自适应初始光子收集半径的卡方渐进光子映射

卡方渐进光子映射(chi-squared progressive photon mapping, CPPM)使用K近邻法(K nearest neighbor, KNN)为命中点确定初始半径,导致图像中光照均匀区域的噪点及明暗交界区域和焦散区域的模糊。针对此问题,提出一种计算光子映射初始半径的算法,自适应地为各命中点确定初始半径:为CPPM算法增加预处理环节,根据对光子分布的均匀程度的检验及对高频区域的筛选为命中点设置初始半径,以保证光照均匀区域的命中点保持在大半径上,光照变化区域的命中点半径快速下降。实验结果表明,改进算法减少了光子映射算法的方差和偏差,提高了渲染效果。

基于新奇物理现象的智能光子芯片

近年来,新材料结构、新理论观点、新器件架构等各个前沿方向的通力合作促使了智能光子学的迅猛发展。具有优异非线性特性的光学平台奠定了光子芯片丰富性能的基础,非厄米拓扑光子学等新理论的引入为高性能片上处理方案开辟了新的可能性,各类光学神经网络架构的新器件也为全光计算及全光大规模集成提供了有效的实现途径。基于上述背景,文章介绍了近年来对于智能光子学发展至关重要的非线性材料、非厄米拓扑光子学以及基于光学神经网络的新器件架构等领域的研究进展,并指出相关研究的发展对于未来更大规模、更高集成度、更复杂计算性能的智能光子芯片的实现将产生深远影响,在全光计算、全光信号处理、量子技术等领域有广泛的应用前景。

基于薄膜铌酸锂的微波光子雷达芯片

微波光子雷达拥有分辨率高、处理速度快、同时多波段、多功能等优势,在航天系统中具有广阔的应用前景。为了满足航天应用对雷达系统体积、质量和功耗的严格要求,集成化已经成为微波光子雷达的重要发展方向。介绍了一款基于薄膜铌酸锂的微波光子雷达芯片,利用该芯片实现了雷达发射信号倍频产生和回波信号去斜接收,并对距离天线不同位置的目标进行了测距实验,得到的测量距离与实际距离基本相同,两者之间的误差小于4 mm。

《太赫兹科学与电子信息学报》2024年第9期专栏征稿主题:长波光子探测、感知与应用

电磁波信息的探测感知与有效掌控是世界各国全方位竞争的制高点。毫米波至中远红外(30 GHz~100 THz)的长波光子范围涵盖了传统电子学至光子学之间的过渡区域,探测感知其强度、波长、相位、偏振、时间分辨等多维度信息是实现其在安全检查、通信雷达、医学诊断、无损检测等领域应用的基础性、关键性和共性问题。为了进一步推动长波光子探测、感知与应用新理论、新技术、新方法的创新研究,促进长波光子学领域的相互交流、学习借鉴,《太赫兹科学与电子信息学报》计划推出“长波光子探测、感知与应用”专题栏目,现特向广大专家学者征集符合该专题方向的原创性研究论文及综述,旨在集中反映该领域最新的研究成果及研究进展。

单光子探测技术

近年来,以量子密钥分配为代表的各种量子信息技术应用获得了飞速发展,这些应用对单光子探测器的性能提出了非常苛刻的要求,以光电倍增管和雪崩光电二极管为代表的传统单光子探测器件已经无法满足需求。在此背景下,出现了以超导单光子探测器为代表的新型低温单光子探测器件,其性能比现有商用单光子探测器有了本质性的提升。本文综述了迄今为止各种类型的单光子探测器,并指出各自在量子信息技术应用中的优势和不足之处以及发展方向。

光子晶体光纤陀螺技术及其首次空间试验

光子晶体光纤具有抗辐射、抗弯曲、抗磁场干扰和温度敏感性低等优势,是空间用光纤陀螺的理想选择。针对空间用光纤陀螺,提出了四层孔和双层孔陀螺用光子晶体光纤结构,突破了光子晶体光纤长距离拉制关键技术,批量制备了陀螺用长距离低损耗实芯光子晶体光纤与空芯光子晶体光纤,利用开发的光子晶体光纤周向散射、背向散射、温度、磁等性能测试设备,全面测试与验证了光子晶体光纤性能优势。实现了光子晶体光纤耦合器、敏感环等光学器件,研制的高精度光子晶体光纤陀螺样机于2017年4月随“天舟一号”货运飞船发射成功,实现了光子晶体光纤陀螺的首次空间应用,于2020年12月用于某卫星主控,这是国际首次此类型陀螺用于卫星主闭环控制,验证了其可行性和优势,为将来广泛应用奠定了基础。

入射角对光子晶体杂质模的调制

运用光在分层介质中传播的特征矩阵方法,通过数值计算,研究了掺杂一维光子晶体中光子禁带及杂质模的特性随不同偏振光及入射角的变化。研究结果表明,杂质模的中心波长及整个光子禁带随入射角的增加逐渐向短波方向移动,P偏振光和S偏振光的杂质模的移动情况基本一致。但是,禁带宽度、杂质模的带宽及Q值随着入射角的增加有明显变化。P偏振光的禁带宽度随入射角增加逐渐减少,而S偏振光的禁带宽度随入射角增加先不变后增加。P偏振光的杂质模的带宽先随入射角增大逐渐增宽,入射角大于67°之后又逐渐减小,而S偏振光的杂质模的带宽随入射角增加先减小然后略有增加,Q值也发生相应变化。

光子学的进展

光子学的概念 爱因斯坦在1905年就提出了光子的概念,1917年又提出了原子系统中光子不仅有自发发射而且还有受激发射的假设。爱因斯坦的光子学说促进了光学和光电子学的发展,为激光的出现奠定了理论基础。60年代激光的出现,便以光子为主体的光子学走上了快速发展的道路。

室温下高探测效率InGaAsP/InP单光子雪崩二极管

描述了一种高性能平面InGaAsP/InP单光子雪崩二极管(SPAD),该二极管具有单独的吸收、分级、电荷和倍增(SAGCM)异质结构。通过电场调节和缺陷控制,SPAD在293 K的门控模式下工作,光子探测效率(PDE)为70%,暗计数率(DCR)为14.93 kHz,后脉冲概率(APP)为0.89%。此外,在死区时间为200 ns的主动淬灭模式下工作时,室温下实现了12.49%的PDE和72.29 kHz的DCR。

基于双光子聚合效应加工大深宽比纳米柱子和超构表面的研究

文章基于双光子聚合(TPP)效应,即双光子光刻(TPL)3D打印技术,实现了超衍射极限和高复杂结构的加工,实现了加工大深宽比的纳米柱子及由这些纳米柱子构成的超构表面。本文研究了不同TPP工艺参数对IP-Dip光刻胶微结构尺寸的影响,同时对这些参数进行了优化。文章的创新在以下两点:(1)分析了不同激光参数下纳米柱的尺寸变化,同时找出线宽最小对应的阈值参数来制备大深宽比的纳米结构。(2)对于加工步骤的优化,在显影步骤后加入了紫外灯固化和超临界二氧化碳干燥等步骤,以保证加工出的纳米结构不倒塌且具有良好的稳定性。文章使用以上改良技术,稳定的制备出具有最大深宽比接近15∶1、最小线宽214.80nm的矩形纳米柱,以及最大深宽比接近20∶1、最小直径145.44nm的圆形纳米柱,并且将制备出的大高宽比纳米柱应用在超构表面的加工中。

一种对高速运动目标的单光子测距方法

作为一种前沿的激光探测技术,单光子激光测距技术已成功应用于月球测距、卫星测距和地面测高等领域。然而,单光子测距在机载空对空、地对空平台上对高速运动目标进行跟踪测距时,回波光子落在不同的时间窗,导致直接计数无法有效提取信号的问题仍需解决。针对空对空条件下单光子激光测距的应用需求,基于时间相关光子计数技术设计一种适用于全天时、宽时域、多噪声条件下对高速运动目标的单光子测距方法。该方法采用阵列单光子探测器和相邻时间窗相关统计多帧处理算法提取激光回波光子信号,并在Matlab平台上对算法进行仿真实验,使用多元阵列单光子探测器实现最大测程百公里以上、背景噪声计数率约为5 MHz、单脉冲回波光子计数平均值为1条件下的回波光子信号提取。该方法能够克服传统单光子探测只能对准静态目标测距,只能在小接收视场和小波门范围等弱背景噪声及目标轨迹可预测条件下应用的限制,将单光子探测由只能固定平台夜晚对准静态目标测距推广至通用平台全天时对高速运动目标测距。

光子晶体研究进展

光子晶体是最近 10余年间提出的新概念和新材料。本文简述了光子晶体的主要特性 ,重点阐述了光子晶体的制作方法 ,特别是高分子材料制作光子晶体的几种新方法。

电场调控增强型背照式单光子雪崩二极管

本研究利用搭建的仿真设计平台开发了一款电场调控增强型背照式单光子雪崩二极管(SPAD)器件,通过调控SPAD雪崩区电场,进一步提升了背照式器件的光子探测效率,降低了暗计数率。仿真结果表明,本研究设计的SPAD在水平和垂直电场的协同作用下,有效提高了电子倍增效率,峰值探测效率达到50.1%,在过偏压为3 V时,暗计数率降低至764 Hz。本文对比分析了不同耗尽层厚度和P-Well半径对电场调控增强型背照式SPAD器件性能的影响,并确定了最优结构尺寸。研究结果为基于SPAD的高精度光电探测应用提供了新的技术途径,为SPAD器件在科学研究和工业应用中的进一步发展奠定了基础。

基于单光子雪崩二极管的成像技术综述

单光子成像技术涉及半导体工艺、光电器件以及集成电路设计等多个方面,基于单光子雪崩二极管的成像技术具有高动态二维灰度成像、高精度三维成像和荧光寿命成像能力,在安防监控、自动驾驶和生物医疗等领域具有广阔的应用前景。伴随着半导体工艺技术的飞速发展,单光子成像技术有望成为应用广泛的下一代视觉感知技术。本文对基于单光子雪崩二极管的成像技术进行了系统的介绍,包括单光子雪崩二极管器件、单光子成像涉及的关键电路以及二维灰度和时间分辨单光子图像传感器的最新研究进展。

飞秒激光赋能液晶光子学

液晶作为一种典型的软物质材料,具有独特的物理性质和可控的分子结构,已经成为柔性光电子器件、软凝聚态物理等领域的交叉研究前沿。飞秒激光的高峰值功率、短脉冲特性与灵活且高精度的双光子聚合加工技术,为设计、制造新型可调控的液晶光子学微结构,操纵其中液晶分子的线性、非线性响应提供了有效的实验方案。利用飞秒激光赋能液晶光子学不仅能推动软物质这一新兴学科的快速发展,同时也将为未来光学器件的开发带来新的机遇。本文综述了利用飞秒激光诱导液晶中的非线性效应、飞秒激光加工液晶弹性体和利用飞秒激光加工的微结构实现液晶分子的面外取向及在液晶光子学器件方面的诸多应用,并介绍近年来有关方向在实际应用领域的研究进展。

γ辐照对InGaAsP/InP单光子雪崩探测器性能的影响

对InGaAsP/InP单光子雪崩探测器(SPADs)进行了总剂量为10 krad(Si)和20 krad(Si)的γ辐照,并进行了原位和移位测试。辐照后,暗电流和暗计数率有轻微的下降,而探测效率和后脉冲概率基本不变。经过一定时间的室温退火后,这些退化基本恢复,这表明瞬态电离损伤在γ辐照对InGaAsP/InP单光子雪崩探测器的损伤中占主导地位。

可调制光子晶体的研究现状和展望

可调制光子晶体是一类在外场激励下,可以通过改变晶格参数或折射率来调节自身光子带隙结构的先进光子材料。在对光的操控方面,它比传统的非调制光子晶体表现出更加优异的性能,因此更符合光子器件在应用中的要求。本文对近年来可调制光子晶体的研究进展进行了介绍。

全天候工作单光子计数激光雷达

【目的】单光子探测以及单光子测距系统在三维成像和超远距离空间遥感等方向有着广泛的应用。然而,由于器件本身的限制以及太阳光的背景噪声等因素,其应用场景大多处于夜间状态。【方法】文章通过改进传统激光雷达系统,使用全光纤光学系统,利用超窄带宽光纤滤波,大大提高了系统的稳定性,配合机械运动控制实现了超大视角和超高分辨率,且为可以在日间和雾天等光学环境恶劣环境下工作的单光子成像系统。同时,文章所提改进激光雷达系统基于大气穿透性好、传输损耗低的1550 nm波段进行设计,提升了在雾天以及雨天的工作能力。【结果】文章所提系统在能见度为500 m左右的雾天状态实现了1.6 km外物体的三维成像,其成像距离是当时能见度的3倍。配合超高分辨率的时间/数字转换器,并根据激光雷达系统的系统响应函数构建模型,利用最小化负对数似然函数对直方图的强度信息和距离信息进行优化,可以大大提升距离分辨率,相比于最大值法得到的0.05 m的距离分辨率,文章所提系统结合最小化负对数似然函数方法将距离分辨率提升到了0.006 m。同时通过对图像进行正则化处理来抑制光子技术的涨落对成像效果的影响,以此来消除图片中的噪点。【结论】基于1550 nm的全光纤激光雷达系统具备很强的机械稳定性,具备在恶劣天气工作的能力,在远程遥感测绘、地面及车载激光雷达等领域具备极大的应用价值。

掺杂一维光子晶体的杂质态

阐述了无缺陷光子晶体与掺杂光子晶体的结构,用光学特征矩阵方法,通过数值模拟计算具体讨论了一维光子晶体的一个实例。计算结果表明,掺杂光子晶体的禁带出现了极窄的、高透射率的尖峰,即光子杂质态,类似于半导体材料中的杂质能级。杂质层的引入增宽了原来光子禁带的宽度,杂质态的特征与杂质层的光学厚度、折射率及在晶体中的位置等因素有关。

HClO双光子荧光探针研究进展

次氯酸(hypochlorous acid,HClO)由于其高氧化性和反应活性,与神经退行性疾病、炎症、癌症等多种病理生理过程相关。在细胞水平上检测HClO对了解各种疾病的发病机制具有重要意义。因此,科学家设计并合成了多系列的小分子荧光探针用于细胞内HClO成像。本文综述了基于识别机制的双光子荧光探针的代表性案例,为相关工作者提供设计策略参考。