量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2024年第5期

• 基于原子天线的低频电场量子精密测量和应用

  杜艺杰,吕子瑶,胡伟东,何军,刘志慧,董涛,金世超

  基于原子系综的量子精密测量体系具有高准确和高稳定的特点, 是未来先进测量体系的发展方向之一。其中, 基于里德堡原子的电场测量具有高灵敏、超宽带以及优异的电气隔离等特性, 近年来受到广泛关注。然而, 当前基于里德堡原子的电场量子精密测量研究多集中于微波频段, GHz以下的低频电场测量研究较少。鉴于DC~MHz频段电场的高灵敏探测在地球物理、生物传感、国防通信、太空探索等方面具有重要的科学意义和应用价值, 本文梳理了DC~MHz频段的新型天线研究进展, 综述了近年来原子天线技术的发展趋势, 概述了基于里德堡原子的低频电场测量原理, 并分析讨论了原子天线在灵敏度、瞬时带宽等关键性能指标方面的提升方案及在未来低频探测领域的潜在应用。

• 适用于无人机搭载的轻小型成像光谱仪光学系统设计

  李亮亮,李新,张允祥,张权

  设计了一种适用于无人机搭载的轻小型成像光谱仪 (Light and compact imaging spectrometer, LCIS) 光学系统。该光学系统的工作波段覆盖400～1000 nm, F 数为3.3, 视场大小为11°, 光谱分辨率优于3 nm。采用Zemax对该光学系统进行仿真和优化, 优化结果表明, 点列图均方根 (RMS) 半径最大值为4.221 µm, 小于单个像元尺寸的一半,谱线弯曲最大值为1.30 µm, 色畸变最大值为1.16 µm, 分别占像元尺寸的8.69%和7.73%, 在33 lp/mm处的调制传递函数 (MTF) 值优于 0.7, 各项指标评价结果均表明该光学系统具有较好的成像质量。此外, 该光学系统体积为190 mm × 160 mm × 90 mm, 表明该系统不仅光谱分辨率高、成像质量好, 还具有体积小、结构紧凑的优点。本研究为轻小型成像光谱仪的研制提供了核心技术支持, 为基于无人机搭载成像光谱仪开展遥感器在轨辐射定标工作奠定了基础。

• 线性光学采样算法中的多普勒补偿研究

  施锡平,刘尉悦

  基于双光梳的时频传递技术在实验中已经实现稳定的时频传输。然而，当双光梳两端存在相对运动而产生多普勒效应时，涉及的线性光学采样算法将不能满足要求。为了能够精确解算多普勒效应导致的干涉信号时间延时和频率偏移，本文推荐了一种基于宽带互模糊函数的时差频差联合估计算法。仿真模拟了特定参数下，光梳延时为 38.78 fs，相对速度在 0~1800 m/s 之间的若干组干涉信号，所推荐算法仿真得出时延误差为 0，速度误差小于0.3 m/s。相对于窄带互模糊函数，该算法具有更好的大速度下时间及频率尺度估计性能。

• 一种利用光子图像解决深度学习中子 CT 缺乏成对数据的方法

  郭虎,陈帅,杨明翰,张子恒,邵慧,汪建业

  由于缺少高质量成对数据集, 深度学习在中子层析 (CT) 重建中的应用与发展受到了严重阻碍。虽然中子层析和光子层析成像原理都基于Radon变换, 但二者在粒子输运过程中的成像特征不同，所以光子层析图像训练的网络无法直接用于解决中子层析成像的重建问题。为此, 本文提出了一种可以解决光子和中子层析成像迁移过程中概率分布差异问题的无监督域适应网络。该方法通过引入最大均值差异计算以减小光子与中子层析图像特征之间的分布差异, 并通过小波变换与卷积神经网络相结合的方式增强重建的有效特征。与其他算法的对比验证表明, 该方法能够从低投影通量下的中子层析结果中重建出高质量的中子层析图像, 有效缓解了低投影通量下中子层析成像退化的问题。

• 无线激光功率计数据采集传输模块设计

  施飞宇,张京会,蔡亦华,蒋涛,李林格,方平,沐超,黄童,范承玉,

  为实现远程激光功率的测量并保证数据传输的安全性, 设计了一种非联网的无线激光功率计数据采集传输模块。该模块由三个部分组成： STM32数据采集模块、无线RS485透传模块和Qt上位机软件。其中STM32数据采集模块将探测器采集的电压模拟信号转换为数字信号, 无线RS485透传模块负责STM32数据采集模块与PC端的数据通信, Qt上位机程序处理接收的数据并显示实时激光功率曲线。验证实验结果表明, 在1 km传输距离下, 该模块成功采集到完整的激光功率曲线, 数据传输出错率为0。该模块实现了远距离、高速率的功率数据采集和传输功能,为后期无线激光功率计的研制工作奠定了基础。

• 高精度冷原子干涉仪集成化光学系统的设计 (封面文章）

  葛贵国,方杰,何萌,李金庭,张胆放,陈曦,仲嘉琪,张小伟,王谨,詹明生,

  设计并实现了用于85Rb 冷原子干涉仪的集成化光学系统。整个光学系统的外包络尺寸为 400 mm ×483 mm × 133 mm, 分为五个独立的模块, 模块之间通过光纤连接, 这种集成化、模块化的光路系统有利于原子干涉仪进一步工程化、小型化。该系统采用主动温控措施来改善光学系统的稳定性，使激光光强的长期稳定度达到4.3 × 10-3@5000 s。将该光学系统应用于原子干涉仪, 获得了自由演化时间为71 ms、对比度为20%的干涉条纹, 单个条纹相位不确定度约为22 mrad, 对应的重力测量不确定度为26 μGal。该光学系统的设计与实现为原子干涉仪的小型化与实际应用奠定了基础。

• 结合光电负反馈和模式清洁器的噪声抑制系统

  吴紫伊,雷兴,闫智辉,贾晓军,

  光场噪声的有效抑制是开展精密测量研究的基础, 特别是现代量子信息科学对光场噪声提出了散粒噪声极限的要求。本工作研究了一种结合光电负反馈和模式清洁器的噪声抑制系统, 在边带模型和郎之万方程的基础上,分析了噪声抑制系统输出光场的噪声谱, 讨论了光电负反馈回路的透射率、反馈增益以及光学模式清洁器的腔线宽对噪声抑制水平的影响。结果表明, 该系统不仅可以有效抑制高频的强度噪声, 使其达到散粒噪声极限，而且能够减小特定频率处的强度噪声。此外, 引入带通滤波器能进一步扩展噪声抑制的水平和带宽。研究结果为实验研究提供了直接参考和必要基础。

• 基于量子奇异值估计的岭回归算法

  陈康炯,郭躬德,林崧

  作为一种有监督学习算法, 岭回归算法有着十分广泛的使用。本工作将量子奇异值估计与经典岭回归算法相结合, 提出了一种量子岭回归算法。该算法利用量子计算的并行特性, 实现了对岭回归拟合参数的求解以及预测值的获取。复杂度分析表明, 所提算法有效解决了数据矩阵为非厄米矩阵时需要进行矩阵拓展或者矩阵运算的问题, 与经典算法相比在运行时间上具有指数级加速。此外, 本工作还给出了所提算法的量子电路图并对其关键步骤进行了仿真实验, 实验结果验证了所提算法的有效性和可行性。

• DLC 膜对金刚石纳米柱 NV 色心发光 收集强度的影响

  李文斌,谭心,潘超,贺占清,杨桥

  金刚石氮空位 (NV) 色心发光收集强度的提高是实现单光子源技术的关键。本工作将锥状的类金刚石(DLC) 梯度减反膜引入纳米柱色心单光子源中，旨在从色心的自发辐射速率与光子收集效率两方面提高NV色心的发光收集强度。采用时域有限差分 (FDTD) 法对带有DLC膜的金刚石纳米柱复合结构进行了光学仿真，探究了不同结构参数的DLC薄膜对金刚石纳米柱NV色心光子收集强度、出射效率及自发辐射速率的影响，并且通过优化得到了最大收集强度下的结构参数。仿真结果表明，引入DLC膜能够使金刚石纳米柱中NV色心获得更高的光子出射效率 (≥1%)，并且能够改变纳米柱内部电场分布，使色心自发辐射速率增加16.8%，最终使光子的总收集强度增加15.5%。

• 海水表层叶绿素 a 及悬移质浓度的激光雷达初步探测实验研究

  徐杰,王章军,陈超,庄全风,吴家胜,郭甜甜

  针对海洋叶绿素a和悬移质浓度的测量，研发了一套小型化的双视场四通道海洋探测激光雷达系统。基于该系统，在实验室进行了不同激发能量和激光入射角下的叶绿素a浓度的测量实验，并与叶绿素荧光计/浊度计进行了对比，结果表明，不同激发能量和不同激光入射角度测量的叶绿素a浓度值均趋于一致，且与叶绿素荧光计/浊度计测量结果的相关系数可达0.94。然后对不同粒径的悬移质浓度进行了测量实验，并与叶绿素荧光计/浊度计的测量结果进行了对比，二者相关系数在0.91以上。最后，利用海洋激光雷达对近岸海水中的叶绿素a和悬移质浓度进行了反演与比对，与叶绿素荧光计/浊度计测得的海水表层叶绿素a和悬移质浓度的相关性分别达到0.74和0.86。

• 纳秒脉冲激光制备黑硅及其光学性能的研究

  王可,王梓霖,周晓雨,黄伟其,张铁民,彭鸿雁,王安琛,张茜,黄忠梅,刘世荣

  利用纳秒脉冲激光器在常温常压室内环境下扫描刻蚀单晶硅片, 通过改变扫描方式和扫描的线间距制备了各种不同结构的黑硅样品, 重点研究了扫描方式、扫描间隔、高温吹氧退火时间等对黑硅光致发光 (PL) 特性的影响,以及不同参量制备的硅表面微结构对光吸收率的影响。利用透射电子显微镜、扫描电子显微镜、光学显微镜、拉曼和荧光光谱仪、吸收光谱仪等对制备的黑硅样品形貌、光吸收和PL发光特性进行了检测与表征, 获得了吸收率高于90%且具有良好发光性能的黑硅结构样品。研究发现, 采用线性扫描方式制备的黑硅样品的PL光谱主要分布在红光波段, 而采用正交扫描方式制备的黑硅样品的PL光谱中在近红外900 nm附近有稳定的发光峰; 此外, 在黑硅样品中还观察到630 nm附近的电子局域态发光, 并通过建立对应的物理模型解释了其发光机理。

• 新型红外非线性硒镓钡多晶的合成与提纯研究

  周强,王振友,吴海信,黄昌保,倪友保,余学舟,胡倩倩,刘国晋,魏玲莉,

  硒镓钡晶体 (BaGa4Se7，BGSe) 是目前广受关注的一种新型红外非线性晶体。本文分别采用双温区法和高压辅助法合成硒镓钡多晶原料，并设计大温度梯度快速提纯方法对合成后的多晶料进行提纯。通过粉末X射线衍射仪 (XRD)、电感耦合等离子体质谱仪 (ICP-MS) 和X射线能谱仪 (EDS) 对提纯前后的BGSe多晶的物相组成和杂质浓度进行了表征。X射线衍射谱与理论模拟图谱结果一致，无杂峰； ICP-MS等测试结果表明，提纯后晶锭中的Fe、Al等金属杂质以及O杂质含量均得到明显降低。本工作可为高品质单晶生长提供原料基础。

• 一种微结构八边形光子晶体光纤

  廖昆,颜义萱,辛政,李芳

  本文设计了一款微结构八边形光子晶体光纤 (PCF), 并基于有限元法研究了该结构光纤基模的色散特性、非线性特性及限制损耗特性。研究结果表明: 通过适当调节该光纤的结构参数, 在波长为1.55 μm处, 出现了一个零色散点, 并且在该波长处, 得到高非线性系数值 94.97 W-1⋅km-1 以及低限制损耗值 3.065 × 10-6 dB/km。该设计为在1.55 μm处得到零色散点、高非线性、低损耗的光子晶体光纤提供了理论指导, 在色散控制、非线性光学等领域具有潜在的应用前景。