量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2025年第5期

• 光学与超声在眼睛参数测量中的应用

  邹鹏辉,唐云,颜佳涛,廖萍

  为提高眼科手术后的视觉质量并为日常眼病预防提供理论依据, 眼睛参数测量方法经历了从低分辨率的超声测量到高分辨率的光学相干层析成像的发展。光学方法以其无损伤、高精度等优点在很多临床场景中逐步替代了超声方法, 但对于晶状体混浊眼还需要依赖超声测量。光学方法中的光学相干层析成像技术因其能够检测眼睛内部微观结构, 为眼科医学的基础研究和临床应用提供了极大便利。本文首先回顾了眼睛参数测量方法的发展历程, 并对几种典型方法进行系统性介绍; 随后重点探讨了超声生物测量、低相干光干涉技术和光学相干层析成像技术在眼睛参数测量方面的研究进展和应用场景, 对这几种方法的优缺点、性能等进行了对比; 最后, 对这些方法在眼科医学领域的应用进行了总结和展望。

• 太赫兹光谱水蒸汽吸收噪声去除方法研究

  寇冬阳,刘泉澄,邓琥,段勇威,尚丽平

  针对环境中水蒸汽对太赫兹波吸收产生的噪声, 提出了一种基于BP神经网络的信号恢复方法。该方法对采集到的信号在频域对振幅使用主成份分析 (PCA) 进行特征提取, 并使用粒子群算法 (PSO) 对反向传播 (BP) 神经网络的参数进行优化。结果表明, BP神经网络对于内部验证的物质炸药DMDP和RDX恢复效果最佳, 其信号相似度分别为 0.995、0.999，PCA 结合 BP 神经网络 (PCA-BP) 恢复信号的相似度分别为 0.986、0.944，PSO 优化 PCA-BP (PSO-PCA-BP) 恢复结果的相似度分别为0.987、0.997; 而对于外部验证的物质炸药345TNT和NQ, BP神经网络恢复结果的相似度分别为0.273、0.278, PCA-BP恢复结果的相似度分别为0.944、0.985, PSO-PCA-BP的恢复效果最佳, 其相似度分别为0.946、0.993。进一步结合相位信息和振幅信息使用傅里叶逆变换得到时域信号, 证明所提方法对时域数据的改善同样有效。

• 电荷交换复合光谱法测量EAST径向氢氘比

  史唱,黄娟,高伟,孙延旭,王书松,王曦辉,

  针对氢同位素比值测量在聚变研究中的重要性, 本文研究了利用主离子电荷交换复合光谱诊断 (MICER) 系统, 测量EAST超导托卡马克中的等离子体芯部氢 (H) 和氘 (D) 密度比的数据处理方法。实验上, 利用中性束注入的调制注入方法, 实现MICER信号中的等离子体边缘D (H) 辐射本底的扣除; 实验数据处理上, 利用八高斯拟合法结合塞曼效应分析, 对Hα和Dα的电荷交换发射谱线进行谱线分离。具体在高斯拟合中, 假定主离子温度和速度与碳离子的相同, 以等离子体旋转速度作为多普勒频移速度, 由碳电荷交换谱的展宽推测出Hα和Dα的发射谱展宽参数, 最终将高斯拟合的自由参量从12个缩减为4个。该数据处理方法可以成功分离出热Hα和热Dα的发射谱线, 从而实现对等离子体芯部H和D密度比的测量。

• 基于光声光谱的变压器油中溶解气体高灵敏检测技术

  陈兴龙,陈可友,万国华,张春晓,陈珂

  针对变压器运行状态实时监测的需求, 提出了一种基于光声光谱的绝缘油中溶解故障特征气体的检测技术。根据变压器绝缘油中溶解故障特征气体总量小且析出困难等特点, 设计了一种高性能的小型化非共振式光声池。通过同轴高反镜在光声池内构建双程激励结构, 有效地增强了光声信号幅度。将真空脱气装置与高性能非共振光声池通过气路连接, 形成变压器油中溶解故障特征气体的自动化脱离与分析体系。优化吸收谱线的选择, 抑制水汽对标志性故障特征气体乙炔的交叉干扰, 提高检测准确度。采用波长调制结合二次谐波探测技术, 降低了背景噪声, 进一步提高了乙炔的检测灵敏度。实验结果表明, 该方案对变压器绝缘油中乙炔的检测极限可以达到0.05 μL/L。

• 一种 NO3自由基双分子反应速率常数 的测量方法

  陈亮,胡仁志,谢品华,童金钊,林川,杨欢

  本文将NO3自由基稳定合成源技术、流动管反应控制技术与光腔衰荡光谱技术进行了有机结合, 实现了NO3自由基双分子反应速率常数的准确测量。首先在实验室进行了相关参数的表征, 对腔衰荡吸收光谱测量系统的探测限和采样损耗进行了测量, 优化了流动管壁损失。随后利用该装置对NO3自由基与异戊二烯的双分子反应速率常数进行了测量, 测得该双分子反应速率常数为(7.83 ± 2)×10−13 cm3⋅molecule−1⋅s−1, 该值与国际纯粹与应用化学联合会推荐值接近, 证实了本研究测量方法的可靠性。未来该系统可用于测量NO3自由基与不同挥发性有机化合物的反应活性, 为后续探究大气NO3自由基总反应特性提供有力支撑。

• 基于 FTIR 开放式多次反射式怀特池系统

  陈威,徐亮,徐寒扬,徐睆垚,花谷彪,

  设计搭建了一套有效光程为192 m的开放式多次反射式怀特池系统。通过Zemax设计仿真和优化, 还将该系统与中等分辨率的傅里叶变换红外光谱仪相耦合, 构建了一套多次反射式开放光路FTIR系统。通过外场实验监测 结 果 表 明 , 系 统 对 CH4、NO2、O3、SO2、HCHO、NH3 的 气 体 浓 度 检 测 下 限 分 别 达 到 了 38.01804 nmol/mol、 23.77203 nmol/mol、2.78154 nmol/mol、28.08897 nmol/mol、6.10395 nmol/mol、1.54374 nmol/mol, 证实该设计显著提高了有效吸收光程并降低了光谱仪的检测下限, 可实现nmol/mol浓度量级的大气成分在线监测。该系统的搭建为环境科学研究和污染气体排放监测提供了一种新的手段。

• 可控异常空心光束在梯度折射率介质中的传输

  王渊博,郭苗军,王平豪,姜其畅

  基于柯林斯衍射积分方法, 本文研究了可控异常空心光束在梯度折射率介质中的传输特性。推导了可控异常空心光束在梯度折射率介质中任意位置处的传输表达式, 计算了光束宽度以及轴上光强; 进而通过数值模拟分析了梯度折射率分布系数以及光束调制参数对光束传输特性的影响。研究结果表明: 通过控制调制参数, 可控异常空心光束在演化过程中会呈现多种不同的形态; 光束在传输过程中, 随着距离的增加, 传输轨迹、光束宽度以及轴上光强分布均呈现周期性变化, 周期大小由梯度折射率分布系数决定; 光束波长越长, 可控异常空心光束受到径向梯度折射率介质的聚焦作用越明显。

• 多频段高倍频双啁啾线性调频信号产生方法

  邢毓华,师腾飞

  针对雷达系统中线性调频信号载波频段单一和带宽倍频系数较低的问题, 本文提出了一种双啁啾线性调频信号产生方法。该方法使用双平行马赫-曾德尔调制器级联马赫-曾德尔调制器, 生成中心频率分别为射频驱动信号频率的 2 倍、6 倍和 10 倍, 同时带宽增加 4 倍的双啁啾线性调频信号。对所提方法进行仿真验证, 生成了带宽为4 GHz, 中心频率分别为20、60、100 GHz, 时间带宽积为742.4的双啁啾线性调频信号。进一步对生成信号进行自相关处理和模糊函数性能分析, 结果表明, 该信号表现出较好的峰值旁瓣比和脉冲压缩性能, 模糊函数降低为单啁啾线性调频信号的1/4, 降低了距离-多普勒耦合效应所导致的目标定位误差, 有效提升了雷达系统的探测性能。

• 基于 SBS 辅助光外差技术的高信噪比微波信号生成

  罗巧霞,赵中斌,胡天豪,周勇,郑子其,高伟清

  本工作基于全光纤化的干涉结构实现了高信噪比的单频微波信号产生, 并通过抑制相干光信号噪声降低了微波信号的噪声边带。该微波信号由窄线宽布里渊泵浦光与其生成的斯托克斯光干涉所产生。首先基于受激布里渊散射 (stimulated Brillouin scattering, SBS) 效应将产生的斯托克斯光的线宽压窄至~43 Hz, 对应频率噪声的降低; 再利用级联SBS效应中的噪声动力学原理, 将一阶斯托克斯光的相对噪声强度降低了21 dB/Hz。通过降低相干信号光的频率噪声和强度噪声, 使得微波信号的噪声边带被完全抑制, 表现为在一阶布里渊频移9.415 GHz处, 微波信号的信噪比从48 dB被提升至84 dB, 同时在二阶布里渊频移18.827 GHz处产生信噪比为70 dB的微波信号。这种具有窄线宽、高信噪比的微波信号可以为雷达、卫星通信等应用提供更高的探测分辨率和传输效率。

• 量子光源的相位随机化检测装置

  郝鹏磊,韩正甫,

  量子密钥分发(QKD)是抗量子计算攻击、保障信息安全的重要技术手段, 但实际非理想的器件使得QKD系统的安全性存在隐患。针对实际QKD系统中量子光源光脉冲相位随机化存在的安全性问题, 本文提出了采用不等臂法拉第-萨尼亚克-迈克尔逊干涉仪实现光脉冲相位随机化检测的方法, 并测试了两款高速激光器模块的光脉冲相位关联度, 基于实测关联度数据, 修正了最终的安全密钥率, 有效提升了当光源脉冲存在相位关联时的量子密钥分发实际安全性。

• 基于轨道角动量光强调制实现转速及转向的同时探测 (封面文章)

  黄思远,洪玲,陈理想

  结构光引起的旋转多普勒效应是旋转测速的基本机理, 但常用的基于频差的时间拍频信号测量仅能测得转速大小, 无法获取转动方向的信息。为此, 本文基于矢量涡旋光场调控, 提出了一种对转动方向敏感的微粒旋转测速方案。该方案通过振幅调制标记来识别基于自旋多普勒频移调制的信号与未调制信号, 最终在已知调制频差信息的辅助下, 实现了旋转速度和转动方向的并行测量。这种新颖的调制探测手段简洁明了、便捷高效, 在微粒操控与探测等应用领域具有潜在的应用价值。

• 移动平台下 QKD 抑制大扰动控制系统的实现

  刘腾,金标,梁钦,薛华建,刘尉悦

  基于飞机-卫星自由空间量子密钥分发 (QKD) 背景, 针对运12飞机机载平台的扰动特性, 设计了抑制大扰动跟瞄控制系统, 并进行了系统仿真和实验验证。该控制系统中加入了自抗扰控制算法, 在仿真系统中加入了库伦粘滞摩擦模型来模拟系统内部摩擦力扰动。多组仿真数据表明, 自抗扰控制算法在闭环跟瞄后, 跟瞄脱靶量均值降低了18%以上, 脱靶量标准偏差降低了19%以上。实验结果表明, 自抗扰控制算法在给定转速下的跟瞄偏差均值降低了38.8%, 跟瞄偏差的标准偏差降低了39.4%。本文设计的抑制大扰动跟瞄控制系统的跟踪精度与系统稳定性均优于现有的比例-积分-微分 (PID) 控制系统, 在一定程度上提高了跟瞄精度和系统的稳定性, 能有效抑制移动平台QKD跟瞄系统的大扰动。

• 星载激光雷达脉冲单模式回波测距阈值优化研究

  秦宗锋,高宇琦,周辉,石岩

  波形阈值法是获取线性体制星载激光雷达测距值的重要方式之一, 其测距精度与噪声水平、回波信号波形展宽以及波形阈值设置等因素有关。根据线性体制星载激光雷达回波信号波形的分布模型和噪声特性, 通过推导波形阈值对应上升沿时刻的方差分布, 构建了波形阈值法对应的激光测距误差模型。进而以欧洲航天局研制的水星激光雷达为例, 采用数值仿真的方式, 模拟了不同归一化波形阈值条件下的激光测距误差分布规律。结果表明, 当归一化波形阈值接近0或1时, 激光测距误差受噪声影响最大而出现极大值; 而当归一化波形阈值取值最优时, 激光测距误差呈现迅速下降的趋势。此外, 研究发现最佳归一化波形阈值与目标坡度成正相关关系。采用一次分式函数拟合得到最佳归一化波形阈值的分布模型, 拟合曲线之间残差的均方根误差仅为0.005, 相关系数达到0.99。通过比较最佳归一化波形阈值与传统50%阈值所得的激光测距误差, 发现最佳归一化波形阈值可以大幅减小大坡度目标对应的激光测距误差, 这为星载激光雷达测距阈值的优化设置提供了方法支撑。

• 雷暴云对量子干涉雷达探测性能的影响

  张秀再,赵宇婕,张薇薇

  为研究雷暴云中大气带电粒子对量子干涉雷达 (QIR) 探测性能的影响, 基于带电粒子模型, 分析了带电粒子复折射率与表面电荷密度之间的关系。首先根据带电粒子的衰减模型, 对粒子的质量浓度、传输距离与链路衰减的关系进行了分析, 进一步建立了不同发射光子数下的粒子的质量浓度、表面电荷密度与QIR系统灵敏度、分辨率的关系模型, 并进行了仿真实验分析。实验结果表明: 当发射端脉冲光子数一定时, QIR系统的灵敏度和分辨率会随着粒子的质量浓度和表面电荷密度的增加而降低; 在相同粒子的质量浓度下, QIR系统的分辨率会随光子数的增加而增大, 而灵敏度却相应减小。本研究证实了雷暴云中带电粒子的散射特性对QIR系统的探测性能有着不可忽略的影响。