量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2025年第3期

• 基于时间分辨光波谱技术的维生素 C 与 9,10-蒽醌光诱导反应机制研究

  魏亚雄,扶婷婷,刘毅,许新胜,

  利用时间分辨电子顺磁共振波谱和瞬态吸收光谱技术, 在基于壬烷基酚聚氧乙烯醚、丁二酸二 (−2-乙基) 已酯磺酸钠、十二烷基硫酸钠 (SDS) 和十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB) 等不同类型活性剂制备的乙二醇-水胶束溶液中, 研究了抗氧化剂维生素C (VC) 与处于激发三重态的9,10-蒽醌 (AQ) 之间的光诱导反应。光波谱研究结果表明, 在均相和胶束溶液中VC与 AQ的反应机理均为氢原子转移。通过对比不同胶束溶液中AQ与VC之间的双分子反应速率, 发现胶束表面电荷层的电荷类型对反应速率具有决定性影响, SDS胶束的阴离子外壳会通过静电排斥VC阴离子导致反应速率降低, 而CTAB胶束的阳离子外壳会通过静电吸引VC阴离子从而大大加快反应速率。

• 外电场下 5-溴-2-氟硝基苯分子的解离及激发特性

  张敏,秦晨

  本文采用密度泛函理论 (DFT) 中的B3LYP/6-311+G(d,p)方法, 探究了强度范围为0~0.040 arb. units的外加电场对5-溴-2-氟硝基苯 (5Br2FNB) 分子的结构参数、自然键轨道电荷布局、电偶极矩、能隙及势能曲线等的影响。还利用含时密度泛函理论 (TD-DFT) 中的B3LYP/6-311+G(d,p)方法, 对该分子在不同外电场下的激发能和空穴-电子进行了分析。研究结果表明, 随着外电场强度的增加, 5Br2FNB分子中的C(5)-Br(10)键增长, Br(10)原子电负性增强, 最高占据分子轨道 (HOMO) 的能量和最低未占据分子轨道 (LUMO) 的能量、能隙、激发能和势垒均呈现整体下降趋势, 表明分子稳定性在逐渐减弱。并且当外电场强度超过0.030 arb. units时, 各项分析均显示C(5)-Br(10)键已经发生解离。通过对5Br2FNB分子空穴-电子分析可知, 当外电场强度范围为0~0.010 arb. units时, 分子的S0→S1为局域激发; 当外电场强度范围为0.020~0.030 arb. units时, S0→S1为电荷转移激发; 当外电场强度为0.040 arb. units时, S0→S1又重新转变成局域激发, 这意味着C(5)-Br(10)键断裂后分子的电荷开始重新分配, 进一步证实了外电场强度达到0.030 arb. units时C(5)-Br(10)键已经开始解离。本研究对于深入了解5Br2FNB分子在外电场作用下的解离机理具有重要参考价值。

• 近红外光谱联合机器学习测定樱桃番茄中的番茄红素

  高翔堃,董璇,刘超,詹杰,黄青

  针对樱桃番茄中番茄红素的近红外光谱检测, 采用机器学习算法建立了定性和定量分析模型。首先对番茄红素的提取与检测方法进行优化, 然后基于7000～8000 cm−1和10000～11000 cm−1两个波段的光谱, 建立了用于樱桃番茄中番茄红素含量预测的组合间隔偏最小二乘 (siPLS) 模型。相较于现阶段的偏最小二乘 (PLS) 定量模型, siPLS模 型 在 预 测 准 确 度 方 面 有 一 定 的 提 升 , 其 训 练 集 相 关 系 数 Rc = 0.8008, 训 练 集 交 叉 验 证 均 方 根 误 差ERMSECV = 9.56 mg/kg, 测试集相关系数Rp=0.8683, 测试集均方根误差ERMSEP = 4.59 mg/kg。进一步引入回归型支持向量 机 (SVR) 算 法 建 立 定 量 模 型 , 对 比 分 析 表 明 , SVR 模 型 比 siPLS 模 型 的 性 能 更 优 , 其 Rc=0.9559,ERMSEC = 4.229 mg/kg; Rp=0.8959, ERMSEP = 8.363 mg/kg。最后, 基于支持向量机 (SVM) 和多通道卷积神经网络(CNN)-门控循环单元 (GRU) 联合模型, 建立了樱桃番茄中番茄红素的浓度分类模型。结果表明, 相较于SVR模型, 多通道CNN-GRU联合模型具有更高的定性识别准确率。

• 长光程A字型甲烷传感器气室的研究

  房村,禹胜林,滕雪松

  红外气室是非分光红外甲烷传感器的重要组成部分, 它直接影响传感器的性能。本研究基于朗伯-比尔定律, 设计了一种反射式A字型气室结构, 并通过仿真, 调整优化了气室参数。与直射式气室相比, 在体积和外轮廓参数相同的情况下, 反射式A字型气室的光程大约是直射式气室光程的两倍; 与现有长光程反射式气室相比, 虽然反射式A字型气室的光程-面积比改变不大, 但其光通量利用率提高了57.827%。总之, 本研究设计的新型气室弥补了传统直射式气室光程短的缺点和已有反射式气室光通量利用率低的问题, 同时兼具光程长和光通量利用率高的优点。

• 双摆臂式干涉仪动镜控制器设计及实现

  陶启贵,李大成,王安静,李扬裕,施海亮

  干涉仪动镜控制效果的好坏影响着傅里叶光谱仪的性能, 已有的研究表明, 双摆臂式干涉仪比经典迈克尔逊干涉仪具有更好的稳定性。然而, 对于倾斜会使动镜控制误差增大的问题, 由于生产工艺等因素的限制, 实际上很难完全依靠硬件来消除。因此, 本文尝试从控制方法的角度来实现干涉仪动镜在环境参数发生变化时控制误差不超过2%的要求。本工作在对动镜控制器进行分析的基础上, 搭建了软硬件平台, 在硬件上实现控制信号的获取与通信, 而在软件上实现动镜的周期摆动。在周期摆动的匀速阶段, 分别在控制器中使用经典比例-积分-微分 (PID) 和模糊PID进行控制, 并在水平与倾斜两种情况下进行了试验与数据采集。试验结果表明: 相较于经典PID, 模糊PID在系统参数发生变化的情况下具有更好的控制效果, 其水平状态的误差在0.7%以内, 平均误差为0.15%, 倾斜状态的误差在1%以内, 平均误差为0.29%。该控制方法为傅里叶光谱仪在复杂环境中的应用与拓展提供了借鉴。

• 基于载波频谱分析的激光多普勒 振动信号解调

  朱军,张明蔚,施鹏磊,侯聪,李翔,俞本立,

  激光多普勒振动测量多采用激光外差法, 其解调过程中需采用正交混频、滤波、反正切等运算, 过程较为复杂, 硬件要求较高。本文提出一种基于激光多普勒载波信号的频谱分析的方法, 利用载波主频与振动信号引起的边频之间的强度关系, 直接解析出振动目标的振幅与频率信息, 最大可检测量不受传统外差解调极限的限制。并通过仿真和实验研究, 验证了该方法的可行性。在与标准振动源的对标实验中, 在距离振动目标17 m、振动目标频率范围为60 Hz～20 kHz的条件下, 散射光信号实测幅值范围为21.44 pm～44.21 μm, 与参考值相比, 展示出良好的一致性, 表明本文所提频谱分析方法可应用于平稳振动信号的非接触远距离测量。

• 基于极化码的低复杂度星地量子密钥分发实验密钥纠错方法

  尹子欣,刘尉悦

  纠错对于星地量子密钥分发 (QKD) 至关重要。在众多误码纠错算法中, 极化码有较高的编码效率和纠错速度。在基于极化码的星地QKD系统中, 不仅卫星面临体积和功耗等问题, 地面站也在不断追求设备的集成化。为了实现低成本的星地QKD设备, 本文提出了一种基于现场可编程门阵列 (FPGA) 的极化码连续删除(SC) 译码器, 该译码器具有低硬件复杂度结构。分析表明, 该译码器在码长N为1024时, 能达到29.7 Mbit/s的吞吐率, 在硬件资源指标查找表 (LUT)和触发器 (FF) 的消耗个数分别为线型结构译码器的5.7%和10%。进一步的仿真实验表明, 在典型系统参数条件下, 该译码器在码长为64 K时, 其安全成码率达到27.9 kbit/s。

• Lipkin-Meshkov-Glick 模型中的 自旋压缩和量子纠缠

  李嵩松

  自旋压缩和量子纠缠在量子信息处理中有着十分重要而广泛的应用, 因此, 如何在各种不同量子系统中产生自旋压缩和量子纠缠一直是相关研究领域的热点之一。本文理论研究了在Lipkin-Meshkov-Glick模型中如何产生自旋压缩和量子纠缠, 利用自旋波近似, 解析计算了自旋-自旋相互作用参数和线性相互作用参数对量子纠缠和自旋压缩的影响。研究结果表明, 通过调节线性相互作用强度、自旋-自旋相互作用强度及其演化时间, 可以周期性地产生自旋压缩和量子纠缠。其中, 线性相互作用越小或自旋-自旋相互作用越强, 产生的纠缠和自旋压缩越好, 周期也越大。

• 基于遗传算法的多频段太赫兹类电磁诱导 透明超材料传感器的优化设计

  葛宏义,贾志远,蒋玉英,张元,吴旭阳,季晓迪,孙振雨,崔光远,

  超材料的类电磁诱导透明 (EIT) 效应提供了一种独特的方法来增强光与物质的相互作用, 在高灵敏传感方面显示出巨大的应用潜力。然而, 传统的太赫兹超材料优化方法主要依赖于研究者的经验, 如何快速优化并实现多频段的高灵敏度仍然具有挑战性。针对以上问题, 本工作采用遗传算法, 设计并优化了一种具有类EIT效应的超材料传感器, 通过三维电磁场仿真计算与遗传算法的结合实现参数的自动优化。结果表明, 使用遗传算法优化结构参数可以减少大量重复的人工操作, 提高了设计效率。设计的传感器在0.3~1.5 THz频率范围内产生了三个类EIT透明窗口, 通过衬底刻蚀的方法增强了电场与待测分析物的耦合, 显著提高了传感器的灵敏度。此外, 为验证所设计的EIT超材料作为生物传感器的潜力, 还对农药分析物进行了模拟传感。结果表明该传感器能够通过共振频移辨别不同折射率的物质, 并且具有多点特征匹配的优势, 在传感检测领域具有广阔的发展前景。

• 基于高精密腔的高灵敏臭氧探测技术研究

  刘孟辉,童金钊,林川,黄晨光,谢品华,

  本研究开发了一种基于高精密腔技术的高灵敏臭氧 (O3) 检测系统。该系统采用中心波长为266 nm的深紫外发光二极管 (DUV-LED) 作为光源, 以反射率为99.7%的两片高反镜构建了长为30 cm的光学腔, 其有效吸收光程达到84.7 m。首先探究了DUV-LED光源的稳定性及其中心波长处其他气体的干扰, 标定了该系统的有效腔长, 并进行了空腔消光值校准。随后, 采用艾伦偏差对系统的性能进行了评估, 评估结果表明集成后的系统在1 s时间分辨率下对O3的检测限为129×10−12 (1σ), 系统总不确定度为6.2%。最后, 为进一步分析系统的环境适应性和稳定性, 利用该系统在合肥科学岛综合楼开展了连续3 d的外场观测应用实验, 并与商业仪器Thermo-49i进行了同步O3测量分子浓度比对。观测结果表明两套系统测量的O3分子浓度数据具有较好的一致性, 相关性系数为0.98, 斜率为1.01, 截距为0.75, 验证了该系统测量的准确性和可靠性, 表明该系统能够应用于实际环境中O3的高灵敏度、高时间分辨率的测量。

• 四基色激光显示系统中色温对立体色域、色域覆盖率及光效的影响探究(封面文章)

  李婷,朱立全,陈渊通,许立新,顾春,

  激光显示以其大色域、高分辨率、高亮度优势, 成为第四代大色域显示的代表。为了实现更大色域的显示, 需要采用多基色技术与激光显示相结合的方式。然而, 显示系统白平衡点色温的不同会导致其复现的颜色范围发生变化。针对此问题, 本文理论研究了不同色温对四基色激光显示系统的立体色域体积、立体色域覆盖率和光效的影响, 并通过实验进行了验证。研究结果表明, 在多基色激光显示系统中, 采用较高色温的白平衡点可以增加立体色域体积进而提升色彩表现力。与此同时, 随着色温的提高, 光效值会增加, 但立体色域覆盖率会略微下降。如果单纯追求更高的颜色还原度, 建议选择色温为6500 K; 如果综合考虑立体色域体积、立体色域覆盖率和光效等因素, 建议在6500 K到20000 K的范围内选择合适的色温。本研究为实际设计和构建四基色及更多基色的显示系统提供了参考与指导。

• 抑制激光干涉条纹增强激光波长调制信噪比的方法研究

  程鑫,曹亚南,马燕莺,李燕,程刚,田兴,

  为了抑制密集型光学多通池产生的光学干涉条纹, 提高气体传感器的探测精度和灵敏度, 本研究提出了一种在整数倍 (100) 自由光谱范围的数据平均方法, 通过优化平均数据点数, 显著提高了痕量气体检测的精度、灵敏度与信噪比 (SNR)。研究结果表明, 相比较传统干涉条纹抑制方法, 得到的二次谐波信号的基线标准偏差分别为 0.019 arb. units 和 0.063 arb. units, 而 新 型 干 涉 条 纹 抑 制 法 对 应 的 基 线 标 准 偏 差 降 至 0.003 arb. units 和 0.0066 arb. units, 分别提升 6.33 倍和 9.55 倍; 信噪比分别提高 4.24 倍和 6.48 倍; 探测灵敏度为 0.0008 μg/m³, 提升 3.75倍; 探测精度由0.753 μg/m³优化至0.49 μg/m³, 提升1.5倍。本研究初步证明了所提方法可有效抑制光学干涉条纹对测量结果的影响。

• Tm,Ho:GdScO3晶体光谱参数计算

  张俊蕊,张庆礼,孙贵华,李加红,王小飞,窦仁勤,

  采用提拉法生长了Tm,Ho:GdScO3高质量单晶, 在室温下测量了晶体(100)、(010)与(001)面的透过光谱, 计算了晶体的吸收系数与吸收截面, 以掺杂离子浓度N与吸收振子强度f的乘积为拟合量, 拟合了Tm3＋、Ho3＋共掺杂时的跃迁强度参量Ωt , 并计算自发辐射跃迁几率、辐射寿命及荧光分支比等光谱参数。研究结果表明Tm,Ho:GdScO3晶体的发光性能良好。本光谱参数计算结果对其激光输出性能的研究提供了数据参考。

• 国际首台万兆瓦可调谐新型钕玻璃激光装置 (华光装置) 研制史

  林心月,王龙,刘锐

  20世纪80年代, 中国科学技术大学强激光物理实验室研究人员克服了理论、技术和经费上的种种困难, 成功研制出国际首台万兆瓦级可调谐新型钕玻璃激光装置 (华光装置), 于1989年11月25日稳定输出激光并通过鉴定。华光装置的研制成功, 为激光与物质相互作用等前沿科学研究提供了新的平台, 同时也为我国培养了一批高水平激光技术人才。本文梳理了历史文献和档案资料, 结合对参与华光装置研制的主要实验人员的访谈资料, 系统回顾了该激光装置研制的历史背景和过程, 并对该装置研制成功的原因进行了初步探析。