钒基笼目超导体的发现为研究拓扑物态、超导以及几何阻挫等物理特性提供了全新平台. 自发现钒基笼目超导体以来, 国内很多研究组对其超导、电荷密度波、配对密度波、电子向列相以及时间反演对称性破缺多方面特性进行了研究, 并取得了重要进展, 引发了极大的关注. 这些新进展展示了钒基笼目超导体有极其丰富的基本物理机制. 本文简略讨论国内研究组取得的进展及其对理解钒基笼目超导体性质的意义, 并介绍目前领域内值得关注的重要问题.

红外探测器具有把物体辐射的光子信息转换为电信号的能力, 拓宽了人们观察自然环境与人类活动的边界. 当前, 长波及甚长波红外探测器已在大气监测、夜间侦查、深空探测等领域有诸多应用. 随着各国对高端红外探测器要求的快速提升, 传统红外探测器难以兼顾高响应率、高响应速度以及多维探测等性能指标的瓶颈日益凸显. 基于微纳光学理论设计的人工微纳结构, 可实现其与红外光子的高效耦合, 综合调控红外光场的振幅、偏振、相位及波长等自由度. 为拓展红外探测器额外的调控自由度, 进而在实现高量子效率的同时, 兼顾较高的响应速率与优异的偏振或波长选择性, 集成红外探测器与人工微纳结构的研究思路近年来被广泛应用. 本文讨论了人工微纳结构在长波及甚长波红外探测领域的应用进展, 详述了表面等离激元、局域等离激元、谐振腔结构、陷光结构、超透镜、赝表面等离激元、间隙等离激元和声子极化激元等机制的应用现状及各机制固有的优劣势, 进而指出了人工微纳结构在长波及甚长波红外探测应用的发展前景与方向.

近年来, 空间结构和社会多样性对群体合作演化的影响吸引了人们极大的关注. 本文在空间公共品博弈中引入了异质增益因子, 研究超图上合作行为的演化. 除所有博弈群组具有相同增益因子的原始模型外, 还考虑了包括均匀分布、指数分布和幂律分布在内的不同异质性强度的三类异质增益因子分布. 数值模拟结果显示, 上述4种增益因子分布对应的公共品博弈中, 均匀随机超图阶数$g$的增大有利于提高群体的合作水平. 更进一步地, 对比超图上原始空间公共品博弈的演化结果, 群体中博弈群组增益因子异质性的引入能够显著促进群体的合作行为, 幂律分布情况下能够使得系统获得最高合作水平. 此外, 研究了超边数目对群体合作演化的影响, 结果表明上述结论对超边数目鲁棒, 并且超边数目$L$的增大会抑制公共品博弈中合作行为的涌现. 一定程度上, 本文的研究结果有助于我们更好地理解超图上空间公共品博弈的演化动力学.

本文把宇宙学常数看成与压强相当的动力学变量, 研究了环面黑洞的热力学函数. 计算得到环面黑洞的状态方程, 环面黑洞的Smarr关系. 然后通过计算其欧氏作用量得到了吉布斯函数, 并进一步求得环面黑洞的自由能、内能和热力学焓, 以及环面黑洞的定压热容和定容热容. 结果表明: 环面黑洞没有范德瓦耳斯型的相变. 环面黑洞的定压热容大于零, 定容热容等于零, 故是一个稳定的热力学系统.

NbOx忆阻器凭借其纳米尺寸、阈值切换及局部有源特性在神经形态计算领域展现出巨大的应用前景. 对NbOx忆阻器动力学特性的深入分析和研究有利于忆阻神经元电路的设计和优化. 本文基于局部有源理论, 采用小信号分析方法对NbOx忆阻器物理模型展开了研究, 定量分析了产生尖峰振荡的区域和条件, 并确定了激励信号幅值和尖峰频率之间的定量关系. 基于上述理论分析, 进一步设计了NbOx忆阻器神经元, 并结合忆阻突触十字交叉阵列, 构建了25×10的尖峰神经网络(spiking neuron network, SNN). 最后, 分别利用频率编码和时间编码两种方式, 有效地实现了数字0到9模式的识别功能.

在心脏病患者的心脏中观察到心室不同部位的心肌细胞动作电位时长(APD)恢复曲线陡峭程度差别很大, 而陡峭的APD恢复曲线既可以在某些情况下导致螺旋波破碎和心室纤维性颤动, 也可能在另一些情况下不导致螺旋波破碎, 螺旋波动力学行为与陡峭的APD恢复曲线的关系仍未完全清楚, 因此需要深入研究. 本文采用二维可激发介质元胞自动机模型, 研究陡峭程度不同的APD恢复曲线下螺旋波的动力学行为, 数值模拟结果表明: 陡峭的APD恢复曲线可以使漫游螺旋波稳定, 也可以促进螺旋波漫游或引起破碎, 甚至使螺旋波消失, 观察到在APD恢复曲线总平均斜率大于1情况下螺旋波仍维持稳定或漫游, 在APD恢复曲线总平均斜率比1小很多的情况下螺旋波出现破碎; 在APD恢复曲线总平均斜率大于1的情况下观察到多普勒失稳、爱克豪斯失稳和APD交替变化三种螺旋波破碎方式, 其中APD交替变化导致的螺旋波破碎可在APD恢复曲线总平均斜率比1小很多的情况下发生. 观察到螺旋波通过漫游出系统边界和遇到传导障碍消失. 此外, 还发现通过增大元胞APD有利于防止螺旋波破碎. 对产生这些现象的物理机制进行解释.

采用分子动力学方法模拟介孔尺度和结构对太阳盐凝固特性的影响. 使用Material Studio软件分别建立不同尺度、两种结构的混合硝酸盐模型, 模型通过Lammps进行模拟计算, 总结凝固点、过冷度、相变潜热随尺度和结构的变化规律, 利用径向分布函数、势能-温度曲线、吉布斯自由能等表征参量对介孔内太阳盐凝固特性的微观机理进行分析. 结果表明, 太阳盐的凝固点随着纳米孔尺度的增大先增大后减小最终趋于稳定, 相同尺度下纳米线结构的凝固点高于纳米颗粒的凝固点. 太阳盐的过冷度整体呈现随介孔尺度增大而减小的规律, 但有反常增加现象. 两种不同结构下, 太阳盐凝固焓随着尺度增大均逐渐增大, 且纳米线结构较纳米粒子结构在相同尺度下提高了30%—37%.

Ostwald熟化(ripening)是指局部热力学平衡状态下, 颗粒/液滴/气泡系统为了减小界面能而自发地进行颗粒群尺度分布调整的过程, 具有重要研究价值. 针对目前数值模拟研究不充分的现状, 本文采用格子Boltzmann方法, 对相变速率主控的二维蒸气泡系统演化开展了数值模拟研究. 模拟结果与本文推导的二维气泡群演化标度律符合较好, 证实了格子Boltzmann方法对复杂相变-物质输运过程捕捉的准确性. 研究同时表明, 蒸气泡系统演化过程中物质输运为液相压力不平衡所驱动, 并且在小气泡“溃灭”过程中水动力学作用会影响气泡群半径分布函数的局部细节; 气-液状态方程参数对熟化过程的影响效果分析显示, 气液两相比内能差是驱动相变的核心要素, 此差异越大相变速率越快, 该结论进一步诠释了化学势驱动熟化过程的物理图像.

复杂系统的功能通过节点之间的连接而维持, 部分节点的失效会对系统的连通性造成破坏而影响整体的功能. 除此之外, 部分节点还会通过隐含依赖性而形成“依赖组”, 其中一个节点的失效会对依赖组中其余节点造成损害. 本文研究了“依赖组”的平均规模, 规模分布和节点之间的依赖强度对网络级联失效和鲁棒性的影响. 通过数值模拟和理论分析发现, 网络的级联失效在尺度层次上可以分为“组内级联”和“组间级联”两个过程. 在组内级联过程中, 一个节点的失效会通过节点之间的依赖性对组内其他节点造成破坏, 从而诱发更多节点的失效, 进而产生更大的破坏力. 在组间级联过程中, 失效节点会引起网络发生破碎而导致组外节点脱离网络巨分支而失效, 这就引起了失效节点的跨依赖组传播. 在这两种失效过程的共同作用下, 网络在级联失效过程中会表现出连续和不连续的两种渗流相变现象, 这两种相变现象的发生与节点间的依赖强度、网络度分布以及依赖组规模分布有关. 这意味着通过控制依赖组的特征, 如依赖组中节点之间的依赖强度或依赖组规模分布, 可以避免系统突然崩溃进而提高网络的鲁棒性.

当人们在低照度光照条件下拍摄图像时, 图像通常会受到低可见度的影响. 这种低可见度的图像不仅影响视觉效果而且对后续的使用造成诸多困难. 为了解决低照度条件下图像可见度差, 色彩偏差等问题, 本文提出了一种改进的Retinex网络增强方法. 该方法首先对低照度RGB图像进行HSV色彩空间变换, 利用Retinex分解网络单独对明度分量进行分解增强, 并通过上采样操作增大明度分量的分辨率. 然后对色相分量和饱和度分量, 运用最近邻点插值增大其分辨率, 结合增强的明度分量转换回RGB色彩空间, 得到初始增强图像. 最后采用小波变换图像融合技术, 与原始低照度图像进行融合, 消除初始增强图像中的过度增强部分. 实验结果分析表明, 本文所提方法与原始Retinex网络方法相比, NIQE值平均下降了19.49%, 图像标准差平均提升了41.35%. 本文所提算法有望在安防监控、生物医学等领域得到有效应用.

在惯性约束核聚变中, 决定点火成功与否的关键因素在于靶丸内燃料冰层的均匀性, 而影响靶丸内燃料冰层均匀性的主要因素为靶丸温度场均匀性. 为了提升靶丸温度场均匀性, 采用定向红外辅助均化装置实现对靶丸表面温度场的局部调控. 在定向红外装置的运行过程中, 红外光空间分布误差会影响到靶丸温度场的调控效果. 建立了定向红外光线追踪与温度场计算耦合的数值模型, 并与实验进行对照分析, 确定了数值模型良好的计算精度. 采用三维的冷冻靶物理模型, 研究了不同形式的定向红外光空间分布误差对靶丸温度场的影响规律. 结果表明: 光轴偏心对靶丸温度场均匀性的影响最为剧烈, 光带间距变化的影响次之, 光带宽度的变化对靶丸温度场均匀性的影响最小. 在实验中应当尽可能避免南北两侧光带光轴的偏心, 从而保证靶丸表面温度均匀性, 进而可以保证靶丸内燃料冰层的均匀性.

为了完成SESRI 300 MeV同步加速器的束流调试, 使用Tracewin软件和加速腔电磁场分布文件建立了该加速器注入线从离子源出口到注入点的全尺寸模型, 在多粒子模式下计算了两种典型粒子束(质子、209Bi32+)在不同状态下的加速传输, 得到了注入线上束流相空间的变化过程和注入线的传输效率与接受效率. 研究结果表明, 300 MeV同步加速器注入线在加速不同荷质比的离子束流时, 电磁场参数设置基本与荷质比成反比. 束流的接受效率主要由射频四极加速腔出口发射度决定. 质子束和重离子束的接受效率差别较大. 在射频四极加速腔出口发射度为0.1π mm·mrad时, 209Bi32+束接收效率达到92.13%, 质子束的接收效率为68.18%. 分析束流传输过程表明, 当横向发射度过大时, 束流会因为纵向能散展宽和相位展宽而无法被最终接受. 在现有配置下, 质子束存在横向聚焦力不够、接受效率较低的问题. 通过额外增加2个四极铁能够将质子束的接受效率由68.18%提升至83.61%.

在能量为154—424 MeV/u 的高能区域, 研究了C6+离子轰击W靶时激发W的L壳层X射线. 本文中, 由于L X射线发射时M, N等外壳层处于多空穴的状态, 观测到了相应谱线能量的蓝移, 以及分支Lι, Lβ1,3,4, Lβ2,15与 Lα1,2 X射线相对强度比的增大. 另外, 利用优化的厚靶截面公式, 并考虑多电离对X射线荧光产额的影响, 计算了L X射线的发射截面, 并与平面玻恩近似(PWBA), 经能量损失(E)-库仑排斥(C)-稳态微扰(PSS)-相对论(R)修正的PWBA理论(ECPSSR)和两体碰撞近似(BEA)理论计算结果进行了对比. 分析表明, 在本实验能区内ECPSSR对PWBA的修正作用可以忽略, 两者计算结果几乎相同且均大于实验截面; BEA估算整体上与实验结果符合较好.

冷原子重力仪正逐渐向小型化、动态化、实用化方向发展, 将其应用于深远海绝对重力测量及水下长航时、高精度导航具有十分重要的意义. 而目前冷原子重力仪多数尚处于实验室静基座或准静基座测量状态, 难以满足动态应用场景下的重力测量需求, 因此对冷原子干涉重力测量进行“由静到动”的相关研究十分迫切和关键. 本文分析了动态测量的基本原理, 给出了冷原子重力仪与加速度计组合测量的基本方法, 搭建了一套基于冷原子重力仪和惯性稳定平台绝对动态重力测量系统, 并采用冷原子重力仪与传统加速度计组合测量方式, 开展了船载动态测量实验. 首先, 在实验室静态环境下进行了约40 h的连续绝对重力测量, 对冷原子重力仪的性能进行初步评估, 灵敏度为447 µGal/$\sqrt {{\text{Hz}}} $(1 Gal = 1 cm/s2), 长期稳定度可达2.7 µGal. 在此基础上开展船载实验, 测量船在湖上以约4.6 kn的速度航行, 采用重复测线的方式开展了船载绝对动态重力测量. 经评估, 四条重复测线的内符合精度为2.272 mGal, 四个航次外符合精度分别为2.331, 1.837, 3.988和2.589 mGal. 最后, 针对实验结果, 对可能存在的问题进行进一步分析与总结. 本实验研究为海洋绝对重力动态测量提供了前期验证与技术方案参考.

研究了束缚在梯子形光晶格中的中性原子与高精度腔耦合的系统, 发现由超辐射引起的准周期调制可以导致迁移率边和重返局域化现象的出现. 在平均场近似下, 超辐射现象可以引起两种不同频率的准周期调制, 它们可以由腔场和泵浦场有效调节. 在本文的观测范围内, 当高频调制强度小于某一临界值时, 系统随着低频调制强度的增加经历一次局域转变. 通过数值求解分形维度、密度分布、平均参与率、平均逆参与率以及标度分析, 证明了局域转变历经的临界相区存在迁移率边; 当高频调制强度大于临界值时, 随着低频调制强度的增强, 系统依次经历完全扩展相-临界相-完全局域相-临界相-完全局域相, 这是一个典型的重返局域化现象. 最后给出了局域化相图. 该研究结果为超辐射相变和重返局域化现象的研究建立了联系, 也为重返局域化的研究搭建了新的平台.

研究一种可以高效求解半空间金属目标电磁散射积分方程方法, 电场积分方程适用于任意结构电磁问题分析, 但是生成的矩阵条件数大, 迭代求解收敛性差; 而磁场积分方程生成的矩阵条件数小, 迭代收敛性好, 但是仅能分析闭合结构问题, 本文采用了混合场积分方程方法, 同时具备电场积分方程的普适性与磁场积分方程的收敛性. 由于混合场积分方程中涉及格林函数的梯度项, 为了进一步加快计算效率, 本文引入了一种针对半空间格林函数的高效四维空间插值方法, 对组成半空间格林函数的索末菲积分进行列表和Lagrange插值, 以实现高效的迭代求解, 效率在传统混合场积分方程的基础上提高12.6倍. 数值结果表明, 该方法在保证精度的同时, 可以显著降低求解问题的时间.

充分发掘量子计算机的应用潜力需要将大量分立的量子节点连接起来, 组建一个与互联网类似的全量子网络. 高性能的可集成光量子存储器是解决不同量子节点间信号同步问题的核心器件, 直接关系到量子网络的实现规模和整体性能. 然而, 目前的微纳量子存储器还存在可集成性和存储性能难以兼容的问题, 还不能满足构建全量子网络的需求. 本文提出在掺铒硅材料上设计通信波段的光子晶体微腔, 不仅可利用光学微腔的角动量共振模式来实现基于光子回波的量子存储, 还可利用光学微腔来增强光和物质相互作用, 有望实现高存储效率的可集成量子存储器.

本文报道了基于块材料展宽与棱栅对压缩的飞秒啁啾脉冲放大(chirped-pulse amplification, CPA)系统. 展宽器采用基于Herriott型多通结构的块材料作为色散元件, 压缩器采用透射光栅与色散棱镜组合的棱栅对, 由于它可以同时提供负的二阶和三阶色散, 通过优化光栅刻线与棱镜顶角, 可以实现对放大器中材料的三阶色散完全补偿, 获得更窄的压缩脉冲. 实验中, 将展宽后的脉冲注入到环形再生腔中进行放大, 放大后的脉冲由棱栅对压缩到39.6 fs, 非常接近傅里叶变换极限的35.2 fs. 由于采用块材料展宽器和棱栅对压缩器, 整个放大系统非常紧凑, 可作为后续放大以及超快现象研究的可靠光源.

1.8—2.0 μm波段包含大量水的吸收谱线, 且吸收强度高于传统的1.3—1.5 μm波段, 在水的吸收光谱测量中具有很大的应用潜力. 超光谱吸收测量技术可以利用宽带范围内的大量吸收谱线来实现物理参数的反演, 与传统的单/双谱线的可调谐二极管吸收光谱技术相比具有更好的稳定性、准确性和更宽的使用范围. 宽带调谐的窄线宽激光光源是实现超光谱吸收测量的关键器件. 利用可调谐法布里-珀罗(FP)腔和光纤可饱和吸收体, 搭建了宽带调谐的窄线宽2 μm光纤激光器. 利用掺铥光纤的再吸收特性, 通过合理设计增益光纤长度, 得到了在1910—1970 nm约60 nm的光谱范围内连续可调的激光输出, 且激光器静态线宽小于0.1 nm, 能够满足水的超光谱吸收测量实验的要求. 利用该激光器分别对空气和酒精火焰中水在2 μm波段的宽带吸收光谱进行了测量. 在常温空气中, 该光源可以在1910—1965 nm的光谱范围内有效分辨40余条水的吸收谱线; 在酒精火焰中, 该光源可以在1950—1970 nm的光谱范围内有效分辨近50条水的吸收谱线. 通过与HITRAN2016数据库的比对反演得到激光器在动态扫描过程中的线宽约为0.06 nm, 与静态测试结果相近; 反演得到的空气温度约为298 K, 空气中水的摩尔分数约为2%, 与温湿度计测量结果一致; 反演得到的酒精火焰温度约为1220 K, 与热电偶测量结果较为接近.

通过近似类比原子绝热布居理论, 建立了基于KTP晶体的斯塔克啁啾快速绝热通道理论的波长转换模型, 系统研究了晶体耦合调制中的耦合迟延参数和宽度参数、泵浦强度、温度、入射波长等因素对转换效率的影响. 结果表明在KTP晶体中能实现入射光能量到出射光能量近乎完全的转换, 同时转换过程中中间光能量保持极低. 离最优晶体耦合调制参数越远, 转换效率越低. 转换效率先随泵浦强度的增大不断增大, 当转换效率达到最大值, 增大泵浦强度对转换效率几乎无影响. 温度和入射波长的变化对转换效率影响较小. 研究结果表明基于KTP晶体的斯塔克啁啾快速绝热通道理论的波长转换具有很好的鲁棒性. 该研究可为紫外到中红外光源的获取以及光子器件的制造提供理论依据.

大功率激光清理低轨大量厘米级空间碎片一直是国际学术研究的热点. 其中, 空间碎片的精确定位和碎片质心距离的高精度测量是关键, 也是亟待解决的世界性难题. 作为一种新型远距离、高分辨率的成像方法, 激光反射层析具有成像分辨率与探测距离无关的优势, 是远距离空间暗目标探测的有效途径. 基于激光反射层析原理, 建立厘米级空间碎片目标质心模型, 分析碎片目标与探测器的相对运动, 进而提出厘米级空间碎片质心距离估计方法, 开展了1 km探测距离激光反射层析实验验证. 实验结果表明, 该方法能够将质心探测精度由1.50 cm提高到0.34 cm, 是实现厘米级空间碎片质心距离高精度测量的有效手段. 该研究实现了公里级激光反射层析实验及其理论验证的突破, 具有更广阔的应用前景和技术发展潜力.

为了解决军用飞机舱室内产生的低频噪声问题, 构建了一种新型的Helmholtz型二维声子晶体, 该结构采用迷宫型开口通道, 并在结构加入了刚性振子. 研究发现, 该结构在晶格常数为62 mm条件下, 将第一低频带隙的下限降至15 Hz左右, 且在100 Hz频率左右形成一条宽度为93 Hz的带隙宽带, 表现出较好的低频隔声特性. 首先, 通过振型及声压场分析了其带隙成因, 采用“力-声类比”的方法建立了该结构的等效模型, 最后利用有限元法和传递矩阵法对第一低频的带隙范围进行了计算, 两种方法所得结果基本相符; 其次, 通过有限元法探究了晶格常数、空气通道长度及振子材料等结构参数对低频带隙的影响. 研究表明, 增加开口通道长度和晶格常数都会降低第一带隙下限, 增加振子材料密度能够有效降低第二带隙的上下限, 进一步揭示了该结构带隙形成的实质, 验证了等效模型的准确性. 该研究为低频噪声控制方面提供了一定的理论支持, 为低频声子晶体的设计提供了新的思路.

海底声学参数的获取对于海洋声学研究有着重要意义. 通过推导分层吸收介质下的海底反射系数, 理论分析了大掠射角条件下吸收系数对海底反射系数的影响. 海底反射系数随频率振荡过程中, 将其等于海水-沉积层界面反射系数模时所对应的频点定义为1/4振荡周期频率. 在该频率下, 沉积层吸收系数与基底地声参数的耦合程度小于其他频点. 本文基于大掠射角下的海底反射特性, 提出一种深海地声参数分步反演方法. 首先, 利用相关法提取得到海底反射系数的干涉周期, 利用干涉周期反演了沉积层声速和厚度. 声速的反演结果结合Hamilton经验公式反演密度. 第二步, 通过结合基底声速的穷举边界, 给出沉积层吸收系数的假设值, 利用1/4振荡周期频率下的海底反射系数对基底声速进行一维反演. 最后利用半波层频率下的海底反射系数对沉积层吸收系数进行一维反演. 大掠射角海底反射特性结合分步反演, 实现了基底声速和沉积层吸收系数一定程度的解耦合. 实验结果表明, 在大掠射角测量条件下, 该方法反演的地声参数可有效应用在一定范围内的传播损失预报.

为了深入理解横向气膜作用下液体射流的破碎雾化特性, 设计了一种以空气和水为模拟介质的针栓喷注单元, 并通过两相流大涡模拟和背景光成像对大气环境下其近喷孔区域内的液体射流破碎过程和动态特性进行研究. 通过大涡模拟液体射流的表面波主导破碎过程得到了针栓喷注单元近喷孔区域的喷雾场建立过程, 亚声速气流离开狭缝后膨胀加速为超声速气流, 经过液体射流上游的脱体弓形激波后减速增压. 而在液体射流上下游之间的压差作用下, 射流往下游发生弯曲的同时迎风面出现Rayleigh-Taylor (R-T)不稳定表面波; 随着表面波的发展, 气流穿透表面波的波谷位置导致连续射流发生断裂. 正交分解(proper orthogonal decomposition, POD)方法可有效重构瞬时喷雾图像, POD模态表明近喷孔区域的低频和高频喷雾振荡分别由喷雾场的整体扩张/收缩过程和液块或者液雾团在迎风面的“撞击波”型运动引起, 而后者的形态属于受连续液体射流断裂前的R-T不稳定表面波影响而产生的行波结构, 其无量纲行波波长与韦伯数呈幂次律关系.

许多工业技术如凝结散热和燃料电池等要求实现固液分离, 电润湿是引发液滴从疏水表面脱离的一种有效的方法, 而且方便控制. 电场激励的液滴弹跳依赖于表面能向动能和其他形式能量的转化, 目前尚缺乏对这一过程的深入研究. 本研究利用高速摄像机捕捉了在电润湿激励下疏水表面液滴的弹跳运动, 根据接触角和液滴形态的变化预估了引发液滴弹跳的电压阈值, 并利用自编Matlab程序分析和计算了在液滴脱离表面和反复弹跳过程中各种形式的能量. 结果表明, 液滴质心的动能和势能在液滴脱离表面飞行期间存在明显的耦合关系, 振动动能和表面势能在飞行阶段也存在一定的耦合关系, 液滴黏性引起的内部耗散随着液滴振荡变形的幅度增大, 并随着时间衰减. 由于可以引发液滴振荡变形并制造更多的表面能, 在液滴弹跳中交流脉冲比直流电更高效. 通过揭示电润湿驱动的液滴弹跳过程中能量的转化和耗散机制, 为该技术在固液分离和三维数字微流控中的应用提供了理论参考.

超短超强激光与物质相互作用产生的高能带电粒子束在放射照相中具有重要应用. 当几十到几百MeV动能的高能带电粒子束穿过薄膜靶时, 能量损失可忽略, 主要发生小角散射. 由于该散射效应, 高能带电粒子束对具有横向陡峭密度梯度区的靶照相, 透射束在探测面上的通量密度分布中会出现靶密度梯度区散射产生的调制现象, 有可能反过来诊断出陡峭密度梯度区信息. 目前主要采用蒙特卡罗方法对带电粒子束发生散射和产生调制现象进行理论分析, 不仅计算时间长, 计算的参数范围也有限. 本文发展了一个解析模型, 用来处理带电粒子束在靶中传输的散射效应以及在探测面上产生的调制现象, 能够快速给出结果, 而且与蒙特卡罗方法数值计算的结果符合很好. 使用本文解析模型, 对带电粒子束照相密度梯度靶产生散射调制现象的特征进行了分析. 提出了一个与照相条件有关的无量纲参量, 其取值范围决定了散射调制信号特征以及诊断陡峭密度梯度区的可能性.

弹道靶利用二级轻气炮将模型加速到高超声速状态, 模型在靶室内超高速飞行时形成等离子体尾迹. 为实现高超声速模型尾迹电子密度径向二维分布诊断, 利用七通道微波干涉仪测量系统获得了高超声速模型尾迹截面不同位置处平均电子密度. 该系统采用一发七收的方式, 实现平面波照射等离子体及平面波接收, 天线波束可完全覆盖尾迹径向范围. 多通道微波干涉仪数据处理过程常将等离子体视为分层介质, 考虑到分层界面上折射效应的影响, 本研究利用射线追踪方式建立电磁传播模型, 结合测量数据建立目标函数, 通过遗传算法优化来反演高超声速模型尾迹电子密度径向二维分布. 该数据处理方法的电子密度反演结果与相同来流条件下的数值模拟结果对比吻合较好, 初步验证了该方法的有效性. 分析了分层模型对电子密度分布特性的影响, 结果表明利用七层模型对尾迹建模效果最佳, 且适用于不同厚度尾迹, 最大化利用接收通道数, 确保了计算精度. 利用该方法实现弹道靶高超声速球模型尾迹电子密度二维分布诊断, 并给出了给定实验状态下模型尾迹电子密度二维分布的一些规律.

磁约束聚变等离子体中高Z杂质的存在给等离子体的约束状态带来不同程度的影响. EAST装置第一壁是钼瓦, 不可避免地, 等离子体与壁相互作用会使钼进入等离子体成为高Z杂质. 本文利用EAST托卡马克装置快速极紫外杂质谱仪系统实现了对5—500 Å (1 Å = 0.1 nm)波段范围内杂质线光谱进行同时监测. 结合EAST等离子体低、中Z杂质的特征谱线对波长进行原位标定, 基于NIST数据库和已有实验数据进行对比, 并利用归一化谱线强度随时间演化行为, 对较低电子温度(Te0 = 1.5 keV)等离子体中5—485 Å波段范围内由瞬态钼杂质溅射产生的钼光谱进行了系统性识别. 在15—30 Å和65—95 Å波段范围观测到分别由电离态Mo19+-Mo24+(Mo XX-Mo XXV), Mo16+-Mo29+(Mo XVII-Mo XXX)组成的未分辨跃迁系. 而且在EAST上观测并识别出27—60 Å和120—485 Å波段范围内低价钼离子(Mo4+-Mo17+)的多条谱线(Mo V-Mo XVIII). 这些谱线包含多条强度较强且独立的禁戒线和共振线, 例如Mo XII(329.414 Å, 336.639 Å, 381.125 Å), Mo XIII (340.909 Å, 352.994 Å), Mo XIV(373.647 Å, 423.576 Å), Mo XV(50.448 Å, 57.927 Å, 58.832 Å); 还观测到27—32 Å波段范围内6条新的钼谱线, 即(27.21 ± 0.01) Å, (27.37 ± 0.01) Å, (28.99 ± 0.01) Å, (30.81 ± 0.01) Å, (31.54 ± 0.01) Å, (31.83 ± 0.01) Å, 并推断这6条谱线可能是Mo XV-Mo XVIII谱线. 同时确定了12条用于杂质输运物理研究的谱线. 这些谱线的识别不仅丰富了钼原子数据库, 还为EAST托卡马克开展高Z杂质行为以及输运物理的研究提供了坚实基础.

火星大气富含CO2(~95%), 对其原位利用具有重要的科学和经济价值. 高压放电转化CO2具有绿色环保、可控程度高、使用寿命长等优势, 在火星CO2资源原位转化利用方面具有应用潜力. 本文模拟火星低气压条件下CO2氛围, 针对kHz交流电压驱动两种典型电极结构(有/无阻挡介质)的放电特性开展对比实验研究, 并辅以数值仿真分析两种电极结构下CO2放电产物及其转化途径. 结果表明, 引入阻挡介质后, 由于介质表面累积电荷和空间电荷畸变电场导致放电从半周期单次放电转变为多脉冲放电, 不同放电脉冲对应的放电通道随机产生. 主要放电产物中, CO依赖阴极位降区边界处电子与CO2附着分解反应产生, O2大部分产生于瞬时阳极表面或瞬时阳极侧介质表面电子与CO${}^+_2 $复合分解反应. 进一步发现, 介质引入不改变二者产生位置和主导反应路径, 但会降低阴极位降区边界处电子密度和电子温度, 使CO产量有所减少; 并降低放电功率, 使到达瞬时阳极表面和瞬时阳极侧介质表面的CO${}^+_2 $产额不足, 生成O2减少.

GaN被称为第三代半导体, 有着重要的应用前景. 本文对其衍生的一维锯齿型纳米管进行了系统研究, 重点研究了IIIA-VIIA主族的所有非金属原子低浓度掺杂纳米管后的化学结合特性、电子结构、输运特性及栅极电压调控效应等, 并且有一些重要的发现, 如: 掺杂纳米管具有良好的能量与热稳定性, 它们的结合能、形成能及杂质原子周围化学键的平均键长与掺杂原子的原子序数(原子半径)有密切联系; 杂质原子与纳米管之间的电荷转移与它们之间的相对电负性有直接关系. 更重要的是, 研究发现虽然本征纳米管是半导体, 但非金属原子掺杂后, 纳米管的电子相具有明显的奇-偶效应, 即掺杂第IIIA, VA, VIIA族原子后, 纳米管仍为半导体, 而掺杂第IVA, VIA族原子后, 纳米管变为金属, 这些现象与孤对电子态有密切关系. 对半导体材料的载流子迁移率研究发现: 掺杂异质原子, 能调控纳米管的空穴及电子迁移率产生1个数量级的差异, 特别是较高的栅极电压能明显提高空穴及电子迁移率, 如当栅极电压为18 V时, 空穴迁移率相对未加电压时的情况增大了近20倍.

大气环境下溶液法制备的CsPbIBr2钙钛矿薄膜存在薄膜覆盖率低、结晶度差和性能不稳定性等问题. 为此, 本文提出了一种双配体(卵磷脂(L-α-phosphatidylcholine, LP)和硫氰酸铵(NH4SCN))策略, 可在相对湿度不高于60%的大气环境下, 利用喷涂法制备出高结晶质量、结构稳定的钙钛矿薄膜. 这是由于卵磷脂能够有效降低钙钛矿前驱体溶液的表面张力, 提高CsPbIBr2钙钛矿薄膜的覆盖率, 并在CsPbIBr2钙钛矿薄膜表面形成一层隔绝水氧的保护层; 但同时也会减小晶粒尺寸, 形成大量的晶界, 造成载流子传输不利. 而NH4SCN能够克服卵磷脂的不足, 增大晶粒尺寸, 提高钙钛矿材料的电学特性. 这样, 制备出的未封装CsPbIBr2钙钛矿光电探测器(ITO/CsPbIBr2/Au)具有低暗电流密度 (2×10–4 mA·cm–2)、微秒级别的响应时间(20, 21 µs)和长效稳定性(在相对湿度为40%—60%的大气环境下, 储存70天后, 仍能保持原光暗电流初始值的81%)等特性.

本文使用静态扩散法结合常规X射线粉末衍射和电子探针技术, 在Ag-In-Se体系中发现了AgyIn3.33–y/3Se5新化合物. 其结构属于三方晶系, 空间群为P3m1, 是二维层状结构, 单层晶胞由9个原子量子层按照Se1-In1-Se2-In2-Se3-Ag/In3 -Se4-In4-Se5顺序排布构成, 层间由弱范德瓦耳斯力结合. 烧结的块体样品表现出强烈的取向性, 在平行压力方向上具有极低的晶格热导率(在873 K为0.15 W·m–1·K–1). 这种本征低的晶格热导率主要源于材料的低声速和低频光学支声子与声学支声子强耦合作用. AgyIn3.33–y/3Se5样品表现为n型传导, 室温下电导率约为4 × 104 S·m–1, Seebeck系数约为–80 μV·K–1, 样品在宽温度范围内均表现出较好的电传输性能, 在450—800 K范围内的功率因子为5 μW·cm–1·K–2左右. 由于在平行压力方向上低的晶格热导率, 最终Ag0.407In3.198Se5样品在873 K达到最大热电优值ZT为1.01, 在300—850 K的平均ZT为0.45. 该化合物的发现, 扩充了铜属硫基化合物体系的n型材料, 为铜属硫基化合物体系的应用奠定了重要基础.

金刚石氮-空位(nitrogen-vacancy, NV)色心量子体系因在室温条件下具有可实现单自旋寻址与操控、长量子相干时间等独特优势, 在固态量子计算、量子精密测量等领域展现了巨大的应用潜力, 其中单自旋的精确操控技术对于NV色心应用的发展尤为关键. NV色心量子体系中常用的自旋操控方法都是通过共振的交变磁场来驱动和操控NV色心电子自旋. 本文开展了利用交变电场对NV色心电子自旋进行调控的技术研究. 通过电极所产生的交变电场成功驱动了NV色心自旋在$|m_{\rm{s}}=-1\rangle$与$|m_{\rm{s}}=+1\rangle$两个$\Delta m_{\rm{s}} =\pm2$的磁禁戒能级间的跃迁, 并观测到受控自旋在相关能级的布居度周期性变化而展现出的Rabi振荡现象. 进一步的研究表明, 电场驱动Rabi振荡的频率受驱动电场功率的调控, 与驱动电场的共振频率无直接关系. 将自旋电控制技术与磁控制技术方法相结合, 能够实现对NV色心3个自旋能级间直接跃迁的全操控. 自旋电控制技术的发展将进一步推动NV色心量子体系在量子模拟、量子计算、电磁场的精密测量等领域研究和应用的发展.

由人工构造超表面所制成的电磁器件能够实现太赫兹频段的滤波、调控、传感、探测等功能, 对太赫兹波在通信、成像领域的应用至关重要. 基于纳米印刷技术设计制备了一种柔性透明双螺旋超表面, 并利用该超表面构建了一款太赫兹旋转可调滤波器, 通过旋转超表面实现太赫兹波透射率的有规律调谐. 在旋转90°后, 0.52 THz处的透射率由8%增至67%, 而0.92 THz处的透射率由68%降至3%, 实现调制深度大于88%的主动调控. 并且, 所提出的纳米印刷超表面具有超薄、柔性、可见光透明的优良性质, 有利于太赫兹可调器件的小型化、轻量化及大面积制备.

本文提出一种具有宽波段自发辐射增强性能的金属基底上光学偶极纳米天线, 实现的总辐射速率与远场辐射速率增强因子分别达到5454和1041, 在近红外波段, 自发辐射增强(Purcell因子超过1000)波长范围达到260 nm, 并且能够实现远场定向辐射. 为了阐明天线性能背后的物理机制, 本文考虑天线臂上表面等离激元激发和多重散射的直观物理过程, 基于Maxwell方程组第一性原理, 建立了一个半解析模型, 能够全面复现天线的辐射特性, 包括总辐射速率、远场辐射速率、远场辐射方向图等. 该模型提供了一个直观的物理图像, 即在模型导出的两个相位匹配条件下, 表面等离激元在天线臂上形成了一对Fabry-Perot共振获得增强, 然后传播到纳米间隙内点辐射源位置和散射到自由空间, 由此分别提高了总辐射速率和远场辐射速率. 并且, 这一对Fabry-Perot共振产生了一对相互靠近的谐振峰, 由此形成了宽波段自发辐射增强. 本文提出的偶极纳米天线可以应用于荧光增强、拉曼散射增强及高速、高亮度纳米光源等领域, 所提出的模型可用于光学天线的物理理解和直观设计.

利用团簇成分式方法设计系列低密度Co基高温合金[Al-(Co8Ni4)]((Al0.5(Ti/Nb/Ta)0.5Mo0.5) (Mo0.5Cr0.5Co0.5))(=Co8.5Ni4Al1.5Mo1.0Cr0.5(Ti/Nb/Ta)0.5), 采用真空非自耗电弧炉制备合金铸锭, 并对其在1300 ℃固溶15 h , 在900 ℃下进行长期时效处理, 进而对时效态样品进行微观组织表征和力学性能测试. 结果表明, 当Ti/Nb/Ta, Ti/Nb和Ti/Ta以等物质的量比匹配时, 3种合金的微观组织均表现为立方形γ′相均匀地分布在γ基体中, 这取决于合金适中的γ/γ′点阵错配度(0.27%—0.34%). 在900 ℃长期时效过程中, 3种合金中的γ′相均具有较小的粗化速率, 且合金的显微硬度随时效时间基本不发生变化(275—296 HV); 尤其(Ti/Ta)0.5合金具有最高的γ/γ′共格组织稳定性, 时效500 h后γ′相粗化最慢, 并在晶界处无其他第二相粒子析出, 而在其他合金的晶界附近均析出针状和颗粒状的第二相粒子.

在微波电路系统中, 电磁波由一种传输介质进入另一种传输介质所带来的不连续性等问题会极大地影响系统的传输性能, 这一直是设计微波电路所要关注的重点问题. 当电磁波频段进入毫米波和太赫兹频段之后, 如何实现电磁波从金属矩形波导接口到介质基板的高效、低损耗传输, 是实现毫米波太赫兹通信系统的关键所在. 本文设计了一种基于低温共烧陶瓷的基片集成波导-矩形波导过渡结构, 通过阶梯渐变结构来改善传输性能、拓展带宽, 并在此基础上设计了用于馈电网络的一分二过渡结构, 引入空腔结构来降低损耗并拓展带宽. 这两种结构都具有结构简单、易于加工的特点, 可在W波段或D波段实现良好的传输特性, 具备一定的频带普适性. 在频率较高的D波段加工制作了测试基板, 测量了其传输特性以验证该结构的实用性, 其测试结果表明: 该基片集成波导过渡结构可在126—149 GHz或112—139 GHz的频带内实现良好的传输特性; 一分二过渡结构可在132—155 GHz的频带内实现良好的传输特性.

本文利用60 MeV质子束流, 开展了NAND (not and) flash存储器的质子辐照实验, 获取了浮栅单元的单粒子翻转截面, 分析了浮栅单元错误的退火规律, 研究了质子辐照对浮栅单元的数据保存能力的影响. 实验结果表明, 浮栅单元单粒子翻转截面随质子能量的升高而增大, 随质子注量的升高而减小. 浮栅单元错误随着退火时间的推移持续增多, 该效应在低能量质子入射时更为明显. 经质子辐照后, 浮栅单元的数据保存能力有明显的退化. 分析认为高能质子通过与靶原子的核反应, 间接电离导致浮栅单元发生单粒子翻转, 翻转截面与质子注量的相关性是因为浮栅单元单粒子敏感性的差异. 质子引起的非电离损伤会在隧穿氧化层形成部分永久性的缺陷损伤, 产生可以泄漏浮栅电子的多辅助陷阱导电通道, 导致浮栅单元错误增多及数据保存能力退化.

SnO2具有光稳定性优异、可低温溶液制备等优点被视为电子传输层的优异材料之一, 广泛应用于高效稳定的平面异质结钙钛矿太阳能电池. 本文在低温(150 ℃)下采用旋涂工艺制备SnO2电子传输层, 探究了SnO2前驱体溶液不同浓度(SnO2质量分数为2.5%—10.0%)下制备的SnO2电子传输层对钙钛矿太阳能电池性能的影响. 通过对SnO2薄膜进行扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见光(UV-Vis)吸收光谱和透射光谱分析, 发现基底的覆盖率、透光率和SnO2薄膜的带隙随SnO2前驱液浓度的增加而增大; 通过对SnO2/钙钛矿(MAPbI3)薄膜进行SEM、UV-Vis、X-射线衍射(XRD)、稳态光致发光(PL)光谱分析, 发现SnO2胶体分散液浓度为7.5%制备的SnO2层上沉积的MAPbI3的粒径最大, 结晶度最好, 具有更有效的电荷提取和传输能力; 通过对钙钛矿太阳能电池进行电化学交流阻抗(EIS)、外量子效率(EQE)分析, 发现质量分数为7.5%制备的器件具有最小的传输电阻和最佳的光电转换能力, 且获得了15.82%的光电转换效率, 在环境空气湿度(25±5) ℃, RH>70%, 无封装的条件下储存600 h后仍保持初始效率的92%. 同时, 采用浓度优化后的SnO2前驱液制备了柔性器件, 获得了13.12%的光电转换效率, 且在(30±5) ℃, RH>70%的空气环境下储存84天后仍保持初始效率的48%, 在弯曲循环1000次 (弯曲半径为3 mm)后, 仍保留了初始效率的78%. 这为提高柔性钙钛矿太阳能电池性能奠定了基础.

绝对重力仪普遍采用激光干涉式或原子干涉式的测量原理来测量重力加速度的绝对值, 在地球物理等领域有着广泛的应用. 振动补偿是一种有效减小地面振动对绝对重力仪测量精度的影响的方法, 尤其适用于复杂振动环境. 本文介绍了一种基于传递函数简化模型的、用于实时修正原子干涉式绝对重力仪干涉条纹的振动补偿方法, 给出了该方法的工作原理及搜索模型系数的具体算法流程, 然后利用仿真运算验证算法的有效性, 最后利用已有的原子干涉式绝对重力仪对算法效果进行了实验评估. 结果表明, 使用该振动补偿算法对原子重力仪的干涉条纹进行修正, 最大可将干涉条纹的余弦拟合残差的标准差衰减58%. 该振动补偿算法具有较强的自适应性, 有望提升原子干涉式绝对重力仪在不同测量环境尤其是复杂振动环境中的测量精度.

基于计算流体力学平台OpenFOAM, 本文开发了一套可压缩磁流体求解器, 并将其应用于二维和三维的跨音速束流模拟. 该求解器对OpenFOAM自带的密度基中心差分黎曼求解器rhoCentralFoam进行了修改, 植入一个隐式压力分离算法用以控制磁场散度误差并保证模拟结果的数值精度. 本文对此求解器进行了检测, 证明了它的收敛阶在1—2之间, 并将其应用到强激光等离子体的磁流体模拟. 利用该求解器, 本文讨论了外加均匀轴向磁场对激光等离子体喷流的影响, 发现了喷嘴和结节位置与热压比开方之间的线性关系. 本文还分析了电容线圈中产生的非均匀磁场对激光等离子体喷流的影响. 初步模拟结果表明, 当线圈中心磁场相同时, 小尺寸线圈产生的磁场会加快喷嘴和结节的形成, 等效的均匀轴向磁场更大. 此模拟结果可以作为我们将来的磁化喷流实验的参考. 同时, 这样物理结果表明该磁流体求解器适合做面向激光等离子体实验的工程计算, 可以应对构型比较复杂的场合.