10.7498/aps.65.086801
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由于润湿性不佳, 难以实现金属钎料对陶瓷的无过渡层直接钎焊, 本文在研究了溅射Al薄膜对AlN的润湿作用的基础上, 通过磁控溅射的方法在AlN表面沉积Al基薄膜作为钎料, 在真空条件下对AlN陶瓷进行了直接钎焊. 采用高景深光学显微镜、扫描电子显微镜和X射线能量分散谱表征了钎焊接头和剪切断口的组织及形貌. 结果表明, 高能量溅射Al粒子对AlN的撞击可以形成只有850 ℃以上高温才可获得的Al-N化学键, 实现Al对AlN的润湿, 使Al基薄膜钎料能够在较低的温度( 510 ℃)对AlN直接钎焊. 此方法获得的Al/AlN接头的剪切强度达到104 MPa, 含3.8 at.% Cu的Al合金钎料接头强度可进一步提高到165 MPa, 它们的剪切断裂都产生于钎缝金属之中; 增加钎料中的Cu含量至9.1 at.%后, Cu在钎缝与陶瓷界面的偏聚使接头的剪切强度降低为95 MPa. Al-20 at.% Ge合金可以将钎焊温度降低至510 ℃, 但Ge在钎缝与陶瓷界面的偏聚使接头在48 MPa发生断裂.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2016, 65 (8): 087101.
doi:10.7498/aps.65.087101
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基于金刚石的稳定结构, 在实验研究的基础上, 本文采用基于周期性密度泛函理论计算了B/N单掺杂、共掺杂金刚石的晶体结构, 并就掺杂方式和掺杂后形成能进行了对比研究, 得到了B/N双掺杂的最稳定结构. 在此基础上, 进一步计算了N单掺杂及B/N共掺杂最稳定结构的吸收光谱、电子结构和态密度. 通过与实验结果对比可以看出, 较N单掺杂, B/N共掺杂的吸收光谱发生明显红移, 与实验符合较好. 计算结果表明: N原子单掺杂优先于B原子; 由于原子间的协同作用, B/N近邻共掺杂体系的形成能最低, 为掺杂的最可能结构.
2016, 65 (8): 087102.
doi:10.7498/aps.65.087102
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沿半Heusler结构CoTiSb合金的[001]晶体学方向, 利用Ni元素连续替换一条原子链上的Ti, Sb原子, 在半导体性CoTiSb基体中设计了一系列均匀分布的Ni基单原子链阵列. 采用第一性原理方法, 研究了Ni基单原子链的电子结构和磁性质, 发现Ni-Sb单原子链具有高度自旋极化率和空穴导电特性, Ni-Ti及Ni-Ni单原子链具有100%的自旋极化率, 并且在CoTiSb基体中形成了以这种Ni基单原子链为中心的、尺寸非常小的单自旋纳米柱通道.
2016, 65 (8): 087301.
doi:10.7498/aps.65.087301
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本文基于含时密度泛函理论, 研究了不同频率光脉冲场作用下一维钠原子链中电子的输运与等离激元共振之间的耦合规律. 在等离激元共振点附近约0.8 eV频率范围内的光脉冲场, 都可以激发体系的等离激元共振. 这些不同频率外场激发的等离激元共振强度大小在一个数量级. 外场频率越接近等离激元共振频率, 外场激起的等离激元振动的振幅越大. 对于线性原子链等离激元的非线性激发现象, 本文用经典谐振子模型给出了定性解释.
2016, 65 (8): 087302.
doi:10.7498/aps.65.087302
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通过固相烧结和高能球磨后热处理两种方法分别得到不具晶(相)界和具有明显晶(相)界的两种Nd0.7Sr0.3MnO3陶瓷样品, 并用两线法和四线法分别对这两种样品的电极-块体接触界面和晶(相)界界面的I-V和电脉冲诱导电阻转变效应(EPIR)进行研究. 结果发现, 在两线法测试下, 电极-块体界面具有回滞的非线性I-V特征, 并能产生稳定的EPIR效应, EPIR的稳定性随温度的升高逐渐减弱并消失; 而对具有明显晶(相)界的陶瓷样品, 四线法测试结果表明, 虽然其I-V行为也具有非线性和回滞性特点, 但不能产生EPIR 效应. 这些奇特的界面输运行为与界面中的各种缺陷充当陷阱并实现对载流子的捕捉和释放过程密切相关. 而大量的晶(相)界界面及其复杂的连接方式导致较大的漏导则是晶(相)界不能出现EPIR效应的主要原因.
2016, 65 (8): 087801.
doi:10.7498/aps.65.087801
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本文利用自准直法在473, 532, 632.8和1064 nm的激光波长上精确地测量出GdTaO4晶体的折射率, 得到了Sellmeier方程, 并计算了在632 nm处光轴与折射率主轴nz的夹角为21.75, 进而得知GdTaO4晶体是正光性双轴晶体.
2016, 65 (8): 087802.
doi:10.7498/aps.65.087802
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本文分别采用磁控溅射技术与基于密度泛函理论的平面波赝势方法两种方式, 对高价态差元素V掺杂ZnO薄膜进行研究. 实验研究结果表明: V的掺入并未改变ZnO的生长方式, 所制备的薄膜都呈(002)择优生长; 随着衬底温度增加, VZO薄膜的结晶质量逐步改善, 当衬底温度超过280 ℃时薄膜的结晶质量恶化; 在280 ℃时获得的VZO薄膜电阻率最低3.810-3 m, 500-2000 nm平均透过率高于85%. 理论模拟结果表明: V以替位形式掺入ZnO六角纤锌矿晶格结构中, 费米能级进入导带, 材料表现出n 型半导体的特性, 导电电子主要由V 3d及O 2p电子轨道提供. 理论计算结果与实验结果的一致性, 表明VZO薄膜具有作为高效Si基薄膜太阳电池透明导电薄膜的应用潜力.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2016, 65 (8): 088101.
doi:10.7498/aps.65.088101
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VO2表面氧缺陷的存在对VO2材料具有显著的电子掺杂效应, 极大地影响材料的本征电子结构和相变性质. 通过2, 3, 5, 6-四氟-7, 7', 8, 8'-四氰二甲基对苯醌(F4TCNQ)分子表面吸附反应, 可以有效消除表面氧缺陷及其电子掺杂效应. 利用同步辐射光电子能谱和X射线吸收谱原位研究了修复过程中电子结构的变化以及界面的化学反应, 发现这种方式使得VO2薄膜样品氩刻后得到的V3+失去电子成功地被氧化成原先的V4+, 同时F4TCNQ分子吸附引起电子由衬底向分子层转移, 界面形成带负电荷的分子离子物种. 受电化学性质的制约, F4TCNQ分子吸附反应修复氧缺陷较氧气氛退火更安全有效, 不会引起表面过度氧化形成V2O5.
2016, 65 (8): 088401.
doi:10.7498/aps.65.088401
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为改善高阶容积卡尔曼滤波算法的滤波精度和鲁棒性, 提出了一种新的基于Huber的高阶容积卡尔曼滤波算法. 在采用统计线性回归模型近似非线性量测模型的基础上, 利用Huber M 估计算法实现状态的量测更新. 进一步结合高阶球面-径向容积准则的状态预测模块构成基于 Huber的高阶容积卡尔曼跟踪算法. 重点分析了Huber代价函数的调节因子对算法跟踪性能的影响. 通过对纯方位目标跟踪和再入飞行器跟踪两个实例验证了所提算法的跟踪性能优于传统高阶容积卡尔曼滤波算法.
编辑推荐
2016, 65 (8): 088501.
doi:10.7498/aps.65.088501
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研究了等离子体刻蚀AlN缓冲层对硅衬底N极性n-GaN表面粗化行为的影响. 实验结果表明, 表面AlN缓冲层的状态对N极性n-GaN的粗化行为影响很大, 采用等离子体刻蚀去除一部分表面AlN缓冲层即可以有效提高N极性n-GaN在KOH溶液中的粗化效果, AlN缓冲层未经任何刻蚀处理的样品粗化速度过慢, 被刻蚀完全去除AlN缓冲层的样品容易出现粗化过头的现象. 经X射线光电子能谱分析可知, 等离子体刻蚀能够提高样品表面AlN缓冲层Al 2p的电子结合能, 使得样品表面费米能级向导带底靠近, 原子含量测试表明样品表面产生了大量的N空位, N空位提供电子, 使得材料表面费米能级升高, 这降低了KOH溶液和样品表面之间的肖特基势垒, 从而有利于表面粗化的进行. 通过等离子体刻蚀掉表面部分AlN缓冲层, 改善了N极性n-GaN在KOH溶液中的粗化效果, 明显提升了对应发光二级管器件的出光功率.
2016, 65 (8): 088901.
doi:10.7498/aps.65.088901
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分析了快递超网络和电子元件超网络的相继故障扩散方式, 结合超图理论提出了2-section 图分析法和线图分析法, 并仿真分析了无标度超网络耦合映像格子的相继故障进程. 结果表明: 无标度超网络对外部攻击表现出了既鲁棒又脆弱的特性. 针对相继故障的不同扩散方式, 无标度超网络的相继故障行为表现出不同的特点. 超网络的相继故障行为和超网络的超度以及超边度分布有密切的联系, 也和超网络中超边的个数有关. 通过和同规模的Barabasi-Albert (BA)无标度网络对比, 在同一种攻击方式下同规模的无标度超网络都比BA 无标度网络表现出了更强的鲁棒性. 另外, 基于超边扩散的相继故障进程比基于节点扩散的相继故障进程更加缓慢.
地球物理学、天文学和天体物理学
2016, 65 (8): 089201.
doi:10.7498/aps.65.089201
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多孔材料内含盐水溶液中离子的析出结晶是造成多孔结构破坏的重要因素, 因此在建筑保护和地貌学研究中受到了极大关注. 现有研究主要集中于微孔介质中盐的孔内结晶行为. 本文对比研究了限制于纳孔硅胶颗粒孔隙内的NaCl, NaNO3, Na2SO4三种盐溶液在蒸发过程中盐的孔外结晶行为. 利用扫描电子显微镜对所形成晶体的形貌进行了表征. 实验结果表明: 1) 随孔径从2 nm增加至15 nm, NaCl和NaNO3在硅胶颗粒表面的结晶由晶粒转变为晶须形态, 而Na2SO4则由晶须转变为晶粒形态; 2) NaCl和NaNO3晶须的生长主要沿垂直于颗粒表面的方向, 而Na2SO4晶须则在硅胶颗粒表面斜向生长, 后一种生长方式对硅胶颗粒产生横向的应力, 从而对孔结构具有更强的破坏作用; 3) NaNO3的细长晶须所具有的分支和珠链结构表明其在结晶过程中发生了Plateau-Rayleigh失稳.