Vol. 66, No. 5 (2017)
2017年03月05日
总论
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2017, 66 (5): 050501.
doi:10.7498/aps.66.050501
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提出了一种基于混沌激光的在线实时产生高速物理随机数的方法，通过对连续的混沌激光进行光采样得到离散的混沌激光脉冲序列，利用差分比较器对混沌脉冲序列进行自延迟比较，在线实时输出高速物理随机数.并以光反馈半导体激光器这一典型混沌激光产生装置作为物理熵源，对所提方法进行了原理性实验论证，实现了实时速率为7 Gbit/s的物理随机数在线产生，可成功通过随机数行业测试标准（NIST SP 800-22）.
2017, 66 (5): 050201.
doi:10.7498/aps.66.050201
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本文基于有向加权网络模型，构建了三个影响力矩阵，并利用层次分析法对其赋权求和，形成多重影响力矩阵，从而提出了一种基于该矩阵的节点重要性评价方法.该方法通过新定义的交叉强度指标，来表征节点的局部重要性；利用全网节点对待评估节点的重要性影响总值，来表征节点在全网中的相对重要性.在分析影响节点对待评估节点的影响比例时，既考虑到节点间的距离因素，又引入了最短路径条数因素；既考虑了该影响节点对网络中其他节点的影响关系，又考虑了网络中其他节点对该待评估节点的影响关系，使得评价方法更加全面.将算法运用于ARPA网络，结果表明，该方法能有效地区分各节点之间的差异.最后，对实验结果进行连锁故障的仿真对比实验，进一步验证了方法的有效性.
2017, 66 (5): 050301.
doi:10.7498/aps.66.050301
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针对粗糙海面与其上方多目标复合的情形，常用算法存在计算量过大、计算时间太长等缺点，本文采用基尔霍夫近似法与矩量法结合的混合算法可以大大简化计算量、节省时间.本文首先通过蒙特卡罗的方法模拟一维PM粗糙海面，并与粗糙海面上方多目标建立复合模型；然后对矩量法结合基尔霍夫近似法的混合算法做了详细的公式推导，得到了复合散射系数，并且分析了不同入射角、目标高度、目标间距、目标尺寸、风速等参数对复合电磁散射特性的影响.实验结果表明，针对粗糙海面与其上方多目标复合的情形，采用矩量法结合基尔霍夫近似法的混合算法不但可以保证准确性，而且可以大幅度减少计算所用时间（混合算法用时占矩量法的19%），对大尺寸粗糙面和复杂的复合模型优势尤为明显.
2017, 66 (5): 050502.
doi:10.7498/aps.66.050502
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标准粒子滤波容易出现粒子贫化问题，滤波精度不稳定，并且需要大量粒子才能对非线性系统进行准确估计，降低了算法的综合性能.针对该问题，本文提出了一种基于蝙蝠算法的新型粒子滤波算法.该算法用粒子表征蝙蝠个体，模拟蝙蝠群体搜索猎物的过程，粒子群体通过调整频率、响度、脉冲发射率，追随当前最优粒子在解空间中进行搜索，并可以动态控制全局搜索及局部搜索的相互转换，进而提高粒子整体的质量和分布的合理性；此外，改进算法引入Lvy飞行策略，从而避免局部极值的不良吸引.实验表明新型粒子滤波方法提高了粒子多样性和滤波预测精度，同时大大降低了对非线性系统进行状态预测所需的粒子数量.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2017, 66 (5): 054102.
doi:10.7498/aps.66.054102
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太赫兹波长和典型卷云冰晶粒子尺度处于同一量级，是理论上遥感卷云微物理参数（粒子尺度和冰水路径）的最佳波段.结合183，325，462，664，874 GHz通道的辐射传输特性，通过通道亮温差、亮温差斜率等五个参数量化粒子尺度和冰水路径对太赫兹辐射光谱的影响，基于加权最小二乘法建立了多重查找表反演卷云微物理参数的方法，并通过模拟数据序列进行了理论反演误差分析.结果表明：多重查找表反演方法可实现粒子尺度50-500 m和冰水路径10-500 g/m2范围内卷云微物理参数稳定、有效的反演.与只采用亮温差特征或亮温差斜率特征相比，粒子尺度的反演误差分别降低了68.78%和60.28%，冰水路径的反演误差则分别降低了78.17%和49.01%.对反演结果进行不确定度分析表明，粒子尺度和冰水路径的不确定度与粒子尺度和冰水路径的大小相关，冰水路径的不确定度分布在0-15 g/m2范围内，粒子尺度的不确定度分布在0-20 m范围内.研究结果对于进一步发展太赫兹波被动遥感卷云技术、提高卷云参数的反演精度具有重要借鉴意义.
2017, 66 (5): 054201.
doi:10.7498/aps.66.054201
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为了抑制背景噪声，获得高信噪比的纯干涉条纹并实现图像、光谱和全偏振信息的同时测量，提出了一种基于双强度调制的静态傅里叶变换偏振成像光谱技术新方案.系统由前置望远系统、两个相位延迟器构成的偏振光谱调制模块、Wollaston棱镜构成的偏振分束器、Savart偏光镜和线偏振器构成的干涉模块以及CCD面阵探测器组成，可在单一探测器上同时获取两幅经过不同强度调制的全偏振干涉图，通过对两幅全偏振干涉图的简单加减运算，便可获得探测目标清晰的纯图像和高信噪比的纯干涉条纹.对该系统的图像和光谱偏振复原过程进行了理论分析和数值模拟，结果表明该系统可有效分离探测目标的背景图像和干涉图像，实现高精度的光谱复原和全偏振信息的有效提取，具有高稳定性、高光谱、高灵敏度、高信噪比、信息复原精度高及数据处理复杂度低等优点，为偏振干涉成像光谱技术的发展提供了新思路.
2017, 66 (5): 054203.
doi:10.7498/aps.66.054203
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本文提出了一种新的Fresnel波带片编码成像的重建方法.与传统的重建方法相比，这种新方法可以实现更高的空间分辨水平.具体而言，传统意义上来讲，Fresnel波带片编码成像的空间分辨水平取决于编码波带片的最外环宽度.本文提出的重建方法突破了这一限制，可以达到最外环宽度的1/m（m为正整数），从而超越了通常意义上的瑞利极限.
2017, 66 (5): 054207.
doi:10.7498/aps.66.054207
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在可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术中，目标气体分子的吸收光谱参数，尤其是线强对温度、浓度的精确反演测量具有重要作用.HITRAN/GEISA/HITEMP等数据库中的光谱参数包含理论计算的结果，与实际情况存在相当的误差.本文采用TDLAS-波长扫描直接吸收技术测量了室温下氨气在6611-6618 cm-1之间的吸收光谱，利用Voigt线型多峰拟合方法获得了20条谱线在不同压强下的积分吸光度值，将获得的不同压强下的积分吸光度值进行线性拟合计算测量温度下的线强值，同时通过不确定度分析及误差传递计算了实验线强值的不确定度.通过与HITRAN 2012数据库中值进行对比，得出氨气在6611-6618 cm-1波段实验线强值与数据库中值相差0.51%-17.28%，且实验线强值的不确定度在0.81%-3.3%范围，小于HITRAN2012中线强的不确定度5%-10%范围.
2017, 66 (5): 054701.
doi:10.7498/aps.66.054701
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为研究霍尔效应对磁控热防护系统的影响机理，建立并验证了热化学非平衡流场、外加磁场、感应电场的多场耦合数值求解方法.基于均布霍尔系数模型分析了霍尔效应在两种不同磁场强度B0、不同壁面导电条件下对磁控效果的影响.研究表明，不同壁面导电性下霍尔效应的影响规律不同.绝缘壁面条件下，考虑霍尔效应后壁面热流的变化是附面层内洛伦兹力的变化与激波层厚度的减小二者共同作用的结果.B0=0.2 T时洛伦兹力增加附加的流体减速作用占主导，磁控热防护效果优于忽略霍尔效应的情况，并且在霍尔系数为5.0达到最优；而当B0=0.5 T时，激波层变薄对附面层外缘温度的增加占主导，磁控热防护效果变差，并且随霍尔系数的增加壁面热流越来越大.导电壁面条件下，随着霍尔系数的增加，磁控激波以及热防护效果变差，且当 5.0时，磁控热防护系统几乎完全失效.
2017, 66 (5): 054101.
doi:10.7498/aps.66.054101
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极化与电磁波另外的两个特性-振幅和相位，在传递信息时具有同等重要的作用，描述电磁波极化及其演化特征具有重要意义.关于电磁波的极化描述，前人针对不同边界条件和初始状态，发展了不同的参数组，但是这些参数组没有全面考虑电磁波的初相.鉴于此，全面考虑了电磁波的初相问题，对极化椭圆参数组的旋向参数也进行了扩充和完善，重新定义了这些参数组，在此基础上推导出这些参数组的相互变换关系，并借助符号数学数值与仿真计算验证了这些相互变换关系的正确性.结果表明这些全面包含初相的电磁波完全极化参数组是完备的，相互之间具有一一对应的关系.给出的参数组变换关系显著地简化了繁杂的电磁波极化计算过程，为电磁波极化理论和应用设计提供了更加完备、适用的方案，具有理论参考和应用价值.
2017, 66 (5): 054204.
doi:10.7498/aps.66.054204
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基于准玻色方法，解析求解了环境作用下一维耦合腔阵列耦合一个量子化腔场驱动的级联型三能级原子系统中单光子输运的反射率、透射率和相应等效势的表达式，并详细讨论了耗散情况下控制参数对单光子输运的影响.研究结果表明：在实验范围内选择合适的参数时，原子耗散和腔场耗散都能使反射率峰值降低，但原子耗散影响反射率较大，同等参数取值条件下反射率峰值减小更为显著；更为重要的是对于在环境作用下的体系，通过调节原子和腔场之间的失谐以及驱动量子化腔场的光子数仍可使单光子接近达到全反射.
2017, 66 (5): 054205.
doi:10.7498/aps.66.054205
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基于激光二极管侧面抽运棒状放大器的方式，研制了一台应用于空间碎片探测的高重复频率、高光束质量焦耳级的Nd：YAG纳秒激光器.激光器采用主振荡功率放大的结构，主要包括单纵模种子、预放大单元、受激布里渊散射相位共轭光束控制单元和能量提取单元四部分.在能量提取单元，为了减小热效应对光束质量的影响，降低了放大器的工作电流，采用了分束-放大-合束的方案.在重复频率100 Hz，单纵模种子注入单脉冲能量10.73 J的条件下，获得了3.31 J的能量输出.输出激光的脉冲宽度为4.58 ns，远场光束质量为2.12倍衍射极限，能量稳定性（RMS）为0.87%.
2017, 66 (5): 054212.
doi:10.7498/aps.66.054212
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从理论和实验两方面对非均匀关联随机电磁光束的产生进行了研究.在理论上基于相位关联与相干度的联系推导出非均匀关联随机电磁光束的22交叉谱密度矩阵及相干性分布.理论分析表明，这种非均匀关联随机电磁光束中两点间的相干度不仅和两点间距有关，而且和两点的位置有关.在实验上，利用两个相位型液晶空间光调制器对入射的完全相干光的两个偏振分量分别加载随机相位调制，并测量了随机电磁光束的相干度分布.实验结果表明，光束中间距相等的两点之间的相干度随着两点与光斑中心的距离的增加而减小.实验结果与理论结果一致.这种非均匀关联的随机电磁光束在自由空间光通信和激光微操控等领域具有广阔的应用前景.
2017, 66 (5): 054702.
doi:10.7498/aps.66.054702
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通过水洞实验对有水流速度影响的水下超声速气体射流进行实验研究，通过高速摄像系统记录射流形态演变过程，采用动态测力系统测量射流演变过程中射流周围环境压力的脉动特征.对剪切层涡旋结构进行分析，得到水流冲击射流的剪切涡流动形态演化和压力脉动特征.实验结果表明，射流主体形态的非定常运动依赖于水流速度，无水流速度时，射流主体受到重浮力影响向上弯曲较大，并且可以捕捉到射流的振荡诱导喷管口平面处主频为200 Hz的压力脉动，当存在水流速度时，射流主体向下游发展过程中的偏斜程度较小，射流与水流相互作用形成剪切涡，在水流作用下射流主体向下游发展过程中卷入射流剪切层，与射流主体掺混形成较大尺度的涡结构，喷管口平面处主频消失.
2017, 66 (5): 054202.
doi:10.7498/aps.66.054202
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基于光栅干涉仪的X射线成像技术可以同时获得样品内部的吸收信息、相位信息和散射信息，既保持了传统X射线衰减成像的优点，又拥有相衬成像和散射成像的优势.然而基于传统CT重建算法的X射线光栅成像需要采集大量完整的原始投影数据，数据采集时间过长从而使得物体接受很大的辐射剂量，难以在实际中应用.提出基于传统代数迭代重建算法的光栅成像技术.该方法利用现有X射线光栅成像系统采集少量原始投影数据，基于传统代数迭代重建算法，对旋转变化的相位数据进行CT重构，同时基于傅里叶变换的方法对微分相位数据进行相位恢复.模拟和实验结果表明，基于少量或不完备的原始投影数据，该方法能够准确重构成像对象的吸收、相位和散射三维信息，同时还能对微分相位切片进行高信噪比的相位恢复，得到样品折射率实部衰减率，为X射线光栅成像技术在工业、生物和医学诊断等领域的应用提供理论和技术支撑.
2017, 66 (5): 054206.
doi:10.7498/aps.66.054206
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采用共轴双脉冲激光诱导击穿光谱（DP-LIBS）技术对3种植物油中的重金属铬（Cr）含量进行定量分析.对实验配制的24个样品，采用桐木木片对其中的Cr进行富集，烘干后进行LIBS试验.选取Cr I 425.39 nm为定量分析谱线，CN分子谱线（421.49 nm）、Ca原子谱线（422.64 nm）以及它们谱线强度之和为内标线，分别建立了Cr的基本定标法、单谱线内标法和双谱线内标法的定标曲线，并用验证样品对它们进行检验.研究结果表明，3种植物油的基本定标曲线的拟合度R2在0.97以上，低浓度验证样品预测的相对误差较大；采用单谱线内定标法时，定标曲线拟合度R2在0.98以上，验证样品预测的相对误差较基本定标法有所降低；采用双谱线内标时，大豆油、花生油和玉米油的内定标曲线拟合度R2分别为0.995，0.992和0.996，2个验证样品预测的相对误差分别为12.81%，1.73%，9.19%，6.05%和6.23%，6.69%.由此可见，采用双谱线内标法能有效减小定量分析误差，提高LIBS对植物油中Cr元素的预测能力.
2017, 66 (5): 054208.
doi:10.7498/aps.66.054208
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研究空间光孤子在一维竞争非局域三次五次非线性介质中的新解和传输特性.发现亮孤子在竞争非局域三次自散焦和五次自聚焦非线性介质中存在不稳定区间.在一般非局域程度下，对于不同的三次非线性效应，同相位复合两孤子间表现为吸引或排斥的相互作用，并讨论了折射率的变化.在竞争非局域三次自聚焦和五次自散焦非线性介质中给出了二极、三极和四极孤子能稳定传播的条件，研究发现更高极孤子的传播是不稳定的.还研究了孤子功率与传播常数以及非局域程度的关系.
2017, 66 (5): 054209.
doi:10.7498/aps.66.054209
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基于光子晶体异质结结构实现高效的单向传输特性的光二极管是光电集成及全光通信领域的研究热点.根据光子晶体方向带隙差异构建了正交和非正交光子晶体异质结结构，利用时域有限差分法计算透过谱及场分布图.对比研究发现，非正交光子晶体异质结结构能够实现光的单向传输.通过界面结构的调整，优化了单向传输性能，构造了一种能实现宽频带、高效率单向传输的异质结结构.优化后的光子晶体异质结的单向传输效率高达54%，且结构简单、尺寸小，实用性强.
2017, 66 (5): 054210.
doi:10.7498/aps.66.054210
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随着现代移动流量的剧烈增长，未来无线THz通信传输速率需求将会达到数十Gb/s，高速THz波调制器的研究对于THz无线通信系统具有重要意义.本文提出了一种新型的磁化等离子体THz波调制器，在二维光子晶体中引入线缺陷和填充锑化铟材料的点缺陷.基于法拉第磁光效应，由于锑化铟材料的回旋角频率落在THz频段，在外加磁场的作用下点缺陷表面可在THz频段形成磁化等离子体.当外加磁场与TE波传输方向平行时，单频光在谐振腔中分裂成左旋和右旋圆偏振光，二者的谐振频率差异随着外加磁场强度的增加而增大.控制外加磁场的有无便可实现缺陷模迁移型THz波调制器.利用时域有限差分法和有限元法分析其时域稳态场强分布和模场分布，结果表明当外加磁场强度为0和0.8 T时，可实现THz的通、断调制，消光比高达25.4 dB，插入损耗仅为0.3 dB，调制速率高达4 GHz.该器件在未来THz无线宽带通信中有着巨大的潜力和应用.
2017, 66 (5): 054211.
doi:10.7498/aps.66.054211
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在无定形SiO2非晶材料红外波段反常色散区介电常数研究中，复合高斯振子模型是介电常数重要的色散模型之一，复合振子中振子的数量和物理意义是重要的研究内容.基于化学计量学中的因子分析技术，提出将SiO2薄膜特征振动峰的数量等效为化学组分的振子数量的方法.采用离子束溅射沉积方法制备了厚度分别为100，200，，800 nm的8种SiO2薄膜样品，以这8个样品的红外光谱透射率作为光谱矩阵元素.通过因子分析技术确定了400-4000 cm-1波数范围内高斯振子数量为9个，使SiO2薄膜的介电常数反演计算结果具有明确的物理意义.通过对3000-4000 cm-1波数范围内介电常数的分析，确定了薄膜中具有明显的含水（或羟基）化学缺陷，并且这种缺陷影响到整个红外波段内的介电常数.
2017, 66 (5): 054501.
doi:10.7498/aps.66.054501
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Hamilton-Jacobi方法通常被认为是求解完整保守Hamilton系统正则方程的重要手段，但通过现代微分几何理论发现，这种方法的适用范围不仅仅局限于完整保守的Hamilton系统.根据Hamilton-Jacobi理论，证明了经典Hamilton-Jacobi方法可以被推广至一类特殊的非保守Hamilton系统，即如果非保守Hamilton系统受到非保守力，则该系统的Hamilton正则方程也可以用Hamilton-Jacobi方法求解；对于这类非保守Hamilton系统，只要能够找到其对应的Hamilton-Jacobi方程的一个完全解，就可以得到系统正则方程的全部第一积分.经典的Hamilton-Jacobi方法则是上述方法的一个特例.
气体、等离子体和放电物理
2017, 66 (5): 055201.
doi:10.7498/aps.66.055201
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利用亥姆霍兹方程和场匹配法，推导出了被圆柱介质管包裹的均匀非磁化冷等离子体柱中各角向模的色散关系.数值计算并分析了角向对称模（m=0模）、非角向对称模（m0模）的色散特性以及在不同波频率下各模式的辐射特性.研究发现，在波频率小于等离子体频率pe条件下，当一定时，各模式的传播速度随着pe的增大逐渐接近光速；m=1角向模式属于端向辐射，其主瓣辐射方向在轴向，而且随着的增大，其主瓣宽度逐渐变小，且出现幅值极小的副瓣；对于m1模式，其主瓣辐射方向均与轴向存在一定夹角，既不属于端向辐射也不属于法向辐射，且随着的增大，其主瓣宽度逐渐变小；各个模式的传播功率随着的增大逐渐增大.
2017, 66 (5): 055101.
doi:10.7498/aps.66.055101
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利用流体模型在氩气环境下模拟得到了微空心阴极维持辉光放电的电势、电子密度、离子密度和电场等放电参数的时空分布特性.模拟结果表明，微空心阴极维持辉光放电在不同的时刻表现出不同的放电模式.放电的初始阶段为汤生放电模式；第二阶段为汤生放电模式向空心阴极效应放电模式过渡阶段，微空心阴极维持辉光放电得到初步发展；第三阶段为空心阴极效应放电模式，微空心阴极维持辉光放电区逐渐形成；第四阶段为放电的稳态阶段.在稳态放电状态下，空心阴极腔内的电子和离子密度峰值达到1015 cm-3，位于空心阴极腔的中心位置，维持辉光放电区电子密度可以达到1013 cm-3.研究结果同时表明，微空心阴极放电促进了微空心阴极维持辉光放电的形成；同时微空心阴极维持辉光放电也促进了微空心阴极放电的发展.另外，实验研究表明，第二阳极对微空心阴极腔内外的电势、电场和带电粒子密度的分布均有重要影响，并且对维持辉光放电区域的影响更加明显.第二阳极是形成维持辉光放电的必要条件.
2017, 66 (5): 055203.
doi:10.7498/aps.66.055203
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同轴枪放电等离子体具有密度高、输运速度快等特点，在核物理、航天工程等领域具有广阔的应用前景，已成为国际前沿研究热点.同轴枪中的等离子体密度是反映其应用特性的重要参数之一，因此等离子体密度在输运过程中的变化对理论研究和实际应用都具有重要意义.利用发射光谱法测量了H谱线的Stark展宽，从而计算出同轴枪放电等离子体密度在输运过程中的变化.结果显示，当电源注入能量为1.08 kJ、同轴枪内空气气压为4.0 Pa时，等离子体密度在输运过程中不断增加；相同能量注入条件下，当同轴枪内空气气压增加至10 Pa时，等离子体密度在输运过程中出现了先增加后减小的趋势；当电源的注入能量达到7.68 kJ时，等离子体密度在10 Pa气压条件下输运时也出现了一直增加的现象.此外，当同轴枪内的工作气体变为氩气时，在注入能量为1.08 kJ、枪内气压4.0 Pa条件下，等离子体密度在输运过程中一直减小.
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2017, 66 (5): 055202.
doi:10.7498/aps.66.055202
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强脉冲离子束作为一种闪光热源在材料表面改性方面具有广泛的应用.烧蚀效应对于强脉冲离子束与物质相互作用以及强脉冲离子束薄膜沉积过程具有重要的影响.因此，分析强脉冲离子束的烧蚀过程和机理对于优化其应用具有重要意义.为了研究强脉冲离子束的烧蚀产物特性，采用1.2-1.5 J/cm2的强脉冲离子束辐照纯锌靶材，并使用单晶硅片收集辐照过程中产生的烧蚀产物.通过扫描电子显微镜、能谱仪和高精度天平的分析与测量，得到了烧蚀产物的表面形貌和相关特性等实验结果.结合实验和有限元模拟计算得到的材料表面温度场分布演化结果，可以证明在强脉冲离子束辐照锌靶材的烧蚀过程中会有气态、液态和固态三种不同状态的烧蚀产物产生.
综述
2017, 66 (5): 056601.
doi:10.7498/aps.66.056601
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石墨烯、石墨烯衍生物以及类石墨烯材料通常具有致密的网状晶格结构，研究表明这类材料对分子、原子和离子具有很强的阻挡性.然而对于不同形态的氢粒子（原子、离子、氢气分子）是否能够隧穿二维材料仍然存在很多科学争议，并已成为目前科学研究的一个热点.本文综述了氢隧穿二维材料的研究进展，介绍了不同结构氢粒子隧穿二维材料体系的特点，阐述了氢粒子隧穿不同质量石墨烯和类石墨烯材料时所需要逾越的势垒高度，并对比了其跃迁的难度.讨论了从二维材料本身出发，降低氢隧穿势垒大小和改变环境对氢隧穿过程的影响，实现氢粒子隧穿二维材料.最后展望了氢隧穿二维材料在实际应用中可能存在的问题及未来的研究方向.
凝聚物质: 电子结构、电学、磁学和光学性质
2017, 66 (5): 057102.
doi:10.7498/aps.66.057102
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采用第一性原理的密度泛函理论平面波赝势法，通过广义梯度近似研究了Ti3AC2相（A=Si，Sn，Al，Ge）的相结构、能量、电子结构和弹性性质.首先对六方晶相结构的Ti3AC2（A=Si，Sn，Al，Ge）四个相进行几何优化，对其能带结构、总态密度、分态密度和电荷密度分布以及弹性性质进行研究，并计算各相的内聚能与形成能.计算结果表明：Ti3GeC2较其他三相稳定，Ti3AlC2的形成能最低，说明Ti3AlC2较Ti3SiC2，Ti3SnC2和Ti3GeC2更易生成；Ti3AC2（A=Si，Sn，Al，Ge）各相在费米能级处的电子态密度较高，材料表现出较强的金属性，同时各相的导电性为各向异性.Ti3AC2（A=Si，Sn，Al，Ge）各相的导电性主要由Ti的3d电子决定，A（A=Si，Sn，Al，Ge）的p态电子和C的2p态电子也有少量贡献.决定材料电学性质的主要是Ti的3d，A的p和C的2p态电子的p-d电子轨道杂化，而p-d电子轨道杂化成键则使材料具有比较稳定的结构；对Ti3AC2相（A=Si，Sn，Al，Ge）弹性性质的研究表明Ti3AlC2的原子间结合力较弱，而Ti3GeC2的原子间结合力相对较强，材料的强度较大.
2017, 66 (5): 057301.
doi:10.7498/aps.66.057301
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构建了单层六方石墨烯超晶胞结构，以吸附不同尺寸的Li团簇，Li：C摩尔比例皆为1：6.采用基于密度泛函理论的第一性原理，计算了其态密度、差分电荷密度、能带，分析了Li团簇与石墨烯吸附前后的电荷分布情况及Li-C成键类型，二者之间的电荷分布决定了两者的相互作用.使用热力学的方法及成核机制进行分析，得出成核的可能性与团簇尺寸的关系，研究了一定浓度下的锂在石墨烯上的成核问题.相应的计算结果有助于理论上深入理解锂电池储能机理.
2017, 66 (5): 057101.
doi:10.7498/aps.66.057101
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电子强关联效应使得过渡金属硫化物1T-TaS2在低温时为Mott绝缘体，而层间堆叠错位及杂质又会引入相当强的无序效应.利用统计动力学平均场理论数值方法研究了无序效应对Mott绝缘相的影响，发现非对角跃迁无序和对角无序效应均不会引起从绝缘体到金属的相变.杂质引入的对角无序达到一定强度后Mott能隙会完全闭合，而堆叠错位引入的非对角跃迁无序不论多强都无法关闭Mott能隙.在半满情况，非对角无序会导致上下Hubard带对称地分别出现一个奇异态，而通过晶格尺寸标度研究证明了这种反常的电子态仍然是Anderson局域态.
2017, 66 (5): 057103.
doi:10.7498/aps.66.057103
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采用基于色散修正的平面波超软赝势方法研究了钙钛矿材料APbI3结构中四种阳离子Cs+，NH4+，MA+，FA+分别处于A位时，其结构的稳定性、电子结构及光学性质.研究结果显示受阳离子种类和尺寸的影响，PbI基体骨架发生不同程度的扭曲，A位置阳离子（除Cs+外）半径越大，其与PbI基体骨架之间的作用力越强，在MAPbI3和FAPbI3中PbI6八面体显示出较大的电偶极矩.计算得出的能带结构表明，四种体系在费米能级附近的能带相似，即价带顶均由I 5p轨道组成，导带底由Pb 6p轨道和部分I 5p轨道杂化而成.电子结构和光学性质的差异主要源于PbI6八面体结构的扭曲.在四种结构体系中，CsPbI3显示出最窄的直接带隙、最小载流子有效质量和较强的光吸收能力.这些结果可为进一步深入研究钙钛矿材料在太阳能电池领域的应用提供理论指导.
2017, 66 (5): 057104.
doi:10.7498/aps.66.057104
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采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法，对Al辐照损伤初期产生的本征点缺陷和He缺陷进行了研究.通过晶体结构、缺陷形成能和结合能，分析比较了缺陷形成的难易程度及对晶体稳定性的影响，并从态密度、差分电荷密度和电荷布居的角度，分析了其电子机理.结果表明：对于同类型的缺陷，其造成的晶格畸变越大，体系稳定性越低，缺陷形成的难度越大.同类型缺陷形成的难易程度由易到难依次为空位（置换位原子）、八面体间隙原子和四面体间隙原子，但相同位置的本征缺陷的形成难度小于He缺陷.间隙原子容易与空位结合，且Al原子与空位结合的能力强于He原子.间隙Al原子和He原子主要存在于八面体，且缺陷原子引起部分电子向更高能级转移，并导致与其最邻近的Al原子之间的共价作用减弱，从而降低了体系稳定性.间隙Al原子与最邻近的Al原子之间产生了强烈的共价作用，而He原子和最邻近Al原子之间主要为范德瓦耳斯力和较弱的离子键，这是含He缺陷的体系稳定性更低的重要原因.
原子和分子物理学
2017, 66 (5): 053601.
doi:10.7498/aps.66.053601
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合金纳米团簇可以充分利用多种金属的协同效应来实现材料的多功能特性，因而备受关注.本文利用改进的Basin-Hopping Monte Carlo算法研究了不同尺寸和不同比例下的Fe-Pt二元合金团簇的结构稳定性.为证明初始结构相关性，引入了相似函数来分析合金团簇稳定结构与其对应的单金属团簇结构之间的相似性，并分析了Fe-Pt合金团簇在稳定结构下的元素分布.研究结果表明：对于N 24的Fe-Pt合金团簇，其结构并没有随原子数的增长呈现出明显的形状变化.但是就原子分布而言，对于相同尺寸下不同比例的原子结构，Fe元素趋向于分布在外层，而Pt元素更趋向于分布在内层；对于相同比例不同尺寸的原子结构也得到了同样的结论，并且在Fe原子比例越大的情况下，这种趋向的分布越明显.此外，通过计算合金团簇与单一金属团簇的结构相似函数，发现N 24的Fe-Pt合金团簇在吸收Fe单金属和Pt单金属基态结构的基础上，随着元素比例的变化，发生了不同于单金属基态结构的变化，并且不同比例结构差异较大.最后，通过计算Fe-Pt合金团簇能量的二阶有限差分值，在Fe-Pt表现出分离结构状态时找到了相对稳定度最好的稳定结构.
凝聚物质: 结构、力学和热学性质
2017, 66 (5): 056101.
doi:10.7498/aps.66.056101
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运用第一性原理的方法研究了锐钛矿相TiO2中O空位（VO）和Ti空位（VTi）的电子结构和磁学性质.计算结果表明，单独的VO并不会诱发局域磁矩，VTi可以产生大小为4 B（1 B=9.27410-21 emu，CGS）的局域磁矩，主要分布在其周围的O原子上.这两种缺陷产生局域磁矩的原因在文中做了详细的介绍.此外，由两个VTi诱发的局域磁矩之间的磁耦合相互作用为铁磁耦合，其交换耦合系数J0为88.7 meV，意味着VTi间的铁磁耦合可以持续到室温.虽然VO并不会产生局域磁矩，但是引入VO可以进一步提升两个VTi之间的耦合强度，这可以对非掺杂锐钛矿结构的TiO2体系中铁磁性的来源作出解释：VTi产生了局域磁矩，而VO增强了VTi间长程的铁磁耦合相互作用.此外，还提出了局域磁矩之间耦合的第二类直接交换作用模型.
2017, 66 (5): 056401.
doi:10.7498/aps.66.056401
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多孔材料内部含有大量孔隙，孔隙一旦塌陷就回归为密实物质.但孔隙塌陷沉积的能量将提升基体材料的温度，导致热力学状态量发生变化.尤其是在冲击波压缩下，多孔材料的温升很高，温度变化对其他热力学状态量的变化影响很大，因此解决多孔材料的温度计算是不可回避的问题.本文在研究Grneisen通用函数v（v）的基础上，将密实材料的德拜温度函数通过数学的方法，延拓到多孔材料的密度范围，建立了多孔材料的等效德拜温度函数（v）；并据此推导出了多孔材料的等熵温度函数Ts（v）.再借鉴多孔材料0 K等熵功相等的假设，建立了多孔材料与密实材料在相等压强下等熵功相等的计算模型，给出了多孔材料的等熵压强函数ps（v）.于是，齐备了冲击波压缩下多孔材料温度和压强计算的参考方程，即温度方程Ts（v）和压强方程ps（v）.为了检验本文方法的有效性，以Cu为例计算了孔隙度m=1.13，1.22，1.41，1.56，1.98等5种多孔材料的冲击压强和冲击温度，计算结果与实验数据相符较好.同时，用其他方法做了计算，两种方法计算结果的比较，显示出本文计算方法的可靠性.
2017, 66 (5): 056501.
doi:10.7498/aps.66.056501
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基于Helmholtz自由能建立了聚乙烯的完全物态方程，通过该模型计算获得了聚乙烯的150 GPa压力范围内的冲击Hugoniot关系、冲击波温度-压力关系，计算结果与已有实验结果和分子动力学计算结果均符合较好，表明构建的物态方程对描述聚乙烯离解相变压力150 GPa内的热力学量具有很好的适用性.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2017, 66 (5): 058101.
doi:10.7498/aps.66.058101
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化学气相沉积是目前最重要的一种制备高质量、大面积石墨烯的方法.而铜是化学气相沉积法制备石墨烯中最常用的生长基底.虽然有大量文章报道了关于石墨烯的生长条件及生长机理，但是作为最广泛采用的材料，铜基底上双层及多层石墨烯的生长机理仍然在探索中.本文采用常压化学气相沉积法，以乙醇为碳源在铜基底上生长石墨烯，并将其转移到SiO2/Si基底上.用场发射扫描电镜、透射电镜、拉曼光谱、光学显微镜对所制备的石墨烯进行表征和层数分析，对转移到不同基底上的不同层数的石墨烯进行了透光性分析.结果表明，常压条件下铜箔表面能够生长出质量较高、连续性较好的双层至多层石墨烯.此外，我们还对铜基底上双层至多层石墨烯的生长机理进行了探讨.
地球物理学、天文学和天体物理学
2017, 66 (5): 059201.
doi:10.7498/aps.66.059201
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由于在海面上布设控制点较为困难，本文发展了一种无需海面控制点的立体摄影物理模型.该模型依次通过相机固有参数标定、相对定向和基于平均海面的绝对定向三个环节实现，文中给出了各个环节的控制方程和具体算法.利用室内实验时拍摄的一个影像对，将共面方程和距离方程联立构成闭合方程组，实现相机固有参数的标定；利用外海测量时拍摄的一个影像对，采用共面方程实现相对定向参数的标定；利用外海测量时拍摄的一个影像对序列，在左相机坐标系中通过影像匹配确定平均海面，建立特定的物方坐标系，并实现绝对定向.室内实验检验了固有参数控制方程的收敛性并表明定标精度较高；外海实验成功地构建了海面高度场，这表明本文提出的相对定向和绝对定向方法是可行的.该模型只需将两个相机按一定方位架设在平台上即可进行海浪测量，免去了繁琐的海面控制点布设过程，降低了工作难度和成本，有利于立体摄影海浪测量技术的推广和应用.
2017, 66 (5): 059401.
doi:10.7498/aps.66.059401
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从人工沿场不均匀体的产生机制出发，分析其对无线电波的散射特性，基于射线追踪技术，建立了短波垂直探测波经人工沿场不均匀体散射的传播模型，理论分析了不同纬度人工沿场不均匀体对垂直探测波传播路径的影响.结果表明：人工沿场不均匀体所导致的垂直探测电离图人工扩展描迹随地理纬度升高和地磁倾角增大而变短，解释了高纬度地区电离层加热不能有效观测人工扩展描迹的缘由.最后对中低纬度地区存在人工沿场不均匀体时可能产生的人工扩展描迹现象进行了预测评估，并分析了其重要应用方向.
编辑推荐
2017, 66 (5): 059701.
doi:10.7498/aps.66.059701
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本文设计了一种半实物实验系统，能模拟出航天器在地球轨道及深空飞行时接收脉冲星周期X射线信号的情形.该系统主要由动态信号数据库、X射线模拟源、真空系统和探测系统组成.模拟源可以模拟出任意波形的脉冲轮廓，探测系统的时间分辨率优于2 s，通过分析时间转化模型给出了动态信号生成方法.实验模拟了航天器在近地轨道飞行一周接收Crab脉冲信号，将采集的光子到达时间转换到太阳系质心时后累积脉冲轮廓与标准轮廓相关度为0.9882.