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Vol. 69, No. 9 (2020)

2020年05月05日

特邀综述

  

封面文章

基于深紫外激光-光发射电子显微技术的高分辨率磁畴成像
基于磁二色效应的光发射电子显微镜磁成像技术是研究薄膜磁畴结构的一种重要研究手段, 具有空间分辨率高、可实时成像以及对表面信息敏感等优点. 以全固态深紫外激光(波长为177.3 nm; 能量为7.0 eV)为激发光源的光发射电子显微技术相比于传统的光发射电子显微镜磁成像技术(以同步辐射光源或汞灯为激发源), 摆脱了大型同步辐射光源的限制; 同时又解决了当前阈激发研究中由于激发光源能量低难以实现光电子直接激发的技术难题, 在实验室条件下实现了高分辨磁成像. 本文首先对最新搭建的深紫外激光-光发射电子显微镜系统做了简单介绍. 然后结合超高真空分子束外延薄膜沉积技术, 成功实现了L10-FePt垂直磁各向异性薄膜的磁畴观测, 其空间分辨率高达43.2 nm, 与利用X射线作为激发源的光发射电子显微镜磁成像技术处于同一量级, 为后续开展高分辨磁成像提供了便利. 最后, 重点介绍了在该磁成像技术方面取得的一些最新研究成果: 通过引入Cr的纳米“台阶”, 成功设计出FePt的(001)与(111)双取向外延薄膜; 并在“台阶”区域使用线偏振态深紫外激光观测到了磁线二色衬度, 其强度为圆二色衬度的4.6倍. 上述研究结果表明: 深紫外激光-光发射电子显微镜磁成像技术在磁性薄膜/多层膜体系磁畴观测方面具备了出色的分辨能力, 通过超高真空系统与分子束外延薄膜制备系统相连接, 可以实现高质量单晶外延薄膜制备、超高真空原位传输和高分辨磁畴成像三位一体的功能, 为未来磁性薄膜材料的研究提供了重要手段. 吕浩昌, 赵云驰, 杨光, 董博闻, 祁杰, 张静言, 朱照照, 孙阳, 于广华, 姜勇, 魏红祥, 王晶, 陆俊, 王志宏, 蔡建旺, 沈保根, 杨峰, 张申金, 王守国 物理学报.2020, 69(9): 096801.
特邀综述
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综述
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总论 原子和分子物理学 电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 凝聚物质:结构、力学和热学性质 凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质 物理学交叉学科及有关科学技术领域 气体、等离子体和放电物理
气体、等离子体和放电物理
特邀综述

封面文章

基于深紫外激光-光发射电子显微技术的高分辨率磁畴成像
吕浩昌, 赵云驰, 杨光, 董博闻, 祁杰, 张静言, 朱照照, 孙阳, 于广华, 姜勇, 魏红祥, 王晶, 陆俊, 王志宏, 蔡建旺, 沈保根, 杨峰, 张申金, 王守国
2020, 69 (9): 096801. doi: 10.7498/aps.69.20200083
摘要 +
基于磁二色效应的光发射电子显微镜磁成像技术是研究薄膜磁畴结构的一种重要研究手段, 具有空间分辨率高、可实时成像以及对表面信息敏感等优点. 以全固态深紫外激光(波长为177.3 nm; 能量为7.0 eV)为激发光源的光发射电子显微技术相比于传统的光发射电子显微镜磁成像技术(以同步辐射光源或汞灯为激发源), 摆脱了大型同步辐射光源的限制; 同时又解决了当前阈激发研究中由于激发光源能量低难以实现光电子直接激发的技术难题, 在实验室条件下实现了高分辨磁成像. 本文首先对最新搭建的深紫外激光-光发射电子显微镜系统做了简单介绍. 然后结合超高真空分子束外延薄膜沉积技术, 成功实现了L10-FePt垂直磁各向异性薄膜的磁畴观测, 其空间分辨率高达43.2 nm, 与利用X射线作为激发源的光发射电子显微镜磁成像技术处于同一量级, 为后续开展高分辨磁成像提供了便利. 最后, 重点介绍了在该磁成像技术方面取得的一些最新研究成果: 通过引入Cr的纳米“台阶”, 成功设计出FePt的(001)与(111)双取向外延薄膜; 并在“台阶”区域使用线偏振态深紫外激光观测到了磁线二色衬度, 其强度为圆二色衬度的4.6倍. 上述研究结果表明: 深紫外激光-光发射电子显微镜磁成像技术在磁性薄膜/多层膜体系磁畴观测方面具备了出色的分辨能力, 通过超高真空系统与分子束外延薄膜制备系统相连接, 可以实现高质量单晶外延薄膜制备、超高真空原位传输和高分辨磁畴成像三位一体的功能, 为未来磁性薄膜材料的研究提供了重要手段.
综述
新型冠状病毒肺炎的流行病学参数与模型
李盈科, 赵时, 楼一均, 高道舟, 杨琳, 何岱海
2020, 69 (9): 090202. doi: 10.7498/aps.69.20200389
摘要 +
${\cal{R}}_0$的中位数为2.6, 潜伏期均值约为5.0 d, 代间隔均值约为5.5 d. 这表明新型冠状病毒肺炎传播速度快. 诸如对确诊病人的隔离治疗、对疑似病例的隔离、对密切接触者的追踪、对疾病信息的宣传和采取自我防护等防控措施能有效降低疾病暴发的风险和规模.">一种新型冠状病毒感染导致的肺炎自2019年12月至今在我国以及200多个国家和地区传播. 本文旨在介绍近期关于新型冠状病毒肺炎的几个重要流行病学参数的研究进展和估计方法, 包括基本再生数、潜伏期和代间隔, 同时还介绍两个动力学模型及其结果. 这些参数刻画了新型冠状病毒肺炎的传播特点, 影响控制策略的制定和有效性. 简要来说, 新型冠状病毒肺炎的基本再生数${\cal{R}}_0$的中位数为2.6, 潜伏期均值约为5.0 d, 代间隔均值约为5.5 d. 这表明新型冠状病毒肺炎传播速度快. 诸如对确诊病人的隔离治疗、对疑似病例的隔离、对密切接触者的追踪、对疾病信息的宣传和采取自我防护等防控措施能有效降低疾病暴发的风险和规模.
总论
确定大气边界层顶高度的新方法及数值实验
周建印, 项杰, 黄思训
2020, 69 (9): 090201. doi: 10.7498/aps.69.20191992
摘要 +
提出了一种确定大气边界层顶高度的数值微分新方法, 该方法使用了正则化技术, 把对弯角廓线求导数的数值微分问题转化为求目标泛函极小值的问题, 采用双参数模型函数方法来选择正则化参数, 最后利用最大梯度法确定边界层顶高度. 首先通过两个数值实验验证了新方法的有效性, 实验结果显示, 随着掩星资料噪音的增多, 由差分法和结合L曲线方案的数值微分方法得到的边界层顶高度波动增大, 而通过双参数模型函数方法得到的高度很稳定, 这说明新方法能够很好地过滤噪音, 从而保留廓线的主要信息. 随后基于2007—2011年1, 4, 7, 10月的COSMIC弯角数据, 利用新方法分析了全球海洋大气边界层顶高度的季节特征, 并与用掩星资料自带的大气边界层顶高度数据zbalmax得到的季节分布进行对比. 结果表明, 两者的季节分布特征十分一致: 海温相对周围海域高的区域, 边界层顶高度较高, 反之, 边界层顶高度较低; 在暖流经过的海域, 边界层顶高度较高, 在寒流经过的海域, 边界层顶的高度相对较低.
新型冠状病毒肺炎疫情确诊病例的统计分析及自回归建模
曹文静, 刘小菲, 韩卓, 冯鑫, 张琳, 刘肖凡, 许小可, 吴晔
2020, 69 (9): 090203. doi: 10.7498/aps.69.20200503
摘要 +
基于安徽省卫生健康委员会截至2020年2月19日公布的800余例新型冠状病毒肺炎病例信息, 根据病例中公布的接触史构建确诊患者间的有向传播关系, 发现源传染患者中男性居多, 被传染患者中女性居多. 从病例信息中可知, 安徽省新型冠状病毒肺炎疫情的发展从初期的具有武汉居住或接触史的输入病例转入后期本地传播为主的小范围社区传播, 且严格的防控隔离措施有效切断了社区内的进一步传播. 源传染患者与被传染患者的确诊时间间隔可用Γ分布拟合, 确诊时间间隔的中位数为2 d, 平均值为2.67 d. 基于有向传播关系的统计特点, 构建安徽省疫情发展后期的自回归传播模型, 模型仿真结果与疫情发展数据符合. 对除湖北省的全国确诊病例数据同样采取自回归建模与仿真, 结果仍与疫情发展数据符合. 这一发现为控制疫情在湖北省以外区域的防控提供了参考: 通过严格的防控措施和隔离措施, 疫情在湖北省之外的传播具有很大的黏滞性, 多为家庭程度的密切接触传播, 且能有效控制新型冠状病毒肺炎在当地的传播深度, 有效控制了疫情的蔓延.
量子扩散通道中Wigner算符的演化规律
张科, 李兰兰, 任刚, 杜建明, 范洪义
2020, 69 (9): 090301. doi: 10.7498/aps.69.20200106
摘要 +
众所周知, 量子态的演化可用与其相应的Wigner函数演化来代替. 因为量子态的Wigner函数和量子态的密度矩阵一样, 都包含了概率分布和相位等信息, 因此对量子态的Wigner函数进行研究, 可以更加快速有效地获取量子态在演化过程的重要信息. 本文从经典扩散方程出发, 利用密度算符的P表示, 导出了量子态密度算符的扩散方程. 进一步通过引入量子算符的Weyl编序记号, 给出了其对应的Weyl量子化方案. 另外, 借助于密度算符的另一相空间表示—Wigner函数, 建立了Wigner算符在扩散通道中演化方程, 并给出了其Wigner算符解的形式. 本文推导出了Wigner算符在量子扩散通道中的演化规律, 即演化过程中任意时刻Wigner算符的形式. 在此结论的基础上, 讨论了相干态经过量子扩散通道的演化情况.
含有Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的自旋1键交替海森伯模型的量子相变和拓扑序标度
陈爱民, 刘东昌, 段佳, 王洪雷, 相春环, 苏耀恒
2020, 69 (9): 090302. doi: 10.7498/aps.69.20191773
摘要 +
利用张量网络表示的无限矩阵乘积态算法研究了含有Dzyaloshinskii-Moriya (DM)相互作用的键交替海森伯模型的量子相变和临界标度行为. 基于矩阵乘积态的基态波函数计算了系统的量子纠缠熵及非局域拓扑序. 数据表明, 随着键交替强度变化, 系统从拓扑有序的Haldane相转变为局域有序的二聚化相. 同时DM相互作用抑制了系统的二聚化, 并最终打破系统的完全二聚化. 另外, 通过对相变点附近二聚化序的一阶导数和长程弦序的数值拟合, 分别得到了此模型相变的特征临界指数αβ的值. 结果表明, 随着DM相互作用强度的增强, α逐渐减小, 同时β逐渐增大. DM相互作用强度影响着此模型的临界行为. 针对此模型的临界性质的研究, 揭示了量子自旋相互作用的彼此竞争机制, 对今后研究含有DM相互作用的自旋多体系统中拓扑量子相变临界行为提供一定的借鉴与参考.

编辑推荐

基于四波混频过程和线性分束器产生四组份纠缠
余胜, 刘焕章, 刘胜帅, 荆杰泰
2020, 69 (9): 090303. doi: 10.7498/aps.69.20200040
摘要 +
多组份纠缠是量子信息处理的重要资源, 它的产生通常涉及到许多复杂的线性和非线性过程. 本文从理论上提出了一种利用两个独立的四波混频过程和线性分束器产生真正的四组份纠缠的方案, 其中, 线性分束器的作用是将两个独立的四波混频过程联系起来. 首先应用部分转置正定判据研究了强度增益对四组份纠缠的影响, 结果表明, 在整个增益区域内都存在真正的四组份纠缠, 并且随着强度增益的增加, 纠缠也在增强. 然后研究了线性分束器的透射率对四组份纠缠的影响, 发现只要线性分束器的透射率不为0或1, 该系统也可以产生真正的四组份纠缠. 最后, 通过研究该系统可能存在的三组份纠缠和两组份纠缠来揭示该系统的纠缠结构. 本文理论结果为实验上利用原子系综四波混频过程产生真正的四组份纠缠提供了可靠的方案.
半导体激光器混沌输出的延时特征和带宽
张依宁, 冯玉玲, 王晓茜, 赵振明, 高超, 姚治海
2020, 69 (9): 090501. doi: 10.7498/aps.69.20191881
摘要 +
外腔延时特征和带宽是影响混沌激光应用的两个重要参量. 本文将一个单路光反馈的半导体激光器输出的激光部分地注入到另一个双路滤波光反馈的半导体激光器中, 从而构成一个具有外光注入的双路滤波光反馈半导体激光器系统, 即主从激光器系统, 用于抑制混沌激光的延时特征并研究其带宽. 数值研究了外光注入系数、反馈强度、抽运因子和滤波器带宽对系统输出混沌激光的延时特征的影响, 然后将该系统对延时特征的抑制效果和具有外光注入的单路光反馈半导体激光器系统、具有外光注入的双路光反馈半导体激光器系统、具有外光注入的单路滤波光反馈半导体激光器系统以及无光注入双路滤波光反馈半导体激光器系统进行对比和分析, 结果表明本文提出的方案对延时特征的抑制效果最好. 然后在本文提出的具有外光注入的双路滤波光反馈半导体激光器系统中, 延时特征被有效抑制的参数条件下研究系统输出混沌激光的带宽, 结果表明, 通过适当选择参数的取值, 本文提出的方案可以提高系统输出混沌激光的带宽.
兴奋性自突触引起神经簇放电频率降低或增加的非线性机制
华洪涛, 陆博, 古华光
2020, 69 (9): 090502. doi: 10.7498/aps.69.20191709
摘要 +
兴奋和抑制性作用分别会增强和压制神经电活动, 这是神经调控的通常观念, 在神经信息处理中起重要作用. 本文选取了放电簇和阈下振荡相交替、放电簇谷值小于阈下振荡谷值的Homoclinic/ Homoclinic型簇放电, 研究发现时滞和强度合适的兴奋性自突触电流作用在放电簇的谷值附近时, 能引起簇内放电个数降低, 并进而导致平均放电频率降低, 这是不同于通常观念的新现象. 进一步, 用快慢变量分离获得的分岔和相轨迹, 揭示了阈下振荡和放电簇分别对应快子系统的阈下和阈上极限环, 兴奋性自突触电流引起阈上极限环向阈下极限环的转迁导致放电提前结束是频率降低原因. 并与近期在Fold/Homoclinic簇放电报道的兴奋性自突触诱发的簇内放电个数降低但放电频率增加的现象和机制进行了比较. 研究结果丰富了神经电活动的反常现象并揭示了背后的非线性机制, 给出了调控簇放电的新手段, 揭示了兴奋性自突触的潜在功能.
一种基于电光调制光频梳光谱干涉的绝对测距方法
赵显宇, 曲兴华, 陈嘉伟, 郑继辉, 王金栋, 张福民
2020, 69 (9): 090601. doi: 10.7498/aps.69.20200081
摘要 +
提出了一种基于电光调制光学频率梳的光谱干涉测距方法. 理论分析了电光调制光学频率梳的数学模型和光谱扩展原理, 并分析得出了光谱干涉测距方法的非模糊范围和分辨力的影响因素. 在实验中, 使用三只级联的电光相位调制器调制单频连续波激光生成了40多阶高功率梳齿状边带, 并通过单模光纤和高非线性光纤对电光调制器输出的激光进行光谱扩展, 得到重复频率为10 GHz, 光谱宽度达30 nm的光学频率梳. 将该光频梳作为光谱干涉测距装置的光源, 可以实现无“死区”的绝对距离测量. 另外, 使用等频率间隔重采样和二次方程脉冲峰值拟合算法对测量结果进行数据处理, 可以修正系统误差, 提升测距精度. 实验结果表明, 在1 m的测量范围内, 使用该装置可以在任意位置达到 ± 15 μm以内的绝对测距精度.
基于同步光解的OH自由基标定方法
王凤阳, 胡仁志, 谢品华, 王怡慧, 陈浩, 张国贤, 刘文清
2020, 69 (9): 090701. doi: 10.7498/aps.69.20200153
摘要 +
OH自由基是大气中最重要的氧化剂, 准确测量对流层OH自由基的浓度是厘清我国二次污染形成机理的关键. 本文介绍了一种基于同步光解的OH自由基便携式标定方法, 使用汞灯的185 nm线辐射处于层流状态下的具有一定水汽浓度的合成空气, 光解HO2和O2定量产生确定浓度的OH, HO2自由基和O3. 开展了臭氧浓度及廓线分布因子P和氧气吸收截面等影响因素的准确测量, 降低该标定方法的不确定度. 进一步构建便携式标定装置, 建立应用于实际外场标定的OH自由基浓度快速获取方法. 开展基于激光诱导荧光技术OH自由基(LIF-OH)探测系统的准确标定测试, 准确产生3×108—2.8×109 cm–3浓度的OH自由基, LIF-OH探测系统的荧光信号与自由基浓度具有非常好的相关性. 在综合外场观测(STORM)的应用中该标定装置的不确定度为13.0%, 具有良好的稳定性和准确性, 可以用于复杂外场环境下LIF-OH系统的快速标定.
原子和分子物理学
气体团簇离子束装置的设计及其在表面平坦化、自组装纳米结构中的应用
曾晓梅, VasiliyPelenovich, RakhimRakhimov, 左文彬, 邢斌, 罗进宝, 张翔宇, 付德君
2020, 69 (9): 093601. doi: 10.7498/aps.69.20191990
摘要 +
${\rm{Ar}}_n^ + $. 当团簇离子与固体材料相互作用时, 由于平均每个原子携带的能量(~ eV)较低, 仅作用于材料浅表面区域, 因此, 气体团簇离子束是材料表面改性的优良选择. 本文介绍了一台由武汉大学加速器实验室自主研制的气体团簇离子束装置, 包括整体构造、工作原理及实验应用. 中性团簇束由金属锥形喷嘴(Φ = 65—135 μm, θ = 14°)形成, 平均尺寸为3000 atoms/cluster, 经离化后, 其离子束流达到了50 μA. Ar团簇离子因其反应活性较低, 本文运用Ar团簇离子(平均尺寸为1000 atoms/cluster)进行了平坦化和自组装纳米结构的研究. 单晶硅片经Ar团簇离子束处理后, 均方根粗糙度由初始的1.92 nm降低到0.5 nm, 同时观察到了束流的清洁效应. 利用Ar团簇离子束的倾斜(30°—60°)轰击, 在宽大平坦的单晶ZnO基片上形成了纳米波纹, 而在ZnO纳米棒表面则形成了有序的纳米台阶, 同时, 利用二维功率谱密度函数分析了纳米结构在基片上的表面形貌和特征分布, 并计算了纳米波纹的尺寸和数量.">根据超声膨胀原理, n (10—104)个气体原子可以绝热冷却后凝聚在一起形成团簇, 经过离化后, 形成带一个电荷量的团簇离子, 比如${\rm{Ar}}_n^ + $. 当团簇离子与固体材料相互作用时, 由于平均每个原子携带的能量(~ eV)较低, 仅作用于材料浅表面区域, 因此, 气体团簇离子束是材料表面改性的优良选择. 本文介绍了一台由武汉大学加速器实验室自主研制的气体团簇离子束装置, 包括整体构造、工作原理及实验应用. 中性团簇束由金属锥形喷嘴(Φ = 65—135 μm, θ = 14°)形成, 平均尺寸为3000 atoms/cluster, 经离化后, 其离子束流达到了50 μA. Ar团簇离子因其反应活性较低, 本文运用Ar团簇离子(平均尺寸为1000 atoms/cluster)进行了平坦化和自组装纳米结构的研究. 单晶硅片经Ar团簇离子束处理后, 均方根粗糙度由初始的1.92 nm降低到0.5 nm, 同时观察到了束流的清洁效应. 利用Ar团簇离子束的倾斜(30°—60°)轰击, 在宽大平坦的单晶ZnO基片上形成了纳米波纹, 而在ZnO纳米棒表面则形成了有序的纳米台阶, 同时, 利用二维功率谱密度函数分析了纳米结构在基片上的表面形貌和特征分布, 并计算了纳米波纹的尺寸和数量.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
低能Cl在Al2O3绝缘微孔膜中的输运过程
哈帅, 张文铭, 谢一鸣, 李鹏飞, 靳博, 牛犇, 魏龙, 张琦, 刘中林, 马越, 路迪, 万城亮, 崔莹, 周鹏, 张红强, 陈熙萌
2020, 69 (9): 094101. doi: 10.7498/aps.69.20190933
摘要 +
研究了10 keV Cl 离子穿越Al2O3绝缘微孔膜的物理过程, 发现穿越的Cl其分布中心在初束中心即0°附近, Cl离子穿透率下降与几何穿透一致, 这是典型的直接几何穿越有一定角发散的微孔导致的结果; 而出射的Cl0和Cl+以微孔轴向为中心分布, Cl+和Cl0穿透率下降慢于几何穿透. 模拟计算发现沉积电荷会使出射粒子中Cl占主要成分, 并使出射Cl角分布中心移动到微孔轴向方向而随微孔膜倾角移动; 而在不考虑沉积电荷的情况下, 计算结果较好地符合了实验结果. 通过分析在不同倾角下散射过程对出射粒子的角分布和电荷态分布的影响, 发现绝大部分的Cl0是通过一次和两次散射出射的, 其中一次散射出射的Cl0占主要成分, 从而导致出射的Cl0沿微孔轴向出射而Cl+主要是经过一次碰撞出射. 这导致了随倾角增大, 出射的Cl0穿透率下降速度比Cl+小, Cl0所占比例相对增大较快, 从而导致观测到的Cl+/Cl0的比例下降. 本文结果更仔细地描述了低能离子穿越绝缘体微孔的物理机理, 印证了之前实验和理论工作的结果, 发现在10 keV以上能区的Cl离子穿越绝缘微孔膜的过程中, 沉积电荷并未起到主要作用, 其主要穿透特征是散射过程造成的.
附加球面相位引致Airy光束在单轴晶体传输时的两次镜像演化
朱开成, 梁瑞生, 易亚军, 刘伟慈, 朱洁
2020, 69 (9): 094102. doi: 10.7498/aps.69.20191592
摘要 +
利用单轴晶体光束传输理论, 求得了具有附加球面相位Airy光束在单轴晶体中的传输公式. 数值模拟计算结果表明, 线偏振附加球面相位Airy光束在晶体中传输时仍为线偏振, 但不是传输不变的. 粗略地讲, 具有附加球面相位的Airy光束在晶体中传输时, 近场是传输不变的; 而在由晶体寻常与非寻常折射率和球面半径共同确定的两个特定传输距离处, 传输光束转换成了取向不同的Gaussian-Airy光束, 且高斯依赖的束宽度敏感地与截断因子相关; 而当光束依次穿过此两位置时光斑花样先后相对于两横向轴平面做镜像演化, 且镜像演化顺序也与晶体寻常和非寻常折射率相对大小密切相关, 其总的效果是远场强度花样能恢复原样但花样取向产生了关于对过横平面二、四象限平分平面的镜像演化. 这些结果表明, 通过恰当选择晶体材料(即折射率)和附加球面相位的半径R, 可以调控光束花样的形状、取向及表征各向异性材料的相关性质.
基于自由曲面的高倍率广角显微目镜设计
郭雨桐, 常军, 胡瑶瑶, 钟乐, 宋大林
2020, 69 (9): 094201. doi: 10.7498/aps.69.20191828
摘要 +
随着显微镜性能的不断提升, 要求显微目镜具有更大的视场、放大倍率以及更好的成像质量. 显微目镜由于孔径光阑外置, 且焦距较短, 其设计难点在于如何校正大视场带来的畸变与其他轴外像差, 并在此基础上获得符合人眼观察要求的出瞳距离. 本文分析了目镜光学系统存在的主要像差, 特别是带有畸变的光学系统对成像所产生的影响. 将自由曲面应用在显微目镜光学系统畸变校正中, 设计出一款视场角达到60° (即 ± 30°), 放大倍率达到25× 且全视场畸变小于5%的高倍率广角显微目镜. 采用五片三组元式结构, 其中自由曲面镜片采用塑料材料且关于XOZYOZ平面对称, 实现了结构简单、易于加工且成本较低的高性能显微目镜设计.
2 μm人眼安全波段太阳光抽运激光器的理论研究
林学彤, 杨苏辉, 王欣, 李卓, 张金英
2020, 69 (9): 094202. doi: 10.7498/aps.69.20191985
摘要 +
太阳光直接抽运激光器在空间光通信、遥感等领域有着重要的潜在应用, 但是一直以来人们对太阳光抽运激光器的研究局限于以掺Nd3+粒子为增益介质的1 μm波段. 通过对现有固体激光工作物质的吸收谱进行分析, 发现掺Tm3+离子在太阳辐射较强的可见光波段具有强的吸收峰, 使2 μm人眼安全波段实现太阳光直接抽运激光输出成为可能. 本文对Tm:YAG和Tm:YAP两种常见晶体的吸收谱与太阳光谱匹配度进行了分析计算, 得出两种材料用于太阳光抽运激光器的阈值抽运功率密度分别为1.14和1.434 kW/cm3. 选择与抽运阈值功率密度低的Tm:YAG晶体作为增益介质, 使用TracePro软件建立太阳光抽运激光器的二级抽运模型, 并对模型进行优化, 得到了锥形腔窗口与菲涅耳透镜的最佳距离、晶体棒的最佳长度以及锥形腔最佳锥度. 本文的工作为实现太阳光直接抽运2 μm激光输出做了理论上的准备.

编辑推荐

基于铋可饱和吸收体的超快激光产生
袁浩, 朱方祥, 王金涛, 杨蓉, 王楠, 于洋, 闫培光, 郭金川
2020, 69 (9): 094203. doi: 10.7498/aps.69.20191995
摘要 +
采用磁控溅射沉积法在微纳光纤表面上镀一层纳米级厚度的铋薄膜, 制备了一种微纳光纤-铋膜结构的可饱和吸收体. 在1.5 μm处的非线性光调制深度为14%. 将其应用到掺铒光纤激光器中, 在1.5 μm波段获得稳定的超快脉冲激光产生, 脉宽为357 fs, 输出功率为45.4 mW, 单脉冲能量为2.39 nJ, 信噪比为84 dB. 实验结果表明, 利用磁控溅射法可制备出大调制深度的可饱和吸收体, 为获得高能量超短脉冲激光输出提供新方案.
基于紧聚焦方式的阵列光束相干合成特性分析
钟哲强, 母杰, 王逍, 张彬
2020, 69 (9): 094204. doi: 10.7498/aps.69.20200034
摘要 +
为获得高功率、波长量级尺寸的聚焦光斑, 提出利用紧聚焦方式实现阵列光束相干合成的新方案. 通过建立阵列光束经紧聚焦方式相干合成的物理模型, 分析了阵列光束的排布方式、偏振态、束宽、间距和紧聚焦系统数值孔径等参数对合成光束特性的影响及规律. 结果表明, 阵列光束经紧聚焦方式合束时, 线偏振及圆偏振阵列光束均能获得较好的合成效果, 径向偏振阵列光束次之, 而角向偏振阵列光束则不能有效地合成. 通过优化阵列光束的排布方式、束宽和间距, 以及合理选择紧聚焦系统的数值孔径, 能在保持较好光束质量和较高合成效率的前提下获得能量集中度高的焦斑.
基于光学参量振荡器的可调谐红外激光的强度噪声特性
聂丹丹, 冯晋霞, 戚蒙, 李渊骥, 张宽收
2020, 69 (9): 094205. doi: 10.7498/aps.69.20191952
摘要 +
红外激光光源在微量气体、高分辨率光谱分析和量子光学研究等领域具有重要的应用. 本文利用锁定单共振光学参量振荡器内腔标准具的方案获得了无跳模连续调谐的红外激光输出, 理论和实验研究了红外激光的强度噪声特性, 分析了影响强度噪声的因素. 通过控制非线性晶体的温度和标准具调制信号实现了对红外激光强度噪声的抑制. 当控制非线性晶体工作温度为60 ℃, 内腔标准具调制信号为8 kHz时, 单共振光学参量振荡器输出信号光和闲置光的强度噪声分别降低了11和8 dB.

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二维介电光子晶体中的赝自旋态与拓扑相变
王彦兰, 李妍
2020, 69 (9): 094206. doi: 10.7498/aps.69.20191962
摘要 +
${{k}} \cdot {{p}}$微扰理论, 给出了布里渊区中心附近的有效哈密顿量以及对应的自旋陈数, 由此证实能带翻转的实质是拓扑相变. 数值计算结果揭示, 在拓扑非平庸和平庸的光子晶体分界面上可实现单向传输且对弯曲、空穴等缺陷免疫的拓扑边界态. 本文中的光子晶体只由电介质材料组成并且晶格结构简单, 实现拓扑相变时无需改变柱子的填充率或位置, 只需转动一个角度. 因此, 这种结构在拓扑边界态的应用中更为有效.">基于背散射抑制且对缺陷免疫的传输性质, 光子拓扑绝缘体为电磁传输调控提供了一种新颖的思路. 类比电子体系中的量子自旋霍尔效应, 本文设计出一种简单的二维介电光子晶体, 以实现自旋依赖的光子拓扑边界态. 该光子晶体是正三角环形硅柱子在空气中排列而成的蜂窝结构. 将硅柱子绕各自中心旋转60°, 可实现二重简并的偶极子态和四极子态之间的能带翻转. 这两对二重简并态的平均能流密度围绕原胞中心的手性可充当赝自旋自由度, 其点群对称性可用来构建赝时间反演对称. 根据${{k}} \cdot {{p}}$微扰理论, 给出了布里渊区中心附近的有效哈密顿量以及对应的自旋陈数, 由此证实能带翻转的实质是拓扑相变. 数值计算结果揭示, 在拓扑非平庸和平庸的光子晶体分界面上可实现单向传输且对弯曲、空穴等缺陷免疫的拓扑边界态. 本文中的光子晶体只由电介质材料组成并且晶格结构简单, 实现拓扑相变时无需改变柱子的填充率或位置, 只需转动一个角度. 因此, 这种结构在拓扑边界态的应用中更为有效.
爆轰加载下高纯铜界面Rayleigh-Taylor不稳定性实验研究
李碧勇, 彭建祥, 谷岩, 贺红亮
2020, 69 (9): 094701. doi: 10.7498/aps.69.20191999
摘要 +
金属界面不稳定性是内爆物理压缩过程中关注的重要问题, 与传统流体界面不稳定性具有显著区别. 由于相关理论和实验诊断技术的限制, 目前该问题的研究还明显不足. 为加深对金属界面不稳定性扰动增长行为的认识, 本文建立了爆轰加载下高纯铜界面Rayleigh-Taylor不稳定性研究的实验诊断技术和数据处理方法, 得到了扰动发展早期不同时刻界面扰动增长的X光图像. 实验结果分析表明: 在爆轰产物的无冲击加载条件下扰动波长基本保持不变, 而初始扰动幅值越大, 界面扰动增长的趋势就越明显; 同时随着样品前界面扰动的不断发展, 在样品的后自由面也出现了与前界面初始相位相反的扰动特征, 即样品前界面扰动为波谷的位置所对应的后界面先运动而逐渐演变为波峰, 而前界面扰动为波峰的位置所对应的后界面则演变为波谷; 在5.26 μs时刻, 界面扰动幅值增长为初始值的700%左右, 应变率达到了约105/s. 结合数值模拟研究表明: 在此情况下常用的Steinberg-Cochran-Guinan 模型在一定程度上低估了高纯铜材料强度的强化特性, 无法准确地描述强度对界面扰动增长的制稳作用, 从而导致数值模拟结果要大于实验测量结果.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
聚苯硫醚熔体的压致凝固行为
王志飞, 王路, 王菊, 刘秀茹
2020, 69 (9): 096101. doi: 10.7498/aps.69.20191820
摘要 +
采用施加压力的方法将聚苯硫醚熔体凝固, 凝固后获得的聚苯硫醚样品经过降温和卸压后在常温常压下回收. X射线衍射和差示扫描量热分析表明: 约20 ms时间的快速压缩过程可以抑制熔体结晶, 制备出非晶态聚苯硫醚块材, 样品的表面及中心都是非晶态. 非晶态聚苯硫醚的玻璃化转变温度和晶化温度分别为318和362 K. 常压下的退火实验表明, 非晶态聚苯硫醚在425 K等温结晶的产物为正交相晶型. 压致凝固法中熔体的凝固不是靠温度变化, 而是靠压力变化, 样品表面和内部处在一致的温度下同时受压凝固, 避免了热传导对非晶尺寸的影响, 因此非常有利于获得结构均匀的大尺寸非晶态材料.
辐射对称金字塔型剪纸的力学行为
肖思, 秦应霖, 王慧, 王鹏, 马海铭, 何军, 王迎威
2020, 69 (9): 096102. doi: 10.7498/aps.69.20200112
摘要 +
通过在弹性薄板上引入切口, 构建了多边形辐射对称金字塔型剪纸结构. 利用伽辽金法求解的悬臂梁形变公式和悬臂梁组合的方法, 创建了用于解释形变过程的“梁模型”, 得到n个模块的正N边形金字塔结构的弹性系数与结构参数的关系公式, 并求出弹性系数线性阈值的表达式, 解释了该结构产生平面外扭曲的原因. 利用推导的“梁模型”公式, 并通过有限元仿真和实验的方法, 系统研究了辐射对称金字塔型剪纸结构的力学响应特征, 验证模型的准确性, 并用于已有报道的石墨烯剪纸结构的力学特征分析. 这项工作系统解释了竖直拉伸的金字塔型剪纸结构的力学响应.
利用正电子湮没技术研究钾掺杂钨合金中的缺陷
张培源, 邓爱红, 田雪芬, 唐军
2020, 69 (9): 096103. doi: 10.7498/aps.69.20191792
摘要 +
钨合金中钾的掺杂会引入大量的缺陷, 如尺寸几十纳米的钾泡、高密度的位错以及微米量级的晶粒带来的晶界等, 这些缺陷的浓度和分布直接影响合金的服役性能. 本文运用正电子湮没谱学方法研究钾掺杂钨合金中的缺陷信息, 首先模拟计算了合金中各种缺陷的正电子湮没寿命, 发现钾的嵌入对空位团、位错、晶界等缺陷的寿命影响很小; 然后测量了不同钾含量掺杂钨合金样品的正电子湮没寿命谱, 建立三态捕获模型, 发现样品中有高的位错密度和低的空位团簇浓度, 验证了钾对位错的钉扎作用, 阐述了在钾泡形成初期是钾元素与空位团簇结合并逐渐长大的过程; 最后使用慢正电子多普勒展宽谱技术表征了样品中缺陷随深度的均匀分布和大量存在, 通过扩散长度的比较肯定了钾泡、晶界等缺陷的存在.
微腔效应对顶发射串联蓝光有机电致发光器件性能的影响
张娟, 焦志强, 闫华杰, 陈福栋, 黄清雨, 康亮亮, 刘晓云, 王路, 袁广才
2020, 69 (9): 096104. doi: 10.7498/aps.69.20191576
摘要 +
相比于传统有机电致发光器件, 串联有机电致发光器件的发光效率与寿命均得到明显提升. 因此, 深入研究微腔效应对顶发射串联有机电致发光器件性能的影响具有重要意义. 本文以蓝光器件为例, 通过光学仿真模拟与实际实验相结合的方法, 研究了顶发射串联蓝光器件的光学性能与电学性能变化规律. 具体实验为: 分别制备了顶发射串联蓝光器件, 使其两个发光层位置分别位于器件光学结构中的第一与第二反节点、第二与第三反节点、第三与第四反节点. 分析并确定了顶发射串联蓝光器件的两个发光层位置分别位于第二反节点与第三反节点处时, 器件性能较佳. 即: 当器件电流密度为15 mA/cm2时, 器件电流效率为10.68 cd/A (色坐标CIEx, y = 0.14, 0.05), 其亮度衰减到95%所需时间为1091.55 h. 可能原因是: 器件腔长较长时, 既可以改善第一发光单元的空穴与电子平衡度、削弱表面等离激元效应, 降低膜厚波动性对器件腔长的影响性; 又可以在一定程度内起到包裹Partical的作用, 提高效率, 延长寿命. 这一研究成果为设计高效率、长寿命的顶发射串联器件提供了重要依据.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
真空磁场热处理温度对不同厚度的Ni88Cu12薄膜畴结构及磁性的影响
刘文姝, 高润亮, 冯红梅, 刘悦悦, 黄怡, 王建波, 刘青芳
2020, 69 (9): 097401. doi: 10.7498/aps.69.20191942
摘要 +
利用射频磁控共溅射方法, 在Si衬底上制备了Ni88Cu12薄膜, 并且研究了膜厚以及真空磁场热处理温度对畴结构和磁性的影响. X射线衍射结果表明热处理后的薄膜晶粒长大, 扫描电子显微镜结果发现不同热处理温度下薄膜表现出不同的形貌特征. 热处理前后的薄膜面内归一化磁滞回线结果显示, 经过热处理的Ni88Cu12薄膜条纹畴形成的临界厚度降低, 未热处理的Ni88Cu12薄膜在膜厚为210 nm时出现条纹畴结构, 而经过 300 ℃热处理的Ni88Cu12薄膜在膜厚为105 nm就出现了条纹畴结构. 高频磁谱的结果表明, 随着热处理温度的增加, Ni88Cu12薄膜的共振峰会有小范围的移动.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
氢化多孔石墨烯反渗透特性及机理分析
张忠强, 于凡顺, 刘珍, 张福建, 程广贵
2020, 69 (9): 098201. doi: 10.7498/aps.69.20191761
摘要 +
单层石墨烯凭借超薄的厚度和优异的力学化学防污性能, 成为新一代纳滤膜材料的最佳选择之一. 本文采用经典分子动力学方法, 研究了氢化多孔石墨烯反渗透膜对盐水的反渗透特性. 结果表明, 水渗透量会随着驱动力、孔径和温度的增加而增加; 而孔径大于水合半径的条件下, 盐离子截留率会随驱动力和温度的增加而降低. 当反渗透膜和盐水存在切向运动时, 随着切向速度的增加可以有效提高盐离子截留率和减弱浓差极化现象, 但也在一定程度上牺牲了水通量. 通过分析水流沿渗透方向的能障分布、水分子的氢键分布和离子水合状态, 解释了各参数变化对盐水在氢化多孔石墨烯中反渗透特性的影响机理. 研究结果将提供基于单层多孔石墨烯反渗透特性的理论认识, 并将为纳米级反渗透膜的设计提供帮助.

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磁流变液构成的类梯度结构振动传递特性
赵丹, 王帅虎, 刘少刚, 崔进, 董立强
2020, 69 (9): 098301. doi: 10.7498/aps.69.20200326
摘要 +
提出了一种磁流变液构成的类梯度结构, 并通过理论建模、数值计算和实验研究了该结构的振动传递特性. 磁流变液在磁场作用下具有液固转换的特殊理化性质, 而液固转换过程就是磁流变液的振动传递阻抗变化过程. 因此, 基于磁流变液的这一特性, 通过控制磁场, 构建了类梯度结构. 基于弹性波传递的一维波动方程, 建立了垂直入射的弹性波在类梯度结构中传递的波动方程. 然后, 使用连续介质的离散化方法和传递矩阵法进行求解, 得到振级落差的表达式, 对其进行数值计算, 分析类梯度结构的振级落差随弹性波频率和磁场强度的变化趋势. 最后, 对类梯度结构的振动传递特性进行了实验研究, 分析了磁场强度对类梯度结构振动传递特性的影响. 研究结果表明, 与均匀场作用的磁流变液相比, 类梯度结构对弹性波的衰减效果更好, 且该结构具备良好的可调控特性.

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U型槽刻蚀工艺对GaN垂直沟槽型金属-氧化物-半导体场效应晶体管电学特性的影响
陈扶, 唐文昕, 于国浩, 张丽, 徐坤, 张宝顺
2020, 69 (9): 098501. doi: 10.7498/aps.69.20191850
摘要 +
U型槽的干法刻蚀工艺是GaN垂直沟槽型金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)器件关键的工艺步骤, 干法刻蚀后GaN的侧壁状况直接影响GaN MOS结构中的界面态特性和器件的沟道电子输运. 本文通过改变感应耦合等离子体干法刻蚀工艺中的射频功率和刻蚀掩模, 研究了GaN垂直沟槽型MOSFET电学特性的工艺依赖性. 研究结果表明, 适当降低射频功率, 在保证侧壁陡直的前提下可以改善沟道电子迁移率, 从35.7 cm2/(V·s)提高到48.1 cm2/(V·s), 并提高器件的工作电流. 沟道处的界面态密度可以通过亚阈值摆幅提取, 射频功率在50 W时界面态密度降低到1.90 × 1012 cm–2·eV–1, 比135 W条件下降低了一半. 采用SiO2硬刻蚀掩模代替光刻胶掩模可以提高沟槽底部的刻蚀均匀性. 较薄的SiO2掩模具有更小的侧壁面积, 高能离子的反射作用更弱, 过刻蚀现象明显改善, 制备出的GaN垂直沟槽型MOSFET沟道场效应迁移率更高, 界面态密度更低.
HfO2基铁电场效应晶体管读写电路的单粒子翻转效应模拟
黎华梅, 侯鹏飞, 王金斌, 宋宏甲, 钟向丽
2020, 69 (9): 098502. doi: 10.7498/aps.69.20200123
摘要 +
使用器件-电路仿真方法搭建了氧化铪基铁电场效应晶体管读写电路, 研究了单粒子入射铁电场效应晶体管存储单元和外围灵敏放大器敏感节点后读写数据的变化情况, 分析了读写数据波动的内在机制. 结果表明: 高能粒子入射该读写电路中的铁电存储单元漏极时, 处于“0”状态的存储单元产生的电子空穴对在器件内部堆积, 使得栅极的电场强度和铁电极化增大, 而处于“1”状态的存储单元由于源极的电荷注入作用使得输出的瞬态脉冲电压信号有较大波动; 高能粒子入射放大器灵敏节点时, 产生的收集电流使处于读“0”状态的放大器开启, 导致输出数据波动, 但是其波动时间仅为0.4 ns, 数据没有发生单粒子翻转能正常读出. 两束高能粒子时间间隔0.5 ns先后作用铁电存储单元漏极, 比单束高能粒子产生更大的输出数据信号波动, 读写“1”状态的最终输出电压差变小.
固体氧化物燃料电池模式阳极内传输与电化学反应耦合机理
徐晗, 张璐, 党政
2020, 69 (9): 098801. doi: 10.7498/aps.69.20191697
摘要 +
模式电极因其结构可控、电化学/化学反应活性位和物质传输路径明确等优势, 被广泛应用于固体氧化物燃料电池新型电极研究. 现有研究多采用模式电极研究新材料电化学特性、表界面催化反应机理等, 尚未涉及几何结构对其内部传输与电化学反应耦合机理的影响, 限制了模式电极的应用. 本文建立了固体氧化物燃料电池阳极内电荷传输与电化学反应过程的格子玻尔兹曼模拟方法, 明确了控制电极过程的关键无量纲参数及其对电极性能的影响规律, 研究了模式阳极几何结构的影响机理. 根据电极性能对无量纲参数的敏感程度, 绘制了指导模式阳极设计与运行的相图, 指出相图过渡区(电极性能随操作参数显著变化区域)为进行反应机理研究的最佳操作参数取值范围. 同时, 研究发现模式阳极电子导体内电子的快速迁移虽不限制阳极性能, 其几何结构显著影响过渡区范围;离子导体内离子迁移为影响阳极性能的限速步骤, 但其几何结构几乎不影响过渡区范围. 本文的数值方法与机理研究结果可为固体氧化物燃料电池模式电极的设计提供重要理论依据.
GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池不同能量质子辐照损伤模拟
李俊炜, 王祖军, 石成英, 薛院院, 宁浩, 徐瑞, 焦仟丽, 贾同轩
2020, 69 (9): 098802. doi: 10.7498/aps.69.20191878
摘要 +
以GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池为研究对象, 开展了能量为0.7, 1, 3, 5, 10 MeV的质子辐照损伤模拟研究, 建立了三结太阳电池结构模型和不同能量质子辐照模型, 获得了不同质子辐照条件下的I-V曲线, 光谱响应曲线, 结合已有实验结果验证了本文模拟结果, 分析了三结太阳电池短路电流、开路电压、最大功率、光谱响应随质子能量的变化规律, 利用不同辐照条件下三结太阳电池最大输出功率退化结果, 拟合得到了三结太阳电池最大输出功率随位移损伤剂量的退化曲线. 研究结果表明, 质子辐照会在三结太阳电池中引入位移损伤缺陷, 使得少数载流子扩散长度退化幅度随质子能量的减小而增大, 从而导致三结太阳电池相关电学参数的退化随质子能量的减小而增大. 相同辐照条件下, 中电池光谱响应退化幅度远大于顶电池光谱响应退化幅度, 中电池抗辐照性能较差, 同时中电池长波范围内光谱响应的退化幅度比短波范围更大, 表明中电池相关电学参数的退化主要来源于基区损伤.
气体、等离子体和放电物理
温稠密铝等离子体物态方程及其电离平衡研究
王天浩, 王坤, 张阅, 姜林村
2020, 69 (9): 099101. doi: 10.7498/aps.69.20191826
摘要 +
温稠密物质的物性参数在惯性约束聚变能源、Z箍缩等高能量密度物理领域的实验结果分析和物理过程数值模拟等方面有着重要的应用价值. 本文应用部分电离等离子体模型, 在理想自由能的基础上考虑了库仑相互作用、排斥体积作用和极化作用等非理想特性, 开展了温稠密等离子体物态方程和电离平衡的研究. 计算了温稠密铝等离子体的压强等物态方程数据和在密度为1.0 × 10–4—3.0 g/cm3, 温度为1.0 × 104—3.0 × 104 K范围内的粒子组分. 计算结果显示, 铝等离子体的平均电离度在临界密度区域内随着密度的增加而突然增大. 根据非理想Saha方程中有效电离能这一关键参数, 分析了铝等离子体平均电离度在临界密度区域内随密度迅速增大的现象.