量子电子学报

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• 激光脉冲回波模拟综述: 从理论建模到半实物仿真的演进与挑战 (特邀) 

  徐伟,文心怡,田磊,郭翠娟,徐德刚,姚建铨

  激光脉冲回波模拟是激光雷达系统验证与环境建模的关键技术, 广泛应用于自动驾驶与遥感领域。本文综述了激光回波模拟从理论建模到半实物仿真的技术演进。在理论建模方面, 分析了瑞利散射与米氏散射在非理想介质中引起的多路径传播与波形畸变机制, 介绍了蒙特卡洛方法与神经辐射场方法在建模精度与仿真连续性方面的优势。在半实物仿真方面, 重点介绍了时延模拟, 比较了光纤延迟线与高速电子调制方法的系统特性, 并进一步归纳了多种调制机制的仿真表现与硬件适配性。最后总结了当前面临的时序控制、能量非线性与系统集成等挑战, 并展望了数据驱动建模与光电融合的发展方向。

• 磁性笼目晶格材料中的拓扑磁畴与拓扑能带结构 (特邀) 

  么瑞瑞,李航

  笼目晶格具有高度对称的六角形网状结构, 因这种独特的几何构型, 其展现出多种新奇的量子特性。笼目晶格材料容易引发自旋的几何阻挫, 进而可能催生量子自旋液体, 并导致拓扑磁畴、非平庸能带结构以及拓扑超导等现象。正因为如此, 笼目晶格体系被认为是探索前沿量子物理和开发未来量子器件的重要平台。本文以不同物理性质为切入点, 对磁性笼目晶格的研究进展作了系统性梳理, 着重介绍了笼目晶格材料的拓扑磁畴结构和拓扑能带等物理现象的最新研究成果, 总结了不同材料体系中笼目晶格的结构与物性特征, 并对其未来发展方向进行了展望。

• 基于光-微波映射的大量程频域干涉测距技术研究 (特邀, 封面文章）

  刘天赐#,米江#,周笑阳,刘海,娄金伟,高涵宇,唐隆煌

  本文提出了一种基于光-微波映射的大量程频域干涉测距方法。理论分析表明, 频域干涉信号可以通过光电转换从光学频域等周期映射到微波频域, 从而在微波频段以高分辨率进行采集, 克服了由于光谱测量分辨率较低带来的限制, 为拓展光学频域干涉测距的量程提供了可能。进一步进行了原理验证实验, 并在5 m范围内实现了精度为11.1 μm的绝对距离测量。与现有的光学频域干涉测距技术相比, 该方法在保持10 μm左右测距精度的同时, 测量量程拓展了约30倍。此外, 还研究了宽谱频域干涉信号快速高保真采样方法, 在5 m范围内随着采样时间逐渐增加到10 μs后, 测距标准差最终保持在200 μm以内。最后, 实验研究了该技术的公里量级测距能力, 结果表明该技术在公里量级仍能实现微秒时间内毫米量级的测距精度, 为高精度大量程光学频域干涉快速绝对距离测量提供了新的解决思路。

• InGaAs SPAD 光子符合检测读出电路设计 (特邀)

  陈力颖,王辰阳,李榜添,曹凌风,程传同

  为了抑制环境光和单光子雪崩二级管 (SPAD) 的暗计数对读出电路性能的影响, 针对InGaAs SPAD, 设计了具有光子符合检测功能的读出电路。该设计在淬灭电路中集成了光子符合检测电路, 可根据环境光强度选择4个检测档位, 仅当时间窗口内检测到的脉冲数达到阈值时, 才判定为有效光子事件, 从而有效减弱了环境噪声的影响, 读出电路的信号背景比可达5.44; 在时间数字转换器 (TDC) 上采用动态分配电路, 减少了TDC的数量, 功耗和数据量分别降低到非动态分配TDC电路的62.5%和60%。仿真验证结果表明, 在SMIC 180 nm BCD工艺下, 得益于延迟锁定环的精确控制, 该 TDC 在不同工艺角和工作温度下, 均可实现 250 ps 的分辨率。其转换线性度的最差值分别为: 差分非线性为−0.6倍最低有效位 (简称LSB), 积分非线性为0.2 LSB, 两项指标均优于±1 LSB。

• 高线性度高集成度大容差硅基调制器 (特邀)

  张宇煊,李美欣,姜浩,王浩然,罗丹妮,张赞允,

  微波光子学链路对调制器的线性度提出了极高要求, 传统硅基微环辅助马赫-曾德尔高线性度调制 器(RAMZM)因制造容差小、集成度低而难以大规模应用。本文提出了一种高容差、高集成度的RAMZM, 以欧拉弯曲波导代替常规圆波导, 在3 µm极限弯曲半径下实现−0.0034 dB的超低插入损耗; 通过将微环耦合在马赫-曾德尔干涉仪内部, 相比于微环外置的方案, 器件面积节约了约1×104 µm2; 通过引入可调耦合区使得该调制器工艺容差扩展至±18 nm。此外, 基于1 GHz双音测试的仿真结果表明, 该调制器三阶交调失真对应的自由无杂散动态范围可达114.66 dB⋅Hz2/3, 验证了所提结构的高线性度优势。

• 水质化学需氧量高精度快速检测系统 (特邀)

  刘婉婷,罗丹妮,张宇煊,王浩然,邓俊,姜浩,李美欣,张赞允,

  化学需氧量 (COD) 作为衡量水体污染的重要指标, 传统的化学检测方法存在操作繁琐、周期长以及二次污染等问题。本文提出了一种基于双光源传感器的 COD 测量新方法, 该方法通过实验室配置水样, 利用 255 nm 和265 nm双紫外光源进行水质检测, 并结合随机森林 (RF) 模型对COD值进行预测。实验结果表明, RF模型测试集的决定系数R2达到0.9910, 均方根误差ERMS仅为0.0804, 展现出其在COD预测中的优越性能。相较于传统光谱仪, 本研究实现了双光源传感器设备的轻量化, 并在显著降低硬件成本的同时, 显著提升了COD检测的实时性, 为水质在线检测提供了高效的技术支持。

• 用于感知血管内温度的光纤 F-P 传感器 (特邀) 

  赵紫媛,刘硕,韩旭,邢元,石斌,董凯捷,吉一纛

  在激光血管成形手术中，温度传感对于手术人员了解组织温度，辅助控制“激光手术刀”消融病灶有着重要意义。但是现有的传感器无法应用于具有电磁干扰的手术环境中，而光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot，F-P）温度传感器以其测量精度高、体积小、抗电磁干扰、结构简单等优势，解决了现有人体介入式手术中传感不兼容场景的问题。本文通过激光成膜技术加工PDMS制作F-P干涉腔，再镀反射银膜制备了灵敏度为2.237 nm/℃、线性度为99.73%的薄膜光纤F-P温度传感器，传感器结构小巧简单，成本低廉，对于血管类疾病的治疗乃至整体介入式手术发展都具有重要科学意义和临床应用价值。

• 频域近红外脑成像探测系统电路设计 (特邀)

  高铁成,李恩涛,朱笛,

  为提升功能性近红外光谱在脑功能成像中的应用性能, 设计并搭建了一套基于频域调制原理的脑成像探测系统电路。该系统采用直接数字合成器 (AD9959) 作为高频调制信号源, 通过STM32微控制器实现光源驱动与数据采集控制, 并结合外差解调电路提取光信号的幅值衰减与相位延迟信息, 从而实现组织光学参数的定量反演。硬件部分包括光源调制、信号接收、放大滤波、混频解调及嵌入式处理等功能模块, 各子系统集成为一块16 cm × 10 cm的标准电路板, 具备高集成度和低功耗特性。测试结果表明, 该系统可在 110 MHz 频率下稳定运行, 能够实现对1.8 cm与3.0 cm光程下聚甲醛仿体信号的可靠采集与处理, 获得的聚甲醛仿体的吸收系数为0.11 cm−1, 散射系数为8.75 cm−1, 这些测量结果与仿体材料的典型光学特性相符, 验证了所设计电路系统在光学参数获取中的可行性和稳定性。该研究为便携式频域近红外脑成像设备的实现及其在神经监护和脑功能研究中的应用提供了硬件支撑。

• 多种荧光物质重叠荧光光谱特征提取方法

  朱国庆,王贻坤,刘勇,杨瑞芳,张洋

  皮肤自体荧光是由组织内多种内源性荧光物质在被激发后所产生的相互叠加的荧光, 可预示相关疾病的发生。然而, 内源性荧光团之间的光谱重叠会对目标检测造成干扰, 因此选择合适的检测光波长有助于提高识别效果。本研究选取晚期糖基化终末产物(AGEs)、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)、黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)以及胶原蛋白(COL)作为实验对象, 首先构建了三维荧光光谱数据库。随后, 通过区域积分法提取了四种荧光物质的特征区域, 并结合无信息变量消除法进一步筛选出178个特征波长。最后, 基于多元线性回归建立校正曲线, 计算了各荧光物质的回收率。结果表明, AGEs、NADH、FAD和COL的回收率范围分别为70%~110%、80%~110%、70%~130%和50%~190%, 基于178个特征波长建立的模型对AGEs、NADH和FAD的预测效果较好, 实现了对重叠光谱中此三种荧光物质的高选择性波长筛选。

• 基于涨落特性的三阶关联成像差分形式

  胡雅静,张晓宇,高超,王晓茜

  关联成像又称为鬼成像, 是一种新型成像方式, 具有较强的抗干扰能力, 近年来得到了广泛的研究。已有的研究发现, 在理论上, 随着关联成像阶数的增加, 能够获得更多的物体信息, 并且图像具有更高的分辨率和信噪比, 因此, 高阶关联成像逐渐成为研究热点问题。然而, 在实际的实验中高阶关联成像往往成像质量较差, 且存在测量次数较多的问题。鉴于在二阶关联成像中可以利用差分成像来提高成像质量, 本文从三阶关联成像的差分形式出发, 以改善三阶关联成像的成像质量。首先对三阶关联成像方案提出了基于光强涨落的差分形式, 并进行了理论、数值模拟以及结构相似性指标等的对比研究, 随后实验验证了差分形式的正确性与可行性。结果表明, 所提出的三阶关联成像的差分形式能够在减少测量次数的同时提升成像质量。