2017年 66卷 第4期
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2017, 66(4): 040201.
doi: 10.7498/aps.66.040201
摘要:
基于Birkhoff动力学函数包含系统全部运动信息的观点，借鉴Hamilton系统导出第一积分的思路，结合自治、半自治Birkhoff方程的定义和Birkhoff张量反对称性的特点，研究判别给定Birkhoff动力学函数是否是系统第一积分的方法.主要结论包括：证明自治系统的Birkhoff函数必是系统的第一积分，而半自治系统的Birkhoff函数一定不是系统的第一积分；针对非自治Birkhoff系统，导出循环积分、类循环积分以及Hojman积分，并讨论积分之间的关系.最后，通过两个例子来说明结论的具体应用.
基于Birkhoff动力学函数包含系统全部运动信息的观点，借鉴Hamilton系统导出第一积分的思路，结合自治、半自治Birkhoff方程的定义和Birkhoff张量反对称性的特点，研究判别给定Birkhoff动力学函数是否是系统第一积分的方法.主要结论包括：证明自治系统的Birkhoff函数必是系统的第一积分，而半自治系统的Birkhoff函数一定不是系统的第一积分；针对非自治Birkhoff系统，导出循环积分、类循环积分以及Hojman积分，并讨论积分之间的关系.最后，通过两个例子来说明结论的具体应用.
2017, 66(4): 040202.
doi: 10.7498/aps.66.040202
摘要:
超高应变率载荷下材料层裂特性研究对理解极端条件下材料动态破坏特性具有重要意义.利用双温模型结合分子动力学模拟研究分析了超高应变率载荷下铜材料的层裂特性，发现当应变率在109 s-1-1010 s-1内时，铜材料层裂强度在19 GPa附近波动.而当材料发生冲击熔化时，铜的层裂强度下降到14.89 GPa.利用飞秒激光对铜样品靶进行冲击加载，并利用啁啾脉冲频谱干涉技术开展超快诊断，通过单发次实验测量获得了样品靶的自由面粒子速度演化历史，结果未见表征样品层裂的速度回跳和速度周期性振荡信号.结合冲击动力学理论得到样品自由面附近最大加载压强为8.18 GPa，小于超高应变率载荷下铜材料的层裂强度.此外，对回收样品扫描分析发现，铜样品未发生层裂且飞秒激光引起的冲击波对样品表面结构产生了很大影响.
超高应变率载荷下材料层裂特性研究对理解极端条件下材料动态破坏特性具有重要意义.利用双温模型结合分子动力学模拟研究分析了超高应变率载荷下铜材料的层裂特性，发现当应变率在109 s-1-1010 s-1内时，铜材料层裂强度在19 GPa附近波动.而当材料发生冲击熔化时，铜的层裂强度下降到14.89 GPa.利用飞秒激光对铜样品靶进行冲击加载，并利用啁啾脉冲频谱干涉技术开展超快诊断，通过单发次实验测量获得了样品靶的自由面粒子速度演化历史，结果未见表征样品层裂的速度回跳和速度周期性振荡信号.结合冲击动力学理论得到样品自由面附近最大加载压强为8.18 GPa，小于超高应变率载荷下铜材料的层裂强度.此外，对回收样品扫描分析发现，铜样品未发生层裂且飞秒激光引起的冲击波对样品表面结构产生了很大影响.
2017, 66(4): 040501.
doi: 10.7498/aps.66.040501
摘要:
利用平均逃逸率和逃逸时间分别研究了周期性波动对股票价格稳定性在金融常态和金融危机下的影响.基于Heston模型、引入单稳势函数和周期函数，构建了描述股票价格处于稳定状态和崩盘的逃逸状态的动力学模型.通过数值模拟和实际数据结合，发现：1）利用道琼斯指数成分股的实际金融数据对模型参数进行估计，对模型和实际金融数据的概率密度函数做了比较，发现模型和实际情况较为符合；2）从金融常态到金融危机逃逸率的研究中，发现较强的经济增长率、较小的周期波动强度、较小的长期波动值和较弱的波动的振幅都会增强股票价格处于稳定状态的机率；3）通过研究金融危机周期性波动对价格平均逃逸时间的影响，发现存在一个最佳的周期波动振幅能最大化股票价格稳定性，某个最佳的波动均值回归速度、变弱的周期波动频率、变强的噪声关联强度和增加的经济增长率会进一步加强该最佳周期波动振幅从而进一步促进稳定性.
利用平均逃逸率和逃逸时间分别研究了周期性波动对股票价格稳定性在金融常态和金融危机下的影响.基于Heston模型、引入单稳势函数和周期函数，构建了描述股票价格处于稳定状态和崩盘的逃逸状态的动力学模型.通过数值模拟和实际数据结合，发现：1）利用道琼斯指数成分股的实际金融数据对模型参数进行估计，对模型和实际金融数据的概率密度函数做了比较，发现模型和实际情况较为符合；2）从金融常态到金融危机逃逸率的研究中，发现较强的经济增长率、较小的周期波动强度、较小的长期波动值和较弱的波动的振幅都会增强股票价格处于稳定状态的机率；3）通过研究金融危机周期性波动对价格平均逃逸时间的影响，发现存在一个最佳的周期波动振幅能最大化股票价格稳定性，某个最佳的波动均值回归速度、变弱的周期波动频率、变强的噪声关联强度和增加的经济增长率会进一步加强该最佳周期波动振幅从而进一步促进稳定性.
2017, 66(4): 040503.
doi: 10.7498/aps.66.040503
摘要:
由于传感器网络的自身特征和节点的资源受限，使得对观测信号的处理必须考虑量化和能耗等因素，而引入的量化噪声同时增加了系统整体噪声的复杂性.针对传感器网络中整体噪声统计特性难以准确数学建模的特点，提出了一种基于代价参考粒子滤波的混沌信号重构算法.算法采用容积点变换以获得相对准确的更新粒子，并将局部重构信号的代价增量构建为广义似然比函数，用来选择传感器网络中的有效工作节点.仿真结果表明：所提算法可实现混沌信号的有效重构，且在噪声统计特性未知时性能要优于容积卡尔曼粒子滤波算法；算法同时能够通过选择不同的广义似然比阈值，实现网络能耗和重构精度的折中.
由于传感器网络的自身特征和节点的资源受限，使得对观测信号的处理必须考虑量化和能耗等因素，而引入的量化噪声同时增加了系统整体噪声的复杂性.针对传感器网络中整体噪声统计特性难以准确数学建模的特点，提出了一种基于代价参考粒子滤波的混沌信号重构算法.算法采用容积点变换以获得相对准确的更新粒子，并将局部重构信号的代价增量构建为广义似然比函数，用来选择传感器网络中的有效工作节点.仿真结果表明：所提算法可实现混沌信号的有效重构，且在噪声统计特性未知时性能要优于容积卡尔曼粒子滤波算法；算法同时能够通过选择不同的广义似然比阈值，实现网络能耗和重构精度的折中.
2017, 66(4): 040601.
doi: 10.7498/aps.66.040601
摘要:
在北京大学超小型激光等离子体加速器系统上，通过压缩器对激光脉冲引入色散，研究了色散对双晶交叉偏振滤波（XPW）输出特性的影响.结果显示，随着正负色散的引入，XPW功率会减小、输出光谱带宽也会变窄、输出光谱中心波长会发生蓝移和红移.与此同时，正负色散对于三者的影响具有不对称性，负色散相对于正色散会更快减小XPW功率和输出光谱带宽.因此，对双晶XPW输出特性而言，正色散的影响要小于负色散.该结果对双晶XPW技术在高对比度超强激光中的应用提供了重要的实验数据.
在北京大学超小型激光等离子体加速器系统上，通过压缩器对激光脉冲引入色散，研究了色散对双晶交叉偏振滤波（XPW）输出特性的影响.结果显示，随着正负色散的引入，XPW功率会减小、输出光谱带宽也会变窄、输出光谱中心波长会发生蓝移和红移.与此同时，正负色散对于三者的影响具有不对称性，负色散相对于正色散会更快减小XPW功率和输出光谱带宽.因此，对双晶XPW输出特性而言，正色散的影响要小于负色散.该结果对双晶XPW技术在高对比度超强激光中的应用提供了重要的实验数据.
2017, 66(4): 040502.
doi: 10.7498/aps.66.040502
摘要:
利用两个磁控忆阻器和一个荷控忆阻器设计了一个六阶混沌电路，并建立了相应电路状态变量的非线性动力学方程.研究了系统的基本动力学特性，平衡点及其稳定性分析表明：该电路具有一个位于忆阻器内部状态变量所构成三维平衡点集，平衡点的稳定性由电路参数和三个忆阻器的初始状态决定.分岔图、Lyapunov指数谱等表明该电路在参数变化情况下能产生Hopf分岔和反倍周期分岔两种分岔行为，以及超混沌、暂态混沌、阵发周期现象等多种复杂的非线性动力学行为.将观察混沌吸引子时关注的电压、电流信号推广到功率和能量信号，观察到了莲花型、叠加型吸引子等奇怪吸引子的产生.并研究了各忆阻器能量信号之间产生吸引子的情况，特别地，当取不同的初始值时，系统出现了共存混沌吸引子和周期极限环与混沌吸引子的共存现象.
利用两个磁控忆阻器和一个荷控忆阻器设计了一个六阶混沌电路，并建立了相应电路状态变量的非线性动力学方程.研究了系统的基本动力学特性，平衡点及其稳定性分析表明：该电路具有一个位于忆阻器内部状态变量所构成三维平衡点集，平衡点的稳定性由电路参数和三个忆阻器的初始状态决定.分岔图、Lyapunov指数谱等表明该电路在参数变化情况下能产生Hopf分岔和反倍周期分岔两种分岔行为，以及超混沌、暂态混沌、阵发周期现象等多种复杂的非线性动力学行为.将观察混沌吸引子时关注的电压、电流信号推广到功率和能量信号，观察到了莲花型、叠加型吸引子等奇怪吸引子的产生.并研究了各忆阻器能量信号之间产生吸引子的情况，特别地，当取不同的初始值时，系统出现了共存混沌吸引子和周期极限环与混沌吸引子的共存现象.
2017, 66(4): 043201.
doi: 10.7498/aps.66.043201
摘要:
基于密度矩阵理论和多组态Dirac-Fock方法，系统地研究了不同入射光子能量下类钠离子（20Z92）3s，2p1/2和2p3/2子壳层的光电离过程，讨论了辐射场与电子相互作用的多极项对光电子角分布的影响，并给出了光电子角分布的偶极和非偶极参数.结果表明，非偶极项对光电子角分布的影响不仅与入射光子能量有关，而且与靶离子的原子序数、被电离电子的壳层等有着密切的关系.总体上，非偶极项对2p1/2，3/2子壳层光电子角分布的影响大于对3s子壳层光电子角分布的影响；电偶极近似下，入射光子能量、靶离子核电荷数对s子壳层光电子角分布轮廓影响不大，对p子壳层光电子角分布影响较大，在高能光子入射下，低Z离子的p子壳层光电子角分布出现反常的角分布情况；考虑非偶极项之后，p子壳层的反常光电子角分布消失.
基于密度矩阵理论和多组态Dirac-Fock方法，系统地研究了不同入射光子能量下类钠离子（20Z92）3s，2p1/2和2p3/2子壳层的光电离过程，讨论了辐射场与电子相互作用的多极项对光电子角分布的影响，并给出了光电子角分布的偶极和非偶极参数.结果表明，非偶极项对光电子角分布的影响不仅与入射光子能量有关，而且与靶离子的原子序数、被电离电子的壳层等有着密切的关系.总体上，非偶极项对2p1/2，3/2子壳层光电子角分布的影响大于对3s子壳层光电子角分布的影响；电偶极近似下，入射光子能量、靶离子核电荷数对s子壳层光电子角分布轮廓影响不大，对p子壳层光电子角分布影响较大，在高能光子入射下，低Z离子的p子壳层光电子角分布出现反常的角分布情况；考虑非偶极项之后，p子壳层的反常光电子角分布消失.
2017, 66(4): 044101.
doi: 10.7498/aps.66.044101
摘要:
针对远场微波成像所存在的瑞利极限，分析了实现亚波长成像的关键因素；继而通过设计光栅结构将近场的凋落波转化为传输波，实现了将凋落信息传输到远场区域；之后结合所设计的辅助光栅结构，构建了一套基于时间反演技术的远场成像系统.仿真和实验结果表明，所设计的辅助结构能将凋落波转为传输波，并且所构建的成像系统能够分辨出两个相距小于半波长的源目标.整个系统的设计为远场微波超分辨率成像提供了一种新的思路.
针对远场微波成像所存在的瑞利极限，分析了实现亚波长成像的关键因素；继而通过设计光栅结构将近场的凋落波转化为传输波，实现了将凋落信息传输到远场区域；之后结合所设计的辅助光栅结构，构建了一套基于时间反演技术的远场成像系统.仿真和实验结果表明，所设计的辅助结构能将凋落波转为传输波，并且所构建的成像系统能够分辨出两个相距小于半波长的源目标.整个系统的设计为远场微波超分辨率成像提供了一种新的思路.
2017, 66(4): 044102.
doi: 10.7498/aps.66.044102
摘要:
建立了多注电子束在空心圆柱波导中传输的理论模型，定量分析了多注电子束自电磁场力与镜像电磁场力对其角向运动的影响，并推导了考虑镜像束流影响下多注电子束的布里渊磁场.开展了模拟仿真研究，模拟与理论计算结果基本一致.研究发现：当电子束注数较少且靠近波导管壁传输时，镜像电磁场力是影响多注电子束角向漂移的主要因素；随着电子束注数或电子束与波导壁间距的增加，镜像电磁场力迅速减小并趋近于零，此时自电磁场力起主导作用；在一般情况下，漂移角速度的变化百分比只与加速电压有关，与多注电子束的注数、空间位置关系等参数无关.在输出电压约670 kV，电流约7 kA，空心圆柱波导长约100 mm的平台上开展了实验研究，研究发现多注电子束存在明显的畸变，通过进一步的分析认为多注阴极柱的侧面发射是导致电子束畸变的一个主要因素，并且二极管加速区的角向漂移不可忽视.提出并模拟验证了采取倾斜多注阴极柱的方法可提高电子束的引入效率.
建立了多注电子束在空心圆柱波导中传输的理论模型，定量分析了多注电子束自电磁场力与镜像电磁场力对其角向运动的影响，并推导了考虑镜像束流影响下多注电子束的布里渊磁场.开展了模拟仿真研究，模拟与理论计算结果基本一致.研究发现：当电子束注数较少且靠近波导管壁传输时，镜像电磁场力是影响多注电子束角向漂移的主要因素；随着电子束注数或电子束与波导壁间距的增加，镜像电磁场力迅速减小并趋近于零，此时自电磁场力起主导作用；在一般情况下，漂移角速度的变化百分比只与加速电压有关，与多注电子束的注数、空间位置关系等参数无关.在输出电压约670 kV，电流约7 kA，空心圆柱波导长约100 mm的平台上开展了实验研究，研究发现多注电子束存在明显的畸变，通过进一步的分析认为多注阴极柱的侧面发射是导致电子束畸变的一个主要因素，并且二极管加速区的角向漂移不可忽视.提出并模拟验证了采取倾斜多注阴极柱的方法可提高电子束的引入效率.
2017, 66(4): 044201.
doi: 10.7498/aps.66.044201
摘要:
透射光学系统由于结构简单、成本低、视场大、成像质量高等优点，广泛应用于探测、显微、望远等实际应用中，但目前关于该类系统像平面散射光斑分布规律的研究却鲜见报道.本文对透射光学系统焦平面散射光照度分布规律展开研究，以Harvey双向散射分布函数散射理论为基础，建立了小散射角条件下透射光学系统一阶表面散射光在像平面的高斯函数分布规律的理论模型，该模型能与实验数据很好地符合.
透射光学系统由于结构简单、成本低、视场大、成像质量高等优点，广泛应用于探测、显微、望远等实际应用中，但目前关于该类系统像平面散射光斑分布规律的研究却鲜见报道.本文对透射光学系统焦平面散射光照度分布规律展开研究，以Harvey双向散射分布函数散射理论为基础，建立了小散射角条件下透射光学系统一阶表面散射光在像平面的高斯函数分布规律的理论模型，该模型能与实验数据很好地符合.
2017, 66(4): 044202.
doi: 10.7498/aps.66.044202
摘要:
提出了一种基于双光束干涉结构和非线性相关算法的身份认证方法.该方法在传统双光束干涉加密结构中引入基于随机二值振幅分布的相位恢复技术，将多幅图像分别编码至对应的稀疏相位分布，并通过叠加复用技术和非线性相关算法，实现了多级别的身份认证功能.其认证过程中不同级别用户所持有的相位密钥是一个稀疏相位分布，数据量更小，便于存储和传输.此外，认证时的输出图像虽然含有标准参考图像的核心信息却具有视觉上的不可分辨性，降低了信息泄露的风险.理论分析和数值仿真结果都证实了该方案的有效性和可行性.
提出了一种基于双光束干涉结构和非线性相关算法的身份认证方法.该方法在传统双光束干涉加密结构中引入基于随机二值振幅分布的相位恢复技术，将多幅图像分别编码至对应的稀疏相位分布，并通过叠加复用技术和非线性相关算法，实现了多级别的身份认证功能.其认证过程中不同级别用户所持有的相位密钥是一个稀疏相位分布，数据量更小，便于存储和传输.此外，认证时的输出图像虽然含有标准参考图像的核心信息却具有视觉上的不可分辨性，降低了信息泄露的风险.理论分析和数值仿真结果都证实了该方案的有效性和可行性.
2017, 66(4): 044204.
doi: 10.7498/aps.66.044204
摘要:
提出了一种测量单次超短激光脉冲波形的三阶相关技术.该技术有别于频率分辨光开关法或自参考光谱相位相干电场重构法，技术上采用级联的方式，借助倍频晶体以及和频晶体的非共线频率转换，将双延迟的三阶强度相关信号转换为对应的二维空间强度分布，通过测量双延迟的二维三阶相关信号，无需测量光谱信息，利用解析方法获得脉冲的时间波形；再将它与对应的光谱相结合，利用Gerchberg-Saxton算法，可以准确获得激光场强的时间特性.该测量技术结构简单、算法简便，既适用于单次超快激光脉冲测量，也适用于高重频测量.
提出了一种测量单次超短激光脉冲波形的三阶相关技术.该技术有别于频率分辨光开关法或自参考光谱相位相干电场重构法，技术上采用级联的方式，借助倍频晶体以及和频晶体的非共线频率转换，将双延迟的三阶强度相关信号转换为对应的二维空间强度分布，通过测量双延迟的二维三阶相关信号，无需测量光谱信息，利用解析方法获得脉冲的时间波形；再将它与对应的光谱相结合，利用Gerchberg-Saxton算法，可以准确获得激光场强的时间特性.该测量技术结构简单、算法简便，既适用于单次超快激光脉冲测量，也适用于高重频测量.
2017, 66(4): 044206.
doi: 10.7498/aps.66.044206
摘要:
啁啾纠缠光子对具有超宽带的频谱特征，但由于同时产生了二次频率相位因子使其关联时间也被拓宽，限制了其在量子计量、量子光刻等领域的应用.通过类比透镜在空间对光场的相位变换原理，本文提出了一种通过在频域制作类透镜（菲涅耳波带透镜）来等效消除二次频率相位因子，从而压缩啁啾纠缠光子对关联时间的方法.这种类透镜是基于菲涅耳波带片思想，通过将啁啾纠缠光子对光谱划分成菲涅耳频率波带，并进行二元相位（0，）调制来实现.该方法可以在不损耗纠缠光信号的情况下极大地增强光子对的时间关联，同时又避免了相位补偿方法中压缩结果对色散介质长度的依赖和高阶色散影响的缺点.这些结果为产生超宽带、超窄时间关联的纠缠光子对提供了理论依据，在量子计量和量子光刻领域有潜在的应用.
啁啾纠缠光子对具有超宽带的频谱特征，但由于同时产生了二次频率相位因子使其关联时间也被拓宽，限制了其在量子计量、量子光刻等领域的应用.通过类比透镜在空间对光场的相位变换原理，本文提出了一种通过在频域制作类透镜（菲涅耳波带透镜）来等效消除二次频率相位因子，从而压缩啁啾纠缠光子对关联时间的方法.这种类透镜是基于菲涅耳波带片思想，通过将啁啾纠缠光子对光谱划分成菲涅耳频率波带，并进行二元相位（0，）调制来实现.该方法可以在不损耗纠缠光信号的情况下极大地增强光子对的时间关联，同时又避免了相位补偿方法中压缩结果对色散介质长度的依赖和高阶色散影响的缺点.这些结果为产生超宽带、超窄时间关联的纠缠光子对提供了理论依据，在量子计量和量子光刻领域有潜在的应用.
2017, 66(4): 044207.
doi: 10.7498/aps.66.044207
摘要:
非球形气溶胶的散射特性是影响辐射传输模拟准确性的重要因素.为实现非球形、非均质气溶胶散射特性的模拟，基于MRTD（multi-resolution time-domain）方法建立了一个新的气溶胶散射模型.采用MRTD技术实现了近场电磁场的计算；考虑气溶胶的特殊性，推导了基于体积积分方法的近远场外推方法，实现了粒子散射振幅矩阵和穆勒矩阵的仿真；构建了粒子吸收和消光截面的计算模型，实现了粒子积分散射特性的高精度模拟.将MRTD散射模型的结果与Mie理论、T矩阵法进行了对比，验证了模型的准确性；讨论了空间网格粗细对模拟精度的影响，并定量分析了模型的运行效率.结果表明，MRTD散射模型的相函数模拟误差小于8%，其中前向散射方向小于4%；当粒径与入射光波长相当时，消光和散射效率因子的相对误差小于0.1%；空间网格粗细对模拟精度影响显著，当粒子尺度参数小于20时，在相同模拟精度要求下，所需网格尺寸随尺度参数呈先增大后减小的特征.
非球形气溶胶的散射特性是影响辐射传输模拟准确性的重要因素.为实现非球形、非均质气溶胶散射特性的模拟，基于MRTD（multi-resolution time-domain）方法建立了一个新的气溶胶散射模型.采用MRTD技术实现了近场电磁场的计算；考虑气溶胶的特殊性，推导了基于体积积分方法的近远场外推方法，实现了粒子散射振幅矩阵和穆勒矩阵的仿真；构建了粒子吸收和消光截面的计算模型，实现了粒子积分散射特性的高精度模拟.将MRTD散射模型的结果与Mie理论、T矩阵法进行了对比，验证了模型的准确性；讨论了空间网格粗细对模拟精度的影响，并定量分析了模型的运行效率.结果表明，MRTD散射模型的相函数模拟误差小于8%，其中前向散射方向小于4%；当粒径与入射光波长相当时，消光和散射效率因子的相对误差小于0.1%；空间网格粗细对模拟精度影响显著，当粒子尺度参数小于20时，在相同模拟精度要求下，所需网格尺寸随尺度参数呈先增大后减小的特征.
2017, 66(4): 044701.
doi: 10.7498/aps.66.044701
摘要:
提出了一种模拟轴对称热流动的非正交多松弛系数格子Boltzmann（MRT-LB）模型.通过采用非正交转换矩阵，建立了基于D2Q9离散速度的求解流场的MRT-LB模型和基于D2Q5离散速度的求解温度场的MRT-LB模型.Chapman-Enskog分析表明，该模型可以恢复对应的柱坐标下的宏观连续方程、动量方程和能量方程.与现有的轴对称MRT-LB模型相比，本文采用的非正交转换矩阵中含有更多的零元素，因而具有更高的计算效率.采用本文模型对几种典型的轴对称热流动问题，包括热Womersley流动、竖直圆柱体内的Rayleigh-Bnard对流和环形柱体内的自然对流进行了数值模拟，通过等温线图和流线图以及定量数据的对比，验证了本文模型的可行性和可靠性.并且数值模拟结果表明，相对现有模型，本文模型具有更好的数值稳定性和计算效率.
提出了一种模拟轴对称热流动的非正交多松弛系数格子Boltzmann（MRT-LB）模型.通过采用非正交转换矩阵，建立了基于D2Q9离散速度的求解流场的MRT-LB模型和基于D2Q5离散速度的求解温度场的MRT-LB模型.Chapman-Enskog分析表明，该模型可以恢复对应的柱坐标下的宏观连续方程、动量方程和能量方程.与现有的轴对称MRT-LB模型相比，本文采用的非正交转换矩阵中含有更多的零元素，因而具有更高的计算效率.采用本文模型对几种典型的轴对称热流动问题，包括热Womersley流动、竖直圆柱体内的Rayleigh-Bnard对流和环形柱体内的自然对流进行了数值模拟，通过等温线图和流线图以及定量数据的对比，验证了本文模型的可行性和可靠性.并且数值模拟结果表明，相对现有模型，本文模型具有更好的数值稳定性和计算效率.
2017, 66(4): 044703.
doi: 10.7498/aps.66.044703
摘要:
表面微结构阵列可用于调控微间隙中液体的流动行为、运动阻力和混合特性等.本文采用石英晶体微天平实验研究了微凹坑和微圆柱阵列以及微结构表面形貌对近壁面层液体运动行为的影响.石英晶体微天平的系统频移和半带宽变化与近壁面层液体的运动行为密切相关，研究显示，表面微凹坑倾向于受限液体的运动，因此微凹坑表面引起的频移绝对值明显大于与其具有相同特征尺寸的微圆柱表面，且均大于光滑表面.粗糙表面结构会明显地增加近壁面区域液体运动的紊乱程度，因此具有粗糙顶部的二级微圆柱表面引起的半带宽变化明显大于与其具有相同特征尺寸的微圆柱表面，且均大于光滑表面.该研究为微流道表面阵列微结构形式的选择提供了实验依据.
表面微结构阵列可用于调控微间隙中液体的流动行为、运动阻力和混合特性等.本文采用石英晶体微天平实验研究了微凹坑和微圆柱阵列以及微结构表面形貌对近壁面层液体运动行为的影响.石英晶体微天平的系统频移和半带宽变化与近壁面层液体的运动行为密切相关，研究显示，表面微凹坑倾向于受限液体的运动，因此微凹坑表面引起的频移绝对值明显大于与其具有相同特征尺寸的微圆柱表面，且均大于光滑表面.粗糙表面结构会明显地增加近壁面区域液体运动的紊乱程度，因此具有粗糙顶部的二级微圆柱表面引起的半带宽变化明显大于与其具有相同特征尺寸的微圆柱表面，且均大于光滑表面.该研究为微流道表面阵列微结构形式的选择提供了实验依据.
2017, 66(4): 044704.
doi: 10.7498/aps.66.044704
摘要:
提出了一种径向基函数虚拟网格法浸入边界法以模拟复杂或多体浸入边界黏性绕流问题.在该方法中，采用有限差分法离散固定笛卡尔交错网格上的不可压缩Navier-Stokes方程，以分步法结合三阶Runge-Kutta格式进行时间积分，高阶TVDMUSCL（total variation diminishing monotonic upstream-centered scheme for conservation laws）格式离散对流项；一个边界连续的虚拟网格法施加物面边界条件以考虑尖锐边界对流场的影响；引入具多项式基的径向基函数描述和重构任意复杂浸入界面，并识别背景网格属性状态.采用Fortran 90语言开发相应的求解器，模拟了绕圆柱、机翼和交错布置圆柱群的黏性绕流问题，验证了本文方法的正确性、可靠性和对复杂边界流动问题的适用性.
提出了一种径向基函数虚拟网格法浸入边界法以模拟复杂或多体浸入边界黏性绕流问题.在该方法中，采用有限差分法离散固定笛卡尔交错网格上的不可压缩Navier-Stokes方程，以分步法结合三阶Runge-Kutta格式进行时间积分，高阶TVDMUSCL（total variation diminishing monotonic upstream-centered scheme for conservation laws）格式离散对流项；一个边界连续的虚拟网格法施加物面边界条件以考虑尖锐边界对流场的影响；引入具多项式基的径向基函数描述和重构任意复杂浸入界面，并识别背景网格属性状态.采用Fortran 90语言开发相应的求解器，模拟了绕圆柱、机翼和交错布置圆柱群的黏性绕流问题，验证了本文方法的正确性、可靠性和对复杂边界流动问题的适用性.
2017, 66(4): 044203.
doi: 10.7498/aps.66.044203
摘要:
提出了一种基于Pancharatnam-Berry相位设计制作的超表面平面轴棱锥透镜产生贝塞尔光束的方法.理论分析表明：由于Pancharatnam-Berry相位的自旋相关性，设计的平面轴棱锥透镜需采用左旋圆偏振光入射才能有效地产生贝塞尔光束.超表面微结构单元的旋转率与最大无衍射距离成反比，这提供了一个获得更大无衍射距离的方便的途径.最后，搭建了一套基于平面轴棱锥透镜的贝塞尔光束产生系统，实验结果与数值模拟结果一致.这些结论有助于设计制作更多新颖的基于Pancharatnam-Berry相位的平面光子学器件.
提出了一种基于Pancharatnam-Berry相位设计制作的超表面平面轴棱锥透镜产生贝塞尔光束的方法.理论分析表明：由于Pancharatnam-Berry相位的自旋相关性，设计的平面轴棱锥透镜需采用左旋圆偏振光入射才能有效地产生贝塞尔光束.超表面微结构单元的旋转率与最大无衍射距离成反比，这提供了一个获得更大无衍射距离的方便的途径.最后，搭建了一套基于平面轴棱锥透镜的贝塞尔光束产生系统，实验结果与数值模拟结果一致.这些结论有助于设计制作更多新颖的基于Pancharatnam-Berry相位的平面光子学器件.
2017, 66(4): 044208.
doi: 10.7498/aps.66.044208
摘要:
基于生化分子检测技术高灵敏度、小型化的需求，近些年国内外相继提出一种用光纤表面增强拉曼散射（SERS）探针进行拉曼信号检测的方法，此检测方法不仅能实现远端检测和原位检测功能，而且具有很高的灵敏度.本文通过简单的管式腐蚀法制成一种锥柱组合型光纤探针，并通过静电引力将银纳米颗粒结合到硅烷化的二氧化硅光纤探针表面.用罗丹明6G（R6G）溶液的检测极限来表征该光纤探针的活性和灵敏度，通过优化银纳米颗粒的自组装时间为30 min，光纤探针直径为62 m，制备出高灵敏度的光纤SERS探针，远端检测R6G的检测极限可达到10-14 mol/L.因此，该光纤SERS探针在分子检测方面有巨大的应用前景.
基于生化分子检测技术高灵敏度、小型化的需求，近些年国内外相继提出一种用光纤表面增强拉曼散射（SERS）探针进行拉曼信号检测的方法，此检测方法不仅能实现远端检测和原位检测功能，而且具有很高的灵敏度.本文通过简单的管式腐蚀法制成一种锥柱组合型光纤探针，并通过静电引力将银纳米颗粒结合到硅烷化的二氧化硅光纤探针表面.用罗丹明6G（R6G）溶液的检测极限来表征该光纤探针的活性和灵敏度，通过优化银纳米颗粒的自组装时间为30 min，光纤探针直径为62 m，制备出高灵敏度的光纤SERS探针，远端检测R6G的检测极限可达到10-14 mol/L.因此，该光纤SERS探针在分子检测方面有巨大的应用前景.
2017, 66(4): 044301.
doi: 10.7498/aps.66.044301
摘要:
本文对一维空气声栅表面微粒受到的声辐射力进行了详细的理论研究.首先采用有限元方法研究一维声栅的透射性质及表面声场分布，然后将有限元与动量张量积分结合研究处于一维声栅表面微粒受到的声辐射力特征.声栅共振透射增强是表面周期衍射波与狭缝Fabry-Perot共振耦合形成的，并且与声栅周期和厚度密切相关.研究发现，当共振波长与声栅周期相当时，微粒在其表面可受到指向声栅板面的声吸引力；当共振波长为声栅周期的二倍及以上，微粒可受到指向狭缝中的吸引力，且强度远小于第一种情况的吸引力.因此，在声栅处于共振波长与周期相当的共振模式时，可以在空气中利用声栅表面操控、吸引和排列微粒.
本文对一维空气声栅表面微粒受到的声辐射力进行了详细的理论研究.首先采用有限元方法研究一维声栅的透射性质及表面声场分布，然后将有限元与动量张量积分结合研究处于一维声栅表面微粒受到的声辐射力特征.声栅共振透射增强是表面周期衍射波与狭缝Fabry-Perot共振耦合形成的，并且与声栅周期和厚度密切相关.研究发现，当共振波长与声栅周期相当时，微粒在其表面可受到指向声栅板面的声吸引力；当共振波长为声栅周期的二倍及以上，微粒可受到指向狭缝中的吸引力，且强度远小于第一种情况的吸引力.因此，在声栅处于共振波长与周期相当的共振模式时，可以在空气中利用声栅表面操控、吸引和排列微粒.
2017, 66(4): 044702.
doi: 10.7498/aps.66.044702
摘要:
为探究气泡与自由液面相互作用形成水射流的机理，利用高速摄影系统对电火花引起的气泡脉动和水射流现象进行了实验研究.通过改变气泡初始深度，得到了不同无量纲距离条件下气泡与自由面相互作用形成水射流和气泡脉动的动态过程的图像.通过对不同工况下水射流的形成过程的图像进行分析，发现气泡二次脉动引起的水面扰动与一次脉动引起的水面扰动的叠加是产生不同水面现象的实质性机理，而气泡距离自由液面的无量纲距离对两次扰动的叠加效果起着决定性影响.研究结果可以为气泡与自由液面相互作用导致不同水面现象的认知提供新的视角和参考.
为探究气泡与自由液面相互作用形成水射流的机理，利用高速摄影系统对电火花引起的气泡脉动和水射流现象进行了实验研究.通过改变气泡初始深度，得到了不同无量纲距离条件下气泡与自由面相互作用形成水射流和气泡脉动的动态过程的图像.通过对不同工况下水射流的形成过程的图像进行分析，发现气泡二次脉动引起的水面扰动与一次脉动引起的水面扰动的叠加是产生不同水面现象的实质性机理，而气泡距离自由液面的无量纲距离对两次扰动的叠加效果起着决定性影响.研究结果可以为气泡与自由液面相互作用导致不同水面现象的认知提供新的视角和参考.
2017, 66(4): 044205.
doi: 10.7498/aps.66.044205
摘要:
通过非线性光学频率转换技术产生不同频率的脉冲辐射是实现具有短波波长的激光光源的有效手段.近年来，光子晶体光纤技术的发展为解决传统的基于非线性晶体的频率转换系统面临的难以维护、转换效率低、不易推广等问题带来了新的解决思路.在频率转换研究领域中，紫外光波段的脉冲辐射产生一直以来都受到学者的广泛关注.国外已报道过利用超短脉冲抽运光子晶体光纤实现三次谐波产生，从而输出具有高灵敏度和高分辨率的窄带紫外脉冲辐射，但其紫外光转换效率较低，且光谱的可调谐能力有限，而这些缺陷恰恰可以由宽带紫外脉冲辐射的获得来改善.宽带紫外脉冲辐射的有效获得不仅意味着紫外光转换效率可大幅提高，并且若加以合适的滤波手段，还可获得内任意波长下的窄带宽的脉冲辐射，从而增加窄带紫外脉冲辐射的可调谐度，但目前相关报道较为有限.本文将中心波长为1035 nm，脉冲重复频率为50 MHz的飞秒激光耦合至一定长度的高非线性光子晶体光纤中，将其产生的拉曼自频移孤子作为三次谐波产生的抽运源，通过相位匹配作用，在深紫外波段产生高阶模式传导下的三次谐波.随后让超短脉冲以偏离光纤轴心一定角度入射，可进一步激发出具有更短波长的超高阶紫外光模式.通过激发多个邻近的超高阶紫外光模式，在一定连续范围内实现相位匹配，获得超高阶紫外光模式传输下紫外光转换效率为3.6%的宽带（32-360 nm）深紫外脉冲激光.实验结果与理论模拟结果相一致.
通过非线性光学频率转换技术产生不同频率的脉冲辐射是实现具有短波波长的激光光源的有效手段.近年来，光子晶体光纤技术的发展为解决传统的基于非线性晶体的频率转换系统面临的难以维护、转换效率低、不易推广等问题带来了新的解决思路.在频率转换研究领域中，紫外光波段的脉冲辐射产生一直以来都受到学者的广泛关注.国外已报道过利用超短脉冲抽运光子晶体光纤实现三次谐波产生，从而输出具有高灵敏度和高分辨率的窄带紫外脉冲辐射，但其紫外光转换效率较低，且光谱的可调谐能力有限，而这些缺陷恰恰可以由宽带紫外脉冲辐射的获得来改善.宽带紫外脉冲辐射的有效获得不仅意味着紫外光转换效率可大幅提高，并且若加以合适的滤波手段，还可获得内任意波长下的窄带宽的脉冲辐射，从而增加窄带紫外脉冲辐射的可调谐度，但目前相关报道较为有限.本文将中心波长为1035 nm，脉冲重复频率为50 MHz的飞秒激光耦合至一定长度的高非线性光子晶体光纤中，将其产生的拉曼自频移孤子作为三次谐波产生的抽运源，通过相位匹配作用，在深紫外波段产生高阶模式传导下的三次谐波.随后让超短脉冲以偏离光纤轴心一定角度入射，可进一步激发出具有更短波长的超高阶紫外光模式.通过激发多个邻近的超高阶紫外光模式，在一定连续范围内实现相位匹配，获得超高阶紫外光模式传输下紫外光转换效率为3.6%的宽带（32-360 nm）深紫外脉冲激光.实验结果与理论模拟结果相一致.
2017, 66(4): 045101.
doi: 10.7498/aps.66.045101
摘要:
采用高功率微波注入大气的方法来促进氟利昂的分解具有一定可行性，本文基于麦克斯韦方程、电流密度控制方程等，利用时域有限差分法定量分析了高功率微波注入不同对流层高度促进电子生成从而促进氟利昂分解的过程.结果显示，在微波作用下，电子数密度随时间呈指数增长，最大能达到1017 cm-3；电子对氟利昂的分解主要发生在电子衰减过程中，利用估算公式和化学反应过程两种方法计算得出的分解率一致，能够达到6%.
采用高功率微波注入大气的方法来促进氟利昂的分解具有一定可行性，本文基于麦克斯韦方程、电流密度控制方程等，利用时域有限差分法定量分析了高功率微波注入不同对流层高度促进电子生成从而促进氟利昂分解的过程.结果显示，在微波作用下，电子数密度随时间呈指数增长，最大能达到1017 cm-3；电子对氟利昂的分解主要发生在电子衰减过程中，利用估算公式和化学反应过程两种方法计算得出的分解率一致，能够达到6%.
2017, 66(4): 045201.
doi: 10.7498/aps.66.045201
摘要:
螺旋波放电具有很高的耦合效率，作为一种高密度等离子体源在材料表面处理、薄膜沉积、离子推进器等领域具有广阔的应用前景.不同的波模式下能量耦合的方式直接关系到源区的等离子体分布，进而影响扩散腔中材料的处理和沉积薄膜的均匀性.本文通过电特性（功率-电流）曲线、增强型电荷耦合相机和磁探针诊断等方式对螺旋波等离子体源中出现的角向不均匀性进行研究，认为天线下端出现的驻波螺旋波可能是造成这种现象的关键因素.
螺旋波放电具有很高的耦合效率，作为一种高密度等离子体源在材料表面处理、薄膜沉积、离子推进器等领域具有广阔的应用前景.不同的波模式下能量耦合的方式直接关系到源区的等离子体分布，进而影响扩散腔中材料的处理和沉积薄膜的均匀性.本文通过电特性（功率-电流）曲线、增强型电荷耦合相机和磁探针诊断等方式对螺旋波等离子体源中出现的角向不均匀性进行研究，认为天线下端出现的驻波螺旋波可能是造成这种现象的关键因素.
2017, 66(4): 046101.
doi: 10.7498/aps.66.046101
摘要:
本文采用分子动力学模拟研究了界面间接枝羟基对碳纳米管在石墨基底上运动和摩擦行为的影响.结果表明：界面接枝羟基后碳纳米管所受的侧向力明显改变；仅石墨接枝羟基时碳纳米管侧向力波动增大；同时由于垂直碳纳米管与基底间接触面积小，碳纳米管所受的摩擦力随羟基含量的增加而增大；碳纳米管与石墨上均接枝羟基后体系中引入了氢键和库仑力作用，显著增加了界面间的摩擦，体系的滑移界面从碳纳米管与石墨间迅速转变为石墨层间，并且导致碳纳米管在垂直初始运动方向上也出现了滑移.
本文采用分子动力学模拟研究了界面间接枝羟基对碳纳米管在石墨基底上运动和摩擦行为的影响.结果表明：界面接枝羟基后碳纳米管所受的侧向力明显改变；仅石墨接枝羟基时碳纳米管侧向力波动增大；同时由于垂直碳纳米管与基底间接触面积小，碳纳米管所受的摩擦力随羟基含量的增加而增大；碳纳米管与石墨上均接枝羟基后体系中引入了氢键和库仑力作用，显著增加了界面间的摩擦，体系的滑移界面从碳纳米管与石墨间迅速转变为石墨层间，并且导致碳纳米管在垂直初始运动方向上也出现了滑移.
2017, 66(4): 046801.
doi: 10.7498/aps.66.046801
摘要:
在采用乳液微封装技术制备惯性聚变用聚--甲基苯乙烯（PAMS）靶丸芯轴过程中，以氟苯为油相溶剂，水溶性聚合物水溶液为外水相制备水包油包水（W1/O/W2）双重复合乳粒，对复合乳粒进行固化干燥得到PAMS靶丸芯轴.本文设计搭建了一套双重同轴乳粒发生器，用微流控技术产生PAMS靶丸复合乳粒，该乳粒发生器采用两种不同结构：两步法通道与一步法通道.研究了利用此乳粒发生器制备复合乳粒过程中，乳粒形成机理及三相流速对乳粒尺寸调控规律.实验结果显示，乳粒发生器结构上的细小差异会极大地影响乳粒形成机理以及尺寸变化规律.在两步法通道结构中，内水相流速对复合乳粒的形成及外径无明显影响，而外径随外水相流速的变化规律与单乳粒实心液滴（O/W2）尺寸变化规律相同；在固定体系中，乳粒尺寸取决于内水相与油相流速之和及外水相流速，而与内水相和油相流速之比无关.然而在一步法通道中，由于W1-O界面的存在，内水相流速对复合乳粒外径的影响非常大；复合乳粒外径不仅与内层相界面的界面张力大小有关，还与内水相与油相流速之比有关.最后，将实验中的双重复合乳粒置于水溶性聚合物水溶液中进行固化，得到毫米级空心聚合物微球.
在采用乳液微封装技术制备惯性聚变用聚--甲基苯乙烯（PAMS）靶丸芯轴过程中，以氟苯为油相溶剂，水溶性聚合物水溶液为外水相制备水包油包水（W1/O/W2）双重复合乳粒，对复合乳粒进行固化干燥得到PAMS靶丸芯轴.本文设计搭建了一套双重同轴乳粒发生器，用微流控技术产生PAMS靶丸复合乳粒，该乳粒发生器采用两种不同结构：两步法通道与一步法通道.研究了利用此乳粒发生器制备复合乳粒过程中，乳粒形成机理及三相流速对乳粒尺寸调控规律.实验结果显示，乳粒发生器结构上的细小差异会极大地影响乳粒形成机理以及尺寸变化规律.在两步法通道结构中，内水相流速对复合乳粒的形成及外径无明显影响，而外径随外水相流速的变化规律与单乳粒实心液滴（O/W2）尺寸变化规律相同；在固定体系中，乳粒尺寸取决于内水相与油相流速之和及外水相流速，而与内水相和油相流速之比无关.然而在一步法通道中，由于W1-O界面的存在，内水相流速对复合乳粒外径的影响非常大；复合乳粒外径不仅与内层相界面的界面张力大小有关，还与内水相与油相流速之比有关.最后，将实验中的双重复合乳粒置于水溶性聚合物水溶液中进行固化，得到毫米级空心聚合物微球.
2017, 66(4): 046802.
doi: 10.7498/aps.66.046802
摘要:
采用时间分辨圆偏振光抽运-探测光谱，测量了（110）晶向生长的近似对称和完全非对称掺杂GaAs/AlGaAs量子阱中的电子自旋弛豫，发现两种量子阱材料中的电子自旋弛豫时间随载流子浓度的增大均呈现出先增大后减小的趋势，且近似对称掺杂GaAs量子阱中的电子自旋弛豫时间明显大于完全非对称掺杂量子阱.分析表明，在（110）晶向生长的GaAs量子阱中并非只有通常认为的Bir-Aronov-Pikus（BAP）机理起作用，在低载流子浓度区域，两种量子阱中Dyakonov-Perel（DP）机理起主导作用，高载流子浓度区域BAP机理和DP机理都起作用，完全非对称掺杂的量子阱中DP机理强于近似对称掺杂量子阱.
采用时间分辨圆偏振光抽运-探测光谱，测量了（110）晶向生长的近似对称和完全非对称掺杂GaAs/AlGaAs量子阱中的电子自旋弛豫，发现两种量子阱材料中的电子自旋弛豫时间随载流子浓度的增大均呈现出先增大后减小的趋势，且近似对称掺杂GaAs量子阱中的电子自旋弛豫时间明显大于完全非对称掺杂量子阱.分析表明，在（110）晶向生长的GaAs量子阱中并非只有通常认为的Bir-Aronov-Pikus（BAP）机理起作用，在低载流子浓度区域，两种量子阱中Dyakonov-Perel（DP）机理起主导作用，高载流子浓度区域BAP机理和DP机理都起作用，完全非对称掺杂的量子阱中DP机理强于近似对称掺杂量子阱.
2017, 66(4): 048102.
doi: 10.7498/aps.66.048102
摘要:
由于漏磁检测（MFL）具有操作简单、成本低廉、信号稳定等特点，已被广泛应用于铁磁材料的无损检测.在MFL领域，实现缺陷评估的关键是对漏磁信号与缺陷几何特征之间的关系进行准确描述.本文建立了一个任意方向的表面缺陷漏磁场分布的三维数学模型.首先，将表面缺陷近似为一个有限长的矩形槽来进行描述；然后，从理论上分析了不同缺陷方向下槽壁磁荷密度的变化规律；最后，通过矢量合成得到了有向缺陷的漏磁场分布.开展了仿真和实验，对缺陷在不同磁化方向下的漏磁场分布进行了分析.实验结果表明，缺陷的MFL分布与方向性密切相关.随着与磁化方向夹角增大，缺陷漏磁场水平分量亦增加，单峰性也越突出；但垂直分量却随夹角的增大而呈现双峰分布.所建模型能有效地描述缺陷的方向性对漏磁场分布影响，对优化MFL检测器设计和提高缺陷评估质量有实际指导意义.
由于漏磁检测（MFL）具有操作简单、成本低廉、信号稳定等特点，已被广泛应用于铁磁材料的无损检测.在MFL领域，实现缺陷评估的关键是对漏磁信号与缺陷几何特征之间的关系进行准确描述.本文建立了一个任意方向的表面缺陷漏磁场分布的三维数学模型.首先，将表面缺陷近似为一个有限长的矩形槽来进行描述；然后，从理论上分析了不同缺陷方向下槽壁磁荷密度的变化规律；最后，通过矢量合成得到了有向缺陷的漏磁场分布.开展了仿真和实验，对缺陷在不同磁化方向下的漏磁场分布进行了分析.实验结果表明，缺陷的MFL分布与方向性密切相关.随着与磁化方向夹角增大，缺陷漏磁场水平分量亦增加，单峰性也越突出；但垂直分量却随夹角的增大而呈现双峰分布.所建模型能有效地描述缺陷的方向性对漏磁场分布影响，对优化MFL检测器设计和提高缺陷评估质量有实际指导意义.
2017, 66(4): 048401.
doi: 10.7498/aps.66.048401
摘要:
为进一步提升机载多输入多输出（MIMO）雷达空时自适应处理（STAP）的杂波抑制与目标检测性能，本文提出基于极化阵列MIMO雷达的极化空时自适应处理（PSTAP）方法.首先，将新型的极化阵列应用于机载MIMO雷达，建立了机载极化阵列MIMO雷达极化空时自适应处理的信号模型.然后，基于分辨格思想，将杂波影响等效为与杂波自由度相关的独立杂波点源的形式，得到极化阵列MIMO雷达极化空时自适应处理协方差矩阵的等价表示.进而，结合上述等价协方差矩阵，对极化阵列MIMO雷达极化空时自适应处理的输出信杂噪比（SCNR）性能进行了推导分析，讨论了其中极化、空、时匹配系数的影响.理论分析表明，通过利用附加的极化域信息，极化阵列MIMO雷达极化空时自适应处理相比于传统MIMO-STAP能够有效提升杂波抑制性能，更有利于慢速运动目标检测，并且目标与杂波极化参数差别越大，输出SCNR的性能改善效果越明显.仿真结果验证了本文所提极化阵列MIMO雷达极化空时自适应处理方法的有效性与优越性.
为进一步提升机载多输入多输出（MIMO）雷达空时自适应处理（STAP）的杂波抑制与目标检测性能，本文提出基于极化阵列MIMO雷达的极化空时自适应处理（PSTAP）方法.首先，将新型的极化阵列应用于机载MIMO雷达，建立了机载极化阵列MIMO雷达极化空时自适应处理的信号模型.然后，基于分辨格思想，将杂波影响等效为与杂波自由度相关的独立杂波点源的形式，得到极化阵列MIMO雷达极化空时自适应处理协方差矩阵的等价表示.进而，结合上述等价协方差矩阵，对极化阵列MIMO雷达极化空时自适应处理的输出信杂噪比（SCNR）性能进行了推导分析，讨论了其中极化、空、时匹配系数的影响.理论分析表明，通过利用附加的极化域信息，极化阵列MIMO雷达极化空时自适应处理相比于传统MIMO-STAP能够有效提升杂波抑制性能，更有利于慢速运动目标检测，并且目标与杂波极化参数差别越大，输出SCNR的性能改善效果越明显.仿真结果验证了本文所提极化阵列MIMO雷达极化空时自适应处理方法的有效性与优越性.
2017, 66(4): 048701.
doi: 10.7498/aps.66.048701
摘要:
在光镊的射线模型中，追迹光线在界面的折射反射光是较基本的也是较复杂的问题.传统的几何光学法计算光线的方位，对于一些不规则的物体来说，存在一定的困难度.本文提出使用四元数简化空间光线追迹，从而可计算非球形颗粒的光阱力.以入射光线和界面法线的外积确定入射面的法线为旋转轴；根据折射定律确定由入射光线旋转到反射光线和折射光线的角度.将入射光线以四元数表示，根据四元数旋转，可获得反射光线和折射光线的空间矢量.根据光子的动量变化，求得光阱对微粒的作用力.本文以球差影响下的不同形变的椭球为计算示例，模拟了椭球在光阱下的动力学行为，结果表明椭球的横向和轴向俘获效率受到各方向变形系数的影响；球差增大降低了轴向的最大俘获效率，稳定俘获位置也随之朝负轴偏离中心更远；在固定球差作用下，最大轴向俘获效率与轴向变形系数相关，在特定的变形下轴向俘获效率变得较大.由此验证了四元数方法的正确性、实用性与普遍性.
在光镊的射线模型中，追迹光线在界面的折射反射光是较基本的也是较复杂的问题.传统的几何光学法计算光线的方位，对于一些不规则的物体来说，存在一定的困难度.本文提出使用四元数简化空间光线追迹，从而可计算非球形颗粒的光阱力.以入射光线和界面法线的外积确定入射面的法线为旋转轴；根据折射定律确定由入射光线旋转到反射光线和折射光线的角度.将入射光线以四元数表示，根据四元数旋转，可获得反射光线和折射光线的空间矢量.根据光子的动量变化，求得光阱对微粒的作用力.本文以球差影响下的不同形变的椭球为计算示例，模拟了椭球在光阱下的动力学行为，结果表明椭球的横向和轴向俘获效率受到各方向变形系数的影响；球差增大降低了轴向的最大俘获效率，稳定俘获位置也随之朝负轴偏离中心更远；在固定球差作用下，最大轴向俘获效率与轴向变形系数相关，在特定的变形下轴向俘获效率变得较大.由此验证了四元数方法的正确性、实用性与普遍性.
2017, 66(4): 048101.
doi: 10.7498/aps.66.048101
摘要:
以三嵌段共聚物F108为软模板，通过水热法合成酚醛树脂球并在氮气氛围下碳化、KOH活化处理，最终得到多孔碳纳米球材料.通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜和氮气吸附分析仪对样品进行表征，结果表明样品的平均粒径为120 nm，球形度高，比表面积达到1403 m2/g，孔径分布广.通过X射线衍射研究样品的结晶度，傅里叶红外光谱分析样品表面官能团的情况，结果表明KOH处理和高温处理使得样品的微晶结构有序度提高，表面官能团含量降低.以多孔碳纳米球作为超级电容器电极的活性物质，电化学特性测试结果表明，多孔碳纳米球材料的比电容能够达到132 F/g（0.2 A/g），在10 A/g的电流密度下，经过10000次循环充放电后，电容量保留率为97.5%.本文采用水热法制备的多孔碳纳米球电化学性能良好，适用于超级电容器电极材料，研究结果表明，比表面积大、孔径分布合适（具有一定介孔含量）、结晶度高和含有少量表面官能团的理化特性的电极材料，其电化学性能更加优越.
以三嵌段共聚物F108为软模板，通过水热法合成酚醛树脂球并在氮气氛围下碳化、KOH活化处理，最终得到多孔碳纳米球材料.通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜和氮气吸附分析仪对样品进行表征，结果表明样品的平均粒径为120 nm，球形度高，比表面积达到1403 m2/g，孔径分布广.通过X射线衍射研究样品的结晶度，傅里叶红外光谱分析样品表面官能团的情况，结果表明KOH处理和高温处理使得样品的微晶结构有序度提高，表面官能团含量降低.以多孔碳纳米球作为超级电容器电极的活性物质，电化学特性测试结果表明，多孔碳纳米球材料的比电容能够达到132 F/g（0.2 A/g），在10 A/g的电流密度下，经过10000次循环充放电后，电容量保留率为97.5%.本文采用水热法制备的多孔碳纳米球电化学性能良好，适用于超级电容器电极材料，研究结果表明，比表面积大、孔径分布合适（具有一定介孔含量）、结晶度高和含有少量表面官能团的理化特性的电极材料，其电化学性能更加优越.
2017, 66(4): 048501.
doi: 10.7498/aps.66.048501
摘要:
基于X-射线透视仪进行无损伤检测发现发光二极管（LED）产品的封装会产生空洞的情况，特选取了GaN基通孔垂直结构的LED短路失效案例进行了失效性研究.利用光学显微镜、能谱仪和扫描电子显微镜对样品微观形貌进行表征，对失效样品进行金相切片处理，观察截面处形貌，最后根据分析结果得出样品的失效机理.分析结果表明：背金层空洞和固晶层空洞的存在加重了芯片通孔处应力不均，加快了GaN外延层的破裂的速度，致使LED失效.因此，在LED的封装过程中，也需要去避免空洞的产生，增加LED的可靠性.
基于X-射线透视仪进行无损伤检测发现发光二极管（LED）产品的封装会产生空洞的情况，特选取了GaN基通孔垂直结构的LED短路失效案例进行了失效性研究.利用光学显微镜、能谱仪和扫描电子显微镜对样品微观形貌进行表征，对失效样品进行金相切片处理，观察截面处形貌，最后根据分析结果得出样品的失效机理.分析结果表明：背金层空洞和固晶层空洞的存在加重了芯片通孔处应力不均，加快了GaN外延层的破裂的速度，致使LED失效.因此，在LED的封装过程中，也需要去避免空洞的产生，增加LED的可靠性.
2017, 66(4): 048801.
doi: 10.7498/aps.66.048801
摘要:
传统GaInP/（In）GaAs/Ge三结太阳电池因受其带隙组合的限制，转换效率再提升空间不大.倒装结构三结太阳电池因其更优的带隙组合期望可以得到更高的效率.基于细致平衡原理，结合P-N结形成机理，应用MATLAB语言对双晶格失配GaInP（1.90 eV）/InxGa1-xAs/InyGa1-yAs倒装结构三结太阳电池底、中电池的不同带隙组合进行模拟优化.模拟结果表明在AM1.5D，500倍聚光（500 suns）下，禁带宽度组合为1.90/1.38/0.94 eV的带隙最优，综合材料成本与试验条件，当顶、中电池最优厚度组合为4 upm和3.2 upm时理论转化效率高达51.22%，此时两个异质结的晶格失配度分别为0.17%和2.36%.忽略渐变缓冲层生长后底电池位错的影响，通过计算0.17%的晶格失配引入1.70105 cm-2的插入位错密度，对比单晶格失配GaInP/GaAs/In0.32Ga0.68As（0.99 eV）倒装结构三结太阳电池光电转化效率仍提高了0.3%.
传统GaInP/（In）GaAs/Ge三结太阳电池因受其带隙组合的限制，转换效率再提升空间不大.倒装结构三结太阳电池因其更优的带隙组合期望可以得到更高的效率.基于细致平衡原理，结合P-N结形成机理，应用MATLAB语言对双晶格失配GaInP（1.90 eV）/InxGa1-xAs/InyGa1-yAs倒装结构三结太阳电池底、中电池的不同带隙组合进行模拟优化.模拟结果表明在AM1.5D，500倍聚光（500 suns）下，禁带宽度组合为1.90/1.38/0.94 eV的带隙最优，综合材料成本与试验条件，当顶、中电池最优厚度组合为4 upm和3.2 upm时理论转化效率高达51.22%，此时两个异质结的晶格失配度分别为0.17%和2.36%.忽略渐变缓冲层生长后底电池位错的影响，通过计算0.17%的晶格失配引入1.70105 cm-2的插入位错密度，对比单晶格失配GaInP/GaAs/In0.32Ga0.68As（0.99 eV）倒装结构三结太阳电池光电转化效率仍提高了0.3%.
2017, 66(4): 049401.
doi: 10.7498/aps.66.049401
摘要:
将带电尘埃粒子的影响引入到非相干散射理论中，建立了包含电子、离子和尘埃组分的尘埃等离子体非相干散射理论模型.对火箭喷焰高密度尘埃等离子体条件下，离子谐振区和尘埃谐振区的非相干散射谱线进行了计算，讨论了尘埃粒径、温度和密度对谱线结构的影响，获得了尘埃颗粒影响非相干散射回波特征的基本物理规律.
将带电尘埃粒子的影响引入到非相干散射理论中，建立了包含电子、离子和尘埃组分的尘埃等离子体非相干散射理论模型.对火箭喷焰高密度尘埃等离子体条件下，离子谐振区和尘埃谐振区的非相干散射谱线进行了计算，讨论了尘埃粒径、温度和密度对谱线结构的影响，获得了尘埃颗粒影响非相干散射回波特征的基本物理规律.
2017, 66(4): 049201.
doi: 10.7498/aps.66.049201
摘要:
基于近极值事件广义态密度估计方法，针对1961-2013年中国近极端温度异常变化事件构建了近极值广义态密度的参数，定义rp为近极端温度变化异常事件最概然强度，max为近极端温度变化异常事件最大聚集程度，研究了1961-2013年中国近极端温度异常变化事件的聚集特征.结果表明：夏季，西北地区西部、华南地区以及西南地区南部，当日最高温度变化量达到离高温正距平阈值1.0-2.8℃并达到44%的聚集程度时，应及时给出极端高温异常增温事件的预警信息；在华南地区、西南地区南部以及西藏地区，当出现日最高温度变化量高于高温负距平阈值0.5-2.5℃的近极端高温异常降温事件并达到34%的聚集程度时，下一时刻出现极端高温异常降温事件的概率最大.冬季，对于西南地区，当日最低温度变化量达到离低温正距平阈值1.0-2.0℃并达到32%的聚集程度时，下一时刻最有可能发生极端低温异常增温事件；西南地区，华南地区和江南地区当日最低温度变化比低温负距平阈值高1.0-4.0℃时近极端低温异常降温事件会聚集发生.因此近极端温度变化异常事件最概然强度rp和近极端温度变化异常事件最大聚集程度max在一定程度上给出了下一刻极端温度异常变化事件的预警信息.
基于近极值事件广义态密度估计方法，针对1961-2013年中国近极端温度异常变化事件构建了近极值广义态密度的参数，定义rp为近极端温度变化异常事件最概然强度，max为近极端温度变化异常事件最大聚集程度，研究了1961-2013年中国近极端温度异常变化事件的聚集特征.结果表明：夏季，西北地区西部、华南地区以及西南地区南部，当日最高温度变化量达到离高温正距平阈值1.0-2.8℃并达到44%的聚集程度时，应及时给出极端高温异常增温事件的预警信息；在华南地区、西南地区南部以及西藏地区，当出现日最高温度变化量高于高温负距平阈值0.5-2.5℃的近极端高温异常降温事件并达到34%的聚集程度时，下一时刻出现极端高温异常降温事件的概率最大.冬季，对于西南地区，当日最低温度变化量达到离低温正距平阈值1.0-2.0℃并达到32%的聚集程度时，下一时刻最有可能发生极端低温异常增温事件；西南地区，华南地区和江南地区当日最低温度变化比低温负距平阈值高1.0-4.0℃时近极端低温异常降温事件会聚集发生.因此近极端温度变化异常事件最概然强度rp和近极端温度变化异常事件最大聚集程度max在一定程度上给出了下一刻极端温度异常变化事件的预警信息.
2017, 66(4): 049501.
doi: 10.7498/aps.66.049501
摘要:
深空背景中机动目标光谱辐射探测是目标机动模式和属性识别的重要研究内容.基于光谱散射和辐射理论，首先建立了复杂背景环境中目标反射背景辐射分布函数，然后根据气动加热引起的目标蒙皮温度场分布情况，建立了角水平和角俯仰的目标本征光谱辐射模型；结合空间目标运动方程和目标本体坐标系与探测器坐标系之间的旋转关系矩阵，重点分析了目标不同机动模式下光谱响应信号的时空过程性变化特点.仿真实验结果表明，探测器中的光谱响应信号因目标时空域的变化而呈现不同的特点，说明了目标机动模式与光谱响应信号间存在显著的特征映射关系，这为解决目标运动模式可分性问题提供了可行性，同时得出了目标姿态和空域相对位置是影响光谱响应信号特征的主要因素的结论.
深空背景中机动目标光谱辐射探测是目标机动模式和属性识别的重要研究内容.基于光谱散射和辐射理论，首先建立了复杂背景环境中目标反射背景辐射分布函数，然后根据气动加热引起的目标蒙皮温度场分布情况，建立了角水平和角俯仰的目标本征光谱辐射模型；结合空间目标运动方程和目标本体坐标系与探测器坐标系之间的旋转关系矩阵，重点分析了目标不同机动模式下光谱响应信号的时空过程性变化特点.仿真实验结果表明，探测器中的光谱响应信号因目标时空域的变化而呈现不同的特点，说明了目标机动模式与光谱响应信号间存在显著的特征映射关系，这为解决目标运动模式可分性问题提供了可行性，同时得出了目标姿态和空域相对位置是影响光谱响应信号特征的主要因素的结论.
2017, 66(4): 047201.
doi: 10.7498/aps.66.047201
摘要:
在冲击波压力作用下，极化Pb（Zr0.95Ti0.05）O3（PZT95/5）铁电陶瓷会发生铁电-反铁电相变失去极化，由于冲击波压力高、作用时间短，伴随材料去极化相变出现的瞬态电导特性难以准确测试.本文建立了新的实验方法，采用脉冲电容器作为冲击波加载铁电陶瓷脉冲电源的输出负载，在冲击波压力约3.5 GPa的实验中直接测得铁电陶瓷的漏电流，计算得到PZT95/5铁电陶瓷去极化后的电阻率，变化范围为2.2104-3.5104 cm；在实验数据的基础上，建立了动态电阻模型，对冲击波传播过程中PZT95/5铁电陶瓷去极化后的电阻率进行了分析，初步揭示了冲击波作用下PZT95/5铁电陶瓷去极化后电阻率的动态特性.
在冲击波压力作用下，极化Pb（Zr0.95Ti0.05）O3（PZT95/5）铁电陶瓷会发生铁电-反铁电相变失去极化，由于冲击波压力高、作用时间短，伴随材料去极化相变出现的瞬态电导特性难以准确测试.本文建立了新的实验方法，采用脉冲电容器作为冲击波加载铁电陶瓷脉冲电源的输出负载，在冲击波压力约3.5 GPa的实验中直接测得铁电陶瓷的漏电流，计算得到PZT95/5铁电陶瓷去极化后的电阻率，变化范围为2.2104-3.5104 cm；在实验数据的基础上，建立了动态电阻模型，对冲击波传播过程中PZT95/5铁电陶瓷去极化后的电阻率进行了分析，初步揭示了冲击波作用下PZT95/5铁电陶瓷去极化后电阻率的动态特性.
2017, 66(4): 047601.
doi: 10.7498/aps.66.047601
摘要:
低场核磁共振技术（LF-NMR）以其无损、非侵入、原位和绿色等优势被广泛应用在食品、农业、能源和化工等行业，尤其是在食品安全监管领域发挥着越来越重要的作用.在油品品质检测中，常规非负奇异值分解（SVD）弛豫（T2）谱反演方法，只能反映光滑模型的T2谱，对于稀疏模型的反演结果存在较大差异，从而导致T2谱反演分辨率低和品质分析不准确的问题.针对这一问题，本文提出基于L1范数最小化约束的T2谱稀疏反演算法，建立NMR回波曲线的稀疏模型表达式，利用截断牛顿内点法求解L1范数最小化问题，得到稀疏模型的T2谱反演结果.通过构造光滑模型的T2谱、以及不同峰值数和信噪比的稀疏模型的T2谱，对比非负SVD算法和L1稀疏算法的反演效果，得到当信噪比大于20 dB时，L1稀疏算法能精确反演多峰T2谱，峰值幅度和峰位置均优于非负SVD算法结果.最后通过多组煎炸油样品进行低场核磁共振检测实验和不同信噪比数据的反演结果对比，验证了L1范数稀疏反演算法的准确性和优越性.
低场核磁共振技术（LF-NMR）以其无损、非侵入、原位和绿色等优势被广泛应用在食品、农业、能源和化工等行业，尤其是在食品安全监管领域发挥着越来越重要的作用.在油品品质检测中，常规非负奇异值分解（SVD）弛豫（T2）谱反演方法，只能反映光滑模型的T2谱，对于稀疏模型的反演结果存在较大差异，从而导致T2谱反演分辨率低和品质分析不准确的问题.针对这一问题，本文提出基于L1范数最小化约束的T2谱稀疏反演算法，建立NMR回波曲线的稀疏模型表达式，利用截断牛顿内点法求解L1范数最小化问题，得到稀疏模型的T2谱反演结果.通过构造光滑模型的T2谱、以及不同峰值数和信噪比的稀疏模型的T2谱，对比非负SVD算法和L1稀疏算法的反演效果，得到当信噪比大于20 dB时，L1稀疏算法能精确反演多峰T2谱，峰值幅度和峰位置均优于非负SVD算法结果.最后通过多组煎炸油样品进行低场核磁共振检测实验和不同信噪比数据的反演结果对比，验证了L1范数稀疏反演算法的准确性和优越性.
2017, 66(4): 047801.
doi: 10.7498/aps.66.047801
摘要:
硅衬底GaN基发光二极管（LED）的内置n型欧姆接触在晶圆键合时的高温过程中常常退化，严重影响LED的工作电压等器件性能.本文深入研究了内置n电极蒸镀前对n-GaN表面的等离子体处理工艺对硅衬底GaN基发光二极管n型欧姆接触特性的影响.实验结果表明，1.1 mm1.1 mm的LED芯片在350 mA电流下，n-GaN表面未做等离子体处理时，n电极为高反射率Cr/Al的芯片正向电压为3.43 V，比n电极为Cr的芯片正向电压高0.28 V.n-GaN表面经O2等离子体表面处理后，Cr/Al和Cr电极芯片的正向电压均有所降低，但Cr/Al电极芯片的正向电压仍比Cr电极芯片高0.14 V.n-GaN表面经Ar等离子体处理后，Cr/Al电极芯片正向电压降至Cr电极芯片的正向电压，均为2.92 V.利用X射线光电子能谱对Ar等离子体处理前后的n-GaN表面进行分析发现，Ar等离子体处理增加了n-GaN表面的N空位（施主）浓度，更多的N空位可以提高n型欧姆接触的热稳定性，缓解晶圆键合的高温过程对n型欧姆接触特性的破坏.同时还发现，经过Ar等离子体处理并用HCl清洗后，n-GaN表面的O原子含量略有增加，但其存在形式由以介电材料GaOx为主转变为导电材料GaOxN1-x和介电材料GaOx含量相当的状态，这会使得接触电阻进一步降低.上述两方面的变化均有利于降低LED芯片的正向电压.
硅衬底GaN基发光二极管（LED）的内置n型欧姆接触在晶圆键合时的高温过程中常常退化，严重影响LED的工作电压等器件性能.本文深入研究了内置n电极蒸镀前对n-GaN表面的等离子体处理工艺对硅衬底GaN基发光二极管n型欧姆接触特性的影响.实验结果表明，1.1 mm1.1 mm的LED芯片在350 mA电流下，n-GaN表面未做等离子体处理时，n电极为高反射率Cr/Al的芯片正向电压为3.43 V，比n电极为Cr的芯片正向电压高0.28 V.n-GaN表面经O2等离子体表面处理后，Cr/Al和Cr电极芯片的正向电压均有所降低，但Cr/Al电极芯片的正向电压仍比Cr电极芯片高0.14 V.n-GaN表面经Ar等离子体处理后，Cr/Al电极芯片正向电压降至Cr电极芯片的正向电压，均为2.92 V.利用X射线光电子能谱对Ar等离子体处理前后的n-GaN表面进行分析发现，Ar等离子体处理增加了n-GaN表面的N空位（施主）浓度，更多的N空位可以提高n型欧姆接触的热稳定性，缓解晶圆键合的高温过程对n型欧姆接触特性的破坏.同时还发现，经过Ar等离子体处理并用HCl清洗后，n-GaN表面的O原子含量略有增加，但其存在形式由以介电材料GaOx为主转变为导电材料GaOxN1-x和介电材料GaOx含量相当的状态，这会使得接触电阻进一步降低.上述两方面的变化均有利于降低LED芯片的正向电压.
