南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院，江苏 南京 210023
通过理论计算与量子计算模拟机模拟两种方法研究了波-粒量子行走的演化过程与性质。通过量子控制操作使量子行走中的行走者处于相对相位的波-粒相干叠加态。利用后选择操作实现了量子行走以相干和混合两种不同方式，从多路径相干的波的状态到无相干的粒子的状态的连续调控。由于量子的干涉性，相干和混合两种方式存在本质的区别，通过位置方差对两种方式的具体特征进行刻画。最后通过量子计算模拟机模拟了波-粒量子行走的演化过程。当行走者处于波-粒相干态时，通过一次测量能够同时观测到两个完全不同的性质。通过调节波-粒相干态的相对相位，可以实现对行走者扩散速率的控制。
量子行走 相干叠加态 量子调控 量子模拟 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0527002
1 华中师范大学 地理过程分析与模拟湖北省重点实验室，湖北 武汉 430079
2 浙江大学 杭州国际科创中心，浙江 杭州 311200
3 浙江大学 农业遥感与信息技术应用研究所，浙江 杭州 310058
4 农业农村部光谱检测重点实验室，浙江 杭州 310058
土壤中红外（MIR）光谱能快速、无污染、低成本地估算土壤有机碳等理化属性。随着各种尺度土壤光谱库的建立，使用其进行快速土壤分析引起广泛关注，但光谱库的通用模型在局部尺度上的预测效果不理想。开发“局部化”光谱建模方法是提高土壤光谱库性能的有效途径。本文提出了一种新的方法，通过光谱相似度计算和建模子集构建，旨在从库中快速建立最优局部建模集以提高预测精度。比较了欧氏、马氏、余弦三种距离算法衡量待测样本与库样本之间的相似度并生成距离矩阵；使用连续统去除法从距离矩阵中提取库容曲线中的特征点。利用偏最小二乘回归建立土壤MIR光谱与有机碳含量间的定量关系。结果表明，三种距离算法结合连续统去除得到的第一特征点均可得到较佳的预测精度。马氏距离不仅模型精度最高（R2 = 0.764，RMSE = 1.021%）而且用到的库样本数最少（14%库容）。本方法可改善MIR光谱分析的成本效率并能提高局部尺度的预测能力。
土壤碳 相似度 距离矩阵 连续统去除 偏最小二乘回归 soil carbon similarity distance matrix continuum-removal PLSR 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230076
1 赣南师范大学数学与计算机科学学院赣州市计算成像重点实验室，江西 赣州 341000
2 赣南医学院医学信息工程学院，江西 赣州 341000
为了减少X射线的辐射剂量，提出了一种基于全广义变分约束加权最小二乘的低剂量计算机断层（CT）重建方法。首先对投影数据进行统计建模，然后将全广义变分正则化作为先验信息引入到投影数据恢复过程中，从而达到抑制噪声的目的，最后使用传统的滤波反投影算法进行CT图像重建。在Shepp-Logan体模实验中，提出方法的重建结果与Gibbs先验约束的惩罚加权最小二乘（Gibbs-WLS）、字典学习先验约束的惩罚加权最小二乘（DL-WLS）和全变分先验约束的惩罚加权最小二乘（TV-WLS）方法的重建结果相比，均方根误差分别降低了25.06%、1.50%和15.21%，信噪比分别提高了10.29%、0.53%和5.68%。在Clock体模实验中，提出方法的重建结果与Gibbs-WLS、DL-WLS和TV-WLS方法的重建结果相比，均方根误差分别降低了42.72%、23.45%和34.63%，信噪比分别提高了27.04%、11.42%和15.49%。实验结果表明，该方法在有效抑制低剂量CT图像的伪影和噪声的同时可以很好地保持图像的边缘信息和结构细节特征。
成像系统 低剂量计算机断层重建 全广义变分 加权最小二乘 图像重建 激光与光电子学进展
2023, 60(4): 0411001
1 陆军装甲兵学院装备保障与再制造系，再制造技术国防科技重点实验室，北京 100072
2 清华大学化学系，有机光电子与分子工程教育部重点实验室，北京 100084
近年来，柔性可穿戴传感器因其在健康监测、远程医疗和人机交互领域的潜在应用而受到广泛关注。石墨烯因其导电性好、柔性佳、质轻、热稳定性高等优点，而成为制备柔性可穿戴传感器的理想候选材料。人们致力于设计构筑具有合理结构的石墨烯材料，以用于下一代柔性电子产品。围绕柔性可穿戴传感器应用，综述了石墨烯材料的制备方法和石墨烯基柔性传感器件研究的最新进展。首先介绍了不同宏观形态的石墨烯材料的制备方法；然后综述和讨论了石墨烯基柔性传感器的构筑策略、工作机制、性能和应用，包括应变传感器、压力传感器、温度传感器、湿度传感器、其他模式传感器，以及柔性多模式传感器。石墨烯基柔性传感器表现出优异的灵敏度和稳定性，使其在体温监测、语音识别、脉搏、运动和呼吸检测方面展示了潜力。最后，讨论了石墨烯基柔性传感器的未来发展趋势以及存在的挑战。
石墨烯 柔性传感器 健康监测 人机交互 graphene flexible sensors health monitoring human-machine interface
1 华中师范大学地理过程分析与模拟湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430079
2 浙江大学杭州国际科创中心, 浙江 杭州 311200
3 中国科学院、 水利部成都山地灾害与环境研究所山地表生过程与生态调控重点实验室, 四川 成都 610041
掌握土壤在空间和时间上的表征至关重要。 土壤可见-近红外(Vis-NIR)光谱可以估算土壤有机碳(SOC)等属性, 与传统的实验室理化分析相比, 光谱技术能有效实现土壤信息的快速获取。 土壤光谱库为建立经验模型提供了大量具有丰富变异性和多样性的样本作数据基础。 但受限于库中土壤样本的异质性和模型的适应性, 通常区域或局部尺度模型的稳健性欠佳。 已有的研究主要通过目标样本部分入库的方式改善库的性能, 但影响了光谱技术的低成本优势。 该研究在不入库的前提下基于土壤光谱的相异度, 探究经典距离算法结合土壤光谱库构建局部预测模型的可行性, 并比较分析局部模型样本容量对预测精度的响应。 基于全球土壤光谱库(GSSL)的677个土柱, 从每个国家随机取十分之一的土柱(97个)组成局部目标测试集(Test), 其余580个作土壤光谱库(SSL)。 分别采用欧氏距离(ED)、 马氏距离(MD)、 和光谱角(SAM)来分别度量Test与SSL间的光谱相异度并生成距离矩阵。 按距离矩阵的前0.04%, 0.05%, 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.4%, 0.5%, 1%和5%从SSL中提取与Test最相似的光谱样本构建共计9个容量的局部建模集(Local), 使用偏最小二乘回归(PLSR)建立Vis-NIR和SOC含量的预测模型并通过Test验证模型精度, 通过光谱的主成分空间考察并解释各种距离算法下Local的“容量-精度”变化。 结果表明, 在待测样本不入库的情况下, 三种距离算法构建的Local模型相较于全局模型的预测精度均有一定提升, 但三者的“容量-精度”的拐点存在显著差异。 SAM兼顾了光谱的波形和幅度因此较MD、 ED更具优势; 其前0.2%比例的Local不仅预测精度最优, 且用于建模所需的样本容量最少。 因此认为, SAM法更适用于从土壤光谱库中构建局部模型, 距离矩阵的前0.2%可作为局部模型的容量参考。
光谱库 相异度 距离矩阵 容量 偏最小二乘 Spectral library Dissimilarity Distance matrix Sample size PLSR 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1614
1 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院, 测量理论与精密仪器安徽省重点实验室, 安徽 合肥230009
2 中国石油大学(华东)控制科学与工程学院, 山东 青岛 266580
液体活检是近些年新兴的体外诊断技术, 通过从肿瘤患者外周血中筛选出肿瘤细胞来检测和分析其上携带的各种生命信息, 具有便捷、侵入性小、检测精度高等特点。循环肿瘤细胞(Circulating Tumor Cells, CTCs)作为液体活检的重要标志物之一, 对于癌症的早期检测、疗效评估以及预后监测具有重要意义。但是血液中CTCs的含量非常少, 通常每毫升血液中仅含有1~10个CTCs, 还有数以百亿计的血细胞, 所以CTCs的富集以及筛选是液体活检中的难题, 对CTCs所携带的生命信息进行解析是关键。总结了经典的CTCs分离方法并重点概括了CTCs的检测技术。
液体活检 微流控技术 循环肿瘤细胞(CTCs) 表面增强拉曼散射 检测技术 liquid biopsy microfluidics technology circulating tumor cells surface enhancement of Raman scattering detection technology
1 吉林大学物理学院, 吉林 长春 130012
2 吉林大学分子酶学工程教育部重点实验室, 吉林 长春 130012
线性多烯分子具有高强度且信息丰富的共振拉曼光谱, 在生物学、 光电材料和医学等方面都有一定应用。 而含有共轭双键的短链β胡萝卜素分子是多烯分子中极具有代表性的分子。 在激发光作用下π电子与CC键振动相互作用影响着吸收光谱和拉曼光谱, 而共振拉曼效应和电子-声子耦合影响着共振拉曼光谱的强度、 频率和线型。 测量了β胡罗卜素分子在二氯乙烷中283~223 K温度范围内的紫外-可见吸收和共振拉曼光谱。 研究了共振效应和电子-声子耦合对吸收光谱和拉曼光谱的变化所起的作用。 获得随着温度的降低, 黄昆因子减小, 表明CC键的振动减弱, 分子体系能量减小, 吸收峰红移; 随着温度的降低, 分子有序性提高, 电子-声子耦合强度增加, 增强了电子能隙对CC键振动的调制作用, 拉曼模频率向低波数方向移动, 即拉曼光谱红移; 同时, 经过计算发现随着温度的降低, β胡萝卜素分子C—C和C=C的拉曼散射截面增加, 线宽变窄, 倍频与基频强度比增加。 对比和分析了共振效应和电子-声子耦合作用对拉曼光谱的拉曼散射截面、 线宽和倍频与基频强度比的影响。 虽然共振效应和电子-声子耦合作用在不同温度下对拉曼光谱都有一定影响, 但研究发现不同温度下共振效应对拉曼光谱的影响要大于电子-声子耦合, 且电子-声子耦合对谐波的影响更小。 这是由于随着温度的降低, 发生红移的紫外可见吸收光谱, 使拉曼光谱中514.5 nm激发光更接近00吸收峰, 明显的增强了分子的共振效应, 使其拉曼散射截面, 线宽, 倍频与基频强度比随温度有很大变化。 该研究对共振效应和电子-声子耦合的研究为研究温度对胡萝卜素等线性多烯分子性质的影响提供一定实验和理论依据。
线性多烯分子 共振拉曼光谱 黄昆因子 电子-声子耦合 Linear polymers Resonance Raman spectra Huang-Rhys Electron-phonon coupling
武汉大学 物理科学与技术学院, 武汉 430072
介绍了一种基于0.18μm SiGe BiCMOS工艺的, 可应用于高速通信的25Gb/s可变增益放大器(VGA)。该放大器由核心电路、输出缓冲器和偏置电路组成, 核心电路采用改进型Gilbert结构, 增大了电路的增益动态范围; 同时采用电感峰化技术克服大寄生电容来实现宽带特性。后仿真结果表明, 该可变增益放大器的最大增益为20.15dB, -3dB带宽(BW)为26.8GHz, 可支持高达25Gb/s的数据速率, 在3.3V电源电压下的功耗为26.4mW, 芯片大小为1120μm×1167μm。
可变增益放大器 改进型Gilbert结构 电感峰化 高速通信 VGA BiCMOS BiCMOS improved Gilbert structure inductance peaking high-speed communication
红外与激光工程
2021, 50(9): 20210526
