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Vol.74 No.6
2025年03月20日
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非线性薛定谔方程(NLSE)在量子力学、非线性光学、等离子体物理、凝聚态物理、光纤通信和激光系统设计等多个领域中都具有重要的应用, 其精确求解对于理解复杂物理现象至关重要. 本文深入研究了传统的有限差分法(FDM)、分步傅里叶法(SSF)与智能算法中的物理信息神经网络(PINN)方法, 旨在高效且准确地求解光纤中的复杂NLSE. 首先介绍了PINN方法对NLSE的求解方法、步骤和结果, 并对比了FDM, SSF, PINN方法对复杂NLSE求解与脉冲远距离脉冲传输的误差. 然后, 讨论了PINN不同网络结构和网络参数对NLSE求解精度的影响, 还验证了集成学习策略的有效性, 即通过结合传统数值方法与PINN的优势, 提高NLSE求解的准确度. 最后, 采用上述算法研究了不同啁啾的艾里脉冲在光纤中的演化过程与保偏光纤对应的矢量非线性薛定谔方程(VNLSE)求解过程及结果误差. 本研究通过对比FDM, SSF, PINN在求解NLSE时的特点, 提出的集成学习方案在脉冲传输动力学研究和数据驱动仿真方面具有重要的应用.
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在活性布朗粒子系统中, 速度的自发对齐是可实现的, 但其机制及影响因素尚需进一步研究. 本文主要探讨了具有吸引性相互作用的活性布朗粒子系统中的团簇行为和自发全局速度对齐现象. 吸引性相互作用和自推进作用的耦合导致粒子趋向于与周围粒子速度对齐. 通过数值模拟, 本文发现自推进作用与吸引性相互作用之间的竞争显著影响团簇的形成及其结构, 系统中会出现网状团簇、块状团簇、粒子离散分布或形成不稳定团簇, 并进而影响自发速度对齐程度. 其中, 块状团簇结构最有利于自发速度对齐的实现. 随着自推进作用在竞争中逐渐占优, 中低填充分数系统中速度对齐程度呈现增加-稳定-下降的趋势, 而高填充分数系统则表现为先稳定后下降的趋势. 系统形成单一块状团簇时, 能够实现自发全局速度对齐.
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基于第一性原理思想, 采用量子动力学方法对机器学习的迭代运动过程进行建模. 在机器学习的参数空间定义广义目标函数, 利用Schrödinger方程和势能等效得到机器学习过程的量子动力学方程, 通过Wick转动进一步建立了量子动力学与热动力学的关系, 这为利用物理理论和数学理论对机器学习的迭代过程进行研究提供了可能. 本文工作将机器学习的迭代过程转化为含时偏微分方程来进行精确数学表述, 该方程表明机器学习过程可能存在多尺度的退火过程和同一尺度下的时间演化过程. 利用量子动力学方程证明了机器学习在时间演化时的收敛性, 解释了机器学习中的扩散模型是量子动力学方程在经典近似和低阶泰勒近似下的映射模型, 导出了人工智能中常用的Softmax和Sigmoid函数. 这些结果表明量子动力学方法在研究机器学习理论中是有效的.
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铍金属与氧化铍都是重要核材料, 铍的中子核反应数据对核能研发具有重大意义. 宏观检验是核数据评价过程的重要环节, 对确保核数据的可靠性与精确度至关重要. 临界基准实验是目前核数据宏观检验最重要的标准. 但此前研究发现, 两个高度相似的铍反射层临界基准实验系列HMF-058与HMF-066在检验铍的中子反应数据时给出了矛盾的结论, 不能指出铍相关数据的改进方向, 导致这两个系列共14个实验无法被用于高精度的核数据检验. 出射中子角分布是反应堆物理计算中的关键物理量, 但核数据宏观检验中对其的关注度较低. 本文通过改进铍(n, n)与(n, 2n)反应的出射中子角分布数据提升了两个系列的理论计算与实验测量值的一致性. 基于改进的核数据, 所有计算与实验测量值的偏差均在1σ实验不确定度范围内, 因此无法在此不确定度内拒绝两个系列实验的一致性. 结合最新的整套铀核数据, 两者的一致性还有少许提升. 若要得出两个系列期望值系统性差异的结论, 仍需降低实验不确定度或开展更高精度的实验.
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分子离子广泛存在于行星大气的电离层中, 其碎裂可以产生多个离子和中性碎片. 研究末态产物的动能分布和生成机理, 可以促进理解行星大气的逃逸等天文现象. 本文开展了电子碰撞乙烷的双电离碎裂实验, 重点研究了$ {{\text{C}}_2}{\text{H}}_6^{2 + } $离子C—C键断裂后形成$ {\text{CH}}_3^ + /{\text{CH}}_2^ + /{\text{H}} $ 的三体解离通道. 直接测量了$ {\text{CH}}_3^ + $和$ {\text{CH}}_2^ + $离子的三维动量, 然后利用动量守恒重构了H的动量. 通过动能释放谱、Dalitz图、牛顿图分析了三体碎裂的解离机制. 发现协同解离是产生该通道的主要机制, 另有部分次序解离的贡献, 其第一步是$ {{\text{C}}_2}{\text{H}}_6^{2 + } $解离生成H和亚稳态$ {{\text{C}}_2}{\text{H}}_5^{2 + } $, 第二步是$ {{\text{C}}_2}{\text{H}}_5^{2 + } $碎裂生成$ {\text{CH}}_3^ + $和$ {\text{CH}}_2^ + $. 实验发现H原子动能分布较广, 最高能量甚至达到10 eV, 远高于土卫六大气的逃逸能量, 因而该解离路径对H逃逸过程有贡献.
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完美矢量涡旋光束除具有螺旋相位、环状强度分布及非均匀偏振分布外, 其亮环半径及环宽度恒定, 不受拓扑荷数变化的影响, 且同时携带自旋角动量和轨道角动量, 因此在很多光学领域具有重要应用. 超构表面作为一种亚波长结构排列而成的平面光学器件, 能够精准调控电磁波的相位、偏振和振幅, 为集成化矢量光场调控器件的实现提供变革性解决方案. 然而, 现有超构表面在生成产生多通大容量、偏振和轨道角动量独立操控的完美矢量涡旋光束方面仍面临严峻挑战. 为此, 本文基于超构表面平台, 利用纯几何相位调制的自旋多路复用方案, 通过叠加两正交偏振完美涡旋光束, 实现了多通大容量完美矢量涡旋光束. 通过调控两正交偏振完美涡旋光束的初始相位差、振幅比及拓扑荷数, 实现了具备任意偏振阶次和偏振分布特性的完美矢量涡旋光束; 通过精心设计超构表面相位分布及光束传播路径, 生成了多重完美矢量涡旋光束阵列. 此外, 基于完美矢量涡旋光束偏振阶次和偏振态两个并行维度, 本文成功演示了一种兼具安全性高和强鲁棒性的光学信息加密方案. 该工作旨在建立一个超紧凑、稳健的平台, 以在中红外波段生成多通大容量完美矢量涡旋光束, 推动其在光学加密、粒子操控和量子光学等领域的应用.
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光子轨道角动量(OAM)为光通信提供了新的高维自由度, 有望提高光信息传输系统信道容量, 解决当前通信资源紧张的问题. OAM键控(OAM-SK)是一种新型的信息传输机制, 其中, 对OAM模式的有效识别和检测是实现OAM-SK译码的核心技术之一. 本文提出了一种基于对数极坐标变换的OAM译码系统, 首先通过设计的坐标变换光栅进行映射, 再引入优化的相位校正光栅进行补偿, 最后采用一个傅里叶变换透镜实现了OAM模式的分离. 对系统在不同光栅参数下的分束效果进行数值评估, 在实验中成功实现了–35—+31阶轨道角动量模式的分束. 进一步地, 基于该OAM解复用系统, 搭建了自由空间光数据传输演示系统. 通过引入特定译码规则, 有效克服了对数极坐标变换存在的相邻模式混叠的问题, 实现了748934个码元的无误码传输. 本文结果为未来高容量光通信系统的发展提供了支持.
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湿度环境下的气溶胶粒子群具有形状不一、成分不同、密度不等、复折射率多样、吸湿性参数不唯一、长短轴比不固定等复杂的微物理特性, 并且这些物理量会直接影响激光的传输和散射特性. 基于湿度环境下气溶胶粒子存在的各种可能性, 本文充分考虑了气溶胶粒子的形态(球形、扁椭球形、长椭球形、不规则形)、尺度谱、复折射率、密度、长短轴比及其分布模型、吸湿性参数等理化特性的多样性, 构建了一种复杂外混合气溶胶粒子群的光散射模型. 基于该光散射模型, 数值分析典型激光波长(0.78, 0.905, 1.064, 1.55, 2.1 μm)入射下不同混合比例和相对湿度对消光系数、单次散射反照率、不对称因子、散射相矩阵、后向散射系数、激光雷达比、线性退偏比等光学特性的影响. 结果表明: 消光系数、相函数P11对混合比例和相对湿度均表现出较强的敏感性, 且随着相对湿度的增大, 消光系数和相函数P11的前向散射也随之增大; 相比混合比例, 单次散射反照率、不对称因子对相对湿度更加敏感; 不同散射角处的线偏振、圆偏振特性对相对湿度和波长的敏感性差异显著; 后向散射系数和激光雷达比成反比, 且它们对混合比例和相对湿度均比较敏感, 相对湿度对线性退偏比的影响较大, 而混合比例的影响较弱. 本文所提出的复杂气溶胶光散射模型进一步丰富了气溶胶光学特性的研究, 为研究不同湿度环境下的大气物理、遥感探测、光通信等应用提供了理论支撑.
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滤波技术是数字离轴全息精确相位重建的关键. 由于CCD分辨本领和离轴全息技术本身的限制, 台阶型相位物体在全息滤波过程常常伴随频谱损失、频谱混叠, 以及全息图被截取非整数周期时的频谱泄漏问题. 目前频域滤波在针对单幅全息图的自适应滤波方面已有很多研究, 但上述问题都无法得到根本解决. 本文在分析一维空间滤波成像特性的基础上, 提出了一种在对两个正交全息图分别进行一维傅里叶变换和一维全谱滤波的基础上, 对重构的物光波利用泊松方程进行精确相位解缠绕的相位原位重建技术. 该方法从根本上避免了滤波引起的频谱损失、频谱混叠和频谱泄漏问题, 且运算过程简单、重建精度高、适合于任何形状台阶物体的三维轮廓重建, 为离轴全息的高精度相位重建提供了切实可行的途径.
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经过几十年的发展, 全息成像已成为展示信息的成熟光学技术. 然而, 仅通过光的波长和偏振作为信息传递的载体的传统全息技术, 在信息传播的安全性和容量方面存在一定的不足. 将一种新的光学维度, 轨道角动量(orbital angular momentum, OAM), 引入全息成像为这些问题提供了一个有效的解决方案. 通过使用OAM复用的全息技术进行理论分析和仿真计算, 二维图像被加密和存储. 然后三维物体被切片为多幅二维图像, 通过OAM复用的全息技术被存储于一个相位阵列中, 实现了信息存储维度的有效降低, 并且经过OAM复用的全息技术被成功复现, 因而三维全息被实现. 此外, 每幅图按照相应拓扑荷进行加密, 信息传递的安全性被显著提升. 这种具有OAM选择性的全息技术更为安全, 信息通量更大, 具有广泛的应用潜力.
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