从牛顿粒子说到爱因斯坦光子论

光具有波粒二象性,在粒子性方面,牛顿提出过光的粒子说,爱因斯坦提出过光子理论。 牛顿在发现光通过棱镜的色散、牛顿环,光的衍射和光通过晶体形成双折射等现象的同时,根据光的直线传播性,认为光是一种微粒流,粒子从光源飞出来,在均匀的物质内以力学定律作等速直线运动。 按照光的粒子理论可以对光的反射定律进行解释,认为粒子象一个个小球。

爱因斯坦的光子论及其意义

爱因斯坦的光子论是站在粒子说的角度上提出的,他是粒子说的代表人物。本文介绍了爱因斯坦光子论的提出背景,并阐述了其主要内容和重要意义,以期为广大研究光子理论的学者提供参考。

感应读出延时线阳极光子计数探测器研究

针对空间天文、生物荧光、光谱测量等领域对高灵敏、大面阵探测器的应用需求,研制出基于感应读出方式的延迟线阳极光子计数成像探测器。该探测器由微通道板、延时线阳极以及读出电路组成,其中延时线阳极的性能直接影响探测器的成像质量。作为一种电荷感应读出延时线阳极,该阳极利用信号到达的时间差解码入射光子的位置,可获得高的探测灵敏度和大的成像面积,同时简化了工艺难度并提升了可靠性。设计了感应读出延时线阳极,理论分析了探测器不同设计参数及材料对感应电荷量的影响,提出了解决异层电极间感应电荷量难以平衡的方法。据此研制出了收集面积为40 mm×40 mm的位敏阳极。测试结果表明该阳极信号传输衰减小于10%,极间串扰小于3%。利用该阳极进行了光子计数成像实验,获得了优于150μm的空间分辨率,为研制可应用于天文紫外光谱测量的大面阵、高灵敏探测器提供了理论依据及实验指导。

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。

基于微波光子的带内全双工自干扰消除系统

为了突破传统射频自干扰消除技术受频率、带宽、抗电磁干扰等电子瓶颈的限制,满足未来无线通信及雷达系统的发展需求,设计一种基于偏振复用马曾调制器(PDM-MZM)的微波光子自干扰消除方案,通过引入一个与自干扰信号同频、等幅、反相的参考信号在光域与自干扰信号直接抵消.除了具有自干扰消除和下变频功能外,该方案还可用于矢量信号的IQ解调,在IQ解调时灵活调整两路中的偏振控制器,可使IQ两路信号幅度严格相等,相位严格正交,进而消除IQ幅度不均衡对全双工系统接收端的影响.理论分析和仿真测试结果表明,自干扰信号的消除深度可达到72 dB以上,系统的三阶无杂散动态范围可达到95.2 dB·Hz^(2/3),增益为-16.2 dB.该方案具有大带宽、可调谐、抗电磁干扰能力强、体积小、损耗低等优势,在无线通信、雷达系统中具有较大的应用潜力.

基于集成光子储备池的时间序列任务预测 (特邀)

光子储备池因其反馈连接的拓扑结构,在时间序列任务中展现出巨大潜力,主要形式包括延时型、波导型、空间光型和空腔型储备池。其中,波导型集成光子储备池具有并行输入和高集成度的特点,在时间序列二进制任务中表现突出。然而,针对更复杂的模拟数值预测任务,传统方法下的单个集成光子储备池因物理节点数量有限,导致计算性能不足。为解决这一问题,提出了一种32节点梅花形光子储备池芯片,外围节点作为输入输出节点,各输入节点通过强度调制引入非线性效应,接收不同的调制信号,各输出节点基于历史数据,采用向量自回归算法进行训练,从而实现更高效且精确的时间序列预测任务。研究结果表明:通过优化输入策略、芯片设计和训练算法,32节点集成光子储备池相较于传统延时型光子储备池,在预测任务中的RMSE和NMSE指标分别提升了两个和一个数量级,使波导型集成光子储备池在时间序列预测任务中成为有力竞争方法。

光子神经网络研究进展

在数据海量化、信息化的时代,电子计算机处理系统所面临的算力和能耗等性能要求愈发严苛,传统冯·诺依曼架构存在“内存墙”和“功耗墙”瓶颈,加之摩尔定律放缓甚至失效,使得电子芯片在计算速度和功耗方面遇到极大挑战,利用光计算替代传统电子计算将是解决当前算力与功耗问题的极具潜力的途径之一。本文系统地梳理了片上集成和自由空间的光子神经网络架构与算法方面的研究进展,详细介绍了典型的研究工作,然后讨论并对比了这两种光子神经网络的优劣势,以及光子神经网络的训练策略等。最后探讨了光子神经网络面临的挑战,并对其未来发展进行了前瞻性的展望。

基于PolM的微波光子线性优化链路

文中提出一种利用偏振调制器(PolM)提高系统无杂散动态范围(SFDR)的方案,并进行了仿真验证。实现线性优化的原理是通过对微波光子链路中上下两路光载波进行完全抑制和部分抑制,使生成不同来源的三阶交调失真(IMD3)在电域实现自抵消。仿真结果表明,IMD3的抑制比可达到61.9 dB,系统的三阶无杂散动态范围可达到107 dB·Hz^(2∕3)。该方案具有结构简单、实施难度低、大工作带宽和大动态范围的优势,在宽带无线通信、雷达、电子战系统中具有较大的应用潜力。

微波光子信号同步及其在分布式相参雷达中的应用

分布式相参雷达技术通过多节点高性能信号同步实现跨平台的信号级相参融合,可大幅提升雷达探测、跟踪和抗干扰等能力,是雷达领域的重要发展方向之一。随着雷达频率范围的拓展、瞬时带宽的增大和搭载平台的多样化,分布式相参雷达技术对节点间信号的时间、空间、频率、相位同步性能提出了越来越高的要求,这使得传统电学信号同步技术面临巨大挑战。文中介绍了分布式相参雷达对信号时、空、频、相同步的性能要求和国内外相关技术的研究进展,重点总结了微波光子同步技术的基本原理和代表性成果;构建了微波光子分布式相参探测原理验证系统,验证了微波光子分布式相参的可行性,为推动分布式相参雷达的前沿发展与工程化应用提供了关键技术支撑。

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。

具有尖锐吸收截面和显著增强电场的等离激元-光子混合谐振腔

研究了由二维光子晶体微腔和金纳米天线组成的等离激元-光子混合谐振腔中光学谐振腔对等离激元谐振腔的额外贡献。研究结果表明:与纯等离激元谐振腔相比,混合体系的吸收截面和电场强度均明显增强。特别地,混合谐振腔的吸收截面谱呈现出类Fano线形和尖峰,可以通过改变金纳米天线的数量或金纳米天线与光子晶体微腔之间的共振波长失谐进行调制。此外,混合谐振腔的电场增强因子比金纳米天线高出3个数量级。可为光热探测和光谱增强研究提供新的平台。

基于反馈机制的光子微波信号级联滤波方法

光子微波通信过程中,受噪声影响造成带宽变窄,降低了通信效率。为了优化光子微波通信质量,提出基于反馈机制的光子微波信号级联滤波方法。利用形态学腐蚀和膨胀去除信号模糊程度后,将相似度较高的信号聚集为连续区域,完成微波信号去噪。选用卡尔曼滤波器对微波信号测量噪声初次滤波,使用均值滤波以及双门限输出方案二次滤波双路光电反馈下生成的微波信号。通过两种滤波器的级联处理,去除微波信号中不同的杂波,实现窄线宽光子微波信号级联滤波。实验结果表明,所提方法级联滤波波动幅度小,能够平稳输出滤波结果,且不同温度下的级联滤波衰减特性相对平稳。

基于天文光子学的拼接主镜望远镜位相传感与对准

系统孔径的增加可以有效提高测量观察的灵敏度和分辨率,从而得到高质量的深场测量数据.然而孔径的增加不仅给系统尤其是具有拼接主镜的巡天望远镜系统引入了新的影响因素,从而使其变得更复杂,而且改变了现有组件的操作模式和效果.在这项研究中,我们将子孔径镜检测与曲率传感相结合,该策略可以利用焦平面前后的强度差异测量系统中的对齐倾斜和相位差,从而实现对齐调整和波前稳定性的维护.在子孔径之间使用波前信息来保持连续性,而在系统接口处使用条纹模式来调整对齐倾斜方向.最终实现了原始波前的相关系数大于0.8,子镜边缘区域的PV值减少了超过40%,并且实现了2″的共焦分辨率,以及在5μm范围内的0.08μm的共相位分辨率.此外,每个子镜的边缘干涉测量通道数量从6个减少到2个,吞吐量增加了3倍.为确保未来超大孔径拼接望远镜的最终条纹分辨率,必须有效地减小系统探测器的目标尺寸、体积和质量.而这种基于天文光子学器件的方法能够有效地增加系统的集成度,减少环境对地基系统的影响,降低天基系统的发射成本与风险.

“微腔光子学”专辑导读

光学微腔作为典型的光学元器件,由于模式体积小、光学损耗低、结构紧凑,可以应用于非线性光学、集成光学、量子光学、高灵敏度传感器等多个领域从而受到广泛关注。近年来,随着光学材料微纳加工和半导体芯片工艺的发展,光学微腔逐渐走上可集成化的发展道路,同时,更小的模式体积、更精细的结构控制及更有效的模式调控微腔光子研究在光子学信息器件发展中扮演着至关重要的作用。

心脏数字化单光子发射型电子计算机断层扫描设备质量控制研究

目的:研究心脏数字化单光子发射型电子计算机断层扫描(SPECT)设备质量控制方法,为制定数字化SPECT设备质量控制标准提供参考。方法:依据美国电器制造商协会《伽玛照相机性能测试》(NEMA NU1-2018)和心脏数字化SPECT设备相关厂家执行的设备日常质量保证的测试方法,采用一种通用质量控制方法,适用于使用半导体碲锌镉(CZT)材料且扫描时探头多角度转动的心脏数字化SPECT设备的质量控制。检测内容包括设备系统能量分辨率、系统均匀性、系统扫描灵敏度、带散射的断层空间分辨力和系统最大计数率5个检测项目。结果:检测结果与厂家要求相比较,系统能量分辨率、系统均匀性、系统扫描灵敏度、带散射的断层空间分辨力和系统最大计数率等5个项目的第1次检测结果分别为5.8%、8%、67811计数/(min·MBq)、4.91 mm和1.8×10^(6)s^(-1),第2次检测结果分别为5.6%、6%、68297计数/(min·MBq)、4.96mm和1.8×10^(6)s^(-1),均符合厂家指标的要求。结论:采用的质量控制方法能够科学并客观评价此类设备的运行状态,可为制定数字化SPECT设备质量控制标准提供数据支持。

单光子发射计算机断层扫描-计算机断层扫描局部断层融合显像对胰腺癌125 I粒子植入术后诊断价值

目的探讨单光子发射计算机断层扫描-计算机断层扫描(SPECT-CT)局部断层融合显像对胰腺癌125 I粒子植入术后诊断价值。方法回顾性分析2016年12月至2019年2月于郑州大学第一附属医院行125 I粒子植入术胰腺癌患者6例,患者术后48 h内行SPECT-CT上腹部局部断层融合显像。患者术前、术后均行放射治疗计划系统(TPS)计划及验证。结果6例胰腺癌患者SPECT-CT局部断层融合显像显示,胰腺癌肿块内125 I粒子分布均匀,其粒子及周边区域放射性分布均匀,肿块周边正常组织内放射性明显减低,肿块内未见明显放射性分布稀疏区、缺损区,放射性分布与术前TPS计划及术后TPS验证基本一致。其中1例患者腹腔肠道内游离粒子1颗。结论SPECT-CT局部断层融合显像对胰腺癌125 I粒子植入术后肿块内粒子及放射性分布提供良好的影像学信息。

基于PEGPEA-高灵敏仿生光子晶体薄膜制备及应用

采用乳液聚合结合改良的Stӧber方法制备了单分散聚苯乙烯(PS)@SiO2核壳纳米微球,然后将其分散在聚(乙二醇)苯基醚丙烯酸酯(PEGPEA)中,形成非密集颗粒阵列后快速光聚合捕获规则阵列,制备了一种机械变色的光子晶体薄膜。采用SEM、光纤耦合光谱仪对光子晶体薄膜进行了表征,考察了PS@SiO2核壳纳米微球体积分数和粒径对光子晶体薄膜结构色的影响,并对光子晶体薄膜的力致变色机理进行了推测。结果表明,热处理改善了PS@SiO2核壳纳米微球的微观秩序,加快形成蛋白石光子晶体结构;光子晶体薄膜结构色随着PS@SiO2核壳纳米微球体积分数的增加或粒径的减小由红色向蓝色渐变;光子晶体薄膜具有的结构色反射率>60%、拉伸应变至少可达70%、灵敏度2.16 nm/%、响应速度1.9 nm/ms,反射波长调谐范围为151 nm;在100次拉伸/释放循环实验和25℃下维持拉伸状态3 d,恢复后光子晶体薄膜结构色保持不变。

基于二维光子晶体全光逻辑门的设计

在二维光子晶体中嵌入了线缺陷,利用线性干涉效应和波导耦合,设计了一种基于二维光子晶体的同或门和与非门结构。主要采用平面波展开法对该二维光子晶体的能带结构进行分析,采用时域有限差分法,结合线性干涉效应,在Rsoft平台对所设计的同或门和与非门进行稳定电场图和归一化功率仿真。仿真结果标明:设计的同或门对比度高达29.5 dB,响应时间为0.073 ps,数据传输速率为13.7 Tbit/s;设计的与非门对比度高达24.15 dB,响应时间为0.08 ps,数据传输速率为12.5 Tbit/s。这些结果表明所设计的结构对比度高、响应时间短和数据传输速率快。

旋转物体的单光子三维重建技术

单光子探测技术具有高灵敏度和高时间分辨率,已成为三维成像领域的重要发展方向。APD单光子探测数据为表征光子脉冲事件的0-1数据,通常需要多次积累,可实现目标三维成像,但旋转物体的运动导致无法直接积累。针对旋转物体三维重建问题,提出了一种基于最大强度图清晰度的旋转物体单光子三维重建方法。首先建立旋转物体的三维重建模型,然后建立关于旋转速度的似然估计模型,最后以强度图的最大清晰度为代价函数求解旋转速度并进行重建。计算机仿真模拟了旋转十字架物体的单光子三维成像探测数据,通过三维重建算法对旋转物体实现了高精度三维重建,并在不同旋转速度下进行仿真验证,实现了不同速度下转速估计误差优于5%,深度重建误差优于0.1 m,验证了重建算法的正确性。

一维反转对称组合光子晶体结构界面态的可调性

通过电磁波在介质中的传播,以及介质与介质界面处电场和磁场的切线分量的连续条件,分别给出光在介质中传播的传输矩阵以及光在介质界面处的匹配矩阵,从而得到组合结构光子晶体总的传输矩阵,并给出其反射率.在此基础上,研究具有反转对称组合结构为(ABA)N(BAB)M的光子晶体界面态,改变介质A的折射率系数n_(a0)、参数e,厚度d_(a)和周期数N与介质B(葡萄糖溶液)的质量浓度、温度、厚度d_(b)和周期数M以及入射角的大小,给出界面态的位置和峰值大小随参数的变化曲线,并研究葡萄糖溶液质量浓度对组合结构PC_(1)+PC_(2)+PC_(1)和PC_(1)+PC_(2)+PC_(1)+PC_(2)+PC_(1)多个界面态的影响.数值计算结果表明,当改变葡萄糖质量浓度时,可改变界面态的位置和峰值大小,从而实现对界面态的调节.