1 香港中文大学机械与自动化工程学系，香港 999077
2 复旦大学信息科学与工程学院，上海 200433
报道了一种基于柔性空芯光纤和量子级联激光器（QCL）的中红外吸收光谱技术，可同时检测NO和NO2气体。QCL在间歇连续波（iCW）模式下运行，结合柔性空芯光纤具有小型化传感器的潜力。分别选择1929.03 cm-1和1599.91 cm-1的吸收线用于NO和NO2检测，两束激光同时耦合到内径为530 μm的100 cm长的柔性空芯光纤中。直接吸收光谱首先用于展示双气体检测，QCL以iCW模式运行并结合时分复用技术，然后采用一次谐波归一化的波长调制光谱来消除非气体吸收带来的信号强度变化的影响，并研究了气体传感器的性能。对于体积分数为50×10-6的NO与15×10-6的NO2，检测精度分别评估为5.2%和4.1%。当积分时间为60 s时NO的检测限为39×10-9，当积分时间为50 s时NO2的检测限为9.2×10-9。
激光吸收光谱 柔性空芯光纤 间歇连续波 一氧化氮 二氧化氮 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0306003
Author Affiliations
Abstract
1 Peking University, College of Future Technology, Department of Biomedical Engineering, Beijing, China
2 Peking University, National Biomedical Imaging Center, Beijing, China
In recent years, notable progress has been achieved in both the hardware and algorithms of structured illumination microscopy (SIM). Nevertheless, the advancement of three-dimensional structured illumination microscopy (3DSIM) has been impeded by challenges arising from the speed and intricacy of polarization modulation. We introduce a high-speed modulation 3DSIM system, leveraging the polarization-maintaining and modulation capabilities of a digital micromirror device (DMD) in conjunction with an electro-optic modulator. The DMD-3DSIM system yields a twofold enhancement in both lateral (133 nm) and axial (300 nm) resolution compared to wide-field imaging and can acquire a data set comprising 29 sections of 1024 pixels × 1024 pixels, with 15 ms exposure time and 6.75 s per volume. The versatility of the DMD-3DSIM approach was exemplified through the imaging of various specimens, including fluorescent beads, nuclear pores, microtubules, actin filaments, and mitochondria within cells, as well as plant and animal tissues. Notably, polarized 3DSIM elucidated the orientation of actin filaments. Furthermore, the implementation of diverse deconvolution algorithms further enhances 3D resolution. The DMD-based 3DSIM system presents a rapid and reliable methodology for investigating biomedical phenomena, boasting capabilities encompassing 3D superresolution, fast temporal resolution, and polarization imaging.
digital micromirror device electro-optic modulation polarization three-dimensional structured illumination microscopy Advanced Photonics Nexus
2024, 3(1): 016001
北京信息科技大学高动态导航技术北京市重点实验室, 北京 100000
针对高旋弹用MEMS-IMU在传统标定方法中不能全面激活误差, 且存在标定流程复杂、标定效率低的问题, 设计一种高旋弹用MEMS-IMU自动标定系统和方法。首先分析了高旋弹用MEMS-IMU输出特性, 构建误差模型, 设计十二位十八速的标定方案, 并优化转台转动方案。通过自动标定系统, 实现高旋弹用MEMS-IMU的自动标定。实验结果表明, 该方法能实现对高旋弹用MEMS-IMU的自动标定, MEMS陀螺仪滚转、俯仰和偏航轴精度较传统方法分别提升98%,72%,73%以上; MEMS加速度计三轴精度分别提升53%,47%,7%, 同时整个标定流程时间大幅减少, 提高了标定效率。
高转速环境 自动标定系统 high-speed rotation environment MEMS-IMU MEMS-IMU automatic calibration system
1 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部，上海 201800
2 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室，上海 201800
3 中国科学院大学，北京 100049
铷87的双光子光谱具有高信噪比、无多普勒展宽、窄线宽等特点。构建了基于87Rb原子双光子跃迁的光学频率参考，分析测试了影响其短期稳定度的因素。利用778 nm外腔半导体激光器激发双光子跃迁产生420 nm荧光信号，通过荧光信号锁定激光器频率。探讨了谱线线宽、信噪比、功率、温度相关的谱线展宽、光频移、系统结构稳定性和调制宽度等对频移和稳定度的影响。采用螺栓锁紧结构固定光学元件，大幅改善了光学对准引起的稳频误差，通过直接调制激光器电流实现了秒级稳定度为1.5×10-12、500 s稳定度为2.88×10-13的光学频率参考。与其他基于饱和吸收的光学频率参考相比，构建的基于87Rb原子双光子跃迁的光学频率参考的稳定度提高了10~100倍。光学对准对于提高荧光探测信噪比和优化长期稳定度具有重要意义。验证了内调制实现双光子光学频率参考的可行性，并提出了进一步优化短期稳定度和长期稳定度可采用的技术方案。
激光器 双光子跃迁 激光稳频 光学对准 频率稳定度 中国激光
2023, 50(23): 2301013
Author Affiliations
Abstract
1 Electronic Materials Research Laboratory, Key Laboratory of the Ministry of Education & International Center for Dielectric Research, School of Electronic Science and Engineering, Xi’an, P. R. China
2 State Key Laboratory for Mechanical Manufacturing System, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, P. R. China
Lead-free piezoelectric sodium bismuth titanate (()TiO3, BNT) thin films were epitaxially grown onto (001)-, (110)-, and (111)-oriented Nb:SrTiO3 (STO) single crystal substrates prepared by sol–gel processing. Highly oriented growth in (001), (110), and (111) BNT thin films was obtained in this work benefiting from the lattice match between the BNT film and the STO substrate. The different growth models in thin films with various orientations result in various surface morphologies dependent on the film orientation. The piezoresponse of the BNT thin films was represented exhibiting a strong orientation dependence that (110)>(001)>(111). This is contributed by the various domain switching contribution related to the crystal symmetry and polarization distribution in the three oriented thin films.
Sodium bismuth titanate lead-free orientation dependence thin films piezoelectric properties Journal of Advanced Dielectrics
2023, 13(4): 2341003
钙钛矿(ABO3)型压电陶瓷的发展已有几十年历史, 现存有大量数据, 从这些数据中寻找出材料结构与性能之间的关系很有意义。本工作收集了BiFeO3-PbTiO3-BaTiO3钙钛矿型压电陶瓷居里温度(Tc)实验数据, 通过机器学习，构建钙钛矿型压电陶瓷Tc的预测模型。热力学角度, Tc与约合质量符合二次多项式关系, 但偏差较大。选择元素信息、物理量、空间群编号等基础描述符, 利用基于压缩感知原理的SISSO(Sure Independence Screening and Sparsifying Operator)方法进行机器学习, 找出了Tc与成分之间的相关性。比较不同描述符在不同维度上的均方根误差RMSE (Root Mean Square Error), 发现描述符越多、越基础, 维数越大、RMSE越小。同时比较相同个数描述符在同一维度下的RMSE, 用约合质量、A位和B位的离子半径比、A位和B位的未填充电子数比和Ba、Pb、Bi的元素含量等六个描述符构建出最优的四维模型, 其RMSE为0.59 ℃, 最大绝对误差(MaxAE)为1.38 ℃, 外部测试的平均相对误差MRE (Mean Relative Error)为1.00%。结果表明，利用SISSO可以进行有限样本钙钛矿型压电陶瓷Tc的机器学习预测。
钙钛矿型压电陶瓷 机器学习 居里温度 SISSO perovskite piezoelectric ceramics machine learning Curie temperature SISSO
1 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室, 安徽 淮南 232001
2 安徽理工大学空间信息与测绘工程学院, 安徽 淮南 232001
以淮南矿区谢桥矿和潘二矿的煤和岩石样本为研究对象, 通过地物光谱仪采集样本反射率光谱曲线, 同时检测样本氧化物含量、 水分、 灰分及挥发分含量, 将样本的反射率光谱曲线和样本成分含量分别作为自变量, 样本类别“煤”和“岩石”两种矿物类型作为因变量, 建立煤和岩石识别模型对煤和岩石进行二分类。 该研究主要采用三种模型, 分别为主成分分析结合支持向量机(PCA-SVM)、 主成分分析结合BP神经网络(PCA-BP)模型和核主成分分析结合支持向量机(KPCA-SVM)模型。 结果表明, 基于可见光近红外光谱的三个模型中, 核主成分分析结合支持向量机模型的识别精度最高, 建模平均精度为95.5%, 验证平均精度约为90.56%; 基于样本成分的三个模型中, 核主成分分析结合支持向量机模型的识别精度最高, 建模平均精度为98.5%, 验证平均精度约为95%。
可见光-近红外光谱 主成分分析 核主成分分析 支持向量机 BP神经网络 Visible-near infrared spectroscopy Principal component analysis Nuclear principal component analysis Support vector machine BP neural network 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2135
为解决大机动目标拦截过程中加速度信息难以预测的问题, 利用自适应RBF神经网络和反步滑模控制技术提出一种新型三维智能制导律。首先, 基于零化视线角速率的思想, 建立了拦截机动目标的三维制导模型, 并结合反步滑模算法设计了有限时间制导律;然后, 将目标加速度信息视为控制系统的不确定性, 采用RBF神经网络对其进行在线估计和补偿, 同时设计自适应切换增益以抑制控制系统抖振;最终, 基于Lyapunov直接法证明了整个闭环控制系统的稳定性, 并通过对比仿真验证了所提三维制导律的有效性和优越性。
导弹拦截 三维制导律 反步滑模 神经网络 自适应控制 missile interception 3D guidance law backstepping sliding mode control neural network adaptive control
1 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京 100000
喷泉钟量子化轴磁场的空间均匀性和时间稳定性是制约原子钟输出频率稳定度和不确定度的重要因素。从外磁场屏蔽、磁场线圈设计、线圈电流源稳定性等方面考虑,构建并优化设计了一套可搬运铷喷泉原子钟量子化轴磁场系统。为了消除环境磁场对量子化轴磁场的影响,使用5层坡莫合金磁屏蔽进行外磁场的屏蔽;利用4组对称的补偿线圈,通过计算给予合适的电流,获得喷泉钟内部30 cm原子自由飞行尺度内磁场波动小于1 nT;通过改善C场供电电流方式,从而优化量子化轴磁场的时间稳定性,磁场随时间的波动小于0.1 nT。优化后喷泉钟长期频率稳定度达2.9×10 -16,磁场空间分布不均匀性带来的二阶塞曼频移不确定度为3.4×10 -19,由磁场随时间波动带来的二阶塞曼频移的不确定度为5.1×10 -17。
原子与分子物理学 塞曼效应 超精细结构 原子钟 磁敏跃迁法 光学学报
2021, 41(19): 1902001
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Quantum Optics, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 College of Materials Science and Opto-Electronic Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
In this article, taking advantage of the special magnetic shieldings and the optimal coil design of a transportable Rb atomic fountain clock, the intensity distribution in space and the fluctuations with time of the quantization magnetic field in the Ramsey region were measured using the atomic magneton-sensitive transition method. In an approximately 310 mm long Ramsey region, a peak-to-peak magnetic field intensity of a 0.74 nT deviation in space and a 0.06 nT fluctuation with time were obtained. These results correspond to a second-order Zeeman frequency shift of approximately . This is an essential step in advancing the total frequency uncertainty of the fountain clock to the order of .
Zeeman effect hyperfine structure atomic clock magnetic-sensitive method Chinese Optics Letters
2021, 19(12): 120201
