微生物检测在医疗诊断、食品安全、发酵工程、微生物科学研究等方面具有重要意义。 微生物检测主要体现两个方面：微生物的判断和微生物生长曲线的测量。微生物的生长通常伴随着一系列与生长量相平行的DNA、酸 碱度等生理指标和CO2、光学厚度等产物指标,这些指标为微生物检测提供了测量途径。其中,通过检测微生物代谢产物CO2, 不仅可以排除死菌带来的干扰,而且能够实现快速、全自动检测,成为微生物检测的主要途径之一。可调谐半导体二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)以其在测量CO2的灵敏度高、 结构简单、技术成熟等优势,为微生物检测提供一种快速、非侵入的新检测途径,对推动微生物检测技术的发展具有重要的意义。 介绍了近几年TDLAS技术及其在微生物(生长)检测领域应用取得的进展。

二氧化碳(CO2)不仅是一种重要的温室气体,也是具有危害性的窒息性气体,因此发展小型化、 高灵敏度的CO2浓度传感器对无人机载、探空球等探测大气CO2以及在空间封闭环境的CO2浓度监测等领域具有较大的应用需求。开 展了基于2.0 μm可调谐半导体激光器的CO2传感研究,搭建了CO2探测实验系统。系统以4989.97 cm-1 处的CO2吸收谱线 为研究对象,采用微小型离轴石英音叉增强型光声光谱新技术对CO2气体传感进行研究。通过优化调制频率和调制振幅等参数,确定了CO2 传感系统的最佳参数。在最优实验参数条件下对CO2气体进行探测,获得系统的最小探测灵敏度为142 μL/L,最小归一化等效噪声吸收系数为3.37×10-8cm-1W/Hz1/2。

标准色温箱光源在彩色印刷、摄影、印染和智能化仪器等领域具有重要应用。采用氪气灯作为标准色温箱A光源,通过选用29种COB集成封装大功率LED晶片为基础发光单元对标准色温箱B、C、D65光源光谱进行模拟。对各LED光谱模型采取实测线性归一化光谱功率分布数据,提出基于遗传算法的光谱匹配算法,通过该算法计算得到各LED光功率的比例系数。以冷白色LED光功率为基准,由各LED的光功率与驱动电流线性拟合方程得到各LED驱动电流控制参数。通过该方法得到的B、C、D65光源光谱与CIE标准光源光谱的相对光谱差异分别为9.1%、7.98%、8.05%,各拟合光源显色指数分别为95.5234、96.6841、99.2833。通过氪气灯得到的 A 光源显色指数为99.3330。该设计方法可很好满足指标要求。

根据排查罂粟的需要,利用光纤光谱仪在室内测量了小麦、罂粟、虞美人和狗尾草等植物在450～1000 nm波长范围内的光谱反射率。运用SPSS统计软件的逐步判别分析方法获得区分四种植物的8个特征波长,以选定的特征波长点建立判别模型进行分析,以罂粟错识率及非罂粟错识率为评价指标,研究了识别效果随特征波长点及特征波长点数目的变化情况。结果表明“红边”附近波长对罂粟及非罂粟的识别有重要影响,利用特征波长组合684.0,706.4,725.2,919.2 nm或684.0,694.3,706.4,725.2 nm 时,罂粟错识率及非罂粟错识率可以降到0%。

粒子的波粒二象性是量子力学中一个重要的基本概念,同时安德森局域化是凝聚态物理中一个重要的物理现象。 受光子在双臂干涉仪中波粒二象性的启发,研究了一维长程跳跃随机势模型中表征电子粒子性的分辨率D和表征波动性的可见度V。研究结果表明D2小于,等于,和大于V2 分别对应退局域态,临界态和局域态。从金属态到非金属态,安德森转变可以看作一种从偏向波动样行为到偏向粒子样行为的转变。该结果对认识波粒二象性及安德森转变具有重要意义。

针对现阶段激光器控制系统集成度不足,功能相对单一的现象,基于STM32设计了一种智能控制系统。系统搭载了基于EMWIN的人机交互界面,实现了脉冲激光器触摸屏控制。基于开发系统的高频时钟,产生多路脉冲宽度调制信号,实现了脉冲激光器的高精度控制:抽运电压0～1000 V连续可调;脉冲频率1～200 Hz多档位可调;脉冲宽度0～1000 μs连续可调,精度为20 μs。 电压与脉宽的调节均支持微调与粗调。系统搭载了温度传感器和超声波测距模块,能实时监控激光器工作温度和划分安全操作区域。同时设计了信号测量模块,采样频率为1～100 kHz。设计实现了激光器控制和测量的一体化,及激光器工作的过程控制与安全监控。

遥感设备需要配备高精度的本地时钟源与卫星平台时钟同步,数字锁相环设计是时钟同步和倍频的关键技术,而长周期输入信号和大倍频系数从两方面增加了设计难度。 设计了一种针对秒脉冲同步和10000倍倍频条件下的数字锁相环,通过建立Z 域模型和S域近似分析了其响应特性,用现场可编程门阵列予以实现。实验表明,本设计实现的数字锁相环最短可以在5个输入时钟 周期内进入锁定状态,稳定工作时每秒累积误差小于0.1 ms,在实际应用中可以稳定输出本地时钟,满足遥感设备时钟同步和倍频的需求。

为了抵御弱盲签名的伪造攻击,基于量子纠缠交换原理提出了双重弱盲签名方案。此方案由发送者、 签名者和验证者三方经过初始化、消息盲化、双重盲签名和验证完成。发送者将消息盲化后送给签 名者,签名者用量子可控非门产生盲签名并执行Bell态测量,发送者用量子测量对原始消息再次签 名,验证者对两次签名分别进行验证,并去除盲化恢复原始消息。如果参与者对签名验证的结果有 争议,由可信的签名者对争议进行仲裁。分析表明当密钥满足偶数位恒为1时,该方法不仅能抵御外 部攻击,而且能有效防止发送者篡改,满足了弱盲签名的不可伪造性、不可否认性、盲性和可追踪 性等要求。所提方案在电子商务、电子货币等互联网交易中具有广泛的应用前景。

利用线性光学器件,如极化分束器(Polarization beam splitter, PBS), 半波片(Half-wave plate, HWP), 电荷检测器(Charge detector, CD)等的特性以及辅助的单光子可以实现对部分纠缠的两光子系统进行浓缩并得到最大纠缠态。在此基础上,可以直接扩展到N光子的情形。方案中成功的关键部分是当两光子通过第一个极化分束器时,选择它们从不同的输出模射出的情形,此时电荷检测器只包含一个光子。对于两个光子从同一个输出模射出的情形,它可以被利用起来进行下一轮浓缩。迭代浓缩可以获得较高的成功概率。另外该方案中应用的都是线性元件,降低了在实验上实现的难度,具有一定的可行性。

Tavakoli等利用奇素数维量子系统上互相无偏基以及基上酉变换的循环性质, 设计了一个基于互相无偏基上的d维单量子系统的秘密共享方案。 我们首先构造了偶数维量子系统上的一类标准正交基,并 给出相应结论,然后利用这类标准正交基和基上酉变换的性质提出了一个(N,N)门限量子秘密共享方案。 该方案与奇素数维系统上 的量子秘密共享方案相比,在测量方面的有效性提高为原来的2倍。 作为特例,给出了d=8时对应的基,酉阵及对应方案,最后就该方案相关的攻击进行了安全性讨论。

量子密钥分发(QKD)过程中,保密增强算法用于消除QKD过程本身泄露以及可能被窃听者窃取的密钥信息,从而保证生成的量子密钥的安全。现有多种CPU软件实现方案。为提高算法安全性、集成度,并降低功耗,研究了采用FPGA实现的高速Toeplitz矩阵相乘保密增强算法方案。通过采用矩阵分块并行计算、流水线结构等加速运算方法,该方案在每次处理256 Kbits输入密钥时最大安全成码速率达到20 Mbps,在每次处理1 Mbits输入密钥时最大安全成码速率达到5 Mbps。此外,还能适应一次计算1 Mbits内任意长度的输入密钥,也能适 应0～1之间的任意压缩比例,有助于未来实用化高速QKD系统研制。

高精度的干涉仪对于准确观察各类物理现象有着非常重要的作用。 提出了利用受激布里渊散射效应构造拉姆齐干涉仪的理论方案。整个方案包含两次受激布里渊散射效应的激发过程, 而构造拉姆齐干涉所需的干涉相位则源于第一次受激布里渊散射效应产生的相干声子的自由演化,借助第二次受激布里渊散射效应, 拉姆齐干涉条纹就可以直接从输出光场中读取。由于输出光场是大量光子的平均效应,因此,拉姆齐输出谱对系统噪声并不敏感。 此外,该理论方案可以用现有实验技术实现。

Ca3(BO3)2是一种可应用于紫外波段的新型受激Raman散射(SRS)晶体, 但对其SRS活性模式的研究还未深入开展。采用密度泛函理论(DFT)计算方法研究了Ca3(BO3)2晶体的Raman光谱,对晶体的所有Raman活性振动模式进行了指认, 确认了晶体的SRS活性模式起源于BO3-3基团的全对称伸缩振动。CaCO3和Ca(NO3)2晶体的SRS活性模式也起源于平面三角基团 (CO2-3 和NO-3)的全对称伸缩振动,但它们的强度远大于Ca3(BO3)2。电子云密度分析的结果显示: Ca3(BO3)2、 CaCO3、Ca(NO3)2 三种晶体的SRS活性模式的强度与BO3-3、CO2-3、NO-3 三种基团的电子共轭效应正相关。 DFT 计算研究的结果表明:硼原子的同位素效应不影响Ca3(BO3)2晶体SRS活性模式的线宽。泵浦激光沿晶轴aH或cH传播时晶体的Raman 散射截面大致相等。

准分子激光线形光束在多晶硅薄膜的工业生产中有重要应用。基于自行研制的激光退火设备输出的线形XeCl 准分子激光对等离子体增强化学气相沉积制备的大尺寸非晶硅薄膜进行退火处理。研究了线形光束的能量密度、辐照数量对薄膜晶化程度的影响,讨论了制备的大尺寸多晶硅薄膜的晶化体积分数及均匀性。实验结果表明,薄膜晶化的阈值为194 mJ·cm-2; 薄膜的晶化体积分数随能量密度先线性增大,再缓慢减小,线性增长因子约为0.3, 当能量密度为432 mJ·cm-2时,晶化程度最优;当辐照数量超过20次时,薄膜的晶化体积分数维持稳定;当光斑搭接率为93.7% 时,制备的大尺寸多晶硅薄膜右侧区域的晶化体积分数为92.26%,相对标准差为1.56%,略好于左侧区域。该工作为线形光束晶化非晶硅薄膜的研究及准分子激光线形光束退火设备的国产化及提供了参考。

为了实现大气水平能见度的快速测量,设计了基于电荷耦合器件(CCD)的大气水 平能见度测量系统,并对该系统采用的局部加权回归算法进行了研究。通过实验对比了局部 加权回归和普通线性回归算法的拟合直线,并与商用NQ-1能见度仪进行了同步对比测量。 结果表明:使用局部加权回归替换普通线性回归算法的CCD测量系统可以提高与能见度仪测 量数据的相关性,相关系数从85%提高到96%;与能见度仪测量数据的实时对比表明,系统测 量的误差值从3 km减小到0.8 km左右。可见采用局部加权回归算法的CCD测量系统基本满足 大气水平能见度测量的要求。

CCD的读出噪声等性能影响卫星X射线探测载荷的数据质量。空间应用的X射线CCD结构不同于普通CCD,其结构影响它的性能。 以国外卫星广泛应用的E2V航天级CCD为例,分析了其X射线敏感CCD的内部结构,介绍了使用FPGA和驱动芯片满足时序和电平要求的驱动电路的方法,设计了一种可 实现滤波功能、同时增益连续可调的CCD信号处理电路实现对CCD信号的放大和滤波,给出了利用Fe55放射源配合驱动电路测试X射线CCD增益和读出噪声的方法, 最终测得CCD和配套电路的增益为5.1 e-/DN,读出噪声为37 e-。

表面等离子体波导能够突破光的衍射极限,提供亚波长的模式局域性。由于其独特的性质,表面等离子体波导引起了广泛的关注。 但是,之前报道的各种表面等离子体波导基本没有涉及到波导结构的可调谐性。这里,我们提出了一种类楔形表面等离子体波导,用有限元方法(FEM)研究了 该表面等离子体波导的模式特性。该类楔形表面等离子体波导可以实现超深的亚波长的模式局域性,通过改变波导的结构参数,我们可以对波导的模式局域性和传输损耗进行调控。

提出并制作了一种基于法布里珀罗腔的非膜片式全光纤结构音频传感器。通过对该音频传感器的音频信号响应特性进行测试,实验结果表明该传感器在噪声限制下,最小可检测声压可达38.9 μPa/Hz1/2, 且由于采用是全光纤结构因而具有良好的温度稳定性,相比于膜片式光纤音频传感器,其结构简单,容易制作,并且具有良好的线性声压响应等优点,表明该传感器在音频检测领域具有潜在的应用价值。

研究光纤温度与传输特性之间的关系对光纤复合低压电缆(OPLC)的设计及应用非常重要。利用COMSOL 多物理场仿真软件建立了二维仿真模型,研究了光纤轴向应力随温度的变化情况,并通过与理论计算相对比验证了模型的合理性。其次,通过理论计算得到了石英光纤的应力弹光系数,并且基于弹光效应仿真分析了涂覆层材料为丙烯酸树脂和聚乙烯两种光纤的瞬态温升特性和热致应变损耗。结果表明,涂覆层材料为丙烯酸树脂的光纤在相同时间内温度上升幅度较小,在相同温度下的损耗也更低, 40°C到250°C范围内,其热致应变损耗随温度升高而线性增加,最大值为0.033 dB/km。从瞬态温升和热致应变损耗的角度出发,涂覆层材料为丙烯酸树脂的光纤在OPLC的应用中更具优势。