量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2026年第1期

• 百毫焦以上的重频 Yb:YAG 固体皮秒激光放大技术研究进展 (封面文章）

  张佳琪,刘金升,季来林,管相合,朱钰坤,崔勇,赵晓晖,隋展,高妍琦

  高能(≥100 mJ)超短重频脉冲固体激光器, 不仅具备太瓦级峰值功率, 还拥有良好的光束质量与系统可靠性以及较低的成本, 在先进制造与探测、激光医疗、科学研究等领域均有着重要应用。继钛宝石、掺钕石榴石之后, Yb:YAG(Yb:Y3Al5O12)材料凭借其低量子亏损与大发射带宽, 在激光二极管泵浦的固体皮秒激光放大器中得以广泛使用。本文梳理了室温和低温两种工况下, 高能超短Yb:YAG固体激光放大器的相关研究进展, 对系统效率和脉冲能量、质量等输出指标进行了总结, 并对其在高峰值功率、光参量放大和阿秒驱动方面的应用进行了探讨。

• 牙科激光消融牙硬组织特性研究进展

  张传成,张梦宇,张庆礼,丁守军,熊正东,刘文鹏,窦仁勤,江海河

  激光辐射作用于生物组织发生的消融反应能够实现对生物硬组织如牙齿的磨削和切割, 相较于超声骨刀、高速涡轮机等传统手术器械具有独特的优势。本文综述了牙科激光消融特性研究进展, 重点介绍了激光波长、脉宽、能量等参数对消融效果的影响。当激光波长与水和生物组织基质的吸收波长相吻合时, 可提高消融率并减小对周围组织的热损伤, 因此选用牙组织主要成分水和羟基磷灰石吸收系数较高的相关波长的激光可以获得更好的消融效果; 在同样的能量、波长条件下, 为获得良好的消融效果, 激光的脉宽应小于牙组织的热弛豫时间, 而脉冲持续时间较长会产生热量积累引起周围组织热损伤, 纳秒激光消融后无玷污层, 同时牙小管呈开放状态, 具有较高的安全性; 单脉冲能量的增加在初期可能会引起消融率的进一步提高, 但在高能量水平下会表现出明显的饱和效应, 这与消融产物对消融的阻断效应有关。总之, 激光消融技术具有兼容性好、精确度高、可实现复杂形状切割等独特的优点, 可减少手术中的振动、骨屑和传统器械造成的磨损, 有效降低了病人的痛苦, 极大地提高了手术的快捷、安全和舒适性。本文对激光辐照参数(波长、脉宽、能量)与消融效果之间的潜在关系进行了探讨与总结, 为激光辐照参数的优化组合提供了参考。

• 基于微焦点光源的 X 射线椭球聚焦镜设计

  黄子文,赵帅,秦东旭,陈天赐,杨煜,王克逸

  X射线椭球聚焦镜是显微成像、微束衍射、同步辐射光源等系统的关键器件。基于滨松L9421-02型微焦点光源, 开展了适用于桌面级X射线仪器的椭球聚焦镜的设计研究。选择8 keV作为设计能量, 根据反射与聚焦特性、制造工艺等条件, 分析了椭球镜的尺寸范围与设计要求, 并提出了基于参数扫描的尺寸设计流程。进而运用等效界面法, 研究了光学薄膜系统的X射线反射率, 确定了反射面膜层结构。最终提出了两组单层金膜椭球镜与两组钨-硅多层膜椭球镜的最优设计方案, 其长度为50 mm, 直径尺寸范围为2~10 mm。尺寸与膜层设计是椭球镜制造、检测与仪器开发等工作的前序基础, 完整的设计思路对于椭球镜个性化定制也具有一定的参考价值。

• F/0.58 高次非球面的自准校正补偿检测方法研究

  刘天,胡明勇,褚奇,袁梦雨,封志伟

  针对大口径、大相对口径高次非球面加工检测的难题, 提出一种类Offner结构的自准校正补偿检测方法。该方法在补偿器远离待检非球面反射镜的一面镀上半透半反膜, 通过重复利用补偿器, 实现光线的自准校正功能, 从而完成对大相对口径非球面的全口径检验。首先依据三级像差理论, 推导出光学检验系统初始结构参数的计算公式。随后对有效口径为 712 mm、F/0.58 凹高次非球面的光学检验系统进行了仿真设计, 检验系统的残余波像差的峰谷 (PV) 值为0.0656 λ , 均方根偏差 (RMS) 值为0.0104 λ (λ = 632.8 nm)。最后对实际检测情况进行了分析, 发现设计的自准校正补偿检测系统能够满足实际检测的要求。本研究表明, 所提的类Offner结构自准校正补偿检测方法能够解决大相对口径高次非球面补偿检测困难的问题。

• 一种基于 LSB 和龟壳的量子图像隐写方案

  孙静宇,王雯慧

  针对现有图像隐写术存在的载体图像质量下降、容量冗余等问题, 本文提出了一种基于最低有效位(LSB)和龟壳的量子图像隐写方案。该方案将量子载体图像划分为连续的不重叠块, 根据块中的最大像素差值, 将块属性分为边缘或平滑, 并相应地选择LSB或龟壳替换算法来隐藏秘密信息。具体而言, 该方案对LSB算法作出了改进, 修改载体图像的两个最低有效位, 可以实现3位秘密信息嵌入; 同时去除传统龟壳算法中的距离比较步骤, 减少了关联点的数量; 在此基础上, 通过交换量子图像中相邻的量子位对秘密图像进行预处理, 并设计了相应的量子电路。仿真实验结果表明, 该方案在不可见性、嵌入能力和鲁棒性方面都具有优越的性能。

• 基于改进 ResNet-50 算法的 EMT 缺陷成像方法

  王晋华,王明泉,路宇鹏,曹振锋,吴志成

  针对电磁层析成像 (EMT) 在金属缺陷检测中因逆问题不适定性和病态性导致重建图像质量差的问题, 提出一种基于改进ResNet-50算法的EMT缺陷成像方法。首先, 通过对八线圈EMT检测系统进行仿真建模, 然后, 对被测物体施加电磁场并利用传感器阵列获取其周围电磁场分布信息, 来构建训练集并对原始电压数据进行预处理。进而利用深度残差网络的非线性映射能力完成训练集的学习, 并通过测试集来评估训练效果。研究结果表明, 改进的ResNet-50算法相比Tikhonov正则化法、Landweber迭代法、VGG-16算法和改进的ResNet-18算法, 均方根误差分别降低了87.10%、81.63%、57.79%、19.11%, 结构相似性指数分别提升了88.87%、71.82%、16.24%、4.54%, 能精准还原缺陷位置、形状及大小。综合来看, 该改进算法显著提升了图像重建精度、质量与效率, 证实了其在EMT缺陷成像中的优越性。

• 带电沙粒对量子干涉雷达的影响

  张薇薇,张秀再,赵宇婕

  为了研究带电沙粒对量子干涉雷达(QIR)性能变化的影响机制, 首先根据沙粒在电场中的电荷分布和消光系数, 建立了沙粒参量与QIR链路衰减的关系; 随后在不同光子数下, 分别仿真研究了球形、椭球形带电沙粒的不同参量对QIR分辨率、灵敏度及最优灵敏度的影响。仿真结果表明, 随着带电球形沙粒荷质比、带电椭球形沙粒等效半径及粒子质量浓度的增加, QIR链路衰减增大; 而当探测光波长和带电沙粒的参量影响一定时, 随着光子数的增加, QIR的分辨率随之提高, 灵敏度先增大后降低。由此可见, 带电沙粒的消光效应对QIR性能的影响不可忽略, 仿真实验结果可为QIR技术在沙尘天气中进行目标探测的应用和发展提供理论参考。

• 基于 myRIO-1900 实现 2704 个自旋的伊辛机

  陈志乐,陆平平,郝树宏,时培新,谢晨阳,王东

  伊辛机是一种基于伊辛模型解决组合优化问题的计算机器, 其中基于时分复用马赫-曾德尔调制器 (MZM)的相干伊辛机其光学部分较为简单, 但是反馈控制电路比较复杂。本文利用NI myRIO-1900模块, 实现了MZM伊辛机电路系统中AD、DA和FPGA等硬件的集成, 并用LabVIEW软件实现无线编程控制, 使得MZM伊辛机变得更加易于使用。对反铁磁方格模型的实验结果表明, 该伊辛机利用系统自身电路噪声可实现自旋分岔, 找到100个自旋的基态时间为1.25 s, 最高可找到1156个自旋的基态; 加入随机噪声后, 最高可实现2704个自旋的基态搜索。该伊辛机在解决实际组合优化问题方面具有潜在的应用价值。

• 基于自发辐射相干的非互易反射动态调控

  耿玥,徐琼怡,彭晨,李观荣,张焓笑,杨红

  光学非互易性是实现全光二极管、芯片隔离器等新型光子器件的核心技术, 而这些器件具有高效、稳定、易于集成等特点, 在量子计算和信息处理中尤为关键。本文在均匀冷原子介质中利用一个强耦合场控制一个弱探测场构成三能级Lambda型相干原子系统, 设置耦合场强度随位置线性变化以破坏极化率的空间对称性, 从而实现非互易反射。此外, 进一步考虑了自发辐射相干对探测场非互易反射的调制, 以及耦合场失谐变化对非互易反射的影响。

• 量子近似优化算法在图着色中的应用

  刘裕彤,李志强,尹经纬

  图着色问题属于NP完全问题, 目前尚未找到一种在所有情况下都能够在多项式时间内解决这类问题的算法。针对图着色问题, 本研究基于量子近似优化算法将其映射至量子比特并设计了量子电路。首先, 利用旋转算符和泡利算符对问题的经典伊辛模型进行量子化, 得到问题的哈密顿量。随后基于混合哈密顿量和问题哈密顿量设计了两种含参酉变换, 通过交替应用这两种酉变换得到问题哈密顿期望值。为提高正确解出现的概率, 在量子态演化的过程中使用Powell算法对参数进行优化以调整期望值。最后, 根据哈密顿量推导出算法的初始状态和所需的量子门, 生成量子电路, 并利用IBM量子框架Qiskit进行仿真实验。实验结果证实了该方案可以在多项式时间内以高概率获得问题解, 具备显著的指数级加速效果。

• 三元阳离子钙钛矿光电探测器及阵列化图像传感

  付梦雨宋亚南王时茂陶汝华孟钢

  利用光电性能优异、可通过低温溶液法制备的三元阳离子钙钛矿薄膜作为光吸收层, 制备成肖特基结型光电探测器。本文首先分析了该器件在625 nm光照下的光电探测性能, 当工作在0.5 V的反向偏压时, 该器件的响应度可达9.21 A⋅W−1, 外量子效率约为1828%, 归一化探测率大于1010 Jones, 开关比可达102量级。随后以该探测器为基础,构建了10 pixel × 10 pixel的光电探测器阵列, 并将其应用于图像传感。通过调节像素点大小提升了器件成像的性能, 最终得到了清晰的字母“I”的图案。本研究表明, 三元阳离子钙钛矿在光电探测领域具有广阔的应用前景, 为实现钙钛矿光电探测器阵列成像提供了一种简单有效的路线。

• 基于金属纳米光栅结构修饰的 D 型光纤表面等离激元共振超材料传感器研究 (特邀)

  刘琨,熊艺扬,井建迎,朱枫彤,肖璐,战晓寒,刘津畅,江俊峰,徐天华,王双,刘铁根,

  超材料因其独特的亚波长结构设计和独特的电磁响应特性, 在提升表面等离激元共振 (Surface Plasmon Resonance, SPR) 传感器灵敏度方面具有广阔前景。本文设计了一款金属纳米光栅结构修饰的D型光纤SPR超材料传感器, 并对折射率范围在1.332~1.344的低折射率溶液进行了传感检测。首先, 基于倏逝波和表面等离极化激元 (Surface Plasmon Polaritons, SPPs) 的光波矢特性, 对D型光纤SPR传感器进行了理论分析, 绘制得到不同折射率下共振波长随入射角度变化的解析解曲线, 以便研究光纤中不同传导模式下的SPR激发条件。进而建立了D型光纤SPR超材料传感器二维有限元仿真模型进行模式分析研究, 计算了模式损耗和传感器的灵敏度。最后, 基于前述的仿真模型, 具体构建了分别为以不同间隔的双条带或者单条带为金属光栅单元的传感器, 以及使用银/铜替代金, 作为金属连续层和金属光栅材料时的传感器, 对比探究了这些传感器的灵敏度性能。研究结果表明, 改变双条带光栅单元的条带间隔, 对灵敏度的影响并不显著, 与光栅单元为单条带的传感器灵敏度几乎一致; 使用银替代金作为连续金属层材料时, 传感器的灵敏度性能达到最优, 可达1800 nm⋅RIU−1。

• 基于柔性衬底全介质超表面的异常透射开关研究

  王玉林,杨震,徐艳丽,赵洪

  本文提出了一种基于柔性衬底聚二甲基硅氧烷的TiO2全介质超表面, 通过几何参数优化实现了可见光波段的高效异常透射调控。研究分析了超表面在405 nm波长下的电磁响应特性, 通过调节纳米柱边长, 实现了接近2π的相位覆盖和超过85%的平均透射率(峰值达99%)。理论计算与仿真结果表明, 该结构在正入射条件下可产生稳定的异常透射角(9.6º), 且其相位梯度与广义斯涅耳定律计算结果高度吻合。进一步研究表明, 通过施加机械应变可动态调控超表面的透射特性, 实现“ON”态(异常透射)与“OFF”态(异常透射失效)的可逆切换。此外, 基于TiO2超表面异常透射特性设计的复合梯度超表面(上层递增/下层递减结构)展现出独特的电场分布调控能力, 为电磁透明材料、雷达罩等应用提供了兼具宽谱响应与高效透射的新方案, 本研究也为柔性可调谐光子器件的设计提供了实验参考和理论依据。