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湿法制备的低维纳米材料作为激光介质的发展现状与展望（特邀）

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中国激光 2024年第18期 1-17页

作者：朱洪波赵志博张会丹林星辰宁永强王立军纪文宇薛旭兰中国科学院长春光学精密机械与物理研究所特种发光科学与技术重点实验室中国科学院大学吉林大学物理学院

激光自问世以来发展迅速，为传统光学技术注入新的活力，并极大地推动自然科学的进步。相比于传统半导体材料，湿法制备的低维半导体材料因其独特的电子结构和可溶液处理特性，在低成本、高性能以及可调谐激光领域中展现出广阔的应用前... 详细信息

激光自问世以来发展迅速，为传统光学技术注入新的活力，并极大地推动自然科学的进步。相比于传统半导体材料，湿法制备的低维半导体材料因其独特的电子结构和可溶液处理特性，在低成本、高性能以及可调谐激光领域中展现出广阔的应用前景。目前，基于低维半导体材料的连续光泵浦激光已陆续被报道，并且在通往该类光增益介质应用于电泵浦激光的研究上也取得一定进展。基于此，以湿法制备的低维半导体材料作为增益介质制备的激光器为主题展开综述，重点介绍基于低维半导体材料的光泵浦和电泵浦激光器的研究进展以及存在的问题，涉及的增益介质主要包括传统III-V、II-VI族无机半导体和钙钛矿材料。最后，对湿法制备的低维纳米材料作为激光介质的未来前景进行展望。

关键词：低维材料半导体激光器激光阈值

集成石墨烯的全介质超表面的光吸收调制和图像显示功能研究

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中国科学:物理学力学天文学 2024年第11期54卷 173-182页

作者：聂国政谢明鑫李宗霖陈智全李德琼许辉兰林锋湖南工商大学微电子与物理学院湖南科技大学物理与电子科学学院湖南工商大学理学院华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室

在单层二维(2D)材料中实现完美吸收对于新一代片上集成光子元器件至关重要.然而,基于表面等离子体共振和法布里-珀罗腔的完全吸收机制存在着调谐能力差,稳定性低以及制备过程复杂等问题.连续体中的束缚态(BICs)被认为是增强光-物质相互... 详细信息

在单层二维(2D)材料中实现完美吸收对于新一代片上集成光子元器件至关重要.然而,基于表面等离子体共振和法布里-珀罗腔的完全吸收机制存在着调谐能力差,稳定性低以及制备过程复杂等问题.连续体中的束缚态(BICs)被认为是增强光-物质相互作用的理想平台.为此,本文提出了一种在近红外区域支持对称保护的BIC(SP-BIC)的全硅超表面,打破超表面的面内对称性使其转换成具有非凡Q因子的准BIC(qBIC)模式,此时将单层石墨烯引入以组成临界耦合吸收系统.在不改变结构参数的情况下,仅通过控制入射波的偏振角实现了93.8%的光吸收调制效率.基于此石墨烯-超表面理想吸收体,实现了光学数字“0-1”开关和超表面图像显示功能,有望为新一代片上集成光学元器件提供理论指导.

关键词：连续体束缚态石墨烯光吸收调制图像显示

双拓扑光子晶体激光器的设计以及其鲁棒性的研究

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激光与光电子学进展 2024年

作者：叶碧霖郝然宋英民郭誉钧邹永刚长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室中国计量大学光学与电子科技学院

本研究提出在水平和垂直两个方向上同时构建拓扑光子晶体谐振腔，从而获得在两个方向上都具有拓扑保护的低阈值、高鲁棒性的新型激光器。在垂直方向上，我们基于一维拓扑光子晶体设计了谐振腔：支持的纵向拓扑保护模式在拓扑边界上实现... 详细信息

本研究提出在水平和垂直两个方向上同时构建拓扑光子晶体谐振腔，从而获得在两个方向上都具有拓扑保护的低阈值、高鲁棒性的新型激光器。在垂直方向上，我们基于一维拓扑光子晶体设计了谐振腔：支持的纵向拓扑保护模式在拓扑边界上实现Zak相翻转，从而在拓扑边缘形成有效的腔反馈，确保了激光器的单模出光特性。在水平方向上，我们设计了基于二维拓扑光子晶体的谐振腔：利用Γ点的拓扑态能带和平凡态能带之间的翻转实现了光场限制效应，不但能够将激光器横截面支持的横模限制在拓扑光子晶体内部，还使得横模也具有良好的抗缺陷能力。本文提出的拓扑光子晶体激光器具有单模态、鲁棒性等优点，有望进一步拓宽未来激光器的应用。

关键词：激光器垂直腔面发射激光器光子晶体鲁棒性

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Ca掺杂单层BiOSe光电性能的研究

山西大学学报(自然科学版) 2024年

作者：崔慧芹郑世姣杨致王娟芬陈波张龙龙薛林太原理工大学物理学院太原理工大学电子信息与光学工程学院中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室

采用基于密度泛函理论的第一性原理和非平衡格林函数方法，对单层Bi2O2Se中本征点缺陷Se空位(VSe),O空位（VO）和Ca取代Bi (CaBi)掺杂形成的难易程度及光电性能进行了研究。结果显示，VSe为浅施主且形成能较低，是二维Bi2O2Se材料n型特... 详细信息

采用基于密度泛函理论的第一性原理和非平衡格林函数方法，对单层Bi2O2Se中本征点缺陷Se空位(VSe),O空位（VO）和Ca取代Bi (CaBi)掺杂形成的难易程度及光电性能进行了研究。结果显示，VSe为浅施主且形成能较低，是二维Bi2O2Se材料n型特性的主要来源。CaBi为受主，可以补偿本征点缺陷的n型特性，并有效调控费米能级到价带顶（valence band maximum,VBM）上0.81 eV附近，但不足以将其完全转为p型。构建了单层Bi2O2Se光电器件并分析点缺陷对其光电性能的影响。结果显示，点缺陷的引入降低晶格的对称性，光电流得到显著提升。此外，器件消光比同时取决于点缺陷类型及光子能量，通过选择点缺陷在特定光子能量的照射下可以有效地提高器件的偏振灵敏度。研究结果为二维Bi2O2Se材料光电性能调控及其光电子器件应用提供理论参考。

关键词：第一性原理非平衡格林函数光电性质缺陷与掺杂

基于F-P干涉仪CH_(4)气体点源探测关键参数仿真分析

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光子学报 2024年第1期53卷 176-186页

作者：张强柏财勋傅頔李娟畅晨光赵珩翔王素凤冯玉涛中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室西安710119 中国科学院大学北京100049 山东理工大学物理与光电工程学院淄博255000

基于多光束干涉光谱成像原理,研究一种高空间分辨率甲烷气体点源探测方法。首先,介绍了甲烷气体探测仪的工作原理和探测方案,详细设计法布里-珀罗干涉仪的系统参数,并建立甲烷气体探测正演模型。然后,分析了干涉信号和甲烷浓度之间的对... 详细信息

基于多光束干涉光谱成像原理,研究一种高空间分辨率甲烷气体点源探测方法。首先,介绍了甲烷气体探测仪的工作原理和探测方案,详细设计法布里-珀罗干涉仪的系统参数,并建立甲烷气体探测正演模型。然后,分析了干涉信号和甲烷浓度之间的对应关系,以及仪器参数对探测灵敏度的影响。最终,迭代优化得到各光学结构参数的最优取值。结果表明,在甲烷探测波段为1630~1675 nm,自由光谱范围为12.5 nm,光谱分辨率为0.1 nm,法布里-珀罗标准具腔长为0.08 mm,腔内反射率为97.5%,截止滤光片范围为(1630±4)nm~(1675±4)nm时,探测源25%浓度变化对应的干涉信号相对变化量范围为[0.65%,4.30%],探测灵敏度较好。研究结果可为高精度碳监测提供理论依据和技术支撑。

关键词：温室气体探测甲烷法布里-珀罗干涉仪探测灵敏度

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2维Airy光束阵列强度的调控技术研究

激光技术 2024年第1期48卷 97-104页

作者：张俊杰安岩董科研高亮李响张紫浩陈亚楠长春理工大学光电工程学院长春130022 长春理工大学空间光电技术研究所长春130022 电磁空间安全国家重点实验室天津300308

为了控制2-D Airy光束阵列在焦点的强度,利用高斯光束在频域移动可以进行调控的原理,对其在大气湍流中的效果进行了仿真。结果表明,通过高斯光束在频域的位移,实现了2-D Airy光束阵列焦点处强度从0.85增强到1.1,且操作灵活方便,不需要... 详细信息

为了控制2-D Airy光束阵列在焦点的强度,利用高斯光束在频域移动可以进行调控的原理,对其在大气湍流中的效果进行了仿真。结果表明,通过高斯光束在频域的位移,实现了2-D Airy光束阵列焦点处强度从0.85增强到1.1,且操作灵活方便,不需要通过重复编码相位图增加光束数目就可增强光束在焦点的强度;在中等湍流强度下,光束强度可从0.85增强到1.03。该研究对激光在大气中抵抗大气湍流、提高激光通信的质量,具有一定的参考意义。

关键词：物理光学 Airy光束强度调控光束阵列

相位解调F-SBS系统的空间分辨率分析与恢复

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激光与光电子学进展 2024年第13期61卷 232-239页

作者：帅文兰张建忠马喆刘铭孙博文金柯志张明江太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室山西太原030024 太原理工大学电子信息与光学工程学院山西太原030024 太原理工大学物理学院山西太原030024 山西浙大新材料与化工研究院山西太原030024

针对基于相位解调的前向受激布里渊散射(F-SBS)传感系统的空间分辨率进行了理论分析,并通过数值仿真验证了原始数据信噪比不足会导致系统空间分辨率明显恶化。为克服信噪比不足的影响,提出利用注意力引导的卷积去噪神经网络(ADNet)算法... 详细信息

针对基于相位解调的前向受激布里渊散射(F-SBS)传感系统的空间分辨率进行了理论分析,并通过数值仿真验证了原始数据信噪比不足会导致系统空间分辨率明显恶化。为克服信噪比不足的影响,提出利用注意力引导的卷积去噪神经网络(ADNet)算法进行数据后处理运算,使读取脉冲零阶边带的信噪比由47.05 dB提高到了64.23 dB,系统的空间分辨率由15 m恢复到理论值3 m。此方法在不增加系统测量装置复杂度的前提下有效改善了空间分辨率,有助于促进相位解调F-SBS传感器的实用化。

关键词：光纤光学分布式光纤传感前向受激布里渊散射物质识别神经网络

用于增强现实显示设备的表面浮雕光栅元件的设计

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应用光学 2024年第4期45卷 849-857页

作者：谢蕙阳牟达张悦李堂玥夏鹏宇长春理工大学光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室吉林长春130022 长春理工大学光电工程学院吉林长春130022 长春理工大学中山研究院广东中山528400

增强现实(augmented reality,AR)系统是一种将虚拟影像叠加到现实环境的显示系统,光波导是AR显示系统的核心元件,可以实现系统的微型化与轻量化。光波导耦合元件衍射效率的高低极大地影响AR显示系统的成像质量,为提高AR显示系统中耦合... 详细信息

增强现实(augmented reality,AR)系统是一种将虚拟影像叠加到现实环境的显示系统,光波导是AR显示系统的核心元件,可以实现系统的微型化与轻量化。光波导耦合元件衍射效率的高低极大地影响AR显示系统的成像质量,为提高AR显示系统中耦合元件的衍射效率,该文提出了一种多层光栅叠加的波导结构,基于矢量衍射理论,采用严格耦合波分析法对光栅进行仿真分析。仿真结果显示:单层倾斜光栅的平均衍射效率在50°视场角范围内达到60%,3层光栅叠加的波导结构平均衍射效率达到85%以上,较单层光栅衍射效率提高了25%。分析结果表明,多层光栅叠加的波导结构可以实现更大的视场角与衍射效率,使AR显示系统具有更清晰的视场。

关键词：浮雕光栅衍射效率严格耦合波分析增强现实衍射光波导

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光波驱动BiSe拓扑表面态的超快电流产生

激光与光电子学进展 2024年

作者：马泽阳刘灿东中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室上海理工大学理学院

拓扑材料具有独特的电子结构和性质，在量子计算、能源技术、自旋电子学以及材料科学等方面有着重要的潜在应用价值，因而备受人们的关注。本文工作基于紧束缚近似电子结构模型，结合含时密度矩阵的动力学演化方法，从理论上研究了周期... 详细信息

拓扑材料具有独特的电子结构和性质，在量子计算、能源技术、自旋电子学以及材料科学等方面有着重要的潜在应用价值，因而备受人们的关注。本文工作基于紧束缚近似电子结构模型，结合含时密度矩阵的动力学演化方法，从理论上研究了周期量级飞秒激光驱动拓扑材料Bi2Se3产生的超快光电流过程。结果表明，光电流对电场载波形状的改变非常敏感，体现出对激光脉冲载波包络相位（carrier-envelope phase,CEP）的强烈依赖性。随着驱动激光强度的增大，电子动力学过程进入强场相互作用区域，超快电流随CEP的改变呈现显著不同的变化规律，反映了拓扑材料在超快时间尺度下与众不同的光学响应现象。尤其重要的是，在垂直于驱动光偏振方向上也能产生明显的CEP依赖的光电流。进一步分析表明，这种现象与拓扑表面态密切相关，在拓扑材料体态中无法产生。本文的结果有望帮助探测拓扑绝缘体表面态的超快电子运动特性，并可能为未来光频运转的光学器件的设计提供理论指导。

关键词：拓扑材料光电流载波包络相位强场激光表面态