量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2019年第6期

• 边发射半导体激光器光纤耦合技术研究进展

  荆玉峰,郑建刚,肖凯博,严雄伟,蒋新颖,

  为探明LOC_Os10g05490位点冷胁迫条件下的表达特性和耐冷性功能,以耐冷东乡野生稻和冷敏感水稻93-11为试验材料进行了半定量分析,结果表随着半导体材料生长工艺和封装技术等的快速发展，高功率、高亮度半导体激光器的性能不断提升，使之在工业加工、生物医疗、国防以及作为光纤和固体激光器泵浦源等方面有着重要作用。近些年来，边发射半导体的功率、光束质量的提升，使得耦合到光纤的输出功率不断提高。单管光纤耦合逐渐从毫瓦级输出发展到数十瓦输出，通过偏振、光谱、空间等合束技术，甚至达到数百瓦的输出。在叠阵或多线阵光纤耦合方面，也实现了从数十瓦级输出发展到数十千瓦级输出。从单管、线阵和叠阵三种半导体激光器出发，对半导体激光器发展现状、技术进行了调研分析，对光纤耦合半导体激光器的多种整形、合束和耦合技术进行了总结和展望。

• 再入射离轴积分腔输出光谱干涉噪声处理方法

  周子昕,黄印博,卢兴吉,袁子豪,曹振松

  离轴积分腔输出光谱（OA-ICOS）技术具备灵敏度高和环境鲁棒性强等优点。引入再入射方法后，OA-ICOS的信号功率得到有效提升，缓解了探测灵敏度高度依赖光源功率的问题，让使用低功率光源和高反射率腔镜搭建高灵敏度OA-ICOS成为可能。但由于该方法特有的光学结构，探测信号中往往掺杂较为强烈的干涉噪声。针对干涉问题，设计并搭建了一套再入射OA-ICOS装置，测量了实际大气CO2，对再入射结构引入的噪声进行了分析，提出了扰动再入射结构的应对方法。结果表明：扰动方法使噪声信号幅值由原来的467.3 mV降低为61.2 mV，降低了7.63倍。该方法成本更为低廉，且实现更容易。

• 一种面向对象的光谱分量替换变化检测方法

  张爱明秦慧杰欧阳晓

  传统的基于光谱的遥感影像变化检测方法一般采用光谱的均值、亮度、标准差等特征进行差值运算，但这些特征具有一定程度上的相关性，导致变化检测结果出现很多虚检，而且阈值的选择对变化检测结果的影响也较大。传统利用光谱特征进行变化检测多是基于像素，检测结果会存在椒盐现象。针对这些问题，论文提出了一种面向对象的光谱分量替换变化检测方法，主要是利用两期影像的单波段光谱进行组合替换，从而突出变化信息，并采用分类的方法将变化信息提取出来，经实验，论文方法的变化检测精度可达到86%左右。该方法简单有效，可有效辅助土地利用变化监测、地理国情覆盖变化监测等生产项目。

• 高分辨率光程可调水分子光谱参数测量系统及其应用

  马宏亮,查申龙,查长礼,张启磊,蔡雪原,曹振松,占生宝,潘盼

  基于高分辨率可调谐二极管激光吸收光谱仪（TDLAS）和长程怀特吸收池搭建了一套高分辨率、光程可调吸收光谱测量系统，采用直接吸收光谱技术测量了1.51 µm 波段（6608~6624.3 cm-1）水分子室温下的吸收光谱。利用非线性拟合程序，获得了57条水分子吸收谱线的线位置、线强和自展宽系数，并与HITRAN 2016数据库中的相应数据进行了比较，结果表明整体实验数据与HITRAN 2016符合较好，证明该光谱测量系统适用于水分子吸收谱线参数研究。

• 基于STM32的多通道光声光谱调制系统的研究

  解颖超,曹渊,程刚,刘锟,高晓明

  摘要： 针对光声光谱多通道气溶胶检测系统存在结构复杂、体积较大和难以集成的问题，提出了一种可以产生多通道参数可调脉宽调制(Pulse-Width Modulation，PWM)波的集成调制信号发生系统的设计方案。该系统是基于STM32处理器和labVIEW程序来实现的，它通过产生多路频率和幅值可调的PWM信号，实现对多通道光声光谱的同步调制，其具体指标为：幅值0～9 V连续可调，频率1～72 MHz连续可调，扫频频率550～6000 Hz连续可调。实验表明采用可调PWM波集成系统的多通道光声光谱系统运行可靠、工作稳定且操作简易，信号与商业信号发生器调制的结果一致，证明了所设计多通道调制器的可行性和可靠性。所提出的设计方案可为光声光谱或其他光谱类检测系统的集成设计提供参考与借鉴。

• 傅里叶变换红外光谱仪的微弱干涉信号检测电路设计

  江婷,高闽光,李胜,童晶晶,李相贤

  傅里叶变换红外光谱技术由于光通量大、光谱范围宽、分辨率高等诸多优势在大气环境监测领域得到广泛应用。以傅里叶变换红外光谱仪微弱红外干涉光信号特征和碲镉汞光电导型红外探测器为基础，分析了基于迈克逊干涉方法的傅里叶变换光谱仪干涉光信号特征，设计了一种以窄带滤波法为核心的微弱信号检测电路，建立了等效噪声模型分析电路的噪声性能，采用Tina软件对电路进行了模拟仿真，结果表明该电路在通频带内具有恒定的增益以及群时延，可实现微弱干涉信号无失真放大。将设计的电路应用于傅里叶变换光谱仪中，在室温条件下获得了大气400~7000 cm-1中红外波段光谱，几乎覆盖了常见的大气污染物在中红外波段的吸收峰，可以较好的实现对不同污染气体浓度的分辨与测量。

•    基于改进非负矩阵分解的多组分气体光谱解混算法

  杨文康,方勇华,刘家祥,吴越,张蕾蕾

  从重叠情况严重的混合气体光谱中解析出单一纯光谱数据，一直是光谱解析的难点。为了得到理想的解混精度，采用改进的非负矩阵分解算法，引入光谱的相关性约束与平滑性约束，并给出优化的梯度下降法的迭代步长，以避免算法收敛到局部不稳定点带来的影响。改进的算法既综合了矩阵的分解误差，又考虑了混合光谱特性的影响。实验数据表明，改进的非负矩阵分解得到的解混结果能够准确解析出各源光谱的特征峰形状，并且各解混结果之间几乎没有混合叠加影响部分，可以满足后续的光谱识别工作。

• 利用正交偏振信息的透玻透膜成像方法

  王振武,高隽,范之国,王昕,张强

  为了实现透过玻璃和薄膜对目标进行偏振成像，根据光线的物理传输过程建立了目标的偏振透玻透膜成像模型，结合光学调制传递函数特点表征出玻璃和薄膜的传输系数。利用目标光和环境光的正交偏振分量提出一种偏振透玻透膜图像信息重构方法，分别采用曲线拟合、偏振滤波和频率域迭代算法实现重构算法中参数的估计，重构出透玻透膜图像。开展了室内模拟条件和室外实测环境下的实验，结果表明该方法能有效重构出透玻透膜图像中的人员、景物等目标信息。

• 基于光学灰度图像辨识的系统故障诊断方法

  汪炜怡,徐青山,杨明翰

  摘要： 故障诊断系统已成为确保工业系统及设备安全运行的重要辅助工具。在故障发生的早期阶段，故障诊断系统可以快速提供早期预警信息，并为故障缓解方案制定提供参考。为此，提出了一种基于光学灰度图像辨识的故障诊断方法。该方法根据实时监测数据构造系统的运行状态图像，通过CCD摄录的方式截取灰度图像，并从不同分辨率的系统灰度图像近似直方图中提取出系统的灰度图像特征。根据这些特征与标准特征之间的欧式距离比较，将当前状态划分为相距最小的标准特征类。实验结果表明该方法能够快速且正确地检测出故障类型，为系统相关设计与维护人员提供有效的支持信息。

• 稳定高效混合卤素钙钛矿基发光二极管的制备

  范炜盛,李新化

  以通过调节卤化物的化学计量比来调节带隙是有机-无机杂化钙钛矿的一个显著优点，这在串联太阳能电池、发射波长可调的发光二极管(LED)及激光等方面起了至关重要的作用。但是，光照或施加偏压会引起混合卤素钙钛矿相分离，导致富碘区域的形成、光伏器件开路电压降低和发光LED的发射波长被钉扎在红外区域。通过将一种具有自组装作用的有机胺长链覆盖在混合卤化物钙钛矿纳米晶的表面，抑制相分离，得到了稳定发射波长LED，并且其外部量子效率提高至2%。

• 氢钟信号传输后的末端噪声过滤

  姚博文,孙焕尧,陈群峰

  低相位噪声、高频率稳定度的10 MHz氢钟信号（HCS）是精密测量物理实验中不可缺少的微波频率基准。HCS在经过一定距离的传输后，由于受到周围电磁噪声和振动的干扰，其相位噪声和短期频率稳定度会恶化。介绍了一种过滤HCS传输后的末端噪声的方案，用于改善HCS的相位噪声和短期稳定度。该方案基于将恒温高稳晶振（OCXO）相位锁定到HCS上，使氢钟1 s内的相位噪声和频率稳定度由OCXO决定，而长期稳定度跟随HCS。经过该过滤方案后，HCS的功率从-4.4 dBm放大到5 dBm，末端相位噪声本底降低约10 dB，且消除了所有高于1 Hz的干扰。该系统可在不对实验室氢钟及其信号传输网络做改动的情况下，有效提高HCS频率的纯度，进而提高精密测量实验的精度。

• 基于类GHZ态的受控量子安全直接通信

  匡畅,郑晓毅

  提出了一种基于类GHZ态的可控量子安全直接通信方案。方案中通信三方利用各自手中的纠缠粒子满足经典异或关系的性质，结合控制非门操作，对承载经典信息的量子态进行加密、控制、解密等。并通过插入诱骗光子的方法来防止窃听行为，保障通信安全。安全性分析可知所提方案可以有效探测内部和外部窃听者的窃听行为。同时，通信过程中传送的消息粒子并不是分发的纠缠粒子，因此该方案中纠缠资源可以重复利用。

• 四量子纠缠态的可选远程态制备

  彭家寅

  提出了已知四量子纠缠态的一个远程态制备协议，其中有两个可能的接收者，发送方可以在两个可能的接收者中选择其中的一个，并在选定的接收者处制备预期的量子态。发送者首先引入两个辅助粒子，执行两个受控非门操作，然后对二粒子系统进行两个投影测量，其测量基是通过已知态的信息来选择的，并行使自己的特有选择权。根据发送方的16种不同测量结果，协议有16个部分。给出了方案的内在效率，以及与现有相应方案相比存在的优势。

• 一种新的基于相位编码的B92协议

  高菲菲李志慧韩朵

  量子密钥分发允许两个远程方生成理论上安全的密钥，但实际中往往存在光源和测量设备的非完美性，使得量子密钥分配系统存在不同的攻击。为了消除这些攻击，研究者提出了一种双场量子秘钥分发协议。该协议将密钥信息编码在光子的相位中使得光子易于传输和保持，不仅可以将传输距离延长，并且解决了测量装置的安全性问题。受此启发，在此协议的基础上提出了一种基于相位编码的B92协议，所提出协议消除了探测器的攻击，密钥率相比原B92协议也有所提高，在后处理过程中不需要对基步骤，通信双方使用的只有两个非正交量子态，并且在实际中易于实现。

• 硅基微环腔相关光子对光源输出特性研究

  李克超,杨林,郭凯,曲小飞,曹毅宁,王俊华

  摘要： 硅基微环腔的结构参数、半导体特性和工艺形貌会对相关光子对输出重复频率产生重要影响。将晶体硅非线性损耗计入输出重复频率的仿真计算，推导出全通型硅基微环腔自发四波混频效应模型，并利用该模型研究了全通型硅基微环腔品质因数、微环腔半径、晶体硅自由载流子寿命等参数对输出重复频率的影响。结果表明，当外品质因数取值5×104，抽运功率达到15 mW且继续升高时，输出重复频率反而降低；理想情况下微环腔半径越小，输出重复频率越高；对硅基微环腔相关光子对光源而言，提高输出重复频率的首选方案是降低自由载流子寿命。

• 利用啁啾-紫外组合激光增大谐波能量及强度

  李义,冯立强

  为了延伸谐波截止能量并增强谐波辐射强度，提出了一种利用啁啾激光与紫外激光的组合场驱动He原子调控谐波辐射过程的方法。结果表明：在单色激光驱动下，随着负向啁啾的加入，谐波截止能量得到延伸。并且，随着激光脉宽的增大，谐波截止能量进一步延伸。引入第二束激光场时，谐波截止能量有少许延伸，同时，谐波辐射强度有3个数量级的增强。引入第三束紫外激光场时，谐波辐射强度与双色场比较有2个数量级的增强。随着紫外激光光强增大，谐波辐射强度进一步增强。最后，通过叠加光谱连续区的谐波可获得脉宽在38 as的孤立阿秒脉冲。

• 激光在非Kolmogorov湍流大气中传输及其相位补偿研究

  李南,乔春红,张鹏飞,冯晓星†,范承玉

  基于非Kolmogorov湍流谱理论，建立了激光在非Kolmogorov谱湍流大气中传输的数学物理模型，并在此基础上进行了数值仿真。结果表明湍流谱指数对激光传输特性及其相位补偿有重要影响。在相同广义大气折射率结构常数条件下，湍流谱指数接近区间(3,4)两端时，激光远场光束质量较好；湍流谱指数趋向4时自适应光学相位补偿效果较好。在广义大气相干长度相同的条件下，峰值Strehl比随湍流谱指数增加而增加。另外，针对归一化功率谱下激光传输特性进行了探讨，初步揭示了激光在非Kolmogorov湍流大气中的传输机理。

• 基于线性啁啾光纤光栅点式横向应力传感研究

  涂兴华刁俊辉

  线性啁啾光纤光栅受到横向应力作用时会产生轴向展宽。当作用线度即光纤光栅受力区域长度与光纤直径相当时，该展宽不能忽略。基于空间弹性力学受力分析，可得到其轴向展宽导致的相移。该光栅光谱中产生的透射峰位置与该相移的大小和位置有关。同时，横向应力会导致双折射现象。综上所有因素，建立了利用斯托克斯参量（Stokes parameters）实现小线度作用区域即点式横向应变传感的理论模型。计算与实验结果表明：线性啁啾光纤光栅在点式横向应力条件下，应力大小在弹性限度范围内与Stokes-s1参量峰值呈线性变化关系。而Stokes-s1参量谱峰波长与横向应力作用位置相对应，且与应力大小有关。通过分析透射谱的Stokes-s1参量，可实现对横向应力大小和位置的传感。