1 辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，辽宁 阜新 123000
2 辽宁省矿物高值化与储能材料重点实验室，辽宁 阜新 123000
以商业纳米Si颗粒(60 nm)和天然鳞片石墨为原料，采用静电原位自组装和水热还原的方法，设计开发了具有三维笼状导电网络结构的硅/还原氧化石墨烯(Si/rGO)纳米复合材料，以该复合材料为锂离子电池负极材料，研究了Si/rGO纳米复合材料储锂性能及储能机理。结果表明：纳米Si颗粒均匀地分布在rGO三维笼状导电网络结构中，在锂离子嵌入/脱出过程中，该网络结构有效地抑制了纳米Si颗粒的体积膨胀，并且提供了更多的离子传输通道。在0.1 A/g电流密度下，Si/rGO纳米复合材料的首次放电比容量达到了1 246 mA·h/g，第5次循环Coulombic效率为98.2%，容量保持率达到95.5%，表明纳米复合材料具有较快的稳定性。200次循环后，可逆容量保持在852 mA·h/g，Coulombic效率稳定在99.9%，容量保持率达到68.4%。
硅/还原氧化石墨烯 三维导电网络结构 储锂性能 负极材料 silicon/reduced graphene oxide nanocomposite three-dimensional conductive network structure lithium storage performance anode material
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072
2 山东龙泉管道工程股份有限公司，山东 淄博 255200
事件识别是分布式光纤传感的重要应用，现有的模式识别手段存在泛化性差和对弱振动识别的准确率低两个主要难题。以马赫-曾德尔干涉仪为应用对象，从样本来源的角度改善传统的分类器，以时域信号经经验模态分解所得的本征模态函数构建训练样本，使用卷积算子提取信号的波形特征、频域特征、时频域特征，构建深度学习网络，并在相同的神经网络框架下以原始信号为输入设计了4个对照组。所提识别方案在测试集和验证集上对6种目标信号的准确率分别为97.02%和94.88%，泛化性和分类精度均处于最优状态。分类器的平均样本响应时间低于0.07 s，具备良好的可行性与发展前景。
深度学习 经验模态分解 马赫-曾德尔干涉仪 本征模态函数 事件识别 光学学报
2023, 43(19): 1906005
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072
2 宁夏回族自治区水利工程建设中心，宁夏 银川 750004
相敏光时域反射仪（φ-OTDR）广泛应用于管道安全预警、光缆断点查找、清管器定位跟踪等场景，其传感光缆多埋于地下，土壤性质、传输距离、光缆结构等均对信号特征有所影响。本文研究了振动信号在土壤中的传播特性，探究了光缆结构、土壤湿度、传输距离等非事件因素对系统信号特征的影响。此外，从特征频段能量变化趋势的角度，研究了真实冲击振动与非事件性信号波动的区别，并由此提出了一种外部冲击振动的判别方法。
光纤光学与光通信 分布式光纤传感 土壤振动 传播特性 特殊频段 频域判断法 激光与光电子学进展
2023, 60(19): 1906003
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072
2 宁夏回族自治区水利工程建设中心，宁夏 银川 750004
提出了以长短期记忆网络（LSTM）与卷积神经网络（CNN）为主要框架的深度学习网络，基于该网络实现模式识别。LSTM-CNN以时域曲线及其短时傅里叶变换（STFT）结果作为网络输入，LSTM提取输入信号的时序特征，CNN提取时域曲线的轮廓特征及能量特征。实验中以相敏光时域反射仪（φ-OTDR）为传感系统完成数据采集。将LSTM-CNN与传统的人工神经网络（ANN）及CNN对比，LSTM-CNN在各项评价指标中均处于最优状态，实现了φ-OTDR模式识别的既定目标，为实际的工程产品开发提供了概念证明与演示示例。
光通信 模式识别 长短期记忆网络 卷积神经网络 光纤预警
辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，辽宁 阜新 123000
利用水热合成和高温活化处理对Li4Ti5O12进行多孔碳包覆复合改性实验，制备了Li4Ti5O12@porous-C复合材料，研究了复合材料微观结构和电化学性能。结果表明：Li4Ti5O12完全被包覆在多孔碳层中，同时，Li4Ti5O12@porous-C复合材料表面碳层孔洞分布均匀，碳层厚度约为(8.5±3.6) nm。其首次放电比容量为363 mAh/g，约为纯Li4Ti5O12放电比容量的2倍；交流阻抗值降低，仅为纯Li4Ti5O12的阻抗值的一半；Li4Ti5O12@porous-C复合材料在循环200周后的放电比容量为251 mAh/g，容量保持率为97.7% (纯LTO的比容量为143 mAh/g，保持率为94.7%)，放电比容量提高了近1倍，而且特别是在不同放电速率下进行倍率测试时，其可逆容量比Li4Ti5O12提高超1.5倍。对Li4Ti5O12表面进行多孔碳包覆改性，可以同时提高其比表面积和电子传输速率，这也是其电化学性能也显著提高的主要原因。
钛酸锂 多孔碳包覆 电化学性能 锂离子电池 lithium titanate porous carbon coating electrochemical performance lithium ion battery
南京师范大学计算机与电子信息学院, 江苏 南京 210023
提出了一种基于频分复用技术的激光反馈干涉二维动态位移测量方法。激光器输出的光被分为两路,分别以±1级自准直衍射角入射至反射光栅,并沿原光路返回至腔内产生激光反馈干涉效应。在±1级衍射光路中放置电光晶体对光束相位进行高频调制,利用频分复用技术实现二维动态位移的测量。实验结果表明,所提方法能够重构出物体的二维动态位移,位移分辨率可达10 nm量级。所提方案通过在激光反馈干涉仪中引入衍射光栅,提高了激光反馈干涉测量系统的稳定性和抗环境干扰能力,同时也为使用单光源进行多维度微位移测量提供了新的思路。
测量 激光反馈干涉 高频调制 频分复用 微位移测量 光学学报
2022, 42(10): 1012003
1 南京师范大学计算机与电子信息学院, 江苏 南京 210023
2 南京师范大学物理科学与技术学院, 江苏省光电技术重点实验室, 江苏 南京 210023
表面等离子体共振是一种免标记的传感技术, 当介质周围的介电常数发生改变时, 则SPR谐振光谱特性也会随之改变。 因此表面等离子体共振传感技术已广泛应用于生物化学和环境监测等领域。 由于二氧化钛(TiO2)覆盖层不仅可以保护金属层, 还能调谐SPR谐振的光谱强度和谐振波长于近红外波段, 应用于1550 nm的光纤传感, 其氧化还原反应还能使其用于检测气体。 由于氢气易燃易爆性, 随着氢能源的广泛应用, 因此对低浓度氢气检测技术研究具有特殊的意义。 提出一种可更换银/二氧化钛复合膜的表面等离子共振的气体传感器, 研究了SPR传感器在1 550 nm近红外波段对气体的敏感特性。 研制了可更换银/二氧化钛复合膜的表面等离子共振(SPR)气体传感器。 研究了在近红外波段对气体的表面等离子体共振光谱特性。 仿真计算Kretschmann棱镜耦合的四层结构模型的共振光谱强度与银膜厚度, 二氧化钛厚度和棱镜材料的关系, 优化了Ag和TiO2层的厚度以获得最大灵敏度, 得到的最佳膜厚是45 nm Ag和110 nm TiO2。 Ag/TiO2薄膜设计为可更换的一次性气敏膜, 采用蒸镀和溅射方法镀膜, 制备成本文所使用的 SPR传感器。 利用Ag/TiO2薄膜在复合界面产生SP共振光谱的移动, 对气体进行测试。 采用Kretschmann棱镜耦合结构的光谱波长检测实验系统。 固定光源和入射角, 测量波长的偏移量。 宽光源(波长范围: 1 462~1 662 nm)通过环形器、 准直器, 照射到棱镜和可更换的Ag/TiO2敏感膜, 经全反射(TIR)后, 再由高反射镜反射回传感膜, 并以相同的TIR角和光路再次反射回到准直器, 从而被光谱仪检测。 实验结果表明, Ag/TiO2复合膜可以调谐共振波长到1 550 nm近红外波段, 增强该传感器的光谱灵敏度, 低浓度(14.7%~25%)氢气下的灵敏度可达-8.305 nm·%-1。 并且可通过更换气敏膜检测不同的气体, 增加生物相容性和气体传感能力。
银/二氧化钛复合膜 表面等离子体共振 气体传感器 Silver/titanium dioxide composite film Surface plasmon resonance Gas sensor
南京师范大学物理科学与技术学院,江苏省光电技术重点实验室,江苏 南京 210023
研究了一种新的基于激光器结电压测量的自混合干涉传感技术,通过测量激光二极管结电压的变化来获得激光自混合干涉信号。传统的自混合干涉技术通常通过测量外置或内置光电探测器的光电流来获得激光自混合干涉信号。本文通过测量垂直腔面发射激光器的PN结电压来获得激光自混合干涉信号,简化了自混合干涉系统的结构并提高了系统的可靠性。本文还评估了该系统的信噪比,比较了激光二极管的结电压信号与内置光电探测器的光电流信号,结果发现两者一致。
测量 自混合干涉 垂直腔面发射激光器 结电压 传感技术 激光与光电子学进展
2020, 57(23): 231203
南京师范大学物理科学与技术学院, 江苏省光电技术重点实验室, 江苏 南京 210023
局域表面等离激元共振是金属纳米粒子表面的自由电子在光子作用下发生集体震荡而产生的一种共振现象。 提出了一种方体及环/盘阵列结构, 该结构主要由左侧单圆环和右侧方体及偏心圆环盘组成。 利用时域有限差分算法(FDTD solutions)对该结构进行了光学性质的探究。 仿真结果表明, 当线性偏振光入射到金属表面时, 在结构中激发局域表面等离子体共振现象, 表现出明显的共振效应, 在600～1 700 nm范围形成了不同位置的共振谷。 通过对结构电场电荷仿真图的对比分析, 发现共振谷是由圆环内所激发的偶极共振模式与方体及环/盘激发的四偶极共振模式相互耦合杂化产生的混合等离子共振而形成的。 当调整金属结构的各项参数时, 金属纳米颗粒之间的局域表面等离激元共振会因电场耦合效应发生改变, 因此法诺共振的产生对于金属结构的各项参数有着极大的依赖性(如左圆环直径L、 右圆环直径R, 结构高度H, 左圆环到方体的距离D等), 通过对结构各项参数的改变, 可以实现对结构共振谷波长位置和共振强度的有效调控, 达到对结构光学性质可控的目的。 由于该结构具有独特的非对称性, 进一步探究了入射光源偏振方向(即电矢量与x轴的夹角)对结构的共振谷波长位置以及共振强度的影响。 结果表明, 随着光源偏振角度的增加, 共振谷J2处的波长位置出现明显的红移现象。 但当偏振角度为90°时, 共振谷J3处不能产生法诺共振现象。 由此, 可以通过改变光源的偏振方向来实现对该结构的光谱的共振强度及共振波长位置的调控。 更为重要的是, 该结构对周围的环境折射率有着较高的敏感度, 最高可达755 nm·RIU-1, 传感的品质因数(figure of merit, FOM)为18.4, 该结构在环境折射率等生物传感器及微纳光子器件方面有着潜在的应用前景。
局域表面等离子体共振 法诺共振 阵列结构 折射率传感 Localized surface plasmon resonance Fano resonance Array structure Refractive index sensing 光谱学与光谱分析
2020, 40(5): 1345
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Information Technology, Nanjing Forest Police College, Nanjing 210023, China
2 School of Physics and Technology, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China
In this work, a neural network (NN) method is developed for pulse duration inferring for an erbium-doped fiber laser at 1550 nm. Experimentally, the interferometric autocorrelation trace is observed clearly with the use of the two-photon absorption (TPA) effect in a GaAs photodiode. The intensity autocorrelation function is curve-fitted by the NN with an appropriate performance, and the measuring accuracy is consistent with a commercial autocorrelator. Compared with the Levenberg–Marquardt curve-fitting method, the NN can retrieve the intensity autocorrelation function more stably and has a certain noise reduction ability, simplifying the signal processing for a TPA photodiode-based autocorrelator.
neural networks pulse duration two-photon absorption femtosecond laser Chinese Optics Letters
2020, 18(12): 121901
