【Offer快报】
恭喜武汉大学L同学斩获南加州大学LLM项目!

院校介绍:南加利福尼亚大学(University of Southern California),简称南加大(USC),是美国西海岸最古老的顶尖私立研究型大学,,在2019年U.S.News美国大学综合排名位列第22名。

南加大与哈佛大学,斯坦福大学等一同名列普林斯顿评论全美学子十大梦校。

专业介绍:项目将会培养学生的全球视野和跨学科技能,使学生能够理解和整合影响国际商业和贸易的相关法律,政策和商业实践。学生将接受有关跨境交易谈判和促进培训。

南加州大学Gould法学院开办了五个以上的事务所,为学生提供实践法律经验,其中包括知识产权与技术法律诊所和小企业事务所。

就业情况: 
1)当地就业机会:作为西南部建立较早的法学院,南加州大学法学院的学生有广阔的就业市场,除了西部,纽约、华盛顿特区都也非常欢迎南加大法学院毕业生;
2)特洛伊家族:一个非常强大的校友网络,可以帮助学生找工作;
3)洛杉矶资源:洛杉矶的高等法院是美国最繁忙的法院,每年受理600,000多案件,并且洛杉矶作为娱乐和航空航天产业的故乡,在一些私人机构有许多的就业机会。

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使用单光子传感器的亚皮秒光子高效成像

(SPAD)是有前景的探测器技术,可用于实现具有快速采集,高定时精度和高检测灵敏度的主动3D成像系统。这种系统在生物成像,遥感和机器人领域具有广泛的应用。然而,探测器面临称为堆积的技术损伤,导致测量失真以限制其精度。最近在斯坦福大学电气工程系进行的一项研究中,科学家Felix Heide及其同事开发了一种概率图像形成模型,可以准确地模拟堆积。使用所提出的模型,科学家们设计了反向方法,以有效和稳健地估计记录的光子计数中的场景深度和反射率。有了这个算法,与现有技术相比,他们能够证明时序准确性有所提高。更重要的是,该模型在实际情况下首次允许光子高效3D成像中亚皮秒的精度,而之前仅观察到广泛变化的光子计数。结果现已公布于科学报告。

主动成像具有广泛的应用范围,从自动驾驶到生物样本的显微成像。这些应用的关键要求包括高精度定时,快速采集速率,动态工作范围以及对摄像机视图中隐藏的图像对象的高检测灵敏度。遥感和自动化应用要求采集范围从<1米到公里。
除了直接反射的光之外,非视距成像依赖于通过多个散射的间接光的返回光子获得编码信息。为了实现这些应用,开发了超灵敏探测器来记录从脉冲光源返回的单个光子。单光子雪崩二极管(SPAD)是最灵敏的时间分辨检测器技术之一,可以使用互补金属氧化物半导体(CMOS)制造工艺生产。SPAD迅速成为3D成像的核心探测器技术。
在其功能原理中,SPAD是反向偏置光电二极管,以盖革模式工作,即高于其击穿电压。当光子入射到SPAD的有效表面上时,可以触发带时间戳的电子雪崩。从通常以MHz速率操作的同步脉冲照明源返回的光子的重复时间戳可以及时累积光子计数的直方图。得到的直方图记录了返回光脉冲的近似强度,以恢复和表征从视图中隐藏的对象的距离,反射率和3D几何形状。

根据预期的应用,SPAD可以在自由运行模式下运行(允许在所有到达时间同时检测所有光子事件)或门控模式(其中仅检测脉冲之间的特定时间窗口中的光子)。所有应用都受到称为堆积失真的基本现象的影响这严重限制了准确性。堆积可以固有地限制SPAD检测器的工作原理。例如,在每次触发的电子雪崩之后,检测器需要在检测到进一步的光子到达事件之前进行猝灭。在此“死区时间”(十到几百纳秒)期间,检测器处于非活动状态。这可能导致单个激光脉冲的早期光子触发雪崩,而后期脉冲可能在死区时间内被忽略; 创建不准确的倾斜测量称为堆积。通过在低通量状态下操作主动成像系统可以避免这种现象,如先前用于第一光子成像的现有技术所见。
然而,机器人,生物成像或汽车传感中的3D成像应用的条件各不相同,因为它们在反射高光子数量和低光子数量的物体对于决策制定必不可少的环境中操作。由不同深度或不同物体的反射率变化引起的采集光子计数的大变化对于3D成像是至关重要的。在这项工作中,Heide等人。引入了一种新的估算算法,该算法克服了使用自由运行SPAD的主动3D成像系统的现有局限性。
所提出的方法在从低通量测量到高通量测量的宽范围内提高了现有深度和反照率估计的准确度。科学家们引入了一种概率图像形成模型,其中包括堆积,其中有效的逆算法可用于深度和反照率估算。重建框架联合估计所有未知参数以克服先前限制定时精度的算法限制。所提出的方法允许高度准确和快速的3D成像,以开启光子高效3D成像的新操作方案,适用于具有显着变化的光子计数的条件。

在两个具有高度变化的反射率和深度剖面的场景中评估了所提出方法的性能,其中包括大卫雕像和浅浮雕场景。这两个实例都包含具有复杂几何形状和不同反射特性的物体,包括“大卫雕像”的镜面行为和“浅浮雕”场景中具有空间变化反照率的朗伯反射率。对于这两个场景,科学家们捕获了地面实况参考测量(信息)由经验证据提供)具有5%中性密度滤波器,其通过抑制源强度消除了堆积失真。
该系统的硬件包含时间分辨传感器,脉冲激光,照明和采集光学系统。该设置还具有一组扫描镜,以实现光栅扫描照明模式。使用PicoHarp 300时间相关单光子计数模块捕获光子到达的时间。照射源是450nm或670nm皮秒激光(产生半峰全宽FWHM,脉冲宽度为90ps和50ps)。收集光学系统由75米物镜,30毫米中继透镜和显微镜物镜组成,设计用于将SPAD的视野扩展到由照明源扫描的区域。
实验测量用作所提出方法的输入,并且在光路中没有任何滤波器的情况下获得。在研究期间获得深度和反照率重建以及相应的误差图。结果证实,所提出的方法实现了高质量的重建,不受场景依赖性堆积或散粒噪声(与光的粒子性质相关的电子噪声)的影响。将结果与常规方法进行比较,例如对数匹配滤波器估计和Coates的堆积校正方法,其不能有效地抑制堆积并且遭受依赖于场景的深度精度。相反,Heide等人介绍的方法。达到亚皮秒精度。

Heide等人使用的代码和数据。将在GitHub上发布研究结果。总的来说,所提出的概率图像形成模型和相应的逆方法获得了亚皮秒精度尽管激光脉冲宽度大于50 ps,但对于主动3D成像。与传统技术相比,这种新方法在从低通量到高通量测量的动态范围内实现了高精度。将来,所提出的方法可以通过多路复用多个受影响的响应来促进远程获取。所提出的创新为快速和精确的光子高效3D成像系统铺平了道路,在实践中观察到光子数量变化很大。应用程序可以涵盖广泛的学科,包括3D绘图和导航,艺术重建和保护,自动驾驶,机器人和机器的视觉,地理信息,工业和显微成像。

从一篇NatureNanotech,看数值模拟如何助力光电传感器研究 https://t.cn/E23ywgX

在这篇文章中,研究人员大量使用了基于FDTD的全电磁场数值模拟,直观明了的介绍和演示了器件的工作原理,配合相关理论模型与实验测试结果,对亚波长相干角度探测的物理机制和参数条件做出了充分和完备的论证。下面我们一起来了解一下。

我们知道空间上一对相互接近的共振腔,当他们之间的间距接近或小于模式波长时,会发生显著的光学耦合(非厄米耦合),从而表现出所谓的超辐射(superradiance,即相位相张)与亚辐射(subradiance,即相位相消)集体共振效应。由于这两种集体共振模式对入射波表现出不同的角度耦合特性,两个共振腔中的光场将随入射波角度的变化而形成不对称的强度分布,从而反映出入射波的角度信息。在这篇文章中,研究人员利用了一组方形截面(约100 nm宽)的硅纳米线波导作为相干共振腔,通过检测左右纳米线中受激光电流的大小比例来探测入射光波的角度,见图1。

图 1 a, 双谐振器中的相干耦合模式理论示意图。共振模式振幅为a1和a2,共振器相隔距离d。 S,γi和γr分别表示入射光功率,以及耦合强度的虚部和实部。γ为模式的衰减率。 H表示磁场,E表示电场; b,两个谐振器中存储能量的比率。在发生相干耦合时,这个比例很大程度上取决于激发光的入射角(红线),而对于去耦合的谐振器,它保持为1(黑线)。以上两种情况均使用d =0.05λ0, γ=0.01ω0。 γc= 9.8×10-3ω0当γc≠0。c,SiO 2衬底上的两个Si纳米线的横截面图,其中灰色曲线表示45°入射角的激发光Poynting流场线。 d,两个Si纳米线的吸收率比例随入射角度的变化,其中d = 100 nm(红色)和d =2μm(黑色)。在c,d中,入射波的电场沿z方向(TM偏振); e,耦合纳米线中的超辐射(左)模式与亚辐射(右)模式及其角度耦合特性。两共振腔的间距为模式波长的1/10,红色与蓝色相位相差。

实验表明,当纳米线间距约为100 nm,入射波长为550 nm时,对于TM偏振的入射波,左右纳米线的光电流的强度比例随入射偏角在0度到70度之间的变化表现出近似线性的依赖关系;而对TE偏振的入射波,这一线性的依赖关系保持在最大入射角45度以内。因此,器件整体对± 45度范围内的非极化光表现出良好的角度分辨能力。研究人员使用FDTD数值模拟,计算了硅纳米线波导中的相关光学模式及其他们的近场吸收与远场耦合特性,还原了在不同偏振类型的入射光下光电流随入射角度的非对称变化,与实验结果形成较好的对应(见图2,3)。

图 2 a,纳米线结构在不同入射角度下的光吸收率σ(ω)|E|2分布。 当d = 100nm时(有耦合),两个纳米线之间的吸收率对于不同入射角的变化清晰可见。b,当d =2μm时(无耦合),两个纳米线对于任何入射角都表现出几乎相同的吸收分布。

图 3 a,采用两根相干耦合Si纳米线的角度检测光电传感器示意图。绿色表示Si纳米线,黄色表示Au电极。b,器件的SEM图像。两个Si线之间的间距约为105 nm。c,d,器件对TM(c)和TE(d)偏振光的归一化响应谱。e,f,两根纳米线中光电流强度的比例对TM(e)和TE(f)偏振光随入射角度的变化(黑线为FDTD模拟结果,红线为试验测试结果)。

图 4 a, b, 不带衬底的简化耦合纳米线模型。纳米线尺寸为100 nm×100 nm,间距也为100 nm。图中为FDTD计算得出的波长为550 nm的TM偏正光在15°(a)和60°(b)入射角下纳米线中的电场分布。c, 使用耦合模式理论(CMT)与FDTD全电磁波数值模拟分别得出的左右纳米线吸收率比例的对比结果。

高级的研究成果中往往需要使用解析的理论模型对实验现象给出更为严谨的理论说明,并进一步论证理论模型与实验现象的异同之处。在这篇文章中,研究团队使用了时域耦合模式理论(Temporal Coupled-Mode Theory)来描述耦合波导中的能量随入射波偏角的变化,并且充分利用了高精度的FDTD全电磁场数值模拟,通过大量不失一般性的简化模型还原了理论模型的推导结果,验证了理论模型的正确性,从而建立了“理论模型——数值模拟——实验结果”相互印证的完备论证(见图4)。

在文章的最后,研究团队利用了一个简单的三角测距实验展示了他们的纳米线器件在实际情况下的工作性能。实验表明,使用相干耦合纳米线的角度传感器可实现从数厘米到10米范围内的精准测距,测距精度误差在4 mm以内;相干纳米线的角度探测误差约为0.32度。这一测试结果也得到了FDTD数值模拟的支持。

图 5 a,三角测距实验装置。安装在两个独立芯片上的两个角度传感探测器,在x方向上彼此相距50 mm。Y方向上100 mm处放置了嵌入直径为5.6 mm的半球形玻璃透镜中的LED光源。 b,在2D平面上进行的六次测量结果,红点代表LED光源的真实位置。其中,对每个LED的位置进行了50次的重复测量生成误差统计。c,采用FDTD全电磁场数值模拟和实验测量的光电流比率的对比。其中,每个数据点进行了100次重复测量生成误差统计。误差线的平均长度为0.006。

总结一下,这篇来自威斯康星大学和斯坦福大学的《Nature Nanotechnology》采用了“理论模型——数值模拟——实验结果”相互印证的研究方法,展示了一种新型的基于相干耦合纳米线的亚波长角度检测光电传感器。该研究突破了传统角度探测传感器小型化和低精度的难题,为全光场传感器的大规模片上集成提供了突破性的解决方案。文章中大量使用的FDTD全电磁数值模拟为整篇文章提供了强有力的论证支撑,成为连接理论模型与试验观测的利器。


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