超材料具有自然界材料所不具备的电磁参数,通过适当设计可实现对电磁波的调控。综述了超材料非 对称传输器件的研究现状,分别介绍了电磁波非对称传输的基本原理, GHz、THz频段线极化波非对称传输器件及圆极化波非对称传输器件的研究成果。分析表明基于超材料的非 传输器件主要集中在微波波段,对太赫兹频段的研究较少,特别是在实验验证方面。最后讨论了超材料非对 称传输器件的发展方向。

针对水体有机物离散三维荧光光谱测量,设计了基于可变增益与积分放大技术的微弱荧光信号高灵敏、 大动态范围检测电路和控制软件,进行了实验验证并应用于水体有机物离散三维荧光在线测量系统。 在电路设计中,自动程控CMOS多路模拟开关根据输入信号强度实现了前置增益放大器的调节,基于 开关型电荷积分器实现了微弱脉冲荧光信号的同步积分放大。结果表明所设计电路最低检测电流为0.09 μA, 动态检测范围为0.09 μA～0.21 mA, 检测限提高了79.25倍。 在水体有机物离散三维荧光测量系统的应用中,保证了系统的检测灵敏度, 并提高了荧光信号的动态检测范围,实现了水体有机物的高精度测量。

原子干涉仪在精密测量和惯性导航领域都有着重要前景,而高精度的原子干涉仪 对低相位噪声、高输出功率的拉曼激光有迫切需求。设计了基于光学锁相环路的双波长激光同步 注入放大拉曼激光制备方案,实现了大功率拉曼激光的制备,拉曼光注入放大前后的相位噪声均低于－80 dBc@0.01～1 MHz, 输出总功率达到了400 mW, 可满足原子干涉精密测量的需求。

基于分振幅法激光偏振态检测原理,设计了一个新的激光偏振态动态检测系统。 使入射激光进入三组能对光束偏振方向进行改变的光路:偏振分束镜,半波片与偏振分束镜, 偏振波片与偏振分束镜。探测出射光束的光强功率值,在Labview自定义坐标系中展示待测激光偏振态。 检测结果表明线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光的偏振态分别为纺锤形、圆形、椭圆形；随着入射激光 偏振态的改变,检测结果会发生动态变化。

介绍了一种基于微波光子链路的高精度变频技术,此技术基于微波光子学信号调制及处理,对射 频信号进行电光转换变成光信号,通过光学滤波及声光移频对其做上下移频处理,最终获得高精度 变频信号。该系统在20 GHz范围内均能对射频信号进行±2 MHz内的移频,最高精度可达100 Hz。得益 于微波光子链路大带宽、实时和高精细的特点,此技术可以在光域对高频率的射频信号进行高精度 实时变频,从而克服频率限制,实现射频信号的精细频率调控。

高压直流电源的纹波抑制一直是激光器电源技术的关键问题。针对用于大功率激光器的高压直流电源的 纹波抑制问题,采用全波倍压整流电路对电源电压纹波进行抑制,并利用神经网络对整流电路中的倍压级数及 电容容量进行优化。按照优化的参数在该实际高压电源中进行了纹波抑制实验,结果表明所设计的整流电路 对纹波的抑制效果显著增强。

设计了一套用于分段线形离子阱囚禁离子及微运动补偿的射频-静电耦合电源电路,实现了 钙离子在离子阱中的囚禁。通过CCD相机观察离子发出的荧光确定离子晶体位置。利用离子阱中12段 极杆上静态电压的独立控制实现了离子晶体在三维空间中的精密控制,减小了射频调制的微运动。 此离子囚禁系统可进一步确定离子晶体的物理性质,如离子的宏运动频率、离子晶体的温度分布等,并实现多组份离子晶体的囚禁。

基于涨落耗散定理研究了不同温度下超导离子芯片中近场热噪声引起的离子加热效应,通过电场 格林函数和多层介质反射系数得到了不同情况下电场涨落谱密度的近似式。对于净铌电极,当温度T为295 K时, 近场热噪声谱密度与电极厚度成反比; T为4 K时,近场热噪声谱密度与电极厚度无关,且通 过计算发现其近场热噪声相较于室温下降了十几个数量级。 分析了铌电极表面存在Nb2O5薄膜的情况,结果表 明Nb2O5层薄膜引起的电场涨落占据主要地位,噪声谱密度 与Nb2O5厚度成正比,芯片温度降至4 K时其热噪声下降5～6个量级。

基于量子信息在自旋链上的传输理论,研究了两种磁场情形下N=4的自旋链上单比特量子信息 传输受到的影响。对置于磁场中的自旋链,将体系的哈密顿算符进行对角化,进而考虑磁场中信息传 输的动力学行为。结果表明空间均匀、时间恒定的弱磁场不会对该模型中量子信息的传输产生任何影 响;各格点处大小逐差为B、方向关于链中心对称的弱磁场对量子信息的传输有至关重要的作用。 尤其是对于保真度为1的完美传输,磁场参量B很大程度上决定了传输得以实现的条件。

详细分析了DM 相互作用常数D、 温度T、 均匀磁场B、 非均匀磁场b、 自旋耦合常数J 和各向异性参数Δ对热纠缠度C的影响。结果表明： 虽然T 和B 升高使纠缠度C 变小，但D增大使C变大，而且它会使磁场阈值Bt 变大。当B>|Bt|和B<|Bt| 时，b对C的影响不同。对比发现，B和b 对于J、Δ (JΔ>0) 区域纠缠存在的面积变化的影响以及C的影响也不同。另外，当T升高时，B 和b 存在热纠缠范围的变化规律 也不尽相同。因此，即使在强外磁场及高温环境等恶劣条件下，也可以通过调节B、b、J、D、T和Δ 来控制热纠缠。这些结论在固态系统 量子信息研究中有一定应用价值。

利用非线性晶体的II型参量下转换和极化后选择方法,制备了高品质的极化双光子纠缠态。 在双光子纠缠系统中实验测量了Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH)和Cavalcanti-Bell (C-B)不等式对定域实在论的违背,得到CHSH、C-B不等式的值分别为2.64±0.021、2.75±0.019。 利用线性光学器件模拟了量子信道中的比特翻转噪声,实验研究了CHSH型不等式在比特翻转噪声环 境下的稳健性,结果表明在比特翻转噪声环境中C-B比CHSH不等式对噪声具有更强的稳健性,为进 一步研究纠缠在量子信息处理中的应用提供了实验支持。

在无线传感器网络中,如何以较小的计算量实现传感器之间的密钥分配一直是研究的热点。 提出了一种基于量子纠缠交换的密钥分配方案,对基于簇的层次型网络进行设计,通过广播和点对 点的通信分别实现基站与簇头、簇头与终端节点间的密钥分配。在基站进行纠缠粒子分发、实现纠 缠交换,簇头和终端节点仅需进行简单的测量操作。所提方案可有效减少各节点的计算量、存储空间 和能量消耗,提高整个无线传感网的性能。

在路由信息协议(RIP)中,RIP报文都以明文的方式进行数据传输,存在被窃听、篡改和伪造的可能。为进一步提高RIP协议路由信息交换的安全性,基于量子通信的基本原理提出了 自适应量子RIP算法,实现了自治系统内路由信息的有效、安全、快速更新,并尽可能地降低了纠缠资源的消耗。仿真结果表明：与经典量子RIP算法相比, 当每一个路由器直接相连网络的数量较多,或自治系统内路由器规模增大时,提出算法能以较少的纠缠粒子资源消耗有效实现路由器路由表的自动更新。 结果表明提出算法能更好地实现RIP路由信息的安全传输。

为了分析小鼠视觉区脑电波(EEG)信号与呼吸运动之间的关联性,类比电磁场与 二能级原子的相互作用,建立了描述呼吸相关脑电波信号激励与传播的双态量子系统与 外场相互作用的半经典(EEG场经典描述)与全量子(EEG场量子化)模型,并证明了模型的 正确性。基于相干性理论建立了脑电波信号关联的高阶相干分析模型。在睡眠状态,归一 化互相干函数的平均幅值在0.3左右,高阶自相干函数曲线相似性很高,可以断定睡眠状态 EEG信号与呼吸运动接近实相关; 在清醒状态,归一化互相干函数的平均幅值在0.1左右,高阶自相干函数曲线一致性降低, 可以断定清醒状态EEG信号与呼吸运动为弱相关。

为了研究金属纳米结构下高次谐波辐射的过程,通过数值求解薛定谔方程理论研 究了He+在蝴蝶型金属纳米结构下高次谐波辐射的特点。结果表明在蝴蝶型金属纳米结构下,谐波 辐射截止频率随He+空间位置远离纳米结构中心点而增大;当He+沿正(负)向远离纳米结构中心点 时,谐波截止频率主要由激光正(负)向部分产生。由于金属纳米结构的间隙尺寸有限,谐波辐射 在某一特定He+空间位置呈现最大截止频率。在双色场调控下,谐波光谱呈现一个333 eV的 超长平台区,通过叠加该平台区谐波可获得脉宽在25～28 as的超短远紫外脉冲。

被动傅里叶变换红外(FTIR)光谱技术具有远程操作、在线分析和不需要 红外光源等优点。基于此技术 分析了被动遥测轧钢加热炉内燃烧过程中高温一氧化碳(CO)气体浓度计算的相关理论与方法。针对加 热炉辐射光谱测量包含两层均质红外辐射传输介质的情况,提出了采用炉膛外壁控温改变遥测背景红外辐 射,从而获得炉内CO特征光谱的方法。基于轧钢过程中的燃烧工况进行了CO浓度模拟计算与分析,讨论了CO温 度测量误差对测量浓度反演精度的影响,为该技术的实际应用提供了参考数据及技术方案。

基于表面等离子体共振(SPR)技术,设计了一种具有较高调制系数的金属纳米线阵列电光 调制器结构。通过改变驱动电压使反射谱的反射率发生变化,实现电光调制。利用时域有限差 分(FDTD)法对金属纳米线阵列层和缓冲介质层的参数进行优化配置,并研究了其结构参数对反射 谱反射率的影响。结果表明:当金属纳米线直径为34 nm、缓冲介质层厚度为1600 nm时, 电光调制器的模式耦合能力达到最强；随着驱动电压的逐渐增加,反射光谱的全吸收峰出 现明显的右移;通过调节加载在电极上的驱动电压可实现电信号对光信号的电光调制。

研究了水下湍流对轨道角动量(OAM)通信系统的性能影响,分析了不同环境参数和 传输距离下OAM通信系统信道容量的变化。结果表明,水下湍流环境中随着传输距离、湍流动 能耗散率和温度耗散率的增加, OAM态光束模式之间串扰加强,信道容量下降。当传输距离达 到7 m左右,信道容量下降为原来的一半;当湍流动能耗散率 为10－4m2/s3,容量下降 到理论最大值的75%; 当温度耗散率为10－8K2/s, 信道 容量下降到理论上最大值的一半;水下环境中盐度扰动比温度变化扰动对OAM通信系统性能的影响更大。

基于密度泛函理论第一性原理,研究了Zn空位缺陷对ZnS半导体材料电子状态、 磁性质和光学性质的影响。 结果表明Zn空位缺陷浓度为6.25%时, ZnS半导体材料仍呈直接带隙型能带结构,带隙较本征ZnS半导体增大 了6.4%, 达到2.19 eV。缺陷体系s态、p态电子主要在距离费米能量较近的区域产生能带,数量较少; Zn d态 电子主要在距离费米能量较远的区域产生能带。Zn空位缺陷对ZnS半导体材料是一种空穴型掺杂, Zn空位会 增加ZnS的空穴型载流子浓度。其价带空穴具有较大有效质量,导带电子具有较小有效质量, Zn空位缺 陷ZnS不显示磁性。Zn空位缺陷ZnS半导体材料210 nm附近介电吸收峰强度降低, 170 nm附近介电吸收峰 消失, 100 nm波长附近出现了较弱的介电吸收峰。