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声波导单模光纤中后向受激布里渊散射的声模分析

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物理学报 2024年第5期73卷 157-166页

作者：冯云龙侯尚林雷景丽武刚晏祖勇兰州理工大学理学院兰州730050

本文推导了单模光纤中的声波亥姆霍兹方程,利用分离变量法求解并获得正规声波导导模的特征方程,定义了声模的归一化频率,结合贝塞尔函数的宗量近似分析了声波模式的特征值范围、截止频率和远离截止,探讨了声模的色散和布里渊增益谱的多... 详细信息

本文推导了单模光纤中的声波亥姆霍兹方程,利用分离变量法求解并获得正规声波导导模的特征方程,定义了声模的归一化频率,结合贝塞尔函数的宗量近似分析了声波模式的特征值范围、截止频率和远离截止,探讨了声模的色散和布里渊增益谱的多峰成因.研究结果表明单模光纤中纵向声波基模L01模无截止,主要被限制在纤芯中,与光基模耦合形成布里渊增益谱的主峰;高阶声模都存在低频截止,在包层分布比基模多,与LP_(01)模耦合形成布里渊增益谱的次峰.只有纵向L_(0n)声模对后向布里渊增益谱有贡献,纤芯掺锗浓度增大能使布里渊增益谱发生红移,声模数量增多,L_(01)模的增益峰值逐渐变大而高阶模的贡献减小.泵浦波长为1.55μm,纤芯掺锗浓度3.65%、纤芯半径4.2μm的单模光纤存在4个L_(0n)和16个L_(mn)(m>0)声模,声模L_(01),L_(03),L_(04)与光模LP_(01)声光耦合产生布里渊增益谱的1个主峰和2个弱峰;纤芯掺锗浓度15%,纤芯半径1.3μm的单模光纤存在3个L_(0n)模和7个L_(mn)(m>0)模,L_(01),L_(02),L_(03)模与LP_(01)模声光耦合使得布里渊增益谱呈现3个主峰.这些结论可以完全解释相应的实验现象,也为光纤SBS声波导研究及应用提供理论参考.

关键词：光纤声波导受激布里渊散射声模

基于第一性原理研究杂质补偿对硅光电性能的影响

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物理学报 2024年第11期73卷 263-272页

作者：王秀宇王涛崔雨昂吴溪广润王洋天津大学微电子学院天津市成像与传感微电子技术重点实验室天津300072

通过磷(P)和硼(B)共掺杂在硅禁带中构建了P^(+)/B^(-)局域态能级,形成了具有杂质补偿结构的硅.采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理研究了杂质补偿硅(n/p-Sic)的电子态密度、介电函数和折射率等光电性能.态密度研究表明,相同浓度P和... 详细信息

通过磷(P)和硼(B)共掺杂在硅禁带中构建了P^(+)/B^(-)局域态能级,形成了具有杂质补偿结构的硅.采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理研究了杂质补偿硅(n/p-Sic)的电子态密度、介电函数和折射率等光电性能.态密度研究表明,相同浓度P和B掺杂(12.5%)的n-Si和p-Si被完全杂质补偿后,费米能级位于两相邻态密度峰构成的谷底,且态密度不为零.在介电函数和折射率研究中,发现n-Sic在掺杂比例C_(B)/C_(P0)=0.25时,在低能区具有最大的介电函数和最大折射率.此外,对比本征硅及其掺杂物的介电常数实部(Re),发现如下规律:在E> 4 eV的高能区,本征Si,n/p-Si和p-Sic的Re为负值;而在0.64

关键词：第一性原理态密度杂质补偿硅光学性质

质子入射Al_(x)Ga_(1-x)N材料的位移损伤模拟

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物理学报 2024年第5期73卷 92-99页

作者：何欢白雨蓉田赏刘方臧航柳文波李培贺朝会西安交通大学核科学与技术学院西安710049 北京大学物理学院北京100084

氮化镓材料由于优良的电学特性以及耐辐照性能,其与不同含量Al_(x)Ga_(1-x)N材料组成的电子器件,有望应用于未来空间电子系统中.然而目前关于氮化镓位移损伤机理研究多关注于氮化镓材料,对于Al_(x)Ga_(1-x)N材料位移损伤研究较少.本文... 详细信息

氮化镓材料由于优良的电学特性以及耐辐照性能,其与不同含量Al_(x)Ga_(1-x)N材料组成的电子器件,有望应用于未来空间电子系统中.然而目前关于氮化镓位移损伤机理研究多关注于氮化镓材料,对于Al_(x)Ga_(1-x)N材料位移损伤研究较少.本文通过两体碰撞近似理论模拟了10 keV-300 MeV质子在不同Al元素含量的Al_(x)Ga_(1-x)N材料中的位移损伤机理.结果表明质子在Al_(x)Ga_(1-x)N材料中产生的非电离能损随质子能量增大而下降,当质子能量低于40 MeV时,非电离能损随着Al含量的增大而变大,当质子能量升高时该趋势相反;分析由质子导致的初级撞出原子以及非电离能量沉积,发现不同Al_(x)Ga_(1-x)N材料初级撞出原子能谱虽然相似,然而Al元素含量越高,由弹性碰撞产生的自身初级撞出原子比例越高;对于质子在不同深度造成的非电离能量沉积,弹性碰撞导致的能量沉积在径迹末端最大,而非弹性碰撞导致的能量沉积在径迹前端均匀分布,径迹末端减小,并且低能质子主要是通过弹性碰撞造成非电离能量沉积,而高能质子恰好相反.本研究揭示了不同Al元素含量的Al_(x)Ga_(1-x)N材料质子位移损伤机理,为GaN器件在空间辐射环境下的应用提供参考依据.

关键词： Al_(x)Ga_(1-x)N 质子位移损伤两体碰撞近似

基于轻量残差复合增强收敛神经网络的粒子场计算层析成像伪影噪声抑制

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物理学报 2024年第10期73卷 162-174页

作者：施岳欧攀郑明邰含旭王玉红段若楠吴坚北京航空航天大学物理学院北京100191 北京航空航天大学仪器与光电工程学院北京100191

由于流场中的微粒分布状态能够充分表征场的特性,因此通过稀疏采样实现快速和高质量的粒子场成像始终是实验流体力学等领域高度期盼的.近年来,随着深度学习应用于粒子计算层析成像,如何提高神经网络的处理效率和质量,以消除稀疏采样所... 详细信息

由于流场中的微粒分布状态能够充分表征场的特性,因此通过稀疏采样实现快速和高质量的粒子场成像始终是实验流体力学等领域高度期盼的.近年来,随着深度学习应用于粒子计算层析成像,如何提高神经网络的处理效率和质量,以消除稀疏采样所致的粒子层析图像伪影噪声仍然是一个挑战性课题.为解决这一问题,本文提出了一种新的抑制粒子场层析成像伪影噪声和提高网络效率的神经网络方法.该方法在设计上包含了轻量化双残差下采样图像压缩和特征识别提取、快速特征收敛的上采样图像恢复,以及基于经典计算层析成像算法的优化信噪比网络输入样本集构建.对整个成像系统的模拟分析和实验测试表明,相比于经典的U-net和Resnet50网络方法,本文提出的方法不仅在输出/输入的粒子图像信噪比、重建像的残余伪影噪声(即鬼粒子占比)和有效粒子损失比方面获得了极大的改进,而且也显著提高了网络的训练效率.这对发展基于稀疏采样的快速和高质量粒子场计算层析成像提供了一个新的有效方法.

关键词：粒子场成像计算层析成像深度学习噪声抑制

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薄膜微盘激射性质

物理学报 2024年第8期73卷 105-114页

作者：徐宇轩姚泰宇邓莉陈诗枚徐辰尧唐文轩华东师范大学物理与电子科学学院上海200241

基于半导体变形微腔的定向激射效应,在各向同性薄膜中制备变形微腔,将为多功能、高集成光子有源芯片提供新的解决方案.利用二维波动光学理论,以Z切向掺饵铌酸锂薄膜蚶线形微盘中的TE20,1模式为例,分析了不同变形因子ε微盘的模式分布、... 详细信息

基于半导体变形微腔的定向激射效应,在各向同性薄膜中制备变形微腔,将为多功能、高集成光子有源芯片提供新的解决方案.利用二维波动光学理论,以Z切向掺饵铌酸锂薄膜蚶线形微盘中的TE20,1模式为例,分析了不同变形因子ε微盘的模式分布、品质因子Q、定向激射效果D以及庞加莱截面图.理论模拟结果显示,微盘变形过程中微盘周长与谐振波长的比值近似为一定值.当ε大于0.24时,微盘具有较好的单向激射性,Q值大于10^(5);当ε变形因子大于0.4时,庞加莱截面图几乎被混沌海区域占据,Q值低于10^(3).因此,薄膜蚶线形微盘变形因子ε在0.24—0.4之间时,微盘不仅具有高的品质因子(Q值为10^(3)—10^(5)),激射方向性也较高(D值为6.45—8.32).

关键词：蚶线形微盘模式分布品质因子定向激射

Au-TiO_(2)光电极界面声子热输运特性的分子动力学模拟

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物理学报 2024年第10期73卷 116-125页

作者：桑丽霞李志康北京工业大学传热强化与过程节能教育部重点实验室传热与能源利用北京市重点实验室北京100124

为了研究光电分解水体系中具有热等离激元效应的Au-TiO_(2)电极的界面热输运特性,本文采用非平衡分子动力学方法研究了温度、界面耦合强度以及添加石墨烯层对Au-TiO_(2)界面热导的影响,并通过声子态密度对界面热导的变化进行了分析.研... 详细信息

为了研究光电分解水体系中具有热等离激元效应的Au-TiO_(2)电极的界面热输运特性,本文采用非平衡分子动力学方法研究了温度、界面耦合强度以及添加石墨烯层对Au-TiO_(2)界面热导的影响,并通过声子态密度对界面热导的变化进行了分析.研究结果表明,当体系温度从300 K增加到800 K时,Au-TiO_(2)界面导热系数增加了78.55%,这与更多的低频声子参与界面热输运相关,更多的热量传递到TiO_(2)上可促进界面反应.随着Au与TiO_(2)界面耦合强度的增大,界面热导率可通过TiO_(2)和Au的声子态密度的重叠程度得到优化.添加单层石墨烯可提高Au-TiO_(2)结构的界面热导,其中0—30 THz的低频区声子对导热贡献最大,但添加2层和3层石墨烯,石墨烯层与层之间的相互作用力阻碍了界面传热,且在低频区的声子数量有所降低,不利于热量在Au和TiO_(2)之间进行传递.

关键词： Au-TiO_(2) 界面热导声子态密度分子动力学

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基于超快激光调制的纳秒脉冲X射线发射源

物理学报 2024年第4期73卷 98-104页

作者：李昀苏桐盛立志张蕊利刘舵刘永安强鹏飞杨向辉许泽方中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室西安710119 中国科学院大学光电学院北京100049 邯郸学院数理学院邯郸056005

面向基础科学与空间应用研究领域对小型化超快脉冲X射线发射源的需求,设计并研制了基于激光调制光源与光电阴极X射线管的超快脉冲X射线发生器,解决了传统X射线调制发射装置重复频率低、时间稳定性差、脉冲特性差等应用难题.本文主要开... 详细信息

面向基础科学与空间应用研究领域对小型化超快脉冲X射线发射源的需求,设计并研制了基于激光调制光源与光电阴极X射线管的超快脉冲X射线发生器,解决了传统X射线调制发射装置重复频率低、时间稳定性差、脉冲特性差等应用难题.本文主要开展了脉冲X射线发生器的超快调制控制模块研究,并利用基于预调制的激光控制光源实现了高时间精度、高时间稳定度的超快时变光子信号以及纳秒脉冲X射线产生.理论方面,建立了脉冲X射线发生器时间响应模型,分析了出射脉冲X射线的时域时间特性.实验方面,搭建了基于超快闪烁体探测器的脉冲X射线时间特性实验测试系统,测试了激光控制光源及脉冲X射线发射源的时间特性参数.实验结果表明脉冲X射线发生器可同时实现高重频(12.5 MHz)、超快脉冲(4 ns)、高时间稳定度(400 ps)特性,且与所建立的理论模型高度符合.相比于传统X射线调制方案,脉冲时间参数指标得到了大幅提升、应用场景获得了极大拓展,本项研究有望为实现超高时间稳定性、超快脉冲X射线发射源提供新思路.

关键词：脉冲X射线发生器光电阴极X射线管激光控制光源超快闪烁体探测器

水平管内超临界R1234ze(E)冷却传热性能的神经网络预测

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物理学报 2024年第12期73卷 96-107页

作者：周文力卓伟伟蒋依然马文杰董宝君成都国营锦江机器厂科研部成都610000 成都理工大学能源学院成都610000

为探究神经网络在预测:超临界传热方面的有效性,建立了水平直管内超临界R1234ze(E)冷却传热的神经网络预测模型,并与修正的Dittus-Boelter(D-B)型传热关联式进行比较分析.研究表明,输入参数对于反向传播神经网络(BPNN)预测精度的影响很... 详细信息

为探究神经网络在预测:超临界传热方面的有效性,建立了水平直管内超临界R1234ze(E)冷却传热的神经网络预测模型,并与修正的Dittus-Boelter(D-B)型传热关联式进行比较分析.研究表明,输入参数对于反向传播神经网络(BPNN)预测精度的影响很大,且并非所有BPNN输入参数组合都能带来比传热关联式更好的预测结果.输入参数组合Re_(b),Pr_(b),ρ_(b)/ρ_(w),C_(p)/C_(pw),λ_(b)/λ_(w),μ_(b)//μ_(w)的预测表现最好,对于试验集的预测结果的平均绝对偏差和最大偏差仅为2.02%和9.34%,远低于传热关联式预测偏差,且对于高温段h的趋势、h最大值以及h峰值位置的预测比关联式更加准确.此外,将遗传算法优化的BP(GA-BP)模型与BP模型在两种不同的适应度值计算方式下进行比较,揭示GA-BP在提高超临界传热预测精度方面的有效性.研究表明,当网络训练与适应度值计算采用相同数据时,将引起过拟合,并不能进一步提高预测精度;当网络训练与适应度值计算采用不同数据时,可使得网络泛化性能提高,预测结果的均方根偏差和最大偏差均有进一步的降低.

关键词： R1234ze(E) 超临界传热传热预测神经网络

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基于统一流体模型的微放电数值仿真研究

物理学报 2024年第12期73卷 235-259页

作者：王震赵志航付洋洋清华大学电机工程与应用电子技术系北京100084

数值仿真技术已发展成为气体放电领域的重要研究手段,常用于研究揭示某一具体放电形式的微观物理过程.本文介绍了气体放电的统一流体模型,包括粒子的连续性方程、能量守恒方程及泊松(Poisson)方程,考虑阴极电子发射(二次电子、热电子发... 详细信息

数值仿真技术已发展成为气体放电领域的重要研究手段,常用于研究揭示某一具体放电形式的微观物理过程.本文介绍了气体放电的统一流体模型,包括粒子的连续性方程、能量守恒方程及泊松(Poisson)方程,考虑阴极电子发射(二次电子、热电子发射)、反应倍变与气体加热、阴极热传导等基本过程,可模拟得到包含盖革-米勒(Geiger-Müller)放电、汤森(Townsend)放电、辉光放电、电弧放电等各区域的完整伏安特性曲线.基于该模型,仿真得到的气体放电伏安特性曲线与已有文献结果一致,验证了该模型的正确性.在此基础上,对间距为400μm、气压分别为50和500 Torr(1 Torr≈133.322 Pa)的放电过程进行了具体研究,对比分析了不同气压条件下放电典型参量的分布特性.该模型实现了广域参数范围条件下的气体放电数值仿真,拓展了气体放电流体模型的应用范围,促进了对放电参数特性的系统性分析.

关键词：气体放电统一流体模型伏安特性汤森放电辉光放电电弧放电