Author Affiliations
Abstract
1 Department of Electrical Engineering and Computer Science, Ningbo University, Ningbo 315211, China
2 Centre for Optical and Electromagnetic Research, College of Optical Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
Mode splitters that directly separate modes without changing their orders are highly promising to improve the flexibility of the mode-division multiplexing systems. In this paper, we design a high-performance mode splitter on the silicon-on-insulator platform with a compact footprint of 14 µm× 2.5 µm using an inverse design method based on shape optimization. The fabrication of this mode splitter requires only a single lithography step and exhibits good fabrication tolerances. The experimental results show that the proposed device exhibits state-of-the-art insertion loss (<0.9 dB) and cross talk (<-16 dB) over a broad bandwidth (1500–1600 nm). Furthermore, the shape optimization method used is implemented to design a dual-mode (de)multiplexer, and the experimental results fulfill the design objective, demonstrating the excellent generality of the design method in this paper.
integrated optics inverse design mode splitter Chinese Optics Letters
2024, 22(1): 011302
1 哈尔滨工程大学物理与光电工程学院纤维集成光学教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工程大学烟台研究院先进光纤传感技术研发中心，山东 烟台 264006
基于光纤后向散射的光纤传感技术具有全分布、长距离等特点，在诸多领域受到广泛关注，被认为是一种变革性技术。散射光随着传输距离增加逐渐减弱，信噪比降低导致感知性能下降，成为限制其在长距离应用的主要因素。通过光纤掺杂、写入弱光栅等方式增加光纤散射强度可以有效缓解该问题。然而对于数千米的超长距应用，散射增加意味光纤损耗的增强，通过增加散射来提升信噪比的方法失效。本课题组提出一种增加光纤后向散射强度但不增加光纤本征损耗的散射收集能力增强光纤。本文分别从增强光纤散射能力和增强后向收集能力两个方向总结了散射增强光纤的几种方法，论述了各种方法的优缺点，并进行了简要展望。
光纤光学 分布式传感 散射增强光纤 辐照光纤 微结构光纤 掺杂光纤 超长锥形光纤
1 中国海洋大学信息科学与工程学部物理与光电工程学院, 山东 青岛 266100
2 中国科学院海洋研究所, 中国科学院海洋地质与环境重点实验室&深海极端环境与生命过程研究中心, 中国科学院海洋大科学研究中心, 山东 青岛 266071
旨在实现对海洋牧场水下底栖动物的原位识别, 使用随机森林算法实现识别分类检测, 对目标生物进行分类识别分析, 深入挖掘数据, 提高工作效率和决策可靠性。 利用研发的水下高光谱成像分析仪, 在不同的水下环境中通过获取五种海洋牧场常见经济动物（虾夷扇贝、 栉孔扇贝、 脉红螺、 皱纹盘鲍、 仿刺参）的高光谱数据, 归一化处理后运用机器学习中的随机森林（RF）、 基于主成分分析的随机森林（PCA-RF）、 基于递归特征消除的随机森林（RFE-RF）三种随机森林算法对五种底栖动物进行分类识别以及对比分析。 通过RF的变量重要性排序, 筛选出排名较高, 对模型贡献度高的波段所对应的反射谱强度数据, 再将排名靠前的特征波段数据输入分类器中, 通过优化参数, 得到分类准确度。 将数据的分类结果输出混淆矩阵, 可以看到五种样品的识别情况。 脉红螺样品识别精度最低, 为64％； 仿刺参与栉孔扇贝的识别精度最高, 达到了100％； 虾夷扇贝与皱纹盘鲍的识别精度分别为91％与96％。 三种方法最终得到的分类精度分别为: RF 90.13％； PCA-RF 95.20％； RFE-RF 98.74％, 达到了较为理想的分类效果, 体现了随机森林算法运用在水下高光谱数据分类研究的可行性。
随机森林 高光谱成像 分类 原位识别 底栖动物 特征选择 Random Forest Hyperspectral imaging Classification In situ identification Benthic fauna Feature selection 光谱学与光谱分析
2023, 43(10): 3015
太原理工大学化学工程与技术学院, 太原 030024
BiOCl在光催化固氮领域中有着广阔的应用价值, 但其光生电子-空穴对的快速复合限制了其应用和发展。本文首先采用水解法制备了一种具有丰富氧空位的新型RuO2/BiOCl复合光催化剂, 并利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、紫外-可见漫反射光谱、光致发光光谱、电子顺磁共振等对其进行了表征, 采用300 W氙灯为模拟太阳光源, 评估了其光催化固氮性能。结果表明: 当复合催化剂中RuO2负载量达到0.2%(质量分数)时, RuO2/BiOCl具有更好的固氮活性, 在光照1 h后其最佳活性达到了131.9 μmol/L。相较纯BiOCl催化剂, 其固氮性能提升了3.5倍。最后, 本文对催化剂的反应机理进行了相关探索, 为制备具有更高固氮活性的光催化剂提供参考。
半导体 水解 氧空位 固氮 光催化 协同作用 RuO2/BiOCl RuO2/BiOCl semiconductor hydrolysis oxygen vacancy nitrogen fixation photocatalysis synergistic effect
强激光与粒子束
2023, 35(9): 091002
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学杭州高等研究院物理与光电工程学院，浙江 杭州 310024
3 上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093
太赫兹源是太赫兹科学技术发展和相关应用研究的基础。超快激光为太赫兹的产生和探测提供了稳定、可靠的激发光源。超快激光泵浦各种激发介质可以产生太赫兹波，激发介质主要有4类：1）固体介质，如光电导天线、晶体等；2）气体介质，如空气；3）液体介质，如液态水、液态镓、液氮等；4）等离子体介质，如钛薄膜、金属铜箔。太赫兹场强的进一步提高催生了人们对强场太赫兹与物质的相互作用以及太赫兹非线性光谱学的研究，太赫兹不仅能作为探测物性的手段，其发射光谱亦可以实现对材料中非平衡态载流子与晶格、自旋等有序度的强耦合。本文综述了超快激光激发数种不同类型介质产生太赫兹源的国内外研究发展历程，包括其工作原理以及目前存在的问题，总结了目前强场太赫兹波在物态调控方面的应用，以及太赫兹时间分辨光谱在新型物态探测方面的应用，最后展望了太赫兹源未来的发展趋势和应用前景。
激光技术 超快激光 强场太赫兹波 物态调控 中国激光
2023, 50(17): 1714005
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室，上海 201800
2 华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
3 上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093
4 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
太赫兹波具有非电离、对非极性物质穿透性高、对氢键等弱共振敏感等特性，是生物、材料、化学等领域的重要研究对象。蛋白质、糖类等生物大分子的转动频率和基团的振动频率以及分子之间弱相互作用的特征频率恰好处于太赫兹频段，这赋予了太赫兹光谱技术在生物医学领域中极大的发展潜力。然而，由于待测物尺寸一般小于太赫兹波长（0.03~3.00 mm），微量的待测物难以引起谱线的改变，太赫兹光谱检测灵敏度较低。能够灵活操控电磁波特性的超材料为解决上述问题提供了新的思路，通过设计不同的结构及参数，能够得到谐振频率位于太赫兹波段的超材料，微量的待测物即可引起谱线的明显变化。基于共振型太赫兹超材料构建了牛血清白蛋白（BSA）传感器，实验结果表明，当BSA溶液的体积质量为2.0~8.0 mg/mL时，传感器共振频率偏移量与溶液浓度呈线性关系，传感器的最低浓度检测限为0.3 mg/mL。
光谱学 太赫兹 超材料 牛血清白蛋白 传感器 中国激光
2023, 50(17): 1714017
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料科学与光电子工程中心，北京 100049
粒子加速器极大地推动了近代科学的发展。目前成熟的射频加速方案受限于不足100 MV/m的加速梯度，面临造价高、占地面积广、建设周期长等挑战，同时也限制了其在一些领域的应用和推广。因此，寻求新型的电子加速技术已成为加速器领域的重要研究方向。在更高频率的太赫兹和光频波段，太赫兹波导加速和电介质激光加速技术能够提供高达GV/m量级的加速梯度，近年来已相继实现了对非相对论和相对论电子的加速及相空间操控（如脉宽压缩、空间聚焦等），并演示了级联加速方案，为实现小型化的集成加速器奠定了基础。未来，集成加速器有望在实验室范围实现大型射频粒子加速器的功能，并引起物理、化学、生命科学、医学等多学科领域的突破。为更好地把握集成电子加速器的发展，梳理了从太赫兹波到光波驱动的电子加速研究进展，介绍了相干电子源和束流控制的相关技术，并进一步展望了新型集成加速器的研究和应用。
太赫兹 电子加速 电介质激光加速 集成加速器 中国激光
2023, 50(17): 1714008
1 宁波大学信息科学与工程学院，浙江 宁波 315211
2 浙江大学光学科学与工程学院，浙江 杭州 310058
模式转换器是实现模分复用技术（MDM）的关键部件。基于伴随法对器件边缘进行智能优化，从而在绝缘体上硅（SOI）平台上设计了高性能TE0-TE1模式转换器。经仿真验证，在中心波长1550 nm处，模式转换效率达99.6%，消光比达31.2 dB，而损耗仅为0.01 dB。在1500~1600 nm带宽范围内，TE0-TE1的转换效率保持在96.6%以上，消光比保持在15.7 dB以上，而损耗保持在0.14 dB以下。当器件尺寸变化在±20 nm以内时，器件在1550 nm处的转换效率保持在97.2%以上，消光比保持在16.5 dB以上，插入损耗维持在0.12 dB以下。在片上设计了TE1模式的测试装置，并利用商业流片对转换器进行制备。实验结果表明，在60 nm的带宽范围内，TE0-TE1转换器的转换效率保持在90%以上，插入损耗维持在0.4 dB以下。因此，所提出的转换器具有高转换效率、宽带宽、低插入损耗和高制作容差等特点，为高性能片上模式转换器的高效设计提供了新思路。
集成光学 硅基模式转换器 模分复用 逆设计 伴随法 中国激光
2023, 50(18): 1819001
