1 山东科技大学电子信息工程学院, 山东 青岛 266590
2 青岛市太赫兹技术重点实验室, 山东 青岛 266590
3 北京理工大学集成电路与电子学院, 北京 100081
4 北京市毫米波与太赫兹技术重点实验室, 北京 100081
在太赫兹通信技术快速发展的背景下, 建筑遮挡、恶劣天气等原因导致的复杂、弥散信道对通信安全性、可靠性提出新的挑战。太赫兹通信的保密属性在通信网络的广域性下隐含泄露、窃听等风险, 研究现有的加密和防窃听手段在太赫兹通信中的可行性, 推动物理层安全技术的创新与应用, 实现信息的稳定安全传输, 成为具备研究价值的热点问题。本文从安全通信角度出发, 分析部分现有物理层加密与防窃听方法, 总结其在太赫兹通信领域中的融合应用与效果, 并对其未来发展趋势进行展望。
太赫兹通信 物理层安全 加密 防窃听 terahertz communication physical layer security encryption anti-eavesdropping 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(3): 301
山东科技大学电子信息工程学院, 青岛市太赫兹重点实验室, 山东 青岛 266590
随着人口的增长和社会的迅速发展, 水资源短缺和水污染问题日益严重。 水质分类作为水质污染评估工作中的一项重要环节, 其意义和作用也更加突出。 基于太赫兹衰减全反射(THz-ATR)光谱和模式识别技术, 提出了一种水质分析模型。 利用太赫兹时域光谱系统和衰减全反射模块测量了纯净水、 自来水、 河水、 海水A和海水B五种水样的太赫兹衰减全反射光谱, 通过光学参数提取模型获得0.2~1.0 THz频率范围内五种水样的折射率、 吸收系数、 介电常数实部和介电常数虚部。 利用主成分分析(PCA)对折射率进行降维和特征提取, 分别作出样品在第一、 二主成分上的二维得分图和前三个主成分上的三维得分图, 结果显示, 基于折射率的主成分得分图可以明显的区分不同的水样。 为了进一步对不同水样进行准确分类, 将降维之后的数据输入到支持向量机(SVM)中构建水样分类模型, 每种水样随机选取其中的五分之三作为训练集, 剩余的数据作为测试集, 同时引入网格搜索(GridSearch)、 遗传算法(GA)和粒子群(PSO)三种优化算法对支持向量机参数进行优化。 结果显示, 基于网格搜索算法的支持向量机最优参数c和g分别为1.414 2和2.0, 准确率为99.0%; 基于遗传算法的支持向量机最优参数c和g分别为1.675 4和5.966 5, 准确率为99.5%; 基于粒子群算法的支持向量机最优参数c和g分别为3.154 9和12.589, 准确率为100%。 可以看出, 使用不同的优化算法得到的最优参数不同, 所构建的支持向量机分类模型都可实现正确的分类, 且分类准确率均高达99.0%以上。 研究结果表明, 利用粒子群优化算法基于折射率构建的PCA-SVM分类模型效果最优, 可以准确识别不同水样, 为水质分类奠定了基础。
太赫兹 衰减全反射 主成分分析 支持向量机 Terahertz Attenuated total reflection Principal component analysis Support vector machine 
1 山东科技大学电子信息工程学院, 青岛市太赫兹重点实验室, 山东 青岛 266590
2 中国电子科技集团公司第四十一研究所, 山东 青岛 266555
3 青岛海关技术中心, 山东 青岛 266002
4 阿拉山口海关技术中心, 新疆 阿拉山口 833400
玉石是一种稀有的矿物质, 自古以来备受国人喜爱, 其真伪鉴别一直是珠宝鉴别行业的棘手难题, 传统的鉴别方法已经难以实现对真假玉石的准确鉴别。 太赫兹检测技术可以实现快速无损检测, 在混合物的分类鉴别方面, 有广泛的应用。 基于太赫兹时域光谱技术和模式识别技术, 对来自我国新疆、 青海, 以及巴基斯坦、 阿富汗四个地区的软玉样品及玻璃、 大理石、 石包玉三种仿品, 使用透射模式测得样品在0.1~1.5 THz频率范围内的太赫兹谱, 通过参数提取得到其折射率谱线。 由于其化学成分的复杂和多样性, 仅靠其特征谱线图, 并不能正确的区分软玉和仿品, 为了更好的对其进行鉴别, 需要建立分类模型。 采用主成分分析(PCA)对实验得到的原始折射率数据进行降维和特征提取, 作出样品在第一、 二主成分上的二维得分图, 在图中可以看出软玉和仿品能够很明显的区分开来。 在经过降维处理之后的数据中, 随机选取其中的四分之三作为训练集, 剩下的作为测试集, 输入到支持向量机(SVM)建立的分类模型中, 并引入网格搜索(GridSearch)、 遗传算法(GA)和粒子群算法(PSO)对支持向量机参数进行优化。 结果显示, 基于网格搜索的支持向量机最优参数c=2.828 4, g=2, 识别率为97.7%, 运行时间为1.39 s, 用时最短; 基于遗传算法的支持向量机最优参数c=1.740 1, g=4.544 6, 识别率为98.3%, 运行时间为3.6 s; 基于粒子群算法的支持向量机最优参数c=11.287 2, g=1.833 1, 识别率为98.6%, 运行时间为6.13 s, 用时最长。 虽然三种优化算法得到的最优参数不同, 但均可实现正确的分类。 研究结果表明, 使用太赫兹时域光谱技术结合模式识别方法可以快速、 准确的鉴别软玉和仿品, 这为玉石的鉴别提供了一种新手段。
软玉 太赫兹时域光谱 主成分分析 支持向量机 Nephrite Terahertz time-domain spectrum Principal component analysis Support vector machine 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3352
山东科技大学电子信息工程学院, 山东 青岛 266590
啶虫脒是一种氯吡啶类新烟碱类杀虫剂, 由于其对昆虫烟碱乙酰胆碱受体的结合选择性而成为最常用的杀虫剂之一。 为研究啶虫脒在太赫兹波段的指纹特征与其结构信息之间的关系, 利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术并结合密度泛函理论(DFT)对啶虫脒晶体的太赫兹吸收光谱进行了实验研究和理论模拟。 利用THz-TDS技术测量了室温下啶虫脒在0.3~3.3 THz频段的特征吸收谱, 发现啶虫脒晶体在该频段内有多处强度不同的特征吸收峰, 分别位于1.08, 1.38, 1.97, 2.54, 2.89 THz处, 这些特征吸收峰构成了用于检测啶虫脒的THz指纹谱。 为更好地理解啶虫脒太赫兹实验特征谱产生的理论机理, 基于密度泛函理论分别对啶虫脒孤立分子模型和晶胞模型进行了理论模拟计算。 单分子模型的理论计算在Gaussian09软件中进行, 采用基于密度泛函理论的B3LYP杂化泛函方法, 并选取6-311G(d, p)基组进行几何优化, 并在相同水平上进行振动频率计算, 模拟结果与实验数据存在一定的差异, 说明单分子模拟存在一定的局限性。 晶胞模型的理论计算在Materials Studio 8.0中适合计算周期性结构的CASTEP模块中进行, 采用基于平面波赝势和广义梯度近似(GGA)的PW91, PBE, PBEsol和WC四种交换相关泛函对啶虫脒晶胞模型进行几何优化和晶格动力学计算。 将啶虫脒单分子和晶胞的理论模拟结构参数(键长、 键角)分别与其X射线衍射(XRD)实验测量的结构参数进行了详细的比较分析, 发现基于PBE方法获得的固态仿真结果中分子的结构参数与X射线衍射实验数据的一致性最好。 同时用PBE方法获得的理论仿真谱与实验吸收谱也最为吻合。 基于PBE的计算结果对实验特征吸收峰进行了振动模式指认。 研究结果表明, 啶虫脒晶体在太赫兹频段的特征吸收主要来源于晶体中以C—H…N氢键为主的分子间弱相互作用带动的集体振动模式, 以及由分子内吡啶环的平动和甲基基团的扭动所引发的骨架振动。
啶虫脒 太赫兹 氢键 密度泛函理论 晶胞 Acetamiprid Terahertz Hydrogen bond Density functional theory Unit cell 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2012
深圳大学物理与光电工程学院, 广东 深圳 518060
火焰的速度测量是燃烧力学和流体诊断中的研究内容之一, 对于燃烧成分分析和推进动力学具有重要研究意义。 激光多普勒速度测量学测量精度高, 但由于测量过程本身的复杂性以及其在低速测量中的误差增大使得该方法的应用受到限制, 因而光热偏转光谱法在面向低中速流体测量时具有较好的实用价值。 光热偏转光谱法测速使用一束泵浦光入射到被测介质中, 由于流体介质中成分吸收光后形成热透镜分布, 当一束探测光入射到介质中时, 由于热透镜移动使探测光产生偏折, 通过测量探测光相对泵浦光的高度和信号偏转对应的飞行时间, 可得到流体的速度。 通过自建泵浦探测光热偏转实验装置, 使用单脉冲能量为20 mJ、 波长为355 nm的泵浦光和功率为2 mW、 波长为632.8 nm的连续探测激光对煤油火焰的不同位置进行了速度测量, 测量装置的空间分辨率为2×10-5 cm3。 对距煤油灯芯高度5, 8和11 mm处的火焰平面进行了速度测量, 得到了火焰对应的水平速度分布, 发现在接近火焰下方的位置, 同一水平面的火焰外部速度高于内部速度; 在接近火焰上方位置, 同一水平面的火焰内部速度高于外部速度; 同一平面的速度分布接近于抛物线形分布。 对距火焰中心±2 mm的三个竖直平面进行速度分布测量, 得到了对应竖直面的速度分布, 发现竖直中轴线上靠近火焰底部的点速度慢于两侧, 上部的速度快于两侧, 同上述水平速度分布测量得到的结论一致。 实验所测得的火焰速度在0.2~1.5 m·s-1之间。 通过使用单脉冲能量分别为20, 40和60 mJ泵浦激光, 分析了介质击穿在速度测量过程中引入的误差。 通过进一步优化系统信噪比, 光热偏转光谱法作为流体速度测量的有力工具将可实现对温度和浓度等参数的测量并用于燃烧诊断。
光热偏转光谱 火焰速度 差分测量 燃烧诊断 Photothermal deflection Flame speed Differential measurement Combustion diagnosis 光谱学与光谱分析
2020, 40(11): 3353
Author Affiliations
Abstract
1 College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China
2 College of Electronic and Information Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China
With a Nd:ScYSiO5 crystal, a high peak power electro-optically Q-switched 1.0 μm laser and tri-wavelength laser operations at the 1.3 μm band are both investigated. With a rubidium titanyle phosphate (RTP) electro-optical switcher and a polarization beam splitter, a high signal-to-noise ratio 1.0 μm laser is obtained, generating a shortest pulse width of 30 ns, a highest pulse energy of 0.765 mJ, and a maximum peak power of 25.5 kW, respectively. The laser mode at the highest laser energy level is the TEM00 mode with the M2 value in the X and Y directions to be Mx2 = 1.52 and My2 = 1.54. A tri-wavelength Nd:ScYSiO5 crystal laser at 1.3 μm is also investigated. A maximum tri-wavelength output power is 1.03 W under the absorbed pump power of 7 W, corresponding to a slope efficiency of 14.8%. The properties of the output wavelength are fully studied under different absorbed pump power.
140.3380 Laser materials 140.3540 Lasers, Q-switched Chinese Optics Letters
2019, 17(11): 111403
1 合肥工业大学 特种显示技术国家工程实验室 现代显示技术省部共建国家重点实验室 光电技术研究院, 安徽 合肥 230009
2 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院, 安徽 合肥 230009
为了降低直下式背光的厚度并提升亮度, 设计了一种光学增亮膜。基于Snell定律设计了对单个LED发出光线起均匀照度作用的二维微结构曲线。该微结构曲线是把LED看做理想点光源设计并计算的, 但考虑到实际的LED是一个正方形发光面, 因此对该微结构曲线进行了优化, 提升了它对实际尺寸LED的均匀照度作用。根据LED的排布规律提出了一种正六边形蜂窝拼接排布方案, 并进行了仿真分析。仿真结果表明: 使用光学增亮膜的背光中心亮度提升了172.4%。根据微结构设计结果采用无掩膜直写光刻工艺制作了实际样品并进行了效果测试, 测试结果表明: 中心亮度提升了136.2%, 厚度降低了13 mm。采用本文设计的光学增亮膜可以有效地提高背光亮度同时降低背光厚度, 满足汽车抬头显示器的直下式背光亮度高、体积小的要求。
直下式背光 微结构 增亮膜 抬头显示器 direct-lit backlight microstructure brightness enhancement film head-up display
山东科技大学 太赫兹研究中心 青岛市太赫兹技术重点实验室, 山东 青岛 266950
近20年, 太赫兹科学技术发展迅速, 太赫兹波与物质之间的相互作用成为研究热点。理论推导并实验验证了一种提高太赫兹波段材料折射率、吸收系数等参数测量精度的方法。以两种厚度的高密度聚乙烯板(3.5 mm、5.0 mm)为样品, 将不等光程测量法与常规太赫兹时域光谱测量方法进行比较, 分别获得了0.5~2.5 THz频率范围的高密度聚乙烯的折射率和吸收系数, 结果显示两种方法测量样品的折射率和吸收系数有较大的差异。常规法和不等光程法得到的折射率分别为1.505和1.483。常规法在1.465 THz附近出现一个峰值, 而不等光程法得到的吸收系数在1.166 THz和2.431 THz出现特征吸收峰。证明不等光程法能更加精确提取材料光学参数, 并可以揭示常规方法无法测得的材料特征吸收峰, 为太赫兹波段精确测量材料光学参数提供了新的方法。
太赫兹时域光谱技术 光学参数 折射率 吸收系数 terahertz time-domain spectroscopy technology optical parameters refractive index absorption coefficient 红外与激光工程
2017, 46(4): 0417002
Author Affiliations
Abstract
1 College of Electronic, Communication and Physics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China
2 Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Science, Shanghai 200050, China
3 State Key Laboratory of Crystal Materials, Shandong University, Ji’nan 250100, China
In this Letter, we demonstrate the anisotropy of laser emission in disordered Nd:ScYSiO5 (Nd:SYSO) crystals cut along the optical indicatrix axes. High-powered lasers with different oscillation wavelengths and polarizations are realized by using different oriented crystals as gain media. For Y-cut crystals, the dual-wavelength laser vibration direction is found to be along the X axis and a maximum output power of 9.43 W is obtained, giving an optical-to-optical conversion efficiency of 48.8% and a slope efficiency of 51.3%. For X- and Z-cut crystals, 1075 and 1078 nm lasers operating orthogonally polarize oscillate with total output powers of 7.07 and 8.43 W, respectively. The experimental results reveal that the intrinsic anisotropy for the monoclinic disordered laser crystals could make laser design flexible and controllable.
140.3380 Laser materials 140.3540 Lasers, Q-switched Chinese Optics Letters
2016, 14(2): 021406
