面向鸟鸣声识别任务的深度学习技术

在生态系统中,鸟类是重要的组成部分,对调节生态环境和监测生物多样性至关重要,甚至可以通过监测鸟群动向与监听鸟群异常鸣声对地震、海啸等自然灾害进行辅助预测和防范,为此,鸟鸣声识别和异常鸣声监测成为热门的研究方向。然而,由于传统鸟鸣声识别方法存在特征提取不充分等问题,导致识别率不高。本文采用融合特征的方法结合深度学习技术提取鸟鸣声特征,融合特征选择改良后的对数梅尔谱差分参数同原始信号参数拼接所得的特征;深度学习方法是基于Dense Net121网络结构,并融入自注意力模块与中心损失函数进行鸟鸣声识别。自注意力模块部分提高了关键通道的特征表达能力;中心损失函数可解决类内特征不紧凑问题。我们通过消融实验对比验证,对在Xeno-Canto世界野生鸟类声音公开数据集上选取的10种鸟类声音进行识别,准确率达到96.9%。代码已开源至Github:https://github.com/Carrie X6/-Xeno-Canto-.git。

基于轨道角动量复用的声波通信特性及环形相控阵设计

为提高水下声波轨道角动量的通信性能,建立环形相控阵发射和圆面接收的通信模型,研究声波轨道角动量复用通信时的源头串扰特性;提出一种新的驱动方式以提高发射效率,并分析接收偏角对通信质量的影响。研究结果表明:当使用由N个不同发射源组成的环形相控阵产生l阶轨道角动量时,将同时产生c阶的轨道角动量串扰声束(其中c=l+bN,b为非零整数)。声源数N与声涡旋阶数l满足||l≤N/2,因此,在基于该环形相控阵的轨道角动量复用通信中,任意轨道角动量信道的串扰分量均在有用信道之外。使用N×M型环形相控阵(其中N为弧形声源组数,M为每组声源内的换能器数量)发射时,增大N和M均可提高发射效率,而当相控阵中换能器数量固定时,根据实际的需要合理选取N和M,有利于提高发射效率并降低阵列控制的复杂度,体现了控制设计的灵活性;随着接收偏角增大,通信性能整体下降。

截止斜率可控的蓝光防护光学薄膜

为了减少短波蓝光对人眼的伤害,同时确保蓝光对人体节律的有益调节,精确控制400~500 nm的透射斜率在蓝光防护中尤为重要。本文提出非线性玻尔兹曼函数拟合长波通薄膜的方法,分别通过非线性及线性光谱目标值优化得到膜系结构(Z1)和(Z2)。通过对比(Z1)和(Z2)薄膜的光谱和导纳图,分析可知经非线性目标值优化后的薄膜具有可控的斜率和更好的通带光谱性能。采用电子束蒸发离子束辅助沉积方法制备了14层蓝光防护薄膜,其光谱性能满足新国标GB/T38120—2019的技术要求。结果表明,所制备的单面光学多层薄膜在紫外385~415 nm的平均透过率小于3.2%,高能蓝光415~445 nm的平均透过率小于30.88%,有益蓝光445~475 nm的透过率大于81.9%,在剩余可见光波段的透过率大于95.5%。该方法为蓝光防护提供了一个新的解决方案,对于视觉防护、移动终端、眼镜、电脑桌面、移动数字屏幕等有潜在应用价值。

氮化物垂直腔面发射激光器的发展与挑战(特邀)

垂直腔面发射激光器凭借阈值低、发散角小、调制速率高以及输出光束呈圆斑对称等特点,迅速成为当下半导体激光器的研究热点。氮化镓(GaN)材料是制造紫外到绿光波段光电子器件的理想材料,经过四十余年的研究,蓝光和绿光LED在照明、显示等领域得到广泛应用。技术含量更高的激光器件也已进入了应用的快车道,即将覆盖照明、通信、投影显示、光存储、医疗、微型原子钟及传感器等场景。铝镓氮(AlGaN)是GaN基半导体材料的重要代表之一,其禁带宽度可在3.4 eV(GaN)到6.2 eV(AlN)范围内连续可调,对应波长可覆盖200~365 nm波段,是制造从近紫外波段到深紫外波段紫外垂直腔面发射激光器的理想材料。而铝镓氮(AlGaN)垂直腔面发射激光器经过近20年来的发展,如今已成为半导体激光器的研究热点之一。首先回顾了GaN基垂直腔面发射激光器的发展历史,简要介绍了其在各个波段的主要应用场景;然后介绍蓝光、绿光及紫外垂直腔面发射激光器的研究进展;最后分析了光注入和电注入紫外垂直腔面发射激光器发展过程中的挑战和困难,并介绍了改进和优化的策略。

无人工结构辅助的表面等离激元涡旋场激发研究

光学涡旋是一种携带轨道角动量(OAM)的特殊光场,它可以对微观粒子实现精确地无接触操控,但光学涡旋的生成一般需要复杂的光路系统或昂贵的微纳结构加工辅助实现。针对这一问题,提出一种无结构产生表面等离激元涡旋的方法,基于光的自旋轨道耦合理论与表面等离激元激发原理,利用时域有限差分法(finite difference time domain,FDTD)仿真所产生的表面等离激元涡旋场,研究金膜厚度、透镜的数值孔径(NA)以及入射圆偏振光的手性对光学涡旋场的影响。研究结果表明:当入射光波长为633 nm时,能有效激发表面等离激元的金膜厚度为50 nm左右,入射光经过高数值孔径的聚焦后照射在金膜上能够形成一阶的表面等离激元涡旋场,且该涡旋场的振幅和相位分布与入射圆偏振光的偏振特性有关,同时,数值孔径是形成一阶表面等离激元涡旋场的重要因素。本文所提出的光学涡旋场产生办法具有不依赖波长的优点,可满足宽谱器件的应用需求。

基于LED泵浦的掺钕聚合物光波导放大器性能研究

以双齿膦氧化合物4,6-二(二苯基氧膦基)二苯并噻吩(DBTDPO)为中性配体,以噻吩基三氟甲基乙酰丙酮(TTA)为阴离子配体,制备了具有分子内能量传递作用的稀土钕配合物Nd(TTA)3DBTDPO掺杂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶液聚合物材料。采用Ag+-K+离子交换法和一步光刻法,分别制备了基于倏逝波型的BK-7玻璃波导和SU-8聚合物波导。采用成本低廉的发光二极管(LED)替代半导体激光器作为泵浦源,利用有机配体与中心稀土Nd^(3+)离子的分子内能量传递作用,在225 mW 405 nm LED泵浦下,在1.06μm波长处分别获得了3.6 dB/cm和4.1 dB/cm的光增益。所提出的基于分子内能量传递作用的LED垂直顶泵浦方式能够有效降低器件的商用化成本,有望在平面光子集成领域得到广泛应用。

基于LED泵浦的掺铕聚合物光波导放大器

将铕配合物Eu(DBM)3Phen掺杂在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中作为有源材料,分别采用铝掩膜结合电感耦合等离子体(ICP)刻蚀、一步光刻法制备了脊型和倏逝场型两种掺铕聚合物光波导放大器。采用405 nm蓝紫发光二极管(LED)泵浦,在653 nm波长处分别实现了1.9 dB/cm和1.5 dB/cm的相对增益。对掺杂Eu(DBM)3Phen的PMMA薄膜的紫外吸收、荧光发射以及荧光寿命进行了测量表征。结果表明,有机配体的分子内能量传递作用在LED泵浦下可以实现稀土铕离子由5D0能级到7F3能级的跃迁。

腔内滤波带宽对正色散束缚态孤子形成的影响

以被动锁模正色散掺镱(Yb)光纤激光器为研究对象,实验比较研究了激光腔内滤波带宽对产生正色散束缚态孤子的影响。采用高掺Yb光纤作为增益介质,半导体饱和吸收镜作为锁模部件,获得1064 nm全光纤线型腔锁模激光器。当腔内带通滤波器选用不同带宽(0.2,1.0,1.2,2.3 nm)时,观察到不同的皮秒锁模脉冲状态。在滤波带宽较小(0.2 nm)或较大(2.3 nm)时,仅产生稳定的单脉冲耗散孤子;相反地,在滤波带宽适中(1.0 nm或1.2 nm)时,分别观察到典型的相位差为π和-π/2束缚态耗散孤子,脉宽和脉冲间隔均分别为3 ps和14 ps。将束缚态耗散孤子激光通过主控振荡功率放大技术放大至1.4 W后,将其注入到光子晶体光纤中,获得了750~1600 nm超连续谱(10 dB谱宽),输出功率约为0.7 W,相比传统耗散孤子抽运具有更好的光谱平坦性。

GaN垂直腔面发射激光器研究进展

氮化镓(GaN)垂直腔面发射激光器(VCSEL)在近20年来获得了飞速发展,已成为下一代半导体激光器的研究热点。GaN是制造从紫外波段到绿色波段光电子器件的绝佳材料,而VCSEL具有阈值和发散角小、调制速率高,以及输出光束呈圆对称等特点。首先回顾了基于GaN的VCSEL的发展历史,简要介绍了它的主要应用方向;然后讨论了反射镜与谐振腔设计与制造中的关键问题;接着分析了三种不同结构的GaN VCSEL的散热机理,并分析讨论了优化散热的策略;最后介绍了基于GaN的蓝色、绿色和紫外VCSEL的研究进展及最新思路。

基于LED泵浦的聚合物光波导吸收特性

对不同波段LED激发下,聚合物SU-8/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)光波导进行了光吸收性能的研究。在中心波长为310,365,405,525 nm LED以及808 nm激光器的泵浦下,研究了聚合物SU-8/PMMA光波导对1064,980,635 nm信号光的吸收性能。实验结果表明:聚合物SU-8波导在蓝紫光LED泵浦作用下光衰减较强,光衰减会随着泵浦光波长的红移和波导尺寸的减小而变弱;在截面尺寸为5μm×5μm,长度为2 cm的聚合物SU-8波导中,当采用1064 nm激光器作信号源,功率为50 mW的310,365,405 nm LED激发下,光强衰减分别达91.7%、48.3%、26.7%;在525 nm LED和808 nm激光器激发下,光强能够保持基本稳定;PMMA波导在LED激发下光强无衰减现象。因此,在蓝紫光LED激发下的聚合物SU-8光波导放大器的研究中,应使用单模小尺寸波导、小功率LED泵浦来有效避免光强的衰减;在PMMA光波导放大器中更易实现光信号的放大。

<100 fs全光纤束缚态耗散孤子被动锁模激光器

报道了全光纤耗散孤子被动锁模掺铒光纤激光器,通过调节泵浦功率和偏振态可以进一步获得2孤子和3孤子的束缚态耗散孤子。利用反常色散光纤对宽带2孤子束缚态耗散孤子进行脉宽压缩,压缩后的脉宽用双曲正割拟合为96 fs,计算得时间带宽积为0.324,表明其为近转换极限脉冲。宽带光谱的获得得益于腔内的色散管理和碳纳米管可饱和吸收体的大调制深度(20%)。在此基础上,获得了光谱宽度达35 nm的耗散孤子(中心波长为1.57μm),这也是基于碳纳米管产生耗散孤子的最宽光谱。