1 中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室，上海 201800
2 中国科学院大学，北京 100049
3 湖南大学化学化工学院，湖南 长沙 410082
4 上海镭慎光电科技有限公司，上海 201899
5 中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，贵州 贵阳 550081
地下水重金属污染正在严重威胁环境安全和人体健康。荧光探针检测技术因具有灵敏度高、选择性好等优势，已成为检测重金属离子浓度的常用方法之一。受限于光源和光学系统的体积与成本等因素，现有重金属荧光检测装置无法满足现场原位检测需求。本文研制了一种地下水重金属荧光原位检测装置，其光学探头以紫外发光二极管（LED）为光源，采用共聚焦光路设计，荧光收集角范围可达102°，外径不超过60 mm，实现了小型化和低成本化。同时，以商用化台式荧光分光光度计作为参照设备，搭载相同的二价汞离子（Hg2+）荧光探针，开展了对比性能测试。实验结果表明，本文研发的装置具有良好的稳定性和线性响应特性，相关系数R2为0.989，检测限可达到1.4710-9，各项性能参数不亚于台式荧光分光光度计。
光学仪器 地下水原位检测 荧光光谱 重金属检测 紫外发光二极管 激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2130001
1 中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室，上海 201800
2 中国科学院大学，北京 100049
3 上海镭慎光电科技有限公司，上海 201899
4 海军军医大学海军特色医学中心，上海 200433
提出了一种利用归一化荧光信号对气溶胶颗粒进行分类的方法。将单个粒子的荧光信号在对应散射光信号上的归一化值分为四个区间，在四个区间内分别进行计数。将其应用于以405 nm激光二极管为激发光源的荧光粒子计数器，实现了对细菌、核黄素、香烟烟雾、汽车尾气、荧光微球等不同气溶胶粒子的初步分类。同时，采用主成分分析算法对实验结果进行了可视化分析。该方法可应用于微生物粒子的识别和预警，降低环境中非生物荧光粒子的干扰。
遥感 气溶胶检测 本征荧光 归一化荧光 气溶胶分类 中国激光
2023, 50(13): 1310005
西北工业大学 凝固技术国家重点实验室, 纤维增强轻质复合材料陕西省重点实验室, 西安 710072
低密度C/C多孔体的结构与性能调控是制备具有优异摩擦磨损性能的C/C-SiC复合材料的关键。本研究采用化学气相渗积法制备了C/C多孔体, 并对其进行2100 ℃高温热处理, 再通过反应熔渗法制备了C/C-SiC复合材料, 研究了C/C多孔体高温热处理对C/C-SiC复合材料微观结构、导热性能和摩擦磨损性能的影响。结果表明, 经2100 ℃热处理的C/C多孔体孔隙率和石墨化程度增加, 用其制备的C/C-SiC复合材料比C/C多孔体未经热处理的密度更大(2.22 g/cm3), 孔隙率由5.1%降低至3.4%, SiC陶瓷相含量比热处理前提高11.9%。石墨化程度越高，声子的平均自由程越大, 因此其室温的导热率提升到3.1倍, 1200 ℃导热率提升到1.2倍。经过热处理的热解炭更软, 摩擦面易形成连续且稳定的摩擦膜, 因此摩擦系数更稳定, 并且在测试载荷为3、6和9 N下磨损率均显著降低, 下降幅度达到47.8%、41.9%和11.7%, 平均摩擦系数分别为0.47、0.38和0.39。综上所述, 对C/C多孔体进行高温热处理可使C/C-SiC复合材料的导热性能提升, 更耐磨并且表现出更稳定的摩擦系数。
C/C-SiC复合材料 高温热处理 导热率 摩擦 耐磨 C/C-SiC composites high temperature treatment thermal conductivity friction wear resistance
1 西安交通大学国家级物理实验教学示范中心, 陕西 西安 710049
2 西安交通大学物质非平衡合成与调控教育部重点实验室, 陕西 西安 710049
3 西安交通大学陕西省量子信息与光电量子器件重点实验室, 陕西 西安 710049
矢量涡旋光在光学微操控和光通信领域均具有独特优势。旋转多普勒效应常应用于涡旋光拓扑荷的研究, 分析矢量涡旋光的旋转多普勒效应可以有效导出其丰富的偏振性质。提出了一种基于旋转多普勒效应分辨矢量涡旋光偏振旋转方向的方法, 对应于矢量涡旋光符号的识别。在所提出方法中, 矢量光经过旋转物体散射, 散射光由于多普勒效应, 各组分之间产生强度随时间周期性变化的拍频信号。拍频信号变化函数的相位取决于矢量涡旋在高阶庞加莱球上的代表点的赤道角, 相位变化率取决于涡旋光拓扑荷。本工作提出测量理论并通过实验验证了涡旋方向相反的两种矢量光的拍频信号, 为矢量涡旋光拓扑荷的符号测量提供了一种新的可行方法。
光通信 矢量涡旋光 高阶庞加莱球 旋转多普勒效应 矢量涡旋拓扑荷 optical communication vector vortex beam higher-order Poincaré sphere rotational Doppler effect topological charges of vector vortex
1 西安交通大学物理学院, 陕西 西安 710049
2 陕西省量子信息与光量子器件重点实验室, 陕西 西安 710049
光子轨道角动量具有光学涡旋结构和高维特性, 在经典和量子领域都展示出巨大的应用潜力。基于本课题组的研究工作, 综述了如何在实验上实现高维量子逻辑门, 如三比特的 Toffoli 门和 Fredkin 门等, 以及利用偏振和轨道角动量的超纠缠特性对不同模式的振幅和相位进行调制。进一步介绍了深度学习算法在坐标系未校准条件下进行光子轨道角动量模式精确识别的应用研究。此外, 还介绍了利用量子隐形传态技术实现不同光学自由度间量子态传输以及四维光子轨道角动量贝尔态的制备方案。
量子光学 量子操控 光子轨道角动量 量子信息和处理 quantum optics quantum manipulation photon orbital angular momentum quantum information and processing
1 西安电子科技大学 超高速电路设计与电磁兼容教育部重点实验室 电子工程学院，西安 710071
2 东南大学 毫米波国家重点实验室，南京 210096
3 智能超材料研究中心，琶洲实验室，广州 510330
1016001Wireless Power Transfer (WPT) and energy harvesting technologies are expected to provide revolutionary technological changes in important fields such as 5G communications and the Internet of Things. The short-range coupling WPT has gradually been commercialized, but there are still many technical bottlenecks in the practical process of microwave power transmission that can realize long-distance applications, such as the contradiction between the limited aperture of transceiver antennas and the WPT efficiency. The developments of electromagnetic metamaterials and metasurfaces have brought new breakthroughs for solving the above-mentioned problems. In this paper, we will focus on the combination of the two important technologies, and systematically review the applications of metamaterials in microwave wireless power transfer and wireless energy harvesting. The results show that the near-field focusing metasurface can significantly improve the transfer efficiency. We will also introduce the research progress of optically transparent metasurfaces and reconfigurable metasurfaces for improving WPT performance and practicability. Based on the periodically close arrangements of subwavelength metamaterial units, a wireless energy harvester with wide-angle incidence and polarization-insensitive characteristics is designed, which can replace conventional receiving antennas with higher harvesting efficiency. Furthermore, coplanar integration with the rectifying diodes makes a new concept of the rectifying metasurface, which can simplify the overall structure, reduce the size, and improve the efficiency. Finally, we will discuss the future progress of WPT, and point out the vital role that programmable and intelligent metamaterial technologies will play very important roles in future simultaneous wireless information and power transfer systems.
无线能量传输 无线能量收集 电磁超材料 近场聚焦 整流超表面 智能超材料 Wireless power transfer Wireless energy harvesting Electromagnetic metamaterials Near-field focusing Rectifying metasurface Intelligent metamaterials 光子学报
2021, 50(10): 1016001
Author Affiliations
Abstract
1 MOE Key Laboratory for Nonequilibrium Synthesis and Modulation of Condensed Matter, School of Physics, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China
2 Department of Electrical and Computer Engineering, National University of Singapore, Singapore, Singapore
3 Shaanxi Key Laboratory of Quantum Information and Quantum Optoelectronic Devices, School of Physics, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China
4 State Key Laboratory of Applied Optics, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics, and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China
5 e-mail: chengwei.qiu@nus.edu.sg
6 e-mail: zhangpei@mail.ustc.edu.cn
Cylindrical vector beams (CVBs), which possess polarization distribution of rotational symmetry on the transverse plane, can be developed in many optical technologies. Conventional methods to generate CVBs contain redundant interferometers or need to switch among diverse elements, thus being inconvenient in applications containing multiple CVBs. Here we provide a passive polarization-selective device to substitute interferometers and simplify generation setup. It is accomplished by reversing topological charges of orbital angular momentum based on a polarization-selective Gouy phase. In the process, tunable input light is the only condition to generate a CVB with arbitrary topological charges. To cover both azimuthal and radial parameters of CVBs, we express the mapping between scalar Laguerre–Gaussian light on a basic Poincaré sphere and CVB on a high-order Poincaré sphere. The proposed device simplifies the generation of CVBs enormously and thus has potential in integrated devices for both quantum and classic optical experiments.
Photonics Research
2021, 9(6): 06001048
郑州轻工业大学电气信息工程学院, 河南 郑州 450002
银凭借其独特的性能, 在医疗材料、 摄影、 电子、 成像等行业中应用广泛。 然而, 银离子被列为最具毒性的重金属离子之一, 会对环境以及人类的生命健康造成严重威胁。 为了灵敏、 特异性的检测水环境中的银离子浓度, 利用纳米金的优良光学猝灭性以及双链核酸适体捕获银离子能力更强的优点, 结合荧光能量共振转移原理, 提出一种用于检测水环境中银离子浓度的荧光适体传感器。 将修饰SH键的核酸适体与纳米金混合形成稳定的纳米结构, 并加入标记有FAM的核酸适体, 形成检测银离子浓度的工作溶液。 当不存在银离子时由于不匹配碱基C—C之间的排斥力导致两条核酸适体不结合, 反应体系中具有较强的荧光; 当存在银离子时, 双链核酸适体中不匹配的C—C能与银离子通过金属离子-碱基的相互作用形成稳定的C—Ag+—C碱基对, 这种复合结构的产生会拉近纳米金和荧光基团之间的距离, 使得荧光信号随着银离子浓度的增加而逐渐减弱。 根据加入银离子前后荧光强度的变化可实现银离子浓度的检测。 同时, 为了提高传感器的灵敏性和稳定性, 实验优化了工作溶液中纳米金与核酸适体的浓度比、 氯化钠浓度、 缓冲液的pH以及培养温度等参数。 结果表明, 当浓度为0.012 5 g·L-1的纳米金与5 μmol·L-1核酸适体的体积比为5∶1, NaCl浓度为260 mmol·L-1, 缓冲液pH 7, 培养温度为30 ℃时, 工作溶液初始荧光强度最强, 银离子检出限为10 nmol·L-1, 相关系数为R2=0.99。 此外, 该传感器对银离子的浓度检测表现出较好的特异性, 且具有操作简单、 灵敏和不引入有毒溶剂等优点, 在水环境中的银离子浓度检测领域有较好的应用前景。
荧光适体传感器 银离子浓度 荧光能量共振转移 纳米金 Fluorescence aptasensor Silver ion concentration Fluorescence energy resonance transfer Nano gold 光谱学与光谱分析
2021, 41(4): 1066
Author Affiliations
Abstract
1 Shaanxi Province Key Laboratory of Quantum Information and Quantum Optoelectronic Devices, School of Physics, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China
2 School of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China
3 e-mail: huangf@fzu.edu.cn
Orbital angular momentum (OAM)-carrying beams have received extensive attention due to their high-dimensional characteristics in the context of free-space optical communication. However, accurate OAM mode recognition still suffers from reference misalignment of lateral displacement, beam waist size, and initial phase. Here we propose a deep-learning method to exquisitely recognize OAM modes under misalignment by using an alignment-free fractal multipoint interferometer. Our experiments achieve 98.35% recognizing accuracy when strong misalignment is added to hyperfine OAM modes whose Bures distance is 0.01. The maximum lateral displacement we added with respect to the perfectly on-axis beam is about beam waist size. This work offers a superstable proposal for OAM mode recognition in the application of free-space optical communication and allows an increase of the communication capacity.
Photonics Research
2021, 9(4): 04000B81
