正交钙钛矿结构RFeO₃系列稀土正铁氧体材料是一类在近红外波段透明的铁磁材料, 关于RFeO₃的超快自旋重取向及其相干控制的研究近年来成为相关领域的研究热点。由于固态材料的磁化振子和电子自旋共振能谱等基本性质的 “元激发” 能量均在太赫兹能量范围内, 得益于太赫兹技术的发展, 近年来利用太赫兹超快光学调控RFeO₃晶体中不同离子间的交换相互作用、磁各向异性自旋-声子耦合等也取得了一系列突破, 对磁学的基础研究具有重要意义。结合笔者近几年的研究进展, 总结了国内外RFeO₃晶体太赫兹光学调控研究情况, 并对该类晶体的超快光磁研究进行了展望。

太赫兹超材料吸波器具有吸收强、厚度薄、质量轻等优点, 已被广泛应用于隐身材料、频率选择表面、太赫兹成像、通信传感等方面。但是, 基于金属结构的传统太赫兹超材料吸波器一旦完成加工后, 它的吸收性能是固定不变的。为解决这一问题, 研究人员通过引入活性超材料设计了可调谐太赫兹超材料吸波器。结合可调谐太赫兹超材料吸波器的国内外研究现状, 分类阐述了几类典型的可调谐太赫兹超材料吸波器, 重点对单频带、多频带、宽频带以及可切换双功能太赫兹超材料吸波器的相关研究工作进行了梳理与总结, 并对其未来发展趋势进行了分析。

太赫兹衰减全内反射 (THz-ATR) 光谱法含水样品检测技术具有无标记、无电离以及检测灵敏度高等优点, 在疾病标志物的定性识别和定量检测方面具有很大的应用潜力, 尤其对重大疾病的早期诊断和分阶段诊疗具有非常重要的现实意义。在简要介绍THz-ATR技术检测含水样品基本原理的基础上, 通过分析与对比, 详细探讨了不同辐射源的THz-ATR光谱检测技术在生物医学检测方面的应用, 最后简要归纳了THz-ATR光谱检测技术的研究现状及未来发展趋势。

利用镜像对称的方形双开口环结构设计制备了一款太赫兹环偶极子超材料传感器, 该传感器在1.436 THz处产生Q 值为16.8的透射谐振谷。谐振频率处结构表面电流分析表明, 该结构能在抑制电偶极子和磁偶极子的同时迅速增强环偶极子。作为生物传感器, 该器件在分析物厚度饱和时灵敏度高达348.8 GHz/RIU, 可以高灵敏感测表面介电环境的微小变化。实验结果验证了其对标准食用油和劣质地沟油的良好分辨性, 表明该器件在食品安全监测等方面有着潜在的应用前景。

爆炸物等危险品的分子振动和转动能级在太赫兹频谱段具有独特的指纹谱特性, 且太赫兹波对非极性物质及介电材料有较强的透过性及低能性, 因此利用太赫兹光谱可以实现障碍物隐匿复杂环境下的危险品无损探测。目前各种相关材料的太赫兹吸收光谱标准库并不完善, 且市面上各类太赫兹光谱仪硬件参数不同、检测标准不统一, 导致单纯依赖特征吸收峰的识别方法并不可靠。针对上述问题, 提出一种不依赖于吸收峰准确性的物质识别技术路线: 提取物质在不同频率分辨率、不同障碍物隐匿情况下的太赫兹吸收谱, 利用Marr小波变换在频域上展开得到具有特征唯一性的小波频域尺度图, 建立样本集; 其次, 结合迁移学习方法, 利用Xception网络对样本集进行训练识别。实验结果表明, 此方法可以很好地对不同障碍物隐匿环境中的危险品进行分类识别, 识别准确率可达94%。说明此方法的识别准确性不受系统频率分辨率即吸收谱精确度等系统因素影响, 为邮件及快递包裹等障碍物隐匿危险品无损检测、定性识别提供了一种新的技术思路。

α-乳糖一水合物是一种重要的水合物, 其结合水对乳糖分子结构的影响一直是相关领域的研究热点之一。利用太赫兹时域光谱技术通过设置温度梯度对α-乳糖一水合物进行低温下的太赫兹动力学研究, 发现α-乳糖一水合物在1.2 THz、1.3 THz的2个吸收峰随温度变化而红移。为进一步探究其吸收峰的产生机理, 基于密度泛函理论对α-乳糖一水合物分别进行了单分子和晶胞理论计算并分析了α-乳糖一水合物的吸收峰振动模式。结果表明, α-乳糖一水合物的吸收峰来源于水分子和乳糖分子间的相互作用以及乳糖分子骨架振动, 晶胞计算比单分子计算对于太赫兹波段内振动模式的预测更加准确。

小麦质量安全是粮食安全的重要组成部分。传统的小麦霉变籽粒识别检测方法需要复杂的处理步骤, 耗时较长且特征提取能力较差, 易造成图像有效信息的丢失, 导致小麦霉变籽粒识别检测效果不佳。为解决上述问题, 提出了一种基于去噪宽度学习 (D-BLS) 的霉变小麦太赫兹光谱图像识别方法。该方法对传统宽度学习 (BLS) 算法进行了改进, 通过引入去噪卷积神经网络 (DnCNN) 模块, 构建D-BLS霉变小麦分类识别模型, 以增强图像质量, 提高霉变小麦太赫兹光谱图像的识别精度。初步研究表明, D-BLS在识别准确率方面优于传统BLS算法, 识别准确率达到93.13%。进一步使用支持向量机 (SVM)、后向传播神经网络 (BPNN)、卷积神经网络 (CNN) 与D-BLS进行建模对比。研究结果表明, D-BLS网络的分类准确率分别比SVM、BPNN和CNN高出了13.83%、7.79%和3.96%。因此, D-BLS 能够为小麦发霉早期鉴别提供一种新方法。

针对太赫兹通信及成像等系统对高集成度射频收发链路的需求, 在自主研制的太赫兹肖特基二极管的基础上, 建立了器件的精确模型, 设计并制备出基于二极管的倍频/混频单片集成芯片, 解决了传统二极管装配难度大、一致性差的难题, 提高了器件的性能。成功研制出170 GHz、340 GHz倍频器和340 GHz混频器模块, 并且开发出集成化的340 GHz发射与接收链路。发射端一体化模块实现了342 GHz功率为22 mW的输出, 接收端一体化模块实现了330～350 GHz单边带变频损耗在10 dB上下。该模块的开发为未来太赫兹通信及成像技术的应用奠定基础。

采用相关向量机 (RVM) 结合主成分分析 (PCA) 建立了激光诱导击穿光谱 (LIBS) 技术检测土壤中Cr元素含量的定量分析模型。配制了14个不同Cr元素浓度的土壤样品，选取其中10个作为训练样品集用于构建模型，另外4个作为测试样品集用于模型性能评估。结果表明，对于土壤中Cr元素含量的测量，PCA-RVM模型的预测精度明显优于RVM模型，整体预测均方根误差由RVM模型的8.00%减小到PCA-RVM模型的3.21%，预测精度提高了59.9%。对测试样品集中全部4个待测样品，PCA-RVM模型多次重复预测结果的相对标准偏差相较于RVM模型都显著减小，且均小于1.89%，表明其预测结果具有更好的稳定性。

利用傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 技术能够对有机物的成分及含量进行快速无损测量。作为重要的有机化工原料, 乙烯在塑料、醇类和纤维等大宗化学品的制造中有着广泛的应用, 但同时由于其易挥发性, 乙烯对环境和人体有着潜在的危害。为提高FTIR技术检测乙烯浓度模型的精度, 综合迭代保留信息变量法 (IRIV) 和模拟退火算法 (SA) 的优点, 提出了改进的IRIV-SA红外光谱波数优选算法。该方法在IRIV算法稳定选取大量光谱特征波数的基础上, 利用SA进一步筛选少量有效特征波数, 从而降低模型复杂度, 提高有机物光谱检测精度。实验首先利用IRIV-SA对乙烯红外光谱的浓度进行波数选取, 最终获取的特征波数由全光谱的271个变量降低至 5 个变量, 再利用特征波数进行建模, 结果表明其验证集相关系数、均方根误差为0.9989和0.3943, 预测集相关系数、均方根误差为0.9978和0.6652, 较全光谱建模精度有大幅提高。为进一步验证该算法的有效性, 同时建立IRIV、SA、CARS (自适应重加权采样算法)、SPA (连续投影算法) 以及IRIV-CARS、IRIV-SPA波数选取模型对相同数据集进行对比实验, 比对结果表明IRIV-SA算法优于上述 6 种波数选取方法, 是一种更有效的特征波数优选方法。

采用自行研制的776.9 nm半导体激光器作为种子源, 经过锥形半导体放大器并整形后得到2.3 W的基频光,再利用Ⅰ类相位匹配的三硼酸锂晶体和蝶形倍频腔产生了388.4 nm紫外连续激光。分析了锥形放大器中热透镜效应对光束质量的影响, 并通过透镜、柱面镜、棱镜对光束进行整形, 提高了倍频腔的输入耦合效率。进一步通过优化倍频腔的束腰尺寸和腔参数, 提高了紫外激光二次谐波的转换效率。最终2.3 W的基频光产生940 mW的紫外倍频光输出, 倍频效率达到41%。

负反馈雪崩光电二极管是一款单片集成负反馈电阻的砷化镓铟雪崩光电二极管光子计数器件。在基于负反馈雪崩光电二极管的单光子探测器中, 高灵敏度的制冷系统是保障其正常工作的必备条件。采用被动制冷和主动制冷相结合的方式, 设计了一套高灵敏度制冷系统。通过理论计算、仿真和实测该制冷系统, 表明该系统内部功耗降低58.63%, 且在室温25 ^oC和高温65 ^oC环境下, 该系统均能使负反馈雪崩光电二极管工作温度控制在 (-20 ± 0.3) ^oC, 具有环境适应性强、制冷温差大、制冷温度可控等优点。

安全性分析是实用化量子密钥分发 (QKD) 协议中不可或缺的一部分, 它不仅可以用来表征外界的窃听能力, 还可以为系统的密钥率提供安全的范围。量子通道攻击能力的表征是QKD安全性分析的主要内容, 其中集体攻击被认为是最强大的量子通道攻击之一。构造了由两体耦合作用和正定算子测度 (POVM) 构成的广义的集体攻击操作, 给出了E91-QKD相对于集体攻击的安全性分析。仿真结果显示, 在集体攻击下窃听者与通信方之间的互信息要小于基于纠缠纯化协议所提供的界限, 因此系统的密钥率和对误比特率的容忍度有了显著的提升。所提出的安全性分析将为实用化QKD的密钥率提升提供一个解决途径, 且该方法可与其他实验方法兼容。

针对芯片实验室对浓度梯度产生器（CGG）的需求, 为制作侧壁垂直的CGG, 提出了一种移动焦平面正反面曝光制备SU-8光刻胶微结构的方法。该方法根据焦深将SU-8厚度分成多层, 每曝光一次焦面向下移动一层, 当曝光层数达到总层数一半时将样品翻转, 同样采用移动焦面重复曝光的方式使SU-8内部形成光化学反应通道, 得到充分曝光。最终利用SU-8微结构制作出聚二甲基硅氧烷 (PDMS) CGG。测试结果表明：SU-8微结构实际轮廓侧壁垂直, 没有出现 “T” 形结构, 沟道高度为49.4 μm；PDMS CGG侧壁垂直, 沟道深度为49.3 μm, 满足CGG侧壁垂直要求。