深圳大学纳米光子学研究中心，微纳光电子学研究院，异质异构集成全国重点实验室，广东 深圳 518060
超表面是一种具有灵活的偏振操纵功能的新型材料。为了获得远场偏振全息图像，通常需要添加透镜等光学元件。笔者利用超表面波带片的灵活偏振操纵及聚焦功能实现了一种新颖的远场偏振全息加密技术。在该技术中，两个自旋复用的超表面波带片被集成到单个介质超表面器件中，其中超表面的振幅（右旋圆偏振转化率）用来编码奇数和偶数环形区域的波带片，而其相位调制则用来编码透射右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的两个全息图。此外，二维码（QR码）和振幅型/相位型全息图用于进一步隐藏加密信息，以提高信息的安全性。所提加密技术有望进一步提升数据安全性和隐私保护水平，推动光学信息加密和高密度数据存储等领域的技术发展。
表面光学 超表面波带片 远场偏振全息加密 QR码 全息 中国激光
2023, 50(18): 1813015
1 中国航天科工集团第三研究院航天海鹰卫星运营事业部, 北京 100070
2 中国资源卫星应用中心, 北京 100094
3 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院, 北京 100083
4 安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室, 安徽 淮南 232001
植被重金属污染监测是当今高光谱遥感监测研究的重要内容。 为了将高光谱遥感技术定性的用于植被重金属污染监测研究, 从盆栽实验采集的反射率光谱数据方面进行研究。 在实验室室内设置不同胁迫浓度的重金属铜铅玉米盆栽实验, 测定了不同浓度Cu2+和Pb2+胁迫下玉米叶片的反射率光谱和Cu2+和Pb2+含量等有关铜铅污染玉米的基础数据, 形成了关于重金属铜铅污染玉米植株的一套完整的数据集。 研究提出了一种铜铅探测指数(CLDI), 实现了不同培育期的两种玉米品种的重金属铜铅胁迫监测, 从而为当前植被重金属污染探测提供了新的思路。 研究设计了不同浓度的铜铅污染实验, 将测量获得的玉米叶片450～850 nm的光谱反射率进行一阶微分(D)和包络线去除(CR)处理后得到微分包络线去除(DCR)光谱曲线, 利用皮尔逊相关系数(r)分析DCR数据和生化数据, 选择对重金属Cu敏感的特征波段。 计算的皮尔逊相关系数表明DCR值在490～520和680～700 nm与土壤和叶片中的Cu2+含量呈现接近于1的线性正相关, 在630～650和710～750 nm呈现接近于-1的线性负相关。 选择波长505, 640, 690和730 nm的DCR值建立CLDI, 通过计算土壤和叶片中的Cu2+含量与CLDI和常规的植被指数(VIs)的皮尔逊相关系数, 将两者进行对比, 从而验证了CLDI的有效性。 选用2017年实验获取的不同品种玉米叶片光谱数据, 将CLDI同样和常规的植被指数(VIs)进行对比, 从而验证了CLDI对不同品种的玉米具有鲁棒性。 将CLDI应用到铅胁迫下玉米叶片的污染程度监测, 验证了其对于不同重金属的普适性。 结果表明, CLDI与Cu2+和Pb2+胁迫浓度相关性显著, 与其他植被指数相比, 相关性更高。 提出的CLDI探测铜铅胁迫下不同品种不同时期的玉米污染程度, 具有计算方便, 鲁棒性, 高效性、 普适性的优点。 该研究基于实验室叶片尺度, 可为冠层尺度的重金属胁迫监测提供理论基础。
高光谱遥感 玉米叶片 重金属污染 铜铅探测指数 特征波段 Hyperspectral remote sensing Maize leaves Heavy metal pollution Copper lead detection index Characteristic bands 光谱学与光谱分析
2023, 43(4): 1268
1 中国资源卫星应用中心, 北京 100094
2 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院, 北京 100083
3 安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室, 安徽 淮南 232001
4 安徽理工大学测绘学院, 安徽 淮南 232001
目前我国土壤重金属污染日趋严重, 高光谱遥感因具有光谱分辨率高、 图谱合一等特点成为农作物重金属污染研究的热点。 农作物受重金属污染后其光谱会发生细微的改变, 如何探寻叶片光谱中对重金属污染敏感的波段是目前的一种研究方向。 提出了一种新型铜胁迫植被指数(NCSVI)来探索铜胁迫下玉米光谱敏感区间。 通过设计不同梯度下的玉米铜胁迫实验, 测定每个铜胁迫浓度下玉米叶片的光谱和Cu2+的含量。 首先, 将玉米叶片光谱分为11个子区间, 以每个子区间的中间波长对应的光谱反射率构建各自的NCSVI。 然后, 计算NCSVI与玉米叶片中Cu2+含量的相关性系数R及均方根误差RMSE, 结合水波段指数(WBI)、 改进的叶绿素吸收率指数(MCARI)和归一化水指数(NDWI)这三种常规植被指数进行对比。 最后, 选用其他年份相同实验条件下获取的玉米叶片光谱进行验证, 确认NCSVI的稳定性和有效性。 结果表明, 11个子区间中只有绿峰、 红边、 近谷和近峰A这四个子区间对应的NCSVI与玉米叶片Cu2+含量相关性系数的绝对值高于0.9, 分别为-0.94, -0.97, -0.94和-0.96, 均方根误差均低于15, 分别为12.57, 8.71, 12.71和10.06, 而WBI, MCARI和NDWI的相关性系数最高的仅达到0.75, 均方根误差最小的为24.21, 说明四个子区间对应的NCSVI对玉米叶片铜污染有着更好的指示性。 利用不同年份相同条件下的玉米实验对以上结果进行验证, 发现11个子区间中, R绝对值大于0.9、 RMSE小于1.55的只有绿峰、 红边、 近谷和近峰A这四个子区间, 其中R分别为-0.9, -0.97, -0.97和-0.93, RMSE分别为1.50, 0.85, 0.78和1.29, 均优于WBI, MCARI和NDWI, 与2016年实验得出的敏感子区间一致, 说明NCSVI能探测铜胁迫下玉米光谱的敏感区间, 具备效率高、 稳定性好的特点。 所提出的NCSVI指数可作为监测玉米叶片铜污染的一种方法, 并为其他农作物重金属污染研究提供一定的理论支持。
高光谱遥感 玉米叶片 重金属污染 新型铜胁迫植被指数 光谱敏感区间 Hyperspectral remote sensing Corn leaves Heavy metal pollution New copper stress vegetation index Spectral sensitive interval 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2604
1 中国科学院 上海硅酸盐研究所, 能量转换材料重点实验室, 上海 200050
2 中国科学院大学, 北京 100049
本研究利用固相反应法合成了一系列镧取代LaxSr2-3x/2Fe1.5Ni0.1Mo0.4O6-δ (LaxSFNM, x=0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4)钙钛矿陶瓷材料, 并研究其作为固体氧化物燃料电池阳极的电化学性能。X射线衍射(XRD)测试表明合成的粉末具有立方钙钛矿结构。在高温下利用氢气还原LaxSFNM样品, 发现其晶粒表面析出纳米尺度的Fe-Ni合金颗粒, 并且偏析纳米颗粒的密度随着La 3+掺杂量的增加而显著降低。在对称电池阻抗测试中, 随着La 3+掺杂量的增加, 阳极极化阻抗逐渐降低, 掺入量为0.3时阻抗达到最小值。La0.3SFNM对称电池在750 ℃下极化阻抗仅为0.16 W·cm 2, 进一步增加掺杂量时, La0.4SFNM对称电池极化阻抗增加至0.17 W·cm 2。La0.3SFNM材料良好的电极反应催化活性源于适当分布的Fe-Ni合金纳米偏析颗粒与LaxSFNM陶瓷基体的共同作用。利用流延法制备一系列以LaxSFNM为阳极、SmBa0.5Sr0.5Co2O6为阴极、LSGM为电解质的单电池, 使用氢气作为燃料时, La 3+掺杂量x=0.3的单电池表现出最高的功率密度, 在750、650和550 ℃时峰值功率密度可达1.26、0.90和0.52 W·cm -2。上述结果表明, La0.3Sr1.55Fe1.5Ni0.1Mo0.4O6-δ可以用作高性能SOFC阳极催化剂。
固体氧化物燃料电池 阳极材料 高温原位脱溶 Solid Oxide Fuel Cells anode materials in-situ exsolution
1 南京邮电大学电子科学与工程学院，江苏南京 210023
2 南京邮电大学射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室，江苏南京 210023
超宽探地雷达在无损检测系统中应用越来越广泛，采样电路是整个无损系统设计的关键。基于等效采样原理设计出一款新的三极管取样门电路。该电路克服了现有二极管取样门电路的缺点，很好地实现采样保持。利用先进设计系统(ADS)软件对该取样门电路进行仿真，输入脉冲重复频率为 10 MHz的 2 ns三角波信号，采样时钟重复频率为 10 MHz且与被采样信号有 100 ps延时差。对其进行采样，经过该取样门电路后，输出信号为 2 μs。在聚四氟乙烯板上实现该电路，利用信号发生器输入一个 90 ns的正弦波作为被采样信号，采样时钟为 100 ns，经过该取样门电路后，输出信号周期为 1 μs。实测与理论结果都表明该电路可以降低输入信号的频率，实现利用低速 A/D对高速信号的数据采集，大大降低了整个系统的成本。
超宽带 探地雷达 等效采样 ultra-wideband ground penetrating radar equivalent sampling 太赫兹科学与电子信息学报
2019, 17(5): 924
1 长江大学物理与光电工程学院, 湖北 荆州 434023
2 中南大学物理与电子学院, 湖南 长沙 410083
基于Thue-Morse非周期数学序列设计了一种新型衍射光子学元件——Thue-Morse多焦点涡旋透镜。与菲涅耳涡旋透镜相比,该类型透镜沿轴向具有多个聚焦涡旋且对称位置处的聚焦涡旋具有同等强度。理论与实验证明,Thue-Morse涡旋透镜具有独特的光学性质。该类型透镜可以产生涡旋光束阵列,实现多平面金属微粒、低折射率介质微粒等的束缚,在微纳光学领域具有潜在的应用价值。
衍射 Thue-Morse涡旋透镜 Thue-Morse序列 衍射特性 衍射光学元件 光学学报
2018, 38(11): 1105001
1 中南大学物理与电子学院, 湖南 长沙 410083
2 中南大学超微结构与超快过程湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410083
基于Rudin-Shapiro(RS)非周期序列, 提出了一种能简易制作且可在轴向产生两个低色差图像的RS光子筛(RSPS)。基于角谱理论, 研究了光子筛筛孔的最小直径与对应波带片的最外环宽度的比值对RSPS聚焦特性的影响, 数值仿真结果表明, 当光子筛筛孔的最小直径是对应波带片最外环宽度的1.398倍时, RSPS能在轴向产生相同的高强度的双焦点。不同于RS波带片(RSZP)的环带结构, RSPS的孔状结构更容易制作。此外, 对比分析了RSPS、RSZP和Thue-Morse波带片(TMZP)的聚焦成像特性, 理论研究结果表明, RSPS在轴向两个焦平面产生的图像的色差比TMZP的色差低, 与RSZP的色差近似一样。因此, RSPS在多色成像, X射线显微等领域将具有广阔的应用前景。
光子筛 色差 波带片 激光与光电子学进展
2018, 55(10): 100501
1 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院, 北京 100083
2 安徽理工大学测绘学院, 安徽 淮南 232001
重金属铜离子(Cu2+)与铅离子(Pb2+)污染对玉米叶片光谱的影响微弱、 隐蔽而难于探测。 研究中设置不同浓度Cu2+, Pb2+胁迫的玉米盆栽实验, 测定了玉米叶片光谱、 叶片中Cu2+, Pb2+含量与叶绿素相对含量, 分析了Cu2+, Pb2+污染胁迫下玉米叶片光谱响应特征, 并选取480～670与670～750 nm范围来进行分析, 在光谱维中定义了光谱微分差信息熵指数与在频率域中通过谐波分析提取了前三次谐波振幅(c1, c2与c3)指数, 并用所定义的指数探测分别受Cu2+, Pb2+胁迫玉米叶片光谱微弱差异。 实验结果表明, 在480～670与670～750 nm范围内, 玉米叶片中重金属离子浓度越大, 其光谱微分差信息熵就越大; 在480～670 nm波段, 谐波分解后第一谐波振幅c1与第二谐波振幅c2可用于识别Cu2+, Pb2+污染程度; 在670～750 nm波段, 第一谐波振幅c1、 第二谐波振幅c2与第三谐波振幅c3可用于识别Cu2+污染程度, 而c2则可以识别Pb2+污染程度, 污染胁迫越大振幅越大。 在480～670与670～750 nm波段内, 光谱微分差信息熵与前三次谐波振幅可作为识别玉米受Cu2+, Pb2+污染胁迫程度的指数, 从光谱维与频率域两种维度来识别玉米受Cu2+, Pb2+胁迫程度的方法可行, 文中定义的两类指数可稳健、 可靠地探测与识别玉米受Cu2+, Pb2+影响所产生的光谱微弱差异, 研究结果对利用高光谱来探测植被受重金属污染胁迫程度具有一定的参考价值。
重金属污染 谐波分析 光谱微分 信息熵 Heavy metal pollution Harmonic analysis Spectral derivative Entropy Cu2+ Cu2+ Pb2+ Pb2+
中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院, 北京 100083
光谱间微弱信息测度是当今高光谱遥感研究难点之一, 传统光谱测度方法难以区分光谱信息的微弱差异。 研究设计了不同浓度的铅(Pb)污染实验, 并测量了不同浓度铅离子（Pb2+）胁迫下玉米叶片的高光谱反射率、 叶绿素含量及Pb2+含量, 但是从所测结果得出, 不同浓度Pb2+胁迫下的光谱相似性相关系数均达到0.999, 难以区分不同浓度Pb2+胁迫引发的光谱间微弱信息差异和污染程度。 针对这一情况, 基于光谱微分处理、 正切函数增强、 光谱角量度与波谱分段检测等, 提出了一种新型的相似光谱测度方法, 即微分光谱角正切(derivative spectral angle tangent, DSAT)法。 为了验证DSAT在区分相关系数达0.99以上相似光谱的可行性和有效性, 将DSAT用于不同浓度Pb2+胁迫玉米叶片的整体波形与光谱区间子波形的信息差异性度量与检测。 实验结果得到, 波形差异信息与玉米叶片中叶绿素相对浓度与Pb2+含量显著相关。 进而也证明DSAT法在甄别较高相似性光谱间差异上具有更好的实用性和优越性。
微分光谱 光谱角 正切函数 玉米叶片 重金属铅污染 弱信息检测 Derivative spectra Spectral angle Tangent function Corn leaf Heavy metal lead pollution Weak information detection 光谱学与光谱分析
2016, 36(8): 2568
1 上海理工大学 a.光电学院
2 b.医疗器械与食品学院, 上海 200093
3 上海理工大学 b.医疗器械与食品学院, 上海 200093
在临床实际应用中，X射线源是一个具有有限尺寸的多色光源.基于Fresnel-Kirchhoff衍射理论，考虑空间相干的影响，新的类同轴X射线相衬成像公式被导出.分别代表吸收效应与相位效应的吸收衬度传递函数和相位衬度传递函数从新公式得到.吸收衬度传递函数和相位衬度传递函数的曲线由Matlab给出，不同源半径的最佳成像位置也被计算.理论分析结果如下：1)当光源半径足够大时空间相干效应须被考虑，减小源半径可以增强相位效应；2)源半径与最佳成像位置间有确定关系，并在本文中给出；3)源尺寸效应对相位效应影响不是无限的；4)减小入射X射线光子能量将会显著增强相位效应，但不会对最佳成像位置有影响，因此，上述结论可以被拓展到多色光情况.为了验证理论结果，本文给出了对一个表面破损的光学玻璃微聚焦相衬成像的实验结果.其中一些实验结果与理论分析符合很好，但也有一些实验未达到预期，相关的解释文中也已给出.
相衬成像 吸收衬度传递函数 相位衬度传递函数 Phase-contrast imaging Absorption contrast transmission function Phase contrast transmission function
