2012年 61卷 第5期
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2012, 61(5): 050201.
doi: 10.7498/aps.61.050201
摘要:
为了对复杂网络节点重要度进行评估,针对节点删除法、节点收缩法和介数法的不足,通过定义节点效率和节点重要度评价矩阵, 提出了一种利用重要度评价矩阵来确定复杂网络关键节点的方法.该方法综合考虑了节点效率、节点度值和相邻节点的重要度贡献,用节点度值和效率值来表征其对相邻节点的重要度贡献,其优化算法的时间复杂度为O(Rn2). 实验分析表明该方法可行有效,对于大型复杂网络可以获得理想的计算能力.
为了对复杂网络节点重要度进行评估,针对节点删除法、节点收缩法和介数法的不足,通过定义节点效率和节点重要度评价矩阵, 提出了一种利用重要度评价矩阵来确定复杂网络关键节点的方法.该方法综合考虑了节点效率、节点度值和相邻节点的重要度贡献,用节点度值和效率值来表征其对相邻节点的重要度贡献,其优化算法的时间复杂度为O(Rn2). 实验分析表明该方法可行有效,对于大型复杂网络可以获得理想的计算能力.
2012, 61(5): 050202.
doi: 10.7498/aps.61.050202
摘要:
采用概率转移矩阵方法和电路分割理论建立了两种结构的量子元胞自动机 (QCA)加法器的容错性模型, 深入分析了各组成元件对加法器的整体容错性能的影响. 指出元件在较低的正确概率时, 传输线对整体正确概率影响较小, 而当元件正确概率较高时, 传输线的正确概率对整体正确概率的影响急剧增大, 并且在整个参数变化范围内反相器始终是影响整体正确概率的主要元件. 采用Frobenius范数对两种同一功能不同结构的QCA加法器的整体容错性能进行了比较, 发现由5输入择多逻辑门构成的QCA加法器的整体容错性能优良. 这对于目前QCA加法器的容错性设计以及今后大规模QCA电路的容错性设计具有重要意义.
采用概率转移矩阵方法和电路分割理论建立了两种结构的量子元胞自动机 (QCA)加法器的容错性模型, 深入分析了各组成元件对加法器的整体容错性能的影响. 指出元件在较低的正确概率时, 传输线对整体正确概率影响较小, 而当元件正确概率较高时, 传输线的正确概率对整体正确概率的影响急剧增大, 并且在整个参数变化范围内反相器始终是影响整体正确概率的主要元件. 采用Frobenius范数对两种同一功能不同结构的QCA加法器的整体容错性能进行了比较, 发现由5输入择多逻辑门构成的QCA加法器的整体容错性能优良. 这对于目前QCA加法器的容错性设计以及今后大规模QCA电路的容错性设计具有重要意义.
2012, 61(5): 050203.
doi: 10.7498/aps.61.050203
摘要:
研究了一类大气等离子体反应扩散模型. 利用奇摄动方法得到了问题的渐近解, 并用微分不等式理论证明了解的一致有效性.
研究了一类大气等离子体反应扩散模型. 利用奇摄动方法得到了问题的渐近解, 并用微分不等式理论证明了解的一致有效性.
2012, 61(5): 050204.
doi: 10.7498/aps.61.050204
摘要:
复变量移动最小二乘法构造形函数, 其优点是采用一维基函数建立二维问题的试函数, 使得试函数中所含的待定系数减少, 从而有效提高计算效率. 文章基于复变量移动最小二乘法和局部Petrov-Galerkin弱形式, 采用罚函数法施加边界条件, 推导相应的离散方程, 提出弹性力学的复变量无网格局部Petrov-Galerkin法. 数值算例验证了该方法的有效性.
复变量移动最小二乘法构造形函数, 其优点是采用一维基函数建立二维问题的试函数, 使得试函数中所含的待定系数减少, 从而有效提高计算效率. 文章基于复变量移动最小二乘法和局部Petrov-Galerkin弱形式, 采用罚函数法施加边界条件, 推导相应的离散方程, 提出弹性力学的复变量无网格局部Petrov-Galerkin法. 数值算例验证了该方法的有效性.
2012, 61(5): 050301.
doi: 10.7498/aps.61.050301
摘要:
利用互易定理推导了考虑直达波和界面反射波时半空间分层界面上任意取向偶极子在上半空间远区辐射场的解析表达式. 进一步考虑电偶极子距离分界面为某一高度情形, 在考虑直达波和反射波程差基础上导出相应辐射场公式. 辐射场解析表达式中分层半空间TM和TE波反射系数可以通过连分数方法或传播矩阵法计算获得. 本文推导过程物理概念清晰, 所得解析结果适于计算观察点远离界面情形下偶极子的远区辐射场. 数值计算结果表明, 利用本文结果可以快速分析半空间上方任意取向偶极子的远区辐射场.
利用互易定理推导了考虑直达波和界面反射波时半空间分层界面上任意取向偶极子在上半空间远区辐射场的解析表达式. 进一步考虑电偶极子距离分界面为某一高度情形, 在考虑直达波和反射波程差基础上导出相应辐射场公式. 辐射场解析表达式中分层半空间TM和TE波反射系数可以通过连分数方法或传播矩阵法计算获得. 本文推导过程物理概念清晰, 所得解析结果适于计算观察点远离界面情形下偶极子的远区辐射场. 数值计算结果表明, 利用本文结果可以快速分析半空间上方任意取向偶极子的远区辐射场.
2012, 61(5): 050302.
doi: 10.7498/aps.61.050302
摘要:
针对实用的量子密钥分配(QKD)系统是基于强衰减的弱激光脉冲作为单光子源, 光子数分束攻击极大限制了通信双方在非理想条件下QKD的传输距离和密钥生成率,采用大数定律对诱惑态协议中单光子的计数率、单光子增益和误码率分别进行统计涨落分析, 利用双诱惑态比较了1310 nm和1550 nm条件下,编码脉冲的长度为(N = 106-N = 1012)实际QKD协议中密钥的生成率与安全传输距离之间的关系、安全传输距离随编码长度的变化的关系, 得出脉冲编码长度增大到N = 1012时,密钥的最大安全传输距离为135 km.
针对实用的量子密钥分配(QKD)系统是基于强衰减的弱激光脉冲作为单光子源, 光子数分束攻击极大限制了通信双方在非理想条件下QKD的传输距离和密钥生成率,采用大数定律对诱惑态协议中单光子的计数率、单光子增益和误码率分别进行统计涨落分析, 利用双诱惑态比较了1310 nm和1550 nm条件下,编码脉冲的长度为(N = 106-N = 1012)实际QKD协议中密钥的生成率与安全传输距离之间的关系、安全传输距离随编码长度的变化的关系, 得出脉冲编码长度增大到N = 1012时,密钥的最大安全传输距离为135 km.
2012, 61(5): 050401.
doi: 10.7498/aps.61.050401
摘要:
从一类参数未定的一般形式的乌龟坐标变换出发, 找出了在动态Vaidya黑洞背景下能将波动方程化为标准形式且无发散的乌龟坐标所满足的条件. 结果表明, 以乌龟坐标变换为主要特征的Damour-Ruffini方法, 用来计算动态黑洞的Hawking辐射时, 只适用于事件视界, 无法应用于表观视界.
从一类参数未定的一般形式的乌龟坐标变换出发, 找出了在动态Vaidya黑洞背景下能将波动方程化为标准形式且无发散的乌龟坐标所满足的条件. 结果表明, 以乌龟坐标变换为主要特征的Damour-Ruffini方法, 用来计算动态黑洞的Hawking辐射时, 只适用于事件视界, 无法应用于表观视界.
2012, 61(5): 050501.
doi: 10.7498/aps.61.050501
摘要:
研究了噪声驱动的基因选择模型中的延迟效应. 据小延迟方法和随机等价法则得到相应的延迟Fokker-Planck方程, 给出稳态概率分布函数的近似表达式. 分析了在噪声驱动下, 延迟时间对系统稳态性质的影响. 结果表明: 延迟时间可以诱导系统从单稳态向双稳态转化, 发生相变; 在基因选择过程中, 延迟时间有利于从基因群体中选择出某一单倍体基因. 数值模拟结果与理论预测基本符合.
研究了噪声驱动的基因选择模型中的延迟效应. 据小延迟方法和随机等价法则得到相应的延迟Fokker-Planck方程, 给出稳态概率分布函数的近似表达式. 分析了在噪声驱动下, 延迟时间对系统稳态性质的影响. 结果表明: 延迟时间可以诱导系统从单稳态向双稳态转化, 发生相变; 在基因选择过程中, 延迟时间有利于从基因群体中选择出某一单倍体基因. 数值模拟结果与理论预测基本符合.
2012, 61(5): 050502.
doi: 10.7498/aps.61.050502
摘要:
分数阶系统具有更大的密钥空间, 然而异结构的分数阶系统在保密通信领域更具有普遍性, 因此, 研究异结构的分数阶同步问题具有重要的意义. 本文讨论了分数阶超混沌Chen系统和分数阶超混沌Rssler系统的异结构同步问题, 基于分数阶系统稳定性理论, 应用主动控制同步法和自适应控制同步法来设计各自不同的控制器, 使得响应系统和驱动系统同步. 数值仿真表明了本文所研究方法的可行性和有效性.
分数阶系统具有更大的密钥空间, 然而异结构的分数阶系统在保密通信领域更具有普遍性, 因此, 研究异结构的分数阶同步问题具有重要的意义. 本文讨论了分数阶超混沌Chen系统和分数阶超混沌Rssler系统的异结构同步问题, 基于分数阶系统稳定性理论, 应用主动控制同步法和自适应控制同步法来设计各自不同的控制器, 使得响应系统和驱动系统同步. 数值仿真表明了本文所研究方法的可行性和有效性.
2012, 61(5): 050503.
doi: 10.7498/aps.61.050503
摘要:
研究了Holmes型Duffing方程的混沌特性用于信号检测的方法,针对该方法只适用检测特定频率成分信号、方程参数选择不便以及噪声影响检测结果等情况,提出基于Duffing振子的变尺度微弱特征信号检测方法. 数值分析表明,该方法可以仅用一组确定的参数条件,检测任意频率、任意相位的特征信号.
研究了Holmes型Duffing方程的混沌特性用于信号检测的方法,针对该方法只适用检测特定频率成分信号、方程参数选择不便以及噪声影响检测结果等情况,提出基于Duffing振子的变尺度微弱特征信号检测方法. 数值分析表明,该方法可以仅用一组确定的参数条件,检测任意频率、任意相位的特征信号.
2012, 61(5): 050504.
doi: 10.7498/aps.61.050504
摘要:
研究了一类噪声诱导的二维复时空系统的同步问题.首先讨论了二维复Ginzburg-Laudau(CGL) 方程随时间和空间变化的时空混沌特性;其次,研究了时空噪声驱动下CGL系统的同步问题.理论上利用线性稳定性分析,得到了常数激励下CGL系统达到稳定态的临界强度;结合噪声的随机性和非零均值特性, 揭示了噪声诱导同步的机理;并从理论上和数值上分别给出了达到同步所需要的控制参数和噪声强度满足的条件,实现了两个非耦合CGL系统的完全同步.结果表明,数值模拟和理论分析有很好的一致性.
研究了一类噪声诱导的二维复时空系统的同步问题.首先讨论了二维复Ginzburg-Laudau(CGL) 方程随时间和空间变化的时空混沌特性;其次,研究了时空噪声驱动下CGL系统的同步问题.理论上利用线性稳定性分析,得到了常数激励下CGL系统达到稳定态的临界强度;结合噪声的随机性和非零均值特性, 揭示了噪声诱导同步的机理;并从理论上和数值上分别给出了达到同步所需要的控制参数和噪声强度满足的条件,实现了两个非耦合CGL系统的完全同步.结果表明,数值模拟和理论分析有很好的一致性.
2012, 61(5): 050601.
doi: 10.7498/aps.61.050601
摘要:
利用电磁场微波理论, 对简化近似后的被动型氢脉泽微波腔模型建立了微波腔频率谐振方程、无载Q值以及填充因子的解析表达式. 通过计算找到了无载Q值与填充因子乘积最大时的微波腔尺寸. 实验表明, 新设计的微波腔的各项性能完全满足被动氢脉泽的使用要求. 该腔体的无载Q值达到9800, 填充因子值达到1.2, 并且该微波腔的原子填充区域是已有文献报道中体积最大的.
利用电磁场微波理论, 对简化近似后的被动型氢脉泽微波腔模型建立了微波腔频率谐振方程、无载Q值以及填充因子的解析表达式. 通过计算找到了无载Q值与填充因子乘积最大时的微波腔尺寸. 实验表明, 新设计的微波腔的各项性能完全满足被动氢脉泽的使用要求. 该腔体的无载Q值达到9800, 填充因子值达到1.2, 并且该微波腔的原子填充区域是已有文献报道中体积最大的.
2012, 61(5): 050701.
doi: 10.7498/aps.61.050701
摘要:
报道了基于激光吸收光谱学原理的天然气管道泄漏移动遥测技术,通过模拟天然气泄漏实验, 分析了移动遥测的关键技术问题.为了定量遥测天然气管道微量泄漏,引入一个和剩余幅度调制(RAM) 等值反相的信号对偏差进行补偿,降低RAM对谐波信号的影响,提高系统检测灵敏度. 针对遥测回波吸收光谱特征,提出了改进软阈值小波去噪法,就提高系统信噪比而言, 比传统软阈值去噪法高2倍多,同时对二次谐波(2f)信号形状也有很好的保留,通过探测限计算, 系统移动遥测灵敏度达到80 ppm/m.
报道了基于激光吸收光谱学原理的天然气管道泄漏移动遥测技术,通过模拟天然气泄漏实验, 分析了移动遥测的关键技术问题.为了定量遥测天然气管道微量泄漏,引入一个和剩余幅度调制(RAM) 等值反相的信号对偏差进行补偿,降低RAM对谐波信号的影响,提高系统检测灵敏度. 针对遥测回波吸收光谱特征,提出了改进软阈值小波去噪法,就提高系统信噪比而言, 比传统软阈值去噪法高2倍多,同时对二次谐波(2f)信号形状也有很好的保留,通过探测限计算, 系统移动遥测灵敏度达到80 ppm/m.
2012, 61(5): 050702.
doi: 10.7498/aps.61.050702
摘要:
研究了180 nm 互补金属氧化物半导体技术下的器件沟道长度对总剂量辐照效应的影响. 在其他条件如辐照偏置、器件结构等不变的情况下, 氧化层中的陷阱电荷决定了辐照响应. 浅沟槽隔离氧化层中的陷阱电荷使得寄生的侧壁沟道反型, 从而形成大的关态泄漏电流. 这个电流与沟道长度存在一定的关系, 沟道长度越短, 泄漏电流越大. 首次发现辐照会增强这个电流的沟道长度调制效应, 从而使得器件进一步退化.
研究了180 nm 互补金属氧化物半导体技术下的器件沟道长度对总剂量辐照效应的影响. 在其他条件如辐照偏置、器件结构等不变的情况下, 氧化层中的陷阱电荷决定了辐照响应. 浅沟槽隔离氧化层中的陷阱电荷使得寄生的侧壁沟道反型, 从而形成大的关态泄漏电流. 这个电流与沟道长度存在一定的关系, 沟道长度越短, 泄漏电流越大. 首次发现辐照会增强这个电流的沟道长度调制效应, 从而使得器件进一步退化.
2012, 61(5): 052901.
doi: 10.7498/aps.61.052901
摘要:
一维ZnO纳米结构由于具有比表面积大、室温下具有大激子结合能等特点而受到广泛关注. 但是如何实现纳米结构的器件一直是目前研究的一个挑战. 文章通过水热方法, 在玻璃衬底上实现了ZnO纳米线横向生长, 并制备出基于ZnO纳米线的金属-半导体-金属紫外探测器. 测量结果显示器件在365 nm处探测器的响应度达到5 A/W, 并且制备的探测器在空气中对紫外光照具有快速的响应, 其上升时间约4 s, 下降时间约5 s, 这与ZnO纳米线中的氧空位吸附和脱附水分子相关.
一维ZnO纳米结构由于具有比表面积大、室温下具有大激子结合能等特点而受到广泛关注. 但是如何实现纳米结构的器件一直是目前研究的一个挑战. 文章通过水热方法, 在玻璃衬底上实现了ZnO纳米线横向生长, 并制备出基于ZnO纳米线的金属-半导体-金属紫外探测器. 测量结果显示器件在365 nm处探测器的响应度达到5 A/W, 并且制备的探测器在空气中对紫外光照具有快速的响应, 其上升时间约4 s, 下降时间约5 s, 这与ZnO纳米线中的氧空位吸附和脱附水分子相关.
2012, 61(5): 053101.
doi: 10.7498/aps.61.053101
摘要:
采用密度泛函理论平面波超软赝势方法, 计算并分析了Mo/X(B, C, N, O, F)共掺杂TiO2体系的形成能、电子结构和光学性质, 研究了共掺杂协同效应对于计算体系光催化性能的影响机制. 首先计算出不同掺杂体系的态密度及能带结构, 利用能带理论分析了共掺杂效应对于禁带宽度的调控作用, 进而分析了共掺杂对TiO2光催化能力和稳定性的协同作用. 结合电荷密度图, 分析原子间的电荷转移情况, 得到计算体系中各原子成键状态. 最后, 结合光吸收谱线分析得出Mo/C共掺杂类型在调制TiO2体系中可见光波段的光催化性能上优势明显, 在催化作用上表现出协同效应. 本文的理论研究对共掺杂方法在TiO2光催化领域有着一定的指导意义.
采用密度泛函理论平面波超软赝势方法, 计算并分析了Mo/X(B, C, N, O, F)共掺杂TiO2体系的形成能、电子结构和光学性质, 研究了共掺杂协同效应对于计算体系光催化性能的影响机制. 首先计算出不同掺杂体系的态密度及能带结构, 利用能带理论分析了共掺杂效应对于禁带宽度的调控作用, 进而分析了共掺杂对TiO2光催化能力和稳定性的协同作用. 结合电荷密度图, 分析原子间的电荷转移情况, 得到计算体系中各原子成键状态. 最后, 结合光吸收谱线分析得出Mo/C共掺杂类型在调制TiO2体系中可见光波段的光催化性能上优势明显, 在催化作用上表现出协同效应. 本文的理论研究对共掺杂方法在TiO2光催化领域有着一定的指导意义.
2012, 61(5): 053102.
doi: 10.7498/aps.61.053102
摘要:
通过研究HOCl分子高激发振动态的动力学势, 明确了该体系的动力学特点. 研究表明, 在OCl伸缩模式和HOCl弯曲模式间存在2:1 Fermi共振的动力学模型下, HO伸缩振动模式对于上述两种振动模式的动力学势有显著影响, 且这种影响随Polyad数呈现有规律的变化. 作为定量研究, 还研究了Polyad数为24时该分子体系的动力学势与各能级的相空间轨迹. 分析表明, 相空间轨迹与动力学势中的动力学不动点有很好的对应关系. 此外, 将该Polyad数下的动力学势中的能级按照相空间轨迹的作用量积分进行分类, 明确了这些能级所处的量子环境.
通过研究HOCl分子高激发振动态的动力学势, 明确了该体系的动力学特点. 研究表明, 在OCl伸缩模式和HOCl弯曲模式间存在2:1 Fermi共振的动力学模型下, HO伸缩振动模式对于上述两种振动模式的动力学势有显著影响, 且这种影响随Polyad数呈现有规律的变化. 作为定量研究, 还研究了Polyad数为24时该分子体系的动力学势与各能级的相空间轨迹. 分析表明, 相空间轨迹与动力学势中的动力学不动点有很好的对应关系. 此外, 将该Polyad数下的动力学势中的能级按照相空间轨迹的作用量积分进行分类, 明确了这些能级所处的量子环境.
2012, 61(5): 054101.
doi: 10.7498/aps.61.054101
摘要:
通过设计一定的单元结构, 可以实现超宽带人工电磁材料. 基于蘑菇型金属结构, 提出了一种同时具有左右手通带无缝结合的超宽带双入射型复合媒质材料结构单元. 该结构由嵌入到介质板的两个反向对称的蘑菇型金属结构组成, 能够同时引发电谐振和磁谐振而得到左手通带. 通过利用CST软件仿真、等效电磁参数提取、折射率计算以及建立等效磁谐振电路模型等方法, 分析验证了该结构的双入射特性和左手特性. 仿真结果表明, 在电磁波垂直于介质板和平行于介质板入射两种情况下, 在X波段均表现出左手通带特性, 并具有1 GHz以上的左手带宽. 当电磁波垂直于介质板入射时, 在7.2 GHz9.3 GHz频段为右手通带, 在9.3 GHz11 GHz频段为左手通带; 当电磁波平行于介质板入射时, 在7.0 GHz9.0 GHz频段为右手通带, 在9.0 GHz10 GHz频段为左手通带. 在两种情况下分别于9.3 GHz与9.0 GHz处得到了零折射率, 从而构造了一种正-零-负复合媒质材料, 实现了具有3 GHz带宽的双入射超宽带平衡结构.
通过设计一定的单元结构, 可以实现超宽带人工电磁材料. 基于蘑菇型金属结构, 提出了一种同时具有左右手通带无缝结合的超宽带双入射型复合媒质材料结构单元. 该结构由嵌入到介质板的两个反向对称的蘑菇型金属结构组成, 能够同时引发电谐振和磁谐振而得到左手通带. 通过利用CST软件仿真、等效电磁参数提取、折射率计算以及建立等效磁谐振电路模型等方法, 分析验证了该结构的双入射特性和左手特性. 仿真结果表明, 在电磁波垂直于介质板和平行于介质板入射两种情况下, 在X波段均表现出左手通带特性, 并具有1 GHz以上的左手带宽. 当电磁波垂直于介质板入射时, 在7.2 GHz9.3 GHz频段为右手通带, 在9.3 GHz11 GHz频段为左手通带; 当电磁波平行于介质板入射时, 在7.0 GHz9.0 GHz频段为右手通带, 在9.0 GHz10 GHz频段为左手通带. 在两种情况下分别于9.3 GHz与9.0 GHz处得到了零折射率, 从而构造了一种正-零-负复合媒质材料, 实现了具有3 GHz带宽的双入射超宽带平衡结构.
2012, 61(5): 054102.
doi: 10.7498/aps.61.054102
摘要:
基于非均匀温度分布效应对互连延时的影响, 提出了一种求解互连非均匀温度分布情况下的缓冲器最优尺寸的模型. 给出了非均匀温度分布情况下的RC互连延时解析表达式, 通过引入温度效应消除因子, 得出了最优插入缓冲器尺寸以使互连总延时最优. 针对90 nm和65 nm工艺节点, 对所提模型进行了仿真验证, 结果显示, 相较于以往同类模型, 本文所提模型由于考虑了互连非均匀温度分布效应, 更加准确有效, 且在保证互连延时最优的情况下有效地提高了芯片面积的利用.
基于非均匀温度分布效应对互连延时的影响, 提出了一种求解互连非均匀温度分布情况下的缓冲器最优尺寸的模型. 给出了非均匀温度分布情况下的RC互连延时解析表达式, 通过引入温度效应消除因子, 得出了最优插入缓冲器尺寸以使互连总延时最优. 针对90 nm和65 nm工艺节点, 对所提模型进行了仿真验证, 结果显示, 相较于以往同类模型, 本文所提模型由于考虑了互连非均匀温度分布效应, 更加准确有效, 且在保证互连延时最优的情况下有效地提高了芯片面积的利用.
2012, 61(5): 054103.
doi: 10.7498/aps.61.054103
摘要:
为研究具有特定频段的左手材料设计方法. 首先基于传输线理论构造了一种左手材料微观构型, 采用S参数反演法进行数值仿真和等效传输线模型分析, 说明了该构型在特定的尺寸条件下具有左手特性, 并分析了尺寸参数对左手性能的影响. 进而给出了在给定频率附近具有最大带宽、较小损耗的左手材料设计优化问题的数学模型, 并给出了设计实例. 数值设计结果验证了优化模型的适用性和正确性.
为研究具有特定频段的左手材料设计方法. 首先基于传输线理论构造了一种左手材料微观构型, 采用S参数反演法进行数值仿真和等效传输线模型分析, 说明了该构型在特定的尺寸条件下具有左手特性, 并分析了尺寸参数对左手性能的影响. 进而给出了在给定频率附近具有最大带宽、较小损耗的左手材料设计优化问题的数学模型, 并给出了设计实例. 数值设计结果验证了优化模型的适用性和正确性.
2012, 61(5): 054201.
doi: 10.7498/aps.61.054201
摘要:
一些实验表明, 实际大气会偏离理想Kolmogorov模型. 本文基于广义Huygens-Fresnel原理和Toselli等提出的非Kolmogorov湍流模型, 推导出部分相干双曲正弦-Gauss (HSG)涡旋光束通过非Kolmogorov大气湍流的解析传输公式, 并用以对两束部分相干HSG涡旋光束相干叠加和非相干叠加形成的合成相干涡旋在非Kolmogorov大气湍流中的动态演化进行了研究. 结果表明, 合成光束平均光强的演化过程与非Kolmogorov湍流的广义指数, 源平面上叠加涡旋光束拓扑电荷的符号, 以及叠加方式有关. 合成相干涡旋在非Kolmogorov大气湍流中传输时会出现移动、产生和湮灭. 广义指数, 拓扑电荷符号, 以及叠加方式都会影响其演化行为. 最后, 将本文所得结果与相关文献做了比较.
一些实验表明, 实际大气会偏离理想Kolmogorov模型. 本文基于广义Huygens-Fresnel原理和Toselli等提出的非Kolmogorov湍流模型, 推导出部分相干双曲正弦-Gauss (HSG)涡旋光束通过非Kolmogorov大气湍流的解析传输公式, 并用以对两束部分相干HSG涡旋光束相干叠加和非相干叠加形成的合成相干涡旋在非Kolmogorov大气湍流中的动态演化进行了研究. 结果表明, 合成光束平均光强的演化过程与非Kolmogorov湍流的广义指数, 源平面上叠加涡旋光束拓扑电荷的符号, 以及叠加方式有关. 合成相干涡旋在非Kolmogorov大气湍流中传输时会出现移动、产生和湮灭. 广义指数, 拓扑电荷符号, 以及叠加方式都会影响其演化行为. 最后, 将本文所得结果与相关文献做了比较.
2012, 61(5): 054202.
doi: 10.7498/aps.61.054202
摘要:
应用有效折射率微扰法结合二维/三维平面波方法研究了施主和受主缺陷型H1微腔的性质, 使用修正后的有效折射率可以准确地计算微腔的腔模频率, 与三维全矢量时域有限差分法的计算结果很相近. 对于施主型H1微腔, 以介质带边为匹配标准修正的有效折射率计算的微腔腔模频率误差最小, 而对于受主型H1微腔, 匹配标准则应设置为中间带. 有效折射率微扰法既可以将计算的维度从三维降到二维, 大大减少计算所需的计算机内存和时间, 又可以保持计算结果的准确性, 这对于光子晶体微腔的广泛应用具有非常重要的价值.
应用有效折射率微扰法结合二维/三维平面波方法研究了施主和受主缺陷型H1微腔的性质, 使用修正后的有效折射率可以准确地计算微腔的腔模频率, 与三维全矢量时域有限差分法的计算结果很相近. 对于施主型H1微腔, 以介质带边为匹配标准修正的有效折射率计算的微腔腔模频率误差最小, 而对于受主型H1微腔, 匹配标准则应设置为中间带. 有效折射率微扰法既可以将计算的维度从三维降到二维, 大大减少计算所需的计算机内存和时间, 又可以保持计算结果的准确性, 这对于光子晶体微腔的广泛应用具有非常重要的价值.
2012, 61(5): 054203.
doi: 10.7498/aps.61.054203
摘要:
用时域有限差分方法对氧化孔限制型外腔式光子晶体垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 在小氧化孔下氧化孔形状对激光器模式特性的影响进行了模拟计算. 建立了三维光子晶体面发射激光器光场计算模型, 分析了氧化孔形状变化对器件远场特性与频率特性的影响. 研究发现, 氧化孔形状可影响光子晶体VCSEL的模式特性, 尤其是频谱特性. 从模场分布的角度可解释为菱形氧化孔的对称性与高阶模的不一致. 但随着光子晶体刻蚀深度的增加和氧化孔的增大, 这种影响逐渐减小, 分析解释了其原因. 研究结果为提高光子晶体面发射激光器的性能提供了参考.
用时域有限差分方法对氧化孔限制型外腔式光子晶体垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 在小氧化孔下氧化孔形状对激光器模式特性的影响进行了模拟计算. 建立了三维光子晶体面发射激光器光场计算模型, 分析了氧化孔形状变化对器件远场特性与频率特性的影响. 研究发现, 氧化孔形状可影响光子晶体VCSEL的模式特性, 尤其是频谱特性. 从模场分布的角度可解释为菱形氧化孔的对称性与高阶模的不一致. 但随着光子晶体刻蚀深度的增加和氧化孔的增大, 这种影响逐渐减小, 分析解释了其原因. 研究结果为提高光子晶体面发射激光器的性能提供了参考.
2012, 61(5): 054204.
doi: 10.7498/aps.61.054204
摘要:
为了改善高功率激光装置的靶面辐照均匀性, 在神光-Ⅲ原型装置的一路光上开展了结合光谱色散平滑(SSD) 和连续相位板(CPP)的高通量实验研究．实验基于调制频率9.2 GHz的体相位调制器开展, 输出的相位调制脉冲光谱展宽稳定, 脉冲波形顶部剩余调制很小. 结果表明SSD色循环数为1时预放和主放各级空间滤波器过孔顺利, 包含焦斑95%能量的通量对比度由窄带时的1.71下降到加SSD和CPP时的0.47．三倍频光脉宽1 ns, 能量1115 J时, CPP和终端光学组件元件未见损伤．通过实验解决了在高功率激光装置上采用SSD和CPP进行靶面均匀辐照的若干关键技术, 为将其应用于物理实验奠定了坚实基础.
为了改善高功率激光装置的靶面辐照均匀性, 在神光-Ⅲ原型装置的一路光上开展了结合光谱色散平滑(SSD) 和连续相位板(CPP)的高通量实验研究．实验基于调制频率9.2 GHz的体相位调制器开展, 输出的相位调制脉冲光谱展宽稳定, 脉冲波形顶部剩余调制很小. 结果表明SSD色循环数为1时预放和主放各级空间滤波器过孔顺利, 包含焦斑95%能量的通量对比度由窄带时的1.71下降到加SSD和CPP时的0.47．三倍频光脉宽1 ns, 能量1115 J时, CPP和终端光学组件元件未见损伤．通过实验解决了在高功率激光装置上采用SSD和CPP进行靶面均匀辐照的若干关键技术, 为将其应用于物理实验奠定了坚实基础.
2012, 61(5): 054205.
doi: 10.7498/aps.61.054205
摘要:
同步辐射X射线是扁平光, 传统显微CT难以对长样品实现快速、高分辨、低剂量三维成像, 螺旋扫描的引入可以很好地解决这一难题. 本文采用数字模拟和实验的方法较为系统地研究了螺距、光斑竖直高度和180 投影数对成像质量、速度的影响. 模拟结果表明, 在螺距不大于2的前提下, 180 投影数增大, 误差减小, CT成像速度变慢; 光斑竖直高度增大, 速度加快; 螺距增大, 速度加快, 且误差在允许范围内; 选取合适的参数值使旋转平移比为整数, 误差最小. 同时, 优化参数并在上海光源实现螺旋显微CT, 从实验上验证了模拟结果. 研究表明, 通过优化各参数, 同步辐射螺旋显微CT可以实现快速高质量三维成像, 为以后的实际应用提供了依据.
同步辐射X射线是扁平光, 传统显微CT难以对长样品实现快速、高分辨、低剂量三维成像, 螺旋扫描的引入可以很好地解决这一难题. 本文采用数字模拟和实验的方法较为系统地研究了螺距、光斑竖直高度和180 投影数对成像质量、速度的影响. 模拟结果表明, 在螺距不大于2的前提下, 180 投影数增大, 误差减小, CT成像速度变慢; 光斑竖直高度增大, 速度加快; 螺距增大, 速度加快, 且误差在允许范围内; 选取合适的参数值使旋转平移比为整数, 误差最小. 同时, 优化参数并在上海光源实现螺旋显微CT, 从实验上验证了模拟结果. 研究表明, 通过优化各参数, 同步辐射螺旋显微CT可以实现快速高质量三维成像, 为以后的实际应用提供了依据.
2012, 61(5): 054206.
doi: 10.7498/aps.61.054206
摘要:
使用脉冲光在室温下抽运一根长1 m 的高非线性光子晶体光纤, 产生了中心波长分别位于830 nm 和1411 nm的具有量子关联性的闲频与信号光子. 实验中闲频和信号通道的带宽分别是15 nm和35 nm. 对单通道光子计数率的拟合结果显示光子几乎全部来源于光纤中的自发四波混频过程, 未受到Raman散射噪声的影响. 当闲频和信号通道的光子产生率约为每脉冲0.0085个时, 测得符合计数率与随机符合计数率的比值为102, 接近理论极限, 不仅证明了光子对的低噪声性, 而且表明所产生的光子对本身具有窄带频谱特性, 因而实验中对其收集效率很高. 此外, 这种高纯度关联光子对还联接了不同波段, 在量子信息技术中有着潜在的应用.
使用脉冲光在室温下抽运一根长1 m 的高非线性光子晶体光纤, 产生了中心波长分别位于830 nm 和1411 nm的具有量子关联性的闲频与信号光子. 实验中闲频和信号通道的带宽分别是15 nm和35 nm. 对单通道光子计数率的拟合结果显示光子几乎全部来源于光纤中的自发四波混频过程, 未受到Raman散射噪声的影响. 当闲频和信号通道的光子产生率约为每脉冲0.0085个时, 测得符合计数率与随机符合计数率的比值为102, 接近理论极限, 不仅证明了光子对的低噪声性, 而且表明所产生的光子对本身具有窄带频谱特性, 因而实验中对其收集效率很高. 此外, 这种高纯度关联光子对还联接了不同波段, 在量子信息技术中有着潜在的应用.
2012, 61(5): 054207.
doi: 10.7498/aps.61.054207
摘要:
利用数值计算结果,讨论了在Y型四能级原子系统中Doppler展宽对与真空诱导相干性(VIC) 相关的探测场吸收性质的影响.研究结果表明: 当无Doppler展宽时,只有不存在VIC时才可能产生电磁感应透明(EIT)现象; VIC将导致探测场吸收的明显改变和增益产生;在VIC存在和不存在两种情况中,吸收曲线都具有关于探测场失谐对称的双峰结构. 当有Doppler展宽时,在VIC存在和不存在两种情况中都能产生EIT现象; VIC仍将导致探测场吸收的明显改变和增益产生;不管是否存在VIC,探测场吸收都具有以下特征:吸收曲线不再具有关于探测场失谐的对称性且随Doppler展宽宽度(D)值的增大而逐渐从双峰结构变为单峰结构,探测场吸收不随D值的增大而单调增大或减小,在探测场和驱动场的传播方向相反时可获得比传播方向相同时更小的探测场吸收.
利用数值计算结果,讨论了在Y型四能级原子系统中Doppler展宽对与真空诱导相干性(VIC) 相关的探测场吸收性质的影响.研究结果表明: 当无Doppler展宽时,只有不存在VIC时才可能产生电磁感应透明(EIT)现象; VIC将导致探测场吸收的明显改变和增益产生;在VIC存在和不存在两种情况中,吸收曲线都具有关于探测场失谐对称的双峰结构. 当有Doppler展宽时,在VIC存在和不存在两种情况中都能产生EIT现象; VIC仍将导致探测场吸收的明显改变和增益产生;不管是否存在VIC,探测场吸收都具有以下特征:吸收曲线不再具有关于探测场失谐的对称性且随Doppler展宽宽度(D)值的增大而逐渐从双峰结构变为单峰结构,探测场吸收不随D值的增大而单调增大或减小,在探测场和驱动场的传播方向相反时可获得比传播方向相同时更小的探测场吸收.
2012, 61(5): 054208.
doi: 10.7498/aps.61.054208
摘要:
光载无线技术是解决终端超宽带无线通信的重要方法,光信号与微波/毫米波信号的融合处理技术在光-无线的数据格式转换中至关重要.提出了一种基于相位调制信号光注入Fabry-Perot型半导体激光器实现微波副载波相位调制信号产生的方法.光学注入半导体激光器的输出光场会产生一周期(P1)振荡效应, P1振荡产生的边带实现了相位调制信号光的调制分量的放大,被放大的调制分量与注入光载波在激光器腔内拍频形成微波副载波.注入光相位的变化导致新产生的微波副载波相位变化, 实现了注入信号光相位信息转化为微波副载波相位信息.本系统完成1.3 Gb/s, 2.7 Gb/s, 2 Gb/s光相位调制信号到微波副载波相位调制信号的转换,并测量了微波的单边带相位噪声. 通过光电转换和电域混频将还原出的光基带信号与原信号进行逻辑对比,证明了数据信息转换的正确性.
光载无线技术是解决终端超宽带无线通信的重要方法,光信号与微波/毫米波信号的融合处理技术在光-无线的数据格式转换中至关重要.提出了一种基于相位调制信号光注入Fabry-Perot型半导体激光器实现微波副载波相位调制信号产生的方法.光学注入半导体激光器的输出光场会产生一周期(P1)振荡效应, P1振荡产生的边带实现了相位调制信号光的调制分量的放大,被放大的调制分量与注入光载波在激光器腔内拍频形成微波副载波.注入光相位的变化导致新产生的微波副载波相位变化, 实现了注入信号光相位信息转化为微波副载波相位信息.本系统完成1.3 Gb/s, 2.7 Gb/s, 2 Gb/s光相位调制信号到微波副载波相位调制信号的转换,并测量了微波的单边带相位噪声. 通过光电转换和电域混频将还原出的光基带信号与原信号进行逻辑对比,证明了数据信息转换的正确性.
2012, 61(5): 054209.
doi: 10.7498/aps.61.054209
摘要:
详细地介绍了计算线宽展宽因子(因子)的理论基础及推导过程, 建立了因子的简便模型. 该模型分别考虑了带间跃迁、带隙收缩和自由载流子效应对因子的影响, 利用不同载流子浓度下的增益曲线得到光子能量随载流子浓度的变化速率以及微分增益, 进而对因子进行近似计算. 模拟计算了InGaAs/GaAs量子阱激光器的增益曲线及因子的大小, 计算结果与文献报道的实验值相符. 进一步讨论了InGaAs/GaAs量子阱阱宽及In组分对因子的影响. 结果表明,因子随In组分和阱宽的增加而增加.
详细地介绍了计算线宽展宽因子(因子)的理论基础及推导过程, 建立了因子的简便模型. 该模型分别考虑了带间跃迁、带隙收缩和自由载流子效应对因子的影响, 利用不同载流子浓度下的增益曲线得到光子能量随载流子浓度的变化速率以及微分增益, 进而对因子进行近似计算. 模拟计算了InGaAs/GaAs量子阱激光器的增益曲线及因子的大小, 计算结果与文献报道的实验值相符. 进一步讨论了InGaAs/GaAs量子阱阱宽及In组分对因子的影响. 结果表明,因子随In组分和阱宽的增加而增加.
2012, 61(5): 054210.
doi: 10.7498/aps.61.054210
摘要:
Michelson腔技术是实现激光相干合成的有效方案. 利用Michelson腔技术, 实现了全光纤结构下的两路光纤激光器的相干合成, 获得了功率为11.75 W, 效率为95.76%的相干输出. 实验研究了相干合成效率与激光腔长差的关系以及抽运对称性对相干合成效率的影响. 实验表明相干合成效率极易受激光腔长差的影响, 不同腔长差下相干合成效率差异可达18%以上, 且存在最佳腔长差; 抽运对称性对相干合成效率的影响在2%以内.
Michelson腔技术是实现激光相干合成的有效方案. 利用Michelson腔技术, 实现了全光纤结构下的两路光纤激光器的相干合成, 获得了功率为11.75 W, 效率为95.76%的相干输出. 实验研究了相干合成效率与激光腔长差的关系以及抽运对称性对相干合成效率的影响. 实验表明相干合成效率极易受激光腔长差的影响, 不同腔长差下相干合成效率差异可达18%以上, 且存在最佳腔长差; 抽运对称性对相干合成效率的影响在2%以内.
2012, 61(5): 054211.
doi: 10.7498/aps.61.054211
摘要:
提出一种基于Jones矩阵的非线性偏振旋转锁模光纤激光器数值模型, 对偏振控制器波片方位角的描述具有物理意义清晰的优点. 数值仿真得到均方根宽度为0.28 ps的超短脉冲, 时域对称且振幅稳定. 搭建了非线性偏振旋转锁模光纤激光器, 系统可以自启动, 得到了重复频率为67.35 MHz的锁模脉冲输出. 数值仿真和实验结果都表明偏振控制器两个波片的方位角1和2都具有周期性, 周期分别为180和90. 由于随机双折射的影响, 实验测得的波片方位角调谐范围比数值仿真的结果小, 这一点通过在数值仿真模型中加入随机双折射的作用而得到证明.
提出一种基于Jones矩阵的非线性偏振旋转锁模光纤激光器数值模型, 对偏振控制器波片方位角的描述具有物理意义清晰的优点. 数值仿真得到均方根宽度为0.28 ps的超短脉冲, 时域对称且振幅稳定. 搭建了非线性偏振旋转锁模光纤激光器, 系统可以自启动, 得到了重复频率为67.35 MHz的锁模脉冲输出. 数值仿真和实验结果都表明偏振控制器两个波片的方位角1和2都具有周期性, 周期分别为180和90. 由于随机双折射的影响, 实验测得的波片方位角调谐范围比数值仿真的结果小, 这一点通过在数值仿真模型中加入随机双折射的作用而得到证明.
2012, 61(5): 054212.
doi: 10.7498/aps.61.054212
摘要:
采用两相法分别制备一级硫醇修饰和二级十六烷基三甲基溴化铵(CTAB) 修饰的金纳米颗粒,通过透射电子显微镜和紫外-可见吸收光谱表征了其结构和线性光学性质. 采用开孔Z扫描技术,研究表面修饰对金纳米颗粒在532 nm波长激光作用下的非线性光学效应及光限幅性能的影响行为.结果表明,二级CTAB的修饰增强了颗粒在激光照射下的局域场作用, 并提高了热电子对非线性光学效应的贡献程度,从而有效地提高了金纳米颗粒的光限幅性能.
采用两相法分别制备一级硫醇修饰和二级十六烷基三甲基溴化铵(CTAB) 修饰的金纳米颗粒,通过透射电子显微镜和紫外-可见吸收光谱表征了其结构和线性光学性质. 采用开孔Z扫描技术,研究表面修饰对金纳米颗粒在532 nm波长激光作用下的非线性光学效应及光限幅性能的影响行为.结果表明,二级CTAB的修饰增强了颗粒在激光照射下的局域场作用, 并提高了热电子对非线性光学效应的贡献程度,从而有效地提高了金纳米颗粒的光限幅性能.
2012, 61(5): 054213.
doi: 10.7498/aps.61.054213
摘要:
谐振腔因其具有选频功能而在集成光学领域具有广泛的应用. 通过两个光子晶体环形腔、四个不同尺寸的光子晶体微腔及波导之间的耦合, 实现了1310 nm, 1550 nm, 1600 nm和1650 nm 四个波长的波分解复用．时域有限差分法模拟分析的结果表明, 仅仅通过调制输出波导边缘介质柱的半径, 即可使四个波长的输出效率均达到90%以上. 所设计的器件不但效率高, 而且尺寸小(约为12 μ m× 17 μ m), 在未来的光通信领域中具有潜在的应用价值.
谐振腔因其具有选频功能而在集成光学领域具有广泛的应用. 通过两个光子晶体环形腔、四个不同尺寸的光子晶体微腔及波导之间的耦合, 实现了1310 nm, 1550 nm, 1600 nm和1650 nm 四个波长的波分解复用．时域有限差分法模拟分析的结果表明, 仅仅通过调制输出波导边缘介质柱的半径, 即可使四个波长的输出效率均达到90%以上. 所设计的器件不但效率高, 而且尺寸小(约为12 μ m× 17 μ m), 在未来的光通信领域中具有潜在的应用价值.
2012, 61(5): 054214.
doi: 10.7498/aps.61.054214
摘要:
空心Bragg光纤可广泛用于气体传感, 但要求它的传输通带处于中红外波段, 以便与待测气体的基频吸收峰匹配. 本文提出了空心Bragg光纤传输通带的一种设计方法与波长控制工艺, 可以实现传输通带在2.512 m内任意波长的空心Bragg光纤的制备. 实验制备出一阶传输通带分别在10.6 m和 3.3 m的光纤样品, 利用截断法测量出其一阶传输通带损耗分别为5.9 dB/m和8.8 dB/m. 利用在传输通带在3.3 m的样品中注入和排出甲烷/氮气混合气体, 观察到了光纤样品透射谱随注入气体浓度的变化, 并用指数稀释法初步测量了该系统的浓度探测极限约为26 ppm, 验证了该光纤应用于气体传感的可行性.
空心Bragg光纤可广泛用于气体传感, 但要求它的传输通带处于中红外波段, 以便与待测气体的基频吸收峰匹配. 本文提出了空心Bragg光纤传输通带的一种设计方法与波长控制工艺, 可以实现传输通带在2.512 m内任意波长的空心Bragg光纤的制备. 实验制备出一阶传输通带分别在10.6 m和 3.3 m的光纤样品, 利用截断法测量出其一阶传输通带损耗分别为5.9 dB/m和8.8 dB/m. 利用在传输通带在3.3 m的样品中注入和排出甲烷/氮气混合气体, 观察到了光纤样品透射谱随注入气体浓度的变化, 并用指数稀释法初步测量了该系统的浓度探测极限约为26 ppm, 验证了该光纤应用于气体传感的可行性.
2012, 61(5): 054215.
doi: 10.7498/aps.61.054215
摘要:
以民用工程结构如桥梁、大坝、高层建筑的健康检测为背景, 采用光纤光栅传感器实现对结构性能的实时监测和诊断, 及时发现结构的损伤以评估结构的安全性. 提出了一种可用于光纤光栅传感的新型弯曲伸张弹性敏感结构, 可实现对压力、应变以及加速度的准确测量. 对该结构弯梁腹部处的应变进行了理论分析和实验验证, 结果表明弯梁腹部处各点的应变与该弯曲伸张结构在竖直方向上所受压力、应变以及加速度大小成线性关系. 其最大的优点是同样灵敏度下体积小, 在井下等横向尺寸受限、又要测量纵向加速度的情况下, 梁式传感结构很可能无法使用, 该新型弯曲伸张型弹性敏感结构可作为弹性元件用于光纤光栅压力、应变、称重以及加速度传感器的设计.
以民用工程结构如桥梁、大坝、高层建筑的健康检测为背景, 采用光纤光栅传感器实现对结构性能的实时监测和诊断, 及时发现结构的损伤以评估结构的安全性. 提出了一种可用于光纤光栅传感的新型弯曲伸张弹性敏感结构, 可实现对压力、应变以及加速度的准确测量. 对该结构弯梁腹部处的应变进行了理论分析和实验验证, 结果表明弯梁腹部处各点的应变与该弯曲伸张结构在竖直方向上所受压力、应变以及加速度大小成线性关系. 其最大的优点是同样灵敏度下体积小, 在井下等横向尺寸受限、又要测量纵向加速度的情况下, 梁式传感结构很可能无法使用, 该新型弯曲伸张型弹性敏感结构可作为弹性元件用于光纤光栅压力、应变、称重以及加速度传感器的设计.
2012, 61(5): 054216.
doi: 10.7498/aps.61.054216
摘要:
利用堆积-热融合工艺,将商用聚甲基丙烯酸甲酯低损耗光纤以六方堆积的方式排列在自行设计的模具中,制备光学聚合物光纤面板预制棒后,对预制棒进行切割、拼接,研究了一种制备超大尺寸光纤面板的新技术.拼接面板样品的厚度2 mm,像素直径500 μm,总像素数 59052, 对大尺寸人或物的像具有很好的传递能力. 利用该技术制备的大尺寸拼接光纤面板,对于液晶拼接屏中拼接缝的清除以及大屏幕的保护具有不可替代的作用.
利用堆积-热融合工艺,将商用聚甲基丙烯酸甲酯低损耗光纤以六方堆积的方式排列在自行设计的模具中,制备光学聚合物光纤面板预制棒后,对预制棒进行切割、拼接,研究了一种制备超大尺寸光纤面板的新技术.拼接面板样品的厚度2 mm,像素直径500 μm,总像素数 59052, 对大尺寸人或物的像具有很好的传递能力. 利用该技术制备的大尺寸拼接光纤面板,对于液晶拼接屏中拼接缝的清除以及大屏幕的保护具有不可替代的作用.
2012, 61(5): 054301.
doi: 10.7498/aps.61.054301
摘要:
快速多极子边界元算法可以加速矩阵和向量乘法运算, 将传统边界元算法的计算量和内存占用量分别降为O(N log2N)和O(N), 适用于大型声学模型模拟计算. 本文发展了一种基于Burton-Miller方程的三维多层声学快速多极子边界元算法. 将新的自适应树状算法应用到对角形式的快速多极子边界元算法, 并使用最新提出的解析式源点矩计算公式, 进一步提高了快速多极子边界元的计算效率. 绝对软球体在内部共振频率处的散射声场计算, 验证了所发展算法在共振频率处求解的正确性. 与Bapat所提供的程序在多脉动球体辐射声场计算精度的比较, 验证了算法及程序在大型模型声学计算中的准确性, 同时显示了其求解的高效性. 最后, 将该算法用于车内声场及水下声学探测的分析计算.
快速多极子边界元算法可以加速矩阵和向量乘法运算, 将传统边界元算法的计算量和内存占用量分别降为O(N log2N)和O(N), 适用于大型声学模型模拟计算. 本文发展了一种基于Burton-Miller方程的三维多层声学快速多极子边界元算法. 将新的自适应树状算法应用到对角形式的快速多极子边界元算法, 并使用最新提出的解析式源点矩计算公式, 进一步提高了快速多极子边界元的计算效率. 绝对软球体在内部共振频率处的散射声场计算, 验证了所发展算法在共振频率处求解的正确性. 与Bapat所提供的程序在多脉动球体辐射声场计算精度的比较, 验证了算法及程序在大型模型声学计算中的准确性, 同时显示了其求解的高效性. 最后, 将该算法用于车内声场及水下声学探测的分析计算.
2012, 61(5): 054302.
doi: 10.7498/aps.61.054302
摘要:
由于孔道的双电层结构和流体-固体耦合运动, 弹性波在孔隙地层中传播时会引起电磁场. 前人提出了基于这种耦合效应的震电测井方法, 但对井中震电波的特性缺少细致的分析. 本文对孔隙地层充流体井孔中点声源激发的震电耦合波的分波进行分析, 证明了井孔流体电磁波波数不是井内震电波场支点, 计算了地层电磁波支点、横波支点和快纵波支点对应的侧面波. 在利用辐角原理求出震电波场函数的复极点之后, 针对典型砂岩地层计算了震电波场模式波(包括泄漏模式)的频散曲线和声压、电场激发曲线. 计算了各个侧面波和模式波的电场激发强度与声压激发强度的比值(电声激发比), 发现纵波的电声激发比相对于横波和模式波更高, 而Stoneley波电声激发比的辐角对渗透率敏感, 其敏感性会随频率增大而增加, 随孔隙度增大而降低.
由于孔道的双电层结构和流体-固体耦合运动, 弹性波在孔隙地层中传播时会引起电磁场. 前人提出了基于这种耦合效应的震电测井方法, 但对井中震电波的特性缺少细致的分析. 本文对孔隙地层充流体井孔中点声源激发的震电耦合波的分波进行分析, 证明了井孔流体电磁波波数不是井内震电波场支点, 计算了地层电磁波支点、横波支点和快纵波支点对应的侧面波. 在利用辐角原理求出震电波场函数的复极点之后, 针对典型砂岩地层计算了震电波场模式波(包括泄漏模式)的频散曲线和声压、电场激发曲线. 计算了各个侧面波和模式波的电场激发强度与声压激发强度的比值(电声激发比), 发现纵波的电声激发比相对于横波和模式波更高, 而Stoneley波电声激发比的辐角对渗透率敏感, 其敏感性会随频率增大而增加, 随孔隙度增大而降低.
2012, 61(5): 054303.
doi: 10.7498/aps.61.054303
摘要:
基于时空滤波理论, 采用相干函数、功率响应函数、扩展分布函数、双频函数四个系统函数较波导不变量更全面地描述了低频声场的相干结构. 理论分析、仿真研究和海试数据处理都验证了低频声场存在稳定的干涉结构, 当目标由远及近、又由近及远做匀速直线运动时, 相干函数(LOFAR图)的干涉结构为一簇类双曲线; 功率响应函数的干涉图表征了简正波群时延的差分, 体现了其频散特性; 扩展分布函数能反映LOFAR图上干涉条纹的斜率大小; 而双频函数能体现相慢度的差分. 各个系统函数均能特别突出干涉结构的某方面的特征, 各有特色.
基于时空滤波理论, 采用相干函数、功率响应函数、扩展分布函数、双频函数四个系统函数较波导不变量更全面地描述了低频声场的相干结构. 理论分析、仿真研究和海试数据处理都验证了低频声场存在稳定的干涉结构, 当目标由远及近、又由近及远做匀速直线运动时, 相干函数(LOFAR图)的干涉结构为一簇类双曲线; 功率响应函数的干涉图表征了简正波群时延的差分, 体现了其频散特性; 扩展分布函数能反映LOFAR图上干涉条纹的斜率大小; 而双频函数能体现相慢度的差分. 各个系统函数均能特别突出干涉结构的某方面的特征, 各有特色.
2012, 61(5): 054304.
doi: 10.7498/aps.61.054304
摘要:
针对常数模盲均衡算法(CMA)均衡高阶正交振幅调制信号(QAM)存在收敛速度慢、稳态误差大的缺点, 提出了基于量子粒子群优化的正交小波加权多模盲均衡算法(QPSO-WTWMMA). 该算法根据高阶QAM信号星座图分布特点, 将量子粒子群优化算法(QPSO) 和正交小波变换融入于加权多模盲均衡算法(WMMA)中. 因而, 利用QPSO对均衡器权向量进行了优化, 利用正交小波变换降低了输入信号的自相关性, 利用WMMA选择了合适的误差模型匹配QAM星座图. 理论分析及水声信道仿真结果表明, QPSO-WTWMMA算法可以获得更快的收敛速度和更低的稳态误差, 在水声通信中具有重要的参考价值.
针对常数模盲均衡算法(CMA)均衡高阶正交振幅调制信号(QAM)存在收敛速度慢、稳态误差大的缺点, 提出了基于量子粒子群优化的正交小波加权多模盲均衡算法(QPSO-WTWMMA). 该算法根据高阶QAM信号星座图分布特点, 将量子粒子群优化算法(QPSO) 和正交小波变换融入于加权多模盲均衡算法(WMMA)中. 因而, 利用QPSO对均衡器权向量进行了优化, 利用正交小波变换降低了输入信号的自相关性, 利用WMMA选择了合适的误差模型匹配QAM星座图. 理论分析及水声信道仿真结果表明, QPSO-WTWMMA算法可以获得更快的收敛速度和更低的稳态误差, 在水声通信中具有重要的参考价值.
2012, 61(5): 054305.
doi: 10.7498/aps.61.054305
摘要:
针对浅海多基地远程海底混响, 以声传播的线性信道近似理论为基础, 通过确定海底界面的不均匀起伏特性, 对入射声波的远距离异地混响脉冲响应函数进行求解. 对非水平分层介质的浅海波导, 利用绝热简正波求解信道的传输函数, 得出了小角度斜坡海底的远程海底混响强度, 以下坡海底为例, 分析对比了不同海底倾角斜坡海底对远程异地混响强度及其衰减规律的影响. 理论仿真表明, 波导的传输效应对多基地远程海底混响强度的影响不可忽略.
针对浅海多基地远程海底混响, 以声传播的线性信道近似理论为基础, 通过确定海底界面的不均匀起伏特性, 对入射声波的远距离异地混响脉冲响应函数进行求解. 对非水平分层介质的浅海波导, 利用绝热简正波求解信道的传输函数, 得出了小角度斜坡海底的远程海底混响强度, 以下坡海底为例, 分析对比了不同海底倾角斜坡海底对远程异地混响强度及其衰减规律的影响. 理论仿真表明, 波导的传输效应对多基地远程海底混响强度的影响不可忽略.
2012, 61(5): 054306.
doi: 10.7498/aps.61.054306
摘要:
为更好地识别运动声源并解决声源识别中的虚假声源问题,基于运动声源短时信号的Doppler频移特性, 建立运动声场的短时波叠加关系, 利用波束形成方法对声源点进行预估, 基于预估建立起多运动声源的动态叠加方程, 进一步通过波叠加方程的求解进行声源的计算, 从而创建一种可以用于运动声源识别的动态波叠加方法. 该方法可以有效识别运动声源, 将波叠加方法扩展到了运动声源测量领域, 并在不增加传声器数量以及改变阵列形式的条件下有效抑制运动声源重建中的旁瓣效应, 解决运动声源识别中的虚假声源问题. 仿真及实际运动声源的测量试验结果证明了该方法的有效性.
为更好地识别运动声源并解决声源识别中的虚假声源问题,基于运动声源短时信号的Doppler频移特性, 建立运动声场的短时波叠加关系, 利用波束形成方法对声源点进行预估, 基于预估建立起多运动声源的动态叠加方程, 进一步通过波叠加方程的求解进行声源的计算, 从而创建一种可以用于运动声源识别的动态波叠加方法. 该方法可以有效识别运动声源, 将波叠加方法扩展到了运动声源测量领域, 并在不增加传声器数量以及改变阵列形式的条件下有效抑制运动声源重建中的旁瓣效应, 解决运动声源识别中的虚假声源问题. 仿真及实际运动声源的测量试验结果证明了该方法的有效性.
2012, 61(5): 054701.
doi: 10.7498/aps.61.054701
摘要:
对传统的光滑粒子动力学方法进行了改进, 改进的光滑粒子动力学方法对传统粒子方法中的核近似式和粒子近似式进行了修正, 采用Riemann 算法求解光滑粒子动力学流体控制方程, 添加了表面张力的计算程序, 考虑了表面张力对液滴溅落的影响. 应用改进的光滑粒子动力学方法对液滴静止状态下冲击液面的飞溅过程进行了数值模拟. 计算结果表明, 改进的光滑粒子动力学方法能够有效地描述液滴溅落液面的动力学特性和自由表面变化特征, 能够得到稳定精度的结果.
对传统的光滑粒子动力学方法进行了改进, 改进的光滑粒子动力学方法对传统粒子方法中的核近似式和粒子近似式进行了修正, 采用Riemann 算法求解光滑粒子动力学流体控制方程, 添加了表面张力的计算程序, 考虑了表面张力对液滴溅落的影响. 应用改进的光滑粒子动力学方法对液滴静止状态下冲击液面的飞溅过程进行了数值模拟. 计算结果表明, 改进的光滑粒子动力学方法能够有效地描述液滴溅落液面的动力学特性和自由表面变化特征, 能够得到稳定精度的结果.
2012, 61(5): 054702.
doi: 10.7498/aps.61.054702
摘要:
基于对光缆卷盘缆层静态压力分布的理论分析, 建立了光缆缠绕体系中的受力理论模型. 研究表明, 随着缠绕层数的增加, 卷盘各层光缆所受压强先快速增大而后变化平缓. 采用分布式光纤Bragg光栅(FBG)对光缆绕线装置上缆层的静态压力进行了实时传感, 理论上给出了FBG的中心波长偏移量与体系压强的定量关系, 实验上发现各层FBG的中心波长随着光缆卷盘缠绕层数的增加先较快速变化而后趋于平缓, 理论模拟和实验测量结果符合得很好. 该技术解决了光缆绕线过程中无法对缆层所受压力进行实时监测的难题.
基于对光缆卷盘缆层静态压力分布的理论分析, 建立了光缆缠绕体系中的受力理论模型. 研究表明, 随着缠绕层数的增加, 卷盘各层光缆所受压强先快速增大而后变化平缓. 采用分布式光纤Bragg光栅(FBG)对光缆绕线装置上缆层的静态压力进行了实时传感, 理论上给出了FBG的中心波长偏移量与体系压强的定量关系, 实验上发现各层FBG的中心波长随着光缆卷盘缠绕层数的增加先较快速变化而后趋于平缓, 理论模拟和实验测量结果符合得很好. 该技术解决了光缆绕线过程中无法对缆层所受压力进行实时监测的难题.
2012, 61(5): 054217.
doi: 10.7498/aps.61.054217
摘要:
超连续谱光源在众多科学领域具有广泛而重要的应用, 近年来一直是国际研究热点. 回顾了利用连续光激光器和脉冲光激光器抽运光子晶体光纤产生超连续谱光源的形成机制以及近几年来两种机制下高功率超连续谱光源所取得的进展, 分析了在提高超连续谱光源输出平均功率过程中需要克服的难题. 报道了国防科学技术大学通过优化超连续谱光源的整体结构, 攻克了低损耗熔接、光纤端面抗损伤、热处理以及非线性效应的有效控制等关键技术, 成功研制出一种全光纤结构、输出平均功率为177.6 W的超连续谱光源, 光谱范围覆盖10642000 nm, 10 dB光谱带宽约740 nm, 光-光转换效率高达56%, 功率水平为国际领先.
超连续谱光源在众多科学领域具有广泛而重要的应用, 近年来一直是国际研究热点. 回顾了利用连续光激光器和脉冲光激光器抽运光子晶体光纤产生超连续谱光源的形成机制以及近几年来两种机制下高功率超连续谱光源所取得的进展, 分析了在提高超连续谱光源输出平均功率过程中需要克服的难题. 报道了国防科学技术大学通过优化超连续谱光源的整体结构, 攻克了低损耗熔接、光纤端面抗损伤、热处理以及非线性效应的有效控制等关键技术, 成功研制出一种全光纤结构、输出平均功率为177.6 W的超连续谱光源, 光谱范围覆盖10642000 nm, 10 dB光谱带宽约740 nm, 光-光转换效率高达56%, 功率水平为国际领先.
2012, 61(5): 055201.
doi: 10.7498/aps.61.055201
摘要:
采用分子动力学方法研究了载能H同位素原子与石墨晶体碰撞的同位素效应. 碳氢系统的强共价键作用和石墨层间的弱van der Waals力分别用REBO和Ito半经验势函数来描述. 研究发现: 随着入射原子质量的增加, 上表面吸附几率和反射几率的峰值都会向高能区移动; 相比于H, 2H入射原子, 3H入射原子具有较高的吸附几率——包括上表面吸附和内部吸附; 穿透石墨晶体, 2H, 3H原子所需的能量较高; 原子质量和原子入射能量都会影响入射粒子与不同石墨层之间的能量传递过程. 这些结果对理解碳基材料的3H滞留机制有重要意义.
采用分子动力学方法研究了载能H同位素原子与石墨晶体碰撞的同位素效应. 碳氢系统的强共价键作用和石墨层间的弱van der Waals力分别用REBO和Ito半经验势函数来描述. 研究发现: 随着入射原子质量的增加, 上表面吸附几率和反射几率的峰值都会向高能区移动; 相比于H, 2H入射原子, 3H入射原子具有较高的吸附几率——包括上表面吸附和内部吸附; 穿透石墨晶体, 2H, 3H原子所需的能量较高; 原子质量和原子入射能量都会影响入射粒子与不同石墨层之间的能量传递过程. 这些结果对理解碳基材料的3H滞留机制有重要意义.
2012, 61(5): 056101.
doi: 10.7498/aps.61.056101
摘要:
采用分子动力学方法对液态金属钾凝固过程进行了模拟,根据凝固过程体系平均原子能量、原子成键类型和成团类型,以及均方位移和非Gauss参数等动力学参数的演化特征,对过冷熔体形核初期微观动力学机理进行了研究.结果表明:根据过冷液体钾结晶形核过程热力学、动力学和结构特性的演化规律, 其过冷温度区间可以分为两个明显不同的阶段,潜在结晶核心出现在过冷液体较低温区.过冷熔体钾在形核初期,二十面体团簇结构在-弛豫阶段逐渐解体,同时具有体心立方(bcc)结构的潜在结晶核心逐步形成,其临界晶核包含约300个原子.
采用分子动力学方法对液态金属钾凝固过程进行了模拟,根据凝固过程体系平均原子能量、原子成键类型和成团类型,以及均方位移和非Gauss参数等动力学参数的演化特征,对过冷熔体形核初期微观动力学机理进行了研究.结果表明:根据过冷液体钾结晶形核过程热力学、动力学和结构特性的演化规律, 其过冷温度区间可以分为两个明显不同的阶段,潜在结晶核心出现在过冷液体较低温区.过冷熔体钾在形核初期,二十面体团簇结构在-弛豫阶段逐渐解体,同时具有体心立方(bcc)结构的潜在结晶核心逐步形成,其临界晶核包含约300个原子.
2012, 61(5): 056102.
doi: 10.7498/aps.61.056102
摘要:
通过调控冷却速率和成分配比, 制备出了Gd基非晶与Gd纳米晶的复合材料. 采用X射线衍射、热分析、原子力和磁力显微镜对其微结构进行表征, 从多个角度证实了非晶/纳米晶的复合结构. 磁性测试结果表明: 内生的纳米晶颗粒能有效改善非晶基体的磁熵效应, 相对于Gd基块体纯非晶和Gd单质, 复合体系的磁制冷效率大幅提高达到了103 J. kg-1; 磁熵变化峰Sm的半高宽超过纯Gd的5倍; 最大磁熵变区出现平台区, 但Sm峰值有待于进一步提高. 理论分析表明, 复合结构中超顺磁纳米团簇的形成有效提高了磁制冷温区和效率. 结合磁滞小和电阻大等优点, Gd基非晶/Gd纳米晶复合材料具有一定的发展潜力.
通过调控冷却速率和成分配比, 制备出了Gd基非晶与Gd纳米晶的复合材料. 采用X射线衍射、热分析、原子力和磁力显微镜对其微结构进行表征, 从多个角度证实了非晶/纳米晶的复合结构. 磁性测试结果表明: 内生的纳米晶颗粒能有效改善非晶基体的磁熵效应, 相对于Gd基块体纯非晶和Gd单质, 复合体系的磁制冷效率大幅提高达到了103 J. kg-1; 磁熵变化峰Sm的半高宽超过纯Gd的5倍; 最大磁熵变区出现平台区, 但Sm峰值有待于进一步提高. 理论分析表明, 复合结构中超顺磁纳米团簇的形成有效提高了磁制冷温区和效率. 结合磁滞小和电阻大等优点, Gd基非晶/Gd纳米晶复合材料具有一定的发展潜力.
2012, 61(5): 056103.
doi: 10.7498/aps.61.056103
摘要:
利用中频非平衡磁控溅射技术在单晶硅基底上沉积了类石墨碳膜, 采用Raman光谱、高分辨透射电子显微镜、原子力显微镜分析了薄膜微观结构和表面形貌; 采用纳米压痕仪和CSM摩擦磨损试验机测试了碳膜力学性能和摩擦学性能. 结果表明: 利用中频非平衡磁控溅射技术沉积的碳膜是一种以sp2键合碳为主、结构非晶、硬度适中、应力较低、表面粗糙度较大、摩擦性能优异的薄膜. 脉冲占空比对薄膜微观结构和性能有显著影响, 随着脉冲占空比的增大, Raman光谱D峰和G峰的强度比ID/IG先减小后增大, 而硬度随脉冲占空比的增大却呈现出相反的变化趋势, 即先增大后减小; 大气氛围中的摩擦性能测试表明, 本实验制备的薄膜具有优异的抗磨性能(～10-11 cm3/N-1. m-1)和承载能力(～2.5 GPa). 随脉冲占空比的增大, 薄膜摩擦系数变化甚微而磨损率却呈现先显著减小后轻微增大的变化趋势. 类石墨碳膜优异的摩擦学性能主要归因于其独特的结构、较低的内应力及良好的结构稳定性.
利用中频非平衡磁控溅射技术在单晶硅基底上沉积了类石墨碳膜, 采用Raman光谱、高分辨透射电子显微镜、原子力显微镜分析了薄膜微观结构和表面形貌; 采用纳米压痕仪和CSM摩擦磨损试验机测试了碳膜力学性能和摩擦学性能. 结果表明: 利用中频非平衡磁控溅射技术沉积的碳膜是一种以sp2键合碳为主、结构非晶、硬度适中、应力较低、表面粗糙度较大、摩擦性能优异的薄膜. 脉冲占空比对薄膜微观结构和性能有显著影响, 随着脉冲占空比的增大, Raman光谱D峰和G峰的强度比ID/IG先减小后增大, 而硬度随脉冲占空比的增大却呈现出相反的变化趋势, 即先增大后减小; 大气氛围中的摩擦性能测试表明, 本实验制备的薄膜具有优异的抗磨性能(～10-11 cm3/N-1. m-1)和承载能力(～2.5 GPa). 随脉冲占空比的增大, 薄膜摩擦系数变化甚微而磨损率却呈现先显著减小后轻微增大的变化趋势. 类石墨碳膜优异的摩擦学性能主要归因于其独特的结构、较低的内应力及良好的结构稳定性.
2012, 61(5): 056104.
doi: 10.7498/aps.61.056104
摘要:
利用电化学结晶的方法制备了高质量的(BEDT-TTF)[FeBr4]单晶, 通过四圆单晶衍射确定了其晶体结构为三斜晶系. 在高温区, 晶体电阻率与电子的热激发效率以及载流子受电离杂质散射的强弱有关. 在低温区, 晶体的导电性只依赖体内杂质缺陷等的电离. 由于电子受到Lorentz力的作用增加了与晶格的碰撞次数, 晶体的磁阻率表现为正值. 晶体的磁性主要由三价铁离子决定, 晶体中三价铁离子之间不具有铁磁耦合或反铁磁耦合. 电子顺磁共振谱中同时发现电子和d电子的共振信号, 温度降低可使电子和d电子的耦合作用增强, 晶体沿着不同轴旋转, 其共振信号随旋转角度的变化存在着巨大的差异.
利用电化学结晶的方法制备了高质量的(BEDT-TTF)[FeBr4]单晶, 通过四圆单晶衍射确定了其晶体结构为三斜晶系. 在高温区, 晶体电阻率与电子的热激发效率以及载流子受电离杂质散射的强弱有关. 在低温区, 晶体的导电性只依赖体内杂质缺陷等的电离. 由于电子受到Lorentz力的作用增加了与晶格的碰撞次数, 晶体的磁阻率表现为正值. 晶体的磁性主要由三价铁离子决定, 晶体中三价铁离子之间不具有铁磁耦合或反铁磁耦合. 电子顺磁共振谱中同时发现电子和d电子的共振信号, 温度降低可使电子和d电子的耦合作用增强, 晶体沿着不同轴旋转, 其共振信号随旋转角度的变化存在着巨大的差异.
2012, 61(5): 056105.
doi: 10.7498/aps.61.056105
摘要:
利用强流脉冲电子束(HCPEB)装置对金属纯钛进行轰击,采用X射线衍射,扫描电子显微镜及透射电子显微镜技术详细分析了轰击样品表层的结构和缺陷. X射线衍射分析表明, HCPEB能够在材料表层诱发幅值为GPa量级的压应力,并在(100), (102)和(103)晶面出现择优取向.表层微观结构的观察表明: HCPEB轰击后材料表层发生了马氏体相变,形成了大量的片状马氏体组织; 此外, HCPEB轰击还在辐照表面诱发了强烈的塑性变形,一次轰击后,晶粒内部的塑性变形以(100)晶面的位错滑移为主,位错密度显著提高;多次轰击后,样品变形结构发生变化,变形孪晶的数量明显增多. 这些变形微结构不仅影响表层的织构演化行为,而且还能细化晶粒,进而提高材料表面硬度, 为HCPEB技术进行纯钛表面强化提供了一条有效的途径.
利用强流脉冲电子束(HCPEB)装置对金属纯钛进行轰击,采用X射线衍射,扫描电子显微镜及透射电子显微镜技术详细分析了轰击样品表层的结构和缺陷. X射线衍射分析表明, HCPEB能够在材料表层诱发幅值为GPa量级的压应力,并在(100), (102)和(103)晶面出现择优取向.表层微观结构的观察表明: HCPEB轰击后材料表层发生了马氏体相变,形成了大量的片状马氏体组织; 此外, HCPEB轰击还在辐照表面诱发了强烈的塑性变形,一次轰击后,晶粒内部的塑性变形以(100)晶面的位错滑移为主,位错密度显著提高;多次轰击后,样品变形结构发生变化,变形孪晶的数量明显增多. 这些变形微结构不仅影响表层的织构演化行为,而且还能细化晶粒,进而提高材料表面硬度, 为HCPEB技术进行纯钛表面强化提供了一条有效的途径.
2012, 61(5): 056106.
doi: 10.7498/aps.61.056106
摘要:
Ag2O薄膜在新型超高存储密度光盘和磁光盘方面具有潜在的应用前景.利用射频磁控反应溅射技术, 通过调节衬底温度在沉积气压为0.2 Pa、氧氩比为2:3的条件下制备了一系列Ag2O 薄膜.利用通用振子模型(包括1个Tauc-Lorentz振子和2个Lorentz 振子)拟合了薄膜的椭圆偏振光谱.在1.53.5 eV能量区间,薄膜的折射率在2.22.7之间, 消光系数在0.30.9之间. 在3.54.5 eV能量区间,薄膜呈现了明显的反常色散,揭示Ag2O薄膜的等离子体振荡频率在 3.54.5 eV之间. 随着衬底温度的升高,薄膜的光学吸收边总体上发生了红移, 该红移归结于薄膜晶格微观应变随衬底温度的升高而增大. Ag2O薄膜的光学常数表现出典型的介质材料特性.
Ag2O薄膜在新型超高存储密度光盘和磁光盘方面具有潜在的应用前景.利用射频磁控反应溅射技术, 通过调节衬底温度在沉积气压为0.2 Pa、氧氩比为2:3的条件下制备了一系列Ag2O 薄膜.利用通用振子模型(包括1个Tauc-Lorentz振子和2个Lorentz 振子)拟合了薄膜的椭圆偏振光谱.在1.53.5 eV能量区间,薄膜的折射率在2.22.7之间, 消光系数在0.30.9之间. 在3.54.5 eV能量区间,薄膜呈现了明显的反常色散,揭示Ag2O薄膜的等离子体振荡频率在 3.54.5 eV之间. 随着衬底温度的升高,薄膜的光学吸收边总体上发生了红移, 该红移归结于薄膜晶格微观应变随衬底温度的升高而增大. Ag2O薄膜的光学常数表现出典型的介质材料特性.
2012, 61(5): 056801.
doi: 10.7498/aps.61.056801
摘要:
介绍了几种常见的硫系薄膜制备方法, 根据现有实验条件采用热蒸发法和磁控溅射法制备出Ge-Sb-Se三元体系硫系薄膜, 通过台阶仪测试薄膜的厚度和表面粗糙度, 计算出两种制备方法的成膜速率, 并通过X射线光电子能谱测试了两种制备方法所得薄膜与块体靶材组分的差别. 利用Z扫描技术和分光光度计测试了热蒸发法制备所得薄膜的三阶非线性性能和透过光谱, 计算出非线性折射率、非线性吸收系数和薄膜厚度等参数. 结果表明热蒸发法制备Ge-Sb-Se薄膜具有良好的物理结构和光学特性, 在集成光学器件方面很高的应用潜力.
介绍了几种常见的硫系薄膜制备方法, 根据现有实验条件采用热蒸发法和磁控溅射法制备出Ge-Sb-Se三元体系硫系薄膜, 通过台阶仪测试薄膜的厚度和表面粗糙度, 计算出两种制备方法的成膜速率, 并通过X射线光电子能谱测试了两种制备方法所得薄膜与块体靶材组分的差别. 利用Z扫描技术和分光光度计测试了热蒸发法制备所得薄膜的三阶非线性性能和透过光谱, 计算出非线性折射率、非线性吸收系数和薄膜厚度等参数. 结果表明热蒸发法制备Ge-Sb-Se薄膜具有良好的物理结构和光学特性, 在集成光学器件方面很高的应用潜力.
2012, 61(5): 057101.
doi: 10.7498/aps.61.057101
摘要:
采用基于第一性原理的线性缀加平面波方法, 计算了超晶格ZnO掺In的光学性质. 计算结果表明, 掺入In元素后Fermi能级进入导带, 介电函数、吸收系数、折射率、反射率都在Fermi面附近产生新的跃迁峰. 随着掺杂层数的增多, 跃迁峰发生红移, 当掺杂两层In时跃迁峰峰值最大, 同时吸收系数的吸收边随掺杂层数的增多而逐渐减小. 与In掺杂ZnO超晶胞相比, ZnO超晶格在可见光范围内具有高透过率的特点.
采用基于第一性原理的线性缀加平面波方法, 计算了超晶格ZnO掺In的光学性质. 计算结果表明, 掺入In元素后Fermi能级进入导带, 介电函数、吸收系数、折射率、反射率都在Fermi面附近产生新的跃迁峰. 随着掺杂层数的增多, 跃迁峰发生红移, 当掺杂两层In时跃迁峰峰值最大, 同时吸收系数的吸收边随掺杂层数的增多而逐渐减小. 与In掺杂ZnO超晶胞相比, ZnO超晶格在可见光范围内具有高透过率的特点.
2012, 61(5): 057102.
doi: 10.7498/aps.61.057102
摘要:
采用基于第一性原理的密度泛函理论平面波超软赝势方法计算了1/4ML Cs原子吸附(2 2) GaN(0001)表面的吸附能、能带结构、电子态密度、电荷布居数、功函数和光学性质. 计算发现, 1/4ML Cs原子在GaN(0001)表面最稳定吸附位为N桥位, 吸附后表面仍呈现为金属导电特性, Cs原子吸附GaN(0001)表面后主要与表面Ga原子发生作用, Cs6s态电子向最表面Ga原子转移, 引起表面功函数下降. 研究光学性质发现, Cs原子吸附GaN(0001)表面后, 介电函数虚部、吸收谱、反射谱向低能方向移动.
采用基于第一性原理的密度泛函理论平面波超软赝势方法计算了1/4ML Cs原子吸附(2 2) GaN(0001)表面的吸附能、能带结构、电子态密度、电荷布居数、功函数和光学性质. 计算发现, 1/4ML Cs原子在GaN(0001)表面最稳定吸附位为N桥位, 吸附后表面仍呈现为金属导电特性, Cs原子吸附GaN(0001)表面后主要与表面Ga原子发生作用, Cs6s态电子向最表面Ga原子转移, 引起表面功函数下降. 研究光学性质发现, Cs原子吸附GaN(0001)表面后, 介电函数虚部、吸收谱、反射谱向低能方向移动.
2012, 61(5): 057201.
doi: 10.7498/aps.61.057201
摘要:
用化学气相沉积法合成了高密度的In, Al共掺杂ZnO纳米串, 用合成出的纳米串组装成了光电探测器. 纳米串为六角纤锌矿结构, 平均长度大约为5 m. 研究了光电导的机制以及光电探测器的光电特性, 包括在暗环境及紫外照射下的伏安特性、光电响应率和光电响应时间. 结果表明, 器件存在内部增益机制, 光响应时间小于0.5 s, 衰减时间约为23 s, 可用于光电探测.
用化学气相沉积法合成了高密度的In, Al共掺杂ZnO纳米串, 用合成出的纳米串组装成了光电探测器. 纳米串为六角纤锌矿结构, 平均长度大约为5 m. 研究了光电导的机制以及光电探测器的光电特性, 包括在暗环境及紫外照射下的伏安特性、光电响应率和光电响应时间. 结果表明, 器件存在内部增益机制, 光响应时间小于0.5 s, 衰减时间约为23 s, 可用于光电探测.
2012, 61(5): 057202.
doi: 10.7498/aps.61.057202
摘要:
研究了AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(HEMT)的质子辐照效应. 在3 MeV质子辐照下, 当辐照剂量达到1× 1015 protons/cm2时, 漏极饱和电流下降了20%, 最大跨导降低了5%. 随着剂量增加, 阈值电压向正向漂移, 栅泄露电流增加. 在相同辐照剂量下, 1.8 MeV质子辐照要比3 MeV质子辐照退化严重. 从SRIM软件仿真中得到不同能量质子在AlGaN/GaN异质结中的辐射损伤区, 以及在一定深度形成的空位密度. 结合变频C-V测试结果进行分析, 表明了质子辐照引入空位缺陷可能是AlGaN/GaN HEMT器件电学特性退化的主要原因.
研究了AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(HEMT)的质子辐照效应. 在3 MeV质子辐照下, 当辐照剂量达到1× 1015 protons/cm2时, 漏极饱和电流下降了20%, 最大跨导降低了5%. 随着剂量增加, 阈值电压向正向漂移, 栅泄露电流增加. 在相同辐照剂量下, 1.8 MeV质子辐照要比3 MeV质子辐照退化严重. 从SRIM软件仿真中得到不同能量质子在AlGaN/GaN异质结中的辐射损伤区, 以及在一定深度形成的空位密度. 结合变频C-V测试结果进行分析, 表明了质子辐照引入空位缺陷可能是AlGaN/GaN HEMT器件电学特性退化的主要原因.
2012, 61(5): 057301.
doi: 10.7498/aps.61.057301
摘要:
利用溶剂热法合成了一维的氧化钨纳米线, 通过掺入适量单壁碳纳米管(SWNT)制备了基于氧化钨纳米线-SWNT 复合结构的室温气敏元件并评价了其对NO2气体的室温敏感性能. 利用X射线与扫描电子显微镜表征了材料的微结构, 结果表明, 合成的氧化钨纳米线具有单斜的W18O49结构, 复合材料中SWNT被包埋在氧化钨纳米线中间. 气敏性能测试结果表明, 氧化钨纳米线-SWNT复合结构气敏元件在室温下对NO2气体表现出了高的灵敏度和超快的响应特性; 较低的SWNT掺入量对获得好的气敏性能有利. 分析了基于复合结构材料气敏元件的可能的气敏机理, 认为元件良好的室温敏感性能与SWNT掺入在复合结构材料中引入大量的贯穿气孔和p-n异质结有关.
利用溶剂热法合成了一维的氧化钨纳米线, 通过掺入适量单壁碳纳米管(SWNT)制备了基于氧化钨纳米线-SWNT 复合结构的室温气敏元件并评价了其对NO2气体的室温敏感性能. 利用X射线与扫描电子显微镜表征了材料的微结构, 结果表明, 合成的氧化钨纳米线具有单斜的W18O49结构, 复合材料中SWNT被包埋在氧化钨纳米线中间. 气敏性能测试结果表明, 氧化钨纳米线-SWNT复合结构气敏元件在室温下对NO2气体表现出了高的灵敏度和超快的响应特性; 较低的SWNT掺入量对获得好的气敏性能有利. 分析了基于复合结构材料气敏元件的可能的气敏机理, 认为元件良好的室温敏感性能与SWNT掺入在复合结构材料中引入大量的贯穿气孔和p-n异质结有关.
2012, 61(5): 057302.
doi: 10.7498/aps.61.057302
摘要:
对多壁碳纳米管薄膜的压阻效应进行了研究. 实验所用的多壁碳纳米管用热灯丝化学气相沉积法合成, 压阻效应用三点弯曲法测量. 研究发现: 在室温下与500微应变内, 原始的多壁碳纳米管薄膜无明显压阻效应, 而经化学修饰处理的碳纳米管膜的压阻因子最高可达120左右, 大大超过多晶硅(Si)在35℃时的压阻因子30, 并且压阻因子与制备方法密切相关. 重点讨论了多壁碳纳米管薄膜产生压阻效应的机制.
对多壁碳纳米管薄膜的压阻效应进行了研究. 实验所用的多壁碳纳米管用热灯丝化学气相沉积法合成, 压阻效应用三点弯曲法测量. 研究发现: 在室温下与500微应变内, 原始的多壁碳纳米管薄膜无明显压阻效应, 而经化学修饰处理的碳纳米管膜的压阻因子最高可达120左右, 大大超过多晶硅(Si)在35℃时的压阻因子30, 并且压阻因子与制备方法密切相关. 重点讨论了多壁碳纳米管薄膜产生压阻效应的机制.
2012, 61(5): 057303.
doi: 10.7498/aps.61.057303
摘要:
在一维铁磁性织构介观环的基础上, 计及电子-双声子相互作用, 介入了三项非经典效应抑制电子-单声子相互作用引起的量子涨落效应: 1) 跳步电子-单声子相干态关联效应；2) 由压缩相干态引起的声子压缩态-单声子相干态间过程关联效应；3) 声子位移-声子压缩态的表象关联效应．从结果来看, 电子-双声子相互作用明显加强了压缩效应(增大压缩参量), 而跳步电子-单声子相干态关联效应引起本征能量大幅度下降, 持续电流大幅度增加．特别是介入了声子压缩态-单声子相干态间过程关联效应后, 声子压缩参量远大于理想压缩态相应的压缩参量, 有效地抑制了Debye-Waller(D-W)效应．当声子压缩态-单声子相干态间过程关联与声子位移重整化效应结合在一起时, 声子场的压缩将更大幅度地增加, D-W效应(参量wph)将更大幅度地减小, wph wph(0), 从而极大幅度地抑制了电子-单声子相互作用导致的量子涨落效应. 这样一来, 非经典态本征能量En极大幅度地下降, En En(0), 与此同时, 本征持续电流振幅In 则极大幅度地增大, In In(0).
在一维铁磁性织构介观环的基础上, 计及电子-双声子相互作用, 介入了三项非经典效应抑制电子-单声子相互作用引起的量子涨落效应: 1) 跳步电子-单声子相干态关联效应；2) 由压缩相干态引起的声子压缩态-单声子相干态间过程关联效应；3) 声子位移-声子压缩态的表象关联效应．从结果来看, 电子-双声子相互作用明显加强了压缩效应(增大压缩参量), 而跳步电子-单声子相干态关联效应引起本征能量大幅度下降, 持续电流大幅度增加．特别是介入了声子压缩态-单声子相干态间过程关联效应后, 声子压缩参量远大于理想压缩态相应的压缩参量, 有效地抑制了Debye-Waller(D-W)效应．当声子压缩态-单声子相干态间过程关联与声子位移重整化效应结合在一起时, 声子场的压缩将更大幅度地增加, D-W效应(参量wph)将更大幅度地减小, wph wph(0), 从而极大幅度地抑制了电子-单声子相互作用导致的量子涨落效应. 这样一来, 非经典态本征能量En极大幅度地下降, En En(0), 与此同时, 本征持续电流振幅In 则极大幅度地增大, In In(0).
2012, 61(5): 057304.
doi: 10.7498/aps.61.057304
摘要:
基于Fermi黄金法则及Boltzmann方程碰撞项近似理论, 推导建立了(001)弛豫Si1-xGex衬底外延四方晶系应变Si空穴散射几率与应力及能量的理论关系模型, 包括离化杂质、声学声子、非极性光学声子及总散射概率(能量40 meV时)模型. 结果表明: 当Ge组分(x)低于0.2时, 应变Si/(001)Si1-xGex材料空穴总散射概率随应力显著减小. 之后, 其随应力的变化趋于平缓. 与立方晶系未应变Si材料相比, 四方晶系应变Si材料空穴总散射概率最多可减小66%. 应变Si材料空穴迁移率增强与其散射概率的减小密切相关, 本文所得量化模型可为应变Si空穴迁移率及PMOS器件的研究与设计提供理论参考.
基于Fermi黄金法则及Boltzmann方程碰撞项近似理论, 推导建立了(001)弛豫Si1-xGex衬底外延四方晶系应变Si空穴散射几率与应力及能量的理论关系模型, 包括离化杂质、声学声子、非极性光学声子及总散射概率(能量40 meV时)模型. 结果表明: 当Ge组分(x)低于0.2时, 应变Si/(001)Si1-xGex材料空穴总散射概率随应力显著减小. 之后, 其随应力的变化趋于平缓. 与立方晶系未应变Si材料相比, 四方晶系应变Si材料空穴总散射概率最多可减小66%. 应变Si材料空穴迁移率增强与其散射概率的减小密切相关, 本文所得量化模型可为应变Si空穴迁移率及PMOS器件的研究与设计提供理论参考.
2012, 61(5): 057501.
doi: 10.7498/aps.61.057501
摘要:
对Eu1-xSrxMnO3 (x=0.4, 0.5, 0.6, 0.7) 体系的磁结构进行了系统的研究. 通过核磁共振实验, 磁化测量, 并结合电输运测量结果表明, Sr的掺入使得 EuMnO3反铁磁母相中出现铁磁相. 铁磁相和反铁磁相的竞争导致样品在低温下的自旋玻璃行为.分析认为, Eu0.4Sr0.6MnO3和Eu0.3Sr0.7MnO3的磁结构在低温下呈现更加复杂的特征, 主要源于铁磁团簇的形成以及无序相的存在.
对Eu1-xSrxMnO3 (x=0.4, 0.5, 0.6, 0.7) 体系的磁结构进行了系统的研究. 通过核磁共振实验, 磁化测量, 并结合电输运测量结果表明, Sr的掺入使得 EuMnO3反铁磁母相中出现铁磁相. 铁磁相和反铁磁相的竞争导致样品在低温下的自旋玻璃行为.分析认为, Eu0.4Sr0.6MnO3和Eu0.3Sr0.7MnO3的磁结构在低温下呈现更加复杂的特征, 主要源于铁磁团簇的形成以及无序相的存在.
2012, 61(5): 057502.
doi: 10.7498/aps.61.057502
摘要:
采用乙二胺四乙酸杂化溶胶法制备了不同晶粒尺寸的纯相BiFeO3纳米颗粒,并利用X射线衍射仪、扫描电镜、超导量子干涉仪和Mossbauer 谱系统研究了其结构、形貌以及磁性能.结果表明: BiFeO3纳米颗粒具有明显的弱铁磁性,并呈现强烈的尺寸依赖特性; 这种弱铁磁性主要源于纳米材料的尺寸限制效应,而非杂质相或Fe2+ 的存在所致.
采用乙二胺四乙酸杂化溶胶法制备了不同晶粒尺寸的纯相BiFeO3纳米颗粒,并利用X射线衍射仪、扫描电镜、超导量子干涉仪和Mossbauer 谱系统研究了其结构、形貌以及磁性能.结果表明: BiFeO3纳米颗粒具有明显的弱铁磁性,并呈现强烈的尺寸依赖特性; 这种弱铁磁性主要源于纳米材料的尺寸限制效应,而非杂质相或Fe2+ 的存在所致.
2012, 61(5): 057503.
doi: 10.7498/aps.61.057503
摘要:
利用金属有机源化学气相沉积技术, 通过改变受主掺杂源和导入氢气并提高生长压力来逐步抑制C的办法, 在蓝宝石上外延了Mn, N共掺ZnO薄膜. X射线衍射显示所有样品都具有良好的单轴取向. ZnMnO:N样品的Raman光谱中C元素相关的振动模明显消失. 同时van der Pauw法Hall效应测量表明, 通过逐步对C的抑制, 样品由n型导电转变成p型导电, 这主要是由于C与N形成复合体取代O位(CN)O, 具有最低形成能且充当浅施主. 对N, Mn共掺ZnO晶体的第一性原理模拟计算显示了N, Mn共掺ZnO的态密度在Fermi能级处存在较强的自旋极化, 表明N 2p电子与Mn 3d电子之间存在较强的p-d相互作用, 形成磁性束缚激子产生磁矩. 一旦引入C后, C, N形成复合体取代O位, 导致体系磁性减弱或者消失. 模拟计算结果与实验表征分析结果一致表明: 对于Mn, N共掺ZnO薄膜样品, 引入C与N形成复合体取代O位, Mn, N共掺ZnO薄膜磁性减弱或消失. 因此, Mn 3d电子与N 2p局域束缚的电子形成的磁性束缚激子决定了Mn, N共掺ZnO薄膜室温铁磁信号的产生.
利用金属有机源化学气相沉积技术, 通过改变受主掺杂源和导入氢气并提高生长压力来逐步抑制C的办法, 在蓝宝石上外延了Mn, N共掺ZnO薄膜. X射线衍射显示所有样品都具有良好的单轴取向. ZnMnO:N样品的Raman光谱中C元素相关的振动模明显消失. 同时van der Pauw法Hall效应测量表明, 通过逐步对C的抑制, 样品由n型导电转变成p型导电, 这主要是由于C与N形成复合体取代O位(CN)O, 具有最低形成能且充当浅施主. 对N, Mn共掺ZnO晶体的第一性原理模拟计算显示了N, Mn共掺ZnO的态密度在Fermi能级处存在较强的自旋极化, 表明N 2p电子与Mn 3d电子之间存在较强的p-d相互作用, 形成磁性束缚激子产生磁矩. 一旦引入C后, C, N形成复合体取代O位, 导致体系磁性减弱或者消失. 模拟计算结果与实验表征分析结果一致表明: 对于Mn, N共掺ZnO薄膜样品, 引入C与N形成复合体取代O位, Mn, N共掺ZnO薄膜磁性减弱或消失. 因此, Mn 3d电子与N 2p局域束缚的电子形成的磁性束缚激子决定了Mn, N共掺ZnO薄膜室温铁磁信号的产生.
2012, 61(5): 057801.
doi: 10.7498/aps.61.057801
摘要:
合成了铽的配合物[TbL] (ClO4)3(L: 2, 2, 2', 2'-四[N-苯基-N-苄基(乙酰胺)-2-氧甲基]丁醚), 通过离子交换反应将配离子[TbL]3+插层组装到蒙脱土(MMT)层板间, 制备出了新型复合发光材料 [TbL]3+-MMT．用元素分析、X射线衍射、傅氏变换红外光谱和紫外-可见光谱对材料进行了表征, 对其荧光性质进行了研究．结果表明, 复合发光材料保持了蒙脱土良好的层柱结构特征和[TbL]3+离子的笼状结构特征, [TbL]3+离子以单层形式分布于蒙脱土层板间．在紫外光激发下, 复合发光材料发出较强的绿色荧光, 其发射光谱与相应配合物的发射光谱相似．与相应纯配合物比较, 复合发光材料单位质量Tb3+的相对荧光强度、荧光单色性和光稳定性有显著改善, 其激发波长向可见光区发生明显位移, 说明插层组装对相应配合物的激发波长有一定的调制作用.
合成了铽的配合物[TbL] (ClO4)3(L: 2, 2, 2', 2'-四[N-苯基-N-苄基(乙酰胺)-2-氧甲基]丁醚), 通过离子交换反应将配离子[TbL]3+插层组装到蒙脱土(MMT)层板间, 制备出了新型复合发光材料 [TbL]3+-MMT．用元素分析、X射线衍射、傅氏变换红外光谱和紫外-可见光谱对材料进行了表征, 对其荧光性质进行了研究．结果表明, 复合发光材料保持了蒙脱土良好的层柱结构特征和[TbL]3+离子的笼状结构特征, [TbL]3+离子以单层形式分布于蒙脱土层板间．在紫外光激发下, 复合发光材料发出较强的绿色荧光, 其发射光谱与相应配合物的发射光谱相似．与相应纯配合物比较, 复合发光材料单位质量Tb3+的相对荧光强度、荧光单色性和光稳定性有显著改善, 其激发波长向可见光区发生明显位移, 说明插层组装对相应配合物的激发波长有一定的调制作用.
2012, 61(5): 057802.
doi: 10.7498/aps.61.057802
摘要:
基于等效薄层电荷近似模拟表征极化电荷的作用, 通过自洽求解Poisson-Schrödinger方程以及求解载流子连续性方程, 计算并且讨论了p-AlGaN层掺杂浓度和界面极化电荷对AlGaN/GaN异质结p-i-n紫外探测器能带结构和电场分布以及光电响应的影响. 结果表明, 极化效应与p-AlGaN层掺杂浓度相互作用对探测器性能有较大影响. 其中, 在完全极化条件下, p-AlGaN层掺杂浓度越大, p-AlGaN层的耗尽区越窄, i-GaN层越容易被耗尽, 器件光电流越小. 在一定掺杂浓度条件下, 极化效应越强, p-AlGaN层的耗尽区越宽, 器件的光电流越大. 最后还分析了该结构在不同温度下的探测性能, 证明了该结构可以在高温下正常工作.
基于等效薄层电荷近似模拟表征极化电荷的作用, 通过自洽求解Poisson-Schrödinger方程以及求解载流子连续性方程, 计算并且讨论了p-AlGaN层掺杂浓度和界面极化电荷对AlGaN/GaN异质结p-i-n紫外探测器能带结构和电场分布以及光电响应的影响. 结果表明, 极化效应与p-AlGaN层掺杂浓度相互作用对探测器性能有较大影响. 其中, 在完全极化条件下, p-AlGaN层掺杂浓度越大, p-AlGaN层的耗尽区越窄, i-GaN层越容易被耗尽, 器件光电流越小. 在一定掺杂浓度条件下, 极化效应越强, p-AlGaN层的耗尽区越宽, 器件的光电流越大. 最后还分析了该结构在不同温度下的探测性能, 证明了该结构可以在高温下正常工作.
2012, 61(5): 057803.
doi: 10.7498/aps.61.057803
摘要:
利用准玻色子方法发展的激子动力学方程是研究半导体纳米结构中激子超快动力学的有效理论手段. 为了将这种方法应用于半导体量子阱, 需要知道量子阱中的激子波函数及其在动量空间的表示, 从而得到激子动力学方程中所必须的系数. 详细讨论了理想和实际量子阱中的激子波函数, 特别是其在动量空间的表示, 并进一步讨论了激子动力学方程中所必须系数的计算方法. 通过求解这些系数, 对量子阱中因激子密度变化而引起的太赫兹脉冲作用下激子能级间跃迁过程中的非线性效应进行了理论预测, 得到了与实验符合很好的结果.
利用准玻色子方法发展的激子动力学方程是研究半导体纳米结构中激子超快动力学的有效理论手段. 为了将这种方法应用于半导体量子阱, 需要知道量子阱中的激子波函数及其在动量空间的表示, 从而得到激子动力学方程中所必须的系数. 详细讨论了理想和实际量子阱中的激子波函数, 特别是其在动量空间的表示, 并进一步讨论了激子动力学方程中所必须系数的计算方法. 通过求解这些系数, 对量子阱中因激子密度变化而引起的太赫兹脉冲作用下激子能级间跃迁过程中的非线性效应进行了理论预测, 得到了与实验符合很好的结果.
2012, 61(5): 058101.
doi: 10.7498/aps.61.058101
摘要:
基于闭合双环单元结构, 设计、仿真、测试了对偏振无依赖性的双波段超材料吸收器. 实验结果表明, 该设计在频率4.06 GHz和6.66 GHz存在两个显著吸收峰, 吸收率分别为99.60%和95.83%, 并且在入射角达到50°时, 吸收率仍然保持在83%以上. 由于单元结构具有旋转对称性, 使得该吸收器对偏振不敏感, 能同时实现横电波和横磁波的双波段吸收. 吸收频率决定于闭合环大小, 调节闭合环尺寸能够灵活实现特定频率的吸收. 这些优点使我们的设计在多频谱成像、热辐射探测等应用中表现出较大的潜力.
基于闭合双环单元结构, 设计、仿真、测试了对偏振无依赖性的双波段超材料吸收器. 实验结果表明, 该设计在频率4.06 GHz和6.66 GHz存在两个显著吸收峰, 吸收率分别为99.60%和95.83%, 并且在入射角达到50°时, 吸收率仍然保持在83%以上. 由于单元结构具有旋转对称性, 使得该吸收器对偏振不敏感, 能同时实现横电波和横磁波的双波段吸收. 吸收频率决定于闭合环大小, 调节闭合环尺寸能够灵活实现特定频率的吸收. 这些优点使我们的设计在多频谱成像、热辐射探测等应用中表现出较大的潜力.
2012, 61(5): 058102.
doi: 10.7498/aps.61.058102
摘要:
随着电子技术、信息产业的发展, Cu在微型散热材料、电子封装材料上应用日益广泛. Cu在应用过程中存在强度低、易氧化、易磨损等缺点. 采用等离子体复合沉积技术, 在铜基体上制备了Ti/TiC/DLC功能梯度材料, 改善铜基体与美金刚石(DLC)膜的结合力, 强化了铜的机械性能. 瞬态热反射法检测结果表明, DLC功能梯度材料不会影响铜基体的散热效果.
随着电子技术、信息产业的发展, Cu在微型散热材料、电子封装材料上应用日益广泛. Cu在应用过程中存在强度低、易氧化、易磨损等缺点. 采用等离子体复合沉积技术, 在铜基体上制备了Ti/TiC/DLC功能梯度材料, 改善铜基体与美金刚石(DLC)膜的结合力, 强化了铜的机械性能. 瞬态热反射法检测结果表明, DLC功能梯度材料不会影响铜基体的散热效果.
2012, 61(5): 058401.
doi: 10.7498/aps.61.058401
摘要:
电压模式控制boost变换器能产生多种分岔形式,对其分岔中的一类重要的切分岔现象进行了详细研究. 首先根据系统的一次离散迭代映射推导出其三次离散迭代映射模型,基于非线性系统理论中的切分岔定理, 从数学上推导出此类变换器产生切分岔现象的条件,并通过数值仿真研究了电路参数对这类变换器切分岔现象的影响.研究结果表明:当系统的反馈系数处在一定范围内时,该类变换器会出现切分岔和阵发混沌现象. 最后通过实验研究boost变换器中存在的这类不稳定非线性现象,验证了理论分析和数值仿真的正确性.
电压模式控制boost变换器能产生多种分岔形式,对其分岔中的一类重要的切分岔现象进行了详细研究. 首先根据系统的一次离散迭代映射推导出其三次离散迭代映射模型,基于非线性系统理论中的切分岔定理, 从数学上推导出此类变换器产生切分岔现象的条件,并通过数值仿真研究了电路参数对这类变换器切分岔现象的影响.研究结果表明:当系统的反馈系数处在一定范围内时,该类变换器会出现切分岔和阵发混沌现象. 最后通过实验研究boost变换器中存在的这类不稳定非线性现象,验证了理论分析和数值仿真的正确性.
2012, 61(5): 058402.
doi: 10.7498/aps.61.058402
摘要:
基于时间反演电磁波的远场超分辨聚焦特性, 设计了一种亚波长天线阵列, 其天线单元刻蚀有微结构、单元间距为1/20工作波长且信道相互独立. 在保证相似的辐射特性的条件下, 该亚波长天线阵列对比于其他微结构刻蚀所组成的亚波长天线阵列, 具有较好的远场超分辨率聚焦特性. 为基于时间反演的高速率、高质量多天线通信提供了一种有效的终端天线阵列.
基于时间反演电磁波的远场超分辨聚焦特性, 设计了一种亚波长天线阵列, 其天线单元刻蚀有微结构、单元间距为1/20工作波长且信道相互独立. 在保证相似的辐射特性的条件下, 该亚波长天线阵列对比于其他微结构刻蚀所组成的亚波长天线阵列, 具有较好的远场超分辨率聚焦特性. 为基于时间反演的高速率、高质量多天线通信提供了一种有效的终端天线阵列.
2012, 61(5): 058403.
doi: 10.7498/aps.61.058403
摘要:
报道了采用高压射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD) 制备高效率单结微晶硅电池和非晶硅/微晶硅叠层电池时几个关键问题的研究结果, 主要包括: 1)器件质量级本征微晶硅材料工艺窗口的确定及其结构和光电性能表征; 2)孵化层的形成机理以及减小孵化层的有效方法; 3)氢稀释调制技术对本征层晶化率分布及其对提高电池性能的作用; 4)高电导、高晶化率的微晶硅p型窗口层材料的获得, 及其对减小微晶硅电池p/i界面孵化层厚度和提高电池性能的作用等. 在解决上述问题的基础上, 采用高压RF-PECVD制备的单结微晶硅电池效率达8.16%, 非晶硅/微晶硅叠层电池效率11.61%.
报道了采用高压射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD) 制备高效率单结微晶硅电池和非晶硅/微晶硅叠层电池时几个关键问题的研究结果, 主要包括: 1)器件质量级本征微晶硅材料工艺窗口的确定及其结构和光电性能表征; 2)孵化层的形成机理以及减小孵化层的有效方法; 3)氢稀释调制技术对本征层晶化率分布及其对提高电池性能的作用; 4)高电导、高晶化率的微晶硅p型窗口层材料的获得, 及其对减小微晶硅电池p/i界面孵化层厚度和提高电池性能的作用等. 在解决上述问题的基础上, 采用高压RF-PECVD制备的单结微晶硅电池效率达8.16%, 非晶硅/微晶硅叠层电池效率11.61%.
2012, 61(5): 058501.
doi: 10.7498/aps.61.058501
摘要:
针对大功率半导体开关反向开关晶体管(RSD)由于预充不足造成的非均匀开通缺陷, 在直接预充放电工作电路的基础上, 设计了一种两步式放电工作电路. 根据RSD结构特点理论分析了正常开通所需条件, 并对器件元胞结构进行建模分析, 模型仿真结果表明RSD在窄脉宽预充电流作用下具有更佳的开通性能, 降低了预充阶段基区载流子复合. 两步式放电实验发现第一步放电电流幅值、脉宽对于两步式放电电路的正常工作起决定作用, 而反向预充电流主要作用于RSD第一步放电的正常开通, 降低了预充电路设计难度. 仿真及实验结果均表明两步式放电电路较直接式预充放电电路提高了RSD的均匀开通性能, 这是由于两步式放电显著提高了基区等离子体积累.
针对大功率半导体开关反向开关晶体管(RSD)由于预充不足造成的非均匀开通缺陷, 在直接预充放电工作电路的基础上, 设计了一种两步式放电工作电路. 根据RSD结构特点理论分析了正常开通所需条件, 并对器件元胞结构进行建模分析, 模型仿真结果表明RSD在窄脉宽预充电流作用下具有更佳的开通性能, 降低了预充阶段基区载流子复合. 两步式放电实验发现第一步放电电流幅值、脉宽对于两步式放电电路的正常工作起决定作用, 而反向预充电流主要作用于RSD第一步放电的正常开通, 降低了预充电路设计难度. 仿真及实验结果均表明两步式放电电路较直接式预充放电电路提高了RSD的均匀开通性能, 这是由于两步式放电显著提高了基区等离子体积累.
2012, 61(5): 058701.
doi: 10.7498/aps.61.058701
摘要:
采用非格点珠簧球链模型, 结合Monte Carlo方法, 研究了半刚性高分子链受限于无限长圆柱体的构象性质. 模拟结果表明: 在圆柱体内表面附近具有吸附能的情况下, 当弯曲能b由小到大变化时, 发现半刚性高分子链由开始时的无规则被吸附在圆柱体内表面, 到逐渐出现螺旋结构, 最后伸展成类似棒状的结构. 同时计算了不同弯曲能b时的半刚性高分子链的平均螺旋数Nt, 平均每条链单体的螺旋百分比Ph和能量涨落. 发现高分子链螺旋结构的形成与转变, 不仅与圆柱体半径R的大小有关, 还与弯曲能b的大小有关. 研究结果能有助于加深对受限生物大分子构象的认识.
采用非格点珠簧球链模型, 结合Monte Carlo方法, 研究了半刚性高分子链受限于无限长圆柱体的构象性质. 模拟结果表明: 在圆柱体内表面附近具有吸附能的情况下, 当弯曲能b由小到大变化时, 发现半刚性高分子链由开始时的无规则被吸附在圆柱体内表面, 到逐渐出现螺旋结构, 最后伸展成类似棒状的结构. 同时计算了不同弯曲能b时的半刚性高分子链的平均螺旋数Nt, 平均每条链单体的螺旋百分比Ph和能量涨落. 发现高分子链螺旋结构的形成与转变, 不仅与圆柱体半径R的大小有关, 还与弯曲能b的大小有关. 研究结果能有助于加深对受限生物大分子构象的认识.
2012, 61(5): 058801.
doi: 10.7498/aps.61.058801
摘要:
合理的认知引擎参数设置可以提高频谱的使用性能. 通过分析认知无线网络中的认知引擎参数配置, 给出了其数学模型, 并将其转化为一个多目标优化问题, 进而提出一种基于混沌免疫多目标优化的求解方法. 算法使用Logistic混沌映射初始化种群, 并在每一代将混沌特性用于最优解集的搜索; 设计了适合此问题的免疫克隆算子和抗体群更新算子, 保证了Pateto最优解集分布的多样性和均匀性. 最后, 在多载波环境下对算法进行了仿真实验. 结果表明, 算法可以根据信道条件和用户服务的动态变化, 自适应调整各个子载波的发射功率和调制方式, 可以求出更多满足偏好需求的解, 满足认知引擎参数优化要求.
合理的认知引擎参数设置可以提高频谱的使用性能. 通过分析认知无线网络中的认知引擎参数配置, 给出了其数学模型, 并将其转化为一个多目标优化问题, 进而提出一种基于混沌免疫多目标优化的求解方法. 算法使用Logistic混沌映射初始化种群, 并在每一代将混沌特性用于最优解集的搜索; 设计了适合此问题的免疫克隆算子和抗体群更新算子, 保证了Pateto最优解集分布的多样性和均匀性. 最后, 在多载波环境下对算法进行了仿真实验. 结果表明, 算法可以根据信道条件和用户服务的动态变化, 自适应调整各个子载波的发射功率和调制方式, 可以求出更多满足偏好需求的解, 满足认知引擎参数优化要求.
2012, 61(5): 059101.
doi: 10.7498/aps.61.059101
摘要:
非线性地震波在地壳中传播及演化规律的研究具有重要实际意义.利用有限差分方法, 对非线性地震纵波和横波在具微结构地壳中的演化过程进行了详细的数值模拟.结果表明,非线性地震纵波和横波在具微结构地壳中可以逐渐演化成一个孤立波或两个孤立波或孤立波列或消失.地震波的初始幅度、频散系数和体力因子对演化过程和结果都有重要影响.研究结果揭示了非线性地震波在一种微结构地壳中的演化规律,这有助于在理论上解释一些特殊地震波现象.
非线性地震波在地壳中传播及演化规律的研究具有重要实际意义.利用有限差分方法, 对非线性地震纵波和横波在具微结构地壳中的演化过程进行了详细的数值模拟.结果表明,非线性地震纵波和横波在具微结构地壳中可以逐渐演化成一个孤立波或两个孤立波或孤立波列或消失.地震波的初始幅度、频散系数和体力因子对演化过程和结果都有重要影响.研究结果揭示了非线性地震波在一种微结构地壳中的演化规律,这有助于在理论上解释一些特殊地震波现象.
2012, 61(5): 059201.
doi: 10.7498/aps.61.059201
摘要:
浪致辐射应力及浪致混合效应, 作为海洋上层两种重要的物理过程, 由于当前理论中关于其分层效应及计算公式中的误差还不是非常清楚, 目前还没有在浪流耦合模式中同时考虑. 本文将一种基于浪致辐射应力及浪致混合效应的参数化方案加入由浪(WAVEWATCH Ⅲ)和流模式(POM)组成的耦合模式中. 以台风"格美"(2006)为天气背景, 进行了四组数值试验. 结果表明: 浪致混合效应加强了混合层的湍流, 加大了动量及热量向下传递率, 但对表面流场的规律性改变不明显. 浪致辐射应力传递表面动量通量, 同时, 规律性地改变了水平流场. 当同时考虑两种物理过程时, 其效果叠加. 海流作为一种重要的动力因子, 对有效波高的高度和分布有显著影响, 使得动量转移, 有效波高增高. 模拟时次的第48 h, 流矢量差值的近惯性震荡以及顺时针旋转, 可能是台风靠近时浪流耦合效应加强的信号.
浪致辐射应力及浪致混合效应, 作为海洋上层两种重要的物理过程, 由于当前理论中关于其分层效应及计算公式中的误差还不是非常清楚, 目前还没有在浪流耦合模式中同时考虑. 本文将一种基于浪致辐射应力及浪致混合效应的参数化方案加入由浪(WAVEWATCH Ⅲ)和流模式(POM)组成的耦合模式中. 以台风"格美"(2006)为天气背景, 进行了四组数值试验. 结果表明: 浪致混合效应加强了混合层的湍流, 加大了动量及热量向下传递率, 但对表面流场的规律性改变不明显. 浪致辐射应力传递表面动量通量, 同时, 规律性地改变了水平流场. 当同时考虑两种物理过程时, 其效果叠加. 海流作为一种重要的动力因子, 对有效波高的高度和分布有显著影响, 使得动量转移, 有效波高增高. 模拟时次的第48 h, 流矢量差值的近惯性震荡以及顺时针旋转, 可能是台风靠近时浪流耦合效应加强的信号.
2012, 61(5): 059202.
doi: 10.7498/aps.61.059202
摘要:
数值模式是研究雷暴内起电和电荷结构的重要工具. 本文将Takahashi (1978) 和Saunders (1991) 两种主流非感应起电机制加入最新版本的中尺度模式RAMS(Version 6.0), 建立了一个区域大气-电耦合中尺度雷暴云模式, 据此对发生于北京的一次雷暴过程首次放电前的电荷结构和水成物粒子起电情况进行了较成功的模拟. 结果表明, Takahashi (1978) 和Saunders (1991)方案模拟的雷暴电荷结构在电场达到击穿阈值时均呈现三极性特征, 但Takahashi和Saunders方案模拟的雷暴电荷结构演变过程有一定的差异, Takahashi方案的电荷结构从起电到放电都是三极性特征, Saunders方案的电荷结构从反偶极性演变为三极性. 此外, 两种方案的模拟结果均表明雨滴是雷暴云低层的正电荷载体, 聚合物和霰是高层的主要电荷载体, 霰的电荷中心分布形态与雷暴云的总电荷分布形态相似.
数值模式是研究雷暴内起电和电荷结构的重要工具. 本文将Takahashi (1978) 和Saunders (1991) 两种主流非感应起电机制加入最新版本的中尺度模式RAMS(Version 6.0), 建立了一个区域大气-电耦合中尺度雷暴云模式, 据此对发生于北京的一次雷暴过程首次放电前的电荷结构和水成物粒子起电情况进行了较成功的模拟. 结果表明, Takahashi (1978) 和Saunders (1991)方案模拟的雷暴电荷结构在电场达到击穿阈值时均呈现三极性特征, 但Takahashi和Saunders方案模拟的雷暴电荷结构演变过程有一定的差异, Takahashi方案的电荷结构从起电到放电都是三极性特征, Saunders方案的电荷结构从反偶极性演变为三极性. 此外, 两种方案的模拟结果均表明雨滴是雷暴云低层的正电荷载体, 聚合物和霰是高层的主要电荷载体, 霰的电荷中心分布形态与雷暴云的总电荷分布形态相似.
