Author Affiliations
Abstract
1 Wuhan National Laboratory for Optoelectronics and School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
2 Optics Valley Laboratory, Wuhan 430074, China
Optical vortex arrays, with their unique wavefront structures, find extensive applications in fields such as optical communications, trapping, imaging, metrology, and quantum. The methods used to generate these vortex beam arrays are crucial for their applications. In this review, we begin with introducing the fundamental concepts of optical vortex beams. Subsequently, we present three methods for generating them, including diffractive optical elements, metasurfaces, and integrated optical devices. We then explore the applications of optical vortex beam arrays in five different domains. Finally, we conclude with a summary and outlook for the research on optical vortex beam arrays.
optical vortex array topological charge number orbital angular momentum vector beam Chinese Optics Letters
2024, 22(2): 020011
1 华东师范大学 精密光谱科学与技术国家重点实验室 上海 200241
2 重庆市精密光谱重点实验室 华东师范大学重庆研究院 重庆 401120
3 山西大学 极端光学协同创新中心 山西 太原 030006
等离激元金属纳米结构中的Fano共振,由于其在超灵敏传感、超材料、光开关和非线性光学器件等方面的潜在应用而引起了广泛的关注。但在单颗粒尺度下单个金属纳米二聚体结构的Fano共振的实验研究仍然很少。本研究基于单颗粒光谱技术从实验上探讨了二聚体结构产生的Fano共振现象。利用种子生长法制备了等离激元共振峰分别在1 060 nm和700 nm的一长一短金纳米棒,通过L-半胱氨酸分子的静电吸附自组装构建首尾相连的金纳米棒二聚体结构,在暗场显微系统中表征了金纳米棒二聚体耦合前后的散射光谱。结果表明,短金纳米棒的明偶极模式与长金纳米棒的暗四极模式间的相消干涉在660 nm处产生了明显的Fano共振谷,同时基于有限差分时域(FDTD)方法的理论模拟散射光谱与实验结果能够较好地符合。这种自组装金纳米棒二聚体在等离激元传感和探测等方面具有广阔的应用前景。
Fano共振 二聚体 金纳米棒 散射 fano resonance dimer gold nanorods scattering 量子光学学报
2023, 29(2): 020801
1 中国科学院电工研究所, 北京 100190中国科学院大学, 北京 100049
2 中国科学院电工研究所, 北京 100190
高压套管是电力系统的核心部件, 对高压套管的绝缘状态进行检测具有重要的实际意义。 由于目前常见的绝缘状态在线监测设备难以适用于安装位置特殊、 体型较小的高压套管, 研发适用于高压套管的检测系统势在必行。 相较于传统金属结构的光声池, 采用全绝缘结构光声池能够在进行原位检测时不形成悬浮电位, 从而能够规避在高压套管内引发局部放电等故障, 是对高压套管绝缘状态进行检测的理论可行方案之一。 探究了适用于高压套管检测的原位检测系统重要部件全绝缘结构光声传感器的可行性。 分别从基本原理、 仿真计算及实验验证三个方面对全绝缘结构光声池进行了分析及论证。 首先, 就光声池材料对光声信号的影响进行了理论分析, 讨论了相较于传统黄铜材料, 由绝缘材料石英制成的光声池可能存在的问题。 然后, 在此基础上采用COMSOL Multiphysics建立了共振式光声池的仿真模型并进行了声学和热学相关计算, 对理论分析的结果进行验证, 并分析了实际情况下石英光声池的理论表现。 最后, 建立基于石英光声池的光声光谱检测系统实验平台, 结合波长调制及二次谐波方法对微量乙炔气体进行定量检测, 用于对石英光声池的可行性进行验证。 仿真计算结果表明, 类似于黄铜材料, 石英材料光声池同样具备对微量气体进行定量检测的能力。 实验结果表明, 基于石英光声池的检测系统对乙炔气体的检测极限能够达到0.16 μL·L-1, 满足相关标准中油浸式电气设备对乙炔检测的需求。 因此, 以石英为材质的共振式光声池具备应用于高压套管原位检测的潜力。
光声光谱 光声池 绝缘材料 仿真计算 Photoacoustic spectroscopy Photoacoustic cell Insulating material Simulation calculation 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2922
1 西安电子科技大学 微电子学院, 西安 710071
2 北京轩宇空间科技有限公司, 北京 100190
3 西安电子科技大学 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室, 西安 710071
针对基于静态结构特征的机器学习方法对门级硬件木马检测结果检测率不高的问题，提出了一种基于级联结构特征的硬件木马检测方法。利用共现矩阵进行特征构建，并使用多对多结构的堆叠式长短期记忆网络(Long Short-Term Memory，LSTM)进行木马特征的训练与识别。实验结果表明，该方法在Trusthub的15个基准网表中获得了93.1%的平均真阳性率(TPR)、99.0%的平均真阴性率(TNR)和79.3%的F1-score。实验结果优于现有方法。
硬件木马 长短期记忆 硬件木马检测 门级网表 hardware trojan long short-term memory (LSTM) HT detection gate-level netlist
1 西安电子科技大学 微电子学院， 西安 710071
2 北京轩宇空间科技有限公司， 北京 100190
随着工艺节点的缩小，集成电路规模的增加，集成电路设计过程中逻辑等价性检查在确保设计功能正确性方面起着重要作用。文章研究了组合电路逻辑等价性检查技术，针对该领域常用的DPLL和CDCL算法存在的问题，提出了一种基于蒙特卡洛树搜索的改进算法。通过对ISCAS85测试集的一个子集的实验，证实该算法对CDCL算法有一定的改进，应用于组合电路等价性检查的平均运行时间减少了20%。
等价性检查 组合电路 可满足性问题 equivalence checking combinational circuit satisfiability problem (SAT) EDA EDA
世界各国目标信息获取与应用需求日益迫切，各国纷纷着力开展新型的目标信息获取技术研究，针对各类目标，尤其是对空中目标进行高效信息获取。在现今的信息化社会中，新型信息获取技术意义重大，可以促进社会发展、提升人民生活水平，同时在完善**体系，保障国民安全方面也作用显著。因此，对新型目标信息获取技术的研究十分必要。基于大气扰动的目标探测技术作为一种新型的信息获取技术体制，利用目标飞行时形成的大气扰动进行目标探测具有不受目标自身性能影响的显著优势，应用潜力巨大。此篇综述基于大气扰动的目标探测技术，对目标大气扰动检测中图像处理方法进行研究，主要分为互相关方法、光流方法、帧间差分法、背景减除法四个方面，阐述其国内外研究进展，分析其技术优劣势及发展技术途径，最后对四种方法以及目标大气扰动图像处理方法未来的发展方向进行展望与总结。
大气扰动 图像处理方法 目标探测 atmospheric disturbance image processing methods target detection 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230044
1 四川大学 电气工程学院
2 四川大学 水利水电学院， 成都 610065
针对探地雷达回波图像特征不突出，工作人员现场解译时间长，准确率不高的问题，提出一种基于YOLOv7改进的回波图像识别方法GSR-YOLOv7。首先使用GhostConv替换YOLOv7卷积层的卷积核以减小参数量; 引入SimAM注意力机制提高特征学习能力; 通过对感受野模块RFB卷积核的复用，增大感受野; 同时引入改进EIoU损失函数提高模型分类能力和回归精度。基于道路回波图像数据集的实验结果表明，改进后的模型MAP50达到了97.57%，MAP50∶95达到了73.13%，较YOLOv7分别提高2.13%和8.46%，模型大小减小了35%。所提出的GSR-YOLOv7模型对于回波目标的检测效果较好，适用于移动端系统，对于体积小、算力低的平台具有较大应用价值。
探地雷达 目标检测 YOLOv7 YOLOv7 GPR SimAM SimAM Ghost Ghost EIoU EIoU object detection
1 中铁十八局集团第二工程有限公司，唐山 063000
2 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083
3 中国铁道科学研究院，研究生部，北京 100081
4 中国铁道科学研究院集团有限公司，高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081
针对高原地区桥墩混凝土服役环境的特点，探究矿物掺合料对桥墩混凝土性能的影响效果。采用Box-Behnken Design响应面法(RSM-BBD)设计了15组试验，详细研究了粉煤灰、矿渣和硅灰掺量对混凝土强度和冻融性能的影响规律。以28 d抗压强度、200次冻融循环后混凝土质量损失率和相对动弹性模量为响应值构建响应面模型，旨在揭示响应参数和目标响应值的相关关系及多目标响应值条件下桥墩混凝土的合理配合比。结果表明，与基准组混凝土相比，适量的矿物掺合料有利于提高混凝土强度，增强混凝土的耐低温冻融性能。混凝土的强度和抗冻融性能主要受单因素的影响，其中矿渣和硅灰能提高混凝土的抗压强度，粉煤灰和硅灰则可以提高混凝土的抗冻融性能。各因素的交互作用对混凝土各性能有不同程度的影响，其中矿渣和硅灰掺量的交互作用对28 d抗压强度影响显著，粉煤灰与硅灰掺量的交互作用对质量损失率影响显著，粉煤灰与矿渣掺量的交互作用对相对动弹性模量影响显著。基于目标响应值和响应优化，本试验条件下矿物掺合料的合理配合比为粉煤灰、矿渣和硅灰掺量分别为20%、15%和10%(质量分数)。
桥墩混凝土 BBD响应面法 矿物掺合料 抗压强度 冻融循环 质量损失率 相对动弹性模量 bridge pier concrete RSM-BBD mineral admixture compressive strength freeze-thaw cycle mass loss rate relative dynamic elastic modulus
1 北京空间机电研究所, 北京 100076
2 北京邮电大学，北京100876
在大温差条件下，由于温度剧烈变化导致红外光学系统成像质量变差。用于机载林火监测的大视场中波红外相机工作环境变化剧烈，对杂散辐射要求较高。为保证光学系统在要求的大视场和大温差条件下具有稳定的性能和良好的成像质量，通过基于消热差的设计方法和基于噪声等效温差的杂散辐射综合评价方法，设计了一套制冷型中波红外光学系统。该光学系统由6片透镜和1片滤光片组成，工作波段为3.7~4.8 μm，F数为2.5，焦距为62.5 mm，视场为14.36°×10.87°，探测器采用640×512 阵列中波制冷型探测器，通过采用硅、锗材料组合，合理分配光焦度，实现了消色差和消热差设计，通过冷反射优化和冷光阑匹配设计，较好地抑制了系统的杂散辐射噪声，通过引入少量非球面优化，在满足指标要求的情况下，对高阶像差进行了校正。结果表明，光学系统在−55~+70 °C温度范围内，成像质量稳定良好。
中波红外 制冷型探测器 消热差 冷反射 medium wave infrared cooled detector athermalization cold reflection
西北大学 信息科学与技术学院，陕西西安710127
针对目前的点云配准方法在处理秦俑等文物模型时不能很好地解决分辨率不匹配、点云部分重叠、噪声点较多等问题，提出一种基于动态图注意力机制的ResUNet配准模型。该模型将残差模块融入U-Net网络中，使用三维稀疏体素卷积计算点云特征，并引入一种新的归一化技术：批邻域归一化（Batch-Neighborhood Normalization， BNHN），来提高特征对于点密度变化的鲁棒性；为了进一步提高配准性能，该模型通过自注意力机制和交叉注意力机制聚合局部特征和上下文特征，最后结合随机抽样一致性算法来估计源点云与目标点云之间的变化矩阵，完成秦俑文物模型的鲁棒配准。为了验证本文方法的有效与鲁棒，使用四组数据集（3DMatch、3DLoMatch、分辨率不匹配的3DMatch数据集以及两组秦俑数据）对配准模型进行测试，实验结果表明，该算法在3DMatch数据集和3DLoMatch数据集上的配准召回率分别达到90.1%和61.0%；在分辨率不匹配的3DMatch数据集，相比与基于特征学习的配准算法，该算法在配准召回率上提升了5%~20%；在秦俑数据集上，相对旋转误差均小于0.071，相对平移误差均小于0.016，相较于同类算法减少了一个量级或几倍。因此，本文的模型能够提取三维点云的关键特征信息，并且对点密度和重叠度变化具有更高的鲁棒性。
点云配准 动态图注意力机制 低重叠点云 点密度变化 残差网络 point cloud registration dynamic graph attention mechanism point clouds with low overlap point density changes residual network 光学 精密工程
2022, 30(24): 3210
