专题: 二维转角莫尔超晶格
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2023, 72 (6): 067101.
doi:10.7498/aps.72.20230079
摘要 +
当载流子动能被抑制后, 双层量子阱中的电子-空穴可以通过层间库仑相互作用形成激子绝缘体, 而抑制动能的主要手段为施加外部磁场产生朗道能级. 在二维莫尔晶格中通过能带折叠可以显著抑制载流子动能进而形成莫尔平带. 本文主要介绍通过莫尔平带实现无外加磁场的激子绝缘体, 着重介绍几个不同的实验思路, 并展示如何利用差分反射谱、层间激子光致发光谱、2s激子探测谱、量子电容以及微波阻抗谱探测激子绝缘体信号. 总的来说, 莫尔晶格中形成的激子绝缘体为在固体环境中研究Bose-Hubbard模型提供了很好的平台, 其研究内容可包括激子莫特绝缘体、激子超流以及它们之间的连续转变等.
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2023, 72 (6): 067302.
doi:10.7498/aps.72.20230120
摘要 +
讨论了转角双层石墨烯、转角多层石墨烯以及石墨烯-绝缘态异质结等体系中的电子结构、拓扑性质、关联物态、非线性光学响应、声子特征以及电声耦合效应等新奇物态和物性. 首先讨论了在转角石墨烯体系中普遍存在的拓扑非平庸的平带和轨道铁磁性. 其中, 魔角双层石墨烯中的拓扑平带可以从零赝朗道能级的图像去理解. 该图像可以很简明地解释实验上观测到的量子反常霍尔效应、关联绝缘态等新奇现象. 这些拓扑平带也可以带来接近量子化的拓扑压电响应, 可以用来定量地测量莫尔石墨烯中平带的谷陈数. 转角多层石墨烯和交错转角多层石墨烯体系也存在一些普适的手性分解规则, 可快速判断这类转角石墨烯体系中低能电子结构特征. 然后进一步讨论了魔角双层石墨烯和转角多层石墨烯中的关联绝缘态、密度波态、向列序态以及单粒子激发谱的级联转变等新奇物性, 并提出非线性光学响应可以当作区分各类“无特征”关联绝缘态的实验探针. 其次讨论了转角双层石墨烯体系的莫尔声子性质以及非平庸的电声耦合效应. 最后, 讨论了能带对齐的石墨烯和绝缘衬底形成的异质结体系中的新奇物理图景, 并对二维材料莫尔异质结体系中的新奇物性做了总结和展望.
综述
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2023, 72 (6): 068402.
doi:10.7498/aps.72.20222320
摘要 +
高压电缆是决定电力输送质量和容量的关键要素. 聚丙烯由于自身优良的耐热性、绝缘性和绿色环保性被广泛关注, 并应用于电缆绝缘材料开发. 高压电缆聚丙烯绝缘材料需要承受脉冲电压和直流额定电压, 容易引起电场畸变从而引发空间电荷积累. 此外, 电缆运行过程中, 温度会急剧升高, 严重影响电缆的绝缘性能, 导致电树枝的引发和生长. 因此需要对高压电缆进行电场调控从而抑制电场畸变、局部放电、电树枝化等劣化现象的出现. 本文重点介绍了高压直流电缆聚丙烯绝缘材料电场调控的理论与方法, 分析了当前电场调控的重点, 最后展望了聚丙烯电缆绝缘的应用前景.
2023, 72 (6): 068501.
doi:10.7498/aps.72.20222303
摘要 +
硅(Si)作为最重要的半导体材料之一, 被广泛应用于太阳电池、光电探测器等光电器件中. 由于硅和空气之间的折射率差异, 大量的入射光在硅基表面即被反射. 为了抑制这种反射带来的损失, 多种具有强陷光效应的硅纳米结构被研发出来. 采用干法蚀刻方案多数存在成本高昂、制备复杂的问题, 而湿法蚀刻方案所制备的硅纳米线阵列则存在间距等参数可控性较低、异质结有效面积较小等问题. 聚苯乙烯微球掩膜法可结合干法及湿法蚀刻各自的优点, 容易得到周期性硅纳米线(柱)阵列. 本文首先概述了硅纳米线结构的性质和制备方法, 总结了有效提升硅纳米线(柱)阵列光电探测器性能的策略, 并分析了其中存在的问题. 进而, 讨论了基于硅纳米线(柱)阵列光电探测器的最新进展, 重点关注其结构、光敏层的形貌以及提高光电探测器性能参数的方法. 最后, 简要介绍了其存在的主要问题及可能的解决方案.
总论
2023, 72 (6): 060201.
doi:10.7498/aps.72.20222113
摘要 +
从玻尔兹曼方程出发, 推导了全电离非均匀尘埃等离子体的Fokker-Planck-Landau碰撞模型下时域有限差分的迭代表达式. 结合尘埃等离子体的碰撞效应和充电效应, 得到了Fokker-Planck-Landau碰撞模型下全电离尘埃等离子体的电导率表达式. 利用Z变换时域有限差分(Z-FDTD)法计算了二维情况下尘埃等离子体涂覆金属钝头锥的雷达散射截面. 分析了尘埃粒子密度、尘埃粒子半径、电子密度与尘埃粒子密度比值、尘埃粒子充电频率以及电磁波的入射角对钝头锥散射特性的影响. 结果表明, 在全电离空间非均匀尘埃等离子体中, 随着尘埃粒子半径的增大会削弱德拜屏蔽效应, 导致雷达散射截面增大; 此外, 受到尘埃等离子体的碰撞效应和充电效应产生影响, 会对目标的雷达散射截面有较大的影响. 这些结果对研究空间非均匀尘埃等离子体的电磁波散射特性以及近地空间的通信问题提供了理论依据.
2023, 72 (6): 060202.
doi:10.7498/aps.72.20222104
摘要 +
针对时域非连续伽略金(discontinuous Galerkin time-domain, DGTD)算法中的阻抗边界条件问题开展研究. 阻抗边界条件中的频域算符
${\rm{j}}\omega $
一般在根号内部, 其在时域数值算法中的实现有一定难度. 另一方面, DGTD算法中数值通量表达式也含有阻抗边界条件, 这也进一步增加了频时转换难度. 为了能给出简化的DGTD阻抗边界算法, 本文首先针对数值通量表达式进行推导, 得到一个特定函数
$ {\tilde Z_R} $
, 该函数包含频域算符
${\rm{j}}\omega $
, 函数以外表达式不含频域算符
${\rm j}\omega$
, 这样就可以仅处理
$ {\tilde Z_{\rm{R}}} $
的频时转换问题. 由于
$ {\tilde Z_{\rm{R}}} $
形式复杂, 对
$ {\tilde Z_{\rm{R}}} $
进行矢量匹配处理, 得到关于
${\rm{j}}\omega$
的一阶有理分式, 进而得到其时域迭代式. 这一过程简明、易于实施, 还可避开矩阵计算. 本文方案经一维及三维算例验证, 精度很好, 针对特定电磁问题如涂覆层问题可大幅降低计算时间.
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2023, 72 (6): 060301.
doi:10.7498/aps.72.20222178
摘要 +
利用原子系综中的Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ)过程可产生光与原子记忆(自旋波)量子纠缠, 该纠缠可作为量子中继的重要元件. 随着量子信息研究的深入发展, 人们对量子信息存储其灵活多样性、可控性等方面提出更高的要求. 本文在冷原子系综中演示了一种基于DLCZ过程的光纤腔增强且高保真度的光学存储方案, 即将87Rb原子系综放于设计的光纤腔中, 通过光纤腔增强“写出”和“读出”光子与原子系综的耦合实现自旋波量子信息的有效恢复, 同时具有较高的保真度. 观察到有腔且锁定的情况下斯托克斯光子产生概率比无腔时增加4.6倍, 原子自旋波读出效率增加1.6倍, 实验实现22%的读出效率并具有92%的量子态保真度, 该读出效率对应一个40%的本质读出效率. 这种高度可恢复、高量子态保真度的原子-光子纠缠源, 可为未来长距离量子通信及广域大规模量子网络构建的实现提供另一种有效的途径.
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2023, 72 (6): 060302.
doi:10.7498/aps.72.20222306
摘要 +
利用Bogoliubov理论研究了自由空间中可调自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein condensates, BECs)的激发谱. 通过高频近似得到具有两体相互作用时与时间无关的有效Floquet哈密顿量, 从而获得一种可调的自旋-轨道耦合和一种可由周期驱动拉曼耦合调控的有效两体相互作用. 基于系统有效的Floquet哈密顿量, 得到凝聚体具有相互作用时的色散关系, 发现周期驱动强度可以有效地调控色散关系的结构, 即周期驱动的拉曼耦合可以调控系统在零动量相与平面波相之间的相变. 进一步利用Bogoliubov理论得到系统的Bogoliubov-de-Gennes (BdG)方程, 分别研究了凝聚体在零动量相和平面波相中的激发谱. 发现零动量相中的激发谱均为声子激发, 且激发谱随周期驱动强度的增加表现出贝塞尔函数的行为; 平面波相中的激发谱存在声子激发和旋子激发, 当周期驱动强度增加时, 旋子模出现软化现象. 因此, 可以通过周期驱动拉曼耦合实时地调控自旋-轨道耦合BECs激发谱中的声子激发和旋子激发.
2023, 72 (6): 060303.
doi:10.7498/aps.72.20222286
摘要 +
介绍了一种用于里德伯原子激发的纳秒脉冲激光系统. 实验利用两个kHz线宽的1018 nm连续激光器作为种子源, 通过两个20 GHz带宽的光纤调制器产生时间分离的脉冲激光; 脉冲激光经掺镱光纤放大器后输出峰值功率约4600 W, 单次穿过PPLN(周期极化铌酸锂)晶体倍频获得509 nm脉冲激光, 典型脉冲激光峰值功率约173 W. 该激光系统单路输出脉冲重复频率在300 kHz—100 MHz范围连续可调, 脉宽在1—100 ns范围连续可调. 该509 nm激光在聚焦条件下可以实现GHz带宽的铯原子里德伯态激发.
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2023, 72 (6): 060401.
doi:10.7498/aps.72.20222296
摘要 +
虽然类比引力理论表明可以使用实验室的物理系统类比黑洞的时空结构, 但是旋转黑洞的结构很难在实验室体系中找到较好的对应. 本文使用特设的涡旋光, 在理论上找到了一种接近Bañados-Teitelboim-Zanelli (BTZ)黑洞的类比结构, 通过计算无质量粒子和声波在类比 BTZ 黑洞和引力的 BTZ 黑洞时空中的运动来比较它们的异同. 两种黑洞时空无质量粒子和声波的有效势能给出了相同的能量和角动量的辐射禁区分布, 不同的是, BTZ 黑洞经典禁区沿径向将趋近固定的能量值, 而类比BTZ 黑洞的经典禁区沿径向将闭合. 幸运的是, 在视界和能层附近, 无质量粒子和声波的运动行为几乎一致, 从这个角度来说, 类比实验体系能够很好地模拟BTZ黑洞. 特别地, 在两种黑洞时空下, 低能量高角动量的粒子的经典禁区都更宽.
2023, 72 (6): 060701.
doi:10.7498/aps.72.20222143
摘要 +
用高温固相法制备了不同浓度的Tm3+和Yb3+共掺杂Bi2WO6上转换发光材料. 对合成粉末的微结构、上转换发射光谱, 以及材料的光学温度传感性质进行了表征和分析. X射线衍射谱结果显示, Tm3+和Yb3+离子的掺杂基本不影响Bi2WO6基质材料的正交晶系结构. 在980 nm激发下, Tm3+和Yb3+掺杂摩尔分数分别是1%和6%时获得样品中Tm3+发射强度最大. 随激发泵浦功率从199 mW增加到400 mW, 1%Tm3+, 6%Yb3+:Bi2WO6样品中Tm3+的4个发射峰强度均增强. 199—400 mW激发功率下, 样品光强I和激发功率Pn呈现线性关系. 计算该范围激发泵浦功率和Tm3+发射强度的关系, 得到Tm3+的4个发射峰478, 650, 685和705 nm分别对应n值为1.01, 1.34, 1.77和1.75, 这表明以上发射峰均源于双光子吸收. 980 nm激发(功率379 mW)下, 当温度从298 K升高到573 K时, 1%Tm3+, 6%Yb3+:Bi2WO6样品中Tm3+的热耦合能级对(3F3,3F2)产生705 nm和685 nm处发射强度分别增加了28.4倍和31.6倍. 拟合样品中Tm3+的热耦合能级对(3F3,3F2)的荧光强度比与温度的关系, 计算得到在298 K时, 样品最大绝对测温灵敏度为0.00254 K–1, 最大相对测温灵敏度为0.00144 K–1. 同样条件下, 拟合非热耦合能级对(3F3,1G4)产生的705 nm和650 nm荧光强度比与温度关系, 计算得到在573 K时, 最大绝对测温灵敏度为0.167 K–1. 298 K时最大相对测温灵敏度为0.0378 K–1, 比热耦合能级(3F3,3F2)表征温度的相对最大测温灵敏度Sr提高了26倍.
2023, 72 (6): 060702.
doi:10.7498/aps.72.20222246
摘要 +
光学非互易器件是光学系统中重要的组成部分, 例如光隔离器. 为了提高这类器件的隔离特性, 提出一种双腔双光力系统, 系统以两种大小不同的光力耦合强度分别与两光学腔相耦合. 该系统在红失谐场的驱动下, 通过调控相位差既可以实现光非互易现象, 又能决定光在系统中透过与隔离的方向, 这种性质来源于光力耦合相互作用和光学腔模耦合之间的量子干涉效应. 研究过程中把系统中相关算符用其平均值加各自的相对涨落值来表示, 然后由涨落值利用输入-输出关系得到系统的传输振幅, 进而得到系统隔离率. 讨论了系统隔离率随光力耦合强度变化的分布情况, 发现两个力学振子的共同作用能使系统有更高的容错率. 该系统通过选用一个品质因数更高的力学振子, 能够实现两种特定频率光的较大隔离率, 并且同时能够保证共振频率信号的反向传输.
原子和分子物理学
2023, 72 (6): 063101.
doi:10.7498/aps.72.20222103
摘要 +
采用基于密度泛函理论和广义梯度近似的第一原理方法, 探究Ta元素和Re元素在Ni/Ni3Al相界面中的相互作用及其对界面强度的影响. 计算表明: 在绝大多数化学计量比范围内, Ta原子优先占据γ相中的顶点Ni位, Re原子优先占据γ'相中的Al位, Re原子和Ta原子共合金化时掺杂位置不发生改变. 通过格里菲斯断裂功、不稳定堆垛层错能及空位迁移能的计算, 得出Ta和Re合金化都可以增强界面的格里菲斯断裂能, 提高界面的结合强度, 两种合金化元素均提高了体系的不稳定堆垛层错能, 即提高了界面阻碍位错运动的能力和抵抗变形的能力, 其中Re的单独合金化效果更好. 两种元素的掺杂提高了界面上空位迁移的势垒, 阻碍了空位的发射和吸收, 进而提高了合金的蠕变能力.
2023, 72 (6): 063102.
doi:10.7498/aps.72.20222268
摘要 +
在对经激光预冷却的原子进行俘获的光学偶极阱中, 魔术波长光学偶极阱可以消除所关心的两原子态间跃迁的差分光频移, 使得光子在原子态间的跃迁频率与自由空间相同, 对于提高实验重复率、减弱原子的退相干具有重要意义, 使其在冷原子物理、量子光学、精密测量等领域已成为越来越重要的技术手段. 本文基于多能级模型理论计算了耦合铯原子D2线的6S1/2基态和6P3/2激发态对光阱激光波长(800—1000 nm)依赖的动态电极化率, 得到了俘获基态和激发态的光阱激光的魔术波长. 由于角动量大于0.5的原子态的极化率对极化角非常敏感, 本文以线偏振光阱激光为例, 讨论并分析了魔术波长与相应的魔术极化率对极化角的依赖关系, 得到了魔术极化角为54.7°以及该角度下的魔术波长分别为886.4315 nm与934.0641 nm, 进一步分析了这两种情况下魔术条件的鲁棒性与实验操作的可行性.
2023, 72 (6): 063301.
doi:10.7498/aps.72.20222285
摘要 +
六氟化硫(SF6)是一种长寿命的温室气体, 其红外吸收光谱对模拟大气辐射平衡非常重要. SF6也是研究激光分离同位素原理和技术的典型体系之一. 由于SF6分子较重, 其室温下的红外光谱非常密集, 给利用吸收光谱技术监测不同SF6同位素分子的相对浓度带来很大困难. 本文利用超声射流冷却和像散型多程吸收池技术, 测量了32SF6和33SF6同位素分子在10.6 μm波段的高分辨红外激光吸收光谱. 处于振动基态的32SF6和33SF6分子在狭缝型超声射流中的转动温度约为10 K, 谱线线宽约为0.0008 cm–1. 在此条件下观测到了SF6一个新的热带, 其Q支的位置在941.0 cm–1附近. 将其初步归属为32SF6的(v1+v2+v3)–(v1+v2) 带, 对该热带进行简化的转动分析, 并讨论利用该热带和33SF6的v3基频带进行33SF6/32SF6的相对浓度监测的可行性.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2023, 72 (6): 064101.
doi:10.7498/aps.72.20222291
摘要 +
提出了一种基于戟形人工表面等离激元(spoof surface plasmon polaritons, SSPPs)的具有宽频带外抑制特性的紧凑型宽带带通滤波器. 设计的滤波结构是通过在基板底层蚀刻周期性的戟形槽和在顶层加载带有月牙形贴片的微带到槽线过渡结构实现的. 与传统的I形SSPPs相比, 戟形SSPPs具有更好的慢波特性, 基于戟形SSPPs设计的带通滤波器可以实现更紧凑的结构. 设计的滤波器通带的上下截止频率可以分别通过调整SSPPs结构和微带到槽线过渡结构来调节. 仿真结果表明, 宽带带通滤波器中心频率为2.85 GHz, 相对带宽为130%, 通带内的回波损耗优于–10 dB, 在5.6—20.0 GHz之间具有极强的–40 dB带外抑制. 设计的宽带带通滤波器结构尺寸紧凑, 仅为1.08λg× 0.39λg, 其中λg是中心频率处的波长. 为了验证宽带带通滤波器的有效性, 采用传统的印刷电路板技术加工了宽带带通滤波器. 测量结果与仿真结果吻合较好, 验证了设计的可行性. 本文所提出的宽带带通滤波器显示了在微波频率下开发SSPPs功能器件和电路的良好前景.
2023, 72 (6): 064201.
doi:10.7498/aps.72.20222096
摘要 +
超冷原子系统是一个纯净的、高度可控的量子体系, 可对凝聚态物理、高能物理、天体物理和化学反应等领域的重要物理问题进行量子模拟. 构造不同构型的光晶格是模拟多样化的复杂量子系统的一个重要前提. 本文采用权重Gerchberg-Saxton算法生成多种形状的光晶格全息图, 利用液晶型空间光调制器和高分辨率光学系统, 把全息图(动量空间)变换到实空间构造出多种形状的二维晶格阵列, 包括简单的三角、六角、正方晶格和更为复杂的蜂巢晶格等, 并实现对87Rb超冷原子二维晶格阵列的装载, 晶格的最小间距为3 μm. 这种方法具有通用性强、操控灵活的优势, 将有助于拓展光晶格中超冷原子量子模拟的应用.
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2023, 72 (6): 064202.
doi:10.7498/aps.72.20222297
摘要 +
GHz重复频率飞秒激光具有高单纵模功率和高采样速率等优点, 在科学前沿和工业加工等领域具有重要的应用价值. 受限于锁模原理和泵浦源的可用功率, GHz重复频率克尔透镜锁模激光器的平均输出功率通常仅为数十到百毫瓦量级, 限制了其直接应用. 基于此, 本文报道了利用高功率单模光纤激光器泵浦的GHz重复频率高功率克尔透镜锁模飞秒激光器. 通过合理的腔模设计, 构建了四镜环形腔结构, 使晶体中激光模式可以和整形后的泵浦光形成良好匹配, 以利于软孔克尔透镜锁模的实现. 在8 W的泵浦功率下, 首次在Yb:CaYAlO4激光器中实现了GHz重复频率的亚百飞秒高功率锁模运转, 平均输出功率为2.1 W, 重复频率为1.8 GHz, 脉冲宽度为88 fs, 对应峰值功率大于10 kW. 该实验结果表明Yb:CaYAlO4晶体具有产生GHz重复频率高功率飞秒激光的潜力, 高功率短脉宽GHz飞秒激光器可为光学频率梳和微加工等领域提供优质光源.
2023, 72 (6): 064203.
doi:10.7498/aps.72.20222112
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介质内分子在飞秒激光场中的准直会诱导介质内部折射率发生变化并产生光谱调制效应. 本文实验上采用泵浦-探测方法测量了N2中探测光波长偏移量的时间演化, 提取了N2分子的准直度信息; 理论上通过求解含时薛定谔方程, 计算了分子非绝热准直的时间演化, 探究了分子非绝热准直和克尔效应两种机制共同影响所诱导的双折射效应对探测光光谱的调制作用. 实验和理论结果符合良好, 证实了光谱测量法可以用来表征分子的准直度. 进一步采用双脉冲泵浦方式对分子准直进行调控, 发现双脉冲泵浦可以有效增强分子的准直度. 通过调节双脉冲间的延迟时间, 即在分子的一个转动恢复周期及半个转动恢复周期处引入第二束泵浦脉冲, 可以分别控制分子准直的增强与消失, 起到“准直开关”的作用. 双脉冲调控方式同样适用于其他多个分子体系, 具有一定的普适性.
2023, 72 (6): 064204.
doi:10.7498/aps.72.20221597
摘要 +
旋转光束指的是一类由拓扑荷数不同的涡旋光束经外差干涉产生的, 光强、相位或偏振随时间快速旋转的新型光束. 旋转光束在大气通道传输时因其光场随时间快速旋转可遍历大气传输路径上的不均匀性, 使得大气湍流和热晕等效应引起的相位畸变在旋转方向得到匀滑, 从而达到改善光束质量, 提升光束质心稳定性的目的. 在考虑大气湍流和热晕综合效应的情况下, 建立了旋转光束在大气的传输模型, 分析了旋转光束如何缓解大气湍流和热晕效应的物理机制. 在此基础上, 进一步分析了光束旋转频率和子光束功率比值, 以及大气湍流和热晕强度等对旋转光束大气传输特性的影响及规律, 从而为激光大气工程应用提供参考.
2023, 72 (6): 064301.
doi:10.7498/aps.72.20222186
摘要 +
构造了一种圆柱形四通道非均匀迷宫结构, 利用该结构设计的圆环型超构材料能够实现动态可调的定向声辐射. 所构造的圆柱形非均匀迷宫结构具有偶极子共振特性, 在偶极子共振频率附近, 声波能够从两个占比较大的扇形通道开口向外辐射, 此时的圆柱形非均匀迷宫结构可近似地看作一个偶极子源. 当圆柱形非均匀迷宫结构围绕圆心进行旋转时, 所形成的偶极子源的位置和向外辐射声波的方向也随之发生改变. 将点声源放置在由18个非均匀迷宫结构组成的圆环型超构材料的中心, 调节圆柱形非均匀迷宫结构的旋转角度, 使各微结构处于导通或截止状态, 从而控制点声源在各个方向上的传播特性, 实现具有动态可调特性的定向声辐射. 此外, 研究了圆柱形非均匀迷宫结构旋转角度对透射声波的影响, 探究了微结构的开关效应, 为构造简易的声定向辐射设备提供了新思路.
2023, 72 (6): 064302.
doi:10.7498/aps.72.20221955
摘要 +
为探究空化场中多气泡之间的相互作用, 结合观察到的注入大气泡周围飞舞的小气泡的实验现象, 构建了由两个大气泡和一个空化泡组成的三气泡系统, 通过考虑气泡间相互作用的时间延迟效应以及大泡的非球形振动, 得到修正的气泡动力学方程组, 并数值分析了气泡的振动模态、平衡半径、声波压力与频率等参量对小空化气泡的振动行为与所受次级Bjerknes力的影响. 结果表明, 大气泡的非球形效应主要表现为一种近场效应, 对空化泡的振动影响很小, 几乎可以忽略不计. 大气泡可抑制空化泡的振动, 但当大气泡半径接近于共振半径时, 空化泡振动幅值曲线出现共振峰, 即存在耦合共振响应. 大气泡半径越大, 对空化泡抑制作用越强, 当空化泡处在两个毫米级大气泡附近时抑制更加显著. 声波压力与频率不仅直接影响气泡的振动, 还影响空化泡与大气泡之间相互作用的强弱, 表现为空化泡所受的次级Bjerknes力在特定的大气泡半径范围内变得对气泡尺寸变化较为敏感, 即小的大气泡半径变化可能导致明显的力大小变化, 且不同驱动频率下, 空化泡所受次级Bjerknes力的敏感半径分布区间不同. 空化泡受到的次级Bjerknes力在距离较小或者较大时均可能表现为斥力, 与实验观察现象一致. 随着声波压力的增大, 气泡间距影响下的力响应模式可能不同, 甚至可能出现在特定距离内因声反常吸收而导致的作用力减弱现象.
2023, 72 (6): 064303.
doi:10.7498/aps.72.20222154
摘要 +
π相移光纤光栅因具有较短的有效光栅传感长度, 近年来成为了超声传感领域的研究热点. 本研究旨在探究π相移光纤光栅作为水听器应用时对超声波的指向性特性. 选取π相移光纤光栅作为超声传感单元, 先基于分层介质的声传播理论计算出水中超声波入射时光纤纤芯的应变, 再运用基于光学耦合模方程的传递矩阵法计算反射光谱得到光波长偏移. 将角度-频率空间分为三个区域, 计算了声波频率在1—10 MHz时不同角度下的应变结果和光波长偏移响应特性, 并开展了实验研究. 结果表明, 理论和实验结果具有较高的一致性, π相移光纤光栅在超声波垂直光纤入射时响应最大, 随声波入射方向与光纤法向间夹角的增加, π相移光纤光栅的声响应先急剧下降, 后在水中直达声波和光纤中导波叠加时出现极大值. 此外, π相移光纤光栅的声响应随声波频率增加而降低. 本研究对π相移光纤光栅在超声传感中的实际应用具有重要意义.
2023, 72 (6): 064304.
doi:10.7498/aps.72.20222151
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大尺寸有源微穿孔板吸声器的低频吸声性能依赖于入射声场环境, 故在现有管道声场的研究基础上, 探究了其在自由场环境中的有源吸声性能. 首先, 引入随位置变化的声压反射系数表征非局部反应表面在垂直入射平面波激励下的反射声场, 并结合模态分析法建立理论模型. 其次, 从空腔声模态对入射波的反射作用及对声吸收的贡献度揭示了自由场中有源吸声的物理机制, 构建了误差传感策略. 最后, 实验验证了理论模型与所获结论的正确性. 研究表明: 入射波激励起的(0, 0, 0)空腔声模态, 其幅值越大对入射波的反射作用越强; 控制源抑制该声模态并使其幅值降到最优值时, 它不再反射并会大幅吸收入射波, 低频吸声性能显著提升. 但控制源激发的高阶空腔声模态对入射波起完全反射作用, 将阻碍控制性能的提升. 故相比于管道声场, 自由场中的有源吸声性能有所减弱. 控制源在抑制(0, 0, 0)声模态的同时能确保不大幅激起高阶声模态时, 声压释放和阻抗匹配传感策略对自由场环境仍然适用.
2023, 72 (6): 064701.
doi:10.7498/aps.72.20222042
摘要 +
围绕二维平面激波与物质界面作用, 建立了流场波系结构的理论计算方法. 首先分析了界面两侧激波独自沿界面传播过程, 识别了两类正规折射和三类非正规折射; 然后, 根据两侧扰动沿界面传播的相对快慢, 得到了三种不同的作用情形. 与已有的Catherasoo方法相比, 此方法: 1) 考虑了激波波后紧邻波阵面流场中扰动对界面附近折射的影响, 区分了扰动的强弱及其是否可以追赶上激波阵面; 2) 除了少数情形外, 大都基于Euler方程精确解描述流场中波系相互作用. 利用该方法对马赫数1.17的激波与空气/SF6界面作用进行计算, 得到的波系结构与数值结果、已有实验数据基本一致, 透射波阵面与水平方向夹角吻合程度优于Catherasoo结果; 给出了反射波参数、界面偏折角度等, 而Catherasoo方法不能计算这些参数. 对于马赫数2.00的激波, 通过比较不同介质密度比和界面倾角下的理论与数值结果, 发现此方法对波系类型的识别比Catherasoo方法更为准确, 且识别了波后强扰动追赶上激波形成三波结构的折射类型, 后者无法识别此类型. 上述结果表明, 新方法具有良好的适用性, 对波系类型的识别较已有方法的准确度更高, 可获取更为丰富的波系结构信息.
2023, 72 (6): 064702.
doi:10.7498/aps.72.20221912
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外加声场激励下固体细颗粒的声凝并在燃烧污染物超低排放中具有应用潜力, 添加大粒径液滴有望提高细颗粒声凝并效果. 本文从颗粒运动、碰撞、凝并与反弹的动力学过程出发, 基于直接模拟蒙特卡罗方法, 建立气相中液滴与固体颗粒共存的气-液-固三相体系的声凝并模型, 对外加液滴条件下固体细颗粒声凝并的过程和效果开展数值模拟. 将模拟结果与实验相对比, 验证模型可靠性. 在此基础上, 探究外加液滴条件下细颗粒声凝并动力学行为, 考察外加液滴直径和数目浓度对细颗粒声凝并效果的影响规律. 结果表明, 外加液滴条件下, 固体细颗粒迅速与大粒径液滴凝并, 形成液-固混合相颗粒, 细颗粒凝并效率显著提升. 外加液滴直径和数目浓度是影响细颗粒声凝并的重要因素, 随着直径的增大或数目浓度的提高, 细颗粒凝并效率增大, 而增幅趋于减小. 研究结果可为复杂颗粒系统凝并模型的建立提供理论基础, 并可为燃烧源细颗粒超低排放提供方法指导.
气体、等离子体和放电物理
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2023, 72 (6): 065201.
doi:10.7498/aps.72.20222385
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极紫外光刻技术是我国当前面临35项“卡脖子”关键核心技术之首. 高极紫外光转换效率和低离带热辐射的激光等离子体极紫外光源是极紫外光刻系统的重要组成部分. 本文通过采用激光作用固体Sn和低密度SnO2靶对极紫外光源以及其离带热辐射进行研究. 实验结果表明, 两种形式Sn靶在波长为13.5 nm附近产生了强的极紫外光辐射. 由于固体Sn靶等离子体具有较强自吸收效应, 在光刻机中心工作波长13.5 nm处的辐射强度处于非光谱峰值位置. 而低密度SnO2靶具有较弱的自吸收效应, 其所辐射光谱的峰值恰好位于13.5 nm处. 相比于固体Sn靶, 低密度SnO2靶中处于激发态的Sn离子发生跃迁所产生的伴线减弱, 使其在13.5 nm处的光谱效率提升了约20%. 另一方面, 开展了极紫外光源离带热辐射(400—700 nm)的实验研究, 光谱测量结果表明离带热辐射主要是由连续谱所主导, 低密度SnO2靶中含有部分低Z元素O(Z= 8), 导致其所形成的连续谱强度低, 同时离带辐射时间短, 因而激光作用低密度SnO2靶所产生的离带热辐射弱于固体Sn靶情况. 离带热辐射角分布测量结果表明, 随着与靶材法线夹角逐渐增加, 离带热辐射强度逐渐减弱, 且辐射强度与角度满足
$ A{\cos ^\alpha }\theta $
的关系.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
封面文章
2023, 72 (6): 066801.
doi:10.7498/aps.72.20222197
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分子与衬底之间的相互作用在有机薄膜的生长过程中起着非常重要的作用. 对于金属衬底和半金属衬底来说, 由于不同的电子结构, 二者与分子薄膜之间的相互作用会有明显的差异. 本文利用扫描隧道显微镜对比研究了二氰基蒽(DCA)分子在金属衬底Cd(0001)和半金属衬底Bi(111)上的薄膜生长. 实验发现, 在Cd(0001)衬底上, 低温沉积的DCA薄膜表现出三维生长模式, 而室温沉积的DCA薄膜表现出二维生长模式. 特别是DCA分子单层具有斜方对称的4×
$ \sqrt {13} $
公度结构, 表明DCA与Cd(0001)之间存在较强的相互作用. 与此形成鲜明对比的是, 在半金属Bi(111)衬底上, 低温沉积的DCA薄膜表现出二维生长模式, 在分子单层中有莫尔条纹出现, 表明DCA单层是一种非公度结构, DCA与Bi(111)之间的相互作用较弱. 通过上述的对比研究可以看出, 衬底材料的电子结构和沉积温度均可影响DCA分子薄膜的结构和生长模式.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2023, 72 (6): 067301.
doi:10.7498/aps.72.20222233
摘要 +
为了获得性能更为稳定的ZnO压敏电阻, 研究了含有Ga掺杂的ZnO压敏电阻的稳定特性, 对所获得的实验样品的微观结构和电气特性进行了电子显微镜扫描测试、电压-电流非线性特性测试、电容-电压特性测试、X-射线衍射谱测试、能谱扫描测试、介质损耗测试及交流加速老化测试. 实验结果表明, 随着Ga掺杂量的进一步增加, Ga离子占据了ZnO晶格上的空位, 增加了界面态密度, 提高了肖特基势垒高度, 一方面降低了 ZnO压敏电阻的泄漏电流密度, 另一方面抑制了耗尽层中自由电子的迁移, 提高了ZnO压敏电阻在高荷电率环境下的稳定特性. Al离子固溶到ZnO晶格当中, 产生大量的自由电子, 降低了ZnO晶粒的电阻率, 从而有效降低了ZnO压敏电阻在通过大电流时的残压比. 当Ga的掺杂摩尔分数达到0.6%时, 泄漏电流密度为0.84 μA/cm2, 残压比为1.97, 非线性系数为66, 其肖特基势垒高度为1.81 eV. 在115 ℃环境下, 对试验样品施加87%E1 mA, 89%E1 mA和91%E1 mA的交流加速老化电压, 老化时间为1000 h, 老化系数分别为0.394, 0.437和0.550. 此研究将有助于进一步提高ZnO避雷器的保护水平, 实现深度限制电网过电压, 提高电力系统的安全稳定性.
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2023, 72 (6): 067501.
doi:10.7498/aps.72.20222053
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BiFeO3作为一种具有体光伏效应的室温多铁材料, 是近年来多功能材料领域的研究热点. 其中磁、光、电等多种性能之间耦合作用的共存带来了丰富而复杂的物理内涵. 利用脉冲激光沉积在导电玻璃(SnO2:F, FTO)衬底上沉积了BiFeO3薄膜, 实验结果表明, 该薄膜具有良好的铁磁和铁电性能, 并通过磁场实现了对薄膜光电性能的调控. 在标准太阳光照的同时施加1.3 kOe (1 Oe = 103/(4π) A/m)磁场下, 磁-光电流变化率达到232.7%. BiFeO3薄膜中的磁-光电流效应来自于光磁电阻效应, 即光生电子在磁场作用下成为自旋光电子, 在材料导带运动过程中受到自旋相关散射而具有光磁电阻效应; 此外, 磁场作用使这些自旋光电子受到的畴壁散射减弱也进一步增强了磁光电流效应. 本文为磁场、光场调控多铁性薄膜的磁、光、电等物理特性提供了参考, 为多功能光电材料领域的器件研究与应用提供了基础.
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2023, 72 (6): 067502.
doi:10.7498/aps.72.20221577
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微电子器件具有广泛的应用前景, 为了使微电子器件具有优良的高频特性, 同时具有高饱和磁化强度、低矫顽力以及高电阻率软磁薄膜的研发成为其中的关键. 本文采用射频原子源辅助真空热蒸发方法制备了不同N原子含量的Fe-Fe3N软磁薄膜. 高饱和磁化强度Fe3N相含量和(102)取向度的增大, 使薄膜的饱和磁化强度增大, 相比于Fe薄膜, 饱和磁化强度提高了55.2%, 达到1705.6 emu/cm3(1 emu/cm3= 103A/m). 此外, Fe3N(102)取向度的增大会产生较大的晶格错配, 阻碍Fe和Fe3N晶粒的生长, 使薄膜晶粒尺寸降低, 矫顽力(50.3 Oe (1 Oe = 103/(4π) A/m))比Fe薄膜降低了68.6%. 同时, 较大的晶格错配也会促进载流子散射, 提高了Fe-Fe3N薄膜电阻率, 使得其电阻率(8.80 μΩ·m)比Fe薄膜增大了7倍. 因此, 本文为高饱和磁化强度、低矫顽力以及高电阻率软磁薄膜的研发提供了新方法.
2023, 72 (6): 067701.
doi:10.7498/aps.72.20222190
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提出了双轴错配应变调节的对称双栅负电容场效应晶体管的电学特性的解析模型, 然后基于该模型对比研究了铁电层厚度和双轴错配应变分别对基于PbZr0.5Ti0.5O3和CuInP2S6材料的两种负电容场效应晶体管的电学性能的影响. 结果表明: 对于基于PbZr0.5Ti0.5O3的负电容场效应晶体管, 当增加其铁电层厚度或施加压缩应变时, 其亚阈值摆幅和导通电流得到改善, 但施加拉伸应变具有相反的作用. 对于基于CuInP2S6的负电容场效应晶体管, 在增加铁电层厚度或施加拉伸应变时性能有所改善, 但器件在压缩应变下是滞后的. 比较两者发现, 在低栅极电压下, 基于CuInP2S6的负电容场效应晶体管比基于PbZr0.5Ti0.5O3的负电容场效应晶体管表现出更好的性能.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2023, 72 (6): 068201.
doi:10.7498/aps.72.20222183
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氦气(He)在众多科学和工业领域中都具有非常广泛的应用, He资源的短缺和需求的不断增长使得He分离具有极其重要的意义. 石墨烷合成简单、晶体结构稳定, 是一种用于构建气体分离膜的潜在理想二维材料. 本文通过第一性原理计算, 对四种具有不同尺寸冠醚孔的石墨烷膜(crown ether graphane-n, CG-n,n= 3, 4, 5, 6)的He分离性能进行了研究. 计算结果表明, 四种冠醚石墨烷结构都具有较高的热力学、化学稳定性, 并且CG-5和CG-6具有合适的孔径, 可用于He的有效筛分. 在11种气体分子(He, Ne, Ar, H2, CO, NO, NO2, N2, CO2, SO2和CH4)中, He最容易通过CG-n膜, 其能垒分别为4.55, 1.05, 0.53和0.01 eV. 据我们所知, He通过CG-6的能垒是迄今为止报道的最低值, 将可显著地提升He的分离效率. 基于阿伦尼乌斯方程的选择性计算结果表明, CG-5在较宽的温度范围内(0—600 K)都表现出优异的He选择性(相对于其他10种气体), 而CG-6由于冠醚环孔径较大, 仅相对于部分气体分子具有较好的He选择性. 本研究同时分析了膜孔径大小、气体分子动力学直径和气体分子类型对冠醚石墨烷膜的He分离性能影响的协同机制. 因此, 孔径合适的冠醚石墨烷膜(CG-5和CG-6)是一类潜在的选择性高、性能优异的 He分离膜.
2023, 72 (6): 068202.
doi:10.7498/aps.72.20221784
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采用Barkley模型研究了径向电脉冲对可激发介质中螺旋波脱钉的影响. 数值模拟结果表明, 径向电脉冲可成功地帮助螺旋波从缺陷上脱钉. 单次径向电脉冲可以在弱激发区域成功地帮助螺旋波从缺陷上脱钉, 但在激发性强的介质中则不能帮助螺旋波实现脱钉. 单次径向电脉冲的脱钉参数空间大于均匀电场和抗心动过速起搏方法的脱钉参数空间. 多次径向电脉冲可在可激发介质中整个螺旋波存在的参数空间脱钉. 对比其他使用电场脱钉的方法, 采用径向电脉冲方法脱钉具有电场强度低、成功率高和脱钉参数空间大等优点. 并且采用本方法脱钉时, 其成功率对螺旋波在缺陷上的钉扎相位不敏感. 我们希望本方法能为临床中治疗相关心脏疾病提供一种新思路.
2023, 72 (6): 068401.
doi:10.7498/aps.72.20222255
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在热电效应的研究中, Kelvin关系建立了Seebeck系数与Peltier系数之间的桥梁, 它将热电材料的制冷与发电性能纳入了统一的评价体系, 并且大大地简化了热电性能测量的过程. 然而非线性Peltier效应的理论研究以及部分实验研究表明, Seebeck系数与Peltier系数之间不一定满足Kelvin关系. Peltier系数的精确测量是验证Kelvin关系以及研究非线性Peltier效应的基础, 但目前其实验研究较少. 本文基于低温电输运测试平台搭建一种采用悬臂梁结构的Peltier系数测量装置. 通过测量通电后Bi2Te3块体样品表面沿热流方向相邻两点的温差, 得到通电前后的稳态温差以及通电过程中温差随时间的瞬态变化的曲线, 利用稳态法和瞬态法分别得到Peltier系数. 通过测量, 不仅仅可以得到材料的Peltier系数, 还能得到测量接触点的界面电阻等信息. 研究表明, 在各温度下, 稳态法和瞬态法测量的Peltier系数是可以相互印证的, 验证了本实验中测量装置和方法的可靠性. 碲化铋样品Peltier系数的测量值与Kelvin关系式计算的理论值随温度的变化趋势是一致的, 测量值比理论值约大 20%.
2023, 72 (6): 068701.
doi:10.7498/aps.72.20222206
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现实世界中的流行病爆发往往伴随着急剧的信息扩散, 扩散的信息会改变个体行为模式, 反过来又影响流行病传播. 近年来研究发现社交网络中的社团结构对流行病传播也有重要影响. 因此, 考虑结合上述因素来构建一种新的双层网络, 采用活跃性驱动模型生成时变的线上信息接触层网络和线下物理接触层网络, 再利用个体在线上接触层的信息扩散来影响线下物理接触层的流行病传播动态, 以个体流动性因素来控制社团结构特性. 为得到整个网络的传播动力学方程并有效分析网络的传播阈值, 对微观马尔可夫链(micro-scopic Markov chain, MMC)方法进行改进并将其扩展到时变网络. 使用蒙特卡罗(Monte Carlo, MC)模拟进行了实验验证, 显示出所提方法对流行病爆发阈值的预测具有高准确性. 结果表明个体流动性对流行病爆发阈值没有影响, 但会影响每个社团的最终感染人数, 而线上接触层的个体接触能力越大和线下接触层的个体接触能力越小则可以有效抑制流行病传播. 这些发现可对有效防控现实世界中的流行病传播起到重要的参考和借鉴作用.
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2023, 72 (6): 068702.
doi:10.7498/aps.72.20222441
摘要 +
p53蛋白是一种与细胞周期停滞和细胞凋亡有关的蛋白质. 在受到细胞压力或环境扰动后, p53促进下游多个靶基因的转录, 介导肿瘤抑制. MDM2是主要的E3泛素连接酶, 也是p53的负调控因子. MDM2可促进p53的泛素化和核输出, 抑制p53的抑癌活性. 因此MDM2对p53的负调控始终是肿瘤治疗中急切需要解决的问题. Nutlin-3a是被证明可以有效抑制p53-MDM2相互作用的小分子抑制剂. 本文使用全原子分子动力学模拟, 研究Nutlin-3a对p53-MDM2复合物的稳定性的影响. 结果表明, 通过引起p53和MDM2间Phe19-Gln72的氢键和Glu17-Lys94的盐桥发生的断裂, Nutlin-3a可以削弱p53和MDM2间的相互作用. 我们的工作对Nutlin-3a小分子抑制剂的作用机制进行了说明, 揭示了抗癌药物Nutlin-3a介导的p53-MDM2复合物亲和力降低的分子机制, 并为针对p53蛋白的有效抗癌治疗提供了理论基础.
2023, 72 (6): 068703.
doi:10.7498/aps.72.20221332
摘要 +
对碳原子在硬质合金(WC-Co)表面的自组装及石墨烯生长过程进行了分子动力学模拟. 揭示石墨烯生长中的碳原子沉积、不同长度碳链形成, 以及碳链向多边形转变和石墨烯缺陷愈合及自修复过程. 研究温度和碳沉积速率对高质量石墨烯生长的影响. 模拟结果发现, 低温生长的石墨烯缺陷较多, 质量较低; 高温有助于石墨烯生长, 但是高温会对基底造成损伤, 使生长的石墨烯表面平整度降低. 较高的沉积速率, 获得较高的石墨烯形核率, 分布较为均匀, 但是存在较多的缺陷, 而低的沉积速率有助于碳原子的迁移, 导致碳原子出现团聚, 降低石墨烯质量. 因此, 选择合适的沉积温度和沉积速率有助于生长高质量石墨烯. 仿真优化参数即沉积温度为1300 K, 沉积速率为10 ps/C时, 生长的石墨烯表面平整度较高(RMS = 1.615), 且保持着数目较多的基本单元(N= 71), 质量较好.
地球物理学、天文学和天体物理学
2023, 72 (6): 069101.
doi:10.7498/aps.72.20222063
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岩石孔隙中常常含有两相或多相流体, 了解弹性波作用下流体压力扩散对弹性波频散和衰减的影响对于地球资源探测至关重要. 本文建立了由一种骨架和两种流体组成的非饱和双重孔隙介质模型, 推导了考虑毛细管压力作用的, 包含宏观全局流和中观局域流两种机制的弹性波传播方程. 利用平面波分析的方法分析了三种纵波(P1, P2和P3波)和一种横波(S波)的频散和衰减特性, 并重点讨论了嵌入体半径、饱和度、渗透率和孔隙度等孔隙介质参数对其中P1波传播特性的影响. 经理论分析验证, 该模型在特定参数条件下可退化为经典Biot饱和流体孔隙模型. 根据数值模拟结果, 低频P1波速度会出现低于Gassmann-Wood低频极限的现象, 这是由于在考虑宏观尺度上流体间毛细管力作用的情况下, 全局流和局域流的耦合作用加速了孔隙压力的平衡过程, 使得岩石不排水的基本假设不再成立; 孔隙介质参数与弹性波频散和衰减之间是复杂的非线性关系; 与仅考虑宏观全局流机制的Santos模型相比, 本模型预测的岩石弹性模量在低频段与实际岩心测量数据较吻合, 证实了该模型在地震勘探速度场建模方面具有更好的可靠性.
2023, 72 (6): 069201.
doi:10.7498/aps.72.20221985
摘要 +
由于大气湍流的存在, 当光束在大气中传播时会发生相位起伏、光强闪烁等一系列湍流效应现象, 严重制约光电系统的性能, 是造成天文观测困难的主要原因. 大气折射率结构常数
$C_n^2$
廓线是评估大气湍流效应的重要参数. 本文归纳了几种有代表性的
$ C_n^2 $
廓线模式, 提出了修正的CLEAR I夜晚模式; 分析了高美古、拉萨、大柴旦、茂名、荣成等5个实验点探空测量数据, 给出了5个实验点算术平均拟合的
$ C_n^2 $
廓线公式; 计算了各模式和测量数据在波长为0.5 μm时的大气相干长度
$ {r_0} $
、视宁度
$ {\varepsilon _{{\text{FWHM}}}} $
、等晕角
$ {\theta _0} $
、相干时间
$ {\tau _0} $
、等效高度
$ \overline h $
和等效风速
$ \overline V $
等大气光学参数以及各大气层
$ C_n^2 $
递减率和不同大气层湍流贡献百分比. 重点对H-V(5/7)模式的存疑、
$ C_n^2 $
廓线模式采用的平均方法、低平流层
$ C_n^2 $
是否具有统一的递减率等问题进行讨论并给出答案.
