理论研究了一种手性双层等离激元超表面的圆二向色性光谱传感效应。 通过分析其电磁场的空间分布发现,这种由人工结构增强的手性响应的产生归因于等离激元超表面狭缝的局域 等离激元与两层超表面之间的耦合作用,且这种结构的圆二向色性透射光谱与圆共偏振透射光谱的变化对生化 层折射率的变化具有不同的响应。在合适的结构参数下,圆共偏振透射光谱以及圆二向色性透射光谱传感灵敏 度最大分别能够达到109 nm/RIU、111 nm/RIU。该人工手性结构具备共偏振光谱和圆二向色性光谱传感功能, 在新型生化传感器件领域具有潜在的应用价值。

温度、压强作为影响光谱测量精度的主要因素,是研发高精度光谱测量仪器的研究重点。 针对该问题开发了一套用于光谱测量仪器的高精度温度压强控制系统。该系统从仪器结构、电路设计和控制算法等方面进行了 设计和优化,最终系统长时间温度控制精度可达0.003 °C, 压强控制精度达到5.34 Pa。在控压未控温条件下,该系统对 体积分数为300×10-6 的甲烷气体浓度测量结果波动为12.06×10-6, 标准差σ为 3.26×10-6; 而在温压控制下,浓度测量结果波动为4.03×10-6, 标准差σ为0.57×10-6。 结果表明该高精度温度压强控制系统可以提高光谱测量仪器的测量精度和稳定度,同时也验证了该系统的可靠性和可行性。 所提出的用于光谱测量仪器的温度压强控制系统达到了实验和生产标准,为研发同类高精度光谱测量仪器提供了借鉴和参考。

为了实现二维多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS)仪的扫描需求,以两相步进电机驱动芯 片TMC261为核心,基于STM32微处理器和光电编码器,设计了棱镜扫描控制系统。分析了二维MAX-DOAS外置棱镜对转动精度 和分辨率的需求,从控制系统结构设计、具体实现过程两个方面阐述了系统方案,并进行测量实验来评估实际效果。结果表 明棱镜的转动步进角细分倍数 在0～256范围内可调。扫描分辨率最多可达1.8°/256, 位置精度误差低于5%, 步距角精度误差绝对值低于8%。 所设计扫描控制系统在光学仪器中具有广泛应用前景。

为了实现对准分子激光诱导击穿光谱(LIBS)的自动化采集以及对光谱数据的便 捷处理,采用LabVIEW操作者框架针对整套系统进行了分模块编程,开发了一套可以全自动实时采集光谱数据的采 集系统,并在准分子LIBS生物组织元素成像实验平台上进行了软件性能测试。实验结果表明, 在准分子LIBS实验系统以3 Hz频率运行的过程中,程序未出现卡顿、崩溃及数据丢包等现象,而且自动处理数据得到 正确的元素分布图,表明软件达到了LIBS系统对数据采集、存储和处理速度的要求。

大相对口径离轴凸抛物面镜的加工检测是光学加工检测的重要挑战之一。结合一块口径 为φ100 mm、离轴量为87.5 mm、曲率半径为500 mm的大相对口径离轴凸抛物镜,计算出母镜加工修磨量,并提出 一种工艺球面补偿检测和离轴Hindle球检测相结合的检测方法,有效地避免了单独使用一种检测方法的缺陷,节约了 加工成本并进一步提高了检测精度。最终加工完成的大相对口径离轴凸抛物面镜精度均方根(RMS)优于λ/40(λ=632.8 nm), 表明该方法具有可行性,可广泛用于实际生产加工中。

针对某400 mm口径捕获与跟踪望远镜,提出了一种结构设计方案。在 该方案中,对主镜支撑采用三点柔性底支撑加球头芯轴侧支撑的结构,避免支撑应力干涉,保证主镜具有高面形精度;在 主、次镜连接环节中使用铟钢连杆结构,确保大温差下主、次镜间距的变化在公差范围内,保证望远镜在极限条件下具有 良好像质。进而建立望远镜整体结构的有限元模型,分析了主镜面形精度及镜筒结构强度,得出主镜面形均方根(RMS)值 优于λ/40, 主、次镜相对偏心及倾斜分别为3 μm、2.5′′, 满足指标要求。使用激光干涉 仪及平行光管对望远镜光学指标进行了定量检测,发现光学系统RMS 值优于λ/14, 星点半峰全宽(FWHM)值为1.432, 接近衍射极限水平。所设计方案对同类望远镜的结构设计具有一定参考价值。

鬼成像相较于传统光学成像有着高分辨力、 抗噪声能力强等优势。而相较于单一波长鬼成像,多波长鬼成像在对待测物体空间信 息进行重构的同时,还可以重构其色彩信息。首先简要介绍了多波长鬼成像的理论基础, 随后以白光照明的多波长鬼成像为实验架构,选用哈达玛照明图样进行了多波长鬼成像的 色彩重构。并通过扩大光谱范围,即采用多个波长进行优化实验,使重构结果中的色彩明亮度得 到了改善。该研究的开展为多波长鬼成像在光谱成像方面实现应用化奠定了基础。

为了使光纤激光器能高效率地抽运、完成大功率激光的输出,一般通过双透镜组将抽运源耦合进有源掺杂光纤。 而为了进一步提高抽运效率、简化耦合系统,可以用复合抛物面聚光器来取代双透镜组。复合抛物面聚光器可以将最大接收角范围内的光全部会聚到其出射面, 并且大部分能量都集中在有源掺杂光纤的数值空间范围内,因此具有很高的耦合效率。此外,复合抛物面聚光器还具有结构简单、尺寸较小、与抽运光源的对接简 单等优点。仿真研究证实了复合抛物面聚光器比双透镜组的耦合效率更高,非常适用于光纤激光器的抽运光注入实验,为生成大功率激光器提供了条件。

为了获得高强度高次谐波光谱,提出了一种利用啁啾延迟来 调控H+2和D+2谐波辐射强度的方法。结果表明:在短脉宽激光驱动下, H+2和D+2 谐波辐射主要来自于激光下降区域。因此在激光下降区域引入啁啾小量会产生高强度谐波光谱连续 区, 并且H+2谐波辐射强度大于D+2谐波辐射强度。而在长脉宽激光驱动下, H+2和D+2谐 波辐射的贡献分别来自激光上升和下降区域,因此分别在激光上升和下降区域引入啁啾小量会获得相应的高强 度谐波光谱连续区, 但H+2谐波辐射强度小于D+2谐波辐射强度。最后,选择适当的谐波平台区并通过叠加谐波可获得 脉宽为36 as的孤立脉冲。

鉴于当前雪崩光电二极管(APD)测试平台存在设备冗杂、测试效率低等问题, 设计了一套以现场可编程门阵列(FPGA)为控制核心,搭配高精度时间数字转换芯片TDC-GPX的APD性能测试系统,可实 现APD性能参数的自动化测试。同时设计了一种稳定单光子脉冲信号输出方法,并提出了使用时间数字转换进行光子计数及数 据处理、后脉冲参数计算的设计方案。通过实验验证,测试系统集成光源信号半峰全宽为46.6 ps, 峰值幅度为304.4 mV, 幅值抖动为3.7%, 满足APD测试对输入单光子源的要求。该测试系统能够有效测试APD性能参数,测试效率得到了 极大提升。

光学非互易在光学信号处理和量子网络等方面具有极其重要的应用。 研究了含有两个机械振子的双腔光力学系统中光学非互易。该系统中两个机械振子之间存在库仑相互作用, 两个光学腔场通过光纤耦合在一起。利用系统算符的时间演化方程,结合频域下标准的输入输出关系,得出传 输振幅方程。结果表明当两个光学腔场在红边带上时,光力相互作用和腔腔线性耦合相互作用这两条路径之 间的量子相干效应,可以使双腔光力学系统呈现出光学非互易。进一步研究表明,相位差既能决定双腔光力学 系统中能否出现光学非互易,又能决定发生光学非互易时的方向。此外还发现通过增强有效光力相互作用的大 小或腔腔线性耦合强度的大小,可以增强光学非互易。

实数态克隆是量子克隆的一个重要组成部分。但要想直接根据保真度优化操作的方法 来获得优化的非对称实数态克隆变换关系式,数学运算上非常繁琐,且得到的结果也不简洁明了。因此通过引入坐标系旋转变 换的方法,原坐标系中的实数态克隆在新坐标系中就变成了相位协变克隆。基于表象变换理论,对照优化的非对称相位协变克 隆,可实现非对称实数态克隆在原坐标系中的优化,即得到了优化的非对称实数态克隆变换的一组系数。采用此方法优化非对 称实数态克隆,处理运算的思路清晰,优化结果对称、工整、简洁,并可明确地得到优化的非对称实数态克隆各不同系数之间 满足的特定关系。

在非旋波近似下,对二项式态光场与V型三能级原子相互作用 系统的布居几率和量子纠缠进行了精确求解。研究了二项式态光场参数η对原子布居几率和量 子纠缠的影响,并讨论了初始时刻原子能级的叠加对量子纠缠的影响。结果表明:随着η的增大,原 子布居几率塌缩回复的周期逐渐增大,当η较大时,布居几率塌缩区与回复区出现了混沌现象。 此外,随着η的增大,量子纠缠演化的周期性逐渐消失,当原子初始时刻处于激发态时,纠缠初 始阶段数值及演化平均值均逐渐增大;而当原子初始时刻处于叠加态时,初始阶段纠缠的数值会逐渐降低。 原子布居几率以及光场与原子之间的纠缠演化曲线在非旋波近似下均呈现小锯齿状振荡。

提出了一种可控量子隐形传态与远程制备相结合的新 方案,结合了两种量子信息通信方式。在该方案中, Alice和Bob既是发送者又是接收者, Alice、Bob和Charlie共享一个九比特量子纠缠态作为量子信道。在Charlie的控制下,通过一系 列投影测量操作, Alice可以传送一个未知的任意单比特量子态给Bob, 与此同时, Bob还可以远 程制备任意已知的两比特量子态给Alice。与其他此类型的混合方案相比,所提方案中远程制备 的量子态从单比特提升为两比特,分析与推理表明所提出方案的成功率为100%。

针对由一对处于纠缠态的V-型三能级原子与一对处于纠缠态的双模腔场组成的系统, 使其中一个原子在合适的时间内与一个腔场发生大失谐相互作用,即纠缠交换,从而实现原子与腔场之间的纠缠。研究了该系 统原子熵的演化特性,并运用量子熵理论讨论了失谐量(δ)大小对原子熵演化的影响。结果表明δ的大小 对系统熵的最大纠缠度和系统熵的崩塌-回复现象有影响,当δ 为0时崩塌-回复现象消失。

水稻是我国主要的粮食作物之一,重金属含量的检测对其安全性及品质具有 重要意义。激光诱导击穿光谱(LIBS)有望克服传统方法检测耗时的缺点,实现水稻等作物植株中重金属含量的快速 原位定量检测。利用共线双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS)技术对水稻叶片中的重金属镉(Cd)元素进行了分析。 由于不同的特征谱线对结果有不同影响,为获取更准确、稳定的分析结果,采用样品表面多点烧蚀的实验方法,讨论 了Cd I: 228.8 nm、Cd II: 214.4 nm和Cd II: 226.5 nm三条共振线对于定标曲线相关系数(R2)和预测结果的 影响。对比研究发现, 532 nm激光先于1064 nm激光进行激发,且两束脉冲时间间隔为0.5 μs时能够获取最好的 光谱强度;在三条分析谱线中, Cd I: 228.8 nm、Cd II: 214.4 nm和Cd II: 226.5 nm谱线的定标曲线R2值分 别为0.86、0.60和0.93, 原子谱线定量结果高于离子谱线; Cd I: 228.8 nm谱线预测相对误差 低于10%, 检测限是3.03 mg/kg。实验表明通过对LIBS检测条件的优化,可以实现对水稻叶片中的重金属含量的检 测。另外实验中所优化的光谱采集和特征谱线选择方法,也有望应用在不同农产品的重金属成分检测上。

为了实现某星载差分吸收光谱仪CCD驱动电路的FPGA在轨重构功能, 提出了一种基于STM32的星载FPGA在轨重构的地面验证方法。分析了实际的重构方案并提出地面实验方案, 从硬件设计和软件设计两个方面阐述了地面实验的总体方案。经过实验室测试验证,上位机发送和回读的数 据一致, STM32可以模拟JTAG协议实现加载配置数据至FPGA, 重构时间可缩短至800 ms。该方法的硬件和软 件设计被证明是合理可行的,可以完成对FPGA功能的修改。该方案可为CCD驱动电路的FPGA重构方法提供参考。

介观系统的量子输运理论为设计和实现具有优良性能的量子器件提供了物理模型和依据。 基于紧束缚模型散射区格点上能量波动的二终端系统透射系数的传输矩阵方法,提出了二维T型三终端量子点阵列模型,并将其转 化成二终端模型去探讨,分别研究了相对于中间原点的非对称电极和对称电极的T型量子点阵列的电子输运。结果表明:对于非对 称的T型量子点阵列,其透射率的尖峰个数与输入端量子点数相等;而对于对称的T型量子点阵列,其透射率的尖峰个数与左右端量 子点数相等。此外,透射系数与跃迁积分和量子点数有关,而与量子点宽度无关。