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1.
光的自旋-轨道相互作用
许文昊, 寿一畅, 罗海陆
量子电子学报 2022, 39 (
2
): 159-181. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2022.02.001
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2425
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光的自旋-轨道相互作用是指光的自旋角动量和轨道角动量之间的相互作用, 它存在于反射、折射、散 射、衍射、聚焦等基本的光学过程中。在传统大尺度量级的经典光学中可以忽略自旋-轨道相互作用的影响, 但 在亚波长尺度下, 自旋和轨道角动量之间会发生强耦合。对光的自旋-轨道相互作用的基本起源和重要应用进行 了综述。首先, 介绍了光的自旋-轨道相互作用的两个重要基本概念: 光子角动量和几何相位理论。其次, 分别介 绍了自旋-内禀轨道角动量和自旋-外禀轨道角动量两种相互作用的基本原理。然后, 重点介绍了光自旋-轨道相 互作用的研究进展以及代表性应用。最后, 对光自旋-轨道相互作用相关研究面临的挑战和未来的研究方向进行 了展望。
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2.
飞秒瞬态吸收光谱技术及应用
王 野, 张 嵩, ∗, 张 冰
量子电子学报 2021, 38 (
5
): 547-563. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2021.05.001
摘要
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1757
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超快激光技术的出现极大地促进了人们对众多研究领域中超短时间尺度 (例如飞秒) 的微观过程的深入 理解。详细介绍了基于飞秒时间分辨的瞬态吸收光谱技术与原理, 并结合本课题组的工作, 展示了该方法在凝聚 相分子体系中量子态演化过程及其相互作用研究中的应用, 特别是对激发态电子能量弛豫、波包演化过程、能量 转移过程、质子/电荷转移以及分子激发态结构动力学等微观机制的研究,表明该方法可以广泛应用到物理、化 学、材料、生物、环境等交叉研究领域。最后, 对该技术的发展前景以及未来研究方向进行了展望。
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3.
基于光学衍射神经网络的完美涡旋光 轨道角动量识别
成科, 胡晓楠, 贺瑜, 孟维佳, 栾海涛, 顾敏, 方心远,
量子电子学报 2022, 39 (
2
): 262-271. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2022.02.006
摘要
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完美涡旋光束(POVB) 是径向强度分布和半径均与光束轨道角动量(OAM) 状态无关的一类涡旋光, 已被应用于光学操控、光通信、激光材料处理等领域。其中, POVB 轨道角动量状态的探测是关键且有挑战 的技术。本研究通过并行梯度下降算法, 构建了光学衍射神经网络(DNN), 实验上实现了轨道角动量阶数在 -50 ~ +50 范围内的POVB 的识别。在此过程中, 衍射转换效率可达58%。本研究为POVB 的OAM 探测提供 了新的思路, 在POVB 的各类应用中均存在潜在应用价值。
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4.
基于改进的Frantz-Nodvik 方程的 Yb: KGW 再生放大器研究
康仁铸, 吕仁冲, 滕浩, 朱江峰, 魏志义,
量子电子学报 2022, 39 (
4
): 574-582. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2022.04.012
摘要
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超快激光再生放大过程具有复杂的动力学行为, 需要建立模型进行求解和迭代计算。基于改进的 Frantz-Nodvik 方程计算了Yb:KGW 晶体再生放大器的输出性质, 研究了泵浦强度、晶体长度和泵浦脉宽对放大 器输出性能的影响, 同时对不同重复频率再生放大器的输出行为进行了分析。在此基础上设计了再生放大器, 得 到了重复频率1 kHz、单脉冲能量1 mJ 的激光放大结果, 与理论分析结果符合得较好。该改进的Frantz-Nodvik 方程对于设计高重复频率、大能量且性能稳定的激光放大器具有参考价值。
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5.
宽谱段 Czerny-Turner 光谱仪设计
李世文, 郑小兵, 翟文超∗
量子电子学报 2022, 39 (
3
): 293-306. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2022.03.001
摘要
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1219
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为满足宽波段高光谱Czerny-Turner 结构光谱仪的要求, 基于像差理论, 一方面通过光栅产生的像散补 偿球面反射镜的像散, 另一方面通过柱面镜引入相反像散补偿剩余像散, 达到全波段消像散的要求, 从而提高 Czerny-Turner 结构光谱仪成像系统的分辨率。首先理论推导出光栅和柱面镜补偿像散的基础公式, 并基于此分 别设计出波段为900∼1700 nm 和1700∼2500 nm 全波段消像散的Czerny-Turner 光谱仪成像系统, 随后通过前置 光路将两部分组合, 从而实现波段范围在900∼2500 nm 的消像散Czerny-Turner 结构光谱仪成像系统。此光谱 仪系统全波段分辨率小于10 nm, 物方数值孔径0.07, 全波段点列图均方根半径小于4 m。ZEMAX 的优化分析 表明, 该光谱仪在全波段范围内不仅达到消像散要求, 而且具有较好的成像质量。
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6.
紫外超短脉冲的准分子激光放大技术
张艳琳, 游利兵, ∗, 王宏伟, 王 琪, 胡泽雄, 范 军, 方晓东,
量子电子学报 2022, 39 (
5
): 677-686. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2022.05.001
摘要
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1182
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由于具有波长短、聚焦特性好、峰值功率高等优势, 紫外超短脉冲在超快科学、强场物理等领域具有 重要的应用价值。准分子激光工作气体作为增益介质在放大紫外超短脉冲方面具有独特的优势, 利用准分子激 光放大紫外超短脉冲获得高强度的激光输出为紫外激光的应用提供了新的可能性。概括介绍了准分子激光放 大的特点, 进而基于准分子的放大特性分单元介绍了紫外超短准分子激光放大技术, 并对深紫外超短脉冲脉宽 的测量进行了简单阐述。
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7.
基于改进 Faster R-CNN 的无人机 小目标检测算法
张杨∗, 程正东, 朱斌
量子电子学报 2022, 39 (
3
): 354-363. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2022.03.007
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为提升两阶段目标检测算法Faster R-CNN 对无人机小目标的检测识别效果, 提出了一种改进的Faster R-CNN 目标检测算法。对原始Faster R-CNN 算法的特征提取网络进行改进, 使用卷积层更少的ResNet-18 作 为骨干网络, 减少算法的参数量; 针对无人机目标特点, 对Faster R-CNN 算法的特征金字塔网络中的特征融合 方法进行改进, 增强了目标特征与背景特征的对比度; 使用双线性插值的方法改善因感兴趣区域池化而造成的 预测框偏离的问题。最后, 在构建的低空无人机数据集上对改进的算法进行了实验验证,结果表明提出的改进 Faster R-CNN 目标检测算法检测速度达到了35.5 帧/秒(FPS), 较原始Faster R-CNN 算法的15.8 FPS, 速度提高 了约一倍, 且算法的平均精确度均值mAP 提升了0.7%, 有效提高了算法对无人机小目标的检测识别性能。
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8.
扭曲厄米-高斯-谢尔模光束对两种 瑞利粒子的捕获
张 超, 韩亚帅, 周正仙, 屈 军∗
量子电子学报 2022, 39 (
5
): 742-751. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2022.05.007
摘要
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1163
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为探究聚焦扭曲厄米-高斯-谢尔模光束对瑞利粒子的捕获特性, 基于广义惠更斯-菲涅耳原理和瑞利散 射理论, 推导了扭曲厄米-高斯-谢尔模光束经过聚焦透镜后光强和辐射力的解析表达式, 并数值模拟分析了扭曲 厄米-高斯-谢尔模光束对瑞利粒子的辐射力随光束阶数、扭曲因子等光束参数和透镜焦距的变化规律。结果表 明, 扭曲厄米-高斯-谢尔模光束的光场分布在传输过程中逐渐分裂并绕着传输轴旋转; 梯度力和捕获稳定范围随 着光束阶数和扭曲因子增大而增大; 通过选择合适的光束参数和透镜焦距, 可以实现对不同折射率的两种瑞利 粒子的稳定捕获。研究结果对扭曲厄米-高斯-谢尔模光束在光镊技术中的应用具有一定的参考价值。
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9.
基于 Cirq 的Grover 搜索算法的电路实现
吴希, 李志强∗
量子电子学报 2022, 39 (
3
): 431-438. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2022.03.015
摘要
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1134
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Grover 量子算法能对传统的搜索算法起到平方级加速的效果, 因此自提出以来一直受到人们的广泛关 注。首先将基于Python 的Cirq 框架与Grover 搜索算法进行结合, 并对其进行模拟实现, 可以直观地看到算法的 电路实现细节, 同时, 实验验证了该算法的特点与存在的不足。进而针对搜索成功率存在的不足, 从理论上介绍 一种基于相位角旋转的精准Grover 改进算法, 并通过Cirq 框架对其进行模拟实现, 验证了该算法成功率始终为 1 的有效性。Cirq 框架的引入为量子算法的研究以及量子电路的优化提供了强大的工具支持。
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10.
基于同心展宽器的飞秒啁啾脉冲放大研究
杨浩, 滕浩, ∗, 吕仁冲, 朱江峰∗, 魏志义,
量子电子学报 2022, 39 (
4
): 566-573. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2022.04.011
摘要
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1074
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在啁啾脉冲放大(CPA) 系统中, 时域展宽器与压缩器的匹配是获得高对比度飞秒脉冲的关键。相比较 常规的Martinez 和¨Offner 结构的展宽器, 基于同心结构的展宽器由于物与像完全重合, 可以消除像差带来的高 阶色散的影响, 进而采用光栅对压缩器以获得更好的压缩效果。透射光栅对和凹面反射镜组合实现的同心展宽 器具有结构紧凑的优点, 将该展宽器替代原有的Martinez 型展宽器, 在重复频率为1 kHz、泵浦功率为11.4 W 的泵浦条件下, 展宽后的啁啾脉冲经环形腔钛宝石再生放大器进行能量放大, 再由光栅对进行压缩, 可获得脉冲 宽度为47.5 fs 的压缩结果, 接近于光谱带宽22.1 nm 的傅里叶变换极限。该结果表明基于透射光栅的同心展宽 器可以获得较好的飞秒脉冲压缩效果。
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11.
基于级联 Polar 码和多级译码方法的 连续变量 QKD 数据协商协议
周晓东, 王晟, 张天兵, 胡宗富, 冯宝, ∗, 肖红
量子电子学报 2022, 39 (
3
): 411-417. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2022.03.012
摘要
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1040
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数据协商是量子密钥分发协议的重要步骤之一,其协商效率直接影响了量子密钥分发的密钥率。提出一种基于级联Polar码和多级译码方法的连续变量量子密钥分发数据协商协议。所提协议在多级编码调制系统的基础上,利用纠错性能更好的级联Polar码作为分量码应用到多级译码中。仿真分析了协议的性能,结果表明所提协议的协商效率被极大地提高,同时密钥的比特错误率也极大地降低,当信噪比等于0.5dB时该协议的误比特率小于10^-3,研究结果对连续变量量子密钥分发的实用具有重要的价值。
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12.
基于光子轨道角动量的手性测量方法
胡海峰, 詹其文∗
量子电子学报 2022, 39 (
2
): 272-285. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2022.02.007
摘要
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1029
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传统光学手性测量是基于物质结构对左旋和右旋圆偏振光响应的差异实现的, 而光的圆偏振状态对应 光子自旋角动量(SAM) 状态。光子轨道角动量(OAM) 的发现为光子状态扩展了新的自由度, 在手性测量领域 引入光子OAM 态有助于探索新的物质手性测量方法。从光子SAM、OAM 以及光学手性的基本概念入手, 综 述了近年来国内外基于光子OAM 的手性测量方法。现有的研究结果表明, 通过引入光子OAM 态可以增强传 统圆二色谱的测量。另一方面, 基于光子自旋-轨道耦合效应或光场与分子电四极矩的高阶相互作用, 手性信号 可以通过直接改变光子OAM 量子数的符号进行测量。此外, 高阶光子OAM 态可用于提高尺寸较大的颗粒的 手性响应。最后讨论了光场时空涡旋调控技术的最新进展并展望了其未来在手性测量中的潜在应用。
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13.
基于 FPGA 的星地量子信号同步方案
李叶, 金标, 王潮泽, 李凤芝, 刘尉悦∗
量子电子学报 2022, 39 (
3
): 404-410. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2022.03.011
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1022
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208
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星地量子密钥分发过程中, 在空间链路衰减一定的条件下, 可以通过提高卫星的光量子波包发射频率来 提升系统的成码量。然而, 随着光量子波包发射频率的升高, 接收端恢复所探测光量子波包时间位置的难度也 随之提升, 从而影响着量子信号的同步结果。为保证较好的同步效果, 利用高精度时间测量和多普勒修正技术, 在卫星端发射频率为625 MHz 的条件下, 实现了一种基于FPGA 的星地量子信号同步方案, 使接收端探测的时 间精度达到52.4 ps, 筛选码误码率为1.78%。该方案能够恢复出所探测光量子波包的时间位置信息, 可用于量子 信号传输过程的同步。
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14.
退火温度和退火时间对不同衬底上 Mg2Si 薄膜结构的影响
廖杨芳, 谢泉∗
量子电子学报 2022, 39 (
4
): 644-650. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2022.04.020
摘要
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999
)
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以Mg2Si 烧结靶为靶材, 采用磁控溅射法在Si、石英和Al2O3 衬底上先沉积一层Mg2Si 非晶薄膜, 再 进行退火处理, 研究了衬底类型、退火温度及退火时间对Mg2Si 多晶薄膜结构的影响。结果表明: Si、石英、 Al2O3 三种衬底上Mg2Si 薄膜的最优退火温度和退火时间均为350 ◦C 和1 h。Al2O3 衬底上的Mg2Si 薄膜结晶 质量最佳, Si 衬底上的薄膜次之, 石英衬底上的薄膜结晶质量最不理想, 分析表明这种差异主要源于衬底与薄膜 之间的热失配不同。
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15.
PSK 量子噪声随机加密系统的实现方法研究
谭业腾, 蒲涛∗, 郑吉林, 周华, 苏国瑞
量子电子学报 2022, 39 (
3
): 423-430. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2022.03.0014
摘要
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985
)
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量子噪声随机加密(QNRC) 是一种基于海森堡不确定性原理的物理层加密技术, 其能够适用于高速率、 大容量以及长距离的光纤通信网络。针对QNRC 系统中多进制Y-00 密文信号的调制及解调受限于高采样速 率、高转换深度的ADC 芯片的问题, 提出了一种利用多个串联相位调制器(PM) 进行Y-00 密文信号的调制及 解调的实现方法, 并利用VPItransmission Maker Optical Systems 仿真软件对该实现方案进行了仿真验证及性能 分析。仿真结果表明: 基于多个PM 串联的方式, 实现了密文态数目为126、数据速率为10 Gbit/s 以及1000 km 光纤放大链路传输的相移键控-量子噪声随机加密(PSK-QNRC) 系统; 降低密文量子态的介观功率有利于提高 QNRC 系统的安全性水平, 但同时会损害系统的传输性能, 因此选择合适的介观功率对于优化系统的安全性和 可靠性具有重要意义。
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16.
基于离轴积分腔的海水溶解气体实时检测技术研究
丁伯坤, 邵李刚, 王坤阳, 陈家金, 王贵师, 刘锟, 梅教旭, 谈图, 高晓明, ∗
量子电子学报 2022, 39 (
4
): 502-510. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2022.04.004
摘要
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982
)
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海水水合物富集区的特征分析可作为深海可燃冰勘探的重要依据。为了实时分析海水溶解气体, 采 用离轴积分腔输出光谱技术(ICOS) 对利用膜分离获得的溶解气体进行了实时检测。实验搭建了适合深海 走航观测的精密光谱分析仪器, 并进行了理论分析和实验验证, 实验得到CH4 的浓度(体积比) 探测范围为 1.073 × 10−8 ∼ 1 × 10−3, CO2 的浓度(体积比) 探测范围为3.39 × 10−6 ∼ 1 × 10−2, CH4 同位素丰度的测量精度为 1.2‰, CO2 同位素丰度的测量精度为1.74‰。实验结果表明, 系统具有良好的灵敏度和稳定性, 可以实现深海连续走航观测。
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17.
CH3NH3PbI3 钙钛矿薄膜阵列光电探测器
叶雨琪, 王时茂, 单雪燕, 赵 啸, 孟 钢∗
量子电子学报 2022, 39 (
5
): 752-760. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2022.05.008
摘要
(
981
)
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231
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将光电性能优异、可通过低温溶液法制备的卤化物钙钛矿制成阵列型光电探测器, 必将推动其在成像、 光通信等领域中的应用。然而, 卤化物钙钛矿易被常规溶剂 (包括显影液) 溶解, 导致其与光刻工艺不兼容。自 组装单分子疏水层结合光刻工艺的亲水-疏水图形基底制备方法能解决制备过程中极性溶剂与钙钛矿材料不兼 容的问题, 通过简单的旋涂 (极性钙钛矿前驱体溶液仅在亲水图形区域浸润)、低温退火, 可以快速获得钙钛矿阵 列。CH3NH3PbI3 薄膜阵列光电探测器具有良好的光电性能, 530 nm 光辐照下探测率为 4.7 × 10 11 Jones, 响应度 为 0.055 A/W。这项工作为制备图案可控的钙钛矿薄膜阵列光电探测器提供了一种简单而有效的策略。
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18.
三节点一维相互作用链的非平衡 自旋传输特性及其解析公式
郑仰东, ∗, 高华
量子电子学报 2022, 39 (
3
): 373-393. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2022.03.009
摘要
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977
)
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为理解和处理介观系统中电子自旋传输的基础理论问题, 对典型的三节点一维相互作用链模型的非平 衡自旋传输特性进行了理论分析以及解析公式的推导。首先严密推导出半填充假设下模型的基态并计算了各 节点的初始电荷。然后基于Keldysh 非平衡格林函数理论, 阐述了其基本理论方法并推导了考虑电子间库仑相 互作用及Hartree-Fock 近似条件下模型的非平衡自旋传输特性(非平衡微分自旋电导、自旋传输电流和自旋电 荷分布) 的主要解析公式。最后在典型参数条件下使用这些初始电荷和解析公式对相关模型的非平衡自旋传输 特性进行了自洽计算, 并给出相应的物理解释, 验证了公式的正确性和有效性。
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19.
YAG 晶体的位错研究进展
张 瑞, 梅大江, ∗, 石小兔, 马荣国, 张庆礼, ∗, 窦仁勤, 刘文鹏,
量子电子学报 2022, 39 (
5
): 687-706. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2022.05.002
摘要
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971
)
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大尺寸 YAG 晶体的生长不可避免地会出现各种缺陷, 位错是晶体中主要的缺陷之一。位错会产生应力 双折射, 降低晶体的光学均匀性, 增大损耗、缩短使用寿命等, 因此生长出无位错或低位错 YAG 晶体对发展高效 率固体激光器具有重要意义。本文综述了近四十年来国内外对于 YAG 晶体的位错研究状况,总结了化学腐蚀 法、缀饰法、同步辐射法、应力双折射法、X 射线透射形貌术、光散射层貌术等在位错方面的研究以及 TEM、 SEM 等方法在 YAG 位错研究上的应用, 并对晶体生长工艺对晶体内部位错密度与分布的影响进行了介绍, 为大 尺寸、高品质 YAG 激光晶体的制备和位错研究提供了参考。
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20.
涡旋光场相干调控及拓扑荷测量
王卓异, 曾军, 张浩, 卢兴园, 赵承良∗, 蔡阳健, ∗
量子电子学报 2022, 39 (
2
): 225-250. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2022.02.004
摘要
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953
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涡旋光场是一类具有螺旋型波前的特殊结构光场, 因其携带相位奇点、轨道角动量以及拥有中央暗核 结构等物理特性, 被广泛应用于光学微操纵、大容量光通信、超分辨成像等领域。通过对涡旋光场传统的物理 维度(振幅、偏振、频率) 进行调控, 可以得到模式更加丰富、应用领域更广泛的新型涡旋光场。此外, 涡旋光 场还有一个非常重要的调控维度, 即相干性。近年来, 研究人员通过对涡旋光场的相干性进行调控得到了一类 新型涡旋光场, 即部分相干涡旋光场。相比于完全相干涡旋光场, 部分相干涡旋光场在某些领域更具优势, 如具 有较高的抗湍流大气干扰性、更丰富的光束整形、更高的自修复能力和更强的微粒捕获能力等。本综述介绍 了近年来整数阶和分数阶涡旋光场相干性调控方面的研究进展, 重点对部分相干涡旋光场的理论模型、产生方 法、传输特性、拓扑荷测量、应用等方面进行了详细阐述。
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