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RSS2022年 46卷 第1期
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[摘要]
[PDF 302KB]
2022, 46(1): 1-37.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.01.001
[HTML全文]
摘要:
21世纪初，GOL’TSMAN等人开启了超导纳米线单光子探测器(SNSPD)这一研究领域。历经整整20年的发展，SNSPD已经成为综合性能优异的单光子探测器，被广泛用于量子与经典的弱光探测。本文从性能指标、器件物理、薄膜材料、器件结构、加工工艺、光学耦合、信号读出、制冷系统、应用演示等9个方面，回顾了过去20年里SNSPD的重要研究进展; 在此基础上，展望和评述了未来可能的研究与发展方向。
21世纪初，GOL’TSMAN等人开启了超导纳米线单光子探测器(SNSPD)这一研究领域。历经整整20年的发展，SNSPD已经成为综合性能优异的单光子探测器，被广泛用于量子与经典的弱光探测。本文从性能指标、器件物理、薄膜材料、器件结构、加工工艺、光学耦合、信号读出、制冷系统、应用演示等9个方面，回顾了过去20年里SNSPD的重要研究进展; 在此基础上，展望和评述了未来可能的研究与发展方向。
2022, 46(1): 38-44.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.01.002
摘要:
自发参量下转换在制备量子光源等领域具有重要的研究价值。归纳了自发参量下转换的主要技术方案，讨论了不同类型(type-0，type-Ⅰ，type-Ⅱ)自发参量下转换量子光源的研究进展及其在多光子量子纠缠态和高维量子纠缠态制备等方面的应用，介绍了腔增强自发参量下转换窄线宽量子纠缠态的制备及应用，最后对各种方案所存在的问题和未来的发展方向进行了分析与展望。
自发参量下转换在制备量子光源等领域具有重要的研究价值。归纳了自发参量下转换的主要技术方案，讨论了不同类型(type-0，type-Ⅰ，type-Ⅱ)自发参量下转换量子光源的研究进展及其在多光子量子纠缠态和高维量子纠缠态制备等方面的应用，介绍了腔增强自发参量下转换窄线宽量子纠缠态的制备及应用，最后对各种方案所存在的问题和未来的发展方向进行了分析与展望。
2022, 46(1): 45-57.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.01.003
摘要:
量子互联网是实现多方量子通信、分布式量子计算等量子信息技术的重要基础，量子存储器作为实现互联网的重要部件，对量子信息技术的发展、应用具有举足轻重的作用。如今遍布全球的光纤网络已经是信息传输的有力载体，通信波段的量子存储器因容易嵌入到当前的光纤网络中而备受重视。聚焦于稀土离子掺杂固态体系的通信波段光量子存储，首先介绍稀土离子掺杂固态量子存储的基本原理，包括稀土掺杂材料特性以及存储协议等，然后介绍目前的研究现状，最后简要分析其未来的发展趋势，并对量子互联网的构建做出展望。
量子互联网是实现多方量子通信、分布式量子计算等量子信息技术的重要基础，量子存储器作为实现互联网的重要部件，对量子信息技术的发展、应用具有举足轻重的作用。如今遍布全球的光纤网络已经是信息传输的有力载体，通信波段的量子存储器因容易嵌入到当前的光纤网络中而备受重视。聚焦于稀土离子掺杂固态体系的通信波段光量子存储，首先介绍稀土离子掺杂固态量子存储的基本原理，包括稀土掺杂材料特性以及存储协议等，然后介绍目前的研究现状，最后简要分析其未来的发展趋势，并对量子互联网的构建做出展望。
2022, 46(1): 58-63.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.01.004
摘要:
为了对未知脉冲所含的光子数进行标定，针对不同光子数的光脉冲在超导环境下，微波动态电感探测器(MKID)作用时，测量系统输出的信号差异性，采用平均区间取值法和迭代法分别进行标定，并进行了理论分析和实验验证。结果表明，MKID能够在低温测量系统中对未知1550nm单脉冲光的光子数进行识别; 经过数据处理后得到平均光子数分别为1.98和1.81;其中平均区间取值法标定光子数过程较为简单，迭代法有待继续探索。这一结果对单脉冲光子数检测是有帮助的。
为了对未知脉冲所含的光子数进行标定，针对不同光子数的光脉冲在超导环境下，微波动态电感探测器(MKID)作用时，测量系统输出的信号差异性，采用平均区间取值法和迭代法分别进行标定，并进行了理论分析和实验验证。结果表明，MKID能够在低温测量系统中对未知1550nm单脉冲光的光子数进行识别; 经过数据处理后得到平均光子数分别为1.98和1.81;其中平均区间取值法标定光子数过程较为简单，迭代法有待继续探索。这一结果对单脉冲光子数检测是有帮助的。
2022, 46(1): 64-68.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.01.005
摘要:
为了解决在基于金刚石氮-空位(NV)色心的磁场高灵敏度测量中，高速获取磁场信号引起的NV色心发光强度的微小变化的技术瓶颈问题，自行设计出一套能够实现金刚石NV色心自发辐射和受激辐射信号同步测量的光学系统，并利用一个长焦距透镜收集金刚石NV色心受激辐射信号，从而尽最大可能地滤除金刚石NV色心的自发辐射信号，提高测量受激放大增益的信噪比。实验中成功观察到NV色心零声子线的受激辐射放大，分析了抽运光功率、信号光功率、抽运光偏振方向和信号光偏振方向对放大特性的影响。结果表明，通过对抽运光和信号光相关参量的优化调整，最终获得了10.5%的受激辐射增益。该研究为实现NV光放大远程磁场监测奠定了研究基础。
为了解决在基于金刚石氮-空位(NV)色心的磁场高灵敏度测量中，高速获取磁场信号引起的NV色心发光强度的微小变化的技术瓶颈问题，自行设计出一套能够实现金刚石NV色心自发辐射和受激辐射信号同步测量的光学系统，并利用一个长焦距透镜收集金刚石NV色心受激辐射信号，从而尽最大可能地滤除金刚石NV色心的自发辐射信号，提高测量受激放大增益的信噪比。实验中成功观察到NV色心零声子线的受激辐射放大，分析了抽运光功率、信号光功率、抽运光偏振方向和信号光偏振方向对放大特性的影响。结果表明，通过对抽运光和信号光相关参量的优化调整，最终获得了10.5%的受激辐射增益。该研究为实现NV光放大远程磁场监测奠定了研究基础。
2022, 46(1): 69-78.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.01.006
摘要:
非局域色散消除是量子纠缠光源的非经典效应之一，在量子信息科学中有着重要的应用。详细介绍了非局域色散消除的概念、研究意义以及近几年国内外的发展状况。对频率纠缠光源的非局域色散消除、Franson干涉仪中的非局域色散消除、Hong-Ou-Mandel干涉仪中的局域色散消除等3种情况的研究进展进行了对比分析。在此基础上，对量子色散消除的研究前景进行了展望。
非局域色散消除是量子纠缠光源的非经典效应之一，在量子信息科学中有着重要的应用。详细介绍了非局域色散消除的概念、研究意义以及近几年国内外的发展状况。对频率纠缠光源的非局域色散消除、Franson干涉仪中的非局域色散消除、Hong-Ou-Mandel干涉仪中的局域色散消除等3种情况的研究进展进行了对比分析。在此基础上，对量子色散消除的研究前景进行了展望。
2022, 46(1): 79-84.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.01.007
摘要:
为了提高量子安全传输效率，采用n粒子Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)态的特性，对其与单光子混合的量子安全直接通信进行了研究，设计了通信的执行过程，讨论了通信的传输效率、量子比特利用率和编码容量，并对其安全性进行了理论分析。结果表明，该方案可以将信息的编码容量提升至(n+1)bit，将传输效率提升至200%。该协议能够抵御截获重发和测量重发攻击、特洛伊木马攻击和拒绝服务攻击以及辅助粒子攻击和纠缠攻击。
为了提高量子安全传输效率，采用n粒子Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)态的特性，对其与单光子混合的量子安全直接通信进行了研究，设计了通信的执行过程，讨论了通信的传输效率、量子比特利用率和编码容量，并对其安全性进行了理论分析。结果表明，该方案可以将信息的编码容量提升至(n+1)bit，将传输效率提升至200%。该协议能够抵御截获重发和测量重发攻击、特洛伊木马攻击和拒绝服务攻击以及辅助粒子攻击和纠缠攻击。
2022, 46(1): 85-93.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.01.008
摘要:
为了实现电介质超表面的聚焦功能和对光场相位的调控，采用几何相位调制原理设计微元结构及空间分布，以SiO2为基底、亚波长TiO2椭圆柱的六边形晶胞为基本结构，设计了一种相位突变呈抛物线梯度分布的聚焦超表面，适用于480nm~580nm波段。基于此结构进行了理论分析和实验验证，发现该结构对线偏振光聚焦，其归一化后的半峰全宽约为428nm，而对矢量光聚焦约为258nm，获得了更出色的聚焦效果。研究了3阶和4阶Ince-Gaussian矢量光场通过该超表面后的聚焦特性，得到了聚焦场能保持入射矢量光场的基本空间结构，但中心结构信息会有损失的结果，即Ince-Gaussian矢量涡旋光场由于涡旋相位的存在，聚焦后会呈现破缺的空间结构。结果表明，超表面结构和入射光场矢量结构之间的匹配程度是影响聚焦特性的重要因素。该研究为理解复杂矢量光场的超表面聚焦机理提供了参考。
为了实现电介质超表面的聚焦功能和对光场相位的调控，采用几何相位调制原理设计微元结构及空间分布，以SiO2为基底、亚波长TiO2椭圆柱的六边形晶胞为基本结构，设计了一种相位突变呈抛物线梯度分布的聚焦超表面，适用于480nm~580nm波段。基于此结构进行了理论分析和实验验证，发现该结构对线偏振光聚焦，其归一化后的半峰全宽约为428nm，而对矢量光聚焦约为258nm，获得了更出色的聚焦效果。研究了3阶和4阶Ince-Gaussian矢量光场通过该超表面后的聚焦特性，得到了聚焦场能保持入射矢量光场的基本空间结构，但中心结构信息会有损失的结果，即Ince-Gaussian矢量涡旋光场由于涡旋相位的存在，聚焦后会呈现破缺的空间结构。结果表明，超表面结构和入射光场矢量结构之间的匹配程度是影响聚焦特性的重要因素。该研究为理解复杂矢量光场的超表面聚焦机理提供了参考。
2022, 46(1): 94-98.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.01.009
摘要:
为了解决汽车工业中车身镀锌板激光层叠搭接焊的问题，提出一种在镀锌板层叠接合面辊压一定排气通道的工艺方法，使之在零间隙下可获得一个较好的焊接效果。实验中对比了有无排气通道下，零间隙层叠搭接的焊接质量，从焊缝表面形貌、飞溅产生、焊缝组织、接头显微硬度及接头力学性能等方面进行了分析。结果表明，辊压得到主排气通道深度为125.0μm、次排气通道深度为32.6μm的复合排气通道，在激光功率为2500W、扫描速率为25mm/s时, 可以获得外观成形及力学性能均满意的搭接接头。该研究对提高车身镀锌板激光叠焊工艺是有帮助的。
为了解决汽车工业中车身镀锌板激光层叠搭接焊的问题，提出一种在镀锌板层叠接合面辊压一定排气通道的工艺方法，使之在零间隙下可获得一个较好的焊接效果。实验中对比了有无排气通道下，零间隙层叠搭接的焊接质量，从焊缝表面形貌、飞溅产生、焊缝组织、接头显微硬度及接头力学性能等方面进行了分析。结果表明，辊压得到主排气通道深度为125.0μm、次排气通道深度为32.6μm的复合排气通道，在激光功率为2500W、扫描速率为25mm/s时, 可以获得外观成形及力学性能均满意的搭接接头。该研究对提高车身镀锌板激光叠焊工艺是有帮助的。
2022, 46(1): 139-142.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.01.016
摘要:
为了满足市场对手机镜头大相对孔径高分辨率的需求，采用E48R和LEXANH两种非球面塑料透镜，应用光学设计软件Code-v设计了一款大相对孔径高分辨率手机镜头。该手机镜头由5片非球面塑料透镜、1片红外滤波片、1片保护玻璃组成，其中第1片和第4片透镜为正透镜，第2片、第3片和第5片透镜为负透镜。结果表明，空间频率350lp/mm处，所有视场的调制传递函数(MTF)均优于0.2，0.7视场内的MTF均优于0.34，全视场内的场曲小于0.02mm，畸变小于2.55%。该研究为类似系统的设计提供了一定的参考价值。
为了满足市场对手机镜头大相对孔径高分辨率的需求，采用E48R和LEXANH两种非球面塑料透镜，应用光学设计软件Code-v设计了一款大相对孔径高分辨率手机镜头。该手机镜头由5片非球面塑料透镜、1片红外滤波片、1片保护玻璃组成，其中第1片和第4片透镜为正透镜，第2片、第3片和第5片透镜为负透镜。结果表明，空间频率350lp/mm处，所有视场的调制传递函数(MTF)均优于0.2，0.7视场内的MTF均优于0.34，全视场内的场曲小于0.02mm，畸变小于2.55%。该研究为类似系统的设计提供了一定的参考价值。
2022, 46(1): 99-109.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.01.010
摘要:
水下无线光通信作为一种新兴的高速水下无线通信技术，在海洋生态环境监测、资源勘测以及军事作战等方面的作用不可小觑，并已成为全世界竞相争夺的关键性技术。对目前常用的3种水下无线通信方式进行比较，介绍了水下无线光通信的信道特性，并阐述水下无线光通信系统中光源、调制、信道编码以及探测等关键技术的研究进展。总结了水下无线光通信技术的发展趋势，为未来水下无线光通信系统的深入研究和实用化提供了参考。
水下无线光通信作为一种新兴的高速水下无线通信技术，在海洋生态环境监测、资源勘测以及军事作战等方面的作用不可小觑，并已成为全世界竞相争夺的关键性技术。对目前常用的3种水下无线通信方式进行比较，介绍了水下无线光通信的信道特性，并阐述水下无线光通信系统中光源、调制、信道编码以及探测等关键技术的研究进展。总结了水下无线光通信技术的发展趋势，为未来水下无线光通信系统的深入研究和实用化提供了参考。
2022, 46(1): 110-119.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.01.011
摘要:
碳纤维增强复合材料(CFRP)因其优异的性能，在航空航天、国防等领域有着广阔的应用前景。为了掌握激光加工CFRP的去除机理，研发出高效率、低损伤加工该材料的方法，归纳整理了激光加工CFRP去除机理的研究成果，并从激光特性、工艺参量、气液辅助、材料特性4个方面出发，介绍了国内外激光加工CFRP的研究进展，总结了影响激光加工CFRP质量的因素，并给出了提高加工质量方法的建议, 最后对激光加工CFRP的发展趋势进行了展望。
碳纤维增强复合材料(CFRP)因其优异的性能，在航空航天、国防等领域有着广阔的应用前景。为了掌握激光加工CFRP的去除机理，研发出高效率、低损伤加工该材料的方法，归纳整理了激光加工CFRP去除机理的研究成果，并从激光特性、工艺参量、气液辅助、材料特性4个方面出发，介绍了国内外激光加工CFRP的研究进展，总结了影响激光加工CFRP质量的因素，并给出了提高加工质量方法的建议, 最后对激光加工CFRP的发展趋势进行了展望。
2022, 46(1): 143-148.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.01.017
摘要:
大口径反射镜高反膜是大口径空间相机光学系统中的重要光学元件。为了观测到更多的目标、获取更多的地球以及空间观测信息，对大口径空间相机的反向射膜提出了更高要求，即要求有更宽的工作谱段和更高的反射率，还要提升基底光学性能，降低空间环境对高反膜性能的影响以及降低薄膜应力等等。对近年国内外天基大口径空间相机反射镜高反膜研究进行了综述，概述了针对以上要求所取得的成果。尽管高反膜的设计制造仍面临许多困难，但随着研究的深入与新方法的提出，这几方面难点已基本找到解决的途径。
大口径反射镜高反膜是大口径空间相机光学系统中的重要光学元件。为了观测到更多的目标、获取更多的地球以及空间观测信息，对大口径空间相机的反向射膜提出了更高要求，即要求有更宽的工作谱段和更高的反射率，还要提升基底光学性能，降低空间环境对高反膜性能的影响以及降低薄膜应力等等。对近年国内外天基大口径空间相机反射镜高反膜研究进行了综述，概述了针对以上要求所取得的成果。尽管高反膜的设计制造仍面临许多困难，但随着研究的深入与新方法的提出，这几方面难点已基本找到解决的途径。
2022, 46(1): 120-124.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.01.012
摘要:
为了测量液位高度变化，采用基于空芯光纤多模干涉效应的方法，研究了在外界介质影响下光源在空芯光纤中多模干涉所产生的干涉谱的变化，进行了基于空芯光纤中多模干涉效应的液位传感实验，研究了该液位传感器的干涉谱与液位变化的关系以及不同折射率液体对测量结果的影响，并分析了实验误差。结果表明，该光纤液位传感器的液位测量范围为0mm~55mm、液体折射率为1.33和1.35时，液位测量灵敏度分别为0.180nm/mm和0.224nm/mm。使用单模-空芯-单模结构的传感器进行液位变化测量是较为精准与可行的。
为了测量液位高度变化，采用基于空芯光纤多模干涉效应的方法，研究了在外界介质影响下光源在空芯光纤中多模干涉所产生的干涉谱的变化，进行了基于空芯光纤中多模干涉效应的液位传感实验，研究了该液位传感器的干涉谱与液位变化的关系以及不同折射率液体对测量结果的影响，并分析了实验误差。结果表明，该光纤液位传感器的液位测量范围为0mm~55mm、液体折射率为1.33和1.35时，液位测量灵敏度分别为0.180nm/mm和0.224nm/mm。使用单模-空芯-单模结构的传感器进行液位变化测量是较为精准与可行的。
2022, 46(1): 125-128.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.01.013
摘要:
为了快速揭露植被伪装，基于Relief-F算法进行了高光谱波段选择，将高光谱研究问题转化为多光谱应用问题。首先以常见植物云杉模拟植被伪装目标，利用HH2地物光谱仪采集实验数据，然后引入Relief-F算法筛选特征波段子集，与其它两种常用算法得到的波段子集进行了分类实验。结果表明，使用Relief-F算法筛选特征波段子集分类精度达96.4%，高于其它两种算法。该研究对于揭露植被伪装问题是有帮助的。
为了快速揭露植被伪装，基于Relief-F算法进行了高光谱波段选择，将高光谱研究问题转化为多光谱应用问题。首先以常见植物云杉模拟植被伪装目标，利用HH2地物光谱仪采集实验数据，然后引入Relief-F算法筛选特征波段子集，与其它两种常用算法得到的波段子集进行了分类实验。结果表明，使用Relief-F算法筛选特征波段子集分类精度达96.4%，高于其它两种算法。该研究对于揭露植被伪装问题是有帮助的。
2022, 46(1): 129-133.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.01.014
摘要:
为了降低激光多普勒振动信号中噪声产生的影响，采用基于改进小波去噪算法的激光多普勒振动信号处理方法，将尺度引入阈值函数，确立新的评价指标用于选择最优分解层数，从而来改进小波阈值去噪算法，并利用改进的算法处理振动信号, 进行了仿真分析和实验验证，取得了处理前后的振动数据。结果表明, 改进算法处理仿真信号的信噪比比原有算法提升19.4%;实验测得音叉振动频率为515Hz，与实际音叉频率基本吻合。这一结果对降低激光多普勒振动信号中噪声的影响、获取振动状态是有帮助的。
为了降低激光多普勒振动信号中噪声产生的影响，采用基于改进小波去噪算法的激光多普勒振动信号处理方法，将尺度引入阈值函数，确立新的评价指标用于选择最优分解层数，从而来改进小波阈值去噪算法，并利用改进的算法处理振动信号, 进行了仿真分析和实验验证，取得了处理前后的振动数据。结果表明, 改进算法处理仿真信号的信噪比比原有算法提升19.4%;实验测得音叉振动频率为515Hz，与实际音叉频率基本吻合。这一结果对降低激光多普勒振动信号中噪声的影响、获取振动状态是有帮助的。
2022, 46(1): 134-138.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.01.015
摘要:
为了实现长距离直线型机载激光雷达电力线提取，提出了一种基于布料模拟的长距离机载激光雷达电力线提取方法，在数据预处理的基础上，通过模拟布料下落过程，分析布料与对应机载雷达点云之间的作用，确定布料由重力下降后所停留的位置作为相近高度的电力线点云，然后在xOy平面内拟合直线，利用点到拟合直线的距离对电力线条数进行奇偶判断，通过点在直线两侧判断，实现单根电力线的提取。结果表明，所提出的方法对长距离电力线的提取精度达到98.9%，具有较高的自动化程度，且对局部点云缺失不敏感。该研究在电力线智能巡检及输电廊道空间结构自动分析领域具有良好的工程应用价值。
为了实现长距离直线型机载激光雷达电力线提取，提出了一种基于布料模拟的长距离机载激光雷达电力线提取方法，在数据预处理的基础上，通过模拟布料下落过程，分析布料与对应机载雷达点云之间的作用，确定布料由重力下降后所停留的位置作为相近高度的电力线点云，然后在xOy平面内拟合直线，利用点到拟合直线的距离对电力线条数进行奇偶判断，通过点在直线两侧判断，实现单根电力线的提取。结果表明，所提出的方法对长距离电力线的提取精度达到98.9%，具有较高的自动化程度，且对局部点云缺失不敏感。该研究在电力线智能巡检及输电廊道空间结构自动分析领域具有良好的工程应用价值。
