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Science 2021年十大科学突破解读

中国科学基金 2022年第2期36卷 348-362页

作者：张强锋徐魁付巧妹蓝可任国利饶子和高天明谢晓亮曹云龙阿依江·伊斯马衣潘永信王新何小刚程涛张健萍罗凌飞清华大学生命科学学院中国科学院古脊椎动物与古人类研究所分子古生物学实验室北京应用物理与计算数学研究所清华大学南方医科大学北京大学北京大学生物医学前沿创新中心北京大学生命科学学院中国科学院地质与地球物理研究所上海交通大学李政道研究所李政道讲席中国医学科学院北京协和医学院中国医学科学院血液病医院(中国医学科学院血液学研究所) 西南大学发育生物学与再生医学研究中心

Science杂志每年会在年底评选出当年十大科学突破。2021年12月16日,Science杂志公布了其评选出的2021年十大科学突破。为了让广大读者更深入地了解十大科学突破的科学价值,本刊特邀各领域著名科学家分别对其进行解读,以激发科研人员的... 详细信息

Science杂志每年会在年底评选出当年十大科学突破。2021年12月16日,Science杂志公布了其评选出的2021年十大科学突破。为了让广大读者更深入地了解十大科学突破的科学价值,本刊特邀各领域著名科学家分别对其进行解读,以激发科研人员的创新思维,促进学术交流。

关键词：科研人员人工智能科学突破学术交流蛋白质结构创新思维评选

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燃烧多相流系统的DBM建模方法研究进展

燃烧多相流系统的DBM建模方法研究进展

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：许爱国张玉东甘延标林传栋陈锋赖惠林张戈北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室郑州大学力学与安全工程学院北华航天工业学院中山大学中法核工程与技术学院山东交通学院航空学院福建师范大学数学与信息学院

燃烧多相流系统内至少存在4个时间尺度:热力学弛豫时间τ、流动模式的时间尺度t、液气相变的时间尺度t、化学反应的时间尺度t。首先,流动模式快,液气相变快,化学反应快,都会导致相应过程中热力学非平衡程度高。同时,这4个时间尺度当中,... 详细信息

燃烧多相流系统内至少存在4个时间尺度:热力学弛豫时间τ、流动模式的时间尺度t、液气相变的时间尺度t、化学反应的时间尺度t。首先,流动模式快,液气相变快,化学反应快,都会导致相应过程中热力学非平衡程度高。同时,这4个时间尺度当中,任何2个靠得较近,都会导致相应的两个过程产生强耦合,从而使得系统行为更加丰富、复杂。从4个时间尺度中任取2个进行比较,可构造6个无量纲参数。如果我们约定,小的做分子,大的做分母,则这6个无量纲参数中,有一个是Knudsen （Kn）数。除了Kn数,另外5个无量纲参数的效应也值得关注和研究。对于这些满足一定条件就必定会发生的物理现象,人们的处理原则是:有利则强之,有害则抑之。我们工程中目前遇到的是哪种情形?是我们最期望的吗?在介质选择、构型选择、热力控制等参数选取方面,如何使系统行为朝着我们更加期望的方向发展?更加合理地利用或有效地控制,其前提是对其发生、发展过程中各个阶段的特征、机制和规律有个清晰的认识。本报告基于上述背景简要介绍离散玻尔兹曼建模（Discrete Boltzmann Modeling,DBM）方法的研究进展。

关键词：燃烧多相流多尺度非平衡离散玻尔兹曼方法

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极性液膜马达动力学性质的研究

极性液膜马达动力学性质的研究

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第二届全国统计物理与复杂系统学术会议暨第七届海峡两岸统计物理研讨会

作者：刘中强李英骏张广财姜素蓉孔祥木曲阜师范大学物理工程学院曲阜273165中国中国矿业大学(北京)理学院北京100083中国中国矿业大学(北京)理学院北京100083中国北京应用物理与计算数学研究所计算物理国家重点实验室北京100088中国曲阜师范大学物理工程学院曲阜273165中国

最新实验表明悬浮极性液膜仅在交叉电场的驱动下就可以实现多种模式的可控电流体流动(转动或振动),相应实验设备被称为"液膜马达"。它们在基础研究和工程应用方面具有广阔的应用前景,但是其动力学机理不详。我们假设外电场中... 详细信息

最新实验表明悬浮极性液膜仅在交叉电场的驱动下就可以实现多种模式的可控电流体流动(转动或振动),相应实验设备被称为"液膜马达"。它们在基础研究和工程应用方面具有广阔的应用前景,但是其动力学机理不详。我们假设外电场中的悬浮水膜为带有等效电偶极矩的塑性流体,成功构建了能够描述直流水膜马达和交流水膜马达运动特征的含时动力学模型[1,2],解析地给出了液膜转动角(线)速度随时空演化的规律,系统地解释了直流水膜马达和交流水膜马达的主要实验结果,并预言了交流水膜马达振动时的主要动力学特征。

关键词：电流体流动悬浮液膜极性液体

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基于白噪声相位调制的光纤放大器自脉冲行为中功率耦合现象研究

基于白噪声相位调制的光纤放大器自脉冲行为中功率耦合现象研究

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第二十二届全国激光学术会议

作者：查从文张凯王小军马毅彭万敬王岩山孙殷宏中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室四川绵阳 621900 中国工程物理研究院应用电子学研究所四川绵阳 621900 中国工程物理研究院研究生院北京100088 中国工程物理研究院应用电子学研究所四川绵阳 621900 中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室四川绵阳 621900 中国工程物理研究院应用电子学研究所四川绵阳 621900 北京应用物理与计算数学研究所北京 100088 中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室四川绵阳 621900 中国工程物理研究院应用电子学研究所四川绵阳 621900

利用白噪声相位调制的高功率、窄线宽光纤放大器，是相干合成与光谱合成技术的理想光源。它具有优异的光束质量、窄线宽、高效率、稳定的连续输出以及易于模块化设计等优点。然而随着功率的提高，包括空间烧孔、模式不稳定性(MI)在内的...

利用白噪声相位调制的高功率、窄线宽光纤放大器，是相干合成与光谱合成技术的理想光源。它具有优异的光束质量、窄线宽、高效率、稳定的连续输出以及易于模块化设计等优点。然而随着功率的提高，包括空间烧孔、模式不稳定性(MI)在内的线性或非线性效应会严重地影响光束质量，并且导致时域上的抖动甚至自脉冲。

关键词：

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基于离散坐标法(DOM)的光刻机内部流场模拟

基于离散坐标法(DOM)的光刻机内部流场模拟

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：胡开南李志远刘宇东华理工大学土木及建筑工程学院北京应用物理及计算数学研究所南方科技大学广东省湍流基础研究与应用重点实验室南方科技大学力学与航空航天工程系

光刻机内部流场是一种多尺度、多组分的复杂流动。流场内各组分压力相差巨大,并且伴随着剧烈的速度变化和温度变化,数值模拟存在较大困难。本文基于离散坐标方法(DOM,Discrete Ordinate Method),采用谱方法离散粒子速度空间,给出了估算... 详细信息

光刻机内部流场是一种多尺度、多组分的复杂流动。流场内各组分压力相差巨大,并且伴随着剧烈的速度变化和温度变化,数值模拟存在较大困难。本文基于离散坐标方法(DOM,Discrete Ordinate Method),采用谱方法离散粒子速度空间,给出了估算努森数的合理方法,并采用多特征值无量纲化策略,减少了计算资源的消耗,提高了计算速度。空间采用NND格式,时间采用三阶荣格—库塔格式。编写并行计算程序,实现并行计算,得到光刻机内部温度场、速度场和密度场。计算结果表明,光刻机中的氢气气封能起到很好的密封作用。在氢气气封的作用下,只有极微量的水蒸气和乙醇蒸汽从光刻机下部腔体逸出,到达光刻机腔体上部。这说明气封设计合理,可以防止光刻机顶部激光器被乙醇蒸汽和水蒸气污染。氢气经过气封流入光刻机下部腔体后,温度降低120K左右;进入光刻上部腔体后,温度下降60K左右。计算得到温度场与理论预估吻合良好。光刻机内部流场的计算结果可以为光刻机设计提供参考。此外,多组分、多尺度、大压力比且速度、温度变化剧烈的流场广泛存在于自然界和工业界,本文提出的计算策略具有推广价值。

关键词：多尺度流场多组分流动散坐标法(DOM) 光刻机内部流场谱方法多特征值无量纲策略

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天体HH 110/270系统中超音速喷流偏折现象的实验室研究

天体HH 110/270系统中超音速喷流偏折现象的实验室研究

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第五届全国高能量密度物理会议

作者：袁大伟吴俊峰李玉同鲁欣仲佳勇尹传磊王立峰苏鲁宁廖国前魏会冈张凯韩波杜凯江少恩丁永坤朱健强贺贤土赵刚张杰中国科学院物理研究所中国科学院国家天文台中国工程物理研究院北京应用物理与计算数学研究所中国科学院物理研究所中国科学院国家天文台中国工程物理研究院激光聚变研究中心中国科学院上海光学精密机械研究所上海交通大学激光等离子体重点实验室

Herbig-Haro(HH)喷流是天体中一类比较特殊的喷流,它具有极好的准直性和较高的马赫数,与年轻恒星的形成有密切联系.一般的,一对孪生的HH喷流会沿着相反的传播方向从恒星的恒星的中心区域喷射而出.然而天文学家观测发现,HH 110喷流是一...

Herbig-Haro(HH)喷流是天体中一类比较特殊的喷流,它具有极好的准直性和较高的马赫数,与年轻恒星的形成有密切联系.一般的,一对孪生的HH喷流会沿着相反的传播方向从恒星的恒星的中心区域喷射而出.然而天文学家观测发现,HH 110喷流是一个单独存在的喷流,并没有在其相反的方向上发现其孪生的喷流.但是在喷流HH 110附近观测到了另外一个喷流HH 270,但是二者之间存在58°的偏折角度.

关键词：

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四波混频对高功率连续光纤放大器光谱的影响

四波混频对高功率连续光纤放大器光谱的影响

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中物院高能激光科学与技术重点实验室第三届学术交流会

作者：冯昱骏王小军柯伟伟孙殷宏张凯马毅李腾龙王岩山吴娟中国工程物理研究院应用电子学研究所四川绵阳621900 清华大学工程物理系北京100084 中国工程物理研究院高能激光科学技术重点实验室四川绵阳621900 中国工程物理研究院高能激光科学技术重点实验室四川绵阳621900 中国工程物理研究院北京应用物理与计算数学研究所北京100088 中国工程物理研究院应用电子学研究所四川绵阳621900 中国工程物理研究院高能激光科学技术重点实验室四川绵阳621900

本文建立了高功率光纤放大器中多重四波混频效应计算模型.考虑到种子光不同的光谱特性,由窄线宽布拉格光纤光栅构成的多纵模谐振腔种子源和分布式反馈(DFB)单频光纤激光器经高速相位调制展宽得到的种子源被分开处理.通过将时域过程(相... 详细信息

本文建立了高功率光纤放大器中多重四波混频效应计算模型.考虑到种子光不同的光谱特性,由窄线宽布拉格光纤光栅构成的多纵模谐振腔种子源和分布式反馈(DFB)单频光纤激光器经高速相位调制展宽得到的种子源被分开处理.通过将时域过程(相位调制和幅度波动等)快速傅里叶变换(FFT),本文建立了频域离散的四波混频模型.计算结果表明四波混频对于高功率连续激光器的光谱展宽起着决定性作用.种子源线宽本身对于展宽倍数无任何影响,但种子源光谱精细结构对于展宽倍数有着很大影响.具体来说,多纵模谐振腔种子源光谱在放大过程中有极大展宽,在激光功率100W时展宽倍数达到2倍,在1000W时展宽倍数达到15倍;然而单频相位调制种子源在放大过程中基本无展宽.但单频种子源存在功率波动时,四波混频过程可能导致一定的光谱展宽.本文通过实验室搭建的1kW光纤放大器验证了上述理论模型.

关键词：连续激光器光谱展宽四波混频光纤放大器

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980nm全光纤激光实验研究

980nm全光纤激光实验研究

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中物院高能激光科学与技术重点实验室第三届学术交流会

作者：王岩山柯伟伟马毅孙殷宏李腾龙冯昱骏吴娟中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室四川绵阳621999 中国工程物理研究院应用电子学研究所四川绵阳621999 中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室四川绵阳621999 应用物理与计算数学研究所北京100088 中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室四川绵阳621999 中国工程物理研究院应用电子学研究所四川绵阳621999 中国工程物理研究院研究生部北京100088 中国工程物理研究院应用电子学研究所四川绵阳621999 中国工程物理研究院研究生部北京100088 清华大学工程物理系北京100084

本文分析了980nm光纤激光器系统中三能级起振条件以及三能级激光与四能级ASE的增益竞争关系,提出了ASE的抑制方法.搭建了全光纤激光振荡器系统,对不同泵浦吸收系数的增益光纤进行了980nm激光实验研究,获得了3.9W的981.6nm激光输出,半高... 详细信息

本文分析了980nm光纤激光器系统中三能级起振条件以及三能级激光与四能级ASE的增益竞争关系,提出了ASE的抑制方法.搭建了全光纤激光振荡器系统,对不同泵浦吸收系数的增益光纤进行了980nm激光实验研究,获得了3.9W的981.6nm激光输出,半高宽约0.7nm,光光转换效率7.6％,激光-吸收泵浦光转换效率为36％.实验结果表明,980nm全光纤振荡系统光光转换效率偏低的原因除了泵浦光吸收效率过低,激光上能级转换也是其因素之一.

关键词：光纤激光器全光纤激光转换效率吸收效率

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高效率高平均功率Yb:YAG板条激光放大器研究

高效率高平均功率Yb:YAG板条激光放大器研究

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第二十二届全国激光学术会议

作者：陈小明徐浏胡浩周唐建孙殷宏姜豪雷军吕文强苏华石勇李密邬映臣姚震宇赵娜许晓小高清松王小军唐淳中国工程物理研究院应用电子学研究所四川绵阳 621900 中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室四川绵阳 621900 中国工程物理研究院应用电子学研究所四川绵阳 621900 中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室四川绵阳 621900 中国工程物理研究院研究生部北京 100088 中国工程物理研究院应用电子学研究所四川绵阳 621900 中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室四川绵阳 621900 北京应用物理与计算数学研究所北京 100088

室温下，准三能级Yb：YAG增益介质激光下能级存在热粒子布局(约5％)，要实现高功率高效激光放大输出，需要高泵浦功率密度和高种子注入强度.提出了采用双浓度掺杂Yb：YAG板条(尺寸1.8 mm×10 mm×82 mm)作为工作介质，高亮度 94...

室温下，准三能级Yb：YAG增益介质激光下能级存在热粒子布局(约5％)，要实现高功率高效激光放大输出，需要高泵浦功率密度和高种子注入强度.提出了采用双浓度掺杂Yb：YAG板条(尺寸1.8 mm×10 mm×82 mm)作为工作介质，高亮度 940nmDLA双端泵浦板条，高功率窄线宽1030nm光纤种子光注入板条实现双通高效放大提取.

关键词：

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等离子体Richtmyer-Meshkov不稳定性系统的DBM建模与非平衡特性研究

等离子体Richtmyer-Meshkov不稳定性系统的DBM建模与非平衡特性研...

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第十二届全国流体力学学术会议

作者：宋家辉许爱国苗龙陈锋北京理工大学宇航学院航空宇航推进理论与工程系北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室北京理工大学爆炸科学技术国家重点实验室北京大学应用物理与技术研究中心和高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室山东交通学院航空学院

流体不稳定性现象广泛存在于武器物理、航空航天和惯性约束聚变领域,对不稳定性现象机理的研究和认知是实现工程有效利用的重要前提。在惯性约束聚变中,高能量激光作用于靶丸烧蚀层表面会形成高温高压等离子体冲击材料层界面形成Richtmy... 详细信息

流体不稳定性现象广泛存在于武器物理、航空航天和惯性约束聚变领域,对不稳定性现象机理的研究和认知是实现工程有效利用的重要前提。在惯性约束聚变中,高能量激光作用于靶丸烧蚀层表面会形成高温高压等离子体冲击材料层界面形成Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性现象。已有研究表明,外加水平和切向磁场均会对等离子体RM不稳定性的发展起到抑制作用,然而当前研究所采用的大多为基于连续性介质假设的宏观磁流体模型,并且忽略了等离子体中粒子间碰撞引起的动理学耗散效应。本文构建了一种单流体磁流体离散玻尔兹曼模型,研究了外加水平磁场作用下RM不稳定性发展过程中的流动非平衡(Hydrodynamic non-equilibrium)及热动非平衡(Thermodynamicnon-equilibrium)效应。结果表明,无组织动量流在激波附近较强,而在流场其余位置较弱;无组织能量流在扰动界面附近较强,而在流场其余位置较弱。对于激波冲击重/轻界面引起扰动反转的情形,磁场效应表现出阶段性:在界面反转前,通过降低界面反转速度一定程度上增强了非平衡强度;而在界面反转再加速阶段,通过大幅降低界面增长速度显著降低了非平衡强度。对于激波冲击轻/重界面不反转情形,磁场通过抑制界面扰动发展降低了非平衡强度。通过追踪全局平均热力学非平衡强度,可以判断抑制RM界面发展的临界磁场强度。

关键词： Richtmyer-Meshkov不稳定性离散玻尔兹曼方法非平衡效应水平磁场

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