检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：郭瑞军中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)

学位级别：博士

紧密排列的微型光学偶极阱阵列中的中性原子体现出了极好的扩展性,因此在量子模拟和量子计算中有广阔的应用前景。最近,研究者已经证实了无缺陷的原子阵列,可以确定地将50个量子比特存储在一维、两维空间,或者将更多的量子比特存储在相... 详细信息

紧密排列的微型光学偶极阱阵列中的中性原子体现出了极好的扩展性,因此在量子模拟和量子计算中有广阔的应用前景。最近,研究者已经证实了无缺陷的原子阵列,可以确定地将50个量子比特存储在一维、两维空间,或者将更多的量子比特存储在相对紧凑的三维空间中。51个原子的量子模拟器也已经被演示。当中性原子量子比特的数量扩展以后,不完全隔离的逻辑操作和单个量子比特的初始化和状态读出,会导致串扰问题。将相同种类的量子比特扩展到混合种类的量子比特(一个用于数据量子比特,另一个用于辅助量子比特)是在初始化、逻辑和测量操作期间避免串扰问题的有效方法之一。然而,迄今为止混合种类量子比特叠加态的相干时间极不平衡,使得辅助量子比特叠加态的强退相干成为了混合量子比特逻辑门测量误差的主要来源。本学位论文构造了一个偏振协调的异核体系魔幻光强偶极阱阵列,有效地消除了光频移导致的异核原子量子比特叠加态的退相干,使阵列中异核原子量子比特叠加态的相干时间均提升到约1 s。论文取得的创新性研究工作包括以下三个方面:1.将铷-87原子量子比特在魔幻光强偶极阱中的相干时间提升到1 s。磁场噪声引入的均匀退相干因素限制了铷-87原子量子比特在魔幻光强偶极阱中的相干时间。我们采用主动反馈方法稳定磁场线圈电流和压制交流磁场噪声两项措施,大大提高了磁场的稳定性,压制了均匀退相干因素。最终,铷-87原子量子比特在魔幻光强偶极阱中的相干时间由225(21)ms提升到了 1150(24)ms。2.首次标定铷-85原子量子比特魔幻光强偶极阱的参数值。我们首次标定了在偶极光波长为830nm、偏振度A=0.998(2)条件下铷-85原子量子比特魔幻囚禁技术的参数值β1(超精细介导极化率系数)、β2(矢量光频移与磁场的耦合项系数)和β4(基态的超极化率项系数)。随后,通过调整偶极光的偏振度A,研究了铷-85原子量子比特的魔幻阱深UM对补偿磁场B依赖关系的可调谐性行为。此外,我们还研究并分析了偏振协调的魔幻光强偶极阱中铷-85原子量子比特叠加态的相干特性以及偏振度A的噪声引入的退相干因素,通过选择有源偏振器件的动态工作范围可以有效地抑制偏振度A的噪声引入的退相干。同时,由于基态超极化率的降低,椭圆偏振魔幻光强偶极阱中单原子量子比特感受到的的光频移可以得到更有效的补偿,使原子内态的相干时间对阱深变化的敏感度降低,可以在较宽的阱深(Ua/UM)范围内都保持着较长的相干时间。3.构造了异核体系交叉排列偏振协调的魔幻光强偶极阱阵列,实现了长相干时间的异核原子量子寄存器。异核原子魔幻光强囚禁技术依赖于三阶交叉项系数β2和基态超极化率β4的可调谐性,而基态超极化率β4本质上取决于偶极光的圆偏振度A。实验上,装载铷-85原子量子比特的偶极阱阵列的偏振度A被精确地调整到一个确定的值,使其魔幻光强囚禁技术所需的补偿磁场等于在另一个完全圆偏振的偶极阱阵列中魔幻光强囚禁铷-87原子量子比特所需的磁场。最终,在这种偏振协调的魔幻光强偶极阱阵列中,铷-87和铷-85原子量子比特叠加态的相干时间分别提高到891±47 ms和943±35 ms。这种新型的异核体系魔幻光强偶极阱阵列有望成为构建中性原子可扩展量子计算机的通用平台。

关键词：异核原子量子比特偏振协调魔幻光强偶极阱阵列长相干时间量子寄存器

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量子克隆和量子态制备的理论研究

量子克隆和量子态制备的理论研究

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作者：王明浩中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)

学位级别：博士

近年来,量子信息与量子计算发展迅速,无论是理论还是实验上,人们都取得了丰硕的成果。一系列研究表明,量子信息技术在处理某些特定任务上,诸如大数因子分解,数据搜索,信息安全等问题,有着经典信息技术无法匹及的能力。这种超越经典计算... 详细信息

近年来,量子信息与量子计算发展迅速,无论是理论还是实验上,人们都取得了丰硕的成果。一系列研究表明,量子信息技术在处理某些特定任务上,诸如大数因子分解,数据搜索,信息安全等问题,有着经典信息技术无法匹及的能力。这种超越经典计算的能力吸引着我们不断地研究和发展量子信息技术。量子信息中有一条重要的不同于经典信息的定理——量子不可克隆定理。该定理是一条禁止性定理,它禁止了人们对任意量子态的完美克隆,杜绝了超光速通信的可能,同时它也构成了量子安全通讯的重要基石。随着研究的深入,量子不可克隆定理越来越展现出在量子信息和量子计算中的重要性。正因如此,对量子克隆问题的相关研究变得越来越重要,需要进一步的研究。本文致力于量子克隆及其相关问题的理论研究,取得了以下研究成果:1.利用普适的量子克隆机实现经典信息复制。量子力学禁止对未知量子态进行完美克隆,然而经典信息的复制却随处可见。这表明量子克隆和经典复制之间似乎存在着巨大的鸿沟。如果量子力学是普适的理论,那么,理应找到连接量子不可克隆定理和经典信息复制的桥梁。我们的研究表明,由于经典信息编码在大量的粒子态上,尽管这些粒子遵循量子力学,受到量子不可克隆定理的限制,但是,利用量子克隆机并且引入信息保真度,仍然可以实现对经典信息的复制。本工作阐明了如何从量子不可克隆定理过渡到经典信息复制,表明量子理论与经典理论在信息复制方面依然是兼容的,从而为量子理论的普适性提供新的理论支持。2.提出利用弱测量提高对称性量子克隆机保真度的方案。通过调节弱测量系数P,我们可以得到不同保真度的复制态。选择合适的p值,我们甚至可以得到完美的复制态。我们集中讨论了两个非正交态集的1-2型量子克隆。我们也讨论了包含了多个线性无关态集合的克隆。在弱测量成功的情况下,我们才会做后续的幺正变换操作,因此,我们的方案节约了量子资源,从而是经济的。该方案可以自由调节克隆成功的概率和保真度,这种灵活性在量子保密通信中有着重要的作用。3.利用量子剪刀对不同的输入态进行量子剪切,由此制备一系列生成态。我们对这些生成态的统计性质进行了分析。结果表明存在非确定性光放大,即生成态的平均光子数大于输入态的平均光子数;生成态表现出一种非经典性质,该性质可以通过Winger函数表征。同时,我们对量子剪刀设备进行了推广,使其能够剪切输入态的任意光子数项,这种推广的量子剪刀设备在高维量子信息处理中有着潜在的应用。

关键词：量子克隆对应性原理弱测量量子剪切

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飞秒强激光场中原子的里德堡激发及电离动力学研究

飞秒强激光场中原子的里德堡激发及电离动力学研究

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作者：辛培培中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)

学位级别：博士

激光技术的发展极大地推动了现代物理学的进步,特别是飞秒强激光脉冲的出现使得人们能够在极端条件下研究物质的微观结构和原子及其内部电子的动力学性质。近年来,人们在实验上观测到了一系列新奇的非线性物理现象,如阈上/高阶阈上电离... 详细信息

激光技术的发展极大地推动了现代物理学的进步,特别是飞秒强激光脉冲的出现使得人们能够在极端条件下研究物质的微观结构和原子及其内部电子的动力学性质。近年来,人们在实验上观测到了一系列新奇的非线性物理现象,如阈上/高阶阈上电离、非顺序双电离、高次谐波产生等,其中强场里德堡态激发作为一种新的强场现象,不仅被认为是隧穿-再散射过程的重要补充,而且在光控化学反应、中性粒子加速和量子信息等领域同样有重要的应用前景。本论文利用量子理论方法系统地研究了飞秒强激光场驱动下原子的激发和电离动力学性质。采用不同的光场参数我们研究了不同种类原子体系中的电子动力学行为,对强场中性里德堡原子激发和激发态对电离行为的影响进行了深入的讨论。在此基础上,我们还进一步发展了低频激光场中研究原子激发态行为的Kramers-Henneberger量子方法,很好地解释了相关物理现象。论文主要研究工作如下:(1)研究了稀有气体原子的强场里德堡激发行为和里德堡原子的电离调控。通过理论计算,给出了中性激发态原子以及电子产量随光场强度的改变规律,观察到了两种产量中的反向振荡结构。结合光场作用下激发态能级和电离阈值边界的移动以及偶极跃迁选择定则,合理的解释了这种现象。利用两束具有时间延迟的双色激光脉冲,通过调节时间延迟、激光频率等光场参数,进而改变光场对里德堡电子的作用时间以及作用位置,提出了一种利用双色激光脉冲调制原子激发态电离的方案。(2)研究了角动量态中性里德堡原子在量子信息和量子计算中的应用。利用两束时间上延迟的双色单极性激光脉冲,通过电子波包制备和演化,以及波包调控整形,实现原子特殊量子态的制备。基于光电子低能动量分布以及角分布特征对电离初始态的依赖性关系,提出了一种对能级简并角动量态有效分辨的方法。(3)研究了原子共振激发态对阈上电离过程的影响。利用不同波长的超短激光脉冲研究了不同原子体系在隧穿区和多光子区的阈上电离过程。结果表明:长波长光场驱动下的隧穿过程,电子动量谱的低能结构对原子的内部电子结构并不敏感,在电子发生隧穿的过程中以直接电离过程为主,因此阈上电离过程并不依赖于激发态能级的共振效应。而对于短波长激光脉冲下的多光子区域,电子动量分布的低能部分以及能量的角分布特征强烈依赖于目标原子的束缚态能级,此时多光子过程占据主导地位。多光子激发过程中间共振态的差异性导致了最后阈上电离动量分布和角分布特征的不同。(4)研究了 Kramers-Henneberger变换方法在解释原子强场里德堡激发行为中的应用。在数学处理上通过坐标变换,将静止的核坐标系转换为振荡的电子坐标系,得到了新坐标系中光场和原子核共同作用下的有效势。通过分析光场参数如波长等对有效原子势的影响,研究了不同有效势对原子激发态产生和布居过程的影响。我们还将这种高频激光场中发展起来的方法拓展到了低频场中,并给出了该理论在低频场中的适用范围。利用这种低频场KH方法给出了一种不依赖于传统多光子和隧穿机制的原子强场里德堡激发的新物理图像。

关键词：含时薛定谔方程强激光场里德堡态激发隧穿电离

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芯片原子钟性能优化实验研究

芯片原子钟性能优化实验研究

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作者：尹毅中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)

学位级别：博士

被动型相干布居囚禁(coherent population trapping,CPT)原子钟不需要微波谐振腔,是一种全光学微波原子钟。由于物理系统体积不受微波腔尺寸的限制,通过微机电系统(micro electro mechanical systems,MEMS)工艺可以制造体积1cm3左右的... 详细信息

被动型相干布居囚禁(coherent population trapping,CPT)原子钟不需要微波谐振腔,是一种全光学微波原子钟。由于物理系统体积不受微波腔尺寸的限制,通过微机电系统(micro electro mechanical systems,MEMS)工艺可以制造体积1cm3左右的芯片物理系统,再配合专用集成电路(application specific integrated circuit,ASIC)技术设计微型伺服电路,可以实现芯片原子钟。芯片原子钟是一种微体积、微功耗、高精度的时间频率设备,可以满足在功耗、体积和成本受限而对性能有较高要求的情况下的应用需求,未来具有良好的应用前景。本文主要介绍我们为研制芯片原子钟所开展的部分工作,包括为优化芯片原子钟性能所进行的理论、实验研究,以及为提高芯片原子钟CPT信号质量进行的技术探索等工作,主要内容包括以下几个方面:我们对所研制的微型87Rb原子气室开展了实验测试和特性研究,在此基础上研制出了性能满足应用要求的微型原子气室,并实现了芯片原子钟桌面系统,测量获得芯片原子钟桌面系统的频率稳定度为3.60×10-10τ-1/2。CPT原子种的性能可以通过CPT信号方便、有效地实施优化,但是受资源限制芯片原子钟获得的CPT信号质量差,开展优化工作困难。因此实施芯片原子钟的性能优化效率低、耗时长。我们根据芯片原子钟的微分CPT信号质量好的特点,探索出一条利用微分CPT信号间接获得CPT信号的相关特性,进而实施原子钟性能优化的方法。通过芯片原子钟桌面系统我们完成了实验验证,证明该方法为优化芯片原子钟提供了简单有效的途径。我们理论分析了芯片原子钟CPT信号展宽机理,并结合实验研究了影响CPT信号线宽和幅度的主要因素,探索了芯片原子钟参数优化的基本方法。我们用两种光-原子作用模型计算分析了物理参数对CPT信号质量的影响,研究了物理参数对光-原子作用过程的作用机理,获得了芯片原子钟物理参数优化的方法。研究结果起到为芯片原子钟研制和工作推荐参数的作用。这两项工作已经应用于我们团队研制的功耗210mW、体积19cm3、典型频率稳定度约为2×10-10τ-1/2的芯片原子钟。根据光与原子作用的AC Stark效应理论,我们分析了调频多色光引起CPT共振频移的物理机理,讨论了光频移系数与微波调制指数的关系,研究了通过设置合适的微波调制指数减小光强变化对芯片原子钟输出频率影响的方法。另外,我们还研究了垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)输出的调频光频率边带光强分布不同对芯片原子钟光频移的影响,研究结果表明芯片原子钟光频移优化还应考虑VCSEL输出激光的频谱分布,根据光谱特性设置合适的工作点才能更好地抑制光频移。我们分析了常规CPT原子钟以单一圆偏振光实现CPT原子制备时产生极化暗态原子的原因和可能的解决办法,提出了一种适合用于实现小型σ+σ+-σ-σ-CPT原子钟的正交偏振光产生器件。利用这种小型光学器件,可以实现与常规CPT原子钟体积相当但性能更好的σ+σ+-σ-σ-CPT原子钟。我们针对所设想的这个器件搭建了桌面实验系统,开展了与常规CPT原子钟方案的对比实验,获得了频率稳定度改善2.5倍的研究结果。这两项工作对今后开展芯片原子钟和小型CPT原子钟研制作了有价值的研究积累。

关键词：芯片原子钟相干布居囚禁光频移垂直腔面发射激光器

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瑞利激光导星收发光学系统的研究

瑞利激光导星收发光学系统的研究

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中国空间科学学会空间探测专业委员会第十七次学术会议

作者：戴阳蒋志凌李发泉程学武龚顺生中科院武汉物理与数学研究所中科院武汉物理与数学研究所中科院武汉物理与数学研究所中科院武汉物理与数学研究所中科院武汉物理与数学研究所

激光导星技术在大气湍流的实时探测和自适应光学参考源等应用方面有重要意义。本文介绍了瑞利激光导星的发射和接收光学系统的原理、设计和初步实验结果,并从光学分辨的角度计算了该导星系统的探测灵敏度和动态范围。

关键词：激光导星瑞利散射波前传感微透镜列阵

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碘苯和碘代环己烷的超快光解动力学研究

碘苯和碘代环己烷的超快光解动力学研究

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作者：胡春龙中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)

学位级别：博士

光与物质的作用在自然界广泛存在,并且人类也在持续研究如何开发利用它们。分子吸收光子后的电子激发态有很多无辐射的失活过程,如内转换、系间交叉、内部振动能重分布、解离、异构化等,这些过程的时间尺度都在皮秒至飞秒量级。飞秒时... 详细信息

光与物质的作用在自然界广泛存在,并且人类也在持续研究如何开发利用它们。分子吸收光子后的电子激发态有很多无辐射的失活过程,如内转换、系间交叉、内部振动能重分布、解离、异构化等,这些过程的时间尺度都在皮秒至飞秒量级。飞秒时间分辨的质谱技术具有飞秒量级的时间分辨能力,可以实时观测并跟踪分子电子激发态的非绝热过程。本文选择光解反应这一重要的非绝热动力学过程,用飞秒时间分辨的质谱技术研究了碘苯和碘代环己烷分子的超快光解动力学过程。本论文的主要研究工作有:1.时间寿命拟合公式的推导。详细推导了时间寿命拟合公式,并用这些公式对实验中遇到的一些现象进行解释,还介绍了fityk和gnuplot在时间寿命拟合中的应用。2.碘苯在200 nm激光脉冲泵浦下高激发态的超快光解动力学过程。结合自旋轨道耦合的从头计算(ab iniio)方法计算得到的碘苯分子沿C-I键的一维势能曲线,详细讨论了碘苯在200 nm激光脉冲激发下的光解动力学过程。在200 nm激光脉冲激发下,7B2、7A1、7B1、8B2态是可能的光学可布居态。处于7B2、7B1态的碘苯分子通过时间为75 fs的内转换快速衰减到7A1、8B2态。7A1、8B2态苯环上的高振动模被激发,然后通过内部振动能量重分布(IVR)过程弛豫,最后导致碘苯分子发生解离,IVR过程的时间为540 fs,基态碘原子的生成时间为1.2 ps。3.碘代环己烷A带和C态的超快光解动力学过程。266 nm激光脉冲激发碘代环己烷分子到A带,A带的光解是个直接快速解离过程,需要经过4A'与4A"之间的锥形交叉。从4A"演化到基态碘原子解离通道对应的解离渐近区的时间约为180 fs。200 nm激光脉冲激发到C态,C态的解离为预解离,时间尺度为600 fs左右,有来自于多重振动模式的贡献。4.液相光电子能谱仪的调试与校准。详细介绍了基于液体束技术的液相光电子能谱仪,并对我们实验室新建的液相光电子能谱仪进行了调试与校准,最后对该技术的应用与意义进行了评述和展望。

关键词：激发态动力学光解泵浦-探测飞秒时间分辨液体束

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多尺度模拟研究功能化多孔材料的气体吸附分离性能

多尺度模拟研究功能化多孔材料的气体吸附分离性能

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作者：陈伟中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)

学位级别：博士

吸附分离过程普遍存在于化工、石油、食品、轻工、环境保护等领域,而吸附分离效率很大程度上取决于吸附剂的选择。MOF和COF作为新兴材料,具有比表面积大、孔隙率高、孔容大及孔表面容易功能化改性等特点,被广泛应用到吸附分离中。然而,... 详细信息

吸附分离过程普遍存在于化工、石油、食品、轻工、环境保护等领域,而吸附分离效率很大程度上取决于吸附剂的选择。MOF和COF作为新兴材料,具有比表面积大、孔隙率高、孔容大及孔表面容易功能化改性等特点,被广泛应用到吸附分离中。然而,由于MOF和COF材料的数目庞大、种类多样,难以直接找到对特定气体有显著吸附分离性能的材料。本文围绕这一难题,以功能化修饰改性(即金属掺杂和拓扑结构调整)COF或MOF材料为研究对象,利用从蒙特卡罗(GCMC)模拟到密度泛函理论(DFT)计算的多尺度模拟方法,系统研究了吸附分离领域目前亟待解决的几个关键科学问题,如C02吸附存储分离、H2/D2分离以及C4碳氢化合物选择性吸附分离等性质,确定了材料的结构和吸附分析性能之间的构效关系,得到了一些具有应用性和指导性的结果。主要结论如下:(1)以具有特殊方酸结构的二维COF材料——SQ-COPs为母体,将锂金属定向、有序地掺杂到方酸中裸露的氧上,从而得到新材料SQ-COP-Li(1-Li和3-Li)。通过密度泛函理论计算发现,锂金属掺杂显著改变了材料的电荷分布,进而增强SQ-COP-Li对C02的吸附作用。从巨正则蒙特卡罗吸附模拟结果可知,3-Li在298 K和100 bar时对于CO2的吸附量能够达到202.0 mmol/g,能够媲美目前已被报道的在C02富集方面表现最好的三维COF;在298 K和30 bar下,3-Li的CO2吸附量为61.5 mmol/g,比之前被报道的MOF-177和IRMOF-10材料还要高出两倍。这样良好的C02富集能力不仅仅归功于锂金属掺杂,也归因于3-Li超高的比表面积(9319 m2/g)。此外,在298 K下,1-Li对于CO2/H2和CO2/CH4的吸附分离比分别达到10.3和3.6,高于传统的COF材料。更重要的是,为了对实验合成这种COF材料提供有利的指导,我们还设计了两条合成SQ-COP-Li的路线,并发现以双异丁基氨锂作为锂源合成SQ-COP-Li在热力学上更可行。(2)金属锂掺杂能够显著提升材料对气体的吸附分离性能,本文还探究了金属掺杂对D2和H2混合气体的分离的影响。通过构建金属锂掺杂团簇、碱土金属掺杂团簇和MOF材料中不饱和金属位点团簇后,并计算H2在各团簇金属位点的吸附能,发现碱土金属团簇,尤其铍掺杂对于H2的吸附能要远大于其他金属。进一步由能量分解分析发现,这些强吸附作用主要来源于金属位点与H2之间的轨道相互作用,对H2吸附作用大的金属团簇,轨道相互作用的贡献更大。随后,通过频率计算,分别得到各团簇对于H2和D2的吸附的零点能[AZPE(H2)]和[ΔZPE(D2)],根据化学亲和量子筛分(CAQS)分离H2和D2的原理,位点的对于:H2和D2的吸附的零点能之差越大,也就是{[ΔZPE(02)]-[ΔZPE(H2)]},H2和D2的吸附差别越明显,H2和D2的分离效果就越好。结果表明,对H2的吸附能越大,且吸附能中轨道作用贡献越高的金属团簇,表现出更强的H2和D2的分离效果。为了增大模拟的尺度,金属铍和锂以与团簇同样的方式分别引入到周期性MOF材料UiO-67中,得到了UiO-67-COOLi和UiO-67-O4Be2。通过基于考虑量子效应的FEYNMAN HI[BBS势函数进行GCMC吸附选择性模拟,发现UiO-67-O4Be2在10 K下的D2/H2吸附选择性可以达到40.7,要远高于UiO-67-COOLi(25.3)和UiO-67(12.1)。这表明无论是从微观,还是宏观角度进行分析,铍金属掺杂都能显著改善MOF材料的D2/H2吸附选择性。(3)除了金属掺杂改善吸附分离性质,基于拓扑结构特点调节孔道从而改善吸附性能也是功能化修饰改性的重要手段。从三维钻石拓扑的COF材料(COF-300、COF-320和azo-COF-2)出发,采用踏板效应、穿插数控制和连接基团取代来控制材料的孔道形状,并研究其对C4碳氢化合物的选择性吸附分离性能。经过周期性DFT结构优化,实验上合成出具有特定穿插数的COF-300是由层间距离和层面夹角决定的;COF-320的踏板效应会将孔道从正方形改变为哑铃型;偶氮连接的azo-COF-2会影响层面夹角,与具有二维孔道的COF-300相比,azo-COF-2的孔道从二维降低到一维。通过GCMC吸附模拟发现穿插数、踏板效应和连接基团取代能够显著影响C4碳氢化合物的吸附量,其中五层穿插的COF-300(dia-c5)拥有明显强于其他COF材料的异丁烯吸附选择性。由密度分布分析、能量分解分析和径向分布函数计算表明,在低压时异丁烯以层状堆叠的形式吸附在COF-300(dia-c5)的层与层之间,并与COF-300(dia-c5)的苯环形成π-π堆积作用;随着压力升高,吸附量增大,异丁烯

关键词：功能化多孔材料多尺度模拟吸附选择性构效关系

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超极化129Xe扩散MRI对COPD的可视化探测应用研究

超极化129Xe扩散MRI对COPD的可视化探测应用研究

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作者：阮伟伟中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)

学位级别：博士

磁共振成像（MRI）是一种无创无电离辐射的临床医学影像学方法,具有分辨率高、组织穿透深度高、软组织对比强、能够进行多参数成像等很多优点,在临床上应用广泛。然而,由于其信号来源于人体水中质子,而人体肺部属于空腔结构,因此,传统质... 详细信息

磁共振成像（MRI）是一种无创无电离辐射的临床医学影像学方法,具有分辨率高、组织穿透深度高、软组织对比强、能够进行多参数成像等很多优点,在临床上应用广泛。然而,由于其信号来源于人体水中质子,而人体肺部属于空腔结构,因此,传统质子MRI对人体肺部的影像学诊断十分有限。慢性阻塞性肺部疾病（COPD）是一种发病率和致死率都很高的肺部疾病,会大大降低患者生活质量,而且给社会造成很重的经济负担。中国的COPD患者有4400万,约占全球的70%。COPD的原发性病因是烟草烟雾,主要病理特征包括慢性支气管炎症和肺气肿。然而,目前临床上对于COPD的诊断方式比较有限,常规的肺功能测试和X-ray计算机断层扫描无法敏感可靠地对COPD中肺部微结构的改变进行探测。研究表明,利用超极化气体(3He或129Xe)肺部MRI可以实现对肺部的可视化成像,可以对肺部通气缺陷、肺部肺泡微结构、肺部氧分压、肺部气血交换等结构或者功能进行研究。基于超极化气体在肺内受限性扩散的特性,研究表明超极化气体扩散MRI与肺部微结构十分相关,对肺部微结构的改变十分敏感。目前在该方面应用的气体主要包括了 3He和129Xe。3He在地球上面的储量有限,而且存在军事的用途,价格昂贵,临床应用前景不好,因此,本研究围绕超极化129Xe的扩散MRI对COPD的可视化探测应用方面进行相关的动物实验研究,首先基于7 T的核磁共振动物成像仪器,搭建了超极化129Xe小动物肺部磁共振成像研究平台,然后主要开展了如下四个方面的研究:第一,利用超极化129Xe单b值扩散MRI对COPD模型大鼠进行可视化探测。其结果表明,利用单b值扩散MRI的方法可以获取超极化129Xe表观扩散系数（ADC）在动物肺内分布图,而且发现COPD模型大鼠中的ADC均值相比于对照组显著性增大且分布更不均匀,该结果与离体肺部生理组织切片的结果一致。第二,利用超极化129Xe多b值扩散MRI实现了对大鼠肺部微结构的可视化定量测量,以及利用该方法对轻度肺气肿大鼠肺部进行了探测。结果表明,利用超极化129Xe多b值扩散MRI的方法可以测量活体大鼠肺部呼吸性气道的外径R,内径r,肺泡深度h等参数,结果与文献中报道的结果一致,而且与离体肺部生理组织切片的结果相关性较好。特别地,首次利用这种方法获取了活体大鼠肺泡的表面体积比S/V。进一步,基于该方法的测量结果,发现超极化129Xe在肺部的纵向扩散系数DL以及肺部微结构相关参数包括r,h和S/V与对照健康组存在显著性差异（P<0.05）,该结果与生理组织切片的结果一致。根据实验结果,我们推测超极化129Xe在肺部DL对肺气肿早期敏感,横向扩散系数DT对肺气肿后期敏感。第三,利用超极化129Xe扩散峰态磁共振成像（DKI）的方法对超极化129Xe在肺部的非高斯型扩散进行了有效地描述,实现了对吸烟引起的肺部损伤的可视化探测。结果表明,超极化129Xe在肺部的扩散会随着b值的增大偏离单指数衰减而呈现非高斯型扩散的特点,而DKI模型能够很好地对该非高斯型扩散进行拟合。利用DKI模型拟合提取的相关参数包括扩散系数Dapp和峰态系数Kapp在实验模型组和对照组中表现出了显著性差异（P<0.05）。根据结果,我们认为DKI能够对肺泡的变化进行探测,对小气道相关的疾病可能也比较敏感。第四,提出了一种变定角联合激发（CVCFA）模式,适合于超极化气体扩散MRI相关实验中。超极化气体纵向磁化矢量存在不可恢复性,对于超极化气体扩散MRI而言,目前主要利用变角激发（VFA）或者间隔交替定角激发（ICFA）模式,而CVCFA模式结合了这两种传统模式的激发方法,仿真实验和活体动物实验的结果均表明,VFA模式应用于超极化气体扩散MRI,有较高的多b值拟合准确性,但是b值图像信噪比（SNR）较低,而ICFA模式虽然b值图像SNR高,但是多b值拟合准确性有限。CVCFA既能够保证较高的图像SNR,同时也具有很好的多b值拟合准确度,因此更适合于超极化气体扩散MRI相关的实验研究。

关键词：超极化氙扩散磁共振成像肺部微结构慢性阻塞性肺部疾病可视化探测

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晶格Boltzmann方法中流体力的计算

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中国科学：物理学、力学、天文学 2017年第7期47卷 165-186页

作者：闻炳海张超英方海平中国科学院上海应用物理研究所水科学与技术研究室上海201800 广西师范大学广西多源信息挖掘与安全重点实验室桂林541004

晶格Boltzmann方法是起源于动理学理论和元胞自动机的介观数值模拟方法,在模拟复杂流体运动,特别是颗粒悬浮运动和多相流等领域取得了显著的成功.在计算流体与结构之间的相互作用力时,通过引入相对速度,提出了伽利略不变的动量交换法.... 详细信息

晶格Boltzmann方法是起源于动理学理论和元胞自动机的介观数值模拟方法,在模拟复杂流体运动,特别是颗粒悬浮运动和多相流等领域取得了显著的成功.在计算流体与结构之间的相互作用力时,通过引入相对速度,提出了伽利略不变的动量交换法.该方法简单、精确、高效,而且与边界的几何形状无关;它只使用局部数据,方便实施并行计算和三维模拟;它具有良好的稳定性,流体力计算结果的波动非常小,甚至不需要进行时间平滑处理.在数值模拟多相流的研究中,基于热力学自由能理论计算非理想力,提出了同时满足热力学一致性和伽利略不变性的多相流模型.该模型物理清晰、易于实施,可以方便地配合不同的状态方程用于模拟各种多相流系统.化学势是驱动相分离和表达润湿性的有效途径,在进一步的研究中,借助化学势计算非理想力,提出了基于化学势的多相流模型.它在数学上等价于基于压力张量计算非理想力的模型,但是避免了计算压力张量和张量散度,获得了更高的计算效率.该模型配合化学势边界条件,可以有效地模拟润湿现象,其接触角可以通过表面化学势进行线性调节.

关键词：晶格Boltzmann方法流固相互作用非理想力多相流润湿性

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高稳定高效率半非平面单块激光器研制及性能优化

高稳定高效率半非平面单块激光器研制及性能优化

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作者：邓卫平中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)

学位级别：博士

高稳定高效率Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)半非平面单块激光器在光频率标准、洛伦兹对称性、激光干涉引力波探测等精密测量研究发挥着重要的作用,这些应用对激光的效率和功率稳定性的要求也在不断提高。在引力波探测中,探测激光光功率和功率... 详细信息

高稳定高效率Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)半非平面单块激光器在光频率标准、洛伦兹对称性、激光干涉引力波探测等精密测量研究发挥着重要的作用,这些应用对激光的效率和功率稳定性的要求也在不断提高。在引力波探测中,探测激光光功率和功率稳定性是影响探测信噪比和灵敏度的重要因素。为了获得高效率高功率以及高功率稳定性的激光器,本研究围绕该型激光器的泵浦技术和功率稳定开展了实验和理论分析研究,并对相关性能参数进行了优化。论文首先以激光单块谐振腔为研究对象,分析了单块晶体的结构和热稳定性,为后续激光器的研制和性能优化打下了基础。通过分析激光晶体内热量的产生机理,计算了单块晶体的热透镜效应以及晶体内的热分布,激光谐振腔工作情况下的热稳定性。根据谐振腔内的热及单块谐振腔的稳定性分析,给出了单块晶体的相关结构参数优化值,并给出了优化建议。为了研究激光器效率和功率输出的限制因素,本文搭建了 1064nm Nd:YAG单块激光实验系统,首先沿用已有的808nm间接泵浦方式获得了激光输出,测量分析了激光的输出特性,确定了限制激光器效率和功率输出的主要因素。为了进一步提高激光的输出效率和激光输出功率,降低了激光器的能耗,首次尝试采用885nm直接泵浦方式与单块晶体相结合,搭建半非平面单块激光系统。通过采用885nm直接泵浦,单块激光器的出光斜效率从51.3%提高到了 76.9%,接近激光的理论斜效率极限79%。激光的最大输出功率从3.9W提高到了 4.5W,而且在3W功率输出从无法连续长期稳定运行到能够长时间稳定运行100小时以上。激光的光束质量M2为1.12,接近理想高斯光斑。此外还对激光的光谱特性进行了测量。在上述激光器研制的基础上,我们着重对激光功率稳定性进行了优化。在理论上建立了激光强度噪声模型,并从中到了强度噪声谱的理论值。对激光强度噪声进行了测量,噪声的测量值与理论模型得到的谱是相符合的。通过理论噪声模型,定量分析了激光强度噪声中各部分噪声对激光强度噪声的贡献,确定了激光弛豫振荡噪声和泵浦噪声是激光器强度噪声的主要来源。此外,还对激光弛豫振荡噪声特性进行了分析,讨论了激光弛豫振荡噪声抑制电路设计的详细方案。在实验上进一步研究激光强度噪声的抑制。设计和分析了采用光电反馈的方式进行激光强度噪声抑制的方案,通过高增益、宽带宽的电路分别对高频噪声(100kHz-5MHz)和低频噪声(～10mHz-100kHz)进行了主动控制。在 100kHz-5MHz实现了激光弛豫振荡噪声抑制,弛豫振荡频率处相对强度噪声从1E-5/Hz1/2降低到7E-8/Hz1/2,噪声抑制比超过40dB。在0.01Hz-10Hz处,相对强度噪声从1E-2/Hz1/2降低到了 2E-4/Hz1/2,接近空间引力波探测对激光强度噪声的要求;在100Hz-3kHz激光强度噪声从1E-5/Hz1/2降低到4E-7/Hz1/2,相对激光强度噪声接近激光的量子噪声极限;在2kHz-1 00kHz,强度噪声抑制从1E-5(1/Hz1/2)降低到1E-6(1/Hz1/2),还需要进一步提高抑制效果。通过该研究提高了激光的效率,延长了激光高输出功率运转时的长期稳定性和可靠性,也验证了两种不同泵浦方式下的激光的强度噪声特性。这些工作为高稳定高效率激光器的研制和性能优化在光频标、洛伦兹对称性检验和引力波探测中空间激光器的高稳定激光的应用打下了重要的基础。

关键词：精密测量 Nd:YAG激光半非平面单块激光器 885nm直接泵浦斜效率弛豫振荡激光强度噪声抑制

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