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山大电子科学与技术读博方向：二级学科 电路与系统研究方向 信号检测与处理；大数据与人工智能。 微电子学与固体电子学研究方向 微纳电子器件与集成电路。电磁场与微波技术研究方向空间电磁场与电磁波。物理电子学研究方向柔性电子材料与功能器件。一、学科简介长沙理工大学电子科学与技术学科，2010年获一级学科硕士点，2011年被评为湖南省“十二五”重点学科，2017年获批一级学科博士点。学科现有专任教师73人，教授24名，副教授28名，国家杰青1人，国家百千万人才、有突出贡献中青年专家1 人，湖湘青年英才2人，湖南省杰青1人，湖南省优青1人，湖南省“121”人才工程人选8人。近五年，获国家自然科学基金重点项目、国家科技支撑计划重点项目等国家级科研项目42项；在Nature Communications等国际知名刊物上发表SCI论文300余篇；获湖南省自然科学一等奖1项、二等奖2项、湖南省科技进步二等奖3项；授权发明专利54项。近年来，学科瞄准电子科学与技术学科前沿，紧密结合国家重大需求，重点在空间科学、电子信息材料与器件以及集成电路设计等交叉学科领域开展基础和应用研究，取得了一系列既具基础研究意义又具应用价值的研究成果，在省内外产生较大影响。拥有“柔性电子材料基因工程”湖南省重点实验室、“近地空间电磁环境监测与建模”湖南省普通高校重点实验室和“地球空间环境探测与建模”湖南省高校科技创新团队等省部级科研平台，现有“空间电磁波模拟、探测与天气预报”湖南省研究生培养创新基地、“集成电路设计和制造”湖南省研究生培养创新基地、“柔性电子材料物理”湖南省研究生培养创新基地、“电子信息类专业校企合作人才培养示范基地”、“电子信息类专业校企合作创新创业教育基地”、“光电信息类专业校企合作人才培养示范基地”等6个省级人才培养平台。同时还设有信号检测与信号处理、集成电路设计与验证、集成电路工艺与测试、电磁场测量与电磁兼容、光电器件、光纤传感、嵌入式系统等专业实验室，研究生培养条件优越，科研经费充足，已成为我省电子科学与技术专业高层次高学历人才的重要培养基地。二、培养目标本学科培养德、智、体、美、劳全面发展，政治立场坚定，基础知识扎实，创新能力突出的电子科学与技术专业高层次人才。1.热爱祖国，遵纪守法，品德优良，学风严谨，具备良好的科学敬业和团队合作精神，及高尚的科学道德和创新意识，能积极主动为社会主义现代化建设服务。2．具有坚实的数学、物理基础，掌握本学科的基础理论，对所从事的研究方向具有系统深入的专门知识，掌握电子科学与技术及相关一级学科中的发展现状和趋势，熟练掌握相关的理论方法和实验技术，对本学科的某一方面有深入的研究并有独创性的研究成果。3．具有独立从事创造性科学研究的能力，以及严谨求实的科学态度和工作作风。能独立承担对 学科发展或国民经济建设有意义的研究课题，能胜任研究机构、高等院校和电子信息领域企事业单位有关方面的研究、教学、研发或管理工作。4．至少熟练掌握一门外国语，能熟练地阅读本专业的外文资料，并具有良好的外文写作能力和国际学术交流的能力。三、研究方向本学科主要在以下方向培养博士研究生：
近日，来自澳大利亚墨尔本大学的研究人员在Nanophotonics上以 Nanowires for 2D material-based photonic and optoelectronic devices 为题发表综述文章，系统综述了近年来各种纳米线在光电子学和光电子学中的应用，以及纳米线与二维材料的结合。这篇综述文章介绍了纳米线作为谐振器或/和波导，以提高光子集成电路中用于光增强和引导的二维材料的性能。此外，本文还介绍了在光电子领域研究的纳米线和二维材料的混合。本文综述了纳米线与二维材料在光电子学和光电子学中的杂交，并对未来的研究进行了展望。
图1. 二维材料和纳米线耦合的示意图
图源：Advanced Materials 33, 2101589 (2021).
几十年来，光与物质相互作用的研究越来越受欢迎。最近的重点是提高光与物质相互作用的强度，以实现紧凑的集成光子电路、高效的光子器件和多功能光电子系统。二维材料是现代科学中研究最活跃的材料之一。使用二维材料进行研究有很多优点。例如，二维材料提供了良好的机械性能，例如高度可弯曲和可拉伸，而不会造成损坏。此外，通过简单地使用胶带从大块晶体中剥离二维材料，可以轻松创建原子级光滑、单层或几层样品，这增加了实验室研究中二维材料的使用。通过剥离方法，二维材料可以转移或堆叠到任何材料上，而无需考虑晶格失配问题。到目前为止，研究人员已经确定了一个二维材料库，其特性从金属到绝缘体不等，这些材料有时表现出独特的特性，如高导电性、高非线性或依赖谷值的电/光响应。
纳米线与二维材料的杂交使二维材料能够更好地作为光子和电子器件发挥作用。纳米线可以由金属、半导体或绝缘体制成。金属纳米线用途广泛，因为它们既可以用作电极，也可以用作光子元件。银因其高透射率、低电阻和高柔韧性而经常被用作电极材料。通过加入MXene、石墨烯或氧化石墨烯等二维材料，可以解决阻碍其实际使用的一些瓶颈问题。例如，二维导电层连接纳米线并使表面光滑，从而降低电阻。此外，二维绝缘材料保护金属纳米线免受氧化。这些异质结构可以是图1所示的各种配置。除电极外，金属纳米线还起到波导、开放纳米腔和控制发光性能的作用。随着半导体制造技术的进步，半导体纳米线被广泛应用，并作为集成光子电路的平台发挥着重要作用。半导体纳米线的一个显著优势是，它与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术兼容，同时还提供了先进的电气和光学功能。当这些纳米线以核壳或纳米线的形式与单层结构上的二维材料结合时，预计会产生协同效应。
图2. 将金属纳米线与二维材料结合用于柔性透明电极
图源：Advanced Materials 33, 2101589 (2021).
柔性和透明电极适用于各种应用，并有望在光电子学中广泛使用。这种电极已用于柔性有机发光二极管（Folders）、太阳能电池和许多其他光电应用。金属纳米线因其高透射率和低片电阻而对柔性透明电极（FTE）的开发特别有吸引力。传统上，氧化铟锡（ITO）是一种广泛采用的柔性透明电极材料。ITO具有高导电性，同时在可见光波长下透明。然而，使用ITO有几个缺点，包括机械稳定性差，弯曲基板时由于裂纹导致电阻增加。此外，铟是地壳中稀缺的原材料，因此需要使用替代材料。金属纳米线因其优异的光学和电学性能而成为很有前途的候选者。它们展示了诱人的特性，有望在商业应用中取代ITO。这是因为纳米结构增加了弹性，同时保持了良好的导电性和光学透明度，因此它们对弯曲和折叠裂纹具有弹性。
然而，金属纳米线仍然存在一些固有的缺点，包括表面粗糙度高，与基底的附着力低，纳米线界面之间的不连续结构，以及快速降解。这些问题可以通过添加额外的材料来克服，即创建一个混合系统。这些混合系统由二维材料组成，其特性适用于克服这些问题。例如，MXene是一种二维材料，由过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物组成，经常用于缓解问题。MXene因其高导电性和大表面积等特点，在传感器和透明电极领域被广泛 探索 。石墨烯由于其独特的电学和光学性质，也是这方面很有前途的二维材料之一。
图3. 纳米线与二维材料耦合以增强光与物质相互作用
图源：Advanced Materials 33, 2101589 (2021).
同样，石墨烯也被用于改善混合系统中电极的导电性。已经有研究工作实验实现了由银纳米线和电化学剥离石墨烯（EG）组成的透明电极。详细地说，首先将含有银纳米线的溶液喷涂到柔性基底上，即聚萘二甲酸乙二醇酯，然后进行电化学剥离石墨烯分散。研究人员比较了不同体积的带有电化学剥离石墨烯层的银纳米线与原始银纳米线的薄片电阻和透射率。此外，为了长期稳定性，样品在空气中暴露120天。在此期间，混合材料的薄片电阻保持不变，而原始样品的薄片电阻在暴露10天后增加。研究报告说，通过部署电化学剥离石墨烯层，他们能够在不显著降低透射率的情况下降低薄片电阻，同时将粗糙度分别从78Ω/sq降低到Ω/sq，从 nm降低到 nm。由于分散层使Ag-纳米线结和孔的表面变平，因此EG涂层降低了薄板电阻和粗糙度。本文进一步展示了该电极作为阳极在有机太阳能电池和聚合物LED中的应用。
二维材料不仅可以降低表面粗糙度，而且可以作为保护层防止金属纳米线氧化。银纳米线是钙钛矿太阳能电池（PVSC）最常用的底部电极金属线之一，由于钙钛矿层中卤化物的释放而导致腐蚀问题。最近有研究人员提出采用大尺寸氧化石墨烯（LGO）片作为银纳米线透明电极的保护层。作为保护层的大尺寸氧化石墨烯片对于减少整体边界面积至关重要，因为片之间的边界允许卤化物物种进入。在这项工作中，采用离心法分离不同尺寸的氧化石墨烯板。将减少的大尺寸氧化石墨烯分散液滴在Ag-纳米线电极上，并使用稳定的热风流进行干燥。电极保持其初始电阻超过45小时，而原始样品在 V偏压下10小时后电阻呈指数增长。本研究证明了构建高稳定性PVSC的可能性。
通过增加发光二维材料的自发辐射率，可以产生更亮的光源。有腔和无腔的自发辐射率速率之比称为Purcell因子，它与Q因子成正比，与光模体积成反比。已经有很多方法可以实现高的光致发光强度，这可以通过纳米线与过渡金属二硫化物的杂交来实现。利用纳米线也是解决光学各向异性的常用方法。通过调整纳米结构的形态，可以控制共振频率和质量因子。随着二维 过渡金属二硫化物与等离子体或光学纳米线的结合，光的有效控制和增强可以应用于实际。
图4. 将半导体纳米线与二维材料结合可用于高性能光探测器
图源：Advanced Materials 33, 2101589 (2021).
总结与展望
如前所述，本文介绍了贵金属纳米线、半导体纳米线和钙钛矿纳米线，以及它们在传统应用、集成光子电路、光增强、路径控制和光电子学中的最新应用。此外，在综述中还介绍了通过加入过渡金属二硫化物层、石墨烯和氧化石墨烯等二维材料而取得的显著改进。研究表明，对这些二维材料的结构特征进行优化至关重要，比如尺寸或纳米线之间的距离。因此，对优化这些特性进行深入研究是有希望的。
本综述回顾了用于基于二维材料的光子和光电子器件的纳米线。纳米线在光子集成电路中具有作为谐振器和波导的潜在用途。介绍了利用纳米线的特性以及纳米线与二维材料的混合。不同类型的纳米线和二维材料的特性和用途有望为 探索 新的杂交材料提供新的视角，并最终改变现有设计，提高性能。
然而，文章认为，这些耦合仍然有一些缺点需要克服。例如，由于它们是纳米材料的混合，因此应该研究简便的合成方法。复杂的合成方法可能导致产率低、耗时且成本相对较高。此外，它们的长期稳定性仍需研究。高湿度、极高或极低的工作温度等恶劣环境可能会导致性能不佳。因此，提高它们的重复性、再现性，并在恶劣环境中对其性能进行试验，对未来的发展至关重要。此外，目前正在努力提高这些材料的性能。例如，已经有研究人员开发了一种用于超灵敏光电探测器的钙钛矿纳米线结晶度增加的制造方法。同样，未来的应用预计将通过提高材料的结晶度和研究设备的最佳布局来实现可扩展和集成的系统，从而提高结果。
参考文献：
XSoumyabrata Roy, Xiang Zhang, Anand B. Puthirath et al. , Structure, Properties and Applications of Two-Dimensional Hexagonal Boron Nitride. Advanced Materials 33 , 2101589 (2021).
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电子科学与技术 天线设计及电磁场测量技术
半导体射线探测器最初约年研究核射线在晶体上作用, 表明射线的存在引起导电现象。但是, 由于测得的幅度小、存在极化现象以及缺乏合适的材料, 很长时间以来阻碍用晶体作为粒子探测器。就在这个时期, 气体探测器象电离室、正比计数器、盖革计数器广泛地发展起来。年, 范· 希尔顿首先较实际地讨论了“ 传导计数器” 。在晶体上沉积两个电极, 构成一种固体电离室。为分离人射粒子产生的载流子, 须外加电压。许多人试验了各种各样的晶体。范· 希尔顿和霍夫施塔特研究了这类探测器的主要性质, 产生一对电子一空穴对需要的平均能量, 对射线作用的响应以及电荷收集时间。并看出这类探测器有一系列优点由于有高的阻止能力, 人射粒子的射程小硅能吸收质子, 而质子在空气中射程为, 产生一对载流子需要的能量比气体小十倍, 在产生载流子的数目上有小的统计涨落, 又比气体计数器响应快。但是, 尽管霍夫施塔特作了许多实验,使用这种探侧器仍受一些限制, 像内极化效应能减小外加电场和捕捉载流子, 造成电荷收集上的偏差。为了避免捕捉载流子, 需外加一个足够强的电场。结果, 在扩散一结, 或金属半导体接触处形成一空间电荷区。该区称为耗尽层。它具有不捕捉载流子的性质。因而, 核射线人射到该区后, 产生电子一空穴载流子对, 能自由地、迅速向电极移动, 最终被收集。测得的脉冲高度正比于射线在耗尽层里的能量损失。要制成具有这种耗尽层器件是在年以后, 这与制成很纯、长寿命的半导体材料有关。麦克· 凯在贝尔电话实验室, 拉克· 霍罗威茨在普杜厄大学首先发展了这类探测器。年, 麦克· 凯用反偏锗二极管探测“ 。的粒子, 并研究所产生的脉冲高度随所加偏压而变。不久以后, 拉克· 霍罗威茨及其同事者测量一尸结二极管对。的粒子, “ , 的刀粒子的反应。麦克· 凯进行了类似的实验, 得到计数率达, 以及产生一对空穴一电子对需要的能量为土。。麦克· 凯还观察到,加于硅、锗一结二极管的偏压接近击穿电压时, 用一粒子轰击, 有载流子倍增现象。在普杜厄大学, 西蒙注意到用粒子轰击金一锗二极管时产生的脉冲。在此基础上, 迈耶证实脉冲幅度正比于人射粒子的能量, 用有效面积为二“ 的探测器, 测。的粒子, 得到的分辨率为。艾拉佩蒂安茨研究了一结二极管的性质, 载维斯首先制备了金一硅面垒型探测器。年以后, 许多人做了大量工作, 发表了广泛的著作。沃尔特等人讨论金一锗面垒型探测器的制备和性质, 制成有效面积为“ 的探测器, 并用探测器, 工作在,测洲的粒子, 分辨率为。迈耶完成一系列锗、硅面垒型探测器的实验用粒子轰击。年, 联合国和欧洲的一些实验室,制备和研究这类探测器。在华盛顿、加丁林堡、阿什维尔会议上发表一些成果。如一结和面垒探测器的电学性质, 表面状态的影响, 减少漏电流, 脉冲上升时间以及核物理应用等等。这种探测器的发展还与相连的电子器件有很大关系。因为, 要避免探测器的输出脉冲高度随所加偏压而变, 需一种带电容反馈的电荷灵敏放大器。加之, 探测器输出信号幅度很小, 必需使用低噪声前置放大器, 以提高信噪比。为一一满足上述两个条件, 一般用电子管或晶体管握尔曼放大器, 线幅贡献为。在使用场效应晶体管后, 进一步改善了分辨率。为了扩大这种探测器的应用, 需增大有效体积如吸收电子需厚硅。采用一般工艺限制有效厚度, 用高阻硅、高反偏压获得有效厚度约, 远远满足不了要求。因此, 年, 佩尔提出一种新方法, 大大推动这种探测器的发展。即在型半导体里用施主杂质补偿受主杂质, 能获得一种电阻率很高的材料虽然不是本征半导体。因为铿容易电离, 铿离子又有高的迁移率, 就选铿作为施主杂质。制备的工艺过程大致如下先把铿扩散到型硅表面, 构成一结构, 加上反向偏压, 并升温, 锉离一子向区漂移, 形成一一结构, 有效厚度可达。这种探测器很适于作转换电子分光器, 和多道幅度分析器组合, 可研究短寿命发射, 但对卜射线的效率低, 因硅的原子序数低。为克服这一点, 采用锉漂移入锗的方法锗的原子序数为。年, 弗莱克首先用型锗口,按照佩尔方法, 制成半导体探测器,铿漂移长度为, 测‘“ 、的的射线, 得到半峰值宽度为直到年以前, 所有的探测器都是平面型, 有效体积受铿通过晶体截面积到“和补偿厚度的限制获得补偿厚度约, 漂移时间要个月, 因此, 有效体积大于到” 是困难的。为克服这种缺点, 进一步发展了同轴型探测器。年, 制成高分辨率大体积同轴探测器。之后, 随着电子工业的发展而迅速发展。有效体积一般可达几十“ , 最大可达一百多“ , 很适于一、一射线的探测。年以后广泛地用于各个部门。最近几年, 半导体探测器在理论研究和实际应用上都有很大发展。
成果简介
这种高灵敏度和宽带 p-n 结光电探测器显示出 405 至 2000 nm 的宽检测范围，响应度约为 10 6入射功率为 24 pW (λ = 1064 nm) 时 的 W -1和 10 14 Jones的高探测率。特别是，实现了 23 ms/ 23 ms 的快速上升/下降时间。基于石墨烯的 LiNbO 3（体）光电探测器显示出更高的响应度，而基于石墨烯的 LiNbO 3（薄膜）光电探测器具有更快的响应时间。这项工作不仅深化和扩展了二维材料和铁电材料的基础研究，而且展示了掺杂石墨烯材料在高性能光电探测方面的巨大潜力。
图文导读
图1、基于石墨烯的 LiNbO 3光电探测器的结构图。
图2、石墨烯基LiNbO 3光电探测器的制备。a) 光电探测器制备过程示意图。b) 所制造器件的光学显微镜
图3、用于测试由 x-cut LiNbO 3产生的热电效应的装置系统。
图4、a) 器件发光时的热释电电荷分布。b) 器件不发光时的热释电电荷分布。小箭头代表局部铁电极化方向。c) 由连接到电极 1-2 的装置测量的热电流。d) 由连接到电极 3-4 的装置测量的热电流。e) 由连接到电极 1-3 的设备测量的热电流。f) 由连接到电极 2-4 的装置测量的热电流。
图5、分别由 a) 405、b) 808、c) 1064 和 d) 2000 nm 激光器照射的基于石墨烯的 LiNbO 3（薄膜）光电探测器的响应时间。（V偏置 = 0 V）。
图6、a)样品在相同环境下的电流-电压（I - V）曲线。黑色、蓝色和红色线分别代表电极 1-3、电极 2-4 和电极 1-2 之间的测量值（参见插图）。b) 器件在 p-n 结状态下的能带图。
小结
总之，我们制造了具有增强的 LiNbO 3局部铁电极化的高灵敏度宽带石墨烯光电探测器。基于石墨烯的 LiNbO 3（体）光电探测器显示出高响应度，基于石墨烯的 LiNbO 3（薄膜）光电探测器具有快速响应时间。 二维材料和铁电材料的结合是下一代高性能光电器件的一个有吸引力的研究领域。对基于石墨烯的 LiNbO 3光电探测器的研究为下一代多功能、节能和光电应用的发展铺平了道路。
文献：
研究要点
1.首先总结了二维（2D）光电探测器中典型的光电探测机制类型。2.然后讨论了基于传统硅和III-V族化合物半导体的碰撞电离和雪崩光电探测器引起的雪崩机理。3.最后，详细介绍了一系列基于2D材料及其范德华异质结构的新兴雪崩光电探测器，及其在光子计数技术领域的潜在应用。4.回顾了最近的研究进展并讨论2D雪崩光电探测器所面临的挑战，并为2D超灵敏光电探测器（如单光子探测器）未来的研究方向提供了一些观点。
研究背景
光电探测器是当今使用最广泛的技术之一。它们已被广泛用于传感器，接收来自遥控器的红外信号的接收器，光纤连接中的光电二极管，手机或照相机中的图像传感器以及太空 探索 的焦平面阵列等领域。由常规的半导体（例如硅，InGaAs，InSb，HgCdTe等）构建的光电探测器可以检测从可见光到中长波红外的光子。在过去的几十年中，材料的研究和器件制造技术日趋成熟，使得研究具有更高检测率，较快速响应速率和高分辨率的更先进的光电探测器成为了可能。但是，在可穿戴电子设备，智能机器人技术，无人飞行器（UAV）或自动驾驶 汽车 等新兴领域，迫切需要轻巧、不冷却并且具有机械柔性的光电探测器。近几年，二维（2D）层状材料已引起光电探测器界的巨大研究兴趣，与传统的块状材料相比，它具有自钝化表面，强光-物质耦合，可调费米能级和机械柔韧性等特性。无带隙的二维层状石墨烯可以与波长范围从紫外线到微波的光发生相互作用，因此它在宽光谱范围内进行各种类型的光检测具有非常大的潜力。 然而，其无带隙的特性无法实现具有高信噪比的光电检测器。 2D过渡金属二卤化金属（TMD）具有随厚度变化的能带隙，主要在可见光到近红外范围内表现出高效的光电检测特性。对此，2D层状材料与其他nD材料（n = 0、1和3）的组合所形成的范德华异质结构，可以实现各种光电探测器。二维层状材料由于其原子尺度薄的特性从而具有较低的光吸收系数。实现载流子倍增的碰撞电离是设计具有高检测效率的二维光电探测器的有前途的策略。然而，在二维光电探测器中通过碰撞电离产生的雪崩效应尚未得到广泛研究。
核心内容
有鉴于此， 中科院上海技术物理研究所的Jinshui Miao课题组和美国华盛顿大学的Chuan Wang课题组对由二维层状材料及其范德华异质结构构成的雪崩光电探测器进行了综述，重点介绍了其在单光子计数技术领域的潜在应用。
要点1. 二维光探测器的机制
二维范德华力异质结光电探测器通常受光伏效应的支配，光伏效应是指光生载流子在异质结，同质结或肖特基结中被内部电场分离至结两端聚集产生电势差的现象。在WSe2/MoS2 p-n结中，光子在WSe2和MoS2中被吸收，从而在每一层中产生电子-空穴对。然后，电子和空穴通过内置场在整个p-n结处空间分离。最后，松弛的载流子横向扩散至源极和漏极触点，从而导致光电流。
在载流子扩散期间，可能发生层间复合这降低了2D光电探测器的效率。在这种类型的2D MoS2器件中，光电效应导致晶体管阈值电压发生偏移，因为电荷从沟道转移到附近的分子。
光电导效应归因于载流子在二维MoS2的带尾态中的俘获。在二维MoS2光电探测器中，金电极和单层MoS2具有不同的塞贝克系数。激光的局部吸收会导致MoS2通道和金电极之间结的局部加热。在独立的聚酰亚胺薄膜上制造基于2D BP的柔性光电探测器，其导热系数约为 W /（m·K）。聚酰亚胺的导热率明显低于导热率约为150 W /（m·K）的硅。入射激光会在2D BP设备下方产生局部加热点，因此由于增强的声子散射，载流子迁移率会降低，因此会导致负光电流。
要点2. 雪崩光电二极管的机制
雪崩光电二极管是一种极其灵敏的光电探测器，可以将光转换为电流或电压信号。雪崩光电二极管通常在数十甚至数百伏的相对较高的反向偏置电压下运行。在这种情况下，光生电子-空穴对通过电场加速，因此它们可以通过碰撞电离产生更多的载流子。雪崩过程仅在几微米之内发生，并且可以有效地将光电流放大较高的比例。因此，雪崩光电二极管可以用作极其灵敏的检测器。
硅雪崩光电二极管的载流子倍增因子在50和1,000之间变化。为了检测1100nm之上的红外波长，基于III-V族化合物或锗半导体的雪崩光电二极管是不错的选择。基于InGaAs的雪崩光电二极管比基于锗的雪崩光电二极管昂贵，但具有更低的噪声和更高的检测带宽。
此外，InGaAs半导体具有很高的吸收系数，这允许使用相当薄的吸收层。当雪崩光电二极管通过外部淬灭电子器件在Geiger模式下运行时，甚至可以用于单光子计数技术。硅基单光子雪崩检测器（SPAD）具有低于1 kHz的超低暗计数率和高于50％的检测效率。在实际应用中，必须使用外部淬火电子器件在短时间内将偏置电压重置为击穿阈值以下，以便可以停止雪崩过程，并且可以将SPAD用于检测另一个入射光子。
要点3. 由常规半导体制成的雪崩光电二极管
硅基单光子雪崩光电二极管
由块状硅半导体制成的SPAD显示出高量子效率（> 50％），这是因为其较厚的光子吸收层（30–50μm）。但是，厚吸收层限制了它的频率响应，因此将硅SPAD的定时分辨率限制在100 ps的水平。对于与时间相关的光子计数技术，需要使用更薄的硅（1–10μm）来将时序分辨率提高到20ps以下。但是，厚结SPAD和薄结SPAD之间需要权衡取舍。厚结SPAD通常具有较高的检测效率，但定时抖动较差（光子吸收与SPAD产生输出电脉冲之间的时间间隔的变化）；而薄结SPAD的检测效率较低，但定时抖动好。
基于III-V族半导体的单光子雪崩光电二极管
基于硅的SPAD只能检测波长高达1100 nm左右的光子，因为硅半导体的带隙为 eV。为了将检测波长扩展到电信范围，必须使用窄带隙半导体。诸如InGaAs的III-V半导体的带隙约为 eV，这是用于红外单光子检测的有前途的候选材料。基于InGaAs / InP的SPAD的代表性器件结构，i-InGaAs的带隙约为 eV，用作光子吸收层；InP的带隙约为 eV，p + -InP / i-InP同质结用作载流子倍增区。所有的InGaAs / InP SPAD均基于单独的吸收，电荷和倍增（SACM）区域结构。倍增区保持高电场以启动雪崩增益，而吸收区保持足够低的电场以最小化场感应泄漏电流。该设备通常在150至220 K的温度范围内工作，暗计数率低至3 kHz，在1至μm波长范围内的检测效率高达45％，时序抖动低至30 ps。
基于1D半导体纳米线的雪崩光电探测器
用纳米级光电导或光电器件进行检测具有相对较差的灵敏度，因此需要大的放大倍数才能检测弱光并最终检测单个光子。一维纳米线雪崩光电二极管具有超高的灵敏度，检测极限小于100个光子，可重现的高倍增倍数高达7 104。此外，一维半导体纳米线提供了将光量子点与雪崩二极管结合在一起的独特可能性，从而实现了将单个光子转换为宏观电流以进行有效的电检测。此外，一维纳米线雪崩光电二极管也可用于单光子检测。
2019年，A. C. Farrell等报道了一个新的吸收和倍增雪崩光电二极管平台，该平台由InGaAs / GaAs异质结纳米线阵列组成，用于单光子检测。InGaAs / GaAs纳米线雪崩光电二极管的暗计数率低至10 Hz，光子计数率低至 MHz，时序抖动小于113 ps。然而，InGaAs / GaAs纳米线雪崩光电二极管中的低温操作限制了其广泛的适用性。
为此，S. J. Gibson等提出了一种使用锥形InP纳米线p-n结阵列的方法，用于在室温下进行有效的宽带高速单光子检测。截断的圆锥形纳米线结构实现了宽带光响应，其外部量子效率超过85％，增益超过105，并且在20 ps以下具有出色的定时抖动。这种基于1D量子纳米线的纳米级雪崩光电探测器为量子通信，遥感和癌症治疗剂量监测等应用提供了新的可能性。
要点4. 由二维层状材料制成的雪崩光电二极管
原子厚度的2D材料因其卓越的光电性能而吸引了光电探测器界的极大研究兴趣。然而，基于2D材料的光电探测器总是受光吸收系数低的困扰，限制了它们的实际应用。为了在2D光电探测器中实现高增益，可以使用支持电生载流子倍增的碰撞电离。
此外，二维材料由于其原子薄的特性，可能在较短的有源区域（
想象一下这样的场景，对动物大声喊叫，然后就能从回音中分辨出它是狗还是马。也许你会以为这样的事情离我们很遥远，但是一个科学团队已经完成了这种摄影效果。
近期发表在 Optica 期刊上的一篇新论文中，英国、意大利和荷兰的研究人员描述了一种全新的制作动画 3D 图像的方法： 通过捕捉光子的时间信息，而不是其空间坐标 。
研究人员通过调整光线反射到一个探测器上的时间，来提取出一个场景的三维图像，这项被称为时间成像的新技术展示了一种机器学习的重要用途。
时间成像系统比普通成像具有一定的优势。例如， 新系统取像会非常快 ，可能以每秒 1000 帧的速度工作；而且这种粗略而快速的 3D 成像 可能具有多种应用 ，如用作自动驾驶 汽车 的摄像头，以提高寻路的准确性和应急速度，以及用于移动设备和 健康 监视器发展 360° 感知能力；最重要的是， 这种收集时间数据的单点探测器体积小、重量轻且价格便宜。
照片和视频通常是通过使用数字传感器捕获光子（光的组成部分）来制作的，即环境光会反射物体，镜头将它聚焦在由微小的光敏元件或像素组成的屏幕上。图像是由反射光产生的亮斑和暗斑形成的图案。
以最普通的数码相机为例，它由数百像素组成，这些像素通过检测光在每个空间点的强度和颜色来形成图像。
同时，可以通过在物体周围放置若干个摄像机，并从多个角度对物体进行拍摄，或者利用光子流扫描物体，并在三维中重建它来生成 3D 图像。但无论使用何种方式，图像都是通过收集场景的空间信息来构建的。
近几十年来，研究人员发明了一种更巧妙的方法，仅利用单个像素探测器即可捕捉到图像。为了做到这一点，他们不是把物体暴露在均匀的光照下，而是暴露在不同的光照模式下，这些闪光类似于包装上的方形条形码。
每个图案都会反射出物体的不同部分，因此像素测量的光强度会随图案的变化而变化。通过跟踪这些变化，研究人员可以重建物体的图像。
现如今，格拉斯哥大学的数据科学家 Alex Turpin 和物理学家 Daniele Faccio 及他们的同事，发明了一种方法来生成具有单个像素但是没有图案化闪光的 3D 图像。他们利用闪电般快速的单光子探测器，以均匀的闪光照亮了一个场景，并简单地测量了反射时间。
探测器的精度为四分之一纳秒，可以计算出到达的光子数量与时间的函数关系，研究人员仅凭这些信息即可重建场
这是一种新奇的方法，因为原则上场景中物体的排列和时间信息之间没有一一对应的关系。例如，从探测器 3 米远的任何表面反射的光子，无论朝向表面的任意方向，都将在 10 纳秒内到达。
而所谓的飞行时间相机可以增加深度，通过精确计算从物体反射到不同像素的闪光时间来制作 3D 图像。
新型的 3D 成像设备从一个简单、廉价的单点检测器开始，这种探测器被调整为充当光子的秒表。与测量颜色和强度空间分布的相机不同，探测器仅记录由瞬间激光脉冲产生的光子从任意给定场景中的每个物体反弹并到达传感器所需的时间。 物体距离越远，每个反射光子到达传感器所需的时间就越长 。
有关场景中反射的每个光子的时间信息（研究人员称为时间数据）都收集在一个非常简单的图表中。
然后，借助复杂的神经网络算法将这些图转换为 3D 图像。研究人员对算法进行了训练，向它展示了团队在实验室中移动和携带物体的数千张常规照片，以及同时由单点检测器捕获的时间数据。同时，他们还使用了一个非飞行时间的摄影机来拍摄场景的真实 3D 图像。
最终，这种神经网络已经足够了解时间数据与照片的对应关系，从而仅凭时间数据就可以创建高度准确的图像。它与飞行时间相机相比，时间图像模糊且缺乏细节。然而，却清楚地揭示了人们的形态。
加州大学伯克利分校的计算机科学家兼电气工程师 Laura Waller 表示：“乍一看，这种模棱两可的方法似乎使问题无法解决。单像素成像，当我第一次听到这个概念时，我想，这应该行得通。但仔细一想，这应该不起作用。”
格拉斯哥大学计算科学学院数据科学研究员 Alex Turpin 博士说：“如果我们只考虑空间信息，而单点探测器没有空间信息，所以单像素成像是不可能的。然而，这样的探测器仍然可以提供有价值的时间信息。与传统图像制作不同的是，我们的方法能够完全将光与过程分离。”
而且为了能实现这一目的，Alex Turpin及其同事采用了一种称为神经网络的机器学习程序，在使用数据集训练神经网络后，该程序能够自行对场景中移动的人进行成像。
与传统的摄像机不同的是，收集时间数据的单点探测器体积小、重量轻且价格便宜，这意味着它们可以轻松地添加到现有系统中， 例如被用作自动驾驶 汽车 的摄像头，以提高寻路的准确性和刹车反应速度 。
另外，它们可以增强移动设备中现有的传感器，例如 Google Pixel 4，该传感器已经具有基于雷达技术的简单手势识别系统，甚至可以用下一代技术来监视医院患者胸腔的上升和下降，提醒着患者的呼吸变化或跟踪运动，从而用符合数据安全的方式了来确保他们的安全。
Alex Turpin 博士补充说：“我们对自己开发的系统的潜力感到非常兴奋，我们期待着继续挖掘其潜力。我们的下一步目标是开发一个独立的、便携式的即装即用系统，我们迫切希望开始研究我们的选择，并通过商业合作伙伴的帮助进一步开展研究。”
本文中的光、光子除特别说明，均理解为一切频率。
张笃一,傻中傻霸两位网友的论证都很有力。傻中傻霸的例子中之所以杯子没有热效应，而水却产生热效应，这恐怕不是电磁理论可以定量说明的，不过我对电磁场理论只是个门外汉，我这么说，完全出于其它方面的认识，可以说是臆测吧，欢迎网友指正。
张笃一网友说：“还是我上次说的那句，这个现象可以用量子理论解释也可以用经典理论解释”，并且说“正如低速运动我们无需用相对论只要用牛顿力学即适用”。言下之意，电磁场理论是量子理论的低频下的近似（我这么理解大致是可以的吧，如果是我的错误理解，请见后文对该问题的论证）。既然如此，他实质上就接受了量子理论是更正确的，那么量子化的假设就可以认为是正确的，至少在没有新理论出现前比电磁场理论更正确。
就我所知，凡是涉及电磁波与实物的相互作用时，光子说总是成立的。既然成立，就可在一定程度上表明，它的理论出发点光的量子化是正确的，至少没有更好的理论（但量子化或光子究竟是物理实在，还仅是个数学工具或模型，恐怕现在还没人回答。关键是我们是否能“看到”单个的光子，正如我们已经可以“看到”单个原子，据称有人还“看到”了单个电子。但量子力学又禁止我们“看到”至少是低能的光子。例如1mm波长的微波，这是微波中的能量上限，按测不准原理，其位置不确定度近似为波长，1mm的不确定度对光子而言，是天文距离的吧。我们的处境非常尴尬，想彻底证明却没法证明，想证伪可眼下没发现它有什么错）
因此，我们目前只能在量子力学的框架下，来验证其假设的正确性，而不能完全证明其正确性。只有当我们的观测不能用量子理论说明的时候，那时才有必要考虑抛弃量子化假说。
光的量子性和物质的能级结构是密切关联的，实际上是量子论的一对孪生兄弟。二者都是一种假设，并无直接实验证据。假设的正确性只能根据它们导出的结论与大量实验很好的符合被验证。如前所述，我们至今未发现有任何明显的反例存在，但即便如此，对相同的结论是否可能由另一套“非量子性”假设导出，我们不得而知，但可能性是存在的。如果哪一天发现了不可调和的矛盾，量子力学真走到了山穷水尽的地步，相信总会有人提出更好的理论的。现在来看，还不是时候。如果没有历史上那几朵乌云，很可能普朗克、爱因斯坦和玻尔是谁我们没一个人会知道。
所以严格看来，我前文提出的实验论据核磁共振和微波炉其实也不能证明无线电波和微波的量子化，只能说明在这两个波段量子论仍然自洽，并能成功解释现象。
下面回到楼主的问题，具体讨论微波和转动能级。这里的讨论仍然在量子论的框架下进行。我主要从发射光谱的角度来阐述问题，吸收光谱是其逆过程，本质上一样。微波炉的微波发生器的工作细节我不清楚（但同样属于发射光谱），吸收过程的光谱行为我也没有具体资料，因此无法就此深入讨论。稍后再简单进一步讨论。
但气体分子的转动光谱（一般处于远红外一直可延伸到微波段，具体大小取决于特定分子转动能级的大小）已被大量详尽地研究，气态分子在较低温度下（数十K）的纯转动光谱是典型的线状光谱，并几乎等间距。在温度较低时，分子平均平动能较小，相互碰撞时一般不足以引发电子能级和振动能级的跃迁（不排除个别能量大的分子可引发这两种能级的跃迁），但温度只要不是太低，碰撞时即可能引起转动能级的跃迁，即平动能减小，转动能增加。分子位于转动高能级时，又自发辐射远红外或微波光子。其发射的线状光谱就表明了转动能级的量子化，等间距就表明了分子相邻转动能级之间的间隔相等（该推断虽然未必一定正确，但除此之外我们找不到更好的解释）。
附图中列出了HCl分子的转动光谱数据，表中的计算值是利用对非刚性转子模型进行量子力学计算得出的。可以看出量子理论计算值和实验值的相符程度很高。
其中实验测得的最小波数为，波长处于远红外光区，已接近微波光区。如果分子量更大的气体分子，根据理论计算，它们的辐射频率将出现在微波区。如果楼主想实验验证某一微波频率的话，具体方法可参考有关文献,我相信有人做过类似的工作。
需要说明的是，分子更大，相应频率更低时，分子能级间隔更小，谱线相互靠的更近，需要使用更高分辨率的分光系统，将它们分得足够远以致可辨。还有个较难避免的困难在于多普勒变宽和自吸效应这两个因素的存在将大大增加谱线宽度，通常比测不准原理所限定的自然宽度大几个数量级，从而造成谱线的重叠，用再好的分光系统也不可能分开。我怀疑附图中123三条线没有数据可能与此有关。另一个重要原因，可能是在试验温度下实际最低能级并非基态，很可能是第二激发态，如果知道温度的话应该是可以计算的。还有可能与分子无规运动时偶然的分子间作用（对大量分子而言就不是偶然了）引起平动能的显著量子化有关（造成转动能级跃迁的同时伴随平动能级的跃迁，从而使谱线成为带状）。因未看到原图，上述判断仅是臆测。记忆中以前看到过纯转动光谱似乎每条线都有，宽度也较窄，一时想不起来在哪见过。
上面讨论的都是气体分子，如果是液体和固体，分子间的相互作用将使转动能级结构变得极为复杂（正如固体中电子能级的结构一样）。据我很有限的知识，目前还没有很好的理论。至于其实验数据我也没有资料，但相信能级间隔会变小，对应的吸收发射频率会红移。这可以解释微波炉对水有显著的热效应。但可以预料的是，微波吸收谱会是近似连续的，而不会像气体那样出现线状光谱，正因如此，连续的电磁场理论才可能解释该现象。如果是水蒸汽，根据前面HCl的数据估计，很可能不足以引起转动能级的跃迁，不会明显表现热效应。
最后再补充一个直接验证微波量子性的实验，电子自旋共振ESR。其原理与核磁共振有类似之处，它是由微波与电子自旋在磁场中的分裂的能级之间产生的相互作用，当光子能量满足该能级差时将可能被吸收产生信号。由于应用范围较窄，故没有核磁共振普及，本人也未用过。楼主欲知详情可参考一些现代分析方法和仪器的教材和专著。百度百科上的介绍过于简单，恐帮助不大。。楼主想亲自验证的话可与有该仪器的高校联系，不过个人认为意义不大，不太可能发现用量子力学无法说明的现象，同时如前所述要严格证明量子性也不可能（如果你不认可该实验所依据的原理，一定要寻求严格证明）。
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看到楼上“大作业F”朋友的解答，忍不住想再说两句。这位朋友说的第三种方法，我没见过，不知是否有人做过，但我想说想用任何方法“看见”微波光子恐怕是不可能的（前文已有说明，不妨再说几句。姑且假定能做到一束微波就是一“串”光子，每个光子间隔1mm，呵呵这一串光子的确粒粒可数，但每个光子的能量分散在1mm方圆内，一万年以后有没有人能发明探测这样小强度光的高灵敏装置，我不清楚，目前是没戏）。另外目前看来，无论采用何种光子计数器，所谓的数目都是用绝对光强折算出来的，而不是一个一个“数出”来的。其它的微波探测技术产生的信号也必是连续的（除非像刚才一样每隔1mm一个），当然人为调制例外。
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我查了一下中文期刊（检索工具‘中国期刊全文数据库’目前最全的中文科技数据库），涉及微波谱测量的文献两篇，微波谱理论文章若干篇。测量文献如下：
1.甄梦章. 反-1-氟-2-丁烯的微波谱、红外和拉曼光谱、构象分析、内转动位垒以及振动分析[J]. 化学推进剂与高分子材料, 1987,(02)
2.王关忠, 陆中贞. 上海天文台铯钟改进束光学系统后的微波谱[J]. 中国科学院上海天文台年刊, 1991,(00)
楼主想要全文（其中有测量数据，和谱图，属于明显的线状光谱）可向我索取。
国外该方面的观测数据我猜想应较多。楼主想要验证可补充问题，我将给出检索结果。
ESR研究中文文献较多，简单检索有2000余篇。例如：
1.煤及其液化产物的~(13)C CP/MAS/TOSS NMR和ESR研究。波谱学杂志, Chinese Journal of Magnetic Resonance, 2010年 02期
2.王广清, 杜立波, 张冬艳, 徐元超, 贺曾, 田秋, 贾宏瑛, 刘扬. 链接琥珀酰亚胺的线性硝酮的合成与ESR研究[J]. 波谱学杂志, 2010,(01)
NMR测量那就不计其数了全球至少100万篇以上。核磁共振应用太广泛了，基本已属于研究中的常规武器。
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呵呵，我开头也误解为楼主一定要寻求严格的证明（至少是不逊于黑体辐射的证明），属于“固执”一派，于是就尽我所知列出了几个堪比黑体辐射的验证实验，试图打消楼主“怀疑一切”的想法。看了楼主的上文说明，看来我等都狭隘了。不过在具体的测试细节上，我猜想楼主当是目前参与本帖讨论的网友中最具权威的人士，我本人对楼主的专业问题就帮不上任何忙了，毕竟测试涉及的电学、光学的细节问题的复杂程度不是非行内人士所能想象的。
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针对“一个微波量子的热效应变化难道就能使电偶的输出有相应的变化？”我们来做个非常粗略的计算。以能量最高的300GHz微波量子为例，一个量子的能量为-22次方J量级。假定热电偶的接触点质量为1mg，比热为1J/gK，吸收一个量子后接触点的温升为-19次方K量级（温度是个宏观概念这么算其实是有问题的，不过只关心数量级的话，估计数量级不会差太多），热电偶的温差电动率通常为数十微伏每开，不妨假定采用性能优异的热电偶可达1mV/K.这样算来，一个微波量子产生的电动势大约在-22次方V的量级。
且不说这个电动势能否被相对准确测量（其难度楼主应比我清楚），先说环境温度的影响，很明显任何原因造成的温度波动必须小于-19次方K，测量结果才有意义，这个温度控制恐怕太困难了。换句话说，要想测定一个微波量子的温差电效应的前提是：在现有仪器可以分辨的时段内，热电偶的一端保证只吸收一个量子，另一端必须保证绝无净吸收或净发射一个量子的可能性（不吸收或发射是决不可能的）。这个可能性目前看来是不存在的。所以我倾向于认为试图利用微波热效应进而转换为电效应加以测量的方法证实微波的量子性是不太现实的。
现实的方法还是光谱、波谱法。光谱波谱法的验证不依赖于辐射强度，无论用多大的强度谱线的位置不变，正如光电效应那样。楼主有兴趣的话可以参考前人是如何在仪器上实现测量的。对它们的工作细节我也不清楚，无法更多讨论。
另外单光子技术以前没太留意过，我前文中关于光子计数的观点可能落伍了（我一直认为是累积效应）。看了一下网上有《红外单光子探测器的研制》中科大07年的博士论文，摘要中说“成功的探测到了1550nm单光子脉冲”应视为能探测到的最小频率的光子（离可见区的末端很有限）。从理论上说，微波可以借鉴这一方法，但实现的前提还是寻找到逸出功极小的光电材料。
近日，中国科学技术大学潘建伟院士团队与济南量子技术研究院团队合作，实现了一套融合量子密钥分发和光纤振动传感的实验系统。 前述团队在完成光纤双场量子密钥分发(TF-QKD)同时，实现了658公里的远距离光纤传感，定位精度达到1公里，大幅突破了传统光纤振动传感技术难以超过100公里的距离限制。相关成果以“编辑推荐”的形式发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)，并被美国物理学会(APS)下属网站“Physics”报道。 量子密钥分发(QKD)则基于量子力学基本原理，结合“一次一密”的加密方式，可以实现无条件安全的保密通信。因为其重要的现实意义，QKD一直是过去几十年来国际学术界的研究热点。2018年提出的TF-QKD协议，可以突破QKD成码率的线性界限，被认为是实现超远距离光纤QKD的最优方案。然而，TF-QKD技术要求相当苛刻，需要两个远程独立激光器的单光子干涉。而光源频率微小的偏差以及光纤链路的任何波动，都会积累相位噪声而降低单光子干涉的质量。 在实际应用中，沿光纤链路的声音、振动等噪声不可避免，因此，TF-QKD实验过程中需要实时探测环境噪声引起的光纤相位变化，并对其进行实时或数据后处理补偿。一般来说，这些相位变化的信息在QKD实验结束后会被丢弃。但事实上，这些“冗余”信息反映了光纤中透射光的实时相位变化，可能来源于沿光纤链路的振动扰动或者温度漂移。通过分析这些相位变化信息，再结合振动的一些特性，即可获得振动信息并进行定位，从而实现超远距离光纤振动传感。 此次，中国科学技术大学潘建伟、张强研究组基于济南量子技术研究院王向斌提出的“发”或“不发送”TF-QKD(SNS-TF-QKD)协议，利用时频传输等关键技术，精确控制两台独立激光器(Alice和Bob)的频率。团队与中科大陈旸和赵东锋合作，利用附加相位参考光来估算光纤的相对相位快速漂移，恢复了加载在光纤信道上的人工可控振源产生的外部扰动，并结合中科院上海微系统所尤立星团队研制的高计数率低噪声单光子探测器，最终实现了658公里的光纤双场量子密钥分发和光纤振动传感，对链路上人工振源的扰动位置进行了定位，精度优于1公里。 “我们展示了不在TF-QKD网络添加新的光纤或硬件情况下，收集振动传感数据的可能性。”张强说道。 TF-QKD实验由两个位于光纤两端的光学装置组成，分别名为Alice和Bob。每个装置产生一个随机的比特串，并将其作为光信号通过光纤发送到一个名为Charlie的中间节点，两种信号在此相互干扰，所得到的光信号随后被传输回Alice和Bob，并利用干扰结果生成一个共享密钥。 研究团队表示，前述实验系统可以用来检测地震振动，其方法是安装一个压电装置，使Alice的光纤在特定位置振动，频率设置在1到1000Hz（赫兹）之间，在地震传感范围内。其振动产生的相位变化在到50弧度（1弧度为角度）之间，系统可以捕捉到这些变化。张强表示，地震波应该会产生更大的相位变化，在几百到几千弧度之间。团队对频率校准链路进行了类似测试，即在TF-QKD系统上用一根单独的光纤来锁定Alice和Bob激光器的频率，并使用这一链路来精确定位振动源的位置，精度为1公里。 “未来基于这项新技术的QKD网络，可以从已有光纤中提供有用的地震相关信息。”英国国家物理实验室(NPL)量子专家Giuseppe Marra说道。 前述成果表明，TF-QKD网络架构不仅能实现超长距离分发安全密钥，同时也能应用于超长距离振动传感，实现广域量子通信网和光纤传感网的融合，以及用于探测和定位地震。 论文第一作者为中国科学技术大学博士生陈玖朋和张驰，前述研究获得 科技 部、自然科学基金委、中科院、山东省和安徽省等的资助。 校对：栾梦
量子态超空间转移理论是量子信息理论的重要组成部分。量子态超空间转移，也称量子隐形传态、量子远程传态、量子离物传态或量子传真这种非局域关联或称非局域作用能使量子态从一个地方无需媒介瞬间转移到另一个地方，以至遥远的天边。爱因斯坦在1947年3月给玻恩的信中称非局域作用为幽灵般的远距离作用我们先探讨量子纠缠从何而来。这要从量子干涉现象谈起，在弱光的双缝干涉实验中，探测屏上出现的微小斑点清楚显示光子有一个点状的部分，即有一个反映能量集中的峰，而出现的干涉条纹好像暗示它还具有鲜为人知的峰外部分，因而自然推想条纹起因于被双缝割出的含峰片与不含峰片的自身联合。我们再探讨量子是如何纠缠的。前面所述的那对辅助光子是用高功率激光在非线性晶体中产生的纠缠光子，通常说，其中光子A发到1处，光子B发到2处，其实这种说法无异于视光子为经典实体。如果视光子为上面所述那样的量子实体，则可以设想，当光子B的含峰片包括其平面电磁波向2方向运动时，它的一个不含峰片包括其平面电磁波同时跟着光子A的含峰片走，如影随形、永不分离，且二者与生俱来叠加干涉
光纤传感器发展现状国内市场上，应用最为广泛的光纤传感技术当属布拉格光纤光栅和基于光时域反射的分布式传感器，这种技术基本上可以满足中低端市场的需求。而现在光谱线宽窄至2kHz的单频光纤激光器及其引申出来的最新一代光传感技术，这与传统的光纤传感有很大的区别,它可以进行超远距离的传输，精度和敏感度能达到更高的要求，这在高端市场上需求很大，21实际初，该项技术在国内尚处于立项和预研阶段。国内市场上光纤传感器应用主要在以下四种：光纤陀螺、光纤光栅传感器、光纤电流传感器和光纤水听器。下面对这四种产品分别介绍一下。一、光纤陀螺。 光纤陀螺按原理可分为干涉型、谐振型和布里渊型，这是三代光纤陀螺的代表。第一代干涉型光纤陀螺，21实际初期，该项技术就已经成熟，适合进行批量生产和商品化；第二代谐振型光纤陀螺，暂时还处于实验室研究向实用化推进的发展阶段；第三代布里渊型，它还处于理论研究阶段。光纤陀螺结构根据所采用的光学元件有三种实现方法：小型分立元件系统、全光纤系统和集成光学元件系统。21世纪初期，分立光学元件技术已经基本退出，全光纤系统用在开环低精度、低成本的光纤陀螺中，集成光学器件陀螺由于其工艺简单、总体重复性好、成本低，所以在高精度光纤陀螺很受欢迎，是其主要实现方法。二、光纤光栅传感器。 目前国内外传感器领域的研究热点之一光纤布拉格光栅传感器。传统光纤传感器基本上可分为两种类型：光强型和干涉型。光强型传感器的缺点在于光源不稳定，而且光纤损耗和探测器容易老化；干涉型传感器由于要求两路干涉光的光强同等，所以 需要固定参考点而导致应用不方便。21世纪初期开发的以光纤布拉格光栅为主的光纤光栅传感器可以避免出现上面两种情况，其传感信号为波长调制、复用能力强。在建筑健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等应用中，光纤光栅传感器是最理想的灵敏元件。光纤光栅传感器在地球动力学、航天器、电力工业和化学传感中有广泛的应用。三、光纤电流传感器。电力工业的迅猛发展带动电力传输系统容量不断增加，运行电压等级也越来越高，电流也越来越大，这样测量起来就非常困难，这就显现出光纤电流传感器的优点了。在电力系统中，传统的用来测量电流的传感器是以电磁感应为基础，这就存在以下缺点：它容易爆炸以至引起灾难性事故；大故障电流会造成铁芯磁饱和；铁芯发生共振效应；频率响应慢；测量精度低；信号易受干扰；体积重量大、价格昂贵等等，已经很难满足新一代数字电力网的发展需要。这个时候光纤电流传感器应运而生。四、光纤水听器。 光纤水听器主要用来测量水下声信号，它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号转换为光信号，并通过光纤传至信号处理系统进行识别。与传统水听器相比，光纤水听器具有灵敏度高、响应带宽宽、不受电磁干扰等特点，广泛用于军事和石油勘探、环境检测等领域，具有很大的发展潜力。光纤水听器按原理可分为干涉型、强度型、光栅型等。干涉型光纤水听器关键技术已经逐步发展成熟，在部分领域形成产品；光纤光栅水听器则是当前研究的热点，研究的关键技术涉及光源、光纤器件、探头技术、抗偏振衰落技术、抗相位衰落技术、信号处理技术、多路复用技术以及工程技术等。光纤传感器技术是建立在光纤、光通信和光电子技术的基础上发展起来的，电磁干扰和腐蚀作用对它的影响很小，还能适应各种恶劣的气象环境，不要额外的电源进行供电，就可以长距离的进行传输，已成为传感器行业的研究热点。传感器一直朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍却是倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能。光纤传感器应用于对磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。其应用范围十分广泛。因此我们可以说光纤传感器具有很大的市场需求，不说长久，至少在未来5年，光纤传感器将会有广阔的发展前景。光纤传感技术及其相关技术的迅速发展，满足了各类控制装置及系统对信息的获取与传输提出的更高要求，使得各领域的自动化程度越来越高，作为系统信息获取与传输核心器件的光纤传感器的研究非常重要。光纤传感器技术发展的主要方向是：（1）多用途。即一种光纤传感器不仅只针对一种物理量，要能够对多种物理量进行同时测量。（2）提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度，降低其成本，设计复杂的传感器网络工程。注意分布式传感器的参数，即压力、温度，特别是化学参数（碳氢化合物、一些污染物、湿度、PH值等）对光纤的影响。（3）新型传感材料、传感技术等的开发。（4）在恶劣条件下（高温、高压、化学腐蚀）低成本传感器（支架、连接、安装）的开发和应用。（5）光纤连接器及与其它微技术结合的微光学技术。光纤传感运用主要分为五大方向:（1）石油和天然气——油藏监测井下的P/T传感、地震阵列、能源工业、发电厂、锅炉及蒸汽涡轮机、电力电缆、涡轮机运输、炼油厂；（2）航空航天——喷气发动机、火箭推进系统、机身；（3）民用基础建设——桥梁、大坝、道路、隧道、滑坡；（4）交通运输——铁路监控、运动中的重量、运输安全；（5）生物医学——医用温度压力、颅内压测量、微创手术、一次性探头。
摘要]本文主要介绍了超声波的特点,超声波传感器的原理与应用等多个方面。文中阐述了超声波与可听声波的区别,超声波传感器在医疗,工业生产,液位测量,测距系统等多个领域中得到了广泛的应用。因超声波具有的独特的特性,使得超声波传感器越来越在生产生活中体现了其重要性,具有一定的研究价值。 [关键词]超声波 传感器 疾病诊断 测距系统 液位测量 一、超声波传感器概述 1.超声波 声波是物体机械振动状态的传播形式。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的声波,其每秒的振动次数很高,超出了人耳听觉的上限,人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,有两种形式:横向振荡(横波)及纵向振荡(纵波)。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播,其传播速度不同。另外,它也有折射和反射现象,并且在传播过程中有衰减。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律,与可听声波的规律并没有本质上的区别。与可听声波比较,超声波具有许多奇异特性:传播特性──超声波的衍射本领很差,它在均匀介质中能够定向直线传播,超声波的波长越短,这一特性就越显著。功率特性──当声音在空气中传播时,推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。在相同强度下,声波的频率越高,它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高,所以超声波与一般声波相比,它的功率是非常大的。空化作用──当超声波在液体中传播时,由于液体微粒的剧烈振动,会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合,会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用,从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用,会使液体的温度骤然升高,从而使两种不相溶的液体(如水和油)发生乳化,并且加速溶质的溶解,加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。 超声波的特点:(1)超声波在传播时,方向性强,能量易于集中;(2)超声波能在各种不同媒质中传播,且可传播足够远的距离;(3)超声波与传声媒质的相互作用适中,易于携带有关传声媒质状态的信息(诊断或对传声媒质产生效应)。 2.超声波传感器 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。以超声波作为检测手段,必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声换能器,或者超声探头。 超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。超声波传感器主要材料有压电晶体(电致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸缩)两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅(PZT)等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器,它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波,同时它接收到超声波时,也能转变成电能,所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送,也能作接收。 超声波传感器由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成,换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中幅射;而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成,换能器接收波产生机械振动,将其变换成电能量,作为传感器接收器的输出,从而对发送的超进行检测。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。二、超声波传感器的应用 1.超声波距离传感器技术的应用 超声波传感器包括三个部分:超声换能器、处理单元和输出级。首先处理单元对超声换能器加以电压激励,其受激后以脉冲形式发出超声波,接着超声换能器转入接受状态,处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析,判断收到的信号是不是所发出的超声波的回声。如果是,就测量超声波的行程时间,根据测量的时间换算为行程,除以2,即为反射超声波的物体距离。把超声波传感器安装在合适的位置,对准被测物变化方向发射超声波,就可测量物体表面与传感器的距离。超声波传感器有发送器和接收器,但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换,发射超声波;而在收到回波的时候,则将超声振动转换成电信号。 2.超声波传感器在医学上的应用 超声波在医学上的应用主要是诊断疾病,它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是:对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。 3.超声波传感器在测量液位的应用 超声波测量液位的基本原理是:由超声探头发出的超声脉冲信号,在气体中传播,遇到空气与液体的界面后被反射,接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间,即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有很多其它方法不可比拟的优点:(1)无任何机械传动部件,也不接触被测液体,属于非接触式测量,不怕电磁干扰,不怕酸碱等强腐蚀性液体等,因此性能稳定、可靠性高、寿命长;(2)其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。 4.超声波传感器在测距系统中的应用 超声测距大致有以下方法:①取输出脉冲的平均值电压,该电压 (其幅值基本固定)与距离成正比,测量电压即可测得距离;②测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t,故被测距离为 S=1/2vt。如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。 三、小结 文章主要从超声波与可听声波相比所具有的特性出发,讨论了超声波传感器的原理与特点,并由此总结了超声波传感器在生产生活各个方面的广泛应用。但是,超声波传感器也存在自身的不足,比如反射问题,噪声问题的等等。因此对超声波传感器的更深一步的研究与学习,仍具有很大的价值。 参考文献: [1]单片机原理及其接口技术.清华大学出版社. [2]栗桂凤,周东辉,王光昕.基于超声波传感器的机器人环境探测系统.2005,(04). [3]童敏明,唐守锋.检测与转换技术.中国矿业大学出版社. [4]王松,郑正奇,邹晨祎.超声定位车辆路径监测系统的设计.2006,(10). [5]俞志根,李天真,童炳金.自动检测技术实训教程.清华大学出版社. 转贴于 中国论文下载中心
瑞士洛桑联邦理工学院光子系统实验室的研究人员发明了一种无需外部设备就能重新配置微波光子的滤波器。这为更紧凑、更环保的滤波器铺平了道路，这些滤波器将更实用、更便宜。潜在的应用包括检测和通信系统。 光子将在无数任务中取代电子，因为它们移动速度更快，消耗的能量更少。这些微小的光粒子还有一个好处，那就是出奇的灵活，它们的频率范围是电子的1000到10000倍。因此，使用光而不是电来操纵微波，可以为技术人员提供更广阔的带宽。微波光子在通信系统、物联网和波束成形中特别有用。但目前，微波光子系统仍然不能在计算机芯片上产生光脉冲。洛桑联邦理工学院光子系统实验室的研究人员刚刚在这一领域取得了重大突破：他们开发出了可重构的射频滤波器，可以在不需要笨重的外部设备的情况下产生高质量的微波。通过在微蜂窝内的两个脉冲之间产生干扰，他们能够准确地控制脉冲，以便重新配置出射频。微波光子滤波器将传入的射频转换成光信号，然后由光子器件处理，以提取信息。一个光感受器将信号转换回射频。今年4月，洛桑联邦理工学院的另一个实验室的研究人员就成功地在氮化硅芯片上生成了不同类型的微梳子，以产生高质量的孤波脉冲信号。剩下的就是证明这些脉冲信号可以用来重新配置微波，而且该系统与之前更为笨重的设备一样灵活、线性、光谱纯净、无噪音，这正是光子系统实验室的研究人员优化芯片的目的。 这些比硬币还小的芯片所采用的技术是基于光与周围环境的相互作用。信号的波长可以通过改变光源或改变其通过的光通道的形状或材料来修改。 光子系统实验室的卡米尔·布雷斯解释说："使用一个可以结合多个波长的光源意味着我们可以让过滤器的结构相当简单。" 研究人员能够用微型片上光学谐振器取代笔记本电脑大小的光发生器，利用激光脉冲产生完美的孤波。这些滤波器要想在各种应用中投入实际使用，还需要能够改变出射频率。 光子系统实验室的博士生、该研究的主要作者胡建奇说："目前的滤波器需要通过可编程的脉冲形状来设置出射频率和改善波质量，这使得系统复杂且难以投入使用。"为了克服这一障碍，研究人员在两个孤波之间产生片上干扰，通过修改它们之间的角度，使其能够重新配置滤波器频率。这一突破意味着这些系统可以做到完全便携，并与5G和太赫兹波一起使用。 《自然·通讯》发表了这项研究成果。
微波光子学就是将微波信号变成光信号进行处理，好处有很多，比如光传输线稳定的延时，远距离的低损耗，抗干扰能力强，以及超宽的带宽但由于光变频效率低，噪声大，以及功耗过大等问题所以算是一个起步阶段的技术。不过如果能扬长避短，或者在某些技术有所突破的话，应该是会成为一个非常有前途的方向而且目前在光控相控阵，光频率源等应用方面已经有了不少的应用案例个人观点，微波技术和毫米波技术以及thz技术其实和光学技术应该算是量变到质变的过程但电磁波的波特性在很多场合是粒子特性无法取代的，比如雾霾可以防御激光武器的论断所以微波光子学作为一个交叉学科能发挥两者的优势，肯定会达到一个更让人惊喜的效果做研究要分清自己到底是要做science还是要做engineering。作为XX学，它首先是门science。不能“突破电子器件的瓶颈”又怎样？不感兴趣可以不做这个研究。如果你真的很想“突破电子器件的瓶颈”，从工程的角度，你的idea也未必受限于一个微波光子学。我个人对工程不感兴趣。但做科学的人，都不会把论文Introduction部分的吹牛当回事，做工程的如果还当回事那就傻了。
感觉很有前景，微波光子，全光信号处理，这都是未来电子和通信瓶颈的重要突破方向，但这个方向的起点很高，对数学、光学和电子学功底要求很高，要做这方面研究也需要非常高端的实验室设备，如果周围资源允许的话，这是个不错的方向，加拿大渥太华的姚建平教授的团队和悉尼大学的光信号处理团队现在在这方面的研究比较领先，如果是学生的话，可以考虑去这两个地方。
微波光子滤波器是一种基于光学技术来实现微波信号处理的器件，主要是利用光学器件对光波进行调制、延迟等操作，来实现对微波信号的调制、滤波等处理。目前微波光子滤波器的研究主要涉及以下几个方面：1. 器件设计和制备：微波光子滤波器通常由光纤、光栅、耦合器等光学器件组成，因此关键是要优化器件的设计和制备技术，以实现更高的性能和功能。2. 滤波器性能研究：包括滤波器的带宽、频率响应、动态范围等性能，以及与微波信号处理相关的参数，如相位响应、群延迟等。这些性能研究旨在提高微波光子滤波器的性能和功能。3. 应用研究：微波光子滤波器的应用涉及到雷达、通信、军事等领域，因此需要对其应用进行研究。例如，对于雷达应用，需要研究微波光子滤波器在多普勒雷达等方面的应用；对于通信应用，则需要研究微波光子滤波器在光纤通信等方面的应用。总体来说，微波光子滤波器是一个快速发展的领域，其研究旨在提高微波信号处理的速度和效率，以及进一步扩大微波光子学的应用范围。
光纤技术与微波技术相互融合成为一个重要新方向。从理论上来讲，微波技术和光纤技术的理论基础都是电磁波波动理论。在光电器件中，当波长足够小时要考虑波动效应，采用电磁波理论来设计和研究光电器件，如波导型或行波型器件。理论基础的统一，使得微波器件和光电子器件可使用相同材料和技术在同一芯片上集成，这极大促进了两个学科的结合，促进了一门新的交叉学科——微波光子学的诞生。微波光子学概念最早于1993年被提出[1]。其研究内容涉及了与微波技术和光纤技术相关的各个领域[2]。主要集中在两方面：一是解决传统的光纤通信技术向微波频段发展中的问题，包括激光器、光调制器、放大器、探测器和光纤传输链路的研究；二是利用光电子器件解决微波信号的产生和控制问题，主要有光生微波源、微波光子滤波器、光域微波放大器、光致微波电信号的合成和控制等。