华南理工大学物理与光电学院，广东 广州 510641
反手性拓扑光子态是具有抗背向散射及免疫缺陷特性的新型波导态，其在拓扑光子晶体的两个平行边界沿相同方向单向传输，在拓扑激光、集成光路、量子信息等领域展示出应用潜力。本文聚焦反手性拓扑光子态研究进展，从Dirac模型出发，推演经典Haldane模型、反手性Haldane模型以及异质Haldane模型，并展示不同拓扑态的传输行为。讨论手性边界态、反手性边界态以及单向体态在光子晶体中的实现，重点介绍基于反手性拓扑光子态的紧凑单向波导、拓扑环形腔、拓扑分束器等拓扑光学器件。最后针对反手性拓扑光子态研究面临的关键问题、未来发展趋势进行分析和展望。
反手性拓扑光子态 单向传输 拓扑光子晶体 拓扑器件 激光与光电子学进展
2024, 61(15): 1500001
1 国网宁夏电力有限公司 宁东供电公司，宁夏 银川 750411
2 云智慧(北京)科技有限公司，北京 100094
摘要：为解决区域变电站五防系统可信协同操作难度大的问题，提出了一种基于区块链的区域变电站智能五防控制方法。首先，通过虚拟专网建立区域变电站之间的通信信道，实现各变电站之间的安全通信；然后，采用区块链技术建立区域变电站之间各设备的五防可信认证机制，实现区域变电站的可信协同五防操作；最后，在某省区域变电站仿真环境应用该方法进行区域变电站智能五防控制。仿真结果表明：所提方法的操作指令正确执行率为99.92%，能实现区域变电站各设备之间的可信认证操作，提升区域变电站五防管理水平。
区域变电站 智能五防系统 区块链 可信认证 安全通信 regional substation, intelligent five-prevention s
产业技术综合研究所分析测量标准研究部门，日本 筑波 305-8568
相移法是分析条纹图案相位信息的一种有力工具。介绍新开发的时空域相移法（ST-PSM）的基本原理和在非接触式三维形状测量中的应用。模拟结果表明，ST-PSM可以大幅减少随机噪声，同时可以消除图像传感器的非线性响应、动态范围小等对测量结果的影响。实验结果表明ST-PSM在曝光极端不足的条件下可以进行稳定的非接触形状测量。
三维光学测量 相位分析 傅里叶变换 时空分析 形状测量 激光与光电子学进展
2023, 60(8): 0811024
Author Affiliations
Abstract
1 School of Physics and Optoelectronics, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China
2 State Key Laboratory of Luminescent Materials and Devices, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China
We present a discovery of an unusual unidirectionally rotating windmill scattering of electromagnetic waves by a magnetized gyromagnetic cylinder via an analytical theory for rigorous solution to fields and charges and an understanding of the underlying mathematical and physical mechanisms. Mathematically, the generation of nonzero off-diagonal components can break the symmetry of forward and backward scattering coefficients, producing unidirectional windmill scattering. Physically, this windmill scattering originates from the nonreciprocal unidirectional rotation of polarized magnetic charges on the surface of a magnetized gyromagnetic cylinder, which drives the scattering field to radiate outward in the radial direction and unidirectionally emit in the tangential direction. Interestingly, the unidirectional electromagnetic windmill scattering is insensitive to the excitation direction. Moreover, we also discuss the size dependence of unidirectional windmill scattering by calculating the scattering spectra of the gyromagnetic cylinder. These results are helpful for exploring and understanding novel interactions between electromagnetic waves and gyromagnetic materials or structures and offer deep insights for comprehending topological photonic states in gyromagnetic systems from the aspect of fundamental classical electrodynamics and electromagnetics.
unidirectional electromagnetic windmill scattering magnetized gyromagnetic cylinder topological photonics Chinese Optics Letters
2022, 20(5): 053901
1 长江大学地球科学学院, 湖北 武汉 430100
2 石家庄学院资源与环境科学学院, 河北 石家庄 050035
砷是严重危害人体的重金属之一。 利用高光谱技术进行土壤重金属砷含量的估测具有很大的应用潜力, 但受区域和土壤背景的影响, 估算模型适用性和精度都会有很大的差异。 针对石家庄市地表水源地保护区土壤砷含量的高光谱估算, 在水源地保护区的主要采矿地和冶炼企业进行了土壤实地采样和实验室重金属分析, 对土壤样本的原始光谱反射率采用Savitzky-Golay 7点平滑处理, 进行一阶微分(FD)、 二阶微分(SD)、 倒数(RT)、 倒数一阶微分(RTFD)、 倒数二阶微分(RTSD)、 倒数对数(AT)、 倒数对数一阶微分(ATFD)、 倒数对数二阶微分(ATSD)、 连续统去除(CR)9种光谱变换后, 再对重金属砷实测含量与经光谱变换后的光谱指标进行相关分析, 并提取各光谱指标的最大敏感波段。 运用多元线性逐步回归(MLSR)、 单光谱变换指标偏最小二乘回归(U-PLSR)和多光谱变换指标偏最小二乘回归(M-PLSR)方法构建土壤重金属砷含量估算模型, 最后通过相关系数r、 均方根误差(root mean square error, RMSE)和统计值F来比对建模效果。 结果表明: 研究区部分土壤样本重金属砷含量已经出现了轻度污染, 大部分样本处于污染的临界状态; 经连续统去除变换后的光谱特征与砷的相关性最大, 一阶微分与砷含量存在最大负相关性; 相较于多元线性逐步回归和单光谱变换指标偏最小二乘回归, 采取多光谱变换指标偏最小二乘回归方法土壤重金属砷含量模型估算值与实测值最为接近, 建模R2达到0.852, RMSE和F值分别达到0.147和32.384, 多光谱变换指标建模集成效果显著。 因此研究结果可以为石家庄水源地保护区主要采矿地和冶炼企业重金属砷污染高光谱快速监测提供科学依据。
重金属砷 高光谱 多元线性逐步回归 偏最小二乘回归 Heavy metal arsenic Hyperspectrum Multiple linear stepwise regression Partial least squares regression 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2872
1 北京应用物理与计算数学研究所，北京 100094
2 北京大学 应用物理与技术研究中心 高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室工学院，北京 100871
3 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900
4 中国工程物理研究院 上海激光等离子体研究所，上海 201800
5 中国矿业大学（北京），北京 100083
6 中国海洋大学 数学科学学院，山东 青岛 266100
7 安徽大学 物理与材料科学学院，合肥 230039
激光聚变有望一劳永逸地解决人类的能源问题，因而受到国际社会的普遍重视，一直是国际研究的前沿热点。目前实现激光惯性约束聚变所面临的最大科学障碍（属于内禀困难）是对内爆过程中高能量密度流体力学不稳定性引起的非线性流动的有效控制，对其研究涵盖高能量密度物理、等离子体物理、流体力学、计算科学、强冲击物理和高压原子物理等多个学科，同时还要具备大规模多物理多尺度多介质流动的数值模拟能力和高功率大型激光装置等研究条件。作为新兴研究课题，高能量密度非线性流动问题充满了各种新奇的现象亟待探索。此外，流体力学不稳定性及其引起的湍流混合，还是天体物理现象（如星系碰撞与合并、恒星演化、原始恒星的形成以及超新星爆炸）中的重要过程，涉及天体物理的一些核心研究内容。本文首先综述了高能量密度非线性流动研究的现状和进展，梳理了其中的挑战和机遇。然后介绍了传统中心点火激光聚变内爆过程发生的主要流体力学不稳定性，在大量分解和综合物理研究基础上，凝练出了目前制约美国国家点火装置（NIF）内爆性能的主要流体不稳定性问题。接下来，总结了国外激光聚变流体不稳定性实验物理的研究概况。最后，展示了内爆物理团队近些年在激光聚变内爆流体不稳定性基础性问题方面的主要研究进展。该团队一直从事激光聚变内爆非线性流动研究与控制，以及聚变靶物理研究与设计，注重理论探索和实验研究相结合，近年来在内爆重要流体力学不稳定性问题的解析理论、数值模拟和激光装置实验设计与数据分析等方面取得了一系列重要成果，有力地推动了该研究方向在国内的发展。
激光聚变 惯性约束聚变 流体力学不稳定性 高能量密度物理 非线性流动 辐射流体力学 内爆物理 laser fusion inertial confinement fusion hydrodynamic instability high-energy-density physics nonlinear flow radiation hydrodynamics implosion physics 强激光与粒子束
2021, 33(1): 012001
1 华南理工大学物理与光电学院, 广东 广州 510641
2 广东晶启激光科技有限公司, 广东 东莞 523808
光子晶体是由介电材料周期排列构成的人工微结构,在集成光电子学、微纳光子学等领域具有广阔的应用前景。本文对多光束全息干涉法制作复式光子晶体进行了理论和数值研究,根据多光束干涉原理给出了一种复式光子晶体的光束配置,并编写了MATLAB仿真程序,仿真结果与理论预测符合得很好。在此基础上,研究了单束、两束、三束以及四束光的不同偏振组合对复式光子晶体元胞的影响规律。研究结果表明,光束偏振组合对元胞的影响十分显著,在不同的偏振组合条件下可以获得双水滴状、双圆形等各种元胞形状;当所有光束同为线偏振时,复式光子晶体具有最佳的对比度。此外,本文还探讨了入射光初相位的变化对复式光子晶体元胞的影响。研究结果对于设计具有各种元胞形状的复式光子晶体具有指导意义,并可用于物理实验教学。
材料 光子晶体 全息干涉法 复式微结构 数值仿真 偏振组合 对比度 光学学报
2021, 41(11): 1116002
1 华南理工大学物理与光电学院, 广东 广州 510641
2 广东晶启激光科技有限公司, 广东 东莞 523808
拓扑光子态是具有单向传输特性的新型波导态,展示出抗背向散射、障碍物及缺陷免疫等独特而神奇的物理性质。拓扑光子态因其独特性在拓扑激光器、量子信息、混合集成光路、非线性光学等领域具有广泛的潜在应用。磁光光子晶体为实现拓扑光子态、探索拓扑光子态新物性提供了重要平台。本文聚焦磁光光子晶体中拓扑光子态的研究进展,首先回顾有序、无序晶格中的拓扑光子态,揭示拓扑光子态的微观物理图像。接着讨论时间和空间反演对称性双破缺体系中的拓扑光子态,简述反手性拓扑光子态的产生。然后介绍宽带拓扑光子态及拓扑慢光态研究,展示新颖的拓扑光学现象及器件设计。最后针对磁光光子晶体中拓扑光子态研究面临的关键问题、未来发展趋势进行分析和展望。
光学器件 磁光光子晶体 拓扑光子态 微观物理图像 器件设计
Author Affiliations
Abstract
1 School of Physics and Optoelectronics, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China
2 Guangdong Full-Spectra Laser Technology Co., Ltd., Dongguan 523808, China
3 Dongguan Sanhang Innovation Research Institute, Dongguan 523808, China
We use the nonlinear coupled-mode theory to theoretically investigate second-harmonic generation (SHG) in subwavelength x-cut and z-cut lithium niobate (LN) thin-film waveguides and derive the analytical formula to calculate SHG efficiency in x-cut and z-cut LN thin-film waveguides explicitly. Under the scheme of optimal modal phase matching (MPM), two types of LN thin films can achieve highly efficient frequency doubling of a 1064 nm laser with a comparable conversion efficiency due to very consistent modal field distribution of the fundamental wave and second-harmonic wave with efficient overlap between them. Such a robust MPM for high-efficiency SHG in both the subwavelength x-cut and z-cut LN thin-film waveguides is further confirmed in a broad wavelength range, which might facilitate design and application of micro–nano nonlinear optical devices based on the subwavelength LN thin film.
lithium niobate thin film modal phase matching nonlinear coupled-mode theory second-harmonic generation Chinese Optics Letters
2021, 19(7): 071902
