量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2025年第6期

• 极紫外光刻掩模成像和缺陷补偿策略研究进展 (封面文章）

  赵敏,辛颖,匡尚奇

  极紫外(EUV)光刻是目前国际上7 nm及其以下技术节点芯片量产的主流光刻技术, 其较高的成像质量是保证光刻系统性能的重要前提, 而光刻掩模的质量又直接影响着系统的成像质量。理想的“零”缺陷光刻掩模实际上是无法制备的, 而缺陷的存在会严重影响曝光成像质量, 因此对EUV光刻掩模缺陷进行补偿是EUV光刻不可或缺的关键技术。为了实现高效和高精度的缺陷补偿, 大量的光刻仿真计算模拟是必不可少的, 其中掩模仿真、系统成像仿真和补偿策略都会对补偿的效率产生影响, 因此探究快速、高精度的掩模仿真模型和系统成像模型具有重要意义。鉴于此, 本文系统梳理了EUV光刻掩模成像仿真算法和掩模缺陷补偿策略, 分析了不同方法的优点和局限性, 并探讨了掩模缺陷补偿策略的发展趋势。

• 基于表面增强拉曼光谱测量抗磷脂酶 A2 受体抗体

  张钰,程蕊,赵畅,杨荟楠,沈剑箫,戚超君,陈军

  利用自行研制的表面增强拉曼光谱 (SERS) 测试平台, 以自制的纳米银胶体溶液为增强基底, 对不同滴度下的抗磷脂酶A2受体 (anti-phospholipase A2 receptor, anti-PLA2R) 抗体水溶液进行检测, 发现在纳米银胶体溶液增强作用下, 不同滴度的抗 PLA2R 抗体水溶液均能够检测出拉曼频移约为 1521 cm−1的特征峰, 并且检测下限可至2 RU/mL。在此基础上, 进一步对健康人尿液样本和混合抗PLA2R抗体水溶液的尿液样本进行检测分析, 发现只有在混合抗 PLA2R 抗体水溶液的样本中才能检测到 1521 cm−1的拉曼特征峰。本研究表明， SERS 技术可以检测到PLA2R的拉曼特征峰, 基于尿液的SERS检测有望发展成为临床无创诊断特发性膜性肾病的新方法, 对特发性膜性肾病疑似患者是否需要进行详细的肾组织活检提供了重要的指导依据。

• 基于改进 RANSAC 的单光子激光雷达 目标轨迹提取算法研究

  盛明圳,白同正,郑小兵,翟文超,夏茂鹏

  随着无人机等“低慢小”目标在众多低空领域的广泛应用,“ 低慢小”目标逐渐成为威胁低空安全的重要因素。本文针对低空空域对目标识别的实时性和准确性需求, 提出了基于单光子激光雷达的低慢小目标轨迹提取算法。单光子激光雷达具有光子量级的探测灵敏度, 被广泛应用于目标测距等领域。本文所提算法利用激光雷达所测得的目标距离信息, 将轨迹提取问题转换为基于随机抽样一致性 (RANSAC) 算法的直线拟合问题, 再通过对RANSAC算法进行适应性优化以实现从大量回波点云中提取目标轨迹。试验结果表明, 当目标运动速度变化范围为45~75 m/s、背景噪声强度变化范围为500~3500 counts/s时, 算法具有较好的适应性, 误差始终控制在7 m以内，运行时间控制在 75 ms 以内。该方法为实时准确提取基于单光子激光雷达的低慢小目标轨迹提供了一种可行的技术方案。

• 远距离单光子快速成像算法

  郎昌财,刘尉悦

  单光子探测已广泛应用于远距离三维成像领域, 但由于回波光子少和高背景噪声的原因, 使得远距离成像面临成像模糊和成像时间长等挑战。针对此问题, 基于现有远距离单光子成像模型, 本研究提出了一种光子效率高、成像速度快的远距离成像算法。在不同噪声水平下, 开展了模拟对比实验, 结果表明, 与目前最先进的方法相比, 尤其是在低信号背景比和光子数约为1的条件下, 本算法成像时间得以大幅缩短。在真实的45 km距离场景中, 本算法深度重建图的均方根误差ERMS为1.16 m, 重建时间为1.38 s。

• 锁频锁相宽带激光频率快速切换实验研究

  李杨,鲁思滨,蒋敏,孙川,陈小莉,付佳豪,李润兵,王谨,詹明生,

  原子干涉陀螺仪在科学研究和技术开发方面都具有广泛的应用前景, 开展高稳定性、低相位噪声且能够快速频率切换的激光频率锁定技术研究, 对提高原子干涉陀螺仪的测量精度和应用能力具有重要意义。本文提出了一种激光时分复用的同步频率切换方案, 通过对激光器的电流调制端口进行同步前馈, 实现了两台激光器在锁定状态下宽带激光频率的快速同步切换, 研制出高稳定性、低相位噪声的激光及光学系统。实验结果表明, 在频率切换前后, 激光的频率稳定性和相位噪声均保持了良好的性能, 激光的频率切换带宽达到1.2 GHz, 频率切换时间小于3 ms, 频率相对稳定性优于4 × 10−12@20 s, 相位噪声优于−95 dBc/Hz@(0.1~10 kHz)。

• 波长可调谐中红外 Er:ZBLAN 光纤激光器

  汤世豪,刘嘉怡,黄松,高伟清

  中红外光纤激光器由于其激光波长处于分子指纹区, 所以在激光医疗、气体监测、材料加工等领域具有巨大的应用价值。本文基于8°角切割的Er:ZBLAN光纤和反射式衍射光栅, 实现了波长连续可调谐的中红外光纤激光输出。在最佳输出状态下, 激光器的斜率效率为9.86%, 中心波长为2780.9 nm。在0.5 W的低泵浦功率下, 激光器实现超百纳米范围的波长调谐。在2.0 W的泵浦功率下, 通过旋转衍射光栅, 可以实现波长从2708.6 nm到2850.6 nm范围的连续调谐激光输出, 调谐范围达142 nm, 其中最大输出功率对应的波长为2793.3 nm。此外, 在2 W的泵浦功率下, 在2714.4 nm、2793.3 nm和2844.1 nm三个波长处的功率稳定性测试表明, 三个波长处的输出功率在2 h内的均方根误差均小于1%, 展现出极好的稳定性。

• 基于数字 PID 的 DFB 激光器温度控制系统

  余志超,姚路,阚瑞峰,孙方亮,许振宇,张先燚

  分布式反馈 (DFB) 半导体激光器是基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体传感器的核心元器件, 其输出波长稳定性受到工作温度稳定性的影响。为了让DFB激光器提供稳定可靠的光源, 本文研制了一种基于积分分离式比例-积分-微分算法的高稳定性激光器温度控制系统。该系统以激光器内部的热电制冷器 (TEC) 为控温元件, 负温度系数热敏电阻为测温元件, 分别设计了基于脉冲宽度调制技术的TEC驱动电路和高精度的温度采集电路。利用该温度控制系统, 对1654 nm的DFB激光器进行了温度控制测试。实验结果表明, 该系统的温度控制范围在15~35 ℃, 响应时间低于13 s, 系统2 h内的温度控制精度达到 ±0.002 ℃, 温度稳定性达到0.016%。使用该温控系统, DFB激光器在运行过程中状态稳定, 输出波长的标准差为0.00011 nm。

• 开放拓扑波导的稳态性质

  迟熹昊,郭祥,尹冬梅,王治海

  基于 Su-Shrieffer-Heeger（SSH）模型, 利用截断维格纳近似（TWA）研究了开放拓扑波导的稳态性质。 研究表明，通过将拓扑波导的每个腔加上相同的驱动和耗散，在系统达到稳态时，拓扑波导的光子分布会出现趋于边缘和趋于次边缘两种不同的趋肤效应。随二聚参数的增大，趋肤效应从趋于边缘变为趋于次边缘，最终逐渐消失。 本工作将为在量子开放系统中研究多体系统的拓扑性质提供新的思路。

• 基于 KNN 的连续变量量子密钥分发实际攻击检测

  刘潺,黄磊,王铮,朱凌瑾

  连续变量量子密钥分发 (CVQKD) 具有理论上的无条件安全性, 这种安全性的前提假设条件是认为发送方和接收方的物理设备是完美运行的、安全可靠的。然而, 在实际CVQKD系统中, 窃听者可以从信源、信道以及检测端三个方面, 针对实际设备存在的物理缺陷发动攻击, 导致系统的实际安全性受到破坏。虽然目前针对部分实际量子攻击已有了相应的防御策略, 但每种策略仅能防御对应的攻击类型, 缺乏有效针对大多数攻击的通用型防御策略。本文将机器学习技术与CVQKD攻击检测相结合, 提出基于K近邻(KNN)算法的CVQKD实际攻击检测方案。该方案对CVQKD系统的光脉冲进行特征提取, 学习训练生成KNN预测模型, 最终将该模型部署在CVQKD系统的接收端, 用来检测实际量子攻击。仿真结果表明, 该攻击检测方案能有效检测出针对CVQKD的多种典型量子攻击, 且查准率和查全率均高于98%。

• 模式匹配量子密钥分发协议中的新型光源监测方案

  李振华,窦天琦,孔维文,解宇恒,赵琦,唐建军,马海强

  模式匹配量子密钥分发 (MP-QKD) 无需相位锁定即可突破无中继条件下的线性安全密钥率界限。然而, 现有的MP-QKD大多假设光子数分布已知且光源可信, 但在实际部署中, 这一假设难以满足。针对该问题, 本文提出了一种新型的光源监测 (NLSM) 方案, 该方案通过无源结构实现对光源的监控, 避免了传统方案中调制器引入的误差。仿真结果表明, NLSM方案几乎不影响安全密钥率, 而传输性能与理想情况相当。与现有的有源监测方法相比, NLSM 方案在面对调制误差、光源不稳定等实际因素时, 表现出更强的鲁棒性和稳定性。该方案有效提升了MP-QKD系统在真实光源条件下的安全性与可实施性, 为其规模化部署提供了重要支撑。

• 杨-李边界奇异性中非平衡动力学的理论研究

  高琪,何信昊,庄英,吴晓庆,翟良君

  近年来, 非厄米系统中的非平衡动力学引起了广泛关注。本文以具有复数纵向外场的一维横场伊辛模型为例, 研究了杨-李边界奇异性 (YLES) 中的驱动动力学行为。本研究把赝磁化强度作为序参量, 针对线性驱动实纵向外场通过 (0+1) 维YLES和 (1+1) 维铁磁-顺磁相变临界区域的情况, 提出了描述不同临界区域中赝磁化强度动力学相变行为的Kibble-Zurek标度 (KZS) 理论, 进一步通过驱动动力学的数值模拟, 对提出的KZS理论进行了验证。由于赝磁化强度在YLES相变点附近不发散, 且纵向外场的实部易于在实验中调控, 因此该理论可为实验上开展非厄米体系中的动力学相变问题研究提供一定参考。

• 不同参数下高 Q 腔中的 Casimir 力

  巴合提古丽·阿斯里别克,冉启燚,龙玉梅,刘辉,郑泰玉,吐尔逊·艾迪力比克

  Casimir效应作为真空零点能存在的重要证据之一, 其研究在理论和实际应用领域均具有深远意义。本文研究了在压缩真空态下一端输出耦合的量子耗散微腔中的静态Casimir效应。首先, 基于光场环境模式, 采用正规化方案, 求出高Q腔中两个平行板之间的Casimir力的解析表达式; 随后, 通过数值分析揭示Casimir力的性质, 并讨论了镜面间距、腔壁介质的反射率以及腔场的压缩系数对Casimir效应的影响。研究Casimir力不仅对于腔光力学的发展具有重要意义, 而且对技术应用和跨学科研究也具有潜在的价值。

• 气溶胶-水汽激光雷达高温环境适应性仿真及试验分析

  张鲁晋,吴德成,蔡新元,黄宏华,

  极端环境温度是影响气溶胶-水汽激光雷达系统正常工作的重要因素。特别是针对直接暴露在环境中的应用场景, 外部太阳辐射输入、系统内部产热以及内部布局结构都使得气溶胶-水汽激光雷达系统研制对温控的设计提出了更高的要求。本文针对户外工作的气溶胶-水汽激光雷达系统的温控需求提出了设计方案, 首先采用了数值仿真和模拟试验相结合的方法, 求解气溶胶-水汽激光雷达在高温环境下内部的温度场和流动场; 随后根据仿真结果进一步优化了温控设计, 使用优化后的温控方案研制气溶胶-水汽激光雷达; 最后对气溶胶-水汽激光雷达进行了高温环境适应性试验。试验结果表明试验监测点的温度与仿真结果温度相差0.4 ℃, 采用的温控方案满足了设计要求, 对同类气溶胶-水汽激光雷达的研制具有参考意义。

• 端面抽运梯度浓度掺杂 Nd:YAG 晶体热效应及激光性能研究

  刘耀,窦仁勤,黄磊,罗建乔,江海河,张庆礼,张俊蕊,孙贵华,王小飞,刘文鹏,

  成功生长了梯度浓度掺杂的Nd:YAG激光晶体, 测定了Nd3+沿晶体生长方向的浓度分布。通过数值计算分别模拟了在端面抽运条件下梯度浓度掺杂和均匀掺杂的Nd:YAG激光晶体达到稳态时的温度分布, 结果表明梯度浓度掺杂是缓解晶体热效应的有效方法。进一步研究了Φ3 mm × 40 mm圆棒和1 mm × 10 mm × 12 mm板条结构的激光性能, 发现圆棒在输出镜透过率为7.5%、抽运功率为16.05 W时, 获得最大输出功率为7.04 W, 对应的光光效率为45.5%、斜率效率为48.4%; 对于板条介质, 当946 nm和1064 nm激光的输出镜透过率分别为4.5%、7.5%时, 最大输出功率分别为2.65 W、4.06 W, 光光效率分别为25.46%、41.16%。不同抽运方向的实验结果也表明从低浓度方向泵浦, 梯度浓度掺杂晶体可以改善抽运均匀性, 提高激光性能。