Vol. 63, No. 15 (2014)
2014年08月05日
总论
2014, 63 (15): 150302.
doi: 10.7498/aps.63.150302
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利用变分法研究了线性和非线性交叉光晶格中偶极玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）体系中物质波孤立子的稳定性. 选用柱对称高斯型试探波函数，得出参数的Euler-Lagrange方程和体系的有效作用势能，根据有效势能是否具有局域最小值判断体系是否具有稳定孤立子解. 结果表明，由于存在接触相互作用的空间调制，在排斥和吸引偶极相互作用下，均能形成稳定的孤立子解. 给出了参数空间中存在稳定解的区域和物质波波包宽度随时间的变化曲线.
2014, 63 (15): 150504.
doi: 10.7498/aps.63.150504
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针对无线传感器网络节点能耗不均和如何高效获得节点和边的负载问题，提出一种局域范围内能量异构的加权无标度拓扑演化模型. 通过对节点能量与负载、能耗的关系建模，建立节点能量与点权和边权的联系，进而结合点权和加权模型给出网络的演化方式，推出点权、度和边权的幂率分布规律，最终根据网络获得的点权和边权来分析负载和能耗. 仿真结果表明，提出的模型不仅能够准确计算点边的负载，而且缓解了无标度网络的节点能耗不均衡问题.
2014, 63 (15): 150301.
doi: 10.7498/aps.63.150301
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大气湍流引起大气折射率随机变化，导致空间不均匀性. 拉盖高斯光束在大气湍流中传输时，空间不均匀性会使光子波函数改变，引起轨道角动量的变化. 本文讨论了拉盖尔高斯光束在大气斜程传输时，湍流介质改变光子轨道角动量而形成不同的光子态. 计算了螺旋谐波各分量所占光束总能量的权重，分析了拉盖高斯光束的轨道角动量的变化规律.
2014, 63 (15): 150505.
doi: 10.7498/aps.63.150505
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为满足描述爆轰环境下高温气体高温、中高压状态的需求，本文提出了一种基于Lennard-Jones（LJ）势能函数的简化维里型状态方程Han-Long（HL）. 应用HL状态方程计算了甲烷1000 K 以上112组理论和实验数据，计算所得体积平均绝对偏差约为1%，最大误差为3.28%，远低于DMW状态方程和BS状态方程的计算偏差. 采用HL状态方程计算了甲烷冲击试验的热力学数据，计算所得体积偏差均小于3%. 结果表明，HL状态方程能够很好的描述高温甲烷的热力学状态.
2014, 63 (15): 150503.
doi: 10.7498/aps.63.150503
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海杂波的奇异谱分析不仅能从理论上揭示海洋表面的动力学机理，同时也是对海探测雷达的关键技术之一. 本文提出基于小波leaders的海杂波时变奇异谱分析方法，将时间信息引入海杂波的奇异谱分析之中，从而实现动态的解析描述海杂波随时间变化的奇异谱特性. 在理论上，通过信号自身加窗，将时间信息引入传统的奇异谱（或称多重分形谱），实现了对海杂波时变奇异谱分布分析；在算法上，充分利用了小波leaders技术对于多种奇异性的提取能力（包括chirp奇异性和cusp奇异性），通过对时变奇异性指数和时变尺度函数的Legendre变换，实现对海杂波时变奇异谱分布的计算；在应用部分，采用经典的多重分形模型随机小波序列（RWC）以及三级海态条件下连续波多普勒体制雷达海杂波进行仿真分析，实验结果表明：1）基于小波leaders的奇异谱分布能跟踪海杂波的时变尺度特性，有效展示其时变奇异性谱分布；2）算法具有较好的负矩特性和统计收敛性. 该方法能为复杂非线性系统及随机多重分形信号分析提供参考.
2014, 63 (15): 150506.
doi: 10.7498/aps.63.150506
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相移控制能有效的避免孤子间的相互作用. 通过利用符号计算和双线性方法，本文解析研究用于描述色散渐变光纤传输特点的非线性Schrdinger方程，并得到该方程的双孤子解. 基于所得到的双孤子解，通过研究发现，当色散渐变光纤中的群速度色散呈Gauss型变化时，可以利用该类光纤实现孤子相移控制，从而避免孤子相互作用，提高光通信系统中信号传输质量. 此外，本文还将讨论色散渐变光纤中各类参数对相移控制的影响. 本文结论还有助于逻辑门和全光开光的研究.
2014, 63 (15): 150501.
doi: 10.7498/aps.63.150501
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为了探讨非完整基底结构对生长表面动力学行为的影响，本文在具有相同分形维数而不同谱维数的谢尔宾斯基箭头和蟹状分形基底上对受限固-固（restricted solid-on-solid，RSOS）模型的生长过程进行了大量的数值模拟研究. 通过计算表面宽度和饱和表面极值高度的统计行为对生长表面的动力学行为进行了分析. 结果表明，分形基底结构对生长表面的动力学行为具有显著的影响. 尽管在两种基底上受限固-固模型的表面宽度均表现出很好的动力学标度行为，仍然满足Family-Vicsek标度规律，但由此计算得到的动力学标度指数并不相同. 饱和生长表面的极值高度并不能满足三种常用的极值统计分布，即Weibull，Gumbel和Frechet分布，而是能很好地符合Asym2Sig分布.
2014, 63 (15): 150502.
doi: 10.7498/aps.63.150502
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为了更全面、有效地研究刻蚀模型（etching model）涨落表面的统计性质，基于Schramm Loewner Evolution（SLE）理论，对2+1维刻蚀模型饱和表面的等高线进行了数值模拟分析. 研究表明，2+1维刻蚀模型饱和表面的等高线是共形不变曲线，可用Schramm Loewner Evolution理论进行描述，且扩散系数=2.70 0.04，属= 8/3普适类. 相应的等高线分形维数为df =1.34 0.01.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2014, 63 (15): 154303.
doi: 10.7498/aps.63.154303
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存在条件失配时自适应波束形成器的性能急剧下降，凸优化技术的引入使稳健波束形成器的设计更加灵活，但同时带来了计算复杂度的增加和工程实现上的困难. 针对上述问题，提出了一种基于最小二乘估计的稳健波束形成算法，并推导得到一种基于一维搜索的求解方法. 首先利用广义旁瓣对消器的结构将标准Capon波束形成器转化为稳健最小二乘问题，并将该问题转化为二阶锥规划的形式. 为了减少计算量，利用二阶锥规划问题的原始问题和对偶问题的关系，将求解过程转化为一维搜索，并利用牛顿迭代法获得最优解，从而获得与标准Capon波束形成相近的计算复杂度. 仿真分析表明，该算法具有良好的抗导向矢量失配和快拍数不足的稳健性.
2014, 63 (15): 154201.
doi: 10.7498/aps.63.154201
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以高斯涡旋光束为例，研究了聚焦场中电场和磁场的偏振奇点变化规律. 结果表明，高斯涡旋光束经透镜聚焦后，在焦区存在二维和三维电场和磁场的偏振奇点，其位置一般不重合.适当改变与焦面的距离以及光阑截断参数等出现圆偏振奇点的移动、产生和湮没.不同二维和三维电场和磁场圆偏振奇点湮没所对应的各参数临界值不同.在二维电场中，几何焦面上会有V点的产生.
2014, 63 (15): 154203.
doi: 10.7498/aps.63.154203
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本文从理论和实验上系统研究了利用半波片实现高阶邦加球上柱矢量光束变换的方法. 通过琼斯矩阵的方法理论分析得出变换前后柱矢量光束在高阶邦加球上两个对应点的纬度相反，经度随半波片的光轴方向角的不同而改变. 最后，基于空间光调制器搭建了一套柱矢量光束产生及其变换系统，实验结果证明了这种方法的可行性.
2014, 63 (15): 154208.
doi: 10.7498/aps.63.154208
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报道了采用激光二极管端面抽运的Nd：YVO4晶体连续自拉曼激光器的实验研究. 通过对晶体掺杂浓度及晶体结构的选择优化，减轻自拉曼晶体的热效应，实现了结构紧凑的1175 nm连续自拉曼激光器的高效运转. 最终以两端键合的复合Nd：YVO4晶体作为自拉曼介质，在25.5 W的抽运功率下，获得了最高3.4 W的1175 nm连续拉曼光输出，光光转换效率为13.3%，拉曼阈值低至2.21 W，斜效率为14.6%.
2014, 63 (15): 154213.
doi: 10.7498/aps.63.154213
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基于光子晶体异质结结构的全光二极管是目前的一个研究热点，使其具有更好的单向传输特性是研究的一个目标. 本文中通过改变异质结界面处的光子晶体结构，提出了不同的优化设计方案，在宽频带内实现了高对比度全光二极管的高效率单向传输，并且该结构还具有分束特性.
2014, 63 (15): 154211.
doi: 10.7498/aps.63.154211
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采用反向共沉淀法制备了形貌呈棒状的BaMgF4：Er3+，Yb3+上转换纳米晶. 样品在980 nm半导体激光器激发下发射绿色和红色上转换荧光，其发射的绿、红发射带归因于Er3+离子的2H11/24I15/2，4S3/24I15/2和4F9/24I15/2跃迁. 当Er3+的掺杂浓度为3%，Yb3+离子掺杂浓度为10%时，荧光粉的上转换发光强度最强；随着Yb3+离子浓度的增加样品的红光发射增强，绿光发射减弱. 通过上转换发光强度与抽运电流关系曲线的拟合，得出BaMgF4：Er3+，Yb3+上转换材料的绿光与红光的上转换过程均为双光子吸收过程.
2014, 63 (15): 154302.
doi: 10.7498/aps.63.154302
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传统的工业超声成像方法通常只能确定缺陷的位置与横向尺寸，无法获得缺陷的形貌信息. 一些特殊的缺陷，如纵向裂纹，是典型的例子. 基于多阵元技术，开展了固体介质缺陷逆时偏移超声成像方法的数值与实验研究. 针对铝块平底纵裂纹及内部纵裂纹两种传统方法无法有效成像的缺陷，首先开展了单分量逆时偏移成像方法研究，给出了基于数值仿真的逆时偏移成像结果以及基于多阵元超声成像实验系统实验测试的逆时偏移成像结果. 进一步开展了基于多分量位移检测与转换横波分离的逆时偏移成像方法研究，并提出了基于新型多分量激光干涉仪进行检测的思路. 数值仿真结果证实了多分量逆时偏移图像重建结果可以克服单分量方式的缺点，得到明显优于单分量检测时的图像.
2014, 63 (15): 154501.
doi: 10.7498/aps.63.154501
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在旋转柔性梁变形场描述中，引入Bezier插值离散方法. 首先构建旋转运动悬臂梁物理模型，接着采用第二类Lagrange动力学方程和Bezier插值离散方法，在计入柔性梁横向弯曲变形引起的纵向缩短的情况下，推导了旋转柔性梁的刚柔耦合动力学方程，并编制旋转柔性梁的动力学仿真软件，然后通过仿真算例对系统的动力学问题进行研究. 最后将仿真结果与有限元法、假设模态法进行分析比较，验证了提出的Bezier插值离散方法的正确性，并得出Bezier插值离散法的计算效率较高；计算精度符合工程实际需要，高速时计算精度大于假设模态法；Bezier插值离散方法在处理大柔性问题时比假设模态法合理. 因此在多体系统动力学领域具有优良性能和应用价值的Bezier插值离散方法将具有推广价值.
编辑推荐
2014, 63 (15): 154704.
doi: 10.7498/aps.63.154704
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声子是石墨烯导热过程中的主要载体，而声子的弛豫时间又是其中最基本、最重要的物理量. 本文采用简正模式分解法研究了石墨烯声子的弛豫时间，并且借此分析了不同声子在导热过程中的贡献. 该方法通过平衡分子动力学模拟实现，首先通过模拟得到单个声子的能量自相关函数衰减曲线，并进一步采用拟合和积分两种方法得到单个声子的弛豫时间. 然后，研究了弛豫时间与波矢、频率和温度的关系. 结果发现，弛豫时间随波矢的变化与对应的色散关系相近，弛豫时间与频率和温度的关系符合理论模型：1/=nTm，其中声学支的n 为1.56，而光学支结果较为发散，指数m对于不同声子支结果略有不同. 最后，还研究了不同频率声子对导热的贡献，发现低频声子在态密度上占有绝对优势，并且其弛豫时间整体高于高频声子，所以低频声子对导热的贡献占据主导地位.
2014, 63 (15): 154212.
doi: 10.7498/aps.63.154212
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负折射率材料因为其奇异的特性成为广泛研究的对象，尤其是光子晶体平板的完美成像. 本文采用空气孔在硅介质中周期性排列构成六角结构的光子晶体结构，用平面波展开法及FDTD方法，研究了该光子晶体的亚波长成像能力还研究了入射波长以及温度漂移对该光子晶体平面亚波长成像的影响.
2014, 63 (15): 154701.
doi: 10.7498/aps.63.154701
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本文基于层流液体的对流扩散效应，提出了一种新型的具有渐变折射率分布特性并且可以实现调节的微腔流体透镜. 利用有限元法分析微腔中芯层与包层流体在对流扩散过程达到稳定后的浓度分度，即混合流体的折射率分布，结果表明，分别调节芯层与包层流体的流速，微腔中的流体可以实现不同的渐变折射率分布. 同时，本文还分析了即使考虑腔壁与流体之间的黏滞阻力因素，芯层与包层流体的流速组合依然是混合流体折射率分布的决定因素. 应用微腔流体透镜的这种调节效果，可以实现不同要求的光束聚焦、分束、偏转等功能，在微流控光学检测系统以及微成像系统中有重要的应用.
2014, 63 (15): 154101.
doi: 10.7498/aps.63.154101
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太赫兹波的衰减性及高可用带宽使其在局域网环境中拥有广阔的应用前景. 而太赫兹波的窄波束问题需要借助波束成形技术来解决. 作为波束成形技术的关键内容，非直视情况下太赫兹频段的室内信道建模成为了当前亟待开展的工作. 本文在340 GHz频段对多种常见室内装饰材料的太赫兹波反射特性和室内多径反射信道特性进行了实验研究，并基于射线追踪法对太赫兹室内信道进行仿真，仿真结果与测量结果符合较好，为进一步太赫兹室内信道建模提供了基础.
2014, 63 (15): 154301.
doi: 10.7498/aps.63.154301
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本文利用标准化动态力学测量手段获得了某种高分子聚合物的动态杨氏模量，并根据时温等效原理对动态杨氏模量与声学测量在频段上的差异加以分析和转换，得到了5007500 Hz频率范围内该黏弹性材料杨氏模量随频率变化的特性. 基于所测得动态杨氏模量，采用有限元方法分析了均匀黏弹材料的吸声性能，并将仿真结果与样品声管实验数据进行对比，验证了测试所得参数的准确性. 进一步仿真分析了含有局域共振结构的声学覆盖层吸声性能，并讨论了黏弹性材料的动态特性对其吸声性能的影响，提出了改进水声覆盖层低频宽带吸声特性的建议.
2014, 63 (15): 154502.
doi: 10.7498/aps.63.154502
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采用分子动力学方法模拟研究了孤立波在重轻颗粒相间排列的一维复合颗粒链中的传播特性. 结果发现，在轻重颗粒的质量比较大或较小时，散射作用较弱，颗粒的速度和孤立波的速度衰减较慢. 在轻重颗粒的质量比为中等时，散射作用较强，颗粒的速度和孤立波的速度衰减较快. 孤立波在通过重-轻颗粒界面时，存在有增速效应，可以提高孤立波的传播速度. 并且，轻重颗粒的质量比越小增速效应越强. 在散射作用和增速效应的共同作用下，改变轻重颗粒的质量比可以调控孤立波在重-轻颗粒链中的传播时间.
2014, 63 (15): 154702.
doi: 10.7498/aps.63.154702
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本文研究了二维黏性流体薄膜沿非平整不均匀加热基底流动时非线性表面波的演化及其流动稳定性. 利用长波摄动法推导出非平整线性加热基底上非线性表面波的零阶和一阶演化方程，基于所得演化方程，绘制出正弦波纹基底上液膜的表面波形图，并研究液膜流动的线性稳定性，分析了各无量纲参数对液膜线性稳定性的影响. 分析结果表明：在正弦波纹基底上，液膜自由表面随同壁面作相同频率的正弦型波动，且液膜厚度沿流动方向逐渐变小；Marangoni数为稳定影响因素，随Marangoni数的增大，液膜稳定区域增大；Peclet数和倾角均为不稳定影响因素，随Peclet数和倾角的增大，液膜稳定区域减小；在非平整基底的波峰和波谷处，Peclet数、Marangoni数和倾角对稳定性的影响趋势一致，但基底波谷处的液膜稳定区域小于波峰处区域，流动更易失稳.
2014, 63 (15): 154703.
doi: 10.7498/aps.63.154703
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本文采用DNS方法计算二维方腔Rayleigh-Bnard热对流. 在软湍流区热对流场呈现大尺度环流和两个反向转动的角涡，并出现了大尺度环流的反转现象. 连续的温度等值线和流线图清晰地描述了反转现象的全过程. 在反转过程中，角涡的大小尺度变化起到重要的作用. 对角涡大小尺度变化的分析发现，在反转现象中其角涡尺度随时间的变化出现剧烈的振荡，而没有反转现象的热对流场中角涡尺度变化只有小幅的脉动. 对反转过程前后的角涡大小尺度、典型位置速度及角点附近温度等流动特性进行了探讨和分析，发现反转是在瞬间完成的，角涡内速度脉动较小、温度较高，反转前角涡尺度与角涡侧壁垂向速度变化具有同步性.
2014, 63 (15): 154102.
doi: 10.7498/aps.63.154102
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基于变换光学理论设计了一种新型的多功能电磁器件旋转集中器. 它以特殊的方式引导电磁波使其传播方向在器件核心区发生指定角度的旋转，并同时实现电磁场能量向该核心区的集中. 针对提出的三种等效的旋转集中器结构，分别推导了相应的本构参数表达式，并利用有限元软件对三种结构分别进行了全波仿真. 仿真结果验证了本构参数表达式的正确性. 这三种不同的结构中，前两种结构由三层介质构成，后一种简化为两层介质. 对于给定的任意旋转角度和能量集中率，三种结构可以使电磁场发生等效的传播方向旋转和能量集中两种效果. 这些结果有助于对旋转器和集中器机理的进一步理解，并为复合功能器件的设计奠定了更充分的理论基础. 本文提出的旋转集中器在设计高效率接收天线和特殊电路封装互联器件等方面都有潜在的应用前景.
2014, 63 (15): 154214.
doi: 10.7498/aps.63.154214
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本文提出并实验验证了一种基于光纤中受激布里渊散射效应的光子二倍频微波信号生成技术. 利用布里渊增益谱内的强色散特性，对光强度调制器产生的双边带调制信号的载波进行/2相移，可实现载波与1阶边带拍频仅生成二倍频微波信号. 由于光纤中受激布里渊散射的窄带特性以及仅对双边带调制信号的载波进行相移，不影响调制信号两个边带的幅值和相位，因而生成的二倍频微波信号可实现宽带调谐，调谐范围仅受其他光器件的工作带宽限制. 此外，信号光和产生受激布里渊散射的抽运光均来自同一光源，因而不受波长漂移的影响，系统具良好的稳定性.
2014, 63 (15): 154601.
doi: 10.7498/aps.63.154601
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纳米尺度探针是研究纳米薄膜材料的重要工具. 针对纳米探针和石墨烯相互作用有限元模型静态计算中难以收敛的困难，应用动态显式算法通过间歇式探针进给方式进行能量耗散，得出静态计算结果. 模型中界面作用力由界面黏结能和原子间作用势导出并植入Abaqus软件中界面作用子程序，实现对石墨烯、探针，基体系统内相互作用的仿真计算. 通过对比计算结果和实验数据，对实验结果给出了一致性解释.
2014, 63 (15): 154103.
doi: 10.7498/aps.63.154103
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圆台谐振腔和微波产生及传输装置可以形成一套和外界独立的微波谐振器系统. 由于壁面上电磁压强差的作用，圆台谐振腔可能产生净电磁力，这需要从实验上给予证明. 为此首先应对独立的微波谐振器系统进行调谐实验研究，使系统时刻处于谐振状态，这是实验证明净电磁力存在的重要保证. 为此，本文对圆台谐振腔进行低信号调谐实验，同时配合调谐元件，准确地调试2.45 GHz频率下的谐振状态，分析温度对谐振状态的影响. 实验结果表明该微波谐振器谐振频率2.44895 GHz、品质因数117495.0823，而且当腔体壁温升高时谐振频率减小、品质因数出现周期性振荡.
2014, 63 (15): 154202.
doi: 10.7498/aps.63.154202
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本文根据电磁场矢量球波函数多极点展开原理及矢量叠加定理提出了递归T矩阵算法的矢量形式，并且基于矢量递归T矩阵算法建立了多散射球模拟离散随机散射体散射的三维电磁散射模型. 通过计算不同尺寸、随机分布散射球的散射以及分析散射球间的高阶散射效应，结果表明：矢量递归T矩阵算法具有很高的计算精度，算法中包含多散射体间的高阶散射效应，因此能够精确计算多散射体总的散射效应. 本文所建模型可应用于土壤湿度探测工程中评估地表下掩埋离散随机散射体散射对雷达回波信号产生的影响.
2014, 63 (15): 154204.
doi: 10.7498/aps.63.154204
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传统的空间数据插值方法在米散射激光雷达剖面扫描数据的距离高度显示图可视化应用方面具有一定的局限性. 本文分析了米散射激光雷达剖面扫描数据以仰角为基础的空间位置关系与大气参数的空间分布特性，分别在垂直与水平位置上合理选取参考数据，给出位置相关性权重，基于三次样条函数法进行数据变化趋势的平滑性修正，完成缺失数据插值. 实验结果表明，该方法能够有效提高米散射大气激光雷达扫描数据空间插值的准确性，插值数据误差小，距离高度显示图图形趋势过度平滑，符合大气参数的整体变化规律.
2014, 63 (15): 154205.
doi: 10.7498/aps.63.154205
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在数字全息成像中，散斑噪声严重影响了再现像的信噪比和成像分辨率，因此为了提高数字全息成像质量，迫切需要抑制再现像的散斑噪声. 分析并给出了矩形散射光斑的强度协方差，定量计算了特定实验条件下产生退相关散斑图样的最小角度差. 结合透镜的性质设计并搭建了多角度无透镜傅里叶变换数字全息成像系统，利用光纤端面在透镜焦平面的二维机械移动代替传统反射镜的旋转，使照明光束在不改变照明位置和大小的同时，可任意改变光束方向. 移动光纤端面使多角度照明满足最小角度差，获取了81幅数字全息图. 利用单次快速傅里叶逆变换实现数值再现，对多幅再现像的强度像求平均，实验结果表明散斑对比度降低为单幅再现像的14.6%，使图像信噪比提高了6.9倍. 该抑制散斑的多角度数字全息成像方法有效的抑制了散斑噪声，且成像光路结构简单，可操作性强.
2014, 63 (15): 154206.
doi: 10.7498/aps.63.154206
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为了满足红外激光测试技术对多光谱集成光源在光谱范围和峰值精度等方面的要求，提出了一种高精度的多波长红外激光二极管，并设计了能够集成860 nm，905 nm和1064 nm（脉冲/单模）四种激光芯片的封装结构. 建立了基于上述封装结构下中心热沉的温度场分布模型，并根据数学建模工具求解的中心热沉温度场数值分布规范了中心热沉的加工工艺. 为了验证多波长激光二极管中心热沉对输出峰值光谱热漂移现象的抑制效果，制备了多波长激光二极管样机，并搭建了观察其峰值光谱热漂移现象的实验装置. 实验结果显示，样机仅有两种芯片的峰值光谱发生了13 nm的微弱漂移，并未超出规定的峰值半宽. 该现象证明了多波长激光二极管的输出光谱具备较高的精度和良好的稳定性.
2014, 63 (15): 154207.
doi: 10.7498/aps.63.154207
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基于光子晶体的光子局域特性，并利用光子晶体的介观压光效应，提出了一种新型的双通道可调滤波器结构. 采用传输矩阵法对该滤波器的光学传输特性进行了理论推导，建立了透射谱与光子晶体结构参数的关系，讨论了介观压光效应对双缺陷光子晶体透射谱的影响，并对所设计的光子晶体结构进行了数值模拟. 结果表明：随着入射角度的增大，缺陷峰发生蓝移. 随着各介质层折射率或几何厚度的增加，缺陷峰发生红移. 当光子晶体发生轴向拉伸应变时，缺陷峰的位置向长波长移动，但缺陷峰的峰值大体不变，从而验证了此滤波器的可调节性. 该光子晶体滤波器结构紧凑，可调谐性好，为光子晶体激光器及传感器的设计提供了一定的理论参考.
2014, 63 (15): 154209.
doi: 10.7498/aps.63.154209
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本文提出了一种基于U形波导耦合单微环结构的新型SOI（绝缘体上硅）温度传感器. 温度变化引起感温部位有效折射率和长度变化，导致传感器的输出光谱发生漂移. 根据传输矩阵法和耦合模理论，设计了新型传感器模型，并且分析了感温部位不同时系统输出光谱特性. 结果表明：当U形波导耦合单微环整体结构感温时，输出光谱无伪模，消光比达到31 dB，可作为最佳感温元件. 相比于传统的双直波导耦合单微环结构，当U形波导的两个耦合点间的距离为微环周长的整数倍数时，FSR（自由光谱范围）可加倍至56 nm，灵敏度提高到89.2 pm/℃，测量范围为298720 K，实现了SOI微环谐振器的高温测量.
2014, 63 (15): 154210.
doi: 10.7498/aps.63.154210
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实验研究了一种基于谐波拟合产生周期性三角形光脉冲串的方法，方案首先利用马赫曾德调制器的载波抑制调制，获得具有周期性起伏的连续光强度信号，然后利用光纤色散所致的射频功率衰落效应，对光强度表达式中四次谐波分量进行抑制，调节调制深度后，光强度表达式将向理想三角形傅里叶展开式的前三项进行逼近，最后以谐波拟合的方式获得重复频率为射频调制频率二倍的周期性三角形光脉冲串. 结合实验，在9.862 GHz和7.678 GHz射频调制频率下，获得了脉冲重复频率19.724 Gb/s（脉冲全宽约50.7 ps）和15.356 Gb/s（脉冲全宽约65.1 ps）的稳定三角形光脉冲串输出，改变色散量并反向调节调制频率，可进一步改变脉冲的重复频率，所获得的实验结果与理论预期基本符合.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2014, 63 (15): 158401.
doi: 10.7498/aps.63.158401
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以单通道正弦调频（SFM）混合信号为研究对象，提出了基于粒子滤波的正弦调频混合信号分离与参数提取方法. 针对正弦调频混合信号频率无跳变的特征，提出了一种基于粒子滤波的相位差解混叠算法，并通过源信号相位差解决了本算法中粒子滤波高维状态空间降维问题，提出了一种适合高维状态空间的似然函数模型，比较固定长度粒子估计值和真实值误差，进而准确衡量粒子权重. 通过在重采样后引入MCMC转移，解决了静止参数下粒子多样性降低问题，有效提高粒子滤波迭代收敛速度. 从而在先验知识仅已知信号调制方式的情况下，完成对单通道正弦调频混合信号的参数提取，并通过重构信号完成正弦调频混合信号分离. 最后通过仿真分析发现，该方法能够有效的实现正弦调频混合信号的分离与参数估计.
2014, 63 (15): 158901.
doi: 10.7498/aps.63.158901
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提出带有应急恢复机理的网络级联故障模型，研究模型在最近邻耦合网络，Erdos-Renyi随机网络，Watts-Strogatz小世界网络和Barabasi-Albert无标度网络四种网络拓扑下的网络级联动力学行为. 给出了应急恢复机理和网络效率的定义，并研究了模型中各参数对网络效率和网络节点故障率在级联故障过程中变化情况的影响. 结果表明，模型中应急恢复概率的增大减缓了网络效率的降低速度和节点故障率的增长速度，并且提高了网络的恢复能力. 而且网络中节点负载容量越大，网络效率降低速度和节点故障率的增长速度越慢. 同时，随着节点过载故障概率的减小，网络效率的降低速度和节点故障率的增长速度也逐渐减缓. 此外，对不同网络拓扑中网络效率和网络节点故障率在级联故障过程中的变化情况进行分析，结果发现网络拓扑节点度分布的异质化程度的增大，提高了级联故障所导致的网络效率的降低速度和网络节点故障率的增长速度. 以上结果分析了复杂网络中带有应急恢复机理的网络级联动力学行为，为实际网络中级联故障现象的控制和防范提供了参考.
2014, 63 (15): 158501.
doi: 10.7498/aps.63.158501
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本文首次提出了一种基于石墨烯用于微弱能量获取的柔性基板/石墨烯/ZnO纳米线/石墨烯的柔性微结构. 首先，从理论上进行了该新结构的设计及其工作原理分析；其次，研究了该结构制备过程中的关键工艺，并设计了该结构的制备流程；最后，成功制备了该结构，并进行了相关测试. 最终测试结果表明该结构能够成功输出数百毫伏的电压. 这些理论和实验上的研究为自驱动微纳系统提供了研究基础，同时也对集成微纳系统的实用化发展具有一定的研究意义.
2014, 63 (15): 158902.
doi: 10.7498/aps.63.158902
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为了研究信息传播过程对复杂网络结构演化的影响，提出了一种信息传播促进网络增长的网络演化模型，模型包括信息传播促进网内增边、新节点通过局域世界建立第一条边和信息传播促进新节点连边三个阶段，通过多次自回避随机游走模拟信息传播过程，节点根据路径节点的节点度和距离与其选择性建立连接。理论分析和仿真实验表明，模型不仅具有小世界和无标度特性，而且不同参数下具有漂移幂律分布、广延指数分布等分布特性，呈现小变量饱和、指数截断等非幂律现象，同时，模型可在不改变度分布的情况下调节集聚系数，并能够产生从同配到异配具有不同匹配模式的网络.
原子和分子物理学
2014, 63 (15): 153401.
doi: 10.7498/aps.63.153401
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在共面双对称几何条件下，利用一阶扭曲波Born近似计算了中低能电子碰撞Ar原子（3p壳层电子）单电离的三重微分截面，并与最近的实验数据做了比较. 结果表明，对于Ar原子，当入射电子能量比电离阈高40 eV以上，随着入射能量的增加，binary和recoil碰撞机理逐渐占据支配地位；在近阈能量范围，上述碰撞机理不再处于支配地位，扭曲效应明显. 要完备地描述中低能入射条件下Ar原子的电子碰撞电离过程，理论模型必须同时考虑多种散射机理.
2014, 63 (15): 153101.
doi: 10.7498/aps.63.153101
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采用平面波赝势密度泛函理论对0100 GPa静水压下P1 -IrB（空间群Pnma）和P5 -IrB2（空间群Pmmn）结构的平衡态晶格常数、弹性常数等性质进行了研究. 研究结果表明，P1 -IrB不可压缩性随着压强的增加而增强；P5 -IrB2 结构在0100 GPa范围内弹性常数、体弹模量、剪切模量均呈现出有规律的变化，当所加压强为50 GPa时，杨氏模量和在b方向的晶格常数发生异常变化. 对零压下P1 -IrB和P5 -IrB2 的电子结构的研究发现，二者均没有一个明显的带隙，主要原因为Ir原子和B原子间的共价作用. 从P1 -IrB和P5 -IrB2的能带结构和态密度图可以发现这两种结构均有金属性.
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2014, 63 (15): 153701.
doi: 10.7498/aps.63.153701
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为了制备适于原子干涉仪实验的低温锂原子样品，开展了锂原子的塞曼减速及与磁光阱囚禁相关的实验研究. 设计并实现了一种结构紧凑的腔体内冷式多级线圈叠加的塞曼减速器，将速度小于600 m/s的7Li原子减速到60 m/s，磁光阱装载速率为5108 /s，囚禁原子数目1109 个，原子团的最低温度约为220 30 K. 研究了光学黏胶中7Li原子的寿命与囚禁光频率失谐量的关系. 这些结果为进一步开展7Li 原子亚多普勒冷却、光势阱蒸发冷却以及原子干涉仪实验奠定了基础.
2014, 63 (15): 153402.
doi: 10.7498/aps.63.153402
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本文通过分子动力学模拟的方法，研究了5种含不同空间结构的SiC/C界面的材料受辐照后的缺陷分布随时间以及PKA位置的变化关系，并与单质SiC中缺陷分布情况进行对比. 利用径向分布函数分析了辐照对界面原子排列情况的影响. 研究结果表明，SiC/C界面的抗辐照能力明显低于SiC内部，不同的空间结构对界面缺陷数量存在一定影响. 由径向分布函数推得界面区域石墨原子密度高则界面原子排列情况受辐照影响越大.
核物理学
2014, 63 (15): 152401.
doi: 10.7498/aps.63.152401
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提出了一种基于轴棱锥产生零阶近似无衍射Mathieu光束的新方法，利用轴棱锥聚焦具有椭圆高斯振幅调制的平面波，得到近似零阶无衍射Mathieu 光束. 根据椭圆高斯平面波经轴棱锥衍射的衍射积分公式，对光强分布进行了数值模拟，依据几何光学模型计算了近似无衍射Mathieu光束的最大无衍射距离，并设计了实验对理论模拟的结果进行了验证. 实验采用柱透镜和准直扩束系统变换圆高斯光束产生具有椭圆高斯振幅调制的平面波，用轴棱锥聚焦该平面波后得到近似无衍射Mathieu光束，实验结果与理论模拟和计算相符.
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2014, 63 (15): 152801.
doi: 10.7498/aps.63.152801
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本文介绍了利用蒙特卡罗粒子输运程序MCNPX2.5.0进行中国散裂中子源多功能反射谱仪屏蔽设计的屏蔽需求、辐射源项、计算方法和设计结果等内容. 在计算中考虑慢化器泄漏源项、中子导管损失源项等不同辐射源项，使用分步计算和源项角度偏移、源项能量偏移、几何分裂等多种减方差方法，在保证计算结果精度的同时提高计算速度. 在谱仪束线传输段、第二中子开关、散射室等的屏蔽计算中，通过比较了不同条件下的所需屏蔽确定最终屏蔽设计，确保谱仪屏蔽外人员可到达区域的剂量低于安全限值2.5 Sv/h.
2014, 63 (15): 152101.
doi: 10.7498/aps.63.152101
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本文利用Dirac-Brueckner-Hartree-Fock方法，对不同散射道的核子在核物质中的相互作用进行了细致分析，重点分析了不变振幅的不同投影选择对核物质中核子自能和核子碰撞截面的影响. 计算结果显示：1）在确定的核子动量下，自旋三重态所对应的自能总是大于自旋单态的自能；同位旋三重态所对应的自能大于同位旋单态的自能值. 2）在完全赝矢（CPV）选择下，不同散射道的核子自能对于动量的依赖均明显弱于在赝标（PS）选择下的相应值，而这种差别主要来自于总角动量J较小的分波态. 3）在核子相对动量较小时，两种不同选择所对应的核子微分截面较大. 4）在确定的入射能量下，质心系中散射角较小时，不同选择下的微分截面差别较为明显. 5）在低入射能区，CPV选择下所对应的微分截面大于PS下的微分截面值. 6）在CPV 选择下的总截面总是大于PS选择下的总截面值. 这些差别均随着随入射能量的增大而消失.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2014, 63 (15): 157502.
doi: 10.7498/aps.63.157502
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采用固相反应法制备了Cu掺杂ZnO样品. 在室温下Cu含量3%的样品在室温下表现为铁磁性. 样品为n型半导体，载流子的浓度为1015cm-3. 利用密度泛函理论（DFT+U）计算了CuZnO体系的Cu2+O2-Cu2+，Cu2+VoCu2+，Cu2+Vo+Cu2+，Cu2+Vo+ +Cu2+磁交换耦合作用，给出了不同束缚电荷的氧空穴Vo与Cu2+离子之间的超交换机理，提出了CuZnO 体系中铁磁性机理为Cu2+Vo++Cu2+束缚磁极化子模型.
2014, 63 (15): 157701.
doi: 10.7498/aps.63.157701
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采用水热法制备了ZnO和不同掺杂浓度的ZnO：Cd纳米棒，通过SEM，XRD、拉曼光谱等的分析，研究了ZnO和ZnO：Cd的微结构并测试分析了其光致发光特性. 结果表明，ZnO和ZnO：Cd纳米棒呈六角纤锌矿结构，Cd掺杂使得纳米棒体积更小. 由于内部张应力的影响，Cd掺杂使得材料光学带隙减少. 当掺杂浓度为2%时，合成的材料光致发光谱中出现了位于2.67 eV处，由导带底和Zn空位（VZn）缺陷能级跃迁造成的蓝光发射峰，并且Cd的掺入使得位于2.90 eV附近的紫光发射峰强度增强，对于研究ZnO蓝紫发光器件具有重要的意义.
2014, 63 (15): 157702.
doi: 10.7498/aps.63.157702
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利用溶胶-凝胶法（sol-gel method）制备了ZnO纳米颗粒薄膜（ZnO nanoparticle film），并以此为发光层制备了结构为ITO/ZnO nanoparticle/MEH-PPV/LiF/Al的电致发光器件. 通过调整器件发光层厚度，对器件的发光光谱和电学特性进行测试研究，发现该器件在一定的直流电压下可以得到以ZnO近紫外（中心波长390 nm）发光为主的电致发光光谱，显示出较好的ZnO近紫外电致发光特性. 对该器件的发光机理进行了一定的研究，认为该器件的发光是基于载流子隧穿.
2014, 63 (15): 157703.
doi: 10.7498/aps.63.157703
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压电驻极体是具有压电效应的微孔结构空间电荷驻极体材料，其压电性能与材料的微结构和空间电荷密切相关. 本文首先利用压缩气体膨化工艺对聚丙烯（PP）的微结构进行改性，然后利用接触极化方法，研究了极化电压与PP膜空间电荷密度之间的关系，及其对压电性能的影响. 结果表明对于极化前厚度为100 m的PP膜，其内部建立有序空间电荷分布的阈值极化电压为2 kV；一旦有序空间电荷建立起来，PP膜即具有压电效应. 随着极化电压的提高，PP膜的空间电荷密度逐步增大，压电效应显著增强. 当峰值电压为8 kV时，PP膜电极上的电荷密度、准静态压电系数和品质因数FOMv（d33 g33）分别为0.56 mC/m2，379 pC/N和8.6（GPa）-1. PP压电驻极体膜的FOMv 比聚偏氟乙烯（PVDF）铁电聚合物膜高2个量级以上，且声阻抗非常低（～ 0.025 MRayl），因此该压电膜在超声波发射-接收系统或脉冲-回波系统中具有明显的优势.
2014, 63 (15): 157101.
doi: 10.7498/aps.63.157101
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采用基于密度泛函理论第一性原理GGA和GGA+U相结合的方法研究了不同掺杂浓度下锐钛矿相和金红石相Nb：TiO2 的晶体结构、电子结构以及稳定性. 结果表明：锐钛矿相Nb：TiO2 能带结构与简并半导体类似，呈类金属导电机理. 金红石相Nb：TiO2 呈半导体导电机理. Nb原子比Ti原子电离产生出更多的电子. 锐钛矿相Nb：TiO2 中Nb原子的电离率比金红石相Nb：TiO2 的大. 以上结果说明锐钛矿相Nb：TiO2 比金红石相Nb：TiO2 更适宜用作TCO材料；掺杂浓度对其杂质能级，费米能级和有效质量都有影响. Nb原子掺杂浓度越高，材料电离率呈降低趋势；形成能计算结果显示：在富钛条件下不利于Nb原子的掺杂，而在富氧条件下有利于Nb原子的掺杂. 对于金红石相和锐钛矿相Nb：TiO2 ，不论是在贫氧或富氧条件下，随着Nb原子掺杂浓度的提高，形成能均增大.
2014, 63 (15): 157102.
doi: 10.7498/aps.63.157102
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本文采用基于周期性密度泛函理论研究了Cu/N表面沉积共掺杂对锐钛矿相TiO2（001）面的修饰作用. 计算了Cu在不同位置掺杂TiO2（101）面和（001）面的形成能，并在此基础上计算N不同位置掺杂TiO2（001）面及Cu/TiO2（001）面的形成能，通过形成能的比较获得了表面共掺杂的最优化结构. 在此基础上计算了最稳定结构的能带结构及态密度，并与S单掺杂TiO2（001）面最稳定结构进行了对比. 通过对结果的分析发现：Cu/N在（001）表面的沉积共掺杂有效降低了TiO2 的禁带宽度，并在表面形成CuO2 相，更利于提高其光催化活性.
2014, 63 (15): 157501.
doi: 10.7498/aps.63.157501
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采用传统固相反应法制备（La1-xGdx）4/3Sr5/3Mn2 O7（x=0，0.05）多晶样品，并通过测量样品的磁化强度与温度的变化曲线（M-T 曲线）、电子自旋共振谱（ESR谱）和电阻率与温度的变化曲线（-T曲线），研究了x=0和x=0.05样品的相分离现象. 研究结果表明，两样品在低温部分出现了反铁磁与铁磁相互竞争的现象，体现出团簇自旋玻璃态的特征. x=0和x=0.05样品分别在125375 K和100375 K范围内观察到类Griffiths相，同时发现掺杂使得三维铁磁有序温度（Tc03D 125 K和Tc13D 100 K）降低，而对类Griffiths温度（TG 375 K）没有明显影响. 在TG 温度以上两样品均表现出纯顺磁特性. 其电特性表明，x=0 样品在整个测量范围内出现两次绝缘- 金属转变，这是由钙钛矿锰氧化物共生现象所致. 而x=0.05样品只出现一次绝缘- 金属转变，表明掺杂能抑制共生现象的产生. 通过对-T曲线的拟合发现两样品在高温部分的导电方式基本都遵循三维变程跳跃的导电方式.
2014, 63 (15): 157801.
doi: 10.7498/aps.63.157801
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大尺寸中阶梯光栅具有大孔径和极高的衍射级次，可以实现普通光栅难以达到的极高光谱分辨率，而制备大面积均匀性的高质量铝膜是实现高性能大尺寸中阶梯光栅的关键因素. 本文首次详细报道了具有大面积均匀性、高质量的大尺寸中阶梯光栅铝膜的制备工艺. 首先通过理论计算模拟了蒸镀过程中蒸发源的位置、发射特性以及夹具高度对铝膜均匀性的影响，然后研究了关键的蒸发工艺参数，例如蒸发速率、蒸发高度等对铝膜均匀性和铝膜质量的影响，最后在最佳化的蒸发工艺条件下，成功制备出满足大尺寸中阶梯光栅用的在直径700 mm 范围内的均匀性小于1%、厚度大于10 m的高质量铝膜.
气体、等离子体和放电物理
2014, 63 (15): 155201.
doi: 10.7498/aps.63.155201
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对柱面爆轰驱动内壁刻有正弦扰动的金属钢壳与内部硅橡胶界面产生不稳定性问题进行数值模拟，计算结果与实验结果定性符合. 与不考虑金属强度情况对比分析认为，未熔化状态下金属强度对不稳定性具有较强抑制作用，在某些加载条件下会使扰动增长率随扰动模数增加而减小. 之后，对强度因素影响下内爆压缩驱动金属不稳定性问题的扰动发展规律进行了总结. 在聚心反射波到达壳体之前，造成初始界面反转的RM不稳定性起主导作用，随着扰动模数增加扰动由呈近似线性发展到基本不发展变化，基本不变化后的扰动振幅也随模数增加而减小. 聚心反射波作用到壳体内界面后，减速RT不稳定性作用明显增强，与强度等因素共同作用造成扰动呈明显非线性发展. 无论是前期RM不稳定性主导阶段还是之后以减速RT不稳定性为主的扰动发展阶段，强度因素均能造成未熔化状态下金属不稳定性截止波长存在.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2014, 63 (15): 156101.
doi: 10.7498/aps.63.156101
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液氮冲击中锑化铟红外焦平面探测器（InSb IRFPAs）的形变研究对理解探测器结构设计可靠性、预测探测器耐冲击寿命具有重要意义. 在系统分析液氮冲击结束时模拟得到的InSb IRFPAs形变分布与方向的基础上，提出了降温过程中累积热应变完全弛豫的设想，升至室温后的模拟结果重现了室温下拍摄的InSb IRFPAs典型形变分布特征. 经分析认为室温下拍摄的InSb IRFPAs表面屈曲变形源于底充胶固化中引入的残余应力应变，变形幅度随降温过程逐步减弱，至77 K时完全消失，升温过程则依据弹性变形规律复现典型棋盘格屈曲模式. 这为后续InSb IRFPAs结构设计、优化及耐冲击寿命预测提供了理论分析基础.
2014, 63 (15): 156201.
doi: 10.7498/aps.63.156201
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基于实验得到的非线性本构关系和板理论，本文建立了包含三次及五次非线性项的单层石墨烯片的板动力学模型. 针对四边简支矩形板，使用Ritz法研究了在板中点作用集中力时的静力弯曲，以及边界均匀受力时的静力屈曲问题. 结果显示，基于非线性本构关系的板模型能很好的描述单层石墨烯片的力学行为，而且模型中的五次非线性项对结构的弯曲变形有显著影响.
2014, 63 (15): 156801.
doi: 10.7498/aps.63.156801
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为研究结合界面形貌与涂层体系结合强度之间的关系，采用超音速等离子喷涂设备制备Fe 基合金涂层，选用（Ni，Al）涂层作为黏接底层. 通过改变Ar气流量，获得不同粗糙表面的黏接底层. 采用对偶件拉伸法测量复合合金涂层体系的结合强度，同时引入分形理论对结合界面形貌进行定量表征，结果表明：黏接底层能显著提高涂层的结合强度，随着Ar气流量的升高，黏接底层表面分形维数不断降低，涂层体系的结合强度则呈现出先增大后减小的趋势.
2014, 63 (15): 156802.
doi: 10.7498/aps.63.156802
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采用磁控溅射技术在Si衬底上以350 ℃沉积14 nm的非晶Ge薄膜，通过退火改变系统生长热能，实现了低维Ge/Si点的生长. 利用原子力显微镜（AFM）和拉曼（Raman）光谱所获得的形貌和声子振动信息，对Ge点的形成机理和演变规律进行了研究. 实验结果表明：在675 ℃退火30 min后，非晶Ge薄膜转变为密度高达8.5109 cm-2的Ge点. 通过Ostwald熟化理论、表面扩散模型和对激活能的计算，很好地解释了退火过程中，Ge原子在Si表面迁移、最终形成纳米点的行为. 研究结果表明用高速沉积磁控溅射配合热退火制备Ge/Si纳米点的方法，可为自组织量子点生长实验提供一定的理论支撑.
地球物理学、天文学和天体物理学
2014, 63 (15): 159101.
doi: 10.7498/aps.63.159101
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本文基于电场矢势与标势分解的耦合势有限体积法研究建立一套各向异性地层中海洋可控源电磁法的三维响应的高效数值模拟技术. 首先引入电场的矢势和标势，将电场分解为无散场和无旋场之和，Maxwell方程转换为关于矢势与标势的混合Helmholtz方程，克服低感应数问题. 在此基础上，借助Yee氏交错网格和有限体积法以及非均质单元中等效电导率公式，建立混合Helmholtz方程的离散方程. 并采用直接法求解器PARDISO求解离散方程，有效保证在大的求解空间中仍然能够获得电磁场稳定可靠的数值解. 此外，在数值模拟中利用差异场技术，克服源的奇异性问题，尽可能提高近场的计算精度. 与解析解的对比证明了该算法的有效性. 数值模拟结果表明，海洋可控源电磁法沿测线方向的电场，对油气藏的纵向电阻率敏感，对横向电阻率不敏感；对油气藏上方的覆盖层的纵向电阻率和横向电阻率都敏感.
