量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2023年第1期

• 辐射制冷技术的物理基础与研究进展

  片思杰,夏林骁,田哲源,李赓,王铸宁,马耀光,∗

  随着现代社会能源与极端气候问题日益严峻, 零能耗的辐射制冷技术越来越受到人们的关注与重视。从 2014 年日间辐射制冷首次被实验实现以来, 辐射制冷技术已从结构设计、材料选择、制备工艺、集成应用等多个角度被广泛研究, 产生了包括镀膜、涂层、柔性薄膜、织物等多种类型的器件。新的研究也越来越重视辐射制冷在场景兼容性以及环境、气候自适应性等方面的需求。开发多场景兼容、自适应环境变化且具有动态热调控能力的新型辐射制冷器件, 对辐射制冷技术的实用化以及能源、医疗、工业生产等领域都有着重要意义。本文围绕辐射制冷技术所运用的基础物理原理与光子学结构设计, 综述了辐射制冷器件的基本技术与其在场景兼容、温度自适应热调控等方面的进展。首先介绍了辐射制冷技术的原理与基本设计方法, 随后重点介绍了一些典型的辐射制冷结构以及实现多场景兼容与自适应动态调控辐射制冷器件的主要进展, 最后对辐射制冷器件的发展进行了总结与展望。

• 光子晶体光纤液压传感技术研究进展

  刘华北,周雁,邵杰,管祖光,陈达如∗

  基于光子晶体光纤 (PCF) 的液压传感技术具有灵敏度高、抗干扰能力强、适应恶劣环境等优点, 具有重要的研究意义和广泛的应用前景, 因此受到研究人员的特别关注。在简要介绍 PCF 液压传感基本原理的基础上, 重点回顾了几种典型的 PCF 液压传感技术, 即双折射 PCF 液压传感技术、PCF 光栅液压传感技术、法布里-珀罗 (Fabry-Pe´rot) 腔 PCF 液压传感技术、双芯 PCF 液压传感技术, 分别介绍了这四种液压传感技术的原理与技术方案, 并对各自的性能进行了分析、比较和总结。最后简要归纳了 PCF 液压传感技术的研究现状及未来发展趋势。

• Dy 3+ 和 Eu 3+ 共掺 NaY(MoO4)2 荧光粉 合成与发光性能研究

  童叶,郑宇航,刘文鹏,,丁守军,∗

  用高温固相法制备了一系列 2 at.% Dy3+ 和 x at.% Eu3+(x = 0, 0.1, 0.5, 1, 2, 5) 共掺 NaY(MoO4)2 样品。X 射线衍射 (XRD)、扫描电子显微镜 (SEM) 及红外光谱 (FTIR) 表征结果表明所合成的样品为四方相结构, 空间群为 I41/a。进一步研究了样品的激发光谱和在近紫外光激发下的发射特性, 结果表明 Dy3+ 和 Eu3+之间存在能量共振传递, 从而增强了 Eu3+ 的发光。2 at.% Dy3+ 和 2 at.% Eu3+ 共掺样品的 CIE 色度坐标值(x = 0.659, y = 0.338) 接近 NTSC 规定的标准值, 因而有望作为显色性能优良的发光材料用于固态照明领域。此外， NaY(MoO4)2 物化性能稳定, 易采用提拉法生长, 因此本研究结果可以为 Dy3+ 和 Eu3+ 共掺 NaY(MoO4)2 单晶生长以及蓝紫光泵浦可见激光特性研究提供参考。

• 光栅相衬 CT 中吸收信号环形伪影的去除方法

  杜天宇,高昆∗,吴朝

  提出一种光栅 X 射线相衬断层扫描中吸收信号环形伪影的去除方法。该方法采用正弦图域和重建图域结合的处理算法。对于弱伪影, 通过正弦图域的排序和滤波去除。而对于强伪影, 首先根据环形伪影在极坐标系的表现, 计算残差图像, 转换到笛卡尔坐标系得到伪影像素和样品的边界; 进而使用基于机器学习的图像分割方法获取每一类样品的分布, 同时为了保护边界信息, 通过形态学操作获得样本的内部区域; 最后再利用残差图像的分布特征定位伪影像素, 并使用临近非伪影像素均值替代。实验结果表明该方法可以在不破坏样品边界的前提下有效地去除图像中的环形伪影。

• 随机散斑图正交优化计算鬼成像

  郭辉∗,叶知秋

  为克服随机散斑图照射下统计噪声对计算鬼成像成像质量的影响, 提出了随机散斑图正交优化计算鬼成像方法。首先在计算鬼成像的基础上分析随机散斑图对目标物体重构质量的影响; 然后结合实对称矩阵性质,通过空间映射矩阵, 将原有随机散斑图正交化; 再利用重构的正交散斑图对未知物体进行照射并由桶探测器测量, 测得的一系列桶探测器值与计算机存储的重构散斑图通过二阶关联运算对目标物体进行重构; 最后参考重构散斑图的协方差矩阵特征, 对重构结果进行补偿, 进一步提升物体重构质量。该方法不仅能有效提升随机散斑图计算鬼成像的成像质量, 同时还具有算法结构简单的特点。仿真实验结果表明: 相比于传统的随机散斑图照射下的计算鬼成像, 该方法能有效地对目标物体进行重建, 并表现出良好的性能。

• 基于石英玻璃掺铥光纤的单纵模 DBR 光纤激光器的研制

  陈雨君姚波刘昊炜魏珊珊毛庆和

  研制了一种具有频率调谐功能的 2 µm 波段分布 Bragg 反射 (DBR) 型单纵模光纤激光器。该激光器基于石英玻璃单模掺铥光纤和 793 nm 半导体激光器泵浦源, 其光电器件分离集成在 1U 机箱内。通过内置压电陶瓷 (PZT), 可实现对激光频率的快速调谐，调谐范围约 6 GHz; 通过 TEC 温度控制, 可实现对激光频率在 29 GHz范围内无跳模调谐。单纵模激光输出功率为 18.2 mW, 输出激光信噪比大于 60 dB, 泵浦转换效率达 27%。该激光器样机可望在高分辨光谱、量子信息以及非线性频率变换等领域发挥重要作用。

• 基于阱式阶梯电子阻挡层的深紫外激光二极管性能研究

  魏士钦王瑶王梦真王芳刘俊杰刘玉怀

  为有效降低深紫外激光二极管 (DUV-LD) 在有源区的电子泄露, 提出了一种阱式阶梯电子阻挡层 (EBL)结构。利用 Crosslight 软件对矩形、阶梯形和阱式阶梯形三种不同的结构分别进行了仿真研究, 详细对比分析了三种结构器件的能带图、辐射复合率、电子空穴浓度、P − I 以及 V − I 特性等, 结果表明阱式阶梯 EBL 对电子的泄露抑制效果最好, 从而使得器件的光学和电学性能得到优化。

• 准分子激光低抖动延时同步系统

  胡泽雄,游利兵,∗,寸超,王宏伟,范军,王琪,张艳琳,方晓东

  准分子激光放大技术可将固体掺钛蓝宝石飞秒激光器通过频率转换后得到的小能量深紫外飞秒脉冲放大为大能量深紫外飞秒脉冲。为了满足准分子激光器与固体飞秒激光器之间同步工作的需要, 设计了一种准分子激光低抖动延时同步系统。该系统采用现场可编程门阵列 (FPGA) 数字延时和可编程延时芯片延时相结合的方法, 利用时间测量芯片实现对延时时间的闭环控制从而提高系统延时的稳定性, 最终实现对外触发脉冲信号的精确延时。验证实验表明，该系统在 1∼100 Hz 频率下运行稳定, 输出触发脉冲信号延时范围为 56 ns∼2.4 µs,理论延时步进为 10 ps, 抖动在 ±1 ns 内, 完全满足飞秒激光器与准分子激光器同步工作的需要。

• γ 射线辐照对 Cr 掺杂 MgAl2O4 晶体光谱特征的影响

  孙贵花∗,张庆礼,罗建乔,高进云,刘文鹏,李加红,陈迎迎

  为评估辐照对 Cr:MgAl2O4 晶体光谱特性的影响, 采用辐照剂量为 100 Mrad 的 60Co γ 射线照射抛光后的 Cr: MgAl2O4 晶体样品片, 测量了辐照前后的拉曼光谱、透射光谱和荧光特性, 并对辐照前后光谱变化的原因进行了分析。研究结果表明: 样品的拉曼振动峰值的位置和强度都受到辐照的影响, 但振动峰的数量没有改变;由于色心的吸收, 辐照后 250∼600 nm 波长范围内的透射率均明显降低; 辐照前后样品的荧光发射峰位一致, 但辐照后荧光强度明显降低, 同时辐照后的荧光寿命显著增加。

• 三维时间片最大纠缠态的最优检测

  曹睿,袁晨智,沈思,张子昌,范云茹,李加睿,李浩,尤立星,周强,王子竹∗

  如何实现高维纠缠态的纠缠检测是量子科技理论和实验研究的一项重要内容。传统的基于保真度的纠缠见证并不能适用于检测所有种类的纠缠态, 且其测量组合的数目也并非最优。通过在光子的时间片自由度上制备出两体三维最大纠缠态, 在使用传统纠缠见证无法认定其纠缠性质的情况下, 采用基于凸优化理论的纠缠检测方法对该量子态的纠缠维度进行检测。结果表明, 凭借新方法可获得更有效的测量方案, 能够高效准确地认证目标态的纠缠维度, 并将传统纠缠见证实验所需的 15 组测量组合减少至 6 组。

• 量子密钥分发系统防死时间攻击方案研究

  唐世彪∗,李志,郑伟军,张万生,高松,李亚麟,程节,蒋连军

  为进一步提升量子密钥分发 (QKD) 技术的实用性和安全性, 挖掘 QKD 系统中可能存在的安全漏洞并研究相应的防御策略是该领域的一个重要研究方向。死时间攻击是一种针对具有多通道探测器的 QKD 系统的攻击方式, 攻击者利用单光子雪崩光电二极管的死时间效应实现对指定通道的致盲以破坏 QKD 系统生成密钥的安全性。针对该类型攻击, 提出了一种能够有效防范攻击的基于时间测量的动态死时间设置方案, 该方案通过使用 TDC 时间测量技术确保多通道探测器能够同步进入与退出死时间状态从而实现防御目标。经试验平台验证, 该方案具备可行性。

• 基于量子中心的测量型量子保密求和协议

  王跃,张可佳,∗,韩睿

  量子保密求和是量子安全计算的基础, 目的是在保护参与者私有信息的前提下求出参与者秘密信息的和。提出一个基于 GHZ 类态的三方量子保密求和协议, 其中只有量子中心拥有全量子能力, 其余参与者只能对接收的量子态进行反射或测量。理论分析表明, 所提出的协议可以确保正确性, 即多个参与者最后可以成功计算他们秘密的和; 同时, 该协议还可以抵抗参与者攻击和外部攻击, 即无论是外部攻击者还是内部参与者都不能获得除自己的秘密与结果之外的任何信息。最后, 进一步讨论了如何将协议的参与者由三方拓展至多方。

• 标记单光子源下探测器死时间的量子密钥分配

  何业锋,李丽娜∗,白倩,陈思昊,强雨薇

  考虑到当光子传输速率过高时, 量子密钥分配协议在实际应用中会受到探测器死时间的影响, 因此对基于标记单光子源协议的安全密钥生成速率和探测器死时间之间的关系进行了探究。首先, 在考虑和不考虑探测器死时间这两种情况下, 探究了安全密钥生成速率和探测器死时间之间的关系。结果表明: 当光子传输速率过高时, 探测器死时间的存在的确会影响安全密钥生成速率。进一步分析了不同探测器死时间下安全密钥速率的生成情况。结果表明: 探测器死时间的取值越大, 得到的安全密钥生成速率就越低, 安全密钥生成速率的极限值和探测器死时间 τ 之间的关系为 4.2/τ。

• 量子典型相关分析算法

  王庆乐,,薛雪,李元诚∗

  典型相关分析是一种重要的数据处理方法, 用于处理随机向量之间的相互依赖关系。然而, 经典的典型相关分析算法的复杂度对数据维度是多项式依赖的, 致使该类算法并不适用于分析在大数据时代下规模呈指数增长的数据。针对经典的典型相关分析算法的这种缺陷, 提出了一种量子典型相关分析算法。该算法把典型相关分析所涉及的优化问题转化为适合用量子计算技术处理的代数问题, 并采用量子主成分分析技术进行求解,从而降低了典型相关分析算法的复杂度。在特定的参数条件下, 所提算法可实现在数据维度上的指数加速, 符合当今实际数据处理对该算法的需求。

• 线形离子阱杂散电场漂移的测量与优化

  王淼,陈正,黄垚,管桦,高克林,∗

  在光频标的实验中, 射频场所引入的微运动会对系统频率测量产生很大的误差。即使在实验前将微运动补偿至最佳状态, 但实验过程中随着杂散电场的漂移, 微运动的影响又会逐渐显现, 需要不断地补偿才能减小其影响。针对该问题, 在线形离子阱系统中利用氧化铟锡导电玻璃对真空系统进行优化, 以抑制离子阱杂散电场的漂移。通过测量和计算得出优化后杂散电场漂移值为 1.63 µV·m−1·s−1, 约为优化前结果 57.7 µV·m−1·s−1 的1/40, 使得在长时间实验的过程中微运动的影响可以忽略不计, 实验的有效时间得以显著增加。

• 一种新型圆形掺杂光子晶体光纤负色散特性的分析

  阮志强,张磊,赵欣瑜,江兴方∗

  针对目前使用的光纤中普遍存在的色散问题，利用有限元法并结合 COMSOL Multiphysics 仿真软件设计了一种双芯圆形液体掺杂的光子晶体光纤。研究结果表明，随着空气孔直径 d1 与空气孔层间距 Λ 的比值d1/Λ 变小，有效折射率的最大变化率和色散逐渐向长波长方向移动；随着中心孔直径 d2 变大，有效折射率的最大变化率和色散的最小值也逐渐向长波长方向移动；此外，随着掺杂液体折射率 nL 增大，有效折射率的最大变化率和色散的最小值同样逐渐向长波长方向移动。当 Λ = 1550 µm、d1/Λ = 0.7、d2/Λ = 0.833 以及nL = 1.753 时, 可在 1550 nm 处获得 −132720 ps·nm−1·km−1 的大负色散值。