悬浮光力传感技术研究进展（特邀）

悬浮光力传感技术利用真空环境的光阱实现对微纳尺度机械振子的悬浮和囚禁,将待测物理量转换为光悬浮机械振子运动参数的变化,理论上该振子与外部环境热噪声和振动完全隔绝,具有极高的测量分辨率潜力和易于小型化的独特优势。该技术在精密测量、微观热力学研究、暗物质观测、宏观量子态操控等领域具有广阔的应用前景。首先,阐述了悬浮光力系统中光力与光阱的基础概念和力学测量等基本理论;其次,介绍了其中初始起支、光力增强、位移测量、输出信号标定和等效反馈冷却等关键技术的研究进展,对比分析各子技术的特点,随后列举了悬浮光力传感技术在极弱力、加速度、微观质量、电学量、力矩等物理量测量中的典型应用;最后,总结了该技术的发展趋势,并提出相关建议。     

微弱光信号的量子增强接收优化方法(特邀)EI北大核心CSCD

在经典理论框架下,相干探测性能受限于散粒噪声对应的标准量子极限,而量子增强接收技术通过引入位移算子,采用关联的方式将经典的平衡零拍/零差探测转化为光子数态的测量,理论上可以突破标准量子极限并不断逼近Helstrom极限。无歧义量子态识别(Unambiguous State Discrimination,USD)是量子增强接收常用的识别判决策略之一。然而,由于微弱光信号的能量有限,传统的USD量子增强接收方法的适用微弱信号范围较小,微弱信号识别的错误率较高。提出了一种QPSK调制量子增强接收的混合测量优化方案,该方案首先通过二态零差测量将QPSK相干态的区分转化为BPSK相干态的区分,然后通过BPSK量子增强接收测量实现相干态的无歧义识别。仿真表明,混合测量方案在平均光子数在3.2~11.3之间优于经典的外差测量方案,而且比传统QPSK量子增强接收方案具有更大的适用信号范围。     

气溶胶粒子凝聚模型研究进展(特邀)EI北大核心CSCD

气溶胶粒子凝聚模型作为研究大气中的粒子运动过程和凝聚体形貌特征的重要手段,在光学、天体物理学和材料学等领域有着重要应用。文中根据气溶胶粒子凝聚相关理论及影响因素,分析了气溶胶粒子的凝聚机理,阐述了几种主要的气溶胶粒子凝聚模型,介绍了凝聚模型在光学、天体物理学和动力学等领域的应用,总结了主要凝聚模型的优化现状,结合目前气溶胶粒子凝聚模型的应用现状及挑战,从实现非球形粒子凝聚、多因素耦合及凝聚体实时空间分布仿真等方面进行了展望。     

光阱中微粒位置高精度检测技术

基于光阱技术的精密传感和测量是光力效应应用由微观精确操控向物理量精确测量的创新和深化,对光阱中微粒位置信息进行高精度测量是实现精密传感和测量的核心;提出了一种采用数字图像处理和曲线拟合相结合进行光阱微粒位置检测的方法,通过数字图像相关方法获得表征微粒位置的归一化自相关函数,并对归一化自相关函数曲线采用最小二乘法进行二次曲线拟合,由此实现亚像素级的微粒位置检测。实验表明,所述方法可以有效抑制硬件量化效应,实现光阱微粒位置的快速高精度检测,相较于直接相关方法,检测精度可至少提升一个数量级,达0.03 pixel。     

光电成像系统激光防护技术研究进展(特邀)EI北大核心CSCD

随着激光技术的迅速发展,激光武器装备日益增多,广泛应用各个领域的光电成像系统被激光致盲或致眩的概率骤增,信息获取能力急剧下降,因此,光电成像系统激光防护技术研究变得越来越重要。简要介绍了基于线性材料和非线性材料的光电成像系统激光致盲防护技术的机理及局限,重点阐述了以二氧化钒为代表的基于相变材料的激光致盲防护技术的机理、制备方法和应用进展,详细分析了基于计算成像的激光致盲防护技术的机理和初步应用探索,结合激光致盲与致眩的关系补充说明了研究光电成像系统激光致眩防护技术的必要性和可行性,最后总结了光电成像系统各种激光防护技术的优缺点以及未来发展方向。     

面向分布式光纤传感的光调频连续波生成技术(特邀)

光频域反射技术是一种具有代表性的分布式光纤传感技术,其具有长距离、高分辨、高精度、抗电磁干扰等特点,可在连续时空上实现各类参量的测量和传感,在诸多应用领域展现出具有吸引力的潜力。该技术的核心与影响其性能的关键在于高相干、低相噪、高线性、宽扫频范围的线性扫频光调频连续波的生成。当前,以直接调制或外部调制为主的线性扫频光调频连续波生成方法主要面临宽扫频范围和高相干性、低相频噪声难以兼得的难题。聚焦于线性扫频光调频连续波生成技术,从光频域反射技术的典型结构和工作原理出发,分析了扫频范围、相频噪声和扫频非线性等因素对核心测量性能的影响。针对以上影响因素,以扫频范围拓展以及相频噪声抑制和相干性增强两方面为切入点,系统性地介绍了相关技术路线、原理和国内外研究进展。其中,对光锁相环技术做了重点介绍,总结了各类技术路线和方法的特点,并对潜在挑战和发展趋势进行了总结与展望。     

1μm波段低量子亏损光纤激光研究进展(特邀)EI北大核心CSCD

量子亏损对高功率光纤激光器内的废热产生和光光转换效率具有重要影响,光纤激光器输出功率的提升过程可以视为不断与量子亏损作斗争的过程。文中梳理了近年来1μm波段低量子亏损光纤激光的重要进展,重点介绍了稀土掺杂增益和拉曼增益两种体制的光纤激光器在实现低量子亏损输出方面的相关工作。在稀土掺杂光纤激光器中,采用级联泵浦、多组分掺杂、强泵浦等技术可降低激光器的量子亏损,其中量子亏损≤1%的掺镱光纤激光器已实现400 mW功率输出。在拉曼光纤激光器中,通过采用特殊掺杂、泵浦光谱调控、增益竞争抑制等技术,量子亏损≤1%的拉曼光纤激光器已实现百瓦级功率输出,并成功验证包层泵浦方案的可行性,表明其在实现高功率低量子亏损输出方面具有重要潜力。     

光量子精密测量研究进展（特邀）

量子精密测量作为当代量子力学的主要应用方面之一,近些年来一直是量子科技的重要研究和发展方向。量子精密测量的主要研究目标是针对物理系统中的未知参数,利用量子资源进行量子增强测量,以提升参数测量精度。与其他物理系统相比,光子系统具有相干时间长、不易受到环境干扰等优越性,因而常被用作量子信息处理的载体。以光子为基础的传感器提升传感精度是光量子精密测量的主要任务。介绍了量子精密测量的一般性原理,给出参数估计的量子极限精度下界。同时,介绍了目前光量子精密测量的理论与实验研究进展以及相应的挑战。     

光学微纳结构红外隐身技术研究进展(特邀)EI北大核心CSCD

随着红外探测技术手段的多样化发展,红外隐身技术的需求日益迫切。由于传统的红外隐身技术面临着多途径目标探测和多功能兼容的严峻挑战,因此研究光学微纳结构红外隐身技术有着十分重要的意义。基于局域共振机制的亚波长尺度的光学微纳结构,极大地丰富了人们对光的传输行为的调控。在红外隐身技术领域,光学微纳结构可以针对红外辐射特性进行材料和结构的精细化设计,从而满足理想红外隐身发射光谱的需求,为发展更加多光谱、多功能、自适应的红外隐身技术提供全新的解决方案。文中围绕红外隐身技术的相关研究,首先介绍了多层薄膜吸收体、金属表面等离子激元、基于相变材料薄膜可调吸收体、智能化设计光学微纳结构实现光谱响应的基本原理,在此基础上,重点回顾了近年来基于光学微纳结构的红外隐身技术新特点,包括多光谱红外隐身技术、多功能红外隐身技术、自适应红外隐身技术的发展现状。最后,梳理了光学微纳结构红外隐身技术所存在的不足及面临的困难并对未来的研究方向和发展趋势进行了展望。     

超窄线宽布里渊光纤激光器研究进展(特邀)EI北大核心CSCD

基于光纤受激布里渊散射的布里渊光纤激光器以其Hz量级甚至亚Hz量级的超窄线宽特性,自问世以来便吸引了广泛的研究关注。超窄线宽布里渊光纤激光器主要经历三个发展阶段,从最初的基于单模光纤谐振腔的布里渊光纤激光器,到向腔内引入掺铒光纤放大器的布里渊掺铒光纤激光器,再到利用一段普通掺铒光纤同时提供布里渊增益与线性增益的紧凑型布里渊掺铒光纤激光器,激光器的性能不断得到发展,相关理论研究也不断得到丰富。近10年,紧凑型布里渊掺铒光纤激光器的研究取得了一系列的进展,在高精度光纤传感等诸多领域有着十分重要的应用前景。按照三个发展阶段依次梳理和总结了布里渊光纤激光器的研究进展,重点阐述了紧凑型布里渊掺铒光纤激光器的机理、特性和应用,并对其未来发展方向进行展望。     

增强现实显示光学引擎中光波导耦出超表面设计(特邀)EI北大核心CSCD

增强现实(AR)近眼显示光学引擎是新型显示光学设计领域的研究热点之一,它将虚拟图像投射到现实物理环境中进行显示,在空间上增强、融合和补充了物理世界。AR近眼显示光学引擎在光学系统集成化和微型化方面有较高要求,眼镜形态的AR近眼显示光学设备是未来必然发展趋势。光学超表面是一种由亚波长单元结构在二维平面上周期排布而成的人工结构阵列,通过单元结构和电磁波的相互作用实现对光场中振幅、相位和偏振的任意调控,同时具有体积小、效率高、结构紧凑等特点,在近眼显示应用中具有很大潜力。文中在AR光学引擎设计中引入一种传输相位型超表面光波导耦出结构,该超表面单元引入了突变相位,通过对超表面的等相位面调控改变光经过波导耦出的角度,使出射光效率最高达到77%,并实现20°视场角,为AR光波导结构设计提供一种可行方案,有望为下一代人机交互显示平台提供解决方案。     

高转换效率的中红外BaGa_(4)Se_(7)光参量振荡器(特邀)EI北大核心CSCD

为抑制光参量振荡器(Optical Parametric Oscillator,OPO)振荡过程中信号光和闲频光向泵浦光的逆转换,首次采用在L型OPO腔的支路中插入信号光倍频晶体LiB_(3)O_(5)的(简称LBO)的方式,实现了BaGa_(4)Se_(7)(BGSe)OPO闲频光的高转换效率输出,当泵浦激光(1.06μm)能量为115 mJ时,闲频光(3.5μm)能量为16.18 mJ,光光转换效率为14.06%,斜效率为18.4%,这是目前已知1.06μm激光泵浦BGSe OPO最高的转换效率。模拟了不同泵浦能量下L型腔中有无LBO晶体时BGSe OPO腔内的三波波形,并给出了闲频光在实验中的输出波形。与传统OPO腔相比,所提出的L型OPO腔(含倍频晶体)在大能量泵浦条件下抑制了逆转换,可获得更高的闲频光转换效率。     

激光成像处理技术研究现状及展望(特邀)EI北大核心CSCD

激光成像在多个领域中应用广泛,其成像时包含一系列的信号和信息处理过程,会对成像质量造成关键性的影响,并在成像信息运用的过程中起着关键性作用。文中主要针对典型激光成像处理技术进行综述性研究。首先,讨论了典型成像体制的激光成像处理技术特征,按照信号处理和信息处理两个阶段归纳了主要的共性处理方法和内容。其次,分析了激光信号去噪、辐射与几何校正和激光点云处理技术,激光测距、图像重建、目标检测的信息处理技术的发展现状,研究了典型处理技术特别是基于深度学习的激光成像智能处理技术的实现过程。最后,分析了激光成像处理技术的发展需求和未来发展方向,希望能对激光成像的相关研究带来一定的参考作用。     

基于超强耦合腔光力系统制备的宏观量子态特性分析北大核心CSCD

利用原子-腔超强耦合光力系统,通过调制光力耦合,开展了力学振子的宏观量子叠加态的制备与特性研究。首先利用Wei-Norm方法给出了演化算符的计算过程,并针对任意原子-腔初始态情况,给出了整个系统演化波函数的解析形式,结果表明假设对原子―腔子系统进行测量,在一定条件下,振子将处于宏观量子叠加态。进一步给出了力学振子宏观量子叠加态的Wigner函数的解析表达式,并对影响宏观量子态量子性的可能因素进行了理论计算和分析。最后讨论了原子-腔不同的初始态对宏观量子相干性强弱的影响,并给出宏观量子相干性最强的初态参数;还讨论了原子-腔耦合强度对宏观量子叠加态的量子相干性的影响,发现耦合强度越强,宏观量子叠加态的量子相干性就越强。     

光学陀螺背向散射问题综述(特邀)EI北大核心CSCD

光学陀螺作为光电惯性导航系统的核心器件,在众多领域发挥着举足轻重的作用。随着科学技术的不断进步,传统的激光陀螺、轻质化的光纤陀螺以及集成化的微光陀螺齐头并进、蓬勃发展,但无论是哪一种陀螺样式,在性能优化的过程之中都不可避免地需要考虑背向散射的问题。背向散射是光学陀螺中的一种噪声源,其会带来陀螺的输出偏置或闭锁效应,从而影响其性能。为了更好地理解光学陀螺中的背向散射机制,首先从半经典理论下的自洽方程组出发讨论背向散射的基本原理,而后依照光学陀螺的发展脉络,分析各种光学陀螺的背向散射分析方法、测量手段以及抑制方法,最后对目前光学陀螺中有关背向散射亟待解决的问题进行总结并展望。     

基于有机发光材料的高性能PeLEDs的研究进展(特邀)EI北大核心CSCD

近年来,金属卤化物钙钛矿发光材料由于具有优异的光电性能,被广泛地应用于金属卤化物钙钛矿发光二极管(Perovskite light-emitting diodes,PeLEDs),被视作下一代显示和照明领域的发光光源。激子利用率是影响PeLEDs效率的关键因素之一,研究者采用各种各样的方法将激子限制在钙钛矿发光层中,对激子能量回收利用以提高激子的利用率。文中将概述通过添加剂辅助法、器件界面工程和结构优化法,将传统荧光材料、磷光材料、热激活延迟荧光材料引入器件,改善绿光和蓝光PeLEDs的光电性能方面所做的尝试。并简要地介绍激子限制作用的原理,以及不同类型的发光材料引入PeLEDs中激子的能量转移机理和器件光电性能提升的物理机理。     

光纤氢传感技术现状与发展(特邀)

氢能因其高能量密度和可再生性,被视为解决环境挑战和改善能源结构的优选方案,而氢能的安全性问题成为了制约其广泛应用的关键因素之一。因此,开发可用于监测氢泄露与异常浓度变化的技术显得尤为关键。在众多检测技术中,基于光纤的氢气传感技术因其卓越的性能而受到广泛关注。文中全面综述了光纤氢气传感技术的研究进展,探讨了氢敏材料与氢气之间的相互作用机制,并详细分析了不同光纤氢气传感器的结构特性和性能表现。总体来看,光纤氢传感器在氢气检测领域展现出巨大的应用潜力,尤其是在保障安全性、实现远程监测和促进分布式测量等方面。随着光纤氢探测技术难题的逐步攻克,在未来的氢能源安全监测中,光纤氢传感器将发挥至关重要的作用,为氢能源的商业化和大规模应用铺平道路。     

640×512规模碲化汞量子点中波红外焦平面阵列(特邀)EI北大核心CSCD

中波红外成像在军事侦察、遥感测绘、航天航空等领域发挥了重要作用。现有中波红外焦平面主要采用碲镉汞、二类超晶格、锑化铟等块体半导体材料,其性能优异、稳定性高。然而,其复杂的材料制备及倒装键合工艺限制了块体半导体焦平面阵列的批量化制备及低成本应用。胶体量子点作为一种新兴液态半导体材料,具有光谱调控范围“宽”、合成规模“大”、制备成本“低”、以及加工工艺“易”等优势,为新型红外焦平面阵列研发提供了全新的思路。碲化汞量子点采用“热注法”合成,并通过旋涂方法实现与硅基读出电路的直接电学耦合,阵列规模及像元间距为640×512及15μm。在80 K工作温度下对焦平面阵列进行了性能测试,碲化汞焦平面阵列响应截止波长达到4.6μm、比探测率为2×10^(10)Jones、噪声等效温差51.26 mK(F#=2)、响应非均匀性3.42%且有效像元率高达99.99%,展现了较好的成像性能,为非倒装键合体制中波红外成像焦平面的制备提供了新的方案。     

基于微波光子的光纤传感解调技术(特邀)

光纤传感器因其具有抗电磁干扰、耐腐蚀、质量轻、体积小、精度高和易于复用等诸多优点,已广泛应用于航空航天、石油化工、电子电力、土木工程和生物医药等领域。传统的光纤传感解调技术存在精度低、速度慢和稳定性差等缺点。为解决此问题,近年来,基于微波光子学的传感与解调技术引起了科研人员的广泛关注。文章系统地回顾了基于微波光子学的光纤传感解调技术的研究进展,介绍了多种微波光子传感解调方案及其工作原理,并对未来的研究和发展方向进行了探讨。     

基于FBG的悬臂梁式微力与微位移传感单元北大核心CSCD

设计了一种基于光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)的微力与微位移双物理量传感单元,采用矩形悬臂梁型弹性体结构以及两片FBG布片方式,提高了力和位移灵敏度,实现了温度补偿,位移灵敏度可通过改变悬臂梁的固定位置和长度进行调整。对传感单元的性能进行了理论分析和实验验证,结果表明:在0~1.2 N测量范围内,力实验灵敏度为889 pm/N,理论和实验的平均相对误差为6.6%,力分辨力为1.1 mN,位移灵敏度随着悬臂梁长度L的增大而减小,位移灵敏度在L为149 mm时为60.7 pm/mm,在L为99 mm时为200.3 pm/mm,位移分辨力为5μm,传感单元的线性度均达0.999以上,保持了优良的线性,可满足不同量程的微力和微位移应用场合。