1 理论物理研究所 量子光学与光量子器件国家重点实验室，极端光学协同创新中心 山西大学 山西 太原 030006
2 理论物理研究所 量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西省沁县中学 山西 沁县 046400
Rabi模型一直是近年来研究的热点, 本文研究该模型在多光子跃迁下的量子相变及多稳态。通过自旋相干态变分法等效的赝自旋哈密顿量被对角化并解得了系统的能量泛函表达式, 同时根据变分结果求得光子数解的情形和临界值, 最后给出基于光子数解和系统稳定性相图。本文主要给出了单光子、两光子和多光子跃迁对Rabi模型量子态、多稳性和量子相变的影响。该结果有助于实验上通过调控腔频来诱导有趣的量子相变。
Rabi模型 多光子跃迁 量子相变 自旋相干态变分法 能量泛函 Rabi model multiple-photon transition quantum phase transition spin-coherent-state variational method the energy functional 量子光学学报
2023, 29(4): 040101
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家实验室；吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
为了提升激光等离子体极紫外光刻机光源中高重复频率、短脉冲CO2主振荡功率放大系统能量提取效率，需开展种子光光强截面分布与激光放大器增益分布的耦合匹配特性研究。基于欧拉-拉格朗日公式与Frantz-Nodvik方程，采用变分法求解了特定增益分布下最优种子光光强分布函数，研究了种子光半径、种子光光强分布与放大器增益分布对功率提取效率的影响。数值模拟表明：当脉冲种子光功率为500 W时，基模高斯光束的最优光束半径为0.54 cm，低功率种子光的最优光束半径与放大器增益宽度不相等；当脉冲种子光功率为2000 W时，高阶超高斯光束的最优光束半径接近增益区域半径，8阶超高斯光束对应的最佳光束半径为0.9 cm，功率提取值为3409 W，采用高阶的增益分布和与之匹配的超高斯光束能够极大提升放大器的能量提取值。该研究结果将为脉冲CO2主振荡功率放大系统的设计提供理论指导。
极紫外光源 CO2激光 脉冲放大 增益-光强匹配 变分法 激光与光电子学进展
2023, 60(23): 2314008
1 大连大学,信息工程学院
2 大连大学,大连市环境感知与智能控制重点实验室, 辽宁 大连 116000
针对三维复杂环境下高时效规划无人机航迹问题, 提出一种改进的双向A*算法。设计扇面搜索域, 减少计算开销; 动态调整启发函数权重, 优化代价函数, 提高搜索效率; 引入关键节点筛选策略, 消除航迹中的冗余点, 生成全局最优静态航迹。就飞行航迹中出现的动态避障问题, 设计动态避障航迹最短优化目标函数, 提出基于变分法的动态避障算法, 考虑航迹容忍度, 实现局部航迹在线调整和优化。仿真结果表明, 设计的航迹规划算法不仅能在复杂环境下高时效规划出一条期望航迹, 还能对突发威胁动态避障。
无人机 航迹规划 动态避障 改进的双向A*算法 变分法 UAV trajectory planning dynamic obstacle avoidance improved bidirectional A* algorithm calculus of variations
中国科学院合肥物质科学研究院, 安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
成像差分吸收光谱技术是成像光谱技术和差分吸收光谱技术的结合, 能够采集图谱合一的数据立方, 并通过光谱反演得到痕量气体浓度的二维分布信息。 地基IDOAS仪器通过安装平台的水平旋转实现摆扫成像, 可用于识别污染气体的排放源和监测气体的扩散情况。 然而和所有的成像光谱技术相类似, 地基IDOAS也容易出现条带噪声的问题, 会产生相应的伪结构, 影响后续的信息提取和数据分析。 目前星载和机载IDOAS中常见的条带噪声去除算法有均匀区域校正法、 传输模型模拟法、 傅里叶变换频域滤波法、 多项式拟合法等, 应用到地基仪器中均存在不适用的问题。 介绍了一种基于权重变分模型的条带噪声去除算法, 该算法首先通过分块自适应阈值分割得出表征遮挡区域的权重矩阵, 然后利用条带噪声的方向性和稀疏性建立各向异性的变分模型, 最后通过交替方向乘子算法迭代求解。 为检验去条带算法的可靠性, 使用稀疏、 稠密、 周期、 随机、 整行、 部分、 单行、 多行等多种模拟噪声进行了性能测试。 测试结果证明权重变分算法能够有效去除各种常见的条带噪声, 目视效果和四种全参考评价指标均有良好的表现。 地基IDOAS于2018年夏季在四川乐山进行了外场实验, 实验中仪器的水平扫描范围覆盖360°全方位角, 扫描间隔为1°, 垂直方向仪器同时采集0°~30°仰角内的光谱。 仪器的积分时间设置为500 ms, 每组全景扫描的工作时间约为15 min。 利用DOAS技术对采集到的太阳散射光谱进行反演, 最终得到的NO2和SO2气体的二维浓度分布图的像素大小为360×48。 从反演结果来看, 条带噪声对不同时间和不同气体的观测结果的影响大小均不同。 经权重变分算法处理后, 多组NO2和SO2浓度分布中的条带噪声情况得到极大的改善, 并且没有出现过度平滑的情况。 结果表明, 该算法适用于地基IDOAS数据的条带噪声去除。
成像差分吸收光谱 条带噪声 变分法 光学遥感 Imaging differential optical absorption spectroscopy Stripe noise Variation Optical remote sensing
全同性原理要求电子波函数必须满足交换反对称性的条件,针对其对多电子系统的瞬态吸收谱产生的影响,运用Ritz变分法求出了具有全同反对称性的氦原子波函数。在此基础上,通过求解三能级模型并与不考虑电子交换作用的旧模型对比,在理论上研究了氦原子阿秒极紫外(XUV)光瞬态吸收谱。该研究突破传统所采用的单电子跃迁模型,重点考虑电子的交换作用对XUV光瞬态吸收谱的影响。研究发现该交换作用对该瞬态吸收谱的强度和吸收峰的位置等物理量都有重要的影响,该研究结果可为运用瞬态吸收谱探测原子内电子超快关联动力学提供参考。
原子与分子物理学 氦原子的XUV光吸收谱 交换作用 三能级模型 Ritz变分法 全同反对称性
1 南昌交通学院 江西 南昌 330100
2 南昌交通学院 江西 南昌 330100
空间光孤子是介质衍射效应和非线性效应相平衡的结果。当两束非相干光在非线性介质中传输时, 两孤子发生交叠而产生相互作用, 本文研究自散焦介质中非相干耦合暗孤子对的传输特性和相互作用。基于描述光束传播的耦合非线性薛定谔方程组, 利用变分法, 首先得到了自散焦克尔介质中传输的两暗孤子的幅值、横向中心位置坐标、速度和相位随传输距离变化的参数演化方程组, 讨论了孤子参数演化的规律。然后, 为分析孤子间相互作用, 导出了两幅值相等的暗孤子在传输过程中孤子间距随传输距离的变化规律, 作出了孤子对传输图像和相互作用图像, 最后导出了孤子间相互作用势能和相互作用力的表达式, 并利用图像详细分析了孤子间的相互作用特性。研究结果表明: 无损耗情况下, 孤子的幅值不受耦合作用的影响, 传输过程中保持不变; 耦合相互作用使两孤子横向中心位置坐标发生明显漂移, 当两孤子间距较小时, 孤子间距随传输距离作变速变化, 变化速率与孤子的幅值和耦合程度有关, 当两孤子间距趋近于零时, 孤子间距随传输距离呈匀速的稳定变化; 暗孤子间的相互作用力为排斥力, 随着孤子间距增大, 排斥力先增大后减小, 而相互作用势能一直逐渐减小, 当孤子间距增至4.5附近时, 孤子间势能减小到几乎为零。
非线性光学 暗孤子 变分法 自散焦 非相干 nonlinear optics dark soliton variational method self-defocusing incoherence
1 国防科技大学电子科学学院, 湖南 长沙 410073
2 国防科技大学电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室, 湖南 长沙 410073
3 91236部队气象中心, 辽宁 葫芦岛 125000
4 民航湖南空管分局气象台, 湖南 长沙 410073
基于单部雷达的三维风场精细反演是航空气象学、精准风力资源评估等领域的重要研究问题。为高效、准确地获得小尺度风场的精细三维结构,提出一种基于单部激光雷达探测的三维风场局地/全局变分反演算法。本算法首先在小范围内构建局地变分法用于反演三维风场初值,然后在激光雷达扫描区域内基于全局变分法对初值进行调整。在仿真中对比了本文方法迭代10次和两步变分法收敛后的结果,发现本文方法性能优于两步变分法,在较均匀风场情况下本文算法反演三维风速的均方根误差平均降低1.49 m/s,在不均匀风场情况下平均降低1.19 m/s。仿真结果和外场实验数据分析表明,在激光雷达扫描区域覆盖较大仰角范围的情况下,本文算法可较为快速准确地获得三维风场反演结果,在航空安全、风资源评估等领域具有较好的应用潜力。
遥感 激光雷达 三维风场 探测 反演 变分法 光学学报
2021, 41(20): 2028002
山西大学理论物理研究所, 山西 太原 030006
本文用相干态变分法研究了旋波近似下单模光腔中两个二能级原子多稳态和Dikce相变。首先我们得到系统的本征态和本征能量, 并通过变分求解不同的光子数解和边界条件。通过调节参数, 多重稳定态等丰富相图被呈现, 系统除了正常相到超辐射相的量子相变,还出现一组分原子反转的正常态到受激辐射态的相变, 而两组分原子都反转的正常态在全空间稳定存在。
T-C模型 Dicke相变 相干态变分法 反转的辐射态 T-C model Dicke phase transition coherent state variational method inverse radiation state
研究了非相干耦合光束在损耗介质中的传输特性。采用变分法导出了介质损耗条件下非相干耦合光束的振幅、间距、相位、传播速度等参数演化方程组, 在此基础上经变换得到了两空间光孤子的相互作用势能和相互作用力表达式, 并结合画图分析了介质损耗对孤子的传输及相互作用的影响。研究表明介质损耗减慢了孤子相位的变化速度; 介质损耗还使孤子相互作用随传输距离呈现指数型衰减, 长距离传输可能会导致孤子对的变形崩溃; 孤子间的相互作用存在最大值, 当孤子间距大于某一定值时, 两孤子会互不干扰地独立传输。
非线性光学 空间光孤子 变分法 非相干耦合 损耗 nonlinear optics spatial optical soliton variational principle incoherently coupled loss
上海大学微电子研究与开发中心, 上海 200444
为了解决当前去雨算法恢复效果差、时效性一般的缺陷,提出了一种结合时间方向梯度与水平方向梯度的快速视频去雨算法。首先,将有雨图像分为背景层和雨痕层,并用背景层的时间方向梯度和雨痕层的水平方向梯度以及各层对应的预训练高斯混合模型作为先验条件,构建模型函数;其次,利用半二次分裂法对所得非凸函数进行等效变换,获得用于最小化的目标函数;最后,利用快速总变分法优化模型函数,得到模型函数的最优解。实验结果表明,相比其他算法,本算法的去雨恢复效果更优、时效性更好,且速度更快,平均峰值信噪比提升了1 dB以上。
图像处理 视频去雨 方向梯度 高斯混合模型 快速总变分法 激光与光电子学进展
2021, 58(6): 0610013
