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人工智能纳米光子学:光学神经网络与纳米光子学

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光学学报 2021年第8期41卷 61-78页

作者：栾海涛陈希张启明蔚浩义顾敏上海理工大学光子芯片研究院上海200093 上海理工大学光电信息与计算机工程学院人工智能纳米光子学中心上海200093

人工智能技术,特别是人工神经网络的创新引领了许多领域的应用革命,如网络搜索、计算机识别和语言、图像的识别技术。近年来纳米光子学的发展为传统的人工神经网络技术,特别是光学神经网络的发展带来了全新的物理视角以及截然不同的实... 详细信息

人工智能技术,特别是人工神经网络的创新引领了许多领域的应用革命,如网络搜索、计算机识别和语言、图像的识别技术。近年来纳米光子学的发展为传统的人工神经网络技术,特别是光学神经网络的发展带来了全新的物理视角以及截然不同的实现方法。一方面,纳米光子学是一门研究光与材料在纳米尺度相互作用的科学,可以带来全新的技术,如超分辨光学加工技术和超分辨光学成像技术,进而推动微纳尺度上多种功能的光学神经网络的实现。另一方面,纳米光子学中光子传播的多频段、高速度、低功耗的特点,促使了光学神经网络向着小体积、高密度、低功耗的方向发展。人工神经网络自身的发展也促使神经网络算法(如逆向设计、深度学习)在纳米光子学器件的设计中发挥前所未有的作用,以满足纳米光子学器件对自身功能、体积、集成度、计算功能的日益增长的要求。以神经网络的发展为起点,阐述人工神经网络特别是光学神经网络的发展趋势,以及人工神经网络与纳米光子学相互促进的发展历程。

关键词：光学器件人工智能人工神经网络光学神经网络纳米光子学光学人工智能

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微纳结构光纤光谱学

光学学报 2021年第1期41卷 395-412页

作者：靳伟鲍海泓齐云赵焱赵鹏程高寿飞何海律香港理工大学电机工程学系中国香港香港理工大学深圳研究院光子研究中心广东深圳518057

微纳结构光纤光谱学是指以空芯微结构或微纳光纤为样品池,光和物质在纤芯内部或表面进行相互作用的光谱学技术。本文回顾空芯和微纳光纤导光的基本原理,介绍气体、液体样品池构建的理论和方法,综述基于光谱吸收、光热、光声、荧光、拉... 详细信息

微纳结构光纤光谱学是指以空芯微结构或微纳光纤为样品池,光和物质在纤芯内部或表面进行相互作用的光谱学技术。本文回顾空芯和微纳光纤导光的基本原理,介绍气体、液体样品池构建的理论和方法,综述基于光谱吸收、光热、光声、荧光、拉曼等效应的微纳结构光纤光谱学的最新进展及今后可能的发展方向。微纳结构光纤对光场的束缚能力强、模场能量在空气中的比例高,可实现光和物质在其中的高效、长距离相互作用。微纳结构光纤样品池的采用,可提升传统光谱学系统的性能或构建新型的光谱学系统;应用传输光纤与其他光学元器件进行柔性连接,可促进光谱学仪器和传感器的小型化和实用化。

关键词：光谱学激光光谱微结构光纤空芯光纤光纤传感器纳米光波导拉曼光谱学

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功能纳米粒子激光三维装配

科学通报 2022年第31期67卷 3613-3615页

作者：顾敏上海理工大学光子芯片研究院上海200093 上海理工大学光电信息与计算机工程学院人工智能纳米光子学中心上海200093

纳米粒子,即零维纳米材料,通常定义为尺寸在1~100 nm之间的颗粒.在该尺寸范围内,材料表现出超越宏观尺度的特殊物理化学特性[1,2],如量子限域效应[3]、高表面化学活性[4]、金属纳米粒子局部表面等离激元共振[5]、磁性纳米粒子超顺磁性[6... 详细信息

纳米粒子,即零维纳米材料,通常定义为尺寸在1~100 nm之间的颗粒.在该尺寸范围内,材料表现出超越宏观尺度的特殊物理化学特性[1,2],如量子限域效应[3]、高表面化学活性[4]、金属纳米粒子局部表面等离激元共振[5]、磁性纳米粒子超顺磁性[6]等,在催化、生物、光学、微电子学、磁学等各领域具有潜在的应用价值.

关键词：金属纳米粒子量子限域效应超顺磁性磁性纳米粒子物理化学特性三维装配化学活性尺寸范围

直接化学气相沉积法制备二维钴铁氧体用于高效析氧反应

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Chinese Journal of Catalysis 2023年第12期55卷 265-277页

作者：吴尧杨杰夫郑媚胡点轶 Teddy Salim 汤碧珺刘政李述周南洋理工大学材料科学与工程学院新加坡南洋理工大学分析表征测试与模拟中心新加坡南洋理工大学电气电子工程学院光子学研究所新加坡法国国家科学研究中心-南洋理工大学-法国泰雷兹集团研究联盟新加坡

二维(2D)过渡金属氧化物(TMO)的地球丰度高,并且具有独特的物理化学性质和较好的催化性能,是新能源工业领域中非常有应用前景的电催化剂.然而,由于合成高质量和可控厚度的2D TMO具有一定的难度,目前有关2D TMO的微观电化学研究的报道较... 详细信息

二维(2D)过渡金属氧化物(TMO)的地球丰度高,并且具有独特的物理化学性质和较好的催化性能,是新能源工业领域中非常有应用前景的电催化剂.然而,由于合成高质量和可控厚度的2D TMO具有一定的难度,目前有关2D TMO的微观电化学研究的报道较少.本文采用化学气相沉积法直接合成了2D钴铁氧体(CoFeO),所制得的2D CoFeO呈现结晶性良好的超薄尖晶石结构,其最薄厚度可达到6.8 nm.采用超微电极测试平台考察了碱性条件下2DCoFeO催化析氧反应(OER)的性能.结果表明,2D CoFeO(111)面在10 m Acm^(-2)的电流密度下表现出330 m V的低过电位,在570 m V的过电位下表现出142 m Acm^(-2)的高电流密度.密度泛函理论计算发现2DCoFeO表面上的双金属位点降低了反应能垒.此外,2DCoFeO的超薄厚度使体电阻率降低,同时增加了活性位点的利用率,进而提高了对OER的催化活性,这与在超微电极平台上测得的2D CoFeO厚度-OER活性依赖关系的结果一致.本研究还合成了大面积的2D CoFeO薄膜,其标准三电极体系研究表明2D CoFeO样品仍然表现出较高的催化OER活性和较好的寿命,说明所制备的2D CoFeO具有较好的实际应用潜力.综上,本文采用气相化学沉积法直接合成了超薄2DCoFeO纳米片,其最薄厚度可达6.8 nm,2DCoFeO表现出良好的OER性能,为2DTMOs电催化剂的可控合成开辟了新途径.此外,本文还分析了2DCoFeO电催化OER反应的机理,为二维电催化剂设计提供了新思路.

关键词：二维过渡金属氧化物化学气相沉积超微电极测试析氧反应

P(St-MAA)@PDA微球的制备及其在白色丝绸光子晶体结构生色中的应用

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浙江理工大学学报(自然科学版) 2024年

作者：张佳佳向娇娇张耘箫蔡仪新刘国金周岚柴丽琴浙江理工大学浙江省纤维材料和加工技术研究重点实验室淄博大染坊丝绸集团有限公司浙江省现代纺织技术创新中心

为实现白色底色丝绸的结构生色,以黑色的聚多巴胺(PDA)为壳,以聚(苯乙烯-甲基丙烯酸)(P(StMAA))微球为核,采用乳液聚合法制备“核壳型”P(St-MAA)@PDA微球;并以该微球为结构基元,采用真空辅助过滤方式,在丝绸基底上构筑光子晶体生色结... 详细信息

为实现白色底色丝绸的结构生色,以黑色的聚多巴胺(PDA)为壳,以聚(苯乙烯-甲基丙烯酸)(P(StMAA))微球为核,采用乳液聚合法制备“核壳型”P(St-MAA)@PDA微球;并以该微球为结构基元,采用真空辅助过滤方式,在丝绸基底上构筑光子晶体生色结构。考察多巴胺(DA)用量对P(St-MAA)@PDA微球粒径和形貌的影响,分析P(St-MAA)@PDA微球的基本性能,探究PDA层厚度对光子晶体结构生色的影响,并对白色丝绸上构筑所得P(St-MAA)@PDA光子晶体结构生色的效果进行评价。结果表明:在P(St-MAA)微球粒径确定的情况下,随着DA用量的增加,P(St-MAA)@PDA微球的粒径不断增大;制备所得P(St-MAA)@PDA微球分布均匀,球形度及单分散性良好,适宜构筑光子晶体生色结构;当PDA的厚度为3.5～9.0 nm时,P(St-MAA)@PDA微球在白色丝绸上可显现出明显且均匀的光子晶体结构色,且随微球粒径的增大结构色发生红移现象;P(St-MAA)@PDA微球所构筑的光子晶体生色结构具有优异的稳固性。该研究为白色底色丝绸上光子晶体生色结构的构筑提供了理论依据。

关键词：白色丝绸光子晶体结构生色聚多巴胺核壳结构

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非线性连续体拓扑优化方法综述

力学学报 2022年第10期54卷 2659-2675,I0001页

作者：文桂林刘杰陈梓杰魏鹏龙凯王洪鑫荣见华谢亿民燕山大学机械工程学院河北秦皇岛066004 广州大学机械与电气工程学院广州510006 华南理工大学土木与交通学院广州510641 华北电力大学新能源学院北京102206 长沙理工大学汽车与机械工程学院长沙410076 皇家墨尔本理工大学创新结构与材料研究中心澳大利亚墨尔本3001

连续体拓扑优化方法可以从力学本质上提升结构的性能,为设计人员提供多样性的创新性设计,近年来得到了快速发展.该领域在线性问题上发展已经较为成熟,已经成功应用到很多工程结构的高性能设计.但实际工程中会涉及大量非线性问题,如果将... 详细信息

连续体拓扑优化方法可以从力学本质上提升结构的性能,为设计人员提供多样性的创新性设计,近年来得到了快速发展.该领域在线性问题上发展已经较为成熟,已经成功应用到很多工程结构的高性能设计.但实际工程中会涉及大量非线性问题,如果将其近似为线性问题,往往会产生较大误差,甚至得到错误的结果,可能会导致重大的工程安全事故.在航空航天、机械工程、海洋工程、高速列车、建筑工程等重要工程领域需求驱动的背景下,非线性连续体拓扑优化方法近年来取得了引人注目的进展.本文系统地综述了涉及材料非线性、几何非线性和边界非线性三种类型的连续体拓扑优化方法,并对现有典型方法进行讨论和评述.最后,指出了非线性连续体拓扑优化方法目前存在的困难(如数值分析精度差、计算效率低、局限于静力学领域等)以及未来的发展方向.(如大变形大应变问题、非线性动力学问题、大规模拓扑优化设计问题等).本研究综述可为非线性连续体拓扑优化领域的初学者提供较为全面的知识梳理,同时也为从事相关领域学者提供应有的帮助.

关键词：连续体拓扑优化材料非线性几何非线性边界非线性

基于DenseNet的散射成像景深拓展研究

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光学学报 2022年第4期42卷 237-240页

作者：林昭苏王杨云逗王昊胡川飞顾敏杨晖上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海200093 上海理工大学光子芯片研究院上海200093 上海理工大学光电信息与计算机工程学院人工智能纳米光子学中心上海200093

散射现象广泛存在于自然界中。透过散射介质的大景深成像在计算成像领域具有重要的意义和应用价值。近年来,随着深度学习在计算成像领域的广泛应用,散射成像系统中的景深问题亟待进一步研究和拓展。以DenseNet为基础,结合UNet框架,建立... 详细信息

散射现象广泛存在于自然界中。透过散射介质的大景深成像在计算成像领域具有重要的意义和应用价值。近年来,随着深度学习在计算成像领域的广泛应用,散射成像系统中的景深问题亟待进一步研究和拓展。以DenseNet为基础,结合UNet框架,建立了一个具有良好迁移性和景深拓展能力的深度卷积神经网络模型——DUNet。通过使用透过不同目数毛玻璃的散斑图像对网络进行训练,使成像景深拓展至距焦面50 mm处。初步的小鼠脑片实验结果表明,DUNet模型将有望应用于深层组织断层扫描。

关键词：光计算密集卷积网络散射成像景深拓展

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融合多维度CNN的高光谱遥感图像分类算法

中国激光 2021年第16期48卷 153-163页

作者：刘金香班伟陈宇孙亚琴庄会富富尔江张克非中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州221116 北星空间信息技术研究院江苏南京210000 皇家墨尔本理工大学空间研究中心澳大利亚维多利亚墨尔本3001

随着计算机深度学习技术的不断发展,卷积神经网络(Convolutional Neural Network, CNN)作为代表算法,为高光谱图像分类提供了新的解决方案。但是,因为数据量迅速膨胀,复杂模型的分类精度和速度并不令人满意。因此提出了一种面向高光谱... 详细信息

随着计算机深度学习技术的不断发展,卷积神经网络(Convolutional Neural Network, CNN)作为代表算法,为高光谱图像分类提供了新的解决方案。但是,因为数据量迅速膨胀,复杂模型的分类精度和速度并不令人满意。因此提出了一种面向高光谱图像分类的轻量级融合CNN算法3D-2D-1D CNN。该算法融合不同维度的CNN,联合空间信息和光谱信息进行高光谱遥感图像分类。利用Indian Pines、Pavia University、Salinas Scene和WHU-Hi-Han Chuan数据集对该算法进行测试,结果显示,总体分类精度分别达到99.65%、99.95%、100%和99.85%;与3D CNN算法和3D-2D CNN算法相比,训练时间和测试时间都明显降低。研究表明,所提算法能够在保证高分类精度的前提下有效地提高数据的分析速度。所提算法综合利用三种CNN对高光谱空-谱联合信息的抽象表达能力,有效促进了CNN在高光谱遥感图像分类领域中的应用。

关键词：遥感高光谱图像分类 3D-2D-1D卷积神经网络深度学习

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光学共振增强的表面铯激活银纳米结构光阴极

物理学报 2020年第6期69卷 238-246页

作者：彭新村王智栋邓文娟朱志甫邹继军张益军东华理工大学江西省新能源工艺及装备工程技术中心南昌330013 东华理工大学教育部核技术应用工程研究中心南昌330013 南京理工大学电子工程与光电技术学院南京210094

金属光阴极因其超短脉冲发射和运行寿命长的特性从而具有重要应用价值,但是较高的功函数和较强的电子散射使其需要采用高能量紫外光子激发且光电发射量子效率极低.本文利用Mie散射共振效应增强银纳米颗粒中的局域光学态密度,提升光吸收... 详细信息

金属光阴极因其超短脉冲发射和运行寿命长的特性从而具有重要应用价值,但是较高的功函数和较强的电子散射使其需要采用高能量紫外光子激发且光电发射量子效率极低.本文利用Mie散射共振效应增强银纳米颗粒中的局域光学态密度,提升光吸收率和电子的输运效率,并利用激活层降低银的功函数,从而增强光阴极在可见光区的量子效率.采用时域有限差分方法分析银纳米球阵列的光学共振特性,采用磁控溅射和退火工艺在银/氧化锡铟复合衬底上制备银纳米球,紧接着在其表面沉积制备铯激活层,最后在高真空腔体中测试光电发射量子效率.实验结果表明平均粒径150 nm的银纳米球光阴极在425 nm波长的量子效率超过0.35%,为相同激活条件下银薄膜光阴极的12倍,峰值波长与理论计算的Mie共振波长相符合.

关键词：光学共振银纳米球光阴极