在复杂网络的传播模型研究中, 如何发现最具影响力的传播节点在理论和现实应用中都有重大的意义. 目前的研究一般使用节点的度数、紧密度、介数和K-shell等中心化指标来评价影响力, 这种方法虽然简单, 但是由于它们仅利用了节点自身的内部属性, 因而在评价影响力时精确度并不高, 普遍性适用性较弱.为了解决这个问题, 本文提出了KSC (K-shell and community centrality)指标模型. 此模型不但考虑了节点的内部属性, 而且还综合考虑了节点的外部属性, 例如节点所属的社区等. 然后利用SIR (susceptible-infected-recovered)模型对传播过程进行仿真, 实验证明所提出的方法可以更好地发现最具有影响力的节点, 且可适用于各种复杂网络. 本文为这项具有挑战性研究提供了新的思想和方法.
在复杂网络的传播模型研究中, 如何发现最具影响力的传播节点在理论和现实应用中都有重大的意义. 目前的研究一般使用节点的度数、紧密度、介数和K-shell等中心化指标来评价影响力, 这种方法虽然简单, 但是由于它们仅利用了节点自身的内部属性, 因而在评价影响力时精确度并不高, 普遍性适用性较弱.为了解决这个问题, 本文提出了KSC (K-shell and community centrality)指标模型. 此模型不但考虑了节点的内部属性, 而且还综合考虑了节点的外部属性, 例如节点所属的社区等. 然后利用SIR (susceptible-infected-recovered)模型对传播过程进行仿真, 实验证明所提出的方法可以更好地发现最具有影响力的节点, 且可适用于各种复杂网络. 本文为这项具有挑战性研究提供了新的思想和方法.
光纤结构设计、模间色散求解、光纤光栅模式耦合等问题的研究, 都需要对光纤纤芯及包层模的有效折射率进行精确计算. 本文以光纤三层结构模型为基础, 结合该模型下的模式本征方程, 使用截弦法求解了纤芯模有效折射率, 并将计算结果与COMSOL软件模拟的对应纤芯模的传输光场进行对比, 验证了计算结果正确.使用区间遍历算法对包层模有效折射率进行了求解, 与已有的传统方法相比, 该方法可以有效防止求解过程中根的遗漏、避免特征方程产生的奇点, 并能保证模式的正规性.本文采用Mathematica软件对求解过程进行仿真, 获得了纤芯模和包层模有效折射率与波长关系曲线.
光纤结构设计、模间色散求解、光纤光栅模式耦合等问题的研究, 都需要对光纤纤芯及包层模的有效折射率进行精确计算. 本文以光纤三层结构模型为基础, 结合该模型下的模式本征方程, 使用截弦法求解了纤芯模有效折射率, 并将计算结果与COMSOL软件模拟的对应纤芯模的传输光场进行对比, 验证了计算结果正确.使用区间遍历算法对包层模有效折射率进行了求解, 与已有的传统方法相比, 该方法可以有效防止求解过程中根的遗漏、避免特征方程产生的奇点, 并能保证模式的正规性.本文采用Mathematica软件对求解过程进行仿真, 获得了纤芯模和包层模有效折射率与波长关系曲线.
研究了一类厄尔尼诺和南方涛动(ENSO)耦合振子动力学模型. 利用奇摄动理论的参数变值法和平均法, 得到了对应ENSO耦合振子模型方程的震荡近似解.
研究了一类厄尔尼诺和南方涛动(ENSO)耦合振子动力学模型. 利用奇摄动理论的参数变值法和平均法, 得到了对应ENSO耦合振子模型方程的震荡近似解.
基于Dini级数展开, 导出了p(>0) 阶准离散Hankel变换(the pth-order quasi-discrete Hankel transform based on Dini series expansion, pDQDHT)算法, 并给出了该算法在光束传输中的应用. 通过不同输入函数分别对pDQDHT算法进行测试及光束通过透镜传输的应用实例, 结果表明: pDQDHT算法不仅精度高于现有的Hankel变换算法, 可以进行多次正、逆变换, 能广泛应用于光束分步传输问题, 而且执行速度也与一般的快速Hankel变换算法相当.
基于Dini级数展开, 导出了p(>0) 阶准离散Hankel变换(the pth-order quasi-discrete Hankel transform based on Dini series expansion, pDQDHT)算法, 并给出了该算法在光束传输中的应用. 通过不同输入函数分别对pDQDHT算法进行测试及光束通过透镜传输的应用实例, 结果表明: pDQDHT算法不仅精度高于现有的Hankel变换算法, 可以进行多次正、逆变换, 能广泛应用于光束分步传输问题, 而且执行速度也与一般的快速Hankel变换算法相当.
在幺正极限附近研究了处于旋转外势中费米气体的量子化涡旋动力学. 选取适当的试探波函数并利用含时变分法, 得到了小振幅涡旋运动方程及描述其反常激发模式的解. 详细讨论了在幺正极限附近的反常模式产生的条件. 结果显示系统囚禁外势的临界转动频率在幺正极限附近随粒子间相互作用参数的增加而变大, 而涡旋进动的周期则随着粒子间相互作用参数的增加而减小.
在幺正极限附近研究了处于旋转外势中费米气体的量子化涡旋动力学. 选取适当的试探波函数并利用含时变分法, 得到了小振幅涡旋运动方程及描述其反常激发模式的解. 详细讨论了在幺正极限附近的反常模式产生的条件. 结果显示系统囚禁外势的临界转动频率在幺正极限附近随粒子间相互作用参数的增加而变大, 而涡旋进动的周期则随着粒子间相互作用参数的增加而减小.
旋转坐标系下的圆型限制性三体问 题因含非惯性系所附加的影响部分使得动能不是动量的严格二次型, 可能导致力梯度辛积分算法的应用遇到困难. 从Lie算子运算出发, 严格论证了力梯度算子在这种情形下的物理意义 仍然像质心惯性坐标系下的圆型限制性三体问题那样是引力的梯度, 而不是引力与非惯性力所得合力的梯度, 表明了力梯度辛方法适合求解旋转坐标系下的圆型限制性三体问题. 通过应用四阶力梯度辛方法、最优化四阶力梯度辛方法和Forest-Ruth 辛方法分别求解该问题, 进行了数值对比研究, 结果显示最优化型力梯度算法能够取得最好精度. 还应用最优化型算法计算两邻近轨道的Lyapunov指数和快速Lyapunov指标, 确保高精度辛方法能够贯穿于这些混沌指标计算的全过程, 以便准确刻画此系统的动力学定性性质.
旋转坐标系下的圆型限制性三体问 题因含非惯性系所附加的影响部分使得动能不是动量的严格二次型, 可能导致力梯度辛积分算法的应用遇到困难. 从Lie算子运算出发, 严格论证了力梯度算子在这种情形下的物理意义 仍然像质心惯性坐标系下的圆型限制性三体问题那样是引力的梯度, 而不是引力与非惯性力所得合力的梯度, 表明了力梯度辛方法适合求解旋转坐标系下的圆型限制性三体问题. 通过应用四阶力梯度辛方法、最优化四阶力梯度辛方法和Forest-Ruth 辛方法分别求解该问题, 进行了数值对比研究, 结果显示最优化型力梯度算法能够取得最好精度. 还应用最优化型算法计算两邻近轨道的Lyapunov指数和快速Lyapunov指标, 确保高精度辛方法能够贯穿于这些混沌指标计算的全过程, 以便准确刻画此系统的动力学定性性质.
基于累积释放模型提出了一种累积放电模型.相比于累积释放模型, 累积放电模型无须变化的阈值调制, 即可出现多种状态, 例如混沌态、锁频等. 利用符号动力学对其进行研究, 发现在一定的参数条件下, 模型的输出符号序列可以被用于监测模型参数的变化, 而且与神经系统的测量相似, 都具有很高的分辨率. 计算机仿真和电路实验得到的结果也验证了上述说法. 电路实验结果显示模型的输出符号序列对输入频率的分辨率最高可以达到0.05 Hz, 对电流幅值的分辨率可达到1 μA, 并且都具有很大的动态范围.
基于累积释放模型提出了一种累积放电模型.相比于累积释放模型, 累积放电模型无须变化的阈值调制, 即可出现多种状态, 例如混沌态、锁频等. 利用符号动力学对其进行研究, 发现在一定的参数条件下, 模型的输出符号序列可以被用于监测模型参数的变化, 而且与神经系统的测量相似, 都具有很高的分辨率. 计算机仿真和电路实验得到的结果也验证了上述说法. 电路实验结果显示模型的输出符号序列对输入频率的分辨率最高可以达到0.05 Hz, 对电流幅值的分辨率可达到1 μA, 并且都具有很大的动态范围.
频域传递函数近似方法不仅是常用的 分数阶混沌系统相轨迹的数值分析方法之一, 而且也是设计分数阶混沌系统电路的主要方法. 应用该方法首先研究了分数阶Lorenz系统的混沌特性, 通过对Lyapunov指数图、分岔图和数值仿真分析, 发现了其较为丰富的动态特性, 即当分数阶次从0.7到0.9以步长0.1变化时, 该分数阶Lorenz系统既存在混沌特性, 又存在周期特性, 从数值分析上说明了在更低维的Lorenz系统中存在着混沌现象. 然后又基于该方法和整数阶混沌电路的设计方法, 设计了一个模拟电路实现了该分数阶Lorenz系统, 电路中的电阻和电容等数值是由系统参数和频域传递函数近似确定的. 通过示波器观测到了该分数阶Lorenz系统的混沌吸引子和周期吸引子的相轨迹图, 这些电路实验结果与数值仿真分析是一致的, 进一步从物理实现上说明了其混沌特性.
频域传递函数近似方法不仅是常用的 分数阶混沌系统相轨迹的数值分析方法之一, 而且也是设计分数阶混沌系统电路的主要方法. 应用该方法首先研究了分数阶Lorenz系统的混沌特性, 通过对Lyapunov指数图、分岔图和数值仿真分析, 发现了其较为丰富的动态特性, 即当分数阶次从0.7到0.9以步长0.1变化时, 该分数阶Lorenz系统既存在混沌特性, 又存在周期特性, 从数值分析上说明了在更低维的Lorenz系统中存在着混沌现象. 然后又基于该方法和整数阶混沌电路的设计方法, 设计了一个模拟电路实现了该分数阶Lorenz系统, 电路中的电阻和电容等数值是由系统参数和频域传递函数近似确定的. 通过示波器观测到了该分数阶Lorenz系统的混沌吸引子和周期吸引子的相轨迹图, 这些电路实验结果与数值仿真分析是一致的, 进一步从物理实现上说明了其混沌特性.
采用密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的方法对Si4 团簇与Au(100)电极空位相连的纳米结点的电子输运性质进行了理论模拟计算, 得到了纳米结点在不同距离下的几何结构、电子结构、电导、透射谱、电荷转移量; 讨论了当距离dz=12.004 Å时纳米结点的电导、电流随电压的变化关系.
采用密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的方法对Si4 团簇与Au(100)电极空位相连的纳米结点的电子输运性质进行了理论模拟计算, 得到了纳米结点在不同距离下的几何结构、电子结构、电导、透射谱、电荷转移量; 讨论了当距离dz=12.004 Å时纳米结点的电导、电流随电压的变化关系.
将三谱切片与波动特性分析方法相结合, 组建了一种新的非线性分析方法, 并讨论了时间序列长度与快速傅里叶变换(FFT)长度对三谱切片的波动特征值的影响, 发现在无噪声干扰情况下, 序列长度与FFT 长度与矢量类间距值成正比, 在有噪声干扰情况下, 近似成反比关系.将该分析方法应用到分形序列(Brown)、混沌序列(Lorenz)和周期序列(正弦), 检验了波动特性方法的抗噪能力和表征复杂度能力. 结果表明: 该波动特性分析方法较其他功率谱分析方法对分形和混沌序列具有较好的抗噪能力, 而对周期序列的抗噪能力相对较弱; 该波动特性方法对序列内在复杂度的表征具有较好的效果.在此基础上, 对水力直径为1.15 mm的矩形小通道(w×h=2 mm×0.81 mm)中的 矩形通道内氮气-水两相流型的差压信号进行了研究. 通过对流型差压信号三谱切片的分析揭示了不同流型的主振荡模式二次耦合现象, 提取不同流型三谱切片的波动特征值, 实现了小通道氮气-水两相流典型流型的准确识别, 同时也为其他不同介质的多相流动特性分析与流型辨识提供了一个新的思路.
将三谱切片与波动特性分析方法相结合, 组建了一种新的非线性分析方法, 并讨论了时间序列长度与快速傅里叶变换(FFT)长度对三谱切片的波动特征值的影响, 发现在无噪声干扰情况下, 序列长度与FFT 长度与矢量类间距值成正比, 在有噪声干扰情况下, 近似成反比关系.将该分析方法应用到分形序列(Brown)、混沌序列(Lorenz)和周期序列(正弦), 检验了波动特性方法的抗噪能力和表征复杂度能力. 结果表明: 该波动特性分析方法较其他功率谱分析方法对分形和混沌序列具有较好的抗噪能力, 而对周期序列的抗噪能力相对较弱; 该波动特性方法对序列内在复杂度的表征具有较好的效果.在此基础上, 对水力直径为1.15 mm的矩形小通道(w×h=2 mm×0.81 mm)中的 矩形通道内氮气-水两相流型的差压信号进行了研究. 通过对流型差压信号三谱切片的分析揭示了不同流型的主振荡模式二次耦合现象, 提取不同流型三谱切片的波动特征值, 实现了小通道氮气-水两相流典型流型的准确识别, 同时也为其他不同介质的多相流动特性分析与流型辨识提供了一个新的思路.
针对具有噪声的一般时滞复杂动力网络, 研究了它的局部自适应H无穷一致性问题, 其中网络包含未知但有界的非线性耦合函数、节点和耦合项都具有时变时滞. 基于李雅谱诺夫稳定性理论, 线性矩阵不等式优化技术以及自适应控制方法, 提出了局部自适应H无穷一致充分条件, 这些条件不仅可以保证受噪声扰动的网络获得鲁棒渐近一致, 而且可以让网络达到一个给定的鲁棒H无穷水平. 数值模拟验证了所提出的方法的可行性和有效性.
针对具有噪声的一般时滞复杂动力网络, 研究了它的局部自适应H无穷一致性问题, 其中网络包含未知但有界的非线性耦合函数、节点和耦合项都具有时变时滞. 基于李雅谱诺夫稳定性理论, 线性矩阵不等式优化技术以及自适应控制方法, 提出了局部自适应H无穷一致充分条件, 这些条件不仅可以保证受噪声扰动的网络获得鲁棒渐近一致, 而且可以让网络达到一个给定的鲁棒H无穷水平. 数值模拟验证了所提出的方法的可行性和有效性.
针对一维三振子周期结构, 导出了系统无量纲色散方程. 利用奇异性理论证明,色散曲线的拓扑结构不随刚度参数和质量参数的变化而变化, 并由此给出带隙起止频率的计算公式. 以此为基础提出带隙设计方法, 并用等刚度和等质量两类例子进行了验证. 本文方法也可用于声子晶体和光子晶体的带隙设计.
针对一维三振子周期结构, 导出了系统无量纲色散方程. 利用奇异性理论证明,色散曲线的拓扑结构不随刚度参数和质量参数的变化而变化, 并由此给出带隙起止频率的计算公式. 以此为基础提出带隙设计方法, 并用等刚度和等质量两类例子进行了验证. 本文方法也可用于声子晶体和光子晶体的带隙设计.
报道了一种通过预先对信号光脉冲非线性整形, 进而在光纤放大器中实现自相似演化的方法. 利用透射光栅对和普通单模光纤组成被动脉冲整形装置, 预先优化脉冲的时域宽度和光谱质量, 使脉冲在光纤放大器中快速演化到自相似子. 研究中首先通过数值模拟对比, 说明了非线性整形对脉冲实现快速自相似放大的关键作用, 提高了放大器输出脉冲质量, 减小了去啁啾脉冲宽度. 实验中, 通过优化非线性整形输出, 在2.2 m 长的掺Yb3+光纤中, 在一定抽运功率范围内均实现了脉冲自相似放大, 去啁啾后得到脉冲宽度60 fs 的变换极限脉冲输出. 这种非线性脉冲预整形方法有效减小了 自相似演化所需光纤长度, 同时降低了自相似放大对种子源质量的要求, 首次将全正色散光纤锁模激光器成功用于自相似放大, 促进了当前自相似放大系统的全光纤化.
报道了一种通过预先对信号光脉冲非线性整形, 进而在光纤放大器中实现自相似演化的方法. 利用透射光栅对和普通单模光纤组成被动脉冲整形装置, 预先优化脉冲的时域宽度和光谱质量, 使脉冲在光纤放大器中快速演化到自相似子. 研究中首先通过数值模拟对比, 说明了非线性整形对脉冲实现快速自相似放大的关键作用, 提高了放大器输出脉冲质量, 减小了去啁啾脉冲宽度. 实验中, 通过优化非线性整形输出, 在2.2 m 长的掺Yb3+光纤中, 在一定抽运功率范围内均实现了脉冲自相似放大, 去啁啾后得到脉冲宽度60 fs 的变换极限脉冲输出. 这种非线性脉冲预整形方法有效减小了 自相似演化所需光纤长度, 同时降低了自相似放大对种子源质量的要求, 首次将全正色散光纤锁模激光器成功用于自相似放大, 促进了当前自相似放大系统的全光纤化.
由于铍薄膜极易被X射线穿透, 传统的几何模式下很难获得有效的X射线衍射应力分析结果. 本文采用掠入射侧倾法分析SiO2基底上Be薄膜残余应力, 相比其他衍射几何方法, 提高了衍射的信噪比, 获得的薄膜应力拟合曲线线形较好. 对Be薄膜的不同晶面分析, 残余应力结果相同, 表明其力学性质各向同性; 利用不同掠入射角下X射线的穿透深度不同, 获得应力在深度方向上的分布; 由薄膜面内不同方向的残余应力相同, 确定薄膜处于等双轴应力状态.
由于铍薄膜极易被X射线穿透, 传统的几何模式下很难获得有效的X射线衍射应力分析结果. 本文采用掠入射侧倾法分析SiO2基底上Be薄膜残余应力, 相比其他衍射几何方法, 提高了衍射的信噪比, 获得的薄膜应力拟合曲线线形较好. 对Be薄膜的不同晶面分析, 残余应力结果相同, 表明其力学性质各向同性; 利用不同掠入射角下X射线的穿透深度不同, 获得应力在深度方向上的分布; 由薄膜面内不同方向的残余应力相同, 确定薄膜处于等双轴应力状态.
高压下对InSe样品进行原位电阻率和霍尔效应测量. 电阻率测量结果显示, 样品在5–6 GPa区间呈现金属特性, 在12 GPa 的压力下发生由斜六方体层状结构到立方岩盐矿的结构相变, 且具有金属特性. 霍尔效应测量结果显示, 样品在6.6 GPa由p型半导体转变成n型半导体, 电阻率随着压力的升高而逐渐下降是由于载流子浓度升高引起的.
高压下对InSe样品进行原位电阻率和霍尔效应测量. 电阻率测量结果显示, 样品在5–6 GPa区间呈现金属特性, 在12 GPa 的压力下发生由斜六方体层状结构到立方岩盐矿的结构相变, 且具有金属特性. 霍尔效应测量结果显示, 样品在6.6 GPa由p型半导体转变成n型半导体, 电阻率随着压力的升高而逐渐下降是由于载流子浓度升高引起的.
通过电离辐照对氮化镓基蓝光发光二极管器件有源区光/暗电流产生机制的研究, 建立了电离辐照减小发光二极管有效输出功率电学模型.通过电离辐照对氮化镓基蓝光发光 二极管器件有源区1/f噪声影响机制的研究, 建立了电离辐照增大发光二极管1/f噪声的相关性模型.在I 1 A 的小注入区,空间电荷区的复合电流随辐照剂量的增加而增加. 同时, 随着电离辐照产生缺陷的增加, 1/f噪声幅度增大. 在 I 1 mA 的大注入条件下, 由于串联电阻的影响占主导地位,表面复合速率和电流随辐照剂量的增加而增加.同时, 随着电离辐照产生缺陷的增加, 1/f噪声幅度增大.根据辐照前后电流电压试验结果噪声测试结论, 证实了实验结论与理论推导结果的一致性. 在1 A I 510-5 A 的中值电流情况下, 由于高能载流子散射相关的迁移率涨落与辐照新增缺陷引起的载流子数涨落竞争机制, 随着辐照剂量增大, 1/f噪声在频域变化没有明显规律. 但是, 通过1/f噪声时域多尺度熵复杂度分析方法, 得出随着辐照剂量增大, 1/f噪声时域多尺度熵复杂度的结果. 最终证实1/f噪声幅度可以敏感地反映小注入和大注入情况下氮化镓基蓝光发光二极管电离辐照的可靠性. 噪声幅值越大, 则说明辐照感应Nit越高, 暗电流相关的复合电流越大, 光电流相关的扩散电流比例减少, 使得器件发光效率、光输出功率等性能参数下降, 继而影响器件可靠性, 造成失效率显著增大. 1/f噪声时域多尺度熵复杂度可以敏感地反映中值电流情况下氮 化镓基蓝光发光二极管的电离辐照可靠性.多尺度熵复杂度越大, 则说明辐照感应越多, 复合电流越大,器件可靠性越差.本文结论提供了一种基于 1/f噪声的氮化镓基蓝光发光二极管电离辐照可靠性表征方法.
通过电离辐照对氮化镓基蓝光发光二极管器件有源区光/暗电流产生机制的研究, 建立了电离辐照减小发光二极管有效输出功率电学模型.通过电离辐照对氮化镓基蓝光发光 二极管器件有源区1/f噪声影响机制的研究, 建立了电离辐照增大发光二极管1/f噪声的相关性模型.在I 1 A 的小注入区,空间电荷区的复合电流随辐照剂量的增加而增加. 同时, 随着电离辐照产生缺陷的增加, 1/f噪声幅度增大. 在 I 1 mA 的大注入条件下, 由于串联电阻的影响占主导地位,表面复合速率和电流随辐照剂量的增加而增加.同时, 随着电离辐照产生缺陷的增加, 1/f噪声幅度增大.根据辐照前后电流电压试验结果噪声测试结论, 证实了实验结论与理论推导结果的一致性. 在1 A I 510-5 A 的中值电流情况下, 由于高能载流子散射相关的迁移率涨落与辐照新增缺陷引起的载流子数涨落竞争机制, 随着辐照剂量增大, 1/f噪声在频域变化没有明显规律. 但是, 通过1/f噪声时域多尺度熵复杂度分析方法, 得出随着辐照剂量增大, 1/f噪声时域多尺度熵复杂度的结果. 最终证实1/f噪声幅度可以敏感地反映小注入和大注入情况下氮化镓基蓝光发光二极管电离辐照的可靠性. 噪声幅值越大, 则说明辐照感应Nit越高, 暗电流相关的复合电流越大, 光电流相关的扩散电流比例减少, 使得器件发光效率、光输出功率等性能参数下降, 继而影响器件可靠性, 造成失效率显著增大. 1/f噪声时域多尺度熵复杂度可以敏感地反映中值电流情况下氮 化镓基蓝光发光二极管的电离辐照可靠性.多尺度熵复杂度越大, 则说明辐照感应越多, 复合电流越大,器件可靠性越差.本文结论提供了一种基于 1/f噪声的氮化镓基蓝光发光二极管电离辐照可靠性表征方法.
轻敲模式下原子力显微镜微悬臂探针在接近其基态共振频率的外加驱动下振荡, 其末端针尖周期性靠近、远离样品, 产生于针尖与样品非线性相互作用过程中的高次谐波信号包含更多的待测样品表面纳米力学特性等方面的信息. 通过理论分析、计算, 系统地研究了针尖与样品接触时间受样品弹性模量的影响, 以及高次谐波幅度与接触时间的关系, 获得了通过高次谐波幅度区分待测样品表面弹性性质差异的规律. 并在自制的高次谐波成像实验装置上, 得到了与理论预期一致的实验结果.
轻敲模式下原子力显微镜微悬臂探针在接近其基态共振频率的外加驱动下振荡, 其末端针尖周期性靠近、远离样品, 产生于针尖与样品非线性相互作用过程中的高次谐波信号包含更多的待测样品表面纳米力学特性等方面的信息. 通过理论分析、计算, 系统地研究了针尖与样品接触时间受样品弹性模量的影响, 以及高次谐波幅度与接触时间的关系, 获得了通过高次谐波幅度区分待测样品表面弹性性质差异的规律. 并在自制的高次谐波成像实验装置上, 得到了与理论预期一致的实验结果.
使用红外被动遥测技术可实现污染气体的远程监控和预警. 该技术应用过程中, 获取背景辐射是进行定量解析的关键, 在已有的应用中, 多采用同条件测量法和上风口测量方法获取背景光谱和环境光谱, 但这些方法均需要提前或者同时测量无目标物的背景光谱, 难以在实际应用中满足快速响应的需求. 本文基于红外辐射传输模型分析, 通过研究在800–1200 cm-1波段内的实测光谱中同时包含目标、背景和环境辐射的基本原理, 采用了一种不需要事先测量背景的目标特征的背景光谱实时提取算法, 通过将该方法应用于自主研制的污染气体扫描成像红外被动遥测系统, 以六氟化硫为示踪气体, 开展了遥测验证实验. 将获取的浓度数据与应用同条件测量法获取的数据进行了比较, 结果显示两者的相关系数平方值达到0.99, 表明该方法切实可行, 可有效提高系统的响应速度和适用范围.
使用红外被动遥测技术可实现污染气体的远程监控和预警. 该技术应用过程中, 获取背景辐射是进行定量解析的关键, 在已有的应用中, 多采用同条件测量法和上风口测量方法获取背景光谱和环境光谱, 但这些方法均需要提前或者同时测量无目标物的背景光谱, 难以在实际应用中满足快速响应的需求. 本文基于红外辐射传输模型分析, 通过研究在800–1200 cm-1波段内的实测光谱中同时包含目标、背景和环境辐射的基本原理, 采用了一种不需要事先测量背景的目标特征的背景光谱实时提取算法, 通过将该方法应用于自主研制的污染气体扫描成像红外被动遥测系统, 以六氟化硫为示踪气体, 开展了遥测验证实验. 将获取的浓度数据与应用同条件测量法获取的数据进行了比较, 结果显示两者的相关系数平方值达到0.99, 表明该方法切实可行, 可有效提高系统的响应速度和适用范围.
基于密度泛函理论的第一性原理方法, 系统地研究了Li-N-H储氢过程中各个化合物的晶胞参数、生成焓和化学反应焓. 结果发现优化后的晶格参数与先前的理论和实验研究符合得很好. 通过计算Li3N, LiH, LiNH2和Li2NH在298 K的生成焓分别为-168.7, -81.0, -173.0和-190.8 kJ/mol, 进而计算得到整个储氢反应过程在T=298 K时反应焓为78.5 kJ/mol H2, 这和他人计算得到T=300 K的结果75.67 kJ/mol H2非常接近. 最后, 给出了储氢两步反应过程分别在T=298 K时的反应焓, 这些结果都与实验和他人理论计算得到的数据符合较好.
基于密度泛函理论的第一性原理方法, 系统地研究了Li-N-H储氢过程中各个化合物的晶胞参数、生成焓和化学反应焓. 结果发现优化后的晶格参数与先前的理论和实验研究符合得很好. 通过计算Li3N, LiH, LiNH2和Li2NH在298 K的生成焓分别为-168.7, -81.0, -173.0和-190.8 kJ/mol, 进而计算得到整个储氢反应过程在T=298 K时反应焓为78.5 kJ/mol H2, 这和他人计算得到T=300 K的结果75.67 kJ/mol H2非常接近. 最后, 给出了储氢两步反应过程分别在T=298 K时的反应焓, 这些结果都与实验和他人理论计算得到的数据符合较好.
利用密度泛函理论对合金团簇(FeCr)n (n≤6)的几何结构、稳定性和磁性进行了系统的研究. 研究结果表明, 对n≤3的合金团簇, 其基态具有共线的反铁磁序; 而对于n≥4 的合金团簇, 其基态具有非共线磁序, 因此在n=4时体系发生了共线磁序向非共线磁序的“相变”. 此外, 虽然3d过渡金属原子中电子的自旋轨道耦合效应比较弱, 但计算结果表明对于某些小尺寸的合金团簇其轨道磁矩不能忽略. 对非共线磁性团簇的成键性质以及产生磁序“相变”的物理起源进行了详细讨论.
利用密度泛函理论对合金团簇(FeCr)n (n≤6)的几何结构、稳定性和磁性进行了系统的研究. 研究结果表明, 对n≤3的合金团簇, 其基态具有共线的反铁磁序; 而对于n≥4 的合金团簇, 其基态具有非共线磁序, 因此在n=4时体系发生了共线磁序向非共线磁序的“相变”. 此外, 虽然3d过渡金属原子中电子的自旋轨道耦合效应比较弱, 但计算结果表明对于某些小尺寸的合金团簇其轨道磁矩不能忽略. 对非共线磁性团簇的成键性质以及产生磁序“相变”的物理起源进行了详细讨论.
将两种全局结构搜索方法(压缩液态法、遗传算法)与锗的紧束缚势模 型相互结合, 对Ge65, Ge70, Ge75的稳定结构进行了大规模的搜寻，提 出能量较低的可能结构, 然后进一步利用第一性原理方法对这些低能结构进行精确 的优化计算, 确定出了这三种尺寸团簇的基态结构. 发现这三种团簇各具有两种稳定的并且能量相近的异构体: 类球形和类椭球形, 这与实验上报道的大尺寸团簇Gen (65 ≤ n ≤ 80) 的结构特征相符合. 简要地分析了这三种团簇基态结构的电子性质.
将两种全局结构搜索方法(压缩液态法、遗传算法)与锗的紧束缚势模 型相互结合, 对Ge65, Ge70, Ge75的稳定结构进行了大规模的搜寻，提 出能量较低的可能结构, 然后进一步利用第一性原理方法对这些低能结构进行精确 的优化计算, 确定出了这三种尺寸团簇的基态结构. 发现这三种团簇各具有两种稳定的并且能量相近的异构体: 类球形和类椭球形, 这与实验上报道的大尺寸团簇Gen (65 ≤ n ≤ 80) 的结构特征相符合. 简要地分析了这三种团簇基态结构的电子性质.
基于射频识别技术原理及Friis传输方程, 导出了自由空间下无源超高频射频识别(RFID) 系统路径损耗表达式. 结合菲涅耳区理论, 分析了菲涅耳余隙及阅读器天线至标签间距两因变量条件下 第一菲涅耳区受阻隔对RFID系统路径损耗的影响, 并提出了双斜率对数距离路径损耗模型. 在开阔室内环境下, 测试了菲涅耳余隙及阅读器天线至标签间距变化时的系统路径损耗. 测试结果表明: 菲涅耳余隙大于第一菲涅耳区半径1.5倍时, 刃形障碍物对系统路径损耗影响较小; 相比传统对数距离路径损耗模型, 双斜率模型标准差减小10%.
基于射频识别技术原理及Friis传输方程, 导出了自由空间下无源超高频射频识别(RFID) 系统路径损耗表达式. 结合菲涅耳区理论, 分析了菲涅耳余隙及阅读器天线至标签间距两因变量条件下 第一菲涅耳区受阻隔对RFID系统路径损耗的影响, 并提出了双斜率对数距离路径损耗模型. 在开阔室内环境下, 测试了菲涅耳余隙及阅读器天线至标签间距变化时的系统路径损耗. 测试结果表明: 菲涅耳余隙大于第一菲涅耳区半径1.5倍时, 刃形障碍物对系统路径损耗影响较小; 相比传统对数距离路径损耗模型, 双斜率模型标准差减小10%.
首次利用物理意义明确的模拟镜像法推导出三维复合分层土壤模型格林函数, 基于特定土壤模型, 分析了不同土壤配置下土壤模型对地表电位的影响. 结果表明, 在一定条件下土壤模型变化仅改变地表电位绝对值, 基本不改变地表电位差, 从理论上阐明了土壤参数变化对地表电位影响的物理机理. 针对如何选取合适土壤模型来准确计算流过变压器中性点的直流量难题, 提出了合理选取土壤模型的判据及其阈值, 避免了土壤模型选取的随意性和盲目性, 为准确评估流过变压器中性点直流量和直流接地极附近变电站选址提供理论依据.
首次利用物理意义明确的模拟镜像法推导出三维复合分层土壤模型格林函数, 基于特定土壤模型, 分析了不同土壤配置下土壤模型对地表电位的影响. 结果表明, 在一定条件下土壤模型变化仅改变地表电位绝对值, 基本不改变地表电位差, 从理论上阐明了土壤参数变化对地表电位影响的物理机理. 针对如何选取合适土壤模型来准确计算流过变压器中性点的直流量难题, 提出了合理选取土壤模型的判据及其阈值, 避免了土壤模型选取的随意性和盲目性, 为准确评估流过变压器中性点直流量和直流接地极附近变电站选址提供理论依据.
短波长自由电子激光器的电子束在摇摆器中的传输通道长而狭窄, 须得电子具有良好的运动特性, 避免在传输过程中产生横向发散. 本文研究短波长自由电子激光器中超相对论电子在磁场具有横向分布的平面摇摆器中的三维运动特性, 用逐次逼近法推导相对论运动方程的解析表达式, 非线性数值计算模拟传输过程, 采用科尔莫 戈罗夫熵 方法分析运动的稳定性. 结果表明: 摇摆器磁场除使电子做周期性摇摆运动外, 还迭加了偏离轴线的横向漂移运动, 在没有外置的磁场聚焦系统情况下, 电子将偏离轴线横向发散; 但是, 恰当选取电子的横向初始速度, 可有效地防止电子运动的横向发散, 即使没有外置的磁场聚焦系统, 也能在长达10 m 的摇摆器中顺利传输, 横向位移范围不超过0.09 mm, 而且其运动是稳定的.
短波长自由电子激光器的电子束在摇摆器中的传输通道长而狭窄, 须得电子具有良好的运动特性, 避免在传输过程中产生横向发散. 本文研究短波长自由电子激光器中超相对论电子在磁场具有横向分布的平面摇摆器中的三维运动特性, 用逐次逼近法推导相对论运动方程的解析表达式, 非线性数值计算模拟传输过程, 采用科尔莫 戈罗夫熵 方法分析运动的稳定性. 结果表明: 摇摆器磁场除使电子做周期性摇摆运动外, 还迭加了偏离轴线的横向漂移运动, 在没有外置的磁场聚焦系统情况下, 电子将偏离轴线横向发散; 但是, 恰当选取电子的横向初始速度, 可有效地防止电子运动的横向发散, 即使没有外置的磁场聚焦系统, 也能在长达10 m 的摇摆器中顺利传输, 横向位移范围不超过0.09 mm, 而且其运动是稳定的.
开关效应和单分子定位的结合可以实现样品的超衍射分辨成像, 双螺旋点扩展函数将单分子定位纳米分辨从二维扩展到了三维.本文对双螺旋点扩展函数的三维定位精度展开了探讨.首先, 基于费希尔信息量, 计算了双螺旋点扩展函数的无偏估计, 得出其理论定位精度, 并分析了光子数、背景噪声以及有效像元尺寸大小对其定位精度的影响; 其次, 基于单分子定位实验过程中对于数据分析通常采用的高斯拟合质心定位算法, 通过误差传递函数定律求得双螺旋点扩展函数的轴向定位精度.计算机模拟结果表明, 在光子数大于1000的条件下, 高斯拟合质心定位精度和费希尔信息量理论定位精度符合较好. 本文的讨论不仅为双螺旋点扩展函数的三维定位精度提供了理论依据, 同时也可为实验提供理论指导.
开关效应和单分子定位的结合可以实现样品的超衍射分辨成像, 双螺旋点扩展函数将单分子定位纳米分辨从二维扩展到了三维.本文对双螺旋点扩展函数的三维定位精度展开了探讨.首先, 基于费希尔信息量, 计算了双螺旋点扩展函数的无偏估计, 得出其理论定位精度, 并分析了光子数、背景噪声以及有效像元尺寸大小对其定位精度的影响; 其次, 基于单分子定位实验过程中对于数据分析通常采用的高斯拟合质心定位算法, 通过误差传递函数定律求得双螺旋点扩展函数的轴向定位精度.计算机模拟结果表明, 在光子数大于1000的条件下, 高斯拟合质心定位精度和费希尔信息量理论定位精度符合较好. 本文的讨论不仅为双螺旋点扩展函数的三维定位精度提供了理论依据, 同时也可为实验提供理论指导.
研究了原子在光晶格偶极势依赖原子动量情况下的运动, 特别考虑了偶极势对原子动量的依赖特性. 对动量和位置的方差研究表明, 原子的动量方差呈现压缩性质, 位置方差呈现放大性质.据此我们预言光晶格动量依赖偶极势中的单粒子态可能接近动量压缩线态. 研究结果还表明, 红失谐情况下原子的动量演化可分为三个过程: 第一个过程是慢减速过程, 初始动量较大的原子, 动量以近似阻尼振荡的形式衰减; 第二个过程是快减速过程, 当动量被减速到接近到光子动量时, 动量迅速减小到hk(Ω/γ)2, 其中hk为光子动量, Ω为拉比频率, γ为原子波函数衰减函数; 第三个过程是原子被囚禁过程, 当原子动能被降低到小于势井深度时, 原子被囚禁在晶格波腹附近.
研究了原子在光晶格偶极势依赖原子动量情况下的运动, 特别考虑了偶极势对原子动量的依赖特性. 对动量和位置的方差研究表明, 原子的动量方差呈现压缩性质, 位置方差呈现放大性质.据此我们预言光晶格动量依赖偶极势中的单粒子态可能接近动量压缩线态. 研究结果还表明, 红失谐情况下原子的动量演化可分为三个过程: 第一个过程是慢减速过程, 初始动量较大的原子, 动量以近似阻尼振荡的形式衰减; 第二个过程是快减速过程, 当动量被减速到接近到光子动量时, 动量迅速减小到hk(Ω/γ)2, 其中hk为光子动量, Ω为拉比频率, γ为原子波函数衰减函数; 第三个过程是原子被囚禁过程, 当原子动能被降低到小于势井深度时, 原子被囚禁在晶格波腹附近.
利用有序算符内积分技术推导出一个有用的双模算符正规乘积公式. 然后在量子力学框架下, 计算出相干态、特殊压缩相干态、中介纠缠态表象的Radon变换. 在此基础上, 通过选取“墨西哥帽”母小波函数, 分别分析了以上三种量子光学态的Ridgelet变换.
利用有序算符内积分技术推导出一个有用的双模算符正规乘积公式. 然后在量子力学框架下, 计算出相干态、特殊压缩相干态、中介纠缠态表象的Radon变换. 在此基础上, 通过选取“墨西哥帽”母小波函数, 分别分析了以上三种量子光学态的Ridgelet变换.
采用光栅光谱仪 对脉冲光纤激光修锐青铜金刚石砂轮过程中产生的等离子体空间分辨发射光谱进行了测量. 研究了500–600 nm波段范围内的等离子体空间发射光谱强度随激光平均功率和脉冲重复频率的变化情况. 结果表明: 等离子体辐射光谱强度在其径向膨胀方向上距离砂轮表面约2.4 mm处达到最大值. 在局部热力学平衡假设条件下, 根据等离子体中六条铜原子谱线的相对强度, 利用Boltzmann 图法, 计算得到在不同激光功率和重复频 率条件下的等离子体电子温度沿砂轮径向方向的分布规律. 实验结果表明: 在激光修锐青铜金刚石砂轮过程中, 距离砂轮表面约3 mm处等离子体电子温度出现峰值, 其温度最高可达4380 K, 且等离子体电子温度随着激光参数和 空间位置的改变呈现出不同的演变规律.
采用光栅光谱仪 对脉冲光纤激光修锐青铜金刚石砂轮过程中产生的等离子体空间分辨发射光谱进行了测量. 研究了500–600 nm波段范围内的等离子体空间发射光谱强度随激光平均功率和脉冲重复频率的变化情况. 结果表明: 等离子体辐射光谱强度在其径向膨胀方向上距离砂轮表面约2.4 mm处达到最大值. 在局部热力学平衡假设条件下, 根据等离子体中六条铜原子谱线的相对强度, 利用Boltzmann 图法, 计算得到在不同激光功率和重复频 率条件下的等离子体电子温度沿砂轮径向方向的分布规律. 实验结果表明: 在激光修锐青铜金刚石砂轮过程中, 距离砂轮表面约3 mm处等离子体电子温度出现峰值, 其温度最高可达4380 K, 且等离子体电子温度随着激光参数和 空间位置的改变呈现出不同的演变规律.
报道了一种适合中小功率输出的全固态激光器的角抽运方法, 抽运光从板条激光器中板条晶体的角部入射, 可获得较高的抽运效率和较好的抽运均匀性.采用单角抽运方式, 首次进行了角抽运Nd:YAG复合板条946 nm连续运转激光器的实验研究. 激光腔采用紧凑型平凹直腔结构, 腔长仅为20 mm. 当注入抽运功率为50 W时, 946 nm激光连续输出功率最高达5.29 W, 光光转换效率为10.6%, 斜效率为12%. 整台激光器结构紧凑, 调谐简单, 成本低, 具有广阔的应用前景.
报道了一种适合中小功率输出的全固态激光器的角抽运方法, 抽运光从板条激光器中板条晶体的角部入射, 可获得较高的抽运效率和较好的抽运均匀性.采用单角抽运方式, 首次进行了角抽运Nd:YAG复合板条946 nm连续运转激光器的实验研究. 激光腔采用紧凑型平凹直腔结构, 腔长仅为20 mm. 当注入抽运功率为50 W时, 946 nm激光连续输出功率最高达5.29 W, 光光转换效率为10.6%, 斜效率为12%. 整台激光器结构紧凑, 调谐简单, 成本低, 具有广阔的应用前景.
利用自发参量下转换过程产生的频率纠缠光源在量子信息处理及相关领域中 具有十分重要的应用. 本文利用中心波长为792 nm, 脉冲宽度小于20 fs的脉冲激光源抽运满足II类准相位 匹配条件的周期极化磷酸氧钛钾晶体, 实验产生了偏振相互正交的频率一致纠缠光子对. 基于Hong-Ou-Mandel干涉仪的二阶量子符合干涉装置, 测量到该纠缠双光子对的干涉可见度约为42%, 表明其频率不可分特性较理想频率一致纠缠光源大大降低. 通过理论分析给出, 由于超短脉冲光源对应的宽频谱带宽影响, 相位匹配函数中的高阶色散项不再忽略, 从而导致纠缠光子对的频率不可分性减弱. 进一步利用实验参数给出的数值模拟结果与实验结果符合, 证实了脉冲抽运源带宽对频率一致纠缠光源的量子不可分特性的影响.
利用自发参量下转换过程产生的频率纠缠光源在量子信息处理及相关领域中 具有十分重要的应用. 本文利用中心波长为792 nm, 脉冲宽度小于20 fs的脉冲激光源抽运满足II类准相位 匹配条件的周期极化磷酸氧钛钾晶体, 实验产生了偏振相互正交的频率一致纠缠光子对. 基于Hong-Ou-Mandel干涉仪的二阶量子符合干涉装置, 测量到该纠缠双光子对的干涉可见度约为42%, 表明其频率不可分特性较理想频率一致纠缠光源大大降低. 通过理论分析给出, 由于超短脉冲光源对应的宽频谱带宽影响, 相位匹配函数中的高阶色散项不再忽略, 从而导致纠缠光子对的频率不可分性减弱. 进一步利用实验参数给出的数值模拟结果与实验结果符合, 证实了脉冲抽运源带宽对频率一致纠缠光源的量子不可分特性的影响.
理论分析与数值研究了光电振荡器输出的混沌激光特性, 基于自相关分析方法, 详细研究了光电振荡器的直流偏置相移和反馈强度等工作参数对输出信号时延信息的影响. 数值研究表明: 增加反馈强度可以使时延信息变得更加微弱甚至消除; 相同条件下, 直流偏置相移对应的工作点越接近马赫-曾德尔调制器传输特性曲线的极值点, 时延信息越弱; 直流偏置相移为0时可以有效地抑制时延信息. 研究还发现, 当直流偏置相移和反馈调制产生的相移变化π/2时, 自相关曲线上对应于延迟时间处的相关系数符号发生变化.
理论分析与数值研究了光电振荡器输出的混沌激光特性, 基于自相关分析方法, 详细研究了光电振荡器的直流偏置相移和反馈强度等工作参数对输出信号时延信息的影响. 数值研究表明: 增加反馈强度可以使时延信息变得更加微弱甚至消除; 相同条件下, 直流偏置相移对应的工作点越接近马赫-曾德尔调制器传输特性曲线的极值点, 时延信息越弱; 直流偏置相移为0时可以有效地抑制时延信息. 研究还发现, 当直流偏置相移和反馈调制产生的相移变化π/2时, 自相关曲线上对应于延迟时间处的相关系数符号发生变化.
从理论和实验上分析了强光控制弱光脉冲聚焦的方法, 该方法可以灵活地控制弱光的聚焦过程和特性. 通过研究两光束共同传输, 利用强抽运光在相互作用时为弱探测光提供诱导非线性效应, 从而使弱探测光发生聚焦. 得到了在抽运光保持不变情况下探测光的解析解, 并在实验上得到验证. 进一步研究了强抽运光对弱探测光焦点位置的影响. 结果显示: 通过改变抽运光功率、束宽能够有效地控制弱探测光的聚焦过程和焦点位置.
从理论和实验上分析了强光控制弱光脉冲聚焦的方法, 该方法可以灵活地控制弱光的聚焦过程和特性. 通过研究两光束共同传输, 利用强抽运光在相互作用时为弱探测光提供诱导非线性效应, 从而使弱探测光发生聚焦. 得到了在抽运光保持不变情况下探测光的解析解, 并在实验上得到验证. 进一步研究了强抽运光对弱探测光焦点位置的影响. 结果显示: 通过改变抽运光功率、束宽能够有效地控制弱探测光的聚焦过程和焦点位置.
得到了强非局域非线性介质中的形变像散椭圆呼吸子的解析解, 并基于解析解讨论了这类呼吸子的演化性质. 在传输过程中光束在两个维度上仍保持高斯的形状, 但束宽与等相位面曲率均做两个维度上不同步的等周期演化. 当光束在两个维度上均为非束腰入射时, 不管功率如何, 光束的汇聚或发散惯性将继续保持一段距离, 继而形成二维异步同周期呼吸效应. 当光束在某方向上为束腰入射时则既可能形成二维异步呼吸, 也可能只有一维呼吸. 束宽的二维异步呼吸还导致了椭球等相位面曲率以及光斑椭圆率的周期性变化. 在二维束腰重合情况下, 椭圆率的最大值和最小值总是固定的且二者之积为1; 入射位置的变化不影响椭圆率最值, 但会影响椭圆率变化速度在一个周期内的分布均匀性和最大椭圆率出现的位置.
得到了强非局域非线性介质中的形变像散椭圆呼吸子的解析解, 并基于解析解讨论了这类呼吸子的演化性质. 在传输过程中光束在两个维度上仍保持高斯的形状, 但束宽与等相位面曲率均做两个维度上不同步的等周期演化. 当光束在两个维度上均为非束腰入射时, 不管功率如何, 光束的汇聚或发散惯性将继续保持一段距离, 继而形成二维异步同周期呼吸效应. 当光束在某方向上为束腰入射时则既可能形成二维异步呼吸, 也可能只有一维呼吸. 束宽的二维异步呼吸还导致了椭球等相位面曲率以及光斑椭圆率的周期性变化. 在二维束腰重合情况下, 椭圆率的最大值和最小值总是固定的且二者之积为1; 入射位置的变化不影响椭圆率最值, 但会影响椭圆率变化速度在一个周期内的分布均匀性和最大椭圆率出现的位置.
根据目标红外辐射在大气中传输衰减的特性探测传感器与目标的距离, 隐身无源, 难于被敌方探测, 发展了一种基于大气氧组分光谱吸收特性的单目单波段被动测距方法.引入视线路径的概念, 将氧物性分布场离散化, 寻找辐射积分路径; 利用离散传递法基本思想, 得到目标窄带辐射强度分布.基于氧分子吸收发射谱独立、吸收系数恰当, 饱和可测范围大等特性, 分析氧吸收波段内谐振频带和远谐振频带辐射强度谱线分布的相对关系, 得到其与积分路径(即距离)的关联. 采用分辨率为0.75 nm半高宽的窄带高分辨率光谱仪, 实地校准氧物性分布场, 实现了测距实验范围75–200 m, 模型测算相对误差最大为7.56%的样机.
根据目标红外辐射在大气中传输衰减的特性探测传感器与目标的距离, 隐身无源, 难于被敌方探测, 发展了一种基于大气氧组分光谱吸收特性的单目单波段被动测距方法.引入视线路径的概念, 将氧物性分布场离散化, 寻找辐射积分路径; 利用离散传递法基本思想, 得到目标窄带辐射强度分布.基于氧分子吸收发射谱独立、吸收系数恰当, 饱和可测范围大等特性, 分析氧吸收波段内谐振频带和远谐振频带辐射强度谱线分布的相对关系, 得到其与积分路径(即距离)的关联. 采用分辨率为0.75 nm半高宽的窄带高分辨率光谱仪, 实地校准氧物性分布场, 实现了测距实验范围75–200 m, 模型测算相对误差最大为7.56%的样机.
推导了多色部分相干偏心光束在non-Kolmogorov 湍流中传输的总光强、轴上光谱、相干度的解析表达式, 研究了光束偏心参数β 、湍流广义指数α和源光谱带宽Ω对激光传输特性的影响. 研究表明: β越大, 则光束重心偏离传输轴越远, 相干度的不对称性越明显, 但是, β对轴上光谱几乎没有影响; 湍流广义指数α对总光强、 轴上光谱和相干长度的影响是非单调的, 当α=3.1时, 湍流对光束传输特性的影响最大. 值得指出的是: 在某些传输距离处, 不同α对应的轴上光谱位移量相同; 在某些传输距离处, 轴上光谱位移量为零, 且该传输距离与Ω无关, 但湍流使得该传输距离缩短. 所得结论对多色部分相干偏心光束在 湍流大气中传输的相关应用具有重要意义.
推导了多色部分相干偏心光束在non-Kolmogorov 湍流中传输的总光强、轴上光谱、相干度的解析表达式, 研究了光束偏心参数β 、湍流广义指数α和源光谱带宽Ω对激光传输特性的影响. 研究表明: β越大, 则光束重心偏离传输轴越远, 相干度的不对称性越明显, 但是, β对轴上光谱几乎没有影响; 湍流广义指数α对总光强、 轴上光谱和相干长度的影响是非单调的, 当α=3.1时, 湍流对光束传输特性的影响最大. 值得指出的是: 在某些传输距离处, 不同α对应的轴上光谱位移量相同; 在某些传输距离处, 轴上光谱位移量为零, 且该传输距离与Ω无关, 但湍流使得该传输距离缩短. 所得结论对多色部分相干偏心光束在 湍流大气中传输的相关应用具有重要意义.
利用最新提出的非均匀地表有效空气动力学参数联合计算方案, 研究了三种非均匀地表情况下局地零平面位移对有效粗糙度和有效零 平面位移影响的统计特征.结果表明, 局地零平面位移对有效粗糙度有增幅作用, 随着局地零平面位移的增加, 有效粗糙度也相应增大, 但局地零平面位移对有效粗糙度的增幅作用随地表粗糙变率增加而略有减小; 有效零平面位移随局地零平面位移的增加而增加, 但总小于线性加权平均值, 且随着地表粗糙变率的增大, 有效零平面位移却有所减小.
利用最新提出的非均匀地表有效空气动力学参数联合计算方案, 研究了三种非均匀地表情况下局地零平面位移对有效粗糙度和有效零 平面位移影响的统计特征.结果表明, 局地零平面位移对有效粗糙度有增幅作用, 随着局地零平面位移的增加, 有效粗糙度也相应增大, 但局地零平面位移对有效粗糙度的增幅作用随地表粗糙变率增加而略有减小; 有效零平面位移随局地零平面位移的增加而增加, 但总小于线性加权平均值, 且随着地表粗糙变率的增大, 有效零平面位移却有所减小.
研究了新月形沙丘粗糙面的二次极化电磁散射. 结合射线追踪理论, 由一次散射面元的反射场照射到二次散射面元, 采用基尔霍夫近似推导了二次散射面元的二次极化散射场. 计算结果表明二次极化散射结果在特定的角度和类型范围内有显著影响. 在电磁波射向背风坡时可以发现其同极化散射截面在入射角较大时大于其他入射方向的结果, 入射角在休止角附近时的交叉极化散射截面出现峰值, 以及前后狭长沙丘之间的二次极化散射特别突出. 本文结果可用于反演分析沙漠地区的风场信息.
研究了新月形沙丘粗糙面的二次极化电磁散射. 结合射线追踪理论, 由一次散射面元的反射场照射到二次散射面元, 采用基尔霍夫近似推导了二次散射面元的二次极化散射场. 计算结果表明二次极化散射结果在特定的角度和类型范围内有显著影响. 在电磁波射向背风坡时可以发现其同极化散射截面在入射角较大时大于其他入射方向的结果, 入射角在休止角附近时的交叉极化散射截面出现峰值, 以及前后狭长沙丘之间的二次极化散射特别突出. 本文结果可用于反演分析沙漠地区的风场信息.
金属线栅偏振器是一种新兴的基于微纳结构的光学偏振器件, 体积小、性能高、易集成.但在紫外和可见光波段, 通过缩小线栅的特征尺寸来提高消光比的方法已经受到纳米制作工艺的限制, 因此需要新的结构来提高其偏振特性.双层金属线栅结构仅在特定波段上提高 器件的偏振特性. 在此基础上, 提出一种间距可调谐的金属线栅偏振器结构, 通过调谐两层金属线栅之间的距离来确保偏振器极高的消光比和很强的透过率. 利用VirtualLab软件的傅里叶模式方法, 计算了可调谐型金属线栅偏振的透过率和消光比. 数值仿真结果表明, 双层可调谐型金属线栅结构在整个紫外、 可见光波段极大地提高了透射光的消光比和透过率.
金属线栅偏振器是一种新兴的基于微纳结构的光学偏振器件, 体积小、性能高、易集成.但在紫外和可见光波段, 通过缩小线栅的特征尺寸来提高消光比的方法已经受到纳米制作工艺的限制, 因此需要新的结构来提高其偏振特性.双层金属线栅结构仅在特定波段上提高 器件的偏振特性. 在此基础上, 提出一种间距可调谐的金属线栅偏振器结构, 通过调谐两层金属线栅之间的距离来确保偏振器极高的消光比和很强的透过率. 利用VirtualLab软件的傅里叶模式方法, 计算了可调谐型金属线栅偏振的透过率和消光比. 数值仿真结果表明, 双层可调谐型金属线栅结构在整个紫外、 可见光波段极大地提高了透射光的消光比和透过率.
针对光纤模分复用传输系统中模式耦合串扰问题, 设计并制备了一种新型少模光纤, 其较高的模式差分群延时保证各模式信道独立传输.在此基础上, 提出一种级联多输入多输出(MIMO)延时均衡算法, 进一步减少源于模式复用器和解复用器的模式串扰, 提高基于少模光纤的模分复用传输系统的传输距离和传输容量.与传统MIMO均衡算法相比, 级联MIMO延时均衡算法在没有显著增加计算复杂度的条件下, 能够应用于模式差分群延时很大的模分复用传输系统.对单信道传输速率为 40 Gbps的四相相移键控两模复用传输系统进行仿真, 经40 km少模光纤传输后, 采用级联MIMO均衡算法较普通MIMO均衡算法有1.7 dB的质量因子的提升. 仿真结果证明, 使用少模光纤和级联MIMO延时均衡算法能够有效地消除模分复用信号间的串扰, 有望在下一代大容量光纤传输系统中获得 推广应用.
针对光纤模分复用传输系统中模式耦合串扰问题, 设计并制备了一种新型少模光纤, 其较高的模式差分群延时保证各模式信道独立传输.在此基础上, 提出一种级联多输入多输出(MIMO)延时均衡算法, 进一步减少源于模式复用器和解复用器的模式串扰, 提高基于少模光纤的模分复用传输系统的传输距离和传输容量.与传统MIMO均衡算法相比, 级联MIMO延时均衡算法在没有显著增加计算复杂度的条件下, 能够应用于模式差分群延时很大的模分复用传输系统.对单信道传输速率为 40 Gbps的四相相移键控两模复用传输系统进行仿真, 经40 km少模光纤传输后, 采用级联MIMO均衡算法较普通MIMO均衡算法有1.7 dB的质量因子的提升. 仿真结果证明, 使用少模光纤和级联MIMO延时均衡算法能够有效地消除模分复用信号间的串扰, 有望在下一代大容量光纤传输系统中获得 推广应用.
微纳光纤的端面反射特性是影响其传输特性及实际应用的重要因素之一. 本文提出了一种基于光环形器的微纳光纤端面反射特性测量方法. 该方法克服了3 dB耦合器直接测量法的不足, 通过引入气凝胶固定和功率补偿, 可有效地消除微纳光纤尾纤飘摆、光源输出不稳定及其内部损耗等不利因素, 从而提高测量的准确度. 采用该方案实验测量了微纳光纤的端面反射率及其与 光纤直径和传输波长间的关系. 实验结果与数值模拟结果相符, 表明该方法可有效地用于微纳光纤端面反射率测量及其与各特性参数之间关系的分析, 这对于微纳光纤激光器、放大器、耦合器及滤波器等光学微型器件的设计制作具有重要意义.
微纳光纤的端面反射特性是影响其传输特性及实际应用的重要因素之一. 本文提出了一种基于光环形器的微纳光纤端面反射特性测量方法. 该方法克服了3 dB耦合器直接测量法的不足, 通过引入气凝胶固定和功率补偿, 可有效地消除微纳光纤尾纤飘摆、光源输出不稳定及其内部损耗等不利因素, 从而提高测量的准确度. 采用该方案实验测量了微纳光纤的端面反射率及其与 光纤直径和传输波长间的关系. 实验结果与数值模拟结果相符, 表明该方法可有效地用于微纳光纤端面反射率测量及其与各特性参数之间关系的分析, 这对于微纳光纤激光器、放大器、耦合器及滤波器等光学微型器件的设计制作具有重要意义.
浅海低频声场的微观结构特征在于具有可用波导不变量表征的 稳定空间-频率干涉结构.声场兼具标量场和矢量场, 波导条件下二者联合决定声场的全部特性. 本文研究浅海声场空频干涉结构的矢量场特征. 理论分析了声压谱、动能密度谱、声强流谱等矢量场干涉结构的形成机理, 探讨了矢量场干涉结构的波导不变量表征, 数值仿真研究了Pekeris波导中能量和能流密度的干涉特性, 进行了宽带声源辐射矢量声场干涉特性及表征的海上试验.实测结果与理论、仿真分析有较好的一致性. 研究结果表明: 中近程和中远程声场均能模态相干, 有稳定的空频干涉结构, 并且矢量声场空频干涉结构存在多种形式, 除各种能量和能流密度谱图外, 相干系数谱也呈现干涉特征, 这些形式的空频干涉结构均可用波导不变量理论有效表征.
浅海低频声场的微观结构特征在于具有可用波导不变量表征的 稳定空间-频率干涉结构.声场兼具标量场和矢量场, 波导条件下二者联合决定声场的全部特性. 本文研究浅海声场空频干涉结构的矢量场特征. 理论分析了声压谱、动能密度谱、声强流谱等矢量场干涉结构的形成机理, 探讨了矢量场干涉结构的波导不变量表征, 数值仿真研究了Pekeris波导中能量和能流密度的干涉特性, 进行了宽带声源辐射矢量声场干涉特性及表征的海上试验.实测结果与理论、仿真分析有较好的一致性. 研究结果表明: 中近程和中远程声场均能模态相干, 有稳定的空频干涉结构, 并且矢量声场空频干涉结构存在多种形式, 除各种能量和能流密度谱图外, 相干系数谱也呈现干涉特征, 这些形式的空频干涉结构均可用波导不变量理论有效表征.
针对水声矢量信号处理框架中的高速运动目标低信噪 比小快拍条件下的稳健高分辨方位估计问题, 将压缩感知技术应用于水声矢量信号空间谱估计模型中. 结合声矢量传感器结构特性, 探讨了基于声压振速联合处理的广义时域滤波方法; 结合矩阵空域预滤波理论, 设计了基于阻带约束通带均方误差最大值最小的空域滤波器, 研究了矢量声纳空域预滤波方法; 结合以上分析, 提出了基于压缩感知技术的时空联合滤波高分辨方位估计方法, 给出了方法的数学模型、物理解释及具体实施步骤.理论分析和计算机仿真试验表明, 新方法对于小快拍数 条件下的矢量声纳高速运动目标高分辨方位估计问题, 具有较低的双目标分辨门限和较高的估计精度, 有着良好的应用前景.湖上试验验证了方法的有效性.
针对水声矢量信号处理框架中的高速运动目标低信噪 比小快拍条件下的稳健高分辨方位估计问题, 将压缩感知技术应用于水声矢量信号空间谱估计模型中. 结合声矢量传感器结构特性, 探讨了基于声压振速联合处理的广义时域滤波方法; 结合矩阵空域预滤波理论, 设计了基于阻带约束通带均方误差最大值最小的空域滤波器, 研究了矢量声纳空域预滤波方法; 结合以上分析, 提出了基于压缩感知技术的时空联合滤波高分辨方位估计方法, 给出了方法的数学模型、物理解释及具体实施步骤.理论分析和计算机仿真试验表明, 新方法对于小快拍数 条件下的矢量声纳高速运动目标高分辨方位估计问题, 具有较低的双目标分辨门限和较高的估计精度, 有着良好的应用前景.湖上试验验证了方法的有效性.
针对水下通信隐蔽性的需求, 克服传统固定载波调制方式带来的声源暴露问题, 提出一种基于海豚叫声的仿生伪装水声通信方法, 使通信信号被当作海洋生物噪声排除, 达到隐蔽通信的效果. 研究了海豚叫声信号特点, 利用海豚哨声信号实现同步与识别, 采用差分脉冲位置调制方法, 信息调制在相邻海豚嘀嗒声信号的时间间隔, 采用压缩传感体制下的匹配追踪技术估计信道, 虚拟时反技术实现信道均衡. 湖试结果验证了该方法的有效性和可行性, 接收声信号与发射信号声音上具有很高的相似度, 可以达到伪装隐蔽的效果. 实验中水平距离2 km, 通信速率不小于29 bps时,误码率可以达到10-4以下.
针对水下通信隐蔽性的需求, 克服传统固定载波调制方式带来的声源暴露问题, 提出一种基于海豚叫声的仿生伪装水声通信方法, 使通信信号被当作海洋生物噪声排除, 达到隐蔽通信的效果. 研究了海豚叫声信号特点, 利用海豚哨声信号实现同步与识别, 采用差分脉冲位置调制方法, 信息调制在相邻海豚嘀嗒声信号的时间间隔, 采用压缩传感体制下的匹配追踪技术估计信道, 虚拟时反技术实现信道均衡. 湖试结果验证了该方法的有效性和可行性, 接收声信号与发射信号声音上具有很高的相似度, 可以达到伪装隐蔽的效果. 实验中水平距离2 km, 通信速率不小于29 bps时,误码率可以达到10-4以下.
基于大涡模拟, 结合五阶加权基本无振荡格式与沉浸边界法对激波自左向右与R22重气柱作用过程进行了数值模拟. 数值结果清晰地显示了激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性所导致的重气柱变形过程, 并与Haas 和 Sturtevant 的实验结果符合. 另外, 结果还揭示了入射激波在气柱内右侧边界发生聚焦并诱导射流的过程, 以及在Kelvin-Helmhotz 次不稳定性作用下两个主涡滑移层形成次级涡的过程, 并分析了气柱变形过程中与周围空气的混合机理. 最后, 通过改变反射距离对反射激波与不同变形阶段的气柱的再次作用过程进行了研究. 结果表明: 当激波反射距离较长时, 反射激波与充分变形后的气柱作用, 使其在流向方向上进一步被压缩; 而当激波反射距离较短时, 反射激波会在气柱内发生马赫反射, 两个三波点附近产生两个高压区, 当其传播至气柱左侧边界时对气柱边界造成冲击加速, 诱导两道向左传播的反向射流.
基于大涡模拟, 结合五阶加权基本无振荡格式与沉浸边界法对激波自左向右与R22重气柱作用过程进行了数值模拟. 数值结果清晰地显示了激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性所导致的重气柱变形过程, 并与Haas 和 Sturtevant 的实验结果符合. 另外, 结果还揭示了入射激波在气柱内右侧边界发生聚焦并诱导射流的过程, 以及在Kelvin-Helmhotz 次不稳定性作用下两个主涡滑移层形成次级涡的过程, 并分析了气柱变形过程中与周围空气的混合机理. 最后, 通过改变反射距离对反射激波与不同变形阶段的气柱的再次作用过程进行了研究. 结果表明: 当激波反射距离较长时, 反射激波与充分变形后的气柱作用, 使其在流向方向上进一步被压缩; 而当激波反射距离较短时, 反射激波会在气柱内发生马赫反射, 两个三波点附近产生两个高压区, 当其传播至气柱左侧边界时对气柱边界造成冲击加速, 诱导两道向左传播的反向射流.
研究了微平行管道内线性黏弹性流体的非定常电渗流动, 其中线性黏弹性流体的本构关系是由Jeffrey流体模型来描述的. 利用Laplace变换法, 求解了线性化的Poisson-Boltzmann方程、 非定常的柯西动量方程和Jeffrey流体本构方程, 给出了黏弹性Jeffrey流体电渗速度的解析表达式, 分析了无量纲弛豫时间λ1和滞后时间λ2对速度剖面的影响. 发现滞后时间为零时, 弛豫时间越小, 速度剖面图越接近牛顿流体的速度剖面图; 随着弛豫时间和滞后时间的增加, 速度振幅也变得越来越大, 随着时间的增加, 速度逐渐趋于恒定.
研究了微平行管道内线性黏弹性流体的非定常电渗流动, 其中线性黏弹性流体的本构关系是由Jeffrey流体模型来描述的. 利用Laplace变换法, 求解了线性化的Poisson-Boltzmann方程、 非定常的柯西动量方程和Jeffrey流体本构方程, 给出了黏弹性Jeffrey流体电渗速度的解析表达式, 分析了无量纲弛豫时间λ1和滞后时间λ2对速度剖面的影响. 发现滞后时间为零时, 弛豫时间越小, 速度剖面图越接近牛顿流体的速度剖面图; 随着弛豫时间和滞后时间的增加, 速度振幅也变得越来越大, 随着时间的增加, 速度逐渐趋于恒定.
研究了带有圆孔的平板附近气泡动力学特性. 基于不可压缩势流理论, 建立了平板圆形破口附近气泡运动数值模型, 并针对气泡初始位置距离破口很近而导致计算结果发散的数值缺陷, 采用气泡壁和壁面融合的方法, 将流场分离为两个半无限域问题进行求解, 实现了在不同无量纲参数范围内的数值模拟, 数值结果与实验结果符合良好. 通过对圆孔附近气泡运动特性的研究发现, 圆孔对气泡的影响基本与壁面相反, 在膨胀阶段对气泡产生腔吸作用, 收缩阶段产生排斥, 在特定的工况下会产生对射流现象. 最后分析了气泡壁与壁面融合, 流场分离后的气泡动态特性以及各工况参数对其影响规律.
研究了带有圆孔的平板附近气泡动力学特性. 基于不可压缩势流理论, 建立了平板圆形破口附近气泡运动数值模型, 并针对气泡初始位置距离破口很近而导致计算结果发散的数值缺陷, 采用气泡壁和壁面融合的方法, 将流场分离为两个半无限域问题进行求解, 实现了在不同无量纲参数范围内的数值模拟, 数值结果与实验结果符合良好. 通过对圆孔附近气泡运动特性的研究发现, 圆孔对气泡的影响基本与壁面相反, 在膨胀阶段对气泡产生腔吸作用, 收缩阶段产生排斥, 在特定的工况下会产生对射流现象. 最后分析了气泡壁与壁面融合, 流场分离后的气泡动态特性以及各工况参数对其影响规律.
利用格 子 Boltzmann方法模拟矩形腔内纳米流体Rayleigh-Benard对流, 得到温度场和流线分布, 比较分析不同Ra数、体积分数、粒径下纳米流体对流换热的变化情况. 结果表明: 在相同的Ra 数和体积分数下, 纳米流体的对流换热随着粒径的增大而减弱; 在相同的Ra数和粒径下, 纳米流体的对流换热随着体积分数增大而增强.
利用格 子 Boltzmann方法模拟矩形腔内纳米流体Rayleigh-Benard对流, 得到温度场和流线分布, 比较分析不同Ra数、体积分数、粒径下纳米流体对流换热的变化情况. 结果表明: 在相同的Ra 数和体积分数下, 纳米流体的对流换热随着粒径的增大而减弱; 在相同的Ra数和粒径下, 纳米流体的对流换热随着体积分数增大而增强.
在随气泡顶端运动的坐标系中, 通过将理想流体模型推广到非理想流体的情况, 研究了流体黏性和表面张力对Rayleigh-Taylor (RT)和Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定性气泡速度的影响. 首先得到了RT和RM不稳定性气泡运动的控制方程 (自洽的微分方程组); 其次给出了二维平面坐标和三维柱坐标中气泡速度的数值解和渐近解, 并定量分析了流体黏性和表面张力对RT和RM气泡速度和振幅的影响. 结果表明: 从线性阶段到非线性阶段的全过程中, 非理想流体中的气泡速度和振幅小于理想流体中的气泡速度和振幅. 也就是说, 流体黏性和表面张力对RT和RM不稳定性的发展都具有致稳作用.
在随气泡顶端运动的坐标系中, 通过将理想流体模型推广到非理想流体的情况, 研究了流体黏性和表面张力对Rayleigh-Taylor (RT)和Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定性气泡速度的影响. 首先得到了RT和RM不稳定性气泡运动的控制方程 (自洽的微分方程组); 其次给出了二维平面坐标和三维柱坐标中气泡速度的数值解和渐近解, 并定量分析了流体黏性和表面张力对RT和RM气泡速度和振幅的影响. 结果表明: 从线性阶段到非线性阶段的全过程中, 非理想流体中的气泡速度和振幅小于理想流体中的气泡速度和振幅. 也就是说, 流体黏性和表面张力对RT和RM不稳定性的发展都具有致稳作用.
利用替代数据法检验了摇摆条件下自然循环系统不规则复合型脉动的混沌特性, 并在此基础上进行混沌预测. 关联维数、最大Lyapunov指数等几何不变量计算结果表明不规则复合型脉动具有混沌特性, 但是由于计算结果受实验时间序列长度的限制和噪声的影响, 可能会出现错误的判断结果. 为了避免出现误判, 在提取流量脉动的非线性特征的同时, 需要用替代数据法进一步检验混沌特性是否来自于确定性的非线性系统. 本文用迭代的幅度调节Fourier 算法进行混沌检验, 在此基础上用加权一阶局域法进行混沌脉动的预测. 计算结果表明: 不规则复合型脉动是来自于确定性系统的混沌脉动, 加权一阶局域法对流量脉动进行混沌预测效果较好, 并提出动态预测方法.
利用替代数据法检验了摇摆条件下自然循环系统不规则复合型脉动的混沌特性, 并在此基础上进行混沌预测. 关联维数、最大Lyapunov指数等几何不变量计算结果表明不规则复合型脉动具有混沌特性, 但是由于计算结果受实验时间序列长度的限制和噪声的影响, 可能会出现错误的判断结果. 为了避免出现误判, 在提取流量脉动的非线性特征的同时, 需要用替代数据法进一步检验混沌特性是否来自于确定性的非线性系统. 本文用迭代的幅度调节Fourier 算法进行混沌检验, 在此基础上用加权一阶局域法进行混沌脉动的预测. 计算结果表明: 不规则复合型脉动是来自于确定性系统的混沌脉动, 加权一阶局域法对流量脉动进行混沌预测效果较好, 并提出动态预测方法.
提出了一种新方法, 采用单轴晶体制作相位板, 可同时实现对惯性约束聚变激光驱动器靶点焦斑的整形和偏振匀滑. 采用标量衍射方法分析了晶体相位板的原理, 从焦斑的分布特征出发求解晶体的最佳面形. 在某装置参数条件下, 对晶体相位板的应用效果进行了数值模拟. 结果表明, 在特定的晶体切割角度和面形条件下, 晶体相位板能够对靶点焦斑进行有效的整形和匀滑, 其效果与连续相位板和偏振匀滑晶体的组合相当.
提出了一种新方法, 采用单轴晶体制作相位板, 可同时实现对惯性约束聚变激光驱动器靶点焦斑的整形和偏振匀滑. 采用标量衍射方法分析了晶体相位板的原理, 从焦斑的分布特征出发求解晶体的最佳面形. 在某装置参数条件下, 对晶体相位板的应用效果进行了数值模拟. 结果表明, 在特定的晶体切割角度和面形条件下, 晶体相位板能够对靶点焦斑进行有效的整形和匀滑, 其效果与连续相位板和偏振匀滑晶体的组合相当.
分别采用Stillinger-Weber (SW)势、修正的成熟原子嵌入模型(MEAM)势、 Tersoff势和HOEP (highly optimized empirical potential)势来描述硅原子间相互作用, 运用分子动力学方法对比模拟研究了四种势函数的硅晶体的体熔化和表面熔化特性. 结果表明: 四种势函数均能反映出硅的热膨胀、高温熔化和熔化时吸热收缩等基本物理规律. 但综合对比发现, Tersoff势和MEAM势相对更适合描述硅的熔化和凝固过程, SW势次之, HOEP势则不适合描述硅的熔化和凝固过程.
分别采用Stillinger-Weber (SW)势、修正的成熟原子嵌入模型(MEAM)势、 Tersoff势和HOEP (highly optimized empirical potential)势来描述硅原子间相互作用, 运用分子动力学方法对比模拟研究了四种势函数的硅晶体的体熔化和表面熔化特性. 结果表明: 四种势函数均能反映出硅的热膨胀、高温熔化和熔化时吸热收缩等基本物理规律. 但综合对比发现, Tersoff势和MEAM势相对更适合描述硅的熔化和凝固过程, SW势次之, HOEP势则不适合描述硅的熔化和凝固过程.
对TiO2粉末进行了空气和真空条件下从室温到1200℃的加热原位X射线衍射实验, 得到了空气和真空条件下微米级锐钛矿颗粒转变为金红石的起始温度分别为850℃ 和855℃; 分别修正了空气条件下锐钛矿在(27850℃)范围和金红石在(9001200℃) 范围内的晶胞参数和真空条件下锐钛矿在(27850℃)范围和金红石在(9501200℃) 范围的晶胞参数, 从而得到了晶胞参数随温度变化的关系, 得到了锐钛矿和金红石在空气中和真空中的热膨胀系数, 并总结了热膨胀系数随温度变化的规律. 室温下锐钛矿在空气条件下的热膨胀系数为 a=4.5506310-6/℃, c=7.754310-6/℃, =16.8583610-6/℃; 真空下为 a=4.6942910-6/℃, c=9.0285010-6/℃, =18.6968810-6/℃. 室温下, 金红石在空气条件下的热膨胀系数为 a=6.8124310-6/℃, c=8.7164410-6/℃, =22.2217810-6/℃; 真空条件下为 a=6.0583410-6/℃, c= 8.3928010-6/℃, =20.5236210-6/℃.
对TiO2粉末进行了空气和真空条件下从室温到1200℃的加热原位X射线衍射实验, 得到了空气和真空条件下微米级锐钛矿颗粒转变为金红石的起始温度分别为850℃ 和855℃; 分别修正了空气条件下锐钛矿在(27850℃)范围和金红石在(9001200℃) 范围内的晶胞参数和真空条件下锐钛矿在(27850℃)范围和金红石在(9501200℃) 范围的晶胞参数, 从而得到了晶胞参数随温度变化的关系, 得到了锐钛矿和金红石在空气中和真空中的热膨胀系数, 并总结了热膨胀系数随温度变化的规律. 室温下锐钛矿在空气条件下的热膨胀系数为 a=4.5506310-6/℃, c=7.754310-6/℃, =16.8583610-6/℃; 真空下为 a=4.6942910-6/℃, c=9.0285010-6/℃, =18.6968810-6/℃. 室温下, 金红石在空气条件下的热膨胀系数为 a=6.8124310-6/℃, c=8.7164410-6/℃, =22.2217810-6/℃; 真空条件下为 a=6.0583410-6/℃, c= 8.3928010-6/℃, =20.5236210-6/℃.
自然界中很多动植物都具有稳定的超疏水性, 它们既拥有高接触角, 又拥有低滚动角, 且能长期稳定存在.通过对它们的研究, 发现表面的润湿性与表面的化学成分、表面的几何形貌有关, 并且表面几何结构的影响更为显著, 甚至可以实现由亲水性表面向超疏水转变. 虽然目前在这个领域已经有大量的实验验证了表面粗糙结构的重要作用, 但是对于表面微纳米结构对表面疏水性机理的理论研究还并不完善. 本文详细介绍了超疏水表面的基本理论及其适用性、 接触角滞后现象, 分别从经典理论和能量的观点探讨了润湿状态转化发生的条件, 重点介绍了通过仿生理念对表面几何形貌的优化设计, 包括单尺度和多尺度表面结构对于设计稳定超疏水表面的作用. 最后, 对超疏水理论的不足和未来发展进行了展望.
自然界中很多动植物都具有稳定的超疏水性, 它们既拥有高接触角, 又拥有低滚动角, 且能长期稳定存在.通过对它们的研究, 发现表面的润湿性与表面的化学成分、表面的几何形貌有关, 并且表面几何结构的影响更为显著, 甚至可以实现由亲水性表面向超疏水转变. 虽然目前在这个领域已经有大量的实验验证了表面粗糙结构的重要作用, 但是对于表面微纳米结构对表面疏水性机理的理论研究还并不完善. 本文详细介绍了超疏水表面的基本理论及其适用性、 接触角滞后现象, 分别从经典理论和能量的观点探讨了润湿状态转化发生的条件, 重点介绍了通过仿生理念对表面几何形貌的优化设计, 包括单尺度和多尺度表面结构对于设计稳定超疏水表面的作用. 最后, 对超疏水理论的不足和未来发展进行了展望.
焦硅酸镥掺铈(LPS:Ce)具有突出的闪烁性能, 比如高光产额和快衰减, 但晶格中的氧空位会影响其闪烁性能. 本文通过第一性原理方法研究了Li, Na, Mg和Ca在LPS中的稳定性和对氧空位的影响. 结果表明: 在缺氧环境下, 这些离子倾向于占据间隙位, 从而可能抑制氧空位. 分析了杂质离子对LPS电子结构的影响.
焦硅酸镥掺铈(LPS:Ce)具有突出的闪烁性能, 比如高光产额和快衰减, 但晶格中的氧空位会影响其闪烁性能. 本文通过第一性原理方法研究了Li, Na, Mg和Ca在LPS中的稳定性和对氧空位的影响. 结果表明: 在缺氧环境下, 这些离子倾向于占据间隙位, 从而可能抑制氧空位. 分析了杂质离子对LPS电子结构的影响.
利用低温力学测试系统研究了电化学沉积纳米Ni在77 K温度下的压缩行为. 室温下纳米Ni 的屈服强度为 2.0 GPa, 77 K温度下的屈服强度为3.0 GPa, 压缩变形量则由室温的10%左右下降到5%. 借助应变速率敏感指数、激活体积、扫描电子显微和高分辨透射电子显微分析, 对纳米Ni的塑性变形机制进行了表征. 研究表明, 在77 K温度下的塑性变形主要是由晶界-位错协调变形主导, 晶界本征位错弓出后无阻碍地在晶粒内无位错区运动, 直至在相对晶界发生类似切割林位错行为. 同时分析了弓出位错的残留位错部分在协调塑性变形时起到的增加应变相容性和减小应力集中的作用. 利用晶界-位错协调机制和残留位错运动与温度及缺陷的相关性揭示了纳米Ni室温和77 K温度压缩性能差异的内在原因.
利用低温力学测试系统研究了电化学沉积纳米Ni在77 K温度下的压缩行为. 室温下纳米Ni 的屈服强度为 2.0 GPa, 77 K温度下的屈服强度为3.0 GPa, 压缩变形量则由室温的10%左右下降到5%. 借助应变速率敏感指数、激活体积、扫描电子显微和高分辨透射电子显微分析, 对纳米Ni的塑性变形机制进行了表征. 研究表明, 在77 K温度下的塑性变形主要是由晶界-位错协调变形主导, 晶界本征位错弓出后无阻碍地在晶粒内无位错区运动, 直至在相对晶界发生类似切割林位错行为. 同时分析了弓出位错的残留位错部分在协调塑性变形时起到的增加应变相容性和减小应力集中的作用. 利用晶界-位错协调机制和残留位错运动与温度及缺陷的相关性揭示了纳米Ni室温和77 K温度压缩性能差异的内在原因.
用电子束蒸发的方法制备可变光学带隙薄膜硅材料, 给出了研究结果. 介绍了一种做透过率曲线切线确定薄膜光学带隙的简易方法, 给出了制备工艺和条件, 以及各种材料的隙态分布图. 实验发现, 材料的光学带隙宽度不但与量子尺度效应有关, 而且与缺陷形成的势垒高度和宽度以及有序短程(原子串)长度有关; 给出了常规硅材料的光学带隙与原子串长度的关系. 计算表明, 随着原子串长度的加大, 势阱中的电子液面升高, 载流子受缺陷势垒的散射减弱; 在原子串长度较低的情况下, 电子液面不总是随着原子串长度升高, 而是有较大的涨落, 形成锯齿状波动.计算还发现, 在势垒宽度与原子串长度之比不变的情况下, 电子液面还与势垒高度有关.
用电子束蒸发的方法制备可变光学带隙薄膜硅材料, 给出了研究结果. 介绍了一种做透过率曲线切线确定薄膜光学带隙的简易方法, 给出了制备工艺和条件, 以及各种材料的隙态分布图. 实验发现, 材料的光学带隙宽度不但与量子尺度效应有关, 而且与缺陷形成的势垒高度和宽度以及有序短程(原子串)长度有关; 给出了常规硅材料的光学带隙与原子串长度的关系. 计算表明, 随着原子串长度的加大, 势阱中的电子液面升高, 载流子受缺陷势垒的散射减弱; 在原子串长度较低的情况下, 电子液面不总是随着原子串长度升高, 而是有较大的涨落, 形成锯齿状波动.计算还发现, 在势垒宽度与原子串长度之比不变的情况下, 电子液面还与势垒高度有关.
利用简单的化学气相沉积方法在低温下高产量地合成了ZnO纳米带, 并利用磁控溅射对样品进行表面修饰, 制备了Au-ZnO复合纳米带. 通过扫描电镜、透射电镜及微区拉曼等手段系统地研究了表面修饰对ZnO 纳米材料发光性能的影响.结果表明, 在ZnO纳米带上溅射Au纳米颗粒, 可有效增强其近带边发光并使可见发光强度发生淬灭, 从而增强ZnO纳米带的发光性能. ZnO纳米带发光增强因子η最大可达到85倍. 基于Au纳米颗粒的散射、吸收、Purcell增强因子, 以及Ostwald熟化理论, 又进一步探讨了Au-ZnO复合材料的发光机制. 采用表面等离子体耦合的方法可以有效地提高光电半导体器件的发光效率.
利用简单的化学气相沉积方法在低温下高产量地合成了ZnO纳米带, 并利用磁控溅射对样品进行表面修饰, 制备了Au-ZnO复合纳米带. 通过扫描电镜、透射电镜及微区拉曼等手段系统地研究了表面修饰对ZnO 纳米材料发光性能的影响.结果表明, 在ZnO纳米带上溅射Au纳米颗粒, 可有效增强其近带边发光并使可见发光强度发生淬灭, 从而增强ZnO纳米带的发光性能. ZnO纳米带发光增强因子η最大可达到85倍. 基于Au纳米颗粒的散射、吸收、Purcell增强因子, 以及Ostwald熟化理论, 又进一步探讨了Au-ZnO复合材料的发光机制. 采用表面等离子体耦合的方法可以有效地提高光电半导体器件的发光效率.
应用时域有限差分算法系统地研究了内嵌银纳米棒圆形银缝隙结构的透射特性. 由于倾斜银纳米棒破坏了圆形腔原有的对称稳态磁场分布, 该系统中产生了法诺共振现象. 此外, 透射光谱强烈地依赖于纳米棒的倾斜角度和纳米棒的形貌参数. 这些结果有助于设计复合结构滤波器, 满足特定的滤波需要.
应用时域有限差分算法系统地研究了内嵌银纳米棒圆形银缝隙结构的透射特性. 由于倾斜银纳米棒破坏了圆形腔原有的对称稳态磁场分布, 该系统中产生了法诺共振现象. 此外, 透射光谱强烈地依赖于纳米棒的倾斜角度和纳米棒的形貌参数. 这些结果有助于设计复合结构滤波器, 满足特定的滤波需要.
以氟化镁为基底材料, 采用基底、金属网栅与频率选择表面一体化设计方法设计了一种雷达波与光学波段双带通的结构. 利用模式匹配法对设计结构的传输特性进行了仿真研究, 并将设计结果与制备样件的测试结果进行了对比分析. 结果发现: 采用一体化设计的方法设计光学透明频率选择表面, 不仅能够快速得到电场基函数而且还能够准确预估其谐振尺寸, 从而在提高计算效率的同时避免了模式互作用零点的出现. 采用一体化设计方法获得了具有稳定滤波特性的光学透明频率选择表面, 为雷达/红外双模制导头罩的电磁屏蔽技术和隐身技术提供了一种有效技术方案.
以氟化镁为基底材料, 采用基底、金属网栅与频率选择表面一体化设计方法设计了一种雷达波与光学波段双带通的结构. 利用模式匹配法对设计结构的传输特性进行了仿真研究, 并将设计结果与制备样件的测试结果进行了对比分析. 结果发现: 采用一体化设计的方法设计光学透明频率选择表面, 不仅能够快速得到电场基函数而且还能够准确预估其谐振尺寸, 从而在提高计算效率的同时避免了模式互作用零点的出现. 采用一体化设计方法获得了具有稳定滤波特性的光学透明频率选择表面, 为雷达/红外双模制导头罩的电磁屏蔽技术和隐身技术提供了一种有效技术方案.
利用脉冲激光沉积法成功制备了BaTiO3/p-Si异质结, 该异质结在80–300 K 显示出了良好的整流特性和光诱导特性. 开启电压随着温度的升高而逐渐降低. 利用不同频率的光子辐照样品, 观察到明显的光电导效应. 且随着照射光子能量的增大, 结电流也相应变大, 光诱导效应越明显. BaTiO3薄膜电阻-温度(R-T) 曲线显示氧缺陷条件下BaTiO3薄膜具有良好的半导体特性.
利用脉冲激光沉积法成功制备了BaTiO3/p-Si异质结, 该异质结在80–300 K 显示出了良好的整流特性和光诱导特性. 开启电压随着温度的升高而逐渐降低. 利用不同频率的光子辐照样品, 观察到明显的光电导效应. 且随着照射光子能量的增大, 结电流也相应变大, 光诱导效应越明显. BaTiO3薄膜电阻-温度(R-T) 曲线显示氧缺陷条件下BaTiO3薄膜具有良好的半导体特性.
介绍了新型材料ZnO的各项性能,并采用原子层沉积方法制备新型材料ZnO. 实验中采用二乙基锌(DEZn) 和水作为生长ZnO的前驱体源, 在蓝宝石衬底上生长ZnO; 采用氮气作为载气, 生长温度为180℃. 通过改变在实验中的通入锌源的时间, 探索不同的DEZn的源的量对薄膜的成分(Zn/O)、薄膜的厚度、生长速率、晶型、 表面形貌、三维形貌以及粗糙度的影响.
介绍了新型材料ZnO的各项性能,并采用原子层沉积方法制备新型材料ZnO. 实验中采用二乙基锌(DEZn) 和水作为生长ZnO的前驱体源, 在蓝宝石衬底上生长ZnO; 采用氮气作为载气, 生长温度为180℃. 通过改变在实验中的通入锌源的时间, 探索不同的DEZn的源的量对薄膜的成分(Zn/O)、薄膜的厚度、生长速率、晶型、 表面形貌、三维形貌以及粗糙度的影响.
基于电磁局域谐振的路谐振理论, 将集总LC器件加载到工字形周期阵列中, 设计了一种新型频率选择表面极化分离结构. 利用等效电路法分析了不同极化时该结构的作用机制, 并采用全波分析法研究了极化方式、入射角度和集总参数对其传输特性的影响.结果表明: 所设计的结构在6.37 GHz附近具有良好的极化分离特性; 在0°–40°扫描范围内, 横电(TE) 和横磁(TM) 极化下结构传输特性均保持稳定; 通过调控集总元件LC值, 该结构在保持 TE极化方向传输特性不变的同时, 可以实现对TM传输特性的独立调节, 使设计更加灵活.该结构为极化分离器以及极化波产生器的设计提供了借鉴.
基于电磁局域谐振的路谐振理论, 将集总LC器件加载到工字形周期阵列中, 设计了一种新型频率选择表面极化分离结构. 利用等效电路法分析了不同极化时该结构的作用机制, 并采用全波分析法研究了极化方式、入射角度和集总参数对其传输特性的影响.结果表明: 所设计的结构在6.37 GHz附近具有良好的极化分离特性; 在0°–40°扫描范围内, 横电(TE) 和横磁(TM) 极化下结构传输特性均保持稳定; 通过调控集总元件LC值, 该结构在保持 TE极化方向传输特性不变的同时, 可以实现对TM传输特性的独立调节, 使设计更加灵活.该结构为极化分离器以及极化波产生器的设计提供了借鉴.
为改善碳纳米管场效应晶体管(CNTFET)器件性能, 提高电子输运效率, 提出了一种异质双金属栅(HDMG)电极结构CNTFET器件. 通过对单金属栅(SMG)-CNTFET器件输运模型的适当修改, 实现了对HDMG-CNTFET器件电子输运特性的研究.研究结果表明, 对于所提出的HDMG结构器件, 如果固定源端金属栅S-gate的功函数WGS使其等于本征CNT 的功函数, 而选取漏端金属栅D-gate的功函数WGd, 使其在一定范围内小于WGS, 可优化器件沟道中的电场分布, 提高器件沟道电子平均输运速率; 同时由于HDMG-CNTFET的D-gate对沟道电势具有调制作用, 使该器件阈值电压降低, 导致在相同的工作电压下, HDMG-CNTFET器件具有更大的通态电流; 而D-gate对漏电压的屏蔽作用又使HDMG-CNTFET与SMG-CNTFET相比具有更好的栅控能力 及减小 漏极感应势垒降低效应、热电子效应和双极导电性等优点. 本研究通过合理选取HDMG-CNTFET双栅电极的功函数, 有效克服了现有研究中存在的改善CNTFET性能需要以减小通态电流为代价的不足, 重要的是提高了器件的电子输运效率, 进而可提高特征频率、减小延迟时间, 有利于将CNTFET器件应用于高速/高频电路.
为改善碳纳米管场效应晶体管(CNTFET)器件性能, 提高电子输运效率, 提出了一种异质双金属栅(HDMG)电极结构CNTFET器件. 通过对单金属栅(SMG)-CNTFET器件输运模型的适当修改, 实现了对HDMG-CNTFET器件电子输运特性的研究.研究结果表明, 对于所提出的HDMG结构器件, 如果固定源端金属栅S-gate的功函数WGS使其等于本征CNT 的功函数, 而选取漏端金属栅D-gate的功函数WGd, 使其在一定范围内小于WGS, 可优化器件沟道中的电场分布, 提高器件沟道电子平均输运速率; 同时由于HDMG-CNTFET的D-gate对沟道电势具有调制作用, 使该器件阈值电压降低, 导致在相同的工作电压下, HDMG-CNTFET器件具有更大的通态电流; 而D-gate对漏电压的屏蔽作用又使HDMG-CNTFET与SMG-CNTFET相比具有更好的栅控能力 及减小 漏极感应势垒降低效应、热电子效应和双极导电性等优点. 本研究通过合理选取HDMG-CNTFET双栅电极的功函数, 有效克服了现有研究中存在的改善CNTFET性能需要以减小通态电流为代价的不足, 重要的是提高了器件的电子输运效率, 进而可提高特征频率、减小延迟时间, 有利于将CNTFET器件应用于高速/高频电路.
合成了一系列Ni50-xCoxMn39Sn11 (8≤x≤10) 样品, 并对它们的结构和磁性进行了研究. 发现随Co含量的增加, 样品的饱和磁化强度逐渐增强, 并在Ni42Co8Mn39Sn11中实现了磁场诱发马氏体相变. 另外, 在Co大于8.0的成分中探测到了超自旋玻璃, 并且观察到交换偏置现象. 证实了超自旋玻璃的马氏体相和铁磁奥氏体母相共存, 这也是产生交换偏置的原因.我们猜测超自旋玻璃的形成可能是来源于Mn-Mn团簇的存在, 这和之前报道的Mn2Ni1.6Sn0.4 的结果相一致[1].
合成了一系列Ni50-xCoxMn39Sn11 (8≤x≤10) 样品, 并对它们的结构和磁性进行了研究. 发现随Co含量的增加, 样品的饱和磁化强度逐渐增强, 并在Ni42Co8Mn39Sn11中实现了磁场诱发马氏体相变. 另外, 在Co大于8.0的成分中探测到了超自旋玻璃, 并且观察到交换偏置现象. 证实了超自旋玻璃的马氏体相和铁磁奥氏体母相共存, 这也是产生交换偏置的原因.我们猜测超自旋玻璃的形成可能是来源于Mn-Mn团簇的存在, 这和之前报道的Mn2Ni1.6Sn0.4 的结果相一致[1].
利用固相反应法制备了Dy1-xPrxFeO3系列化合物. X射线粉末衍射晶体结构分析表明, 随着Pr掺杂量x的增加, 样品晶胞体积逐渐增大, 晶格畸变减弱. Raman光谱测量表明稀土离子有效质量[meff=xmPr+(1-x)mDy] 与晶格结构的变化共同导致该体系Raman光谱的变化. 随Pr掺杂量的增加, 波数小于200 cm-1的振动模式基本保持不变, 而波数大于200 cm-1的振动模式(除420 cm-1处的B3u模式外)向低频移动. 磁测量结果表明, 由Dzyaloshinsky-Moriya 相互作用导致的宏观磁性随Pr掺杂量增加逐渐减弱. 稀土离子与铁离子磁晶格的耦合作用以及晶格结构畸变的变化共同导致该体系自旋重取向相变温度在一定的掺杂量 (x=0.3)前后先升高后降低.
利用固相反应法制备了Dy1-xPrxFeO3系列化合物. X射线粉末衍射晶体结构分析表明, 随着Pr掺杂量x的增加, 样品晶胞体积逐渐增大, 晶格畸变减弱. Raman光谱测量表明稀土离子有效质量[meff=xmPr+(1-x)mDy] 与晶格结构的变化共同导致该体系Raman光谱的变化. 随Pr掺杂量的增加, 波数小于200 cm-1的振动模式基本保持不变, 而波数大于200 cm-1的振动模式(除420 cm-1处的B3u模式外)向低频移动. 磁测量结果表明, 由Dzyaloshinsky-Moriya 相互作用导致的宏观磁性随Pr掺杂量增加逐渐减弱. 稀土离子与铁离子磁晶格的耦合作用以及晶格结构畸变的变化共同导致该体系自旋重取向相变温度在一定的掺杂量 (x=0.3)前后先升高后降低.
缩短射频脉冲宽度, 有助于解决脉冲电力消耗大、样品吸收率高、信噪比低等极端条件核磁共振探测的关键问题. 本文首先分析射频脉冲角度对核磁共振自旋回波信号强度的影响机理, 基于Bloch方程推导了回波信号幅度与扳转角、重聚角的关系. 在特制核磁共振分析仪上采用变脉冲角度技术, 分别在均匀磁场和梯度磁场条件下实现对扳转角和重聚角与回波信号强度关系的数值模拟和实验测量. 结果表明, 梯度场中, 扳转角为90°、重聚角为140°的射频脉冲组合获得最大首波信号强度, 比180°脉冲对应的回波幅值提高13%, 能耗降低至78%. 选用该重聚角(140°) 优化设计饱和恢复脉冲序列探测流体的纵向弛豫时间T1特性, 准确获得 T1分布.该结果对于低电力供应、且对信噪比有较高要求的核磁共振测量, 如随钻核磁共振测井和在线核磁共振快速检测等, 具有重要意义.
缩短射频脉冲宽度, 有助于解决脉冲电力消耗大、样品吸收率高、信噪比低等极端条件核磁共振探测的关键问题. 本文首先分析射频脉冲角度对核磁共振自旋回波信号强度的影响机理, 基于Bloch方程推导了回波信号幅度与扳转角、重聚角的关系. 在特制核磁共振分析仪上采用变脉冲角度技术, 分别在均匀磁场和梯度磁场条件下实现对扳转角和重聚角与回波信号强度关系的数值模拟和实验测量. 结果表明, 梯度场中, 扳转角为90°、重聚角为140°的射频脉冲组合获得最大首波信号强度, 比180°脉冲对应的回波幅值提高13%, 能耗降低至78%. 选用该重聚角(140°) 优化设计饱和恢复脉冲序列探测流体的纵向弛豫时间T1特性, 准确获得 T1分布.该结果对于低电力供应、且对信噪比有较高要求的核磁共振测量, 如随钻核磁共振测井和在线核磁共振快速检测等, 具有重要意义.
考虑激子-双激子的相干效应, 解析地研究了半导体单量子点中探测光和信号光的吸收特性和非线性传播特性.结果发现, 在线性条件下, 单量子点中出现电磁感应透明现象; 进一步分析可得, 电磁感应透明所呈现的是单窗口或双窗口或光学增益均可通过调节控制光强加以控制.在非线性条件下, 弱信号光诱导弱探测光产生两个分量, 这两个分量在系统中所激发的自克尔和交叉克尔 非线性效应与系统的衍射效应相平衡从而形成稳定的亮-亮, 亮-暗, 暗-暗等空间光孤子对.
考虑激子-双激子的相干效应, 解析地研究了半导体单量子点中探测光和信号光的吸收特性和非线性传播特性.结果发现, 在线性条件下, 单量子点中出现电磁感应透明现象; 进一步分析可得, 电磁感应透明所呈现的是单窗口或双窗口或光学增益均可通过调节控制光强加以控制.在非线性条件下, 弱信号光诱导弱探测光产生两个分量, 这两个分量在系统中所激发的自克尔和交叉克尔 非线性效应与系统的衍射效应相平衡从而形成稳定的亮-亮, 亮-暗, 暗-暗等空间光孤子对.
正电子发射断层扫描(positron emission computed tomography, PET)是核医学领域最先进的临床检查影像技术. PET技术是目前临床上用于诊断和指导治疗肿瘤的最佳手段之一. 正电子发射断层成像设备探测器采集到的数据需要进行数据处理, 把原始数据转换成正弦图形式的数据才能用于图像重建. 平行束断层重建和扇形束图像重建是图像重建的两种方法, 分别对应平行束和扇形束形式的数据处理方法. 对原始数据的操作不可避免地破坏了原始数据的完整性. 现今, 正电子发射断层设备在重建过程中普遍采用平行束重建的方法. 平行束的数据分离会对PET数据进行插值操作, 扇形束的数据分离不会对PET数据进行插值操作. 本文通过对比平行束图像重建和扇形束图像重建结果, 研究了数据插值对PET图像重建结果的影响.
正电子发射断层扫描(positron emission computed tomography, PET)是核医学领域最先进的临床检查影像技术. PET技术是目前临床上用于诊断和指导治疗肿瘤的最佳手段之一. 正电子发射断层成像设备探测器采集到的数据需要进行数据处理, 把原始数据转换成正弦图形式的数据才能用于图像重建. 平行束断层重建和扇形束图像重建是图像重建的两种方法, 分别对应平行束和扇形束形式的数据处理方法. 对原始数据的操作不可避免地破坏了原始数据的完整性. 现今, 正电子发射断层设备在重建过程中普遍采用平行束重建的方法. 平行束的数据分离会对PET数据进行插值操作, 扇形束的数据分离不会对PET数据进行插值操作. 本文通过对比平行束图像重建和扇形束图像重建结果, 研究了数据插值对PET图像重建结果的影响.
在R-on-1的辐照模式下, 利用355 nm的紫外脉冲激光以低于KH2PO4 (KDP)晶体零概率损伤阈值的通量对其进行不同发次的全域扫描, 目的是为了研究KDP晶体在接受不同发次的紫外激光辐照后其抗损伤能力的变化规律及机制. 辐照后的1-on-1损伤测试表明, 适当的紫外激光退火可以有效地提升KDP晶体的抗损伤能力, 提升的幅度与其接受激光扫描的次数有关. 通过荧光和紫外吸收检测深入探讨了晶体内缺陷对激光退火的影响, 结果表明: 紫外脉冲激光辐照后KDP 晶体内的氧空位电子缺陷的存在与否是导致其抗损伤能力变化的主要原因; 通过拉曼和红外光谱的测量表明, 辐照后KDP 晶体内的PO4, P–OH和P＝O基团的极化变形也导致了其抗损伤能力的改变.
在R-on-1的辐照模式下, 利用355 nm的紫外脉冲激光以低于KH2PO4 (KDP)晶体零概率损伤阈值的通量对其进行不同发次的全域扫描, 目的是为了研究KDP晶体在接受不同发次的紫外激光辐照后其抗损伤能力的变化规律及机制. 辐照后的1-on-1损伤测试表明, 适当的紫外激光退火可以有效地提升KDP晶体的抗损伤能力, 提升的幅度与其接受激光扫描的次数有关. 通过荧光和紫外吸收检测深入探讨了晶体内缺陷对激光退火的影响, 结果表明: 紫外脉冲激光辐照后KDP 晶体内的氧空位电子缺陷的存在与否是导致其抗损伤能力变化的主要原因; 通过拉曼和红外光谱的测量表明, 辐照后KDP 晶体内的PO4, P–OH和P＝O基团的极化变形也导致了其抗损伤能力的改变.
以硝酸银、鳞片石墨为原料, 在强碱环境下, 制备得到石墨烯/银纳米复合材料, 采用X射线衍射、红外吸收光谱、透射电子显微镜、紫外可见分光光度计对所制备的石墨 烯/银纳米复合材料进行了表征.结果表明: 氧化石墨烯和银离子在强碱NaOH的作用下, 氧化石墨烯失去部分含氧官能团, 被部分还原为石墨烯(rGO), 银离子被还原为纳米银颗粒, 均匀分布在氧化石墨烯片层表面, 颗粒大小和分布受硝酸银用量、反应温度、NaOH的加入顺序及前驱物混合方式等因素影响, 在GO与Ag粒子质量比为 1:1.08时, 负载在石墨烯片层上的银纳米颗粒集中在12 nm左右.
以硝酸银、鳞片石墨为原料, 在强碱环境下, 制备得到石墨烯/银纳米复合材料, 采用X射线衍射、红外吸收光谱、透射电子显微镜、紫外可见分光光度计对所制备的石墨 烯/银纳米复合材料进行了表征.结果表明: 氧化石墨烯和银离子在强碱NaOH的作用下, 氧化石墨烯失去部分含氧官能团, 被部分还原为石墨烯(rGO), 银离子被还原为纳米银颗粒, 均匀分布在氧化石墨烯片层表面, 颗粒大小和分布受硝酸银用量、反应温度、NaOH的加入顺序及前驱物混合方式等因素影响, 在GO与Ag粒子质量比为 1:1.08时, 负载在石墨烯片层上的银纳米颗粒集中在12 nm左右.
提出了动态调整帧长度原则和标签分组方法, 在此基础上结合二者设计了一种新型的分组动态帧时隙防碰撞算法, 首先对未识别的标签进行数量估计, 如果标签数量超过临界值, 则对标签进行分组, 通过动态调整识别帧长适应每组标签数量进行高效识别. 仿真结果表明: 系统吞吐率稳定在34.6%36.8% 之间, 识别过程所需要的时隙数也保持了线性增加, 在待识别标签数量大于2000的情况下, 与传统的防碰撞算法相比, 时隙效率提高了30%以上, 极大优化了系统的吞吐率, 节约系统资源.
提出了动态调整帧长度原则和标签分组方法, 在此基础上结合二者设计了一种新型的分组动态帧时隙防碰撞算法, 首先对未识别的标签进行数量估计, 如果标签数量超过临界值, 则对标签进行分组, 通过动态调整识别帧长适应每组标签数量进行高效识别. 仿真结果表明: 系统吞吐率稳定在34.6%36.8% 之间, 识别过程所需要的时隙数也保持了线性增加, 在待识别标签数量大于2000的情况下, 与传统的防碰撞算法相比, 时隙效率提高了30%以上, 极大优化了系统的吞吐率, 节约系统资源.
基因测序技术极大地推动了生物学和医学研究的发展. 结合了焦磷酸测序 原理及阵列式微反应池芯片的高通量测序仪在从头测序和宏基因组测序方面有着不可替代的作用. 本文首次提出并研制了一种基于SU8聚合物的基因测序芯片. 选择了高传输效率、 低耦合损耗的光纤面板作为基片, 通过改善SU8均匀性及释放应力, 在光纤面板上成功制备出百万数量级阵列式微反应池; 设计并制作侧壁镀膜装置, 实现了SU8阵列式微反应池侧壁选择性光学薄膜蒸镀, 有效地提高了微反应池的光学隔离度, 将相邻微反应池之间的光串扰率平均值从25%降低到了1%, 满足了高通量焦磷酸测序对测序芯片独立并行传输弱光信号的要求. 基于SU8聚合物的基因测序芯片制备工艺简单、成本低廉, 具有良好的应用前景.
基因测序技术极大地推动了生物学和医学研究的发展. 结合了焦磷酸测序 原理及阵列式微反应池芯片的高通量测序仪在从头测序和宏基因组测序方面有着不可替代的作用. 本文首次提出并研制了一种基于SU8聚合物的基因测序芯片. 选择了高传输效率、 低耦合损耗的光纤面板作为基片, 通过改善SU8均匀性及释放应力, 在光纤面板上成功制备出百万数量级阵列式微反应池; 设计并制作侧壁镀膜装置, 实现了SU8阵列式微反应池侧壁选择性光学薄膜蒸镀, 有效地提高了微反应池的光学隔离度, 将相邻微反应池之间的光串扰率平均值从25%降低到了1%, 满足了高通量焦磷酸测序对测序芯片独立并行传输弱光信号的要求. 基于SU8聚合物的基因测序芯片制备工艺简单、成本低廉, 具有良好的应用前景.
针对心磁信号工频及背景噪声干扰问题, 提出了广义S变换奇异值分解(singular value decomposition, SVD)滤波方法.在离散S变换基础上, 导出了广义矩阵S变换和逆变换公式. 通过对采样信号进行广义S变换, 调节时频分辨率, 利用SVD分解方法确定有效心磁信 号区域, 实现自适应时频滤波. 实验结果表明, 该方法能有效滤除工频及背景噪声干 扰, 且在较少奇异值个数情况下可获得更好的滤波性能.
针对心磁信号工频及背景噪声干扰问题, 提出了广义S变换奇异值分解(singular value decomposition, SVD)滤波方法.在离散S变换基础上, 导出了广义矩阵S变换和逆变换公式. 通过对采样信号进行广义S变换, 调节时频分辨率, 利用SVD分解方法确定有效心磁信 号区域, 实现自适应时频滤波. 实验结果表明, 该方法能有效滤除工频及背景噪声干 扰, 且在较少奇异值个数情况下可获得更好的滤波性能.
用测量到的心脏磁场信号重构其电流源是一种无创揭示心脏电活动的方法. 心脏电活动的时空信息可视化, 将有助于心脏功能的研究和心脏疾病诊断. 本文通过仿真实验研究了一种减时窗波束形成器对分布时变电流源的重构能力, 以及源重构结果与心室兴奋传播的关系. 采用元胞自动机模拟心室的兴奋传播, 产生分布随时间变化的电流源, 并用边界元法构建了一个心脏-躯干模型, 模拟体电导的作用. 仿真结果表明, 这种减时窗波束形成器能够重构分布时变电流源, 并达到较好的精度. 将该方法和无穷大均匀介质导联矩阵用于一例正常人的心脏磁场信号分析, 其结果可以反映心室兴奋传播的基本特征.
用测量到的心脏磁场信号重构其电流源是一种无创揭示心脏电活动的方法. 心脏电活动的时空信息可视化, 将有助于心脏功能的研究和心脏疾病诊断. 本文通过仿真实验研究了一种减时窗波束形成器对分布时变电流源的重构能力, 以及源重构结果与心室兴奋传播的关系. 采用元胞自动机模拟心室的兴奋传播, 产生分布随时间变化的电流源, 并用边界元法构建了一个心脏-躯干模型, 模拟体电导的作用. 仿真结果表明, 这种减时窗波束形成器能够重构分布时变电流源, 并达到较好的精度. 将该方法和无穷大均匀介质导联矩阵用于一例正常人的心脏磁场信号分析, 其结果可以反映心室兴奋传播的基本特征.
定义时空对象代替空间对象作为基本研究单元, 改进传统Moran's I指数为时空Moran's I指数, 以便适于分析道路交通的时空特性; 通过Moran散点图给出时空自相关意义下的交通流时空状态特征分类: 拥堵聚集、畅通聚集、拥堵异质和畅通异质.为说明改进时空Moran's I指数分析法的实际应用价值, 以北京市二环快速路外环方向的车流速度数据为例, 进行时空自相关指标计算, 并从全局与局部自相关两个方面分析时 空自相关指标所反映的交通状态时空分布与演化规律.
定义时空对象代替空间对象作为基本研究单元, 改进传统Moran's I指数为时空Moran's I指数, 以便适于分析道路交通的时空特性; 通过Moran散点图给出时空自相关意义下的交通流时空状态特征分类: 拥堵聚集、畅通聚集、拥堵异质和畅通异质.为说明改进时空Moran's I指数分析法的实际应用价值, 以北京市二环快速路外环方向的车流速度数据为例, 进行时空自相关指标计算, 并从全局与局部自相关两个方面分析时 空自相关指标所反映的交通状态时空分布与演化规律.
针对液态云微物理特性精确反演的迫切需求, 综合主被动传感器的探测优势, 联合CloudSat雷达反射率和Aqua光学厚度资料, 提出基于最优估计理论的液态云微物理参数反演算法.通过假设粒子谱服从对数正态分布, 基于前向物理模式建立测量变量与反演变量的函数关系, 借助谱分布参数的先验信息、通过算法迭代得到谱参数的最优解, 进而利用前向物理模式反演液态云微物理参数, 并根据误差传递理论计算反演不确定度.通过设计反演方案, 基于实测个例数据并与CloudSat官方发布产品和经验算法反演结果对比验证.结果表明: 基于最优估计理论、联合主被动传感器资料的液态云微物理参数反演结果与官方发布产品一致性较好, 弥补了经验算法误差大、扩展性差的不足, 对于开展国内星载和机载W波段毫米波雷达液态云微物理参数反演研究具有重要的借鉴意义.
针对液态云微物理特性精确反演的迫切需求, 综合主被动传感器的探测优势, 联合CloudSat雷达反射率和Aqua光学厚度资料, 提出基于最优估计理论的液态云微物理参数反演算法.通过假设粒子谱服从对数正态分布, 基于前向物理模式建立测量变量与反演变量的函数关系, 借助谱分布参数的先验信息、通过算法迭代得到谱参数的最优解, 进而利用前向物理模式反演液态云微物理参数, 并根据误差传递理论计算反演不确定度.通过设计反演方案, 基于实测个例数据并与CloudSat官方发布产品和经验算法反演结果对比验证.结果表明: 基于最优估计理论、联合主被动传感器资料的液态云微物理参数反演结果与官方发布产品一致性较好, 弥补了经验算法误差大、扩展性差的不足, 对于开展国内星载和机载W波段毫米波雷达液态云微物理参数反演研究具有重要的借鉴意义.
航天器在等离子体环境下的表面充放电受到多种因素影响, 其中充电时间是影响静电放电频次的一个重要因素. 本文从等离子体的微观结构出发, 同时考虑材料参数特性, 在对每个粒子运用力学原理的基础上, 以统计方法 推导出孤立导体球表面充电电位时域表达式. 利用电位时域表达式推导出孤立导体球净电荷量时域表达式及静电场能量时域表达式. 以较低非极地地球轨道和较高地球同步轨道为例对孤立导体球电位、 净电荷量及静电场能量的时域特性进行了讨论, 分析了空间环境参数和导体球半径大小对表面充电的影响, 总结出等离子体环境下孤立导体表面充电时域特性规律.
航天器在等离子体环境下的表面充放电受到多种因素影响, 其中充电时间是影响静电放电频次的一个重要因素. 本文从等离子体的微观结构出发, 同时考虑材料参数特性, 在对每个粒子运用力学原理的基础上, 以统计方法 推导出孤立导体球表面充电电位时域表达式. 利用电位时域表达式推导出孤立导体球净电荷量时域表达式及静电场能量时域表达式. 以较低非极地地球轨道和较高地球同步轨道为例对孤立导体球电位、 净电荷量及静电场能量的时域特性进行了讨论, 分析了空间环境参数和导体球半径大小对表面充电的影响, 总结出等离子体环境下孤立导体表面充电时域特性规律.
航天器内部孤立导体充放电对航天器的影响更为隐蔽, 造成直接和潜在的伤害更加严重. 综合考虑航天器内部环境中粒子参数及材料二次电子特性等因素, 基于气体动理论, 结合粒子的麦克斯韦速度分布函数, 得出孤立导体球充电电位一般表达式. 利用电位表达式推导得出孤立导体球净电荷量及静电场能量与导体面积关系表达式. 讨论了特殊情况下孤立导体静电场能量与面积及空间环境的关系, 与地面电子元器件电磁脉冲放电损伤值进行了对比, 总结出孤立导体表面带电面积效应规律.
航天器内部孤立导体充放电对航天器的影响更为隐蔽, 造成直接和潜在的伤害更加严重. 综合考虑航天器内部环境中粒子参数及材料二次电子特性等因素, 基于气体动理论, 结合粒子的麦克斯韦速度分布函数, 得出孤立导体球充电电位一般表达式. 利用电位表达式推导得出孤立导体球净电荷量及静电场能量与导体面积关系表达式. 讨论了特殊情况下孤立导体静电场能量与面积及空间环境的关系, 与地面电子元器件电磁脉冲放电损伤值进行了对比, 总结出孤立导体表面带电面积效应规律.