1 铁道警察学院刑事科学技术系, 河南 郑州 450053山西大同大学微结构电磁功能材料山西省重点实验室, 山西 大同 037009
2 山西大同大学微结构电磁功能材料山西省重点实验室, 山西 大同 037009
3 同济大学物理科学与工程学院, 先进微结构材料教育部重点实验室, 上海 200092
超精密的微纳器件是制造领域的核心器件, 随着超精密加工技术的迅猛发展, 对相应的微纳检测技术要求越来越高。 微纳检测技术是保证超精密加工技术精确稳定的重要手段, 是超精密加工技术进一步发展的前提。 现有的微纳器件表面轮廓检测方法按是否使用光学原理可以分为光学类和非光学类, 非光学类检测通常为点扫描、 接触检测的方式, 检测效率低, 容易破坏待测器件的表面形貌。 光学类的检测方式多为面扫描, 非接触式测量, 不会划伤待测器件, 检测效率高。 在光学检测中, 白光干涉技术由于其相干长度短的特点, 可实现微纳器件三维形貌的高精度测量, 受到国内外研究人员的广泛关注。 在白光干涉检测技术中, 信号解调算法对整个检测系统至关重要, 传统的白光干涉信号解调算法只采用了干涉信号的部分信息, 解调精度较低, 而高精度的相移解调算法又依赖于粗定位的精度, 无法直接实现高精度的三维形貌恢复。 为了解决以上问题, 提出以相关度为基础的信号解调算法, 该算法通过三级滑动窗口计算相关度, 利用了白光干涉信号的全部信息, 无需粗定位, 就可直接确定待测物体的表面三维形貌信息。 为验证该算法的性能, 对其进行了模拟仿真和实验验证。 模拟仿真结果表明该方法具有可行性, 可准确恢复仿真待测三维结构形貌, 采用三级滑动窗的设置可有效提高运算效率。 同时, 搭建了白光干涉垂直扫描实验系统, 并对光栅结构和微透镜结构进行了测量, 将实验结果与传统的重心法和相移法进行了比较。 实验结果表明该方法能准确恢复出不同物体的三维形貌, 精度及鲁棒性均优于改进的重心法, 接近相移法, 光栅高度的恢复结果表明该方法与相移法的误差小于0.5 nm。 仿真和实验结果表明, 所提出的基于相关度的白光干涉信号解调方法是可行的, 无需粗定位便可实现待测物体表面三维形貌的高精度恢复, 具有高精度、 高鲁棒性的特点。
白光干涉 相关算法 三维形貌 White light interference Correlation algorithm Three-dimensional topography 光谱学与光谱分析
2023, 43(6): 1941
1 同济大学物理科学与工程学院先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092
2 山西大同大学物理与电子科学学院微结构电磁功能材料山西省重点实验室，山西 大同 037009
近年来受拓扑绝缘体启发而兴起的拓扑光子学有力地促进了电磁波调控和新型波功能器件的研究。光子人工带隙材料因其丰富的物态调控机制和高度定制化的设计自由度成为了研究拓扑光子学和研制鲁棒性光子器件的重要平台。本文主要综述了周期性二聚化以及准周期性Harper光子拓扑链中光子与人工带隙材料的相互作用，揭示了非厄密物理、宇称-时间对称转变和拓扑相变对能带和带隙的作用规律，以及光场本征态的调控和传输机制。围绕实际的共振耦合技术，介绍了非厄密拓扑物理启发下的具有拓扑保护特性的高性能近场无线传能和传感方案，并对非厄密拓扑物理对于无线传能和传感的发展将起到的作用进行了展望。
光学器件 非厄密物理 光拓扑结构 拓扑相变 无线传能 无线传感 光学学报
2023, 43(16): 1623011
1 铁道警察学院 刑事科学技术系，河南 郑州 450053
2 山西大同大学 微结构电磁功能材料山西省重点实验室，山西 大同 037009
3 同济大学 物理科学与工程学院，上海 200092
对于传统的Fabry-Perot腔激光器，光子在增益介质中沿任意方向传播。在腔内，只有沿着腔的轴线来回震荡的光子，达到一定的阈值后可以产生激射效应。然而，对于入射方向偏离反射镜腔壁的光子将从腔中耗散出去，从而使得激射效率较低。为了解决上述激光器所面临的缺陷，利用等效折射率为负1的负折射材料和零折射率材料组成一个双层结构作为Fabry-Pérot腔壁。对于此腔，以不同路径入射于腔壁的光子，都可以重新汇聚到原子所在的位置。经过多次正反馈，最终以垂直于腔壁的方向辐射出去，避免了光子在偏离激射方向上的耗散。此外，该腔的聚焦效应与准直效应与原子位置无关。随后，通过二维光子晶体分别实现了由0与-1等效折射率光子晶体组成的反射壁，当在腔中引入增益材料时，可以观察到明显的激射行为。与单个零折射率材料构成的腔相比，该腔的阈值更低，发射强度更大，从而提高了激射的效率。
多路径正反馈机制 激射效应 零折射率超材料 multipath positive feedback lasing effect zero-index metamaterials 
1 铁道警察学院刑事科学技术系, 河南 郑州 450053
2 山西大同大学微结构电磁功能材料山西省重点实验室, 山西 大同 037009
4 无锡谱视界科技有限公司, 江苏 无锡 214000
5 公安部物证鉴定中心, 北京 100038
6 同济大学物理科学与工程学院先进微结构材料教育部重点实验室, 上海 200092
人民币是中华人民共和国的法定货币, 人民币的真假直接关系到我国社会的和谐与稳定。 百元钞票作为我国最大面额钞票, 其真假的鉴定显得更为重要。 以2005版的百元钞票为例, 利用可见/近红外高光谱成像仪获取一张真钞与两张假钞正、 背面高光谱影像数据, 然后分别在百元钞票的正、 背面选取4个特征点, 以分析百元真假钞票在正、 背面的光谱反射率差异。 从真假钞正面四个特征位置的光谱反射率曲线可知, 不同特征点处, 真钞与假钞之间的有些图案的光谱反射率差异较大, 有些图案的光谱反射率则差异并不显著。 而不同批次的假钞, 其不同位置的光谱反射率也存在较大的差异。 对于真假钞背面的分析可知, 不同特征点, 在不同的波段, 真钞与假钞以及假钞之间的光谱反射率同样有一定的差异。 根据真钞与假钞正、 背面8个特征点的光谱反射率曲线变化特征, 选取500, 660和870 nm三个波长的灰度图, 观察到真钞与假钞在不同特征点的灰度图均表现出明显的差异。 真钞在500 nm处的图像轮廓清晰, 在660和870 nm两个波长, 无论是正面或背面, 真钞均有多处特征位置有异于假钞, 因此可用660或870 nm区别百元真假钞。 为了突出真钞与假钞之间的图像差异, 利用基于波段运算得到百元真钞与假钞的灰度图。 由图可知, 在正、 背面上, 真钞在多个地方均区别于假钞。 由真假钞正面的前12个主成分的灰度图可知, 无论从真、 假钞正面或是背面, 每一主成分均有真钞显著区别于假钞的地方。 根据真假钞正背面的纹理特征图可知, 真钞的纹理特征显著区别于假钞。 研究表明百元真钞与不同版本的假钞在可见/近红外光谱范围内光谱反射率差异显著, 近红外特征波段、 光谱运算、 主成分分析、 纹理特征等技术均可探寻到百元真假钞在正、 背面存在的位置差异。 由此可知, 可见/近红外高光谱成像技术可实现不同版本百元真假钞的鉴定, 并为假币的溯源提供了可能性和理论支持, 此技术在公安实战中具有实际意义。
高光谱成像 光谱分析 主成分分析 伪币鉴别 Hyperspectral imaging Spectroscopic analysis Principal component analysis Identification of forged banknotes 光谱学与光谱分析
2022, 42(9): 2903
1 山西大学物理电子工程学院，山西 太原 030006
2 山西大同大学微结构电磁功能材料省市共建山西省重点实验室，山西 大同 037009
为了在宽频内实现可开关的高效率线极化转换，设计了一个嵌入PIN二极管的十字架型极化转换超表面。仿真结果显示，当PIN二极管处于导通状态时，在4.03～7.71 GHz范围内，该超表面的极化转换率超过90%，相对带宽为62.7%；当PIN二极管处于截止状态时，该超表面在工作频段相当于反射板。通过理论分析和表面电流分布解释了极化转换机理。最后，对所制作样品的实验测量进一步证实了该超表面可开关的极化转换效果。所设计的超表面有望应用于电磁兼容和极化探测等领域。
材料 超表面 可开关极化转换 PIN二极管 宽带
1 山西大同大学微结构电磁功能材料省市共建山西省重点实验室, 山西 大同 037009
2 同济大学物理科学与工程学院先进微结构材料教育部重点实验室, 上海 200092
电磁波在媒质中的传输行为与媒质等频线的形状密切相关。双曲超材料的等频面为开放的双曲面,它支持任意大波矢的传播,将通常环境中以倏逝波形式存在的电磁波大波矢分量转换为传播场,从而实现更多奇特的电磁传输性。基于双曲线型等频面超材料,通过调节等频线的形状,制备出兼具双曲超材料和零折射率材料的新型材料,该材料不仅可以支持大波矢实现高方向性单向传输,同时可以将任意角度入射的电磁波以零角度折射,从而实现亚波长聚焦和超分辨特性。利用微波实验验证了高方向性单向传输特性、亚波长聚焦和超分辨特性,该研究为双曲超材料的理论和应用研究提供了更多的可能性。
材料 双曲超材料 平坦等频面 单向传输 深亚波长聚焦
1 山西大同大学 固体物理研究所, 山西 大同 037009
2 微结构电磁功能材料省市共建山西省重点实验室, 山西 大同 037009
3 新型微结构功能材料山西省高等学校重点实验室, 山西 大同 037009
4 太原理工大学 材料科学与工程学院, 山西 太原 030024
5 北京化工大学 理学院, 北京 100029
基于三维光子晶体空间完全带隙的特性, 本文在实验上构建了一种由非共面的两个波导和一个立体微腔组成的四端口通道下载滤波器。讨论了球体、正方体、长方体微腔滤波器的选频特性, 以及连续旋转长方体微腔时, 其输出频率的变化。研究结果表明, 无论是对称型还是非对称型微腔, 都可以较好地实现选频。提高微腔的不对称性, 共振输出频率随之发生移动, 说明改变微腔的对称性, 可以有效调节滤波器的选频特性。连续旋转非对称型长方体微腔, 输出频率会随之发生明显的移动,如果引入有效调节机制, 可以产生连续调节输出频率的效果。该研究结果给多端口选择性输出空间滤波器的设计提供了新的思路, 为光学器件集成化的设计提供了重要的理论参考。
光子晶体 下载滤波器 photonic crystal Woodpile Woodpile drop filter
1 山西大同大学 微结构电磁功能材料省市共建山西省重点实验室, 山西 大同 037009
2 太原理工大学 材料科学与工程学院, 山西 太原 030024
通过计算损耗型单负材料双层异质结构中的透射、反射和吸收随损耗系数的变化, 对单负材料双层异质结构基于损耗的光学性质调控进行了研究。首先, 对损耗型单负材料单层结构的透射行为进行了计算, 给出了单层结构随损耗系数增大的非单调透射的变化图像。接着, 计算了损耗型单负材料双层异质结构中的透射、反射和吸收随损耗系数的变化曲线, 并分析了不同频率下透射与损耗系数之间的关系。研究结果表明, 在远离隧穿频率处, 随损耗系数的逐渐增大, 异质结的透射呈现出先减小后增大的变化。计算的电磁场强度分布图像表明, 双层异质结中透射与损耗系数之间为非单调关系, 起源于损耗型单负材料界面处的反常场局域效应, 即随着损耗系数的增大, 场局域先减弱后增强。
单负材料 光学性质 异质结构 single-negative materials optical property heterosturcture
1 山西大同大学 固体物理研究所,山西 大同037009
2 新型微结构功能材料山西省高校重点实验室,山西 大同037009
将损耗型负介电常数材料-光子晶体匹配的异质结构作为基本单元排列成周期性结构，组成一种新型的光栅结构，利用有限元分析方法计算了该结构的透射特性。通过分别对比不同的光栅周期长度以及异质结构在光栅结构中不同占比对透射率的影响，确定了光栅结构的透射率与单独的异质结构相比有显著的提高。同时，通过对电磁场的分析，解释了该光栅结构透射率提高的物理原因，这是由光栅结构对电磁场的周期性调制作用导致的。
透射特性 有限元分析 光栅结构 负介电常数材料 transmission characteristics finite element analysis grating structures negative permittivity materials
山西大同大学固体物理研究所, 山西 大同 037009
利用隧穿机制研究了含磁光金属Co6Ag94的三明治结构（磁光金属嵌入两个磁光光子晶体中）的透射性质和磁光法拉第旋转效应。在含磁光金属的三明治结构中，分别研究了双透射峰和单透射峰两种情况。研究结果表明，无论是双透射峰还是单透射峰情况，局域在磁光金属和磁光光子晶体界面上的电磁场，都能够同时增强磁光金属的透射和磁光法拉第旋转效应。另外，分析了磁光金属Co6Ag94存在增益时该三明治结构法拉第旋转角达到-45°的情况，此性质为设计小型化的磁光隔离器件提供了理论依据。
材料 特异材料 光子晶体 法拉第旋转效应 磁光金属
