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水下无线光通信物理层安全性研究

物理学报 2025年

作者：卫祎昕杨昌钢卫阿敏张国峰秦成兵陈瑞云胡建勇肖连团贾锁堂山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室山西大学极端光学协同创新中心

水下无线光通信（UWOC）具有定向传输的特点，相较于声呐、无线电等广播式传输模式具有更高的安全性．然而，由于海水散射效应部分光子在传输过程中会被散射出预设路径，从而造成信息泄露风险．本文基于搭线窃听信道模型提出一种UWOC物... 详细信息

水下无线光通信（UWOC）具有定向传输的特点，相较于声呐、无线电等广播式传输模式具有更高的安全性．然而，由于海水散射效应部分光子在传输过程中会被散射出预设路径，从而造成信息泄露风险．本文基于搭线窃听信道模型提出一种UWOC物理层安全性分析模型以评估信息泄露风险．该模型通过计算UWOC系统中合法信道与窃听信道的容量差值，来评估通信系统的安全性．具体而言，该模型首先基于蒙特卡洛模拟与实验测量方法分析信道中散射光子的三维分布，然后从信息论角度分析合法通信双方信道容量以及窃听信道容量，最终获得安全保密容量的三维空间分布，从而评估散射光子所造成的信息泄露风险与系统的通信安全性．本文应用该模型对清澈海水环境下的UWOC系统的安全性进行了分析，研究发现传输路径附近一定范围内系统的保密容量为零，证明散射光子会造成信息泄露．本研究成果为UWOC系统定量安全分析提供了解决策略，能够为UWOC系统和编解码方案设计提供有力支撑．

关键词：水下无线光通信物理层安全性散射光子蒙特卡洛保密容量

面向地基引力波探测频段的超低噪声激光强度噪声评估系统

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物理学报 2025年第3期74卷 127-134页

作者：李响王嘉伟李番黄天时党昊赵得胜田龙 ‡史少平李卫尹王保郑耀辉山西大学光电研究所光量子技术与器件全国重点实验室太原030006 山西大学激光光谱研究所光量子技术与器件全国重点实验室太原030006 山西大学极端光学协同创新中心太原030006

引力波的直接探测打开了认识宇宙的新窗口,开辟了多信使天文学,各种天文事件产生引力波的频段涵盖范围较大,不同频段引力波的探测机理及方案不尽相同.目前,正在运行的地基引力波探测装置的探测频段主要集中在10 Hz—10 Hz范围,为达到探... 详细信息

引力波的直接探测打开了认识宇宙的新窗口,开辟了多信使天文学,各种天文事件产生引力波的频段涵盖范围较大,不同频段引力波的探测机理及方案不尽相同.目前,正在运行的地基引力波探测装置的探测频段主要集中在10 Hz—10 Hz范围,为达到探测灵敏度需求,要对激光强度噪声进行准确评估并通过光电反馈将其抑制到≤2.0×10^(-9)Hz-1/2@10 Hz以及≤4.0×10^(-7)Hz^(-1/)2@10 kHz.本文基于激光噪声机理分析,通过探究极小噪声评估方案,研发低噪声光电探测器,对比前置放大器不同放大倍数对信号的噪声耦合,编写上位机操控及数据处理程序,从而构建了低噪声高精度集成化激光强度噪声评估系统.实验结果表明,前置放大器以及动态信号分析仪的整体电子学噪声为3.8×10^(-9)Hz^(-1/2)@(10 Hz—10 kHz);光电探测器电子学噪声为1.4×10^(-8)V/(Hz)^(1/2)@10 Hz&8.1×10^(-9)V/(Hz)@10 kHz,通过标准正弦信号进行校准等措施,检验了评估系统的准确性.相关研究结果为制备高功率低噪声激光光源及引力波探测等领域提供了实验基础.

关键词：激光强度噪声评估引力波探测低噪声激光光源低噪声光电探测

0.1 mHz-1 Hz频段超低噪声光电探测器实验研究

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物理学报 2025年

作者：尚鑫李番马正磊黄天时党昊李卫尹王保田龙陈力荣郑耀辉山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室山西大学极端光学协同创新中心山西大学物理电子工程学院

本文针对空间引力波探测中抑制0.1 mHz-1 Hz频段激光强度噪声需求，基于光电二极管在光伏模式下具有低暗电流的特点，采用零偏置电压方案，结合零失调电压漂移的集成运放及低温漂金属箔电阻组成跨阻放大电路，优化跨阻电容以及跟随电路... 详细信息

本文针对空间引力波探测中抑制0.1 mHz-1 Hz频段激光强度噪声需求，基于光电二极管在光伏模式下具有低暗电流的特点，采用零偏置电压方案，结合零失调电压漂移的集成运放及低温漂金属箔电阻组成跨阻放大电路，优化跨阻电容以及跟随电路；并进一步通过主动温控对光电二极管控温来稳定光电二极管响应度，研发出在0.1 mHz-1 Hz频段内超低电子学噪声的光电探测器。利用自研的强度噪声评估系统对其噪声进行时域及频域全面评估测试，实验结果表明：所研发探测器的电子学噪声谱密度达到2×10-6V/Hz1/2@0.1 mHz-1 Hz，探测器增益能够达到 35 kV/W @1064 nm。该探测器噪声性能小于空间引力波探测中对激光强度噪声(10-4/Hz1/2)要求两个数量级，为高增益光电反馈控制以及空间引力波探测中激光强度噪声抑制等方面提供关键器件及技术支撑。

关键词：空间引力波探测激光强度噪声光电探测器毫赫兹频段

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便携式小型化磁光阱系统

激光技术 2025年第1期49卷 92-97页

作者：丁会高蓓苏殿强姬中华蒋源马一飞赵延霆山西大学激光光谱研究所量子光学与量子光学器件国家重点实验室太原030006 山西大学极端光学协同创新中心太原030006

为了实现一种新型且简单的磁光阱(MOT)原子俘获,采用了大口径单光束和多个反射镜组合的方式来简化磁光阱结构,并用永磁体替代线圈提供所需的梯度磁场来增加冷原子俘获装置的便携性。分析了腔室内的偏振光和实验光路构成,并进行了实验验... 详细信息

为了实现一种新型且简单的磁光阱(MOT)原子俘获,采用了大口径单光束和多个反射镜组合的方式来简化磁光阱结构,并用永磁体替代线圈提供所需的梯度磁场来增加冷原子俘获装置的便携性。分析了腔室内的偏振光和实验光路构成,并进行了实验验证;采用收集荧光法、及释放和再捕获的方法测得了在不同铷原子释放器电流下的原子数目和电流关闭后原子团寿命的变化。结果表明,俘获的^(87)Rb原子团的大小约为1.5 mm,冷原子数目大约为1.7×10^(7),原子团的温度约为177μK。该MOT结构可以在小型化的基础上实现理想的原子俘获,研究结果为新型量子传感器领域提供了参考。

关键词：激光技术小型化磁光阱收集荧光法 ^(87)Rb原子原子数目原子温度

基于纳秒LIBS的氢气/空气火焰混合分数测量研究

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光谱学与光谱分析 2025年第1期45卷 24-29页

作者：刘子晗刘艳韩磊单沅鲁政高强李帅瑶李博天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室天津300072 中国科学院工程热物理研究所北京100190

在双碳政策和化石能源短缺的背景下,氢能作为高效环保的清洁能源,受到广大研究人员的关注。氢气/空气混合燃烧作为推动氢能规模化应用的重要途径,其燃烧机理和关键参数的测量技术成为目前研究的热点。燃空当量比是表征燃烧过程中燃料与... 详细信息

在双碳政策和化石能源短缺的背景下,氢能作为高效环保的清洁能源,受到广大研究人员的关注。氢气/空气混合燃烧作为推动氢能规模化应用的重要途径,其燃烧机理和关键参数的测量技术成为目前研究的热点。燃空当量比是表征燃烧过程中燃料与氧化剂混合程度的重要参数,直接影响燃烧的开始、自持以及燃烧化学反应的活跃程度。因此,对燃烧过程中的局部当量比实时在线监测,对于改善燃烧效率、控制燃烧过程具有重要意义。目前,可以实时测量氢气/空气火焰当量比的方法相对较少,激光光谱技术作为一种非侵入式的测量方法,不仅具有实时在线测量的能力,还具有快速、原位、远程分析、多元素同时在线监测等特点,在燃烧测量领域具有重要的应用潜力。采用纳秒激光诱导击穿光谱技术对氢气和空气燃烧场的燃空当量比进行测量研究。氢气和空气在管内混合后,由射流口喷出形成射流燃烧火焰场。激光通过透镜聚焦到射流燃烧场中击穿并产生等离子体,其等离子体的发射光谱由光谱仪采集,实验发现光谱中H 656 nm和O 777 nm具有很强的发射强度,且光谱强度随着当量比的变化,呈现规律性变化趋势。因此,采用H 656 nm和O 777 nm的光谱分别标示氢气和空气,并将其比值作为燃空当量比的测量参量。实验在氢气空气混合均匀的低速流场中测量了不同当量比下H 656 nm与O 777 nm的光谱强度比值,并与当量比建立标定曲线,实验发现该标定曲线对燃烧场和非燃烧场同样适用。基于标定曲线,我们研究了存在外界掺混情况下,射流燃烧场的局部燃空当量比情况。在当量比1.0,流场速度为20 m·s^(-1)的射流燃烧场中,测量了射流中心位置不同高度的燃空当量比变化情况,并在相同工况下进行了数值模拟。模拟结果与实验测量吻合较好,验证了纳秒激光诱导击穿光谱技术测量氢气/空气混合气的燃空当量比的可行性。该方法可为氢气燃烧基础研究及数值模拟提供技术支持。

关键词：激光诱导击穿光谱氢能当量比模拟

煤裂隙粗糙度和开度对注水渗流影响的实验研究

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煤田地质与勘探 2025年第1期53卷 92-101页

作者：王刚陈雪畅陈昊隆清明刘义鑫山东科技大学矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地山东青岛266590 山东科技大学安全与环境工程学院山东青岛266590 中煤科工集团重庆研究院有限公司瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆400039

【目的】煤层注水是矿井除尘、防治煤与瓦斯突出和冲击地压等灾害的关键技术措施,而裂隙粗糙度、开度等形态特征对煤层注水效果具有显著影响。【方法】借助砂纸和聚酰亚胺高温胶带制备了含有不同粗糙度和开度裂隙的煤样,利用激光光谱共... 详细信息

【目的】煤层注水是矿井除尘、防治煤与瓦斯突出和冲击地压等灾害的关键技术措施,而裂隙粗糙度、开度等形态特征对煤层注水效果具有显著影响。【方法】借助砂纸和聚酰亚胺高温胶带制备了含有不同粗糙度和开度裂隙的煤样,利用激光光谱共聚焦显微镜精准计算裂隙粗糙度参数,测试裂隙煤样渗流量。【结果和结论】结果表明,表面高度偏差Ha、表面最大高度Hz和三维形貌分形维数Ds可以作为表征煤剖面粗糙程度的参数。煤体渗流量随Ha、Hz和Ds的升高呈指数降低趋势,随着剖面粗糙度从4.69提高到18.43,裂隙内的渗流量最高下降84.42%。裂隙开度在60~90μm时其粗糙度对渗流的阻碍效果达到最高,此后粗糙单元阻碍效果开始减弱,裂隙开度在渗流过程占据主导作用。煤体渗流量随裂隙开度的升高呈指数升高的趋势,裂隙开度由30μm提高到150μm,裂隙渗流量最高可增大355.88倍。通过对裂隙开度和粗糙度与渗流量关系的深入探究,明确了两者在煤层注水过程中的关键作用机制,强调在煤层注水实践中应充分考虑裂隙形态特征,依据不同的裂隙开度和粗糙度情况合理选择注水方式,以实现煤层注水效果的有效提升。

关键词：煤裂隙开度裂隙粗糙度裂隙粗糙度表征渗流量矿井除尘

结合光学反馈以及光学锁相环的量子级联激光器线宽压窄和频率控制技术研究

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物理学报 2025年第1期74卷 159-167页

作者：高健焦康赵刚尹润涛杨家琪闫晓娟陈宛宁马维光贾锁堂山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室太原030006 山西大学极端光学协同创新中心太原030006 燕山大学西里西亚智能科学与工程学院秦皇岛066000

中红外波段缺乏窄线宽、可精确调谐的激光源,限制了中红外精密光谱的发展.本文介绍了一种结合强光学反馈和光学锁相环技术的量子级联激光器(QCL)频率控制技术,通过强光学反馈先抑制QCL频率噪声中的高频成分,再使用光学锁相环将激光频率... 详细信息

中红外波段缺乏窄线宽、可精确调谐的激光源,限制了中红外精密光谱的发展.本文介绍了一种结合强光学反馈和光学锁相环技术的量子级联激光器(QCL)频率控制技术,通过强光学反馈先抑制QCL频率噪声中的高频成分,再使用光学锁相环将激光频率偏频锁定到另外一个超稳中红外激光源上.通过相位超前电路拓展锁定带宽,系统锁定后,将功率谱中心窄拍频信号提高66 dBm,低频区域相位噪声抑制到-81 dBc/Hz@2 kHz,高频区域相位噪声抑制到101 dBc/Hz@2 MHz,激光器线宽从3.8 MHz被压窄到3 Hz.最终,利用该激光器进行腔衰荡光谱信号的测量,相较于未锁定激光,信号的信噪比提升了5倍.

关键词：量子级联激光器光学锁相环光学反馈

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基于反射光谱测量和辐射反方法的鲜红斑痣激光热疗临床疗效量化评估

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中国激光 2025年

作者：李东李晓阳张鹏飞陈斌应朝霞西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室陕西省皮防所医院

激光热疗在治疗鲜红斑痣及皮肤血管病变中展现出广泛应用。为突破临床治疗中依赖医师经验、缺乏量化评估方法的局限，本研究探索了激光治疗前后皮肤结构的定量无创检测方法。采用皮肤反射光谱测量技术与蒙特卡洛辐射反方法，对11名鲜红... 详细信息

激光热疗在治疗鲜红斑痣及皮肤血管病变中展现出广泛应用。为突破临床治疗中依赖医师经验、缺乏量化评估方法的局限，本研究探索了激光治疗前后皮肤结构的定量无创检测方法。采用皮肤反射光谱测量技术与蒙特卡洛辐射反方法，对11名鲜红斑痣患者进行了临床研究。通过测量并计算激光照射前后的表皮厚度、黑色素体积分数、血液体积分数及血氧饱和度等参数，量化评估了治疗效果。结果显示，治疗反应可分为血管漂白、血管收缩和无明显效果三类，其中血管漂白效果最佳。儿童因皮肤较薄、黑色素含量低，相比成年人治疗效果更优。本研究表明，结合反射光谱测量与辐射反方法有望成为临床治疗在线监测的有效工具，助力医生优化激光参数，提升治疗效果。

关键词：激光热疗蒙特卡洛方法辐射反方法鲜红斑痣

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十六路超快光纤激光高效相干偏振合成

光学学报 2025年

作者：张嘉怡任博李灿常洪祥唐振强王涛郭琨谢戈辉冷进勇司磊李文雪周朴国防科技大学前沿交叉学科学院暨南大学物理与光电工程学院华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室国防科技大学南湖之光实验室国防科技大学高能激光技术湖南省重点实验室

超快激光相干合成（Coherent beam combination, CBC）技术是突破单路飞秒光纤激光功率极限的重要方法。本文基于随机并行梯度下降（Stochastic parallel gradient descent, SPGD）算法和光纤拉伸器进行锁相控制，实现了十六路超快光纤... 详细信息

超快激光相干合成（Coherent beam combination, CBC）技术是突破单路飞秒光纤激光功率极限的重要方法。本文基于随机并行梯度下降（Stochastic parallel gradient descent, SPGD）算法和光纤拉伸器进行锁相控制，实现了十六路超快光纤激光高效率填充孔径相干偏振合成。合成输出功率为15 W，合成效率为94%，相位控制闭环状态下锁相残差为λ/21，合成后压缩脉冲宽度为633 fs。通过进一步加入光束指向控制，可实现更高功率、更高效率的超快光纤激光相干合成输出。

关键词：超快激光光纤激光相干合成相干偏振合成