具有高稳定性以及光催化产氢活性的奇数环状异金属钛氧纳米团簇

利用太阳能是解决当前能源危机和环境问题的有效途径.二氧化钛是一种稳定性高、环境友好的新型光催化剂.近年来,具有精确结构信息的晶态钛氧团簇(PTCs)作为TiO₂的分子结构模型受到广泛关注.目前大多数PTCs含有烷氧基,在空气中易发生水解.这在很大程度上限制了对其光催化性能的研究.在无机钛氧簇的外围修饰大量的共轭有机配体是一种有效提升PTCs稳定性的方法.此外,异金属的嵌入有助于修饰微观电子结构,从而也将影响光催化性能.铝是地球上最丰富的金属元素,其水解产物也大量存在于地壳表面.因此,Ti和Al的水解和光催化研究引起了我们的兴趣.目前,只有少数几例低核的Al掺杂PTCs晶态材料被报道,且其制备过程都需要多步反应.因此,合成高核的包含Al的PTCs材料是一项有趣且充满挑战的工作.本文利用有机配体的保护和异金属离子的掺杂成功地提高了PTCs晶体材料的稳定性.通过研究Ti和Al离子的水解,制备了一例核-壳型的纳米轮簇[Al₇Ti₁₄(μ2-O)₇(μ3-O)₁₄(L)₃₅]·2CH₃CN(1;L=苯甲酸).该轮簇中包含罕见的奇数环状结构,是目前核数最高的包含Al的PTC.借助单晶X射线衍射可以清晰观察到无机{Al₇Ti₁₄}核与有机保护配体之间的配位模式.此外,利用红外光谱、热重和漫反射光谱对该化合物进行了进一步表征.有机配体层和Al³⁺占据了T_i⁴⁺周围的烷氧基位点,使得该化合物呈现较高的空气、热以及酸碱稳定性.在已报道的PTCs晶态材料中,该化合物也展现出较高的光催化产氢速率(402.88μmol g^-1h^-1).借助催化过程中的光致变色现象、电子顺磁共振谱、荧光光谱以及光电流响应,我们推测了该化合物催化水分解产氢机理.该项工作不仅为制备稳定的PTCs材料提供了基础,也为新型光催化剂的设计提供了新的思路.     

对数饱和非线性介质中的自洽多模高斯孤子解

通过解对数饱和非线性介质中光场满足的非线性薛定谔方程,得到一组厄米-高斯型的自洽多模解.在借鉴了R.G.Glauber的相干态理论的基础上,合理假设这组解在非线性介质中呈泊松分布,进而得到了在对数饱和非线性介质中存在高斯孤子的结论,并获得高斯孤子解、非线性系数与泊松参量三者之间的关系.该关系说明,若在介质中存在高斯孤子解,其非线性系数必须满足条件a≥1.当α=1,在介质中仅存在单模高斯孤子,其光斑尺寸必须满足的条件W=1/k n0/n2.在该条件下,以"束腰"注入介质中的高斯光束才可以在保持其光斑尺寸不变的情况下传输,否则光斑尺寸会存在一定的振荡.而振荡方式、振荡范围(表示光斑尺寸展宽或压缩及大小)与输入光束光斑尺寸及其一次导数有直接关系.     

高斯光束在克尔型非线性介质中的演化特性

由光束在克尔型吸收介质中传输的非线性薛定谔方程,推导了高斯光束注入介质后满足的耦合方程,并分别在不考虑吸收和高阶展开项的情况下,对脉冲的腰斑半径的演化进行了理论分析。发现当注入脉冲满足一定的条件时,脉冲可以以“孤波”的形式传播。当考虑吸收和高阶展开项时,脉冲不存在“孤波”形式,且存在一个阈值,低于阈值的输入,脉冲发生自聚焦;对高于阈值的输入,腰斑半径随着距离的增加而增加,聚焦趋势根本就不存在。     

声速测量实验中声场分析

本文针对超声波声速测量实验中出几个问题进行了讨论,并通过数值计算,说明了超声波能量化趋势,并对影响测量精度的因素进行了有益的讨论.     

激光冷却原子

爱因斯坦认为,光是由光子组成的,光子是场的粒子,光子像实物粒子一样,也具有一定的动量p=E/c=hv/c=mc2/c=mc,因为光的速度很大c=3×108m/s,所以光子的运动质量就很小了.光子的动量如此之小,以致于我们在日常生活中几乎感觉不出它来.但是,对一个质量很小的原子来说,当它和光子相互作用时,光子动量就会引起原子的速度有可观的变化.     

Bessel光束的矢量分析及其能流密度的特征

通过比较自由空间Besssel光束标量解E(r,t)满足的方程和光场矢量E(r,t)与矢量势A(r,t)之间的关系表达式,利用Bessel的特点,合理构造了矢量势A(r,t)的具体形式,推导出电场量E(r,t)的磁场量B(r,t)各分量满足的具体形式。通过数值计算,给出电场E(r,t)在不同参数θ,φ下与径向坐标ρ之间的关系图线(图1,图2),发现由方程(6)描述的标量解仅是矢量场E(r,t)(方程15描述)在小θ下的近似。通过对能量传输特性的讨论,说明“超光速”的提法是不恰当的。     

(2+1)维光学孤子在饱和非线性介质中的模式特征

从非线性Schrdinger方程出发,应用数学解析的方法,详细讨论了在饱和非线性介质中(2+1)维空间光学孤子存在满足物理意义的自洽解的条件,给出数值计算所需要的边界条件。通过数值计算,给出了基模和一阶模在某一组参数下的部分模式的光场慢变包络、光强度的二维和三维分布的直观图形,以及相应能量(无量纲)。结果表明,孤子的存在不是任意的,而是依赖于一定的能量。当光脉冲能量不足以支持孤子的存在时,其解呈振荡形式,说明不存在孤子解。同时还给出介质的饱和参数、孤子在传播方向上的波矢k对孤子模式的影响等有意义的结论。     

直接利用磁场和温度精确确定磁性材料La0.67Ca0.33MnO3和Pr0.7Sr0.3MnO3的电阻率

电阻率是研究钙钛矿结构锰氧化物磁性材料的重要参数之一,它与温度和外加磁场有密切关系.本文的工作之一是寻找合适的方法,确定在金属-绝缘体转换过程中,不同磁场情况下,材料La0.67Ca0.33MnO3和Pr0.7Sr0.3MnO3的电阻率随温度变化的数学解析关系.通过非线性数值拟合,找到了满足这一关系的函数为双曲正切修正的高斯函数.同时,获得金属-绝缘体转换时居里温度Tc满足的微分方程以及与该温度对应的最大电阻率ρmax.本文的另一个工作是寻求最大电阻率ρmax和磁场之间的函数关系,发现采用玻尔兹曼函数可以精确反映两者之间的数学联系.两项工作得到的数学拟合结果与实验数据之间的最小相关系数为0.998,最大平均相对误差4.35％,说明数据拟合的结果与实验结果十分符合.     

高斯光束在对数型非线性介质中自诱导效应

从标量Helmholtz方程出发,推导了对数饱和非线性介质中光场满足的非线性Schr dinger方程(NLSE)。通过与梯度折射率下的光场满足的方程比较,发现高斯光束在对数型饱和非线性介质中可自诱导梯度折射率。利用数值计算,详细地讨论了自诱导梯度折射率对高斯光束传输特性的影响。发现高斯光束在其自诱导的梯度折射率的影响下,呈振荡形式的准稳定的传输。光束注入介质中的初始状态,直接影响着光束的振荡形式(先发散还是先聚焦)、振荡深度(幅度)、振荡周期。得到高斯光束形成孤子的条件,以及若使高斯光束在对数饱和非线性介质中保持小损耗、高稳定的传输,应该使光束在阈值(孤子条件)附近注入介质的结论。     

太赫兹光脉冲在生物介质中传播的蒙特卡罗法模拟

太赫兹光脉冲照射生物组织,利用蒙特卡罗方法模拟光脉冲在生物介质内的散射传播过程。光脉冲准垂直入射的情况下,得到了介质表面总漫反射率和总漫透射率与介质散射系数、吸收系数、平均散射余弦,以及介质厚度之间的关系;散射系数越大,总漫反射率越大;平均散射余弦值越小,总漫反射率也越大;同时总漫反射光强随着介质厚度的增加而增大,但存在一个极限值。