强激光与粒子束
2024, 36(1): 101004
1 江南大学物联网工程学院，江苏 无锡 214122
2 江南大学先进技术研究院，江苏 无锡 214122
模式转换器承担着波导基模到高阶模的转换任务，是片上多模光传输、模分复用传输的重要器件。基于薄膜铌酸锂平台，提出一种利用V形硅阵列的薄膜铌酸锂波导模式转换器，转换结构主要包括沿光传输方向排布的V形硅阵列，位于薄膜铌酸锂波导顶部。基于上述结构进行详细的设计与优化分析，在中心波长为1550 nm、转换长度仅为11 μm的情况下，实现了输入TE0模到输出TE1模的高效转换。模式转换效率为96.8%，串扰为-28.6 dB，插入损耗为0.78 dB。进一步对转换结构进行横向扩展，实现了输入TE0模到输出TE2模的高效转换。模式转换效率为91.3%，串扰为-14.3 dB，插入损耗为1 dB。若继续扩展，可获得其他高阶模。本器件及设计方法有望在薄膜铌酸锂波导多模光传输方向发挥优势，推动薄膜铌酸锂光子集成器件及回路的发展。
集成光学 集成光器件 光波导 铌酸锂 微光学器件 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0523001
Author Affiliations
Abstract
1 Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Wuhan 430074, China
2 Biomedical Engineering Department, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
3 RAYQUANT Technology Co., Ltd., Ezhou 436044, China
4 RAYSOLUTION Healthcare Co., Ltd., Hefei 230000, China
5 RAYMEASURE Technology Co., Ltd., Suzhou 215000, China
6 RAYCAN Technology Co., Ltd., Suzhou 215000, China
7 College of Computer Science and Software Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China
Modern scintillator-based radiation detectors require silicon photomultipliers (SiPMs) with photon detection efficiency higher than 40% at 420 nm, possibly extended to the vacuum ultraviolet (VUV) region, single-photon time resolution (SPTR) < 100 ps, and dark count rate (DCR) < 150 kcps/mm2. To enable single-photon time stamping, digital electronics and sensitive microcells need to be integrated in the same CMOS substrate, with a readout frame rate higher than 5 MHz for arrays extending over a total area up to 4 mm × 4 mm. This is challenging due to the increasing doping concentrations at low CMOS scales, deep-level carrier generation in shallow trench isolation fabrication, and power consumption, among others. The advances at 350 and 110 nm CMOS nodes are benchmarked against available SiPMs obtained in CMOS and commercial customized technologies. The concept of digital multithreshold SiPMs with a single microcell readout is finally reported, proposing a possible direction toward fully digital scintillator-based radiation detectors.
silicon photomultiplier complementary metal-oxide semiconductor digital SiPM Chinese Optics Letters
2024, 22(2): 020021
浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
铌酸锂晶体（LN）凭借优异的光学特性，已经成为构建新一代集成光电器件和光学系统的关键性基础材料。基于强场-物质相互作用的超快激光选择性材料修饰技术使得在三维空间中按需创建LN基功能化微结构成为可能，为探索LN光子学、发展LN先进加工技术、构建集成光子器件和光学系统提供了有力的工具。本文聚焦近年来国内外研究团队所取得的重要进展，从超快激光修饰LN基本原理出发，重点介绍了超快激光在LN内部诱导微纳光子结构的新现象、新机制和新应用，包括超快激光直写光波导、制备非线性光子晶体、操控铁电畴、多维光存储等前沿领域的最新成果。最后，对超快激光赋能LN光子学进行了展望。
超快激光 激光诱导 铌酸锂 光子结构 激光与光电子学进展
2024, 61(1): 0116001
1 华东交通大学轨道交通基础设施性能检测与保障国家重点实验室，江西 南昌 330013
2 浙江师范大学浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室，浙江 金华 321005
研究所设计Fe基和Co基合金激光熔覆层的组织结构及海水环境下摩擦磨损行为，用于解决地铁ER9车轮钢表面防护与修复问题。采用激光熔覆技术在ER9车轮钢表面制备Fe基合金涂层和Co基合金涂层，利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对比分析了两种熔覆层的微观组织结构、物相及化学元素组成，利用往复摩擦试验机考察了其在海水环境下的摩擦学性能。结果表明：在海水环境下的滑动摩擦中，车轮钢基体表面覆盖了大面积腐蚀产物且呈现出大量平行于滑动方向的沟槽。而在两种熔覆涂层中，铁基合金涂层主要由α-Fe、(Fe,Ni)和Cr7C3等固溶体组成，平均硬度(约638.8 HV)相当于基体(284.8~293.2 HV)的2.21倍，摩擦因数约为0.270，磨损率为9.64×10-5 mm3/(N·m)，磨损机制以轻微磨粒磨损为主，同时伴有腐蚀磨损。钴基合金涂层的结晶相主要是FeNi3相、γ-Co相和Cr23C6相，平均硬度(约467.9 HV)是基体约1.62倍，摩擦因数约为0.225，磨损率为3.06×10-5 mm3/(N·m)，磨损机制主要为轻微氧化磨损。
激光熔覆 海水 铁基合金涂层 钴基合金涂层 微观组织 摩擦磨损 laser cladding seawater iron-based alloy coating cobalt-based alloy coating microstructure friction and wear
1 国网新疆电力有限公司电力科学研究院, 新疆 乌鲁木齐830000
2 国网新疆电力有限公司, 新疆 乌鲁木齐830000
3 浙江工业大学材料科学与工程学院, 浙江 杭州310014
新疆作为我国“西电东送”的关键节点, 电网覆盖面积大。受新疆恶劣天气的影响, 常规设计的金具在服役过程中出现过早失效。为进一步提高线路金具的服役寿命, 采用激光强化的方式提高材料表面的耐磨损性能, 研究激光强化处理对U型环组织及硬度的影响。根据U型环的实际工况进行了金具磨损试验, 对磨损结果进行分析。最后, 对磨损后材料的剩余承载力进行测试。结果表明, 激光硬化层为针状及板条状马氏体组织, 硬化层平均硬度为638 HV, 深度约为2.1 mm。组1中未强化U型环的平均磨损质量为19.8 g, 组3中激光强化U型环的磨损质量平均为0.9 g, 其失重量为未强化U型环的4.5%。由破坏载荷试验可知, 激光强化U型环在磨损后的剩余承载力仍高于其标称破坏载荷。
电力金具 激光淬火 磨损 electric power fittings laser hardening wear
自动数字显微镜的关键技术之一就是自动对焦，为了提升对焦的速度，越来越多的深度学习方法被引入用于单帧图像的焦点预测。然而几乎所有的网络模型都过分信任其输出的结果，面对未知的样本即使输出错误的结果也不会给出任何警示。利用贝叶斯卷积神经网络的实现，可从单张图像中完成离焦距离的预测，并获得焦点预测结果的不确定性估计，此外提出通过设置不确定度阈值实现对焦点预测结果的筛选。在一个大型开源数据集上进行了测试，利用不确定性估计评估预测结果的有效性。结果表明，对比同类型样本，所提出的网络模型在未知样本上能够输出更高的不确定度，建立的筛选机制能有效减小模型在未知样本上的预测误差。在公共数据集上的两个样品的最终误差范围为 0.37±0.46 μm和 0.83±1.17μm，优于筛选前的 0.40±0.66μm和 1.08±1.78μm。
深度学习 自动对焦 贝叶斯神经网络 焦点预测 不确定性分析 deep learning autofocus Bayesian neural network focus prediction uncertainty analysis
1 江南大学 物联网工程学院, 江苏 无锡 214122
2 江南大学 先进技术研究院, 江苏 无锡 214122
模式转换器能够完成波导基模到高阶模的转换, 是片上多模光传输、模分复用传输的重要器件。文章基于薄膜铌酸锂（TFLN）波导, 提出了一种利用纳米线加载结构设计的模式转换器, 转换结构主要包括沿光传输方向以锥形方式排布的硅纳米线光栅及利用相变材料构建的矩形纳米线, 两者分别位于TFLN光波导顶部的两侧。基于上述结构进行了详细的设计与优化分析, 在中心波长为1.55μm, 转换长度仅为6μm的情况下, 实现了输入TE0模到输出TE1模的高效转换（模式转换效率97.6%, 串扰-19.7dB, 插入损耗0.31dB）; 进一步对转换结构进行横向扩展, 实现了输入TE0模到输出TE2、TE3以及TE4模的高效转换, 若继续扩展, 可获得其它高阶模。本器件及设计方法有望在TFLN光波导多模光传输方向发挥优势, 推动TFLN光子集成器件及回路的发展。
集成光学 集成光器件 光波导 铌酸锂 微光学器件 integrated optics integrated optics devices waveguides lithium niobate micro-optical devices
1 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130000
2 中国科学院大学, 北京 100000
针对紫外-可见光谱定标精度需求,设计了一款波段范围在185~900nm的三光栅单色仪; 为提高单色仪的波长扫描精度,降低高精度波长扫描机构在工程上的成本。建立了光栅转角误差对扫描机构波长精度的影响模型,设计了基于高精度编码器的转角误差补偿装置,通过软件不同参数设置和算法设计的补偿算法,实现了波长扫描机构的精度校正; 实验结果表明,通过参数算法补偿后,扫描机构的波长准确性精度和波长重复性精度在工作波段范围内有所提高,不同波长下其精度的提高程度不同,其中,波长准确性精度提高比范围为20.8~35.2%,波长重复性精度提高比范围为61.5~95.2%。实验结果验证了误差补偿装置及补偿算法的有效性,提高了波长扫描机构的精度,降低了高精度波长扫描机构在工程应用上的成本。
单色仪 波长扫描机构 高精度编码器 补偿算法 monochromator wavelength scanning mechanism high precision encoder compensation algorithm
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 长春光机科技发展有限责任公司, 吉林 长春 130033
单色仪广泛应用于光谱定标、物质分析等方面，因此，对于高光谱分辨率单色仪系统的研究具有重要意义。本文基于矢量光栅方程推导考察了入射狭缝高度对光谱仪器谱线弯曲的影响程度，给出了谱线弯曲同波长、狭缝高度的解析表达式，进而提出了一种基于狭缝高度抑制谱线弯曲的单色仪光谱分辨率优化方案。结合高灵敏度、超快时间响应探测器的性能指标要求，设计了一款光谱分辨率为0.1 nm，波段范围为185 nm~900 nm的三光栅单色仪光学系统，并搭建样机验证狭缝高度对谱线弯曲的影响，进一步探究了狭缝高度对光谱分辨率的影响规律。实验结果表明：在狭缝宽度一定时，对狭缝高度进行优化，可将光谱分辨率从0.32 nm提高至0.1 nm。
单色仪 谱线弯曲 狭缝高度 光谱分辨率 monochromator spectral line bending slit height spectral resolution
