量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2022年第5期

• 紫外超短脉冲的准分子激光放大技术

  张艳琳,游利兵,∗,王宏伟,王琪,胡泽雄,范军,方晓东,

  由于具有波长短、聚焦特性好、峰值功率高等优势, 紫外超短脉冲在超快科学、强场物理等领域具有重要的应用价值。准分子激光工作气体作为增益介质在放大紫外超短脉冲方面具有独特的优势, 利用准分子激光放大紫外超短脉冲获得高强度的激光输出为紫外激光的应用提供了新的可能性。概括介绍了准分子激光放大的特点, 进而基于准分子的放大特性分单元介绍了紫外超短准分子激光放大技术, 并对深紫外超短脉冲脉宽的测量进行了简单阐述。

• YAG 晶体的位错研究进展

  张瑞,梅大江,∗,石小兔,马荣国,张庆礼,∗,窦仁勤,刘文鹏,

  大尺寸 YAG 晶体的生长不可避免地会出现各种缺陷, 位错是晶体中主要的缺陷之一。位错会产生应力双折射, 降低晶体的光学均匀性, 增大损耗、缩短使用寿命等, 因此生长出无位错或低位错 YAG 晶体对发展高效率固体激光器具有重要意义。本文综述了近四十年来国内外对于 YAG 晶体的位错研究状况，总结了化学腐蚀法、缀饰法、同步辐射法、应力双折射法、X 射线透射形貌术、光散射层貌术等在位错方面的研究以及 TEM、SEM 等方法在 YAG 位错研究上的应用, 并对晶体生长工艺对晶体内部位错密度与分布的影响进行了介绍, 为大尺寸、高品质 YAG 激光晶体的制备和位错研究提供了参考。

• 基于六轴机器人的 BRDF 绝对测量装置标校方法研究

  斯鹏飞,张黎明∗,黄文薪,陈洪耀,李佳伟,张志远,杨宝云,王戟翔

  高精度双向反射分布函数 (BRDF) 绝对测量装置可用于星上定标漫反射板等漫反射参照体 BRDF 的绝对测量, 其转角的不确定度是整个装置不确定度的主要来源之一。通过对各部件几何位置的标校降低 BRDF 绝对测量装置转角的不确定度, 可有效降低 BRDF 绝对测量的不确定度, 具有重要的意义。根据 BRDF 绝对测量装置的特点, 以串联式六轴机器人为测量工具, 以固定于中空分度盘的积分球光源出射的光束作为指示, 开发了一整套 BRDF 绝对测量装置各部件几何位置的标校方法, 最后基于镜反射实验验证了转角的精度优于 0.05◦, 满足应用需求。该方法不仅测量精度高, 而且大大简化了装调过程, 实现了无接触式标校, 为类似装置的标校提供了参考。

• 一种基于 LoG 算子的量子图像边缘检测算法

  吴琼,马雷∗

  针对图像边缘的实时提取问题, 设计了一种基于经典高斯-拉普拉斯算子 (LoG 算子) 的量子 LoG 图像边缘检测算法。通过在经典计算机上利用 Matlab 软件对该量子 LoG 算法进行模拟仿真计算, 证明了该量子LoG 算法可以快速、有效地实现对图像边缘的识别与提取。此外, 还考察了两类退相干效应对此算法的影响。计算结果表明, 相较于目前已有的相关量子图像边缘检测算法, 量子 LoG 算法具有更好的抗噪特性。

• 非对称量子阱中磁极化子的性质

  红兰∗,戈君,双山,刘达权

  采用Pekar变分法和幺正变换相结合的方法研究了磁场对非对称量子阱中极化子性质的影响，理论推导得到了磁极化子基态能的表达式，讨论了磁极化子基态能与波矢、阱宽、磁场回旋共振频率的关系。由于晶体结构反演非对称性及磁场的作用，极化子能量发生了Rashba自旋-轨道分裂和Zeeman分裂。在强弱磁场下，分别讨论了Rashba效应和 Zeeman效应在分裂中所占的主导位置。由于声子的存在，极化子比裸电子能量分裂更稳定。

• LD 侧面泵浦 Tm:YAG 电光调 Q 激光的实验研究

  钟玉龙,程庭清∗

  介绍了一种激光二极管 (LD) 阵列侧面泵浦电光调 Q 的高峰值功率、窄脉宽的 Tm:YAG 激光器。使用LGS 晶体作为电光 Q 开关, 研究了白宝石堆片和格兰棱镜分别作为起偏器时激光输出的特性。研究表明: 使用白宝石堆片作为起偏器时, 随着泵浦能量的增加会有尾脉冲出现; 而使用格兰棱镜作为起偏器时, 则无尾脉冲。使用格兰棱镜作为起偏器时, 该激光器输出激光中心波长为 2.02 µm, 在重复频率为 10 Hz 时, 可获得最大单脉冲输出能量为 60 mJ、脉冲宽度为 65.6 ns、峰值功率为 0.91 MW、斜效率为 5.41% 的激光输出。

• 扭曲厄米-高斯-谢尔模光束对两种 瑞利粒子的捕获

  张超,韩亚帅,周正仙,屈军∗

  为探究聚焦扭曲厄米-高斯-谢尔模光束对瑞利粒子的捕获特性, 基于广义惠更斯-菲涅耳原理和瑞利散射理论, 推导了扭曲厄米-高斯-谢尔模光束经过聚焦透镜后光强和辐射力的解析表达式, 并数值模拟分析了扭曲厄米-高斯-谢尔模光束对瑞利粒子的辐射力随光束阶数、扭曲因子等光束参数和透镜焦距的变化规律。结果表明, 扭曲厄米-高斯-谢尔模光束的光场分布在传输过程中逐渐分裂并绕着传输轴旋转; 梯度力和捕获稳定范围随着光束阶数和扭曲因子增大而增大; 通过选择合适的光束参数和透镜焦距, 可以实现对不同折射率的两种瑞利粒子的稳定捕获。研究结果对扭曲厄米-高斯-谢尔模光束在光镊技术中的应用具有一定的参考价值。

• CH3NH3PbI3 钙钛矿薄膜阵列光电探测器

  叶雨琪,王时茂,单雪燕,赵啸,孟钢∗

  将光电性能优异、可通过低温溶液法制备的卤化物钙钛矿制成阵列型光电探测器, 必将推动其在成像、光通信等领域中的应用。然而, 卤化物钙钛矿易被常规溶剂 (包括显影液) 溶解, 导致其与光刻工艺不兼容。自组装单分子疏水层结合光刻工艺的亲水-疏水图形基底制备方法能解决制备过程中极性溶剂与钙钛矿材料不兼容的问题, 通过简单的旋涂 (极性钙钛矿前驱体溶液仅在亲水图形区域浸润)、低温退火, 可以快速获得钙钛矿阵列。CH3NH3PbI3 薄膜阵列光电探测器具有良好的光电性能, 530 nm 光辐照下探测率为 4.7 × 1011Jones, 响应度为 0.055 A/W。这项工作为制备图案可控的钙钛矿薄膜阵列光电探测器提供了一种简单而有效的策略。

• 基于纠缠源的非线性贝尔不等式研究

  戴攀,庞志广,李剑,王琴∗

  相较于线性贝尔 (Bell) 不等式, 非线性 Bell 不等式作为一种判据提供了一种新的判别量子关联的方法,利用非线性 Bell 不等式来研究纠缠态的性质具有重要的现实意义。考虑带有噪声参数的纠缠态可以模拟实际的量子通信过程, 通过 Matlab 进行数值优化找到相应态的最优测量算符, 研究了噪声参数对非线性 Bell 不等式违背的影响。研究结果表明带有噪声的纠缠态在特定情况下也可以违背非线性 Bell 不等式, 而且测量数量越多,对纠缠态的要求越苛刻, 这对于实际实验中态的选取与制备具有重要的借鉴和参考意义。

• 基于 GHZ 态粒子和单光子混合的 量子安全直接通信协议

  周贤韬,江英华∗,郭晨飞,赵宁,刘彪

  基于 GHZ 态粒子与单光子的结合, 提出一种量子安全直接通信协议。该协议中 Alice 先将信息编码, 然后将所有 GHZ 态粒子分为 S 1, S 2 和 S 3 三部分。Alice 先将 S 1 发给 Bob 并对信道安全性做检测, 再将 S 2 和单光子 S S 混合, 经顺序重排和添加诱骗粒子后发给 Bob 并做安全检测, 再将 S 3 和 S S 混合并重复上述操作, 最后由 Bob 测量并解码。该协议可省去复杂的酉运算, 简化协议实现过程, 并且顺序重排和诱骗粒子的结合确保了协议的安全性。此外, 单光子和 GHZ 态的混合使得在一个量子态上加载了 4 bits 的经典信息, 极大地增加了编码容量, 提高了传输效率。

• 基于不同光纤的波分复用型量子密钥分配研究

  赵良圆曹凌云梁洪源韦峥伍千军钱建林韩正甫

  基于波分复用技术可以实现量子与经典信号在同一根光纤中共传。由于经典信号与光纤的非线性相互作用引起的噪声会降低量子密钥分配 QKD 的信噪比, 需要采取措施降低经典噪声的影响。与以往对 QKD 设备侧的改造不同, 从光纤传输线路的角度出发, 通过对比不同种类光纤的性质, 建立波分复用单纤传输量子密钥分配噪声模型, 结合诱骗态和有限长安全分析方法, 分析了不同种类光纤对共纤 QKD 背景噪声计数率、安全密钥率和最大安全传输距离等性能的影响。对 G.652、G.654 和 G.655 三种光纤的数值仿真结果表明, G.655 光纤可以降低共纤 QKD 的背景噪声计数率, G.654 光纤可以增大共纤 QKD 的安全密钥率和最大安全传输距离, 而常用的标准单模光纤 G.652 对于共纤 QKD 性能的影响居于三者之间。

• 基于深度学习的量子信号大气衰减系数预测

  李天秀,石磊∗,王俊辉,李佳豪

  针对空间量子通信系统中大气信道环境随气象条件实时改变的特性, 提出了基于深度学习的量子信号大气衰减系数预测方法。实验基于西安地区气象数据, 分别使用了误差反向传播神经网络 (BPNN)、长短期记忆网络 (LSTM)、门限循环单元 (GRU) 三种神经网络模型进行数据预测, 并进行了分析比较。结果表明三种神经网络模型均可以有效实现预测, 并能达到 80% 的数据拟合度, 其中 LSTM 和 GUR 网络的整体预测能力较强,但三种网络模型均在峰值处产生较大误差。该预测方案为空间量子通信中各类针对大气信道的补偿手段和智能参数优化提供了基础。

• 离轴多涡旋-高斯光束在负折射率 介质中的传输特性

  陈荣泉∗,陈源福,王清,吴志钢

  不同涡旋个数和拓扑荷的多涡旋-高斯光束具有不同光强和相位分布。当涡旋个数增大时, 涡旋奇点个数增加, 统计束宽也增大。利用分步傅里叶法数值模拟了多涡旋-高斯光束在负折射率非局域介质中的传输, 发现涡旋点关于原点不对称或各涡旋点的拓扑荷不相等都可以改变孤子的传输方向, 因此通过改变涡旋点位置和拓扑荷数可以实现光束传输方向的控制。若涡旋点虚部的符号发生改变, 孤子的旋转方向也发生改变。此外,孤子的临界功率和轨道角动量都会随着拓扑荷的增加而增大。因此, 可以通过涡旋点位置﹑涡旋点个数和拓扑荷的方式对光束信息进行编码, 使光束在介质中传输时携带更多容量的信息。

• 太阳光谱辐照度仪光机系统设计

  黄雄豪,王洋,李新,张艳娜,刘恩超,张权,郑小兵∗

  为高精度监测太阳光谱辐照度变化, 设计一款高精度太阳光谱辐照度仪用于获得太阳光谱辐照度数据。该辐照度仪设计了三种光路完成性能指标, 其主光路用于测量光谱辐照度, 参考光路用于波长标定, 太阳跟踪光路用于室外精密跟踪太阳。详细介绍了辐照度仪主光路的设计, 主光路采用 Fe´ry 棱镜进行色散与会聚, 辐照度仪入射狭缝通过 Fe´ry 棱镜成像到棱镜焦平面。通过旋转棱镜, 在辐照度仪焦平面通过两个单元探测器获得380∼2500 nm 光谱辐照度。通过理论分析和实验验证, 在 380∼2500 nm 光谱范围内仪器的光谱分辨率小于 40nm。采用标准灯对太阳光谱辐照度仪进行光谱响应范围验证, 结果表明仪器的光谱范围满足测量需求。