量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2021年第6期

• 大气 HCHO 光谱学探测技术研究进展

  吴涛,胡仁志∗,谢品华,∗,王家伟,刘文清,

  甲醛 (HCHO) 是一种重要的大气反应活性指示剂和城市大气气溶胶的前体物, 影响着对流层中的氧化容量。此外, 作为一种有毒气体, 过量的 HCHO 还会对人体健康造成极大的危害, 因而实现 HCHO 的痕量检测有着十分重要的意义。综述了国内外 HCHO 痕量探测的研究进展, 对 HCHO 的探测方法特别是光谱学探测方法, 从探测原理、探测谱线以及光源的应用等多方面进行了详细的介绍。此外, 对比了几种典型的 HCHO 标定装置, 并从探测灵敏度、响应度、选择性、成本以及集成化等多个方面对不同痕量 HCHO 光谱学探测技术进行了分析与总结, 最后对不同探测技术的外场测量应用进行了介绍。

• 基于激光诱导击穿光谱的煤质快速分析研究及应用

  徐水秀,喻子彧,覃淮青,莫爵徽,卢志民,董美蓉,陆继东,姚顺春,∗

  煤电是我国的主力电源, 也是碳排放的主要来源, 实现煤质快速检测有利于提升煤电机组的安全、低碳和经济运行水平, 促进电厂智能化发展。激光诱导击穿光谱 (LIBS) 技术是一项新兴的快速测量技术, 具有无需复杂样品预处理、多指标同步分析、适用于在线测量等优点, 在煤质快速检测领域具有良好的应用前景。对本团队近年来在 LIBS 煤质检测领域的基础研究和应用开发成果进行了总结和展望, 重点概括了 LIBS 检测煤质中遇到的主要问题及解决方案, 展示了 LIBS 技术在煤质快速检测领域的应用潜力。

• 转动光谱研究分子间 σ-hole 和 π-hole 非共价相互作用

  陈军华,王浩,郑阳,程琬滢,李卫星∗,徐雪芳,勾茜,∗

  作为构建宏观物质及维持其结构的重要驱动力, 非共价相互作用虽个体较弱, 但其协同作用不可忽视。经过多年来对其物理本质及原理的不断探索, 非共价键的研究重心已经从传统氢键延伸到其他包含多种多样结构和能量的弱相互作用。在众多的实验手段中, 气相分子的转动光谱数据可以提供其他手段无可比拟的高精度,而且避免了凝聚相实验数据中环境因素的干扰, 能够揭示各种非共价键相互作用的本质。同时，转动光谱对研究对象的质量分布极其敏感, 即使微小的质量分布变化 (如同位素取代、异构化等) 也会引起其转动光谱谱图的明显变化。因此可以说转动光谱是最准确的高分辨分子光谱技术。首先简要介绍了转动光谱的基本原理和表征非共价相互作用的优势, 随后全面综述了转动光谱研究 σ-hole 和 π-hole 非共价相互作用的最新成果, 展示了转动光谱在评估非共价相互作用体系的结构和能量方面的能力, 预示着其从传统基础研究转移到超分子化学和晶体工程等相关领域研究的可能性。

• 共振增强水分子 O-H 伸缩振动受激拉曼散射

  王莹,刘晓枫,任盼盼,李爽,窦振国,门志伟∗

  受激拉曼散射 (SRS) 技术是获得相干辐射、探索分子结构的有力手段。利用 Nd: YAG 532 nm 激光作用于水分子, 并与 650 nm 连续 (CW) 激光联用, 极大增强了水分子的 O-H 伸缩振动受激拉曼散射。当有 1 mWCW 激光引入时, 在 3392 cm−1 处的 O-H 伸缩振动 SRS 峰的强度增加了一个数量级。同时, 获得了两个新的低频肩峰 (3 356 cm−1 和 3288 cm−1)。CW 激光不仅降低了 SRS 阈值, 而且提高了 SRS 强度。导致此现象的物理机制是由于 532 nm 泵浦激光和 650 nm CW 激光之间的频率差与水分子 O-H 伸缩振动频率相匹配, 分子振动与两束激光差频形成共振。此研究为共振增强其他弱拉曼模式提供了参考。

• 基于巴特沃斯滤波器的傅里叶变换红外光谱处理方法研究

  李妍,∗,高闽光,童晶晶,李胜,李相贤,韩昕,刘建国,

  针对傅里叶变换红外光谱仪因信号噪声干扰较大而导致仪器性能下降的问题, 提出了一种基于巴特沃斯带通滤波器的傅里叶变换红外光谱处理方法。首先对带通滤波电路的传递函数进行了理论推导, 随后结合光谱仪参数并经电路软件 Multisim 仿真确定电路元件的具体值, 并通过实验进一步优化直至满足设计要求指标, 最后将设计的带通滤波器用于光谱仪中, 对比分析了增加滤波板前后测量得到的仪器信噪比。实验结果表明: 基于巴特沃斯滤波器的红外光谱处理方法在 2100 ∼ 2200 cm−1和 2500 ∼ 2600 cm−1 波段得到的仪器信噪比分别为未加滤波器由传统处理方法得到的仪器信噪比的 1.83 倍和 1.96 倍。表明新处理方法有效提高了仪器信噪比, 改善了仪器的性能指标。

• 红光波段虚像相位阵列光谱仪研究

  周昊,方波,杨娜娜,赵卫雄∗,王春晖,张为俊,

  利用虚像相位阵列 (VIPA) 的强色散能力发展而来的 VIPA 光谱仪是一种新型的高性能光谱测量装置,兼具宽光谱覆盖范围、高时间分辨率及高光谱分辨率等优点。基于 60 GHz 自由光谱区 (FSR) 的石英 VIPA, 研制了一台可用于红光波段光谱测量的 VIPA 光谱仪, 并测量了 633 nm 多模激光器的出射光谱。在 100 µs 的时间分辨率下, 获得了单次 3.1 nm 测量谱宽、2.0 pm (1.5 GHz) 的高光谱分辨率, 连续 4 h 运行显示光谱漂移小于0.50 pm。通过采用衍射光栅扫描装置、更短曝光速度的面阵 CCD 和更大 FSR 的 VIPA , 有望进一步提高光谱仪性能。

• 马赫-曾德尔干涉仪频谱特性及入射视场展宽技术研究

  夏玉宁,王钊,张云,沈法华,∗,仇成群,∗,徐华,

  马赫-曾德尔干涉仪 (MZI) 具有光学能量利用率高、便于视场展宽等优点, 在光学滤波、鉴频等方面具有广泛的应用。然而, 在实际应用中 MZI 频谱会受到各种因素的影响而导致性能下降。从理论上导出了在考虑入射光发散角 2θ0 和谱宽 ∆ν 的影响下, MZI 干涉频谱的理论表达式, 并定量分析了其对 MZI 频谱的影响。结果表明: MZI 的光程差 l 越大, 其频谱受 ∆ν 的影响越显著, l 与入射光波长 λ 比值越大, 其频谱受 θ0 的影响越显著;当 λ=355 nm, l=3 cm时 (第 1 种情形), ∆ν=10 GHz 和 θ0 = 4.5 mrad 将分别使条纹对比度 K 降至 2.8% 和 16.3%；当 λ = 532 nm, l = 59 cm 时 (第 2 种情形), ∆ν = 0.5 GHz 和 θ0 = 1.25 mrad 将分别使 K 降至 3.2% 和 15%。为减小发散角的影响, 从理论上进一步研究了棱镜式视场展宽技术。结果表明: 若补偿棱镜厚度 d 和折射率 n 满足d = nl/(n − 1), 对应第 1 种情形, θ0=50 mrad 时 K 仍高于 93.1%，θ0 = 70 mrad 时 K 将降至 33.3%; 在第 2 种情形下, θ0=25 mrad 时 K 仍高于94.0%, θ0=35 mrad 时 K 将降至 37.6%。若 d 依据不同 θ0 取不同最优值时，在第 1种情形下, θ0 = 70 mrad 时 K 仍高于 92.1%; 而在第 2 种情形下, θ0 = 35 mrad 时 K 仍高于 94.4%。

• 一种多波长激光雷达光学系统设计

  刘晨凯,胡明勇∗,李昭阳,孙东起,封志伟,蔡晓波

  鉴于大口径激光雷达系统在污染物检测方面的需求, 理论设计了一种多波长激光雷达光学系统。该系统由接收主系统和光纤分束耦合部分组成, 工作波长为 355、532、1064 nm, 检测波长为 632.8 nm，接收主系统采用卡塞格林结构, 光纤分束耦合部分采用透射的形式, 引入色差。系统通光口径为 Φ680 mm, 有效焦距为1548.53 mm, 通过对玻璃材料的选型和光焦度分配, 使用修正的相对部分色散 P 和阿贝数 V 建立消色差方程组,用 PW 法求解初始结构。使用 Zemax 软件优化出满足要求的光学系统, 最终优化结果波前都优于 λ/15 (λ=632.8nm), 表明设计的光学系统可用于实际生产加工中。

• 一种长工作距广角工业内窥镜头的设计

  葛玉德,吴海滨,胡明勇∗,封志伟,李昭阳,刘凯迪,范轩硕

  为了满足大角域范围覆盖、高信息量获取的需求, 设计了一种可见光范围的长工作距广角工业内窥镜。该镜头基本结构采用多级成像，物镜系统采用反远距型结构, 转像系统采用透镜式。镜头像面处接 1/3 英寸 CCD, 基于成本及像质方面综合考虑, 采用球面透射式且非胶合方案。使用 ZEMAX 软件对该镜头进行了优化设计, 并进行了像质评价。最终镜头由一个蓝宝石窗口、12 片球面透镜及一个用来延长光程的厚平面组成,全视场角为 102◦, 焦距为 3.25 mm, 工作距全长为 730 mm。光学系统入瞳直径为 1 mm, 成像弥散斑半径大小在6 µm 以内, 接近衍射极限, 在 50 lp/mm 处的调制传递函数值大于 0.4, 最大畸变值小于 25%。评价分析表明设计结果满足技术要求, 结构合理。

• 双势作用下玻色-爱因斯坦凝聚孤子的操控

  王艳

  研究了玻色-爱因斯坦凝聚孤子在双势作用下的动力学演化, 基于数值模拟详细讨论了双势阱、双势垒和混合势的相关参数对玻色-爱因斯坦凝聚孤子演化的影响。提出了一种操控玻色-爱因斯坦凝聚孤子位置的方法, 并研究了双孤子在双势阱和双势垒中的演化行为。结果表明: 单孤子会在不同参数的双势作用下表现出摆动、遂穿和被势阱俘获等不同的演化行为; 控制双势的参数达到合适的数值时, 双孤子则会展现出被势阱吸引和被势垒排斥的现象。

• 基于 Bell 态的量子安全多方求和

  常泓吴怡婷林崧

  利用纠缠交换中结果态和初始态之间存在的关系, 提出一个基于 Bell 态的高效量子安全多方求和协议。该协议中, 一个半可信第三方负责制备 Bell 态作为信号载体, 并将这些载体粒子分发给参与者。随后, 参与者根据其私密数据选择相应的局域幺正算子, 对载体粒子进行编码操作。最后, 参与者对其手中的粒子进行 Bell 基测量, 半可信第三方就可以利用粒子初态和测量结果计算出求和结果。对协议中常见的外部和内部攻击的安全性分析表明所提协议在理论上是安全的。

• 强度波动下参考系无关量子密钥分发对比研究

  杨舜禹,马海强∗,李振华

  为了探究参考系无关量子密钥分发 (RFI-QKD) 协议下不同光源应对光源强度波动的能力差异, 提出了一种在非完美光源下参考系无关协议密钥率的理论分析计算方案。考虑常见的量子通信系统参数, 通过计算机仿真模拟分析对比了量子密钥分发中常用且易于获得的弱相干源 (WCS) 与可预报单光子源 (HSPS ) 以及可预测相干光源 (HPCS) 在强度波动下的具体表现。结果表明: 强度波动分析方案在参考系无关协议下具有可实现性, 相比常用弱相干源, 可预报单光子源和可预测相干光源在相同条件下具有更好的性能以及抵御强度波动缺陷的能力, 其中可预测相干光源具有最佳密钥率和最大传输距离。

• 相移键控量子噪声随机加密系统性能研究

  陈毓锴,蒲涛,郑吉林∗,李云坤,郁楠,曹阳

  量子噪声随机加密 (QNRC) 是一种新兴的提高光纤传输安全性的物理层加密方案。基于窃听信道模型,以合法信道容量和信息截获概率为基本指标, 对相移键控 (PSK) QNRC 系统的传输性能和安全性能进行定量评估,并分析了介观态功率、进制数以及量子噪声掩盖的量子态数对系统性能的影响。仿真结果表明: 为了提高系统的传输性能和安全性能, 发送端需采用光放大器; 在保证系统传输性能的同时, 可适当减小介观态功率来提高系统的安全性; 较高的进制数可有效地提高 PSK-QNRC 系统的安全性, 且不影响其传输性能; 系统数据安全性主要受限于量子噪声掩盖的量子态数。

• 从 Jaynes-Cummings 模型到 Rabi 模型 稳态纠缠的绝热制备

  吕东燕,邓瑞浩,周原∗

  从弱耦合条件下的量子 Rabi 模型与 Jaynes-Cummings (JC) 模型的物理等价性出发, 比较分析了这两种模型的旋波近似、本征能量和动力学演化, 并且归纳了在强耦合甚至超强耦合条件下这两种不同模型之间的差异和联系。借鉴电磁参量放大可以增强原子 - 光子耦合强度的物理思想, 讨论和分析了从弱耦合 JC 模型转变为强耦合 Rabi 模型的物理图像。数值模拟的结果表明: 基于这两种模型的不同量子基态及其内在关联, 利用绝热基态转化的理论方案可以实现稳定薛定谔猫态的高效制备。

• 双波长智能协同激光制导方法研究

  毕祥丽,∗,宋毅恒,闫秀生,高文清,

  针对激光制导武器当前面临着激光有源干扰而难以发挥其应有作战效能的现实, 提出了双波长多模智能协同激光制导方法和具有强抗干扰能力的激光制导技术。基于激光制导武器国内外发展现状及其发展趋势,提出 1.06 µm 脉冲激光、0.808 µm 连续波调制激光与北斗卫星导航系统 (BDS) 的双波长多模智能协同制导的总体构想。该方案通过多模智能协同制导攻击、双波长多模激光同一化探测和多模激光制导抗干扰技术实现双波长多模激光制导, 1.06 µm 脉冲制导阶段采用随机脉冲编码防破译抗激光欺骗干扰, 0.808 µm 连续波调制激光制导采用窄带滤波、相关检测等方法抗阳光反射干扰。所提方案提升了现有激光制导武器的制导性能、抗干扰能力以及智能探测与识别攻击目标能力。

• 机载近红外偏振激光雷达探测过冷云研究

  李仕春,∗,黄祖鑫,石东东,辛文辉,宋跃辉,高飞,华灯鑫,∗

  针对过冷云分布的探测, 设计了一种近红外机载偏振同轴微脉冲激光雷达系统。该系统采用波长 1550nm 激光激励, 可有效减少云中小尺度气溶胶粒子的消光, 从而提高大尺度云粒子的探测距离和效率。通过非球形粒子的退偏比来甄别云粒子相态, 同时提出了云含水量的激光雷达反演算法, 并结合机载温度数据和对流层特征, 反演过冷云的空间分布。基于标准大气模型和机载仪器的云粒子谱数据, 仿真分析了不同激励波长偏振微脉冲激光雷达在两种对流层云中的探测性能, 结果表明下层云中的探测距离约为 1.1 km, 而上层云中的探测距离可达 1.5 km。

• 抑制多用户干扰的串行反馈干扰抑制算法研究

  苏国瑞,林浩坤,蒲涛∗,郑吉林,谭业腾,牟卫峰

  在多用户光码分多址 (OCDMA) 传输系统中, 多用户干扰 (MAI) 严重影响系统传输性能。针对系统中多用户干扰来源于各用户码字不完全正交的特点, 采用码字的自、互相关函数表达接收信号与系统损伤, 引入将多用户干扰看作可重构的 “有效信息” 的新思路, 提出了一种基于数字信号处理技术的串行反馈干扰抑制算法。搭建了 2 用户同步接入频谱幅度编码光码分多址 (SAC-OCDMA) 传输系统仿真平台, 验证了该算法抑制多用户干扰的有效性。仿真结果表明: 相较于光阈值器件, 采用串行反馈干扰抑制算法抑制多用户干扰的效果更好, 系统传输性能的改善更大, 引入的功率代价仅为 2.3 dB。