期刊基本信息
创刊:
1972年 • 月刊
名称:
光子学报
英文:
ACTA PHOTONICA SINICA
主管单位:
中国科学院
主办单位:
中国科学院西安光学精密机械研究所;中国光学学会
出版单位:
科学出版社
主编:
郝跃
ISSN:
1004-4213
刊号:
CN 61-1235/O4
电话:
029-88887564
邮箱:
地址:
陕西省西安市长安区新型工业园信息大道17号47分箱
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710119
定价:
120元/期
本期栏目 2013, 42(5)
光子学报 第42卷 第5期
基于广义惠更斯菲涅耳原理, 推导了贝塞尔高斯涡旋光束在湍流大气中传输时系统平均光强的解析表达式, 研究了贝塞尔高斯空心涡旋光束在湍流大气中的光强传输特性, 同时分析了大气湍流的强弱、涡旋光束的拓扑荷等对光束质量的影响. 结果表明: 贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中传输时, 光强分布经历几个连续的变化, 相位奇异性也会在传输过程中消失, 该过程与涡旋光束拓扑荷的数目、光束的束腰宽度以及大气湍流的强弱等因素密切相关. 拓扑荷数目高的涡旋光束在湍流大气中传输时, 其奇异性的保持较拓扑荷数目低的涡旋光束要好. 另外, 基于桶中功率理论, 分析研究了涡旋光束的拓扑荷数目、大气湍流强弱和束腰宽度对贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中传输时的光束质量的影响.
光学涡旋 大气湍流 光束传输 桶中功率 Optical vortex Atmospheric turbulence Beam propagation Power in the bucket 矢量光束的一般表示方法是利用投影矩阵和广义琼斯矢量的乘积描述.投影矩阵存在一个自由度,该自由度与有限光束的场矢量偏振状态有关,由特定的单位矢量与波矢量间的方位角决定,可以定量地描述矢量光束的偏振状态.本文在矢量光束描述的理论基础上,通过对投影矩阵进行与反射光束与透射光束传播方向相应的坐标旋转,根据麦克斯韦方程组及其边界条件,计算讨论在各向同性介质界面上反射、透射矢量光束的表示形式以及其自旋霍尔效应表现出的横向位移.线偏振光(光子自旋量为σ=0)横向位移为零,圆偏振光束(光子自旋量为σ=±1)位移量最大且左圆偏振与右圆偏振光束的位移大小相等方向相反,进一步分析了左圆偏振光束在界面上的反射、透射光束的横向位移与入射角的关系.
矢量光束 矢量光束表述理论 自旋霍耳效应 横向位移 Vector beam Representation theory of vector beam Spin Hall effect Transverse shift 为了得到均匀分布的硅表面微结构,提出了一种利用多束激光干涉光刻的方法来实现对硅表面微结构分布特征的控制.利用空间光调制器实现飞秒激光多光束干涉,形成分布均匀、周期可控的空间点阵,利用聚焦的空间点阵在单晶硅表面烧蚀得到规则分布的凹坑状结构,并通过改变附加给空间光调制器的相位实现对微结构分布特征及间距的控制.用扫描电子显微镜和分光光度计分别对结构的形貌特征和光学特性进行了测量,结果表明:采用底角为2°的四棱锥镜相位形成四光束干涉,通过10×物镜聚焦,在激光功率25 mW、曝光时间30 s时,可以形成间距约为3.3 μm的密排凹坑微结构,所形成的凹坑结构具有良好的减反效果,在1.2~2 μm近红外波段的透过率相对抛光硅平均提高了11.5%.
飞秒激光 空间光调制器 多光束干涉 单晶硅 减反微结构 Femtosecond laser Spatial light modulator Multibeam interference Single crystal silicon Antireflective microstructure 报道了一种利用八字腔锁模的全光纤化结构的亚纳秒脉冲光纤激光器,其输出脉冲经过光纤化的一级衍射声光调制器实现了可变的脉冲选单以降低脉冲重复频率.从2.78MHz降低重频至93kHz后的激光脉冲经过第二级功率放大,放大斜率效率为68.1%,获得脉冲峰值功率超过25kW的激光输出.以此激励一段经优化后3 m长的Bi离子掺杂的石英光纤和20m普通单模石英光纤,最终获得了波长覆盖1100~2200nm、光谱平坦度优于3dB的稳定超连续谱激光光源输出.
光纤激光器 锁模 放大 超连续谱 Fiber lasers Modelocking Amplification Supercontinuum 采用改进化学汽相沉积结合溶液掺杂法制备了Yb/P/Al共掺的石英光纤预制棒,通过光纤芯层的组份和制备工艺的优化,实现了Yb3+的高浓度掺杂和均匀掺杂.预制棒芯层Yb2O3掺杂浓度达到~4wt.%,Yb3+在1 080 nm处荧光寿命为1 780 μs.成功拉制出内包层截面形状为八边形的双包层光纤,纤芯直径为7.5 μm,包层吸收系数达到~5 dB/m@976 nm.利用拉制的掺镱双包层光纤开展了全光纤结构的掺镱光纤激光器性能测试实验,实现了5.15 W的激光输出,斜率效率达到76%.
Yb/P/Al共掺 双包层光纤 荧光寿命 包层吸收系数 斜率效率 Yb/P/Al codoped Doubleclad fibers Fluorescence lifetime Cladding absorption Slope efficiency 采用光与物质相互作用的半经典理论,建立了稠密二能级体系中含啁啾相位项的光学Bloch方程,并用高准确度、快速和可靠的四阶龙格库塔法数值求解了该方程.通过数值计算,研究了啁啾超短激光脉冲与稠密共振二能级体系作用下的特性,得到了局域场和啁啾参量对Bloch矢量影响的规律.研究结果表明:局域场修正系数和啁啾参量对Bloch矢量的瞬态相干过程和稳态特性都会产生明显的调制作用,可以通过调节线性啁啾参量和局域场修正系数实现稳定的粒子数布居反转的调控.
啁啾超短激光脉冲 稠密共振介质 光学Bloch方程 局域场效应 Chirped ultrashort pulse Dense and resonant medium Optical Bloch equations Localfield effects 分析了亚波长金属光栅的双边衍射辐射机制和特性. 利用运动电子激励亚波长光栅结构, 研究了其产生的双边衍射辐射. 通过三维粒子模拟软件仿真, 得到了光栅上下空间的电场空间分布, 结合结构辐射布里渊图, 证明了亚波长对称光栅上下半空间的衍射辐射场分布同样可以由SmithPurcell辐射公式来解释, 即主要有电子运动速度和光栅周期决定, 并分别研究了缝隙宽度、光栅厚度对上下半空间衍射辐射的影响. 为进一步研究下半空间的衍射辐射场, 采用了非对称的光栅结构, 研究表明非对称光栅下半空间衍射辐射场不仅取决于电子运动速度和结构下表面的周期, 同时也与电子运动激励起的上半空间的辐射频率范围密切相关.
亚波长 光栅 衍射辐射 非对称光栅 粒子模拟 Subwavelength Grating Diffraction radiation Asymmetric grating Particleincell simulation 分析了空地激光通信系统中主要器件和信道对通信光功率的影响,并根据接收探测器的信噪比和通信误码率公式,建立了空地激光通信仿真系统.分析了在误码率优于10-7条件下,不同地面大气能见度所对应的最高通信速率;以及要实现通信速率为1.5 GHz,误码率优于10-7时需要的最小发射功率和最长通信距离.结果表明,当发射功率越大时,地面大气能见度对误码率的影响越明显.
空地激光通信 通信速率 误码率 信噪比 大气湍流 Spaceground optical communication Communication rate Bit error rate Signal noise ratio Atmosphere turbulence 酸溶法传像光纤材料具有单丝直径细、柔软性能好、分辨率高等优点,在高清晰度光纤成像仪器和工业自动化检测等领域有着广阔的应用前景.本文从基质玻璃材料入手,开展了物化性能相互匹配的高光学质量预制棒管的制备、拉排丝以及硬质传像光纤的酸溶试验;对柔性传像光纤的分辨率、光谱透过率以及暗丝等进行了分析与表征.实验结果表明,该材料的制备过程突破了传统传像光纤的生产工艺,实现了传像光纤的结构与工艺创新.
柔性传像光纤 酸溶法 分辨率 光谱透过率 Flexible image fiber Acid leaching method Resolution Spectral transmissivity 采用粉末烧结技术制备出高浓度镱铝共掺石英棒,Yb3+掺杂浓度为12 000 ppm(wt).利用此掺镱石英棒作为纤芯,拉制出镱铝共掺大模场光子晶体光纤,光纤模场面积为550 μm2,模场直径26 μm.实验结果表明:光纤在近红外波段(850~1 033 nm)出现一个宽的吸收带,主吸收峰波长位于976 nm,在此波长处吸收损耗高于10 dB/m;采用波长为971 nm的激光泵浦光纤,在1 050~1 125 nm波长范围内产生高斯型的荧光峰,峰值波长位于1 088 nm处,荧光半宽高45 nm.
粉末烧结法 镱铝共掺石英棒 大模场面积 光子晶体光纤 Powder sintering method Yb3+ /Al3+ codoped silica rod Large mode area Photonic crystal fibers 针对当前军、民用领域对新型包覆型功能材料的需求,以花粉作为内核,采用化学镀铜方法,制备了表面包覆铜膜的金属化花粉,利用扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱仪和微波测试系统对金属化花粉的结构特性、红外与微波波段电磁特性进行了测试与分析.扫描电子显微镜图显示,花粉金属化后形态保持良好、未发生破裂或变形,铜镀层厚度均匀、结构致密,镀层厚度在1 μm左右.红外和微波波段实验结果表明,金属化花粉的红外与微波波段电磁特性主要由其铜镀层决定,镀铜后花粉对红外和微波具有强反射和强吸收作用.金属化花粉颗粒以其金属外壳的强电磁衰减能力和花粉内核的低密度轻质特性,具有作为新型红外和微波波段功能材料的潜力.
电磁特性 生物加工 花粉金属化 化学镀铜 Electromagnetic properties Biological process Farina metallization Chemical plating copper 采用HeNe激光(5 mW·mm-2)和增强UVB(10.08 kJ·m-2·d-1)辐照‘ML7113’小麦幼苗,6天后提取各处理组小麦幼苗的总蛋白和TaRAN1蛋白,用SDSPAGE对其进行初步检测及Western Blot对目的蛋白进行鉴定,并采用考马斯亮蓝法测量不同处理组的TaRAN1蛋白的含量以做进一步的比较分析.结果表明:增强UVB辐射使小麦TaRAN1蛋白电泳条带加宽颜色加深且含量显著增加;单独HeNe激光处理,蛋白电泳条带较窄颜色较淡且所测的蛋白含量明显减少,表现出了抑制作用;经HeNe激光辐照和UVB辐射复合处理后,蛋白的含量明显低于B组而与对照组相差不明显.说明增强UVB辐射后,小麦TaRAN1蛋白可能参与了植物的抗逆境反应.
HeNe激光 UVB辐射 TaRAN1蛋白 免疫印迹 HeNe laser UVB radiation TaRAN1 protein Western Blot 在三维拓扑绝缘体表面上外加铁磁条形成的磁势垒量子阱,通过控制入射电子能量,使得入射电子波限制在势阱中传播,并由波函数的连续性求得磁诱导三维拓扑绝缘体波导的色散方程.由于此方程是超越方程,不能解析求解,因此本文采用图解法求解色散方程的解.研究表明:在入射电子能量大于磁势垒和小于磁势垒的情况下,都能够形成波导;当入射电子的能量大于磁矢势时,波导能够支持基模,而且模式阶数也依次递增;而当入射电子能量小于磁矢势时,波导能够承载的导模数量有所减少.通过研究波导中导模几率密度的空间分布,发现三维拓扑绝缘体表面上磁场诱导的电子波导能够很好地束缚电子,而且低阶模对电子的束缚能力强于高阶模.此外,本文也推导出了波导的几率流密度分布的公式.
拓扑绝缘体 波导 导模 图解法 Topological insulator Waveguide Guided modes Graphical method 结合丝网印刷技术,研发了一种碳纳米管阴极制备法.利用双壁纳米管作为原材料,并加入细小银颗粒,制作了混合纳米管浆料.将混合纳米管浆料制作在传导电极表面,再将普通纳米管浆料印刷在混合纳米管浆料的上面.在链式烧结炉中对烘烤后的纳米管浆料同时进行烧结以除掉有机溶剂.在进行适当的后处理工艺之后,就形成了二次印刷型纳米管阴极,它能显著改善阴极的场致发射特性.制作了二次印刷型纳米管阴极的三极结构场致发射显示器.该显示器具有更高的发光亮度以及更好的发光图像亮度均匀性.与普通纳米管阴极场致发射显示器相比较,它能够将开启电场从2.15 V/μm降低到1.75 V/μm,并能够将最大场发射电流从735.8 μA提高到1 588.5 μA.所研发的纳米管阴极制备方法具有很强的实际应用性,且制作成本低廉.
阴极 二次印刷 场发射 制备 烧结 Cathode Secondprinting Field emission Preparation Sintering 基于左手介质的传输线理论,经过估算尺寸后设计出相应的结构并仿真得到散射参量,然后利用Smith的参量提取方法提取有效介电常量、有效磁导率和折射率,对一种双层金属开口环谐振器结构的U波段左手材料的传输特性和电磁参量特性进行分析.数值仿真结果表明,该结构在48.8~59.9 GHz频带内有效介电常量和有效磁导率均为负值,同时在该频率范围内具有负折射特性,从而证实了该结构在U波段的左手特性,对左手介质在更高波段的研究具有一定的参考意义.
双层金属开口环谐振器 负折射 U波段 左手材料 Twolayered SRR Negative refraction U band Lefthanded metamaterial 将二维相关近红外谱与多维偏最小二乘判别分析方法结合起来,建立了掺杂牛奶与纯牛奶的判别模型.分别配置掺杂尿素牛奶(1~20 g/L)和掺杂三聚氰胺牛奶(0.01~3 g/L)样品各40个,采集纯牛奶及掺杂牛奶样品的近红外光谱.在量化二维相关近红外同步谱的基础上,采用多维偏最小二乘判别分析法分别建立了掺杂尿素、掺杂三聚氰胺及两种掺杂牛奶与纯牛奶的判别模型对未知样品进行判别,其判别正确率分别为95%、90%和92.5%,并与偏最小二乘判别和隐变量正交投影判别建模方法进行了比较.结果表明:多维偏最小二乘判别分析法具有更强的预测能力可推广到其它食品的掺杂检测中.
二维相关近红外谱 多维偏最小二乘判别分析 掺杂牛奶 尿素 三聚氰胺 Twodimensional correlation nearinfrared spectr NPLSDA Adulterated milk Urea Melamine 在利用生化分析仪用分光光度计对血液等样品进行分析时,由于样品中不同组分对不同波段的光吸收有所差异,尤其在能量衰减较大和非特征吸收波段表现得更加突出,并且电路中各种噪音和光路杂散光的存在,使得光度测量的准确率降低.本文使用线阵CCD积分时间的自动调节和分段分时采光等优化算法,将强吸收与弱吸收分开曝光,在保证强吸收正常的前提下,自动调整积分时间来增大弱吸收的信号.采用自行研制的基于CzernyTurner型分光光路和线阵CCD探测的高分辨率生化分析仪作为分光光度计,经实验测试,该方法有效地提高了光度测量的准确度,同时提高了系统的性能和信噪比.此外,该分光光度计系统的光谱测量范围可达300~800 nm,波长分辨率优于2 nm.
光谱学 分光光度计 积分时间 光谱吸收度 线阵CCD Spectroscopy Spectrophotometer Integration time Spectral absorbance Linear CCD 提出利用高光谱对哈密瓜坚实度进行检测的方法,对比分析了不同波段范围、不同预处理法、不同光程校正法和不同定量校正算法对哈密瓜坚实度预测模型准确度的影响.实验结果表明,在500~820 nm波段光谱区域,采用偏最小二乘法对经过标准正则变换校正的一阶微分处理的光谱建模效果较优,其校正集相关系数为0.873,校正均方根误差为4.18N,预测集相关系数为0.646,预测均方根误差为6.40N.研究表明,应用高光谱对哈密瓜坚实度的无损检测研究具有可行性.
光谱学 高光谱成像技术 无损检测 偏最小二乘法 坚实度 哈密瓜 Spectroscopy Hyperspectral imaging technique Nondestructive detection Partial least square Firmness Hami melon 在测量领域中需要使具有高稳定性及良好光谱匹配性的人工模拟太阳光谱标准灯.本文提出一种基于多种不同峰值波长LED光源的方法来准确模拟AM1.5的光谱分布.以最小二乘法和高斯分布数学模型为基础,在理论上实现了非均匀间隔峰值波长的光谱拟合,从而指导LED的种类选择及其所需的驱动电流值,并通过实验论证其可行性.结果表明:在300~1100nm的范围内,使用较少LED种类的情况下,此方法光谱失配误差小于±2.76%.此算法可精确地分辨标准太阳光谱AM1.5的吸收谷,且应用于AM0的拟合时获得小于±1.67%的光谱失配度.在工程实践中,该算法对快速、准确获得标准太阳光谱灯具有良好的指导意义.
LED太阳模拟器 光谱拟合 最小二乘法 高斯分布 非均匀峰值间隔 LEDbased solar simulator Spectral synthesis Least square(LS) method Gaussian distribution Nonuniform spectral peak intervals 在分析压缩对于影像特征提取影响的基础上,提出了一种定量化评价压缩对于影像线特征提取的方法.该方法首先对影像进行特征提取,然后使用变化检测算法统计压缩对于特征的影响.利用JPEG2000算法对一幅SPOT5影像进行压缩的试验表明,该方法可以获得连贯的边缘曲线,且具有较强的去除噪声的能力,其线特征提取结果适用于进行特征变化的比较;能够较好地反映出不同倍数的压缩影像信息量的损失情况,线特征变化率越大,压缩影像信息损失量就越大.
影像压缩 线特征 Canny算子 峰值信噪比 Compression Cannon operator Line feature extraction 从光学系统出发介绍了基于图像处理的离焦图像成像原理,分析了传统基于灰度梯度的自动调焦算法的缺陷——灰度梯度考虑不全面并且易受噪音影响.针对传统算法不足,提出了基于图像灰度梯度最大值累加的自动调焦算法.该算法通过计算中心像素的八邻域灰度梯度,以自动聚焦区域内各像素最大灰度梯度与最大灰度与最小梯度差值乘积之和作为新的评价函数,分析了该算法可以抑制噪音影响的原理;介绍了焦点搜索自适应变步长爬山算法原理和实现过程;最后进行算法性能实验验证.首先,利用不同算法对序列图像和加入高斯噪音的图像进行清晰度评价,结果证明该算法对含噪图像的清晰度评价准确,与传统算法相比该算法在抑制噪音方面具有优越性;其次,用不同聚焦算法进行序列图像自动调焦实验,结果显示传统算法会出现错误聚焦的情况,而该算法聚焦准确迅速,相比于传统算法具有明显优势.
自动调焦 灰度梯度 评价函数 爬山算法 Auto focusing Gray gradient Evaluation function Climbing algorithm 利用介质材料的色散关系和特征矩阵法研究了一维光子晶体中TE波和TM波的全反射隧穿效应随色散的变化特征. TE波和TM波全反射隧穿导带的频率中心随色散强度的增加而降低, 频率宽度随色散强度的增加而增大. TE波和TM波的全反射隧穿导带的频率中心随入射角的增加而升高, 频率宽度随入射角的增加而减小. 这些研究结果拓宽了对一维光子晶体中TE波和TM波波全反射隧穿效应的认识.
光子晶体 色散 全反射隧穿 复折射率 Photonic crystal Dispersion Total reflection tunnel Plural refraction index 电负媒质和磁负媒质组成的一维光子晶体中存在一种几乎不受电磁波入射角和极化影响的零相位能隙.为了能够调节这种能隙的频率,通过在此类光子晶体中心插入一层各向异性媒介,构造出两层电负和磁负媒质交替的一维光子晶体.采用Berreman 4×4矩阵法计算了该结构的透射谱,结果显示:调节双轴晶体主轴围绕实验坐标系z轴的旋转角度可以改变缺陷模频率的大小,并且该缺陷模的频率不随入射角度的变化而改变.该特性可以用于光波频率可调的单通道窄带滤波器的制作.
零有效相位能隙 缺陷模 单通道可调滤波器 Zerophaseshift gap Defect mode Tunable single tunnel omnidirectional filter 提出了一种用Bell纠缠态作为量子信道,实现双向隐形传态的方案.通信双方Alice、Bob事先共享二对Bell纠缠态,通信开始后,Alice、Bob分别对自己拥有的部分粒子作Bell基联合测量,并将测量结果通过经典信道告诉对方.Alice、Bob根据对方提供的测量结果,做相应的幺正变换,即在己方的粒子上,再现对方要传的量子态信息,从而实现双向传态的目的.为了提高量子双向隐形传态的安全性,加入第三方控制,分析表明,通过增加控制方的粒子数可以增加系统的安全性,但增加到一定数量后,将无助于量子信道安全性的提高.
量子信息 隐形传态 双向通信 安全性 Quantum information Teleportation Twoway communication Security 提出两个二能级原子纠缠态的隐形传态方案,方案中选用由四个全同二能级原子组成的非最大纠缠Cluster态作为量子信道.研究表明,接收者根据发送者传送的经典信息,通过引入一个附加原子并实施相应的幺正变化,即可以一定的概率重构原子态,此概率由Cluster态中绝对值最小的两个系数决定.该方案中使用的是Cluster非最大纠缠态作为量子信道,因此与其他方案相比该方案可以节约更多的纠缠资源和经典信息.如果使用Cluster最大纠缠态作为量子信道,那么此方案即为一般的量子传态方案,成功传送的概率为100%.
量子光学 概率隐形传态 Cluster态 Bell态测量 幺正变换 Quantum optics Probabilistic teleportation Cluster state Bell state measurement Unitary transformation 通过研究两全同原子初始处于最大纠缠态,光场处于单模时的原子纠缠动力学及Tavis-Cummings模型(TC模型),分析了在TC模型全同原子系统的Hamilton量中加入Stark位移时对原子纠缠的退相干时间的影响.结果表明:不考虑Stark位移时两原子在系统演化过程中周期性地出现退纠缠现象;考虑Stark位移时,两全同原子长时间地纠缠.
量子光学 两全同原子 TavisCummings模型 Stark位移 原子纠缠 Quantum optics Two identity atoms TavisCummings model Stark shift Atomic entanglement