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高平均功率(>500 W)、大脉冲能量(>1 mJ)飞秒光纤激光对包括阿秒光学在内的众多科研领域极为重要. 受限于增益光纤较小的模场面积, 多种非线性效应将从单根增益光纤放大产生的飞秒脉冲的能量限制在百微焦量级. 平均功率和脉冲能量的进一步提升需要使用相干合成技术, 将多路光纤的输出合成为一束. 本文搭建了一套基于填充孔径相干合成的高功率大能量超快光纤激光系统, 采用商用掺镱棒状光纤并利用随机并行梯度下降法实现四路放大器之间的相位锁定. 在重复频率为1 MHz时, 该相干合成系统输出平均功率为753 W, 经过光栅对压缩后的平均功率为672 W, 脉冲宽度为242 fs, 对应的脉冲能量为0.67 mJ, 系统具备良好的稳定性. 降低重复频率至500 kHz, 该系统输出压缩后的脉冲平均功率为534 W, 脉冲宽度为247 fs, 对应脉冲能量可达1.07 mJ. 脉冲的平均功率和能量均可通过增加合成路数进一步提升, 通过添加已着手研发的延迟和指向锁定系统, 有望通过八路相干合成实现平均功率超过1 kW、脉冲能量超过2 mJ的飞秒脉冲输出.
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费米-哈伯德模型是描述凝聚态物理中关联电子体系的基础模型, 与高温超导现象具有深刻联系. 近年来, 超冷原子量子模拟已成为研究该模型的重要范式, 同时多体数值计算在该模型基础物理性质的研究方面也取得了重要进展. 特别地, 最近超冷原子实验观测到三维哈伯德模型中的反铁磁相变, 是费米-哈伯德模型量子模拟的重要一步, 为理解量子磁性与高温超导之间的联系奠定了基础. 本文回顾费米-哈伯德模型的理论与实验研究进展, 侧重于三维体系, 并讨论实验的发展历程和现状, 展望未来的发展趋势.
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铁基超导体的多结构体系和丰富的磁性物理为理解非常规超导微观机理提供了广阔的平台, 其中自旋涨落被认为是超导配对的最可能媒介. 本文以铁砷化物超导体为例, 系统总结了铁基超导体自旋激发谱的非弹性中子散射研究结果, 并探讨了相关的普适规律; 重点介绍了铁砷化物超导体中低能自旋激发与超导电性的直接联系, 即中子自旋共振模的行为, 以及高能自旋激发谱的色散关系、强度分布、总体磁矩等特征, 并充分比较了与铜氧化物高温超导体的异同.
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非弹性中子散射谱是材料科学和物理学研究中的关键工具, 其通过观测中子与物质相互作用后的能量和动量变化, 揭示材料的微观动力学特性. 该技术为定量描述材料的声子色散和磁性激发提供了重要信息. 非弹性中子散射谱仪根据单色中子的选择方法, 可分为三轴谱仪和飞行时间谱仪. 三轴谱仪具有高信噪比、高灵活性, 并且对特定测量点能进行精确追踪; 而飞行时间谱仪则通过多种手段显著提升实验效率. 非弹性中子散射谱仪的应用范围相当广泛, 在磁性、超导、热电、催化等诸多材料的机理研究方面, 均体现出在推动前沿科学发展中的不可或缺性. 中国散裂中子源的高能非弹性谱仪是国内首台飞行时间中子非弹性谱仪, 凭借其创新的费米斩波器设计, 成功实现了高分辨率与多能量的共存, 同时实验可用的单束中子支数达到了国际领先水平.
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晶格动力学是众多前沿能源材料的重要物理基础. 许多优秀的能源材料具有亚晶格嵌套结构, 其晶格动力学非常复杂, 这给理解材料的物理机制带来了巨大挑战. 中子散射技术兼具高的能量和动量分辨率, 可以同时表征物质结构和复杂晶格动力学, 近年来在研究能源材料物理机制方面发挥了重要作用. 本文首先详细介绍了能源材料研究中常用的几种中子散射技术, 包括中子衍射、中子全散射、准弹性中子散射以及非弹性中子散射等. 然后, 综述了近年来以中子散射为主要表征方法在能源材料领域所取得的一些重要研究进展, 包括超离子热电材料中的超低晶格热导率、固态电解质中的离子扩散机制、压卡材料中的塑晶态相变与构型熵、光伏材料中的晶格非谐性与载流子输运以及磁卡制冷材料中的一级磁-结构相变等. 在这些能源转换与存储材料中, 晶格动力学并不是独立起作用的, 它们在宏观物理性质中的作用总是通过不同自由度如亚晶格、电荷、自旋等的复杂关联作用或相互耦合来实现的. 通过这些典型实例, 希望为能源材料与晶格动力学的进一步深入研究提供参考.
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Zintl相化合物因为其独特的晶体结构和优异的输运性能, 在能源存储及转换领域尤其是热电材料应用中受到广泛关注. 为了理解Zintl相化合物优异热电性能起源, 科研工作者们利用中子散射技术结合分子动力学模拟, 对晶格热导和电声耦合效应展开研究, 取得了一系列成果. 本文系统总结了中子散射对一些Zintl相化合物的结构及其晶格动力学的相关研究工作, 按照零维A14MPn11型化合物、一维链状化合物、二维层状AB2X2型化合物和其结构变体AB4X3型化合物, 层状ZrBeSi结构Zintl相化合物的顺序依次梳理了其低晶格热导率的物理起源. 通过中子衍射技术探讨了晶体结构、原子位移参数等信息; 围绕中子非弹性散射实验, 探讨了声子态密度的测量方法及其对Zintl相化合物动力学性质的研究. 在深入认识Zintl相化合物的同时, 揭示了其微观结构和优化材料性能, 以期对设计新型热电功能材料具有一些启发.
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光致发光光谱能够揭示半导体材料带隙、杂质能级等电子结构信息, 还可以分析界面、载流子寿命、量子效率, 在紫外-近红外波段得到广泛应用. 在约4 μm以长红外波段, 由于热背景干扰强、光致发光信号弱、探测能力低, 光致发光光谱研究长期受限. 本文介绍了利用傅里叶变换光谱仪测量光致发光光谱的常规方法, 简述了为突破红外波段困境于1989年提出、历经20多年发展的连续扫描傅里叶变换双调制光致发光光谱方法及所受机理局限; 分析了2006年报道的基于步进扫描傅里叶变换光谱仪的红外调制光致发光光谱方法的抗干扰、灵敏度、信噪比优势, 列举了国际上诸多研究组对红外调制光致发光光谱方法有效性的例证和以此取得的应用研究进展; 总结了近年来宽波段、高通量扫描成像和空间微区分辨红外调制光致发光光谱测试方法发展以及从0.56—20 μm可见-远红外宽波段覆盖到千级通道光谱高通量检测、2—3 μm微区分辨红外调制光致发光光谱技术进步, 列举了应用研究稀氮/稀铋量子阱、HgCdTe外延膜、InAs/GaSb超晶格等可见-远红外半导体材料阶段结果和合作研究典型进展. 本文展现了红外调制光致发光光谱方法先进性和宽波段、高通量扫描成像与空间微区分辨光谱测试方法有效性, 预见了未来进一步应用研究方向.
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构建耦合材料微介观结构信息的物理模型是损伤力学的发展趋势, 同时也能不断促进数值计算方法、实验技术以及理论研究的发展. 因缺乏微介观尺度孔洞分布特征的演化信息, 目前的层裂损伤模型不仅在极端加载条件下的应用受到制约, 同时也无法有效提供一些工程中十分关注的材料损伤与最后材料破碎颗粒度之间的关联信息, 因而迫切需要发展反映损伤材料内部微介观孔洞分布特征变化规律的层裂损伤模型. 通过对孔洞成核过程中各种影响因素的分析, 结合孔洞早期增长的特点, 同时考虑到解析求解方便, 本文给出了基于余弦函数形式的孔洞成核概率分布函数, 采用新的孔洞成核概率函数的解析计算结果不仅与分子动力学计算的孔洞数随时间变化结果相符, 而且与损伤发展早期的金属钽层裂实验结果也符合得很好, 也就是说, 采用新的孔洞成核概率函数可以在一定程度上反映层裂损伤早期微孔洞分布特征的变化规律.
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分数阶涡旋光束具有分数轨道角动量(fractional orbital angular momentum, FOAM)模式, 理论上可以无限增加传输容量, 因此在光通信领域具有巨大的应用前景. 然而, 分数阶涡旋光束在自由空间传播时, 螺旋相位的不连续性使其在实际应用中容易受到衍射的影响, 进而影响FOAM阶次识别的准确度, 严重制约基于FOAM的实际应用. 如何实现有衍射条件下的分数阶涡旋光的机器学习识别, 目前仍是一个亟需解决且少见诸报道的问题. 本文提出一种基于残差网络(residual network, ResNet)的深度学习(deep learning, DL)方法, 用于精确识别分数阶涡旋光衍射过程的传播距离和拓扑荷值. 实验结果表明, 该方法可以在湍流条件下识别传播距离为100 cm, 间隔为5 cm, 模式间隔为0.1的FOAM模式, 准确率为99.69%. 该技术有助于推动FOAM模式在测距、光通信、微粒子操作等领域的实际应用.
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微波等离子体推力器(microwave plasma thruster, MPT)属于电热型推力器, 其圆柱腔内等离子体过程、微波场分布与TM011模谐振状态是影响性能的重要因素. 针对前人研究的可连续调节谐振状态的千瓦级MPT, 需要开展结构固定的MPT研究, 使其调谐过程简单、谐振状态良好, 为深入研究奠定基础. 本文对结构固定的千瓦级MPT圆柱腔内等离子体过程进行分析, 探寻最佳放电条件. 计算腔体内TM011模谐振状态下的微波电场和功率密度分布, 分析其影响因素. 对圆柱腔进行精细调谐实验, 研究圆柱腔尺度和微波耦合探针尺度对谐振状态的影响. 理论分析和数值计算结果发现489 Pa压强条件下氦气放电消耗功率最低, 长径比大于1的圆柱腔内电场分布规律有利于气体放电. 调谐实验结果发现长度和半径适中的球形探针使最短圆柱腔TM011谐振状态最佳、谐振频率最接近工作频率2.45 GHz. 实验证明该腔体及匹配的探针使微波功率利用率高、氦气易放电, 其结构方案具有正确性和可靠性.
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