物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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基于超表面的Tamm等离激元与激子的强耦合作用
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旋磁铁氧体在实现低频电磁波吸收中的作用
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物理学报  
   物理学报--2020, 69 (1)   发布日期: 2020-01-05
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编者按:
      非线性波是非线性物理中常见的现象.研究非线性波有助于弄清物理系统在非线性作用下的运动变化规律,合理解释相关的自然现象.由于非线性波不满足物理学中常用的线性叠加原理,同时非线性波的控制方程往往是非线性偏微分方程,这导致对它的研究一直是数学和物理中重要而困难的课题.近十年来,由于观测技术的进步,玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)系统中孤立子和光纤系统中怪波的实验研究取得了重要进展,极大地推动了不同物理系统中非线性波及其相关问题的研究.本专题邀请国内活跃在非线性物理研究第一线的专家撰文15篇(含综述和研究论文),内容包括从物理角度研究BEC系统的拓扑性质和孤立子、铁磁纳米线的磁怪波和弹性管中怪波、光学系统中的怪波和孤立子及其发生机制,以及从数学角度(可积系统)研究非局域系统的孤立子、离散物理系统的多维相容和非线性波、Boussinesq系统Lax对等性质等.
      希望本专题能够尽可能反映基于可积系统的非线性波研究现状,为青年学者选择科研方向、确定研究课题以及从事相关领域研究的人员提供一点帮助,促进我国在非线性波的物理应用和数学理论的发展.

  (客座编辑:中国科学院物理研究所 刘伍明;深圳大学高等研究院 贺劲松;北京信息科技大学 王灯山)

专题:非线性物理

离散可积系统: 多维相容性
Discrete integrable systems: Multidimensional consistency

张大军
物理学报. 2020, 69 (1): 010202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191647
全文: [PDF 1271 KB] 下载:(169)
摘要
对比已有完善而系统理论的微分方程领域,差分方程理论尚处于发展之中.近年来离散可积理论的进展,带来了差分方程理论的革命.多维相容性是伴随离散可积系统研究出现的新的概念,作为对离散可积性的一种理解,提供了构造离散可积系统的Bäcklund变换、Lax对和精确解的工具.本文旨在综述多维相容性的概念及其在离散可积系统研究中的应用.

Boussinesq方程的Lax对、Bäcklund变换、对称群变换和Riccati展开相容性
The Boussinesq equation: Lax pair, Bäcklund transformation, symmetry group transformation and consistent Riccati expansion solvability

刘萍, 徐恒睿, 杨建荣
物理学报. 2020, 69 (1): 010203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191316
全文: [PDF 1040 KB] 下载:(60)
摘要
Boussinesq方程是流体力学等领域一个非常重要的方程.本文推导了Boussinesq方程的Lax对.借助于截断Painlevé展开,得到了Boussinesq方程的自Bäcklund变换,以及Boussinesq方程和Schwarzian形式的Boussinesq方程之间的Bäcklund变换.探讨了Boussinesq方程的非局域对称,研究了Boussinesq方程的单参数群变换和单参数子群不变解.运用Riccati展开法研究了Boussinesq方程,证明Boussinesq方程具有Riccati展开相容性,得到了Boussinesq方程的孤立波-椭圆余弦波解.

一个可积的逆空时非局部Sasa-Satsuma方程
An integrable reverse space-time nonlocal Sasa-Satsuma equation

宋彩芹, 朱佐农
物理学报. 2020, 69 (1): 010204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191887
全文: [PDF 807 KB] 下载:(56)
摘要
本文给出了一个可积的逆空时(逆空间-逆时间)非局部Sasa-Satsuma方程.建立了这个方程的Darboux变换,并且构造了这个逆空时非局部方程在零背景条件下的孤子解.

高阶Ablowitz-Ladik方程的局域波解及稳定性分析
Dynamics of localized wave solutions for a higher-order Ablowitz-Ladik equation

闻小永, 王昊天
物理学报. 2020, 69 (1): 010205      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191235
全文: [PDF 2578 KB] 下载:(49)
摘要
本文构造了一类高阶Ablowitz-Ladik方程的广义(M,N-M)-波Darboux变换,借助符号计算从不同背景出发研究了该模型丰富的局域波解,并利用数值模拟研究了这些解的动力学稳定性.

三体相互作用下准一维玻色-爱因斯坦凝聚体中的带隙孤子及其稳定性
Gap solitons and their stabilities in a quasi one-dimensional Bose-Einstein condensate under three-body interaction

唐娜, 杨雪滢, 宋琳, 张娟, 李晓霖, 周志坤, 石玉仁
物理学报. 2020, 69 (1): 010301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191278
全文: [PDF 3225 KB] 下载:(55)
摘要
具有三体相互作用的玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein Condensate,BEC)束缚于雅可比椭圆周期势中,在平均场近似下可用3—5次Gross-Pitaevskii方程(GPE)描述.首先利用多重尺度法对该系统进行了理论分析,将GPE化为一定态非线性薛定谔方程(Nonlinear Schrödinger Equation,NLSE),并给出了一类带隙孤子的解析表达式.然后采用牛顿共轭梯度法数值得到了该系统中存在的两类带隙孤子,发现孤子的振幅随着三体相互作用的增强而减小,这与多重尺度法分析所得结论一致.最后用时间劈裂傅里叶谱方法对GPE进行长时间动力学演化以考察孤子的稳定性,发现系统中既存在稳定的带隙孤子,也存在不稳定的带隙孤子,且外势的模数会对孤子的结构和稳定性产生明显影响.

玻色-爱因斯坦凝聚中的环状暗孤子动力学
Dynamics of ring dark solitons in Bose-Einstein condensates

郭慧, 王雅君, 王林雪, 张晓斐
物理学报. 2020, 69 (1): 010302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191424
全文: [PDF 1447 KB] 下载:(53)
摘要
环状暗孤子最早是在非线性光学系统中理论预言并实验实现的一种二维孤子类型.跟通常的二维孤子(如条纹孤子)相比,环状暗孤子具有更好的稳定性和更加丰富的动力学行为.玻色-爱因斯坦凝聚由于其高度可调控性为研究环状暗孤子提供了一个全新的平台.本文结合玻色-爱因斯坦凝聚和孤子研究的现状,综述玻色-爱因斯坦凝聚中环状暗孤子的解析解、稳定性调控及其衰变动力学等方面的研究进展.首先介绍了一套变换方法将均匀系统中非线性系数不随时间变化的环状暗孤子解析解推广到谐振子外势下非线性系数随时间变化的环状暗孤子解析解;然后讨论在形变扰动下环状暗孤子的稳定性相图,并介绍了如何利用周期调制的非线性来增强环状暗孤子的稳定性;此外,还重点讨论了环状暗孤子衰变导致的涡旋极子动力学以及斑图形成.

旋量玻色-爱因斯坦凝聚体拓扑性质的研究进展
The research progress of topological properties in spinor Bose-Einstein condensates

王力, 刘静思, 李吉, 周晓林, 陈向荣, 刘超飞, 刘伍明
物理学报. 2020, 69 (1): 010303      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191648
全文: [PDF 3070 KB] 下载:(68)
摘要
实现玻色-爱因斯坦凝聚的原子大多具备内部自旋自由度,在光势阱下原子内部自旋被解冻,从而使原子可以凝聚到各个超精细量子态上,形成旋量玻色-爱因斯坦凝聚体.灵活的自旋自由度成为体系相关的动力学变量,可以使体系出现新奇的拓扑量子态,如自旋畴壁、涡旋、磁单极子、斯格明子等.本文综述了旋量玻色-爱因斯坦凝聚的实验和理论研究,旋量玻色-爱因斯坦凝聚体中拓扑缺陷的种类,以及两分量、三分量玻色-爱因斯坦凝聚体中拓扑缺陷的研究进展.

基本非线性波与调制不稳定性的精确对应
Quantitative relations between fundamental nonlinear waves and modulation instability

段亮, 刘冲, 赵立臣, 杨战营
物理学报. 2020, 69 (1): 010501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191385
全文: [PDF 2958 KB] 下载:(34)
摘要
非线性波作为非线性动力学研究中的重要课题之一,普遍存在于各种复杂物理系统中.理解非线性波的产生机制、确定它们的激发条件对于非线性波的实验实现、动力学特征的探测和应用是至关重要的.本文简要综述了近年来非线性波的实验和理论研究进展,回顾了非线性波的产生机制.基于非线性可积模型中的严格解和线性稳定分析结果,系统讨论了如何建立基本非线性波与调制不稳定性的精确对应关系.详细介绍了近来发现的扰动能量和相对相位在确定非线性波激发条件中的重要作用,并提议了一组能够确定非线性波激发条件的完备参数.基于完备的激发参数,给出了多种基本非线性波的激发条件和相图.这些结果有望用于实现多种局域波的可控激发,并可以推广到更多非线性系统中的激发相图研究.

四阶色散非线性薛定谔方程的明暗孤立波和怪波的形成机制
Study on the generation mechanism of bright and dark solitary waves and rogue wave for a fourth-order dispersive nonlinear Schrödinger equation

李敏, 王博婷, 许韬, 水涓涓
物理学报. 2020, 69 (1): 010502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191384
全文: [PDF 1209 KB] 下载:(57)
摘要
本文研究了四阶色散非线性薛定谔方程的明暗孤立波和怪波的形成机制,该模型既可以模拟高速光纤传输系统中超短脉冲的非线性传输和相互作用,又可以描述具有八极与偶极相互作用的一维海森堡铁磁链的非线性自旋激发现象.本文首先通过对四阶色散非线性薛定谔方程的相平面分析,发现由其约化得到的二维平面自治系统具有同宿轨道和异宿轨道,并在相应条件下求得了方程的明孤立波解和暗孤立波解,从而揭示了同异宿轨道和孤立波解的对应关系;其次,基于非零背景平面上的精确一阶呼吸子解,给出了呼吸子的群速度和相速度的显式表达式,进而分析得出呼吸子的速度存在跳跃现象.最后,为了验证在跳跃点处呼吸子可以转化为怪波,将呼吸子解在速度跳跃条件下取极限获得了一阶怪波解,从而证实怪波的产生与呼吸子速度的不连续性有关.

可积系统多孤子解的全反演对称表达式
Full reversal symmetric multiple soliton solutions for integrable systems

楼森岳
物理学报. 2020, 69 (1): 010503      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191172
全文: [PDF 946 KB] 下载:(47)
摘要
多孤子解是非线性数学物理系统的基本激发模式.文献中存在各种类型的表达式,如广田(Hirota)形式,朗斯基(Wronskian)或双朗斯基形式和法夫(Phaffian)形式.最近在多地系统的研究中,我们发现使用一种全新但等价的形式具有极为简洁和方便的优点.本文主要综述多种类型可积非线性系统的多孤子解的新型表达式,同时对SK方程、非对称NNV系统、修正KdV型、sG型、AKNS模型和全离散H1系统也给出一些文献中还没出现过的新的更为简便的表达式.新的孤子表达式通常具有显然的时空全反演(包括时间反演、空间反演、孤子初始位置反演及电荷共轭反演(正反粒子反演))对称性.这种具有显式全反演对称性的表达式在研究多地非局域系统和局域和非局域可积系统的各种共振结构时具有很大的优越性.

可积谐振系统中的极端波事件研究进展
Recent developments of extreme wave events in integrable resonant systems

潘昌昌, Baronio Fabio, 陈世华
物理学报. 2020, 69 (1): 010504      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191240
全文: [PDF 1429 KB] 下载:(41)
摘要
从微观角度上讲,单个极端异常波事件可视为可积模型方程的时空局域有理函数解.本文主要讨论了三类典型的可积谐振相互作用模型(即长波短波谐振方程,三波谐振相互作用方程,非线性薛定谔和麦克斯韦-布洛赫方程)的基阶Peregrine异常波解及其相关研究进展;明确指出了这些基阶异常波解形式具有普适性,可推广应用到多分量或更高阶的可积模型中;借助数值模拟,还展示了共存异常波、互补异常波、以及自感应透明Peregrine孤子等新颖动力学.

非线性光学中的暗孤子分子
Dark soliton molecules in nonlinear optics

徐丹红, 楼森岳
物理学报. 2020, 69 (1): 014208      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191347
全文: [PDF 2052 KB] 下载:(49)
摘要
孤子分子是当前非线性光学中的重要课题.本文首先研究具有高阶色散和高阶非线性效应非线性光学模型中各种周期波(孤子晶格)的严格解,及各种可能的单孤子解.然后在一个可积的情况下,利用推广的双线性形式,给出多孤子解,并从多孤子解的速度共振条件给出暗孤子分子的严格解析表达式.对于本文给出模型的多暗孤子分子之间,以及孤子分子和通常孤子之间的相互作用都是弹性的.值得指出的是,在不可积的情况下孤子分子也是可以存在的.

弹性管中的怪波
Rouge waves in fluid-filled elastic tube

陈智敏, 段文山
物理学报. 2020, 69 (1): 014701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191308
全文: [PDF 936 KB] 下载:(71)
摘要
利用约化摄动法,推导了流体在弹性管中的非线性薛定谔方程(NLSE).由非线性薛定谔方程的解来近似地描述出真实的怪波,继而研究怪波解中各个参数对怪波系统振幅、波速的影响.最后将这一模型应用到人体血管中,研究怪波在人体动脉血管中传播对人体健康的影响.

铁磁纳米线中磁化强度的磁怪波
Rogue wave solution in ferromagnetic nanowires

李再东, 郭奇奇
物理学报. 2020, 69 (1): 017501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191352
全文: [PDF 1225 KB] 下载:(34)
摘要
本文介绍了铁磁纳米线中磁化强度的一些新激发态,包括各向同性铁磁的Akhmediev呼吸子、Kuznetsov-Ma孤子和怪波、自旋极化电流驱动下各向异性铁磁纳米线中的怪波动力学.在各向同性情况下,展示了形如四片花瓣的磁孤子的空间周期过程和自旋波背景的局域化过程;在极限情况下,得到了磁怪波解并阐明了其形成机制.在各向异性情况下,发现怪波的产生主要源于中心的能量积累和快速弥散;此外,怪波还具有不稳定性,它和自旋波背景间的能量与磁振子的交换可以通过自旋极化电流来调控.
青年科学评述

自旋轨道耦合量子气体中的一些新进展
Some recent progresses on the study of ultracold quantum gases with spin-orbit coupling

施婷婷, 汪六九, 王璟琨, 张威
物理学报. 2020, 69 (1): 016701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191241
全文: [PDF 2973 KB] 下载:(49)
摘要
随着人造规范势和自旋轨道耦合在冷原子体系中的实现,对这类效应的研究成为了冷原子物理研究的热门方向之一.冷原子系统具有丰富的可操控性,因此不仅可以作为优秀的量子模拟平台来研究其他领域中有意义的模型和问题,还基于体系自身的特点衍生出了一系列新颖的问题和方向.本文将以综述的形式介绍具有自旋轨道耦合的超冷原子系统中的一些新研究进展,重点关注该体系中特有的物理要素,如耗散、新颖的相互作用形式、大自旋和长程相互作用对系统性质的影响.这些研究进展可以为理解自旋轨道耦合效应提供新的启示和思路.
综述

二维材料/铁电异质结构的研究进展
Research progress and device applications of multifunctional materials based on two-dimensional film/ferroelectrics heterostructures

王慧, 徐萌, 郑仁奎
物理学报. 2020, 69 (1): 017301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191486
全文: [PDF 2820 KB] 下载:(96)
摘要
二维材料是一类具有原子层厚度的层状材料,拥有独特的电学、磁学、光学和力学性能.以石墨烯和过渡金属硫族化合物为代表的二维材料展现出迁移率高、能带可调、可见光透过率高等特点,是近年来微纳科学领域的前沿热点.将二维材料与各种功能材料,如SiO2绝缘体、半导体、金属、有机化合物等结合,可以深化和拓宽二维材料的基础研究和应用.其中,铁电材料因具有自发极化、高介电常数、高压电系数等优点吸引了众多研究者的目光.二维/铁电复合材料很好地兼顾了二者的优点,不仅包含了磁电耦合效应、铁电场效应、晶格应变效应、隧穿效应、光电效应、光致发光效应等丰富的物理现象,而且在多态存储器、隧穿晶体管、光电二极管、太阳能电池、超级电容器、热释电红外探测器等器件中有广阔的应用前景,引起了学术界的广泛关注.本文选取典型的二维/铁电复合材料,重点介绍了这类材料界面处的物理机制、材料的性能以及应用前景,并对二维/铁电复合材料的研究进行了展望.
总论

基于超表面的Tamm等离激元与激子的强耦合作用 Hot!
Strong coupling between metasurface based Tamm plasmon microcavity and exciton

吴晗, 吴竞宇, 陈卓
物理学报. 2020, 69 (1): 010201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191225
全文: [PDF 1207 KB] 下载:(44)
摘要
本文研究了由超表面-介质间隔层-分布式布拉格反射器(distributed Bragg reflector,DBR)构成的等离激元微腔结构中的Tamm等离激元及其与激子间的相互作用.利用超表面中的结构参数变化能够调控光在其表面的反射位相这一特性,可以在微腔结构的介质间隔层厚度保持不变时,通过调节超表面的结构参数来调控微腔结构所支持的Tamm等离激元模式的共振位置,从而为Tamm等离激元模式的调控提供更多自由度.相比于传统金属薄膜-介质间隔层-DBR结构,我们发现超表面的引入及其对反射位相的调控可以使超表面-介质间隔层-DBR结构在更小的间隔层厚度下支持共振在相同波长处的Tamm等离激元模式.此外,结合超表面对场的局域特性,可以有效地降低Tamm等离激元模式体积.在此基础上,对比研究了传统的和基于超表面的Tamm等离激元与单层二硫化钨(WS2)的相互作用,发现基于超表面的Tamm等离激元可以产生更强的光子与激子的强耦合作用,获得更大的拉比(Rabi)劈裂.
原子和分子物理学

基于密度泛函理论的外电场下C5F10O的结构及其激发特性
Structure and excitation characteristics of C5F10O under external electric field based on density functional theory

李亚莎, 孙林翔, 周筱, 陈凯, 汪辉耀
物理学报. 2020, 69 (1): 013101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191455
全文: [PDF 1191 KB] 下载:(27)
摘要
采用密度泛函(DFT) B3LYP/6-311g (d)对C5F10O分子进行几何结构优化,研究外加电场(0-0.03 a.u.,1 a.u.=5.142×1011 V/m)对分子的几何结构、能量、前线轨道能级、红外光谱的影响.在相同基组下,采用TD-DFT方法计算和分析C5F10O的轨道成分和激发特性.研究表明:随着电场增加,5C—15F与4C=16O键能逐渐减小,键长增大;13F原子的电荷布居数变化最快,更容易在外电场力的作用下失去电子;分子体系势能不断增加,稳定性逐渐减低;能隙EG值不断减小,分子更容易激发到激发态参与到化学反应中.红外光谱中,4个吸收峰发生蓝移,4个吸收峰发生了红移.使用空穴-电子分析法,指认了C5F10O分子前8个单重激发态的激发特征.第一激发态的激发能微小增长,波长减小,出现蓝移;其余激发态的激发能均降低,波长均变长,发生红移,导致C5F10O分子中的电子变得越来越容易激发,体系的稳定程度减小.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

基于Pancharatnam-Berry相位超表面的二维光学边缘检测
Two-dimensional optical edge detection based on Pancharatnam-Berry phase metasurface

谢智强, 贺炎亮, 王佩佩, 苏明样, 陈学钰, 杨博, 刘俊敏, 周新星, 李瑛, 陈书青, 范滇元
物理学报. 2020, 69 (1): 014101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191181
全文: [PDF 1290 KB] 下载:(39)
摘要
提出并设计一种基于Pancharatnam-Berry (P-B)相位超表面的二维光学微分器,并实现对光学图像的二维光学边缘检测.在环形光栅相位的作用下,该P-B相位超表面可将光束的左右旋分量在径向进行分离,在滤除中间重叠部分的线偏振光后,保留下来的光学信息即为二维光学微分结果.同时,通过调节该二维光学微分器的光轴分布函数可对边缘信息分辨率进行灵活调控.研究结果表明,上述P-B相位超表面可用于光学图像的二维边缘信息提取,相比于一维光栅式超表面,该方法得到的边缘信息更加完整、清晰.可以预期,这种二维光学微分器在超快光学计算与光学图像处理等方面具有重要的潜在应用价值.

彗差和球差对涡旋光束斜程传输特性的影响
Influence of coma and spherical aberration on transmission characteristics of vortex beams in slant atmospheric turbulence

雍康乐, 闫家伟, 唐善发, 张蓉竹
物理学报. 2020, 69 (1): 014201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191254
全文: [PDF 1395 KB] 下载:(35)
摘要
利用涡旋光束作为空间光通信载波可以大大提高数据传输的容量,因此,研究涡旋光束在大气湍流中的传输具有重要意义.涡旋光束在大气湍流中传输时会产生光束漂移,进而影响通信系统的性能.本文基于多相位屏和傅里叶变换的方法,研究了带有彗差和球差的涡旋光束在大气湍流中传输时的光束漂移特性.结果表明,涡旋光束在大气湍流中传输时,随着传输距离的增大,彗差和球差对光束漂移特性的影响均明显增强.传输天顶角及彗差系数越大,涡旋光束的光束漂移量越大,而球差系数的增大,将会降低光束漂移量.当天顶角和传输距离相同时,涡旋光束的漂移量都会随着拓扑荷数的增大而减小.相对而言,彗差对涡旋光束的光束漂移特性影响比球差更大.

多普勒差分干涉仪干涉图信噪比对相位不确定度研究
A propagation of interferogram signal-to-noise (SNR) and phase uncertainty in Doppler asymmetric spatial heterodyne spectrometer

孙晨, 冯玉涛, 傅頔, 张亚飞, 李娟, 刘学斌
物理学报. 2020, 69 (1): 014202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191179
全文: [PDF 1082 KB] 下载:(15)
摘要
多普勒差分干涉仪通过测量干涉图相位变化反演大气风速.干涉图信噪比是工程应用中影响测风干涉仪相位反演精度的核心指标之一,基于观测数据分析多普勒差分干涉仪中相位不确定度与干涉图信噪比之间的定量关系建立解析模型,对仪器设计、性能评价及风场数据应用具有重要意义.本文基于傅里叶变换光谱学噪声传递理论和多普勒差分干涉仪相位反演模型,建立干涉图信噪比与相位不确定度传递的理论模型.利用多组不同信噪比仿真及实验实测数据,将相位反演模型计算的统计结果与本文提出的理论模型分析结果进行比较验证,结果表明,多组实验数据平均残差小于0.07 mrad,两者的一致性较好,建立的模型为多普勒差分干涉仪效能评估、干涉仪设计优化提供理论依据.

具有内参考热补偿功能的三层膜结构微球腔折射率传感器
Triple-layer-coated microspheres for refractive index sensor with internally referenced self-compensated thermal effect

孟令俊, 王梦宇, 沈远, 杨煜, 徐文斌, 张磊, 王克逸
物理学报. 2020, 69 (1): 014203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191265
全文: [PDF 1198 KB] 下载:(18)
摘要
光学微腔在高灵敏度传感中有着重要的应用前景,而在传感中热漂移是制约其走向实用的重要因素.本文提出了一种镀有三层膜结构的微球腔,可以在实现高灵敏度折射率传感的同时,具备内参考热补偿功能.该结构由内到外分别涂覆折射率为高、低、高的薄膜,内外两高折射率层可以分别支持各自的回音壁模式,称之为内层模式和外层模式.研究了波导耦合的内外模式在折射率传感和温度传感应用的表现.结果表明,中间膜层厚度tB为550 nm时,内外模式的折射率灵敏度分别为0.0168和102.56 nm/RIU,温度灵敏度分别为-19.57和-28.98 pm/K.通过监测内外模式谐振波长的差值进行传感,对中间膜层厚度进行优化,tB=400 nm时,折射率灵敏度为75.219 nm/RIU,探测极限可以达到2.2×10-4 RIU,热漂移被减小到3.17 pm/K,极大地减小了热漂移对系统的影响.本研究可为微球腔折射率传感器的设计和改进提供指导.

光纤激光器中包层功率剥离器散热性能的优化
Optimization of thermal performance of cladding power stripper in fiber laser

夏情感, 肖文波, 李军华, 金鑫, 叶国敏, 吴华明, 马国红
物理学报. 2020, 69 (1): 014204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191093
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摘要
光纤激光器系统中的包层功率剥离器在去除残余抽运光和高阶激光时,由于光热转换会产生大量的热能,所以将热能高效的耗散成为当前的研究热点.本文对国内外现有的五种剥离器进行了仿真研究与对比,发现用高折胶法制作剥离器时,改变填胶孔的形状,可以有效地增大热源与传热介质间的表面积-体积比,从而降低剥离器工作时的温度峰谷值;还发现将高折胶法和酸腐蚀法结合制备粗细不均匀的两段式光纤包层结构,可以提升剥离器的热分布均匀性.根据上述发现,提出了一种新颖的剥离器结构并进行了热效应研究.结果表明:包层功率为150 W时,该剥离器的温度峰值为298 K,温度谷值为293 K,温差为5 K;相比于上述五种剥离器,其温度峰值最多降低了11.3%,温度谷值最多降低了8.4%,温差最多降低了87.5%,证明了该剥离器能有效抑制温升及具有热分布均匀性.

谐振腔内的高质量圆对称艾里光束的产生方法
Generation of high-quality circular Airy beams in laser resonator

朱一帆, 耿滔
物理学报. 2020, 69 (1): 014205      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191088
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摘要
本文提出一种在谐振腔内产生高质量圆对称艾里光束的方法,通过使用针对特定参数光束设计的衍射光学元件替代反射腔镜,可在腔内获得所需的特定参数光束.研究结果表明,该方法产生的圆对称艾里光束的参数可控;模式能量损耗低,接近高斯基模光束;光束质量高,明显优于目前常用的傅里叶空间纯相位全息编码法.接着,讨论了组装系统时产生的腔长误差和同轴度误差,以及加工衍射元件时产生的刻蚀误差对产生光束的影响.结果表明,现有的机械调节技术和微纳加工技术,完全能满足系统误差的精度要求,显示该方法对误差有较好的容差性.

准Λ型四能级系统选择反射光谱
Selective reflection spectrum in a quasi-lambda four-level atomic system

孟腾飞, 田剑锋, 周瑶瑶
物理学报. 2020, 69 (1): 014206      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191099
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摘要
运用密度矩阵理论研究了气固界面准Λ型四能级原子系统的非线性选择反射光谱.基于刘维尔方程给出了一阶近似条件下探测光场的解析式.在探测场为弱场时,分析了信号场拉比频率、失谐量和耦合场失谐量对反射光谱线型的影响.数值模拟表明:信号场参与产生的选择反射峰线宽可以利用信号场拉比频率进行调节,通过调节信号场频率失谐量可以实现选择反射峰到透明窗口的转化,选择反射峰和透明窗口的位置可以通过耦合场失谐量实现调谐.利用三种电子跃迁路径以及缀饰态理论对所得结果进行了解释.本文结果为研究气固界面原子的量子相干和动力学过程提供理论参考.

基于参量放大器的铯原子D2线明亮偏振压缩光源的产生
Generation of bright polarization squeezed light at cesium D2 line based on optical parameter amplifier

左冠华, 杨晨, 赵俊祥, 田壮壮, 朱诗尧, 张玉驰, 张天才
物理学报. 2020, 69 (1): 014207      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191009
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摘要
原子线共振波段量子光源的制备在精密测量以及研究非经典光与物质的相互作用方面具有重要意义.本文报道了在实验上首次利用低于阈值的环形光学参量放大器产生铯原子D2线的明亮偏振压缩光.实验上利用参量放大过程产生了波长852 nm附近三个斯托克斯参量Ŝ1Ŝ2Ŝ3的偏振压缩光源,在频率为2—10 MHz范围内,实测最大压缩达4.3 dB,考虑探测及传输等因素,参量放大器出射的压缩为5.2 dB (即标准量子噪声基准的30.2%).该原子线共振的量子光源在量子存储、光与原子相互作用和超越标准量子极限的精密测量等领域具有重要的应用价值.

基于深度卷积神经网络的大气湍流相位提取
Extracting atmospheric turbulence phase using deep convolutional neural network

徐启伟, 王佩佩, 曾镇佳, 黄泽斌, 周新星, 刘俊敏, 李瑛, 陈书青, 范滇元
物理学报. 2020, 69 (1): 014209      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20190982
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摘要
光束在自由空间中传播时容易受到大气湍流的影响,其对传输光束的影响相当于附加一个随机噪声相位,导致传输光束质量下降.本文提出了一种基于深度卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)的湍流相位信息提取方法,该方法采用受湍流影响的光强图为特征提取对象,经过对海量样本进行自主学习后,CNN的损失函数值收敛到0.02左右,其在测试集上的平均损失函数值低于0.03.训练好的CNN模型具有很好的泛化能力,可以直接根据输入的光强图准确提取出湍流相位.利用I5-8500 CPU,预测Cn2=1×10-14 m-2/3Cn2=5×10-14 m-2/3Cn2=1×10-13 m-2/3三种湍流强度的湍流相位所需要的平均时间低至5×10-3 s.此外,CNN的湍流相位提取能力可以通过提高计算能力或者优化模型结构来进一步提升.这些结果表明,基于CNN的湍流相位提取方法能够有效的提取湍流相位,在湍流补偿、大气湍流特性研究和图像重构等方面具有重要的应用价值.

Ti:MgAl2O4激光晶体的提拉法生长及性能表征
Growth and characterization of Ti:MgAl2O4 laser crystal by Czochralski method

孙贵花, 张庆礼, 罗建乔, 孙敦陆, 谷长江, 郑丽丽, 韩松, 李为民
物理学报. 2020, 69 (1): 014210      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191150
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摘要
通过构建合适的温度梯度,优化转速、生长速度等工艺条件,采用提拉法晶体生长技术,首次成功地生长出了Ti离子掺杂的Ti:MgAl2O4晶体,晶体尺寸为Ø30 mm×70 mm,X射线摇摆曲线表明该晶体的结晶质量良好.对晶体的拉曼振动峰进行了指认.测量了Ti:MgAl2O4晶体退火前后的透过和荧光发射光谱,结合电子自旋共振(ESR)谱图分析了晶体中Ti离子的价态.室温下Ti:MgAl2O4晶体在480 nm附近有个宽带发射峰,其荧光寿命为14 μs,是Ti:Al2O3、Ti:BeAl2O4晶体的4—5倍,长的荧光寿命有利于储能;发射截面为2×10-20 cm2,较大的发射截面利于实现激光输出.因此,Ti:MgAl2O4晶体是潜在的能够实现宽带可调谐蓝光激光输出的晶体材料.

基于亚波长金属超构光栅的中红外大角度高效率回射器
Mid-infrared large-angle high-efficiency retroreflector based on subwavelenght metallic metagrating

王美欧, 肖倩, 金霞, 曹燕燕, 徐亚东
物理学报. 2020, 69 (1): 014211      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191144
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摘要
近年来,电磁超构光栅为操控波的传播提供了新的思路和材料基础.本文设计并研究了一种结构简单且易实现的反射型金属超构光栅,其一个大周期内只包含两个结构单元,通过简单的结构设计即可实现双通道中红外光的回射功能.数值和仿真模拟计算表明:对于某个特定设计的回射角度,该金属超构光栅具有极高的回射效率(> 98%);进一步研究表明,改变超构光栅的周期长度就能实现不同角度的回射功能,并且在大角度下依然保持较高的回射效率.因此该金属超构光栅具有高效率大角度双通道回射特性.

隔板对流系统的热流特性及热量输入与传递特性
Characteristics of heat flow as well as process of heat conduction and transport in partitioned thermal convection

林泽鹏, 徐圣卓, 包芸
物理学报. 2020, 69 (1): 014401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191193
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摘要
采用DNS方法对隔板对流装置进行模拟计算,研究系统中热流特性以及热量输入与传递特性.讨论了热流的纵向和横向输运特性,在此基础上对传热通道和狭缝区域的热通量以及对应底板外界输入热通量进行了定量化分析.研究结果表明,通道中低温流体向下冲击底板而后转入水平运动,流入狭缝区域并不断被加热,只进行水平的热量输运.流出狭缝后的高温流体在传热通道中汇聚形成向上喷流,进行热量传递.水平热量输运的区域对应的底板外界输入的热通量很大,占总输入热通量的92%,狭缝区域底板外界输入热通量占总量的64%,纵向热量传递区域对应底板外界输入热通量很小.不同几何参数隔板对流系统都具有增强传热效果,狭缝高度较小时对应的增强效果较强.隔板数n=11及狭缝高度d=0.01时系统传热Nu数值最大,是无隔板时的3倍以上.
凝聚物质:结构、力学和热学性质

He离子辐照对石墨烯微观结构及电学性能的影响
Effect of He ion irradiation on microstructure and electrical properties of graphene

张娜, 刘波, 林黎蔚
物理学报. 2020, 69 (1): 016101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191344
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摘要
本文采用5.4 keV不同剂量的He离子辐照单层石墨烯,利用X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)和半导体参数分析仪表征辐照前后石墨烯微观结构和电学性能变化.研究结果表明:随着辐照剂量增大,单层石墨烯的缺陷密度逐渐增加,当辐照剂量增至1.6×1013 He+/cm2,石墨烯开始由纳米晶结构向无定形碳结构转变,不断增多的缺陷致使石墨烯电导率持续降低,其电子输运机制也由玻尔兹曼扩散输运转变为跃迁输运;狄拉克电压(Vdirac)向正电压方向的偏移量随辐照剂量增大而增大,其主因是辐照缺陷和吸附杂质导致石墨烯P型掺杂效应增强.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

旋磁铁氧体在实现低频电磁波吸收中的作用 Hot!
Achieving low frequency electromagnetic wave absorption by gyromagnetic ferrite

叶康平, 裴文瑾, 郗翔, 蒲殷, 伍瑞新
物理学报. 2020, 69 (1): 017801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191229
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摘要
本文研究了旋磁铁氧体材料在不同条件下(磁化状态,大块材料和离散的阵列形式)对低频电磁波的吸收性能以及铁氧体基元间的耦合作用对吸收带宽的影响.研究结果表明,通过旋磁铁氧体在吸波材料中的结构设计可以实现对低频电磁波的高效吸收.文中4 mm大块薄层旋磁铁氧体反射率的-10 dB频点能低至0.48 GHz,并可以通过调整偏置磁场的大小或者离散铁氧体基元的大小灵活地改变共振频率.引入不同尺寸的基元形成的多谐振峰及其相互的耦合可以有效拓展-10 dB带宽,并且这种展宽作用在不同的磁化状态下都是有效的.当采用横向偏置场700 Oe时,两基元吸波材料-10 dB带宽可达单个基元各自作用带宽之和的105.7%.
物理学交叉学科及有关科学技术领域

溶液法制备的金属掺杂氧化镍空穴注入层在钙钛矿发光二极管上的应用 Hot!
Perovskite light-emitting diodes based on solution-processed metal-doped nickel oxide hole injection layer

吴家龙, 窦永江, 张建凤, 王浩然, 杨绪勇
物理学报. 2020, 69 (1): 018101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191269
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摘要
甲脒基钙钛矿(FAPbX3)纳米晶(NCs)具有成本低、色纯度高、吸收范围广、带隙可调等特点,在照明显示与光伏领域中表现出良好的应用前景.然而传统钙钛矿发光二极管(LEDs)的空穴注入层材料-PEDOT:PSS,由于其固有的吸湿性和酸性,严重影响着器件的稳定性,而器件的稳定性始终是阻碍钙钛矿发光器件成为实际应用的关键因素之一.本文首次使用溶液法制备的氧化镍(NiO)薄膜作为溴基甲脒钙钛矿(FAPbBr3) NCs LEDs的空穴注入层,降低空穴注入层对钙钛矿发光层的影响,获得了高效且稳定的钙钛矿发光器件,器件寿命是基于PEDOT:PSS的器件的2.3倍.通过适当浓度的金属掺杂(Cs:NiO/Li:NiO)可以有效改善器件的电荷平衡,从而进一步提高FAPbBr3 NCs LEDs的性能.基于掺杂2 mol% Cs的NiO的器件表现出最优异的光电性质,其最大亮度,最大电流效率,峰值EQE分别为2970 cd·m-2,43.0 cd·A-1和11.0%;相比于传统的PEDOT:PSS基的器件,效率提高了近2倍.

基于重离子试验数据预测纳米加固静态随机存储器质子单粒子效应敏感性
Prediction of proton single event upset sensitivity based on heavy ion test data in nanometer hardened static random access memory

罗尹虹, 张凤祁, 郭红霞, Wojtek Hajdas
物理学报. 2020, 69 (1): 018501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20190878
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摘要
为实现对纳米DICE (dual interlocked cell)加固器件抗质子单粒子能力的准确评估,通过对65 nm双DICE加固静态随机存储器(static random access memory,SRAM)重离子单粒子翻转试验数据的分析,获取了其在重离子垂直和倾角入射时的单粒子翻转(single event upset,SEU)阈值以及离子入射最劣方位角,并结合蒙卡仿真获取不同能量质子与器件多层金属布线层发生核反应产生的次级粒子LET (linear energy transfer)值最大值以及角度分布特性,对器件在不同能量下的质子单粒子效应敏感性进行了预测,质子单粒子效应实验结果验证了预测方法的有效性以及预测结果的准确性,并提出针对DICE加固类器件在重离子和质子单粒子效应试验评估中均应开展离子最劣方位角下的倾角入射试验.

预加温处理对双极晶体管过剩基极电流理想因子的影响机制
Effects of pre-irradiated thermal treatment on ideal factor of excess base current in bipolar transistors

董磊, 杨剑群, 甄兆丰, 李兴冀
物理学报. 2020, 69 (1): 018502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191151
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摘要
基于60Co γ射线辐照源,针对有/无Kovar合金金属帽的横向PNP晶体管(LPNP),探究预加温处理对双极晶体管电离辐射损伤的影响.通过半导体参数测试仪对辐照前后LPNP晶体管电性能参数进行测试.利用深能级瞬态谱分析仪(DLTS),对辐照前后LPNP晶体管电离缺陷进行表征.研究结果表明,未开帽处理的晶体管过剩基极电流(ΔIB)增加更明显,理想因子n随发射结电压(VEB)的增加逐渐降低,转换电压(Vtr)明显向低发射结电压方向移动.分析认为这是由于基区表面辐射诱导界面态复合率发生变化,界面态数量增多导致n值的变化.DLTS谱证实界面态是导致LPNP晶体管电性能退化的主要原因,未开帽处理的LPNP晶体管中辐照诱导的界面态数量明显增多,这是由于采用Kovar合金制备的金属帽中含有大量的氢,氢的存在会促进界面态的形成.而对于开帽处理的LPNP晶体管,在预处理过程中除去金属帽后器件内氢气逸出,腔内氢气含量降低,因此导致晶体管内部产生的界面态数量减少,使LPNP晶体管电性能退化程度降低.
地球物理学、天文学和天体物理学

光子对撞机产生正负电子对的数值方法
Numerical method of electron-positron pairs generation in photon-photon collider

李昂, 余金清, 陈玉清, 颜学庆
物理学报. 2020, 69 (1): 019501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20190729
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摘要
光子对撞产生正负电子对的Breit-Wheeler过程,是由能量直接产生物质的过程,在物质的起源与光子物理理论的研究中有着极为重要的作用.随着激光与物质作用产生γ光源品质的提升,使得在实验室首次观测双光子对撞的Breit-Wheeler过程成为可能.针对光子对撞机的数值模拟方法,本文提出了一种基于严格的双光子对撞动力学过程的计算电子产额与动力学参数的数值方法.在对Breit-Wheeler过程的模拟中,根据光子的运动规律将光子划分为定量的区块,检测区块的对撞,然后在区块内部以动力学原理检测光子是否发生对撞,该方法可以有效提升计算模拟的效率.同时,该方法与已经发表的理论结果进行了比较,发现该计算结果与理论结果高度一致.应用这一数值方法,能够为Breit-Wheeler过程给出较为精确的模拟结果,也可以为未来γγ对撞机的实验设计提供参照.

基于1.06 μm波长的空间合作目标及碎片高精度激光测距试验
1.06 μm wavelength based high accuracy satellite laser ranging and space debris detection

孟文东, 张海峰, 邓华荣, 汤凯, 吴志波, 王煜蓉, 吴光, 张忠萍, 陈欣扬
物理学报. 2020, 69 (1): 019502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20191299
全文: [PDF 899 KB] 下载:(17)
摘要
常规卫星激光测距大多数采用532 nm波长激光,但受激光能量和大气透过率低等瓶颈制约,在微弱目标探测如碎片激光测距、月球激光测距中使用难度较大.本文介绍了基于1.06 μm波长的激光测距技术,分析了1.06 μm测距技术在激光能量、大气传输、背景噪声、单光子探测等方面相对于532 nm激光测距的优势,分析了其应用于微弱目标激光测距的前景,提出了针对1.06 μm激光测距系统的改造方案,在上海天文台532 nm卫星激光测距系统的基础上,完成了系统改造,国内首次利用1.06 μm增强的InGaAs探测器实现对合作目标的高精度厘米级激光测距,证明了1.06 μm波长激光测距技术在系统噪声和测量效率等方面的优势,并且实现了该波长对1500 km空间碎片目标的高精度激光测距,为未来远距离微弱目标高精度近红外波段激光测距提供了紧凑、低成本、易操作的测量技术方案.

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