量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2025年第2期

• 基于改进野犬优化算法的太赫兹线阵相机内参优化

  方灿,方波,蔡晋辉

  太赫兹透射式成像具有对人体无害、对非金属材料的穿透性较强等特点, 因此可用于安全检验、生物医学等领域。提高太赫兹线阵相机测量精度的关键在于相机参数的准确性。本文提出一种改进的野犬优化算法 (DOA), 对Draréni标定法所得的相机参数进行优化。该算法改良了DOA中的食腐和生存行为, 并引入粒子群优化算法和灰狼算法的个体更新策略来增强全局搜索能力。利用自行搭建的太赫兹透射式扫描成像装置进行成像, 选取10张不同位置的成像图片作为测试对象, 并利用Draréni标定法得到相机初始内外参数, 最后, 分别利用粒子群优化算法、DOA和本文提出的改进的DOA进行相机内参优化。实验结果表明, 本文提出的改进DOA相对于传统Draréni标定法、粒子群优化算法和标准的DOA, 其平均重投影误差分别降低了33.41%、21.35%和12.62%， 证实了该算法具有较高的稳定性, 并能显著提高相机标定的精度。

• 傅里叶单像素成像采样方法对比分析研究

  肖振坤,魏文卿,邓琥,郭进

  傅里叶单像素成像技术是一种兼具高成像质量和高成像效率的单像素成像技术。在利用该技术时, 针对不同特征图像, 采用高效的采样方法对于图像重构质量的提升至关重要。本文分析了现有傅里叶单像素成像常用的三种采样方法 (圆形采样、高斯变密度采样以及自适应采样) 的实现原理及过程, 以最优采样为参考, 仿真对比了四种采样方法在不同采样率下的重建图像质量, 重点分析了各自在处理不同特征图像时的优势与不足。结果表明, 对于具有不同频谱能量分布特征的图像, 四种采样方法表现出不同的重建图像峰值信噪比, 具有各自不同的最优适用对象。该结果将为面对不同特征图像时如何高效选择最佳采样方法提供重要参考。

• 水平放置圆柱形参考腔振动敏感度优化设计及误差分析

  郝艳梅,黄垚,张宝林,陈群峰,管桦,高克林,

  超窄线宽稳频激光在精密测量、精密光谱学、原子频标等领域起着至关重要的作用, 其频率稳定性依赖于作为参考的超稳腔的性能。水平放置的超稳腔对外界振动非常敏感, 往往与其理论设计存在量级差异, 使得振动噪声成为限制超稳腔稳定性的重要因素。本文以圆柱形水平参考腔为例, 基于有限元分析方法, 提出了 7.3 ´ 10-12/g(g = 9.81 m·s−2) 超低振动敏感度腔的设计方案, 分析了加工和装配过程中影响振动敏感度的各项误差因素, 并提出了相应的解决方案。本研究方法对于其他形状的超稳腔的振动不敏感设计同样适用, 将来可用于各类精密测量实验中。

• 基于 Fabry-Perot 标准具的高精度波长实时监测方法研究

  林雨晴,夏滑,张志荣,孙鹏帅,吴边,李哲,蔡永军

  在采用腔衰荡、腔增强等高精度激光吸收光谱技术进行气体测量时, 激光器输出波长的稳定性直接关系到测量的准确度。因此, 准确测定激光器波长对高灵敏激光吸收光谱技术具有至关重要的作用。本文以腔衰荡吸收光谱中常采用的分布式反馈 (DFB) 激光器为例, 搭建了一种基于法布里-珀罗 (Fabry-Perot, F-P) 标准具的波长监测系统。该系统利用F-P标准具产生干涉事件, 调节激光器驱动电流进行波长扫描, 同时启用参考波长计, 得到波长和干涉光强的函数关系, 在后续测量中通过此函数关系反演波长信息。实验中采用中心波长为1653 nm的DFB激光器, F-P系统对其实现了1653.66160 nm至1653.77718 nm波段内的波长测量。对系统的测量结果与参考波长计的读数进行线性拟合, 二者拟合度为0.9999, 证明F-P波长监测系统的可靠性。为进一步验证系统的稳定性和测量精度, 在激光器中心波长处进行了10 min的连续监测, 结果表明, 系统精度为 ± 9.12 × 10−5 nm。本工作的开展对后续采用腔衰荡吸收光谱技术实现高精度大气背景及同位素气体测量具有积极的意义。

• 气压调谐的窄带滤波器研制及其在铁共振荧光激光雷达中的应用

  李春伟,邓迁,李乘,吴德成,刘东,王珍珠,

  铁共振荧光激光雷达是探测中间层顶至热层底部区域的温度和风场的重要设备, 但在白天时段, 由于强天空背景噪声的存在, 铁原子共振荧光信号常被淹没, 而无法实现中高层大气的温度和风场探测。为了解决该问题, 本文研制了气压调谐的窄带滤波器, 提出了将两个空气间隙的法布里-珀罗标准具串联并与窄带干涉滤光片组合的滤波新方法, 并最终应用于铁共振荧光多普勒激光雷达中, 实现了在白天时段对大气中间层顶至热层底部区域的温度和风场探测。首先, 通过定义滤波器性能评价函数, 对滤波器的滤波性能进行了定量分析, 确定了两个标准具的带宽、自由光谱范围等参数; 并进一步设计了基于PID算法的控制系统, 实现了对标准具腔气压的精确控制; 随后, 通过模拟仿真测试了滤波器的设计指标; 最后, 通过外场试验证明了滤波器在铁共振荧光激光雷达中的滤波效果, 其信噪比达到136以上, 实现了铁层区域的风速和温度探测。

• 基于光量子行走的多体量子纠缠纯态克隆方案

  王国翠,林志,李曦坤,杨青,杨名

  量子不可克隆定理使得高保真度的近似克隆具有重要意义。已有研究主要针对单粒子态的克隆，但不适用于克隆多粒子纠缠态。已有的少许针对多粒子量子态克隆的工作，都以消耗更多的纠缠资源为代价，且克隆态的保真度相对较低。本文基于光量子行走和纠缠交换，设计了两体纠缠态和三体纠缠态的克隆方案。结果表明，在较少的量子资源消耗的前提下，可获得两个高保真度（最高可达0.75）的克隆态。由于该克隆过程简单、量子资源消耗少且克隆态保真度高，此方案在实验上是有效可行的。此外，该克隆机无需再探测牺牲额外光子，减少了量子资源的浪费。

• 光波导中的一维拓扑无硬币态量子行走

  蒙雅

  本文在光波导中利用波导间的直接耦合实现了一维无硬币态的离散时间量子行走, 得到了系统的拓扑相图,并研究了其在拓扑边界态影响下的动力学演化行为。结果表明, 当行走空间为偶数格点时, 存在三种不同的拓扑相, 对应系统中会出现能量为0、能量为π、能量为0和π同时存在的拓扑边界态; 当行走空间为奇数格点时, 存在两种不同的拓扑相, 对应系统中会出现能量为0、能量为0和π同时存在的拓扑边界态。通过选取合适的参数和初始行走位置, 可以使粒子在行走过程中始终局域在边界上或在边界处的两个格点上来回振荡。粒子在行走过程中的这种局域化行为, 为实现无损的量子态传输和量子信息传输提供了一种可行性方案。

• 基于电子管振荡电路的离子阱射频源性能研究(封面文章)

  徐华轩#,敖致远,#,李林,李梓,何胜国,童昕

  为实现在离子阱中对离子的稳定囚禁, 本研究搭建了一套基于电子管振荡电路的射频源。该装置能够实现同时输出两路幅值相同、相位相反的射频电场, 其频率在2.15~4.05 MHz范围内连续可调, 且无需主动进行阻抗匹配。将该装置应用于离子阱, 首先对其射频频率、相位差和两路电压峰峰值进行4.68×104 s的连续测量, 结果表明, 各参数稳定度的最小Allan偏差分别达到10−5、10−4和10−4量级。进一步利用该装置将钙离子囚禁在离子阱中, 在不关断射频源的情况下, 可连续调节射频频率, 并通过CCD相机观察了钙离子库仑晶体在不同囚禁参数下的结构变化。

• 高功率宽调谐声光调制器驱动源的研究

  王锦荣,吴双娥,米成栋,朱梦琦,程子源,高旭珍,史旭蓉,杜胜利

  声光调制器是一种重要的光学器件, 其性能在很大程度上依赖于驱动源的性能。因此, 针对不同的应用场景, 研制高性能的声光调制器驱动源具有重要意义。本文针对量子光学领域真空压缩光制备中光学参量振荡腔腔长锁定对声光调制器的应用需求, 设计了一款高性能声光调制器驱动源。该驱动源以射频金属氧化物半导体 (MOS) 场效应管放大模块RA07H0608M为核心器件, 输入信号经阻抗匹配电路、高通滤波放大电路、功率放大电路后, 最终输出到声光调制器中, 同时, 监测电路对工作温度和信号功率进行实时监测。实验结果表明, 该声光调制器驱动源能够实现频率和功率的连续调谐, 在75~85 MHz的工作频率范围内, 输入输出信号具有良好的线性关系, 输出功率高达1 W, 并且同时具有超温和超功率自动关断保护功能, 完全满足声光调制器长时间稳定运行的要求。

• 基于晶体光波导的长寿命光存储

  郑亮,刘超,周宗权,李传锋,

  基于稀土离子掺杂晶体中的光波导, 研发了一种可集成的长寿命光存储器。该存储器采用飞秒激光微加工技术制作, 具有20 μm 截面尺度与5 dB的总插损。在该存储器中进行了长寿命光存储演示, 其存储效率衰减曲线呈现多指数衰减模式, 衰减模式的特征时间常数分别为4.9 ± 0.1 h与14.2 ± 0.8 h。该存储器在1.4 s存储时间下的存储效率为8.1%, 最长存储时间达到24 h, 对应存储效率约为0.6%。这种长寿命的晶体波导型光存储器具有向二维集成阵列发展的潜力, 有望在集成光学信息处理领域得到应用。

• 金刚石纳米柱增强色心荧光收集效率研究

  谭心,贺占清,杨桥,王健,苍磊,杜岩龙,祁晖,

  金刚石纳米柱可以提高色心的光子发射效率, 并对发射的光子有聚集作用。本文采用时域有限差分方法, 分析了金刚石纳米柱直径、高度及色心位置等结构变化对纳米柱中色心Purcell因子、光子透射率和光子提取效率等参数的影响, 探究了纳米柱结构增强色心发光的机理, 并以色心总荧光收集量为目标, 寻找最优纳米柱结构参数。研究结果表明, 最优结构下色心总荧光收集量是块体金刚石的17倍, 并可以用数值孔径NA = 0.95的显微镜有效收集, 其中纳米柱直径的尺寸误差对总荧光收集量的影响最大, 但在± 20 nm范围内也可达到13倍以上。本研究为金刚石色心发光增强结构的设计和制备提供了参考。

• 基于相位生成载波和解包裹技术的湍流相位检测方法研究

  童杰,梅海平,任益充,陶志炜,

  针对光纤湍流测量技术中湍流随机相位差解调算法存在的相位检测周期性边界问题, 从内调制相位载波技术原理及其信号表现形式出发, 提出了一种结合相位解包裹技术的大气光学湍流相位差解调算法, 称之为相位载波解包裹算法(PGCU)。通过数值模拟, 对比分析了该算法与传统微分交叉(DCM)算法在不同条件下的解调误差。仿真结果表明: PGCU算法不仅能够突破检测相位的周期性边界, 而且在湍流由强变弱的条件下, 其解调误差均值相比DCM算法大幅度降低7～11个数量级, 且解调误差与信号幅值、频率均呈正相关趋势; 调制频率从2000 Hz提高到7000 Hz, PGCU算法的解调误差最大值减少4个数量级, 而DCM算法只能降低8.8%。此外, 还提出了动态跟踪调制频率算法来解决调制频率波动带来的误差问题。最后， 通过搭建实验平台解调压电陶瓷产生的相位差实验, 给出解调相位与测量相位最小相对误差为1.18%, 最大相对误差为11.61%, 初步验证了PGCU算法的可靠性和精度。该研究通过引入相位解包裹技术， 提高了湍流随机相位差检测范围, 大幅度降低了解调误差, 对光纤湍流测量系统的实际应用有一定的指导意义。

• 激光测速在线材速度测定中的应用及优化

  徐雷,吴海滨,李梓霂,陈新兵,宋伟

  本研究基于激光多普勒测速原理, 采用快速傅里叶变换 (FFT) + 连续傅里叶变换 (CFT) 频率解算综合方法, 提高了线材速度测量精度。该方法结合自相关检测、FFT频谱估计、CFT频谱细化和能量重心估计频谱校正, 实现了有效降噪, 并提升了信噪比和频谱分辨率, 从而提高了线材速度测量的准确度。仿真和实验结果表明, 经过一重自相关后, 采集信号的信噪比得到提升, 速度测量平均绝对误差低于0.01 m/s; 与Welch频谱估计相比, 本方法在不同速度条件下速度测量的绝对误差更小, 准确度更高。生产现场测试表明, 不同工段的速度测量均满足高速线材生产控制的要求, 证实了该方法的实用性。

• 一种聚合物封装的光纤布拉格光栅超声波传感器

  涂兴华,赵海洋

  针对裸光纤光栅对超声波响应灵敏度较低的问题, 本文提出一种聚合物封装的光纤光栅传感器, 通过在光纤光栅周围封装一层厚度远超光纤直径的聚合物涂覆层, 提高了光纤光栅在受到超声波作用时的应变灵敏度。首先, 建立光纤光栅传感模型, 根据传输矩阵法仿真分析了聚合物杨氏模量和泊松比对光纤光栅应变的影响。随后, 利用聚氨酯 (PU)、聚丙烯酸酯 (ABR) 与聚氯乙烯 (PVC) 塑料三种不同参数的聚合物材料封装光纤光栅, 通过线性边缘滤波法将光纤光栅的波长漂移转化为电压信号, 测量封装后的传感器对超声波的传感特性。研究结果表明, 聚合物杨氏模量的降低与泊松比的提高有助于改善光纤光栅对超声波的响应灵敏度。三种材料中, PU封装后的效果最好, 峰值电压达到139.6 mV, 约是裸光纤光栅的15倍, 且封装后的传感器的峰值电压随着距声源距离的增大呈指数型衰减, 符合超声波在水中的理论衰减趋势, 可以用来还原空间中的声场状态。