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关键词： 光学薄膜   电子束热蒸发   疏水微结构   有限元仿真   自由基等离子体  

摘要： 学者常用氟化物处理以完成材料改性,但含氟物价格昂贵,且会造成污染。本文从材料的自清洁性出发,通过在光学薄膜表面构建微结构以获得疏水表面。针对光学薄膜材料TiO2,研究电子束热蒸发技术镀膜工艺及后续热处理对其表面形貌、浸润性能等方面的影响。基于时域有限差分法理论建立了薄膜表面微结构模型,并利用COMSOL仿真对不同结构参数下薄膜的透过率进行了模拟;根据浸润性理论建立微结构模型并通过仿真分析了该模型的浸润性能。通过离子束刻蚀技术和RPS自由基等离子体刻蚀技术对TiO2薄膜表面进行微结构的制备,随后分析刻蚀工艺参数对其性能的影响。在此基础上,完成增透膜的制备,并对其进行微结构工艺研究,分析其光学性能和浸润性能的变化。本课题的具体研究内容如下: 1)通过电子束热蒸发技术获得了SiO2和TiO2薄膜的最佳制备工艺,随后对TiO2薄膜进行不同温度的退火处理。结果发现,随着退火温度从300℃上升到700℃,TiO2薄膜从锐钛矿相变为锐钛矿和金红石的混合晶相再转变为金红石相,其晶粒尺寸由10nm增大为36.33nm,结合AFM测量结果可知,其表面结构排列更加松散,粗糙度逐渐增大,且TiO2薄膜的透过率随着退火温度的升高逐渐降低。最后对其浸润性进行了测试,当退火温度为300°时,其接触角从81.45°增至91.42°,随着退火温度持续升高到700°,TiO2薄膜的表面接触角逐步降至58.26°。 2)利用COMSOL仿真软件建立减反射微结构模型,探究了不同结构参数（周期、结构高度、占空比等）对薄膜光学性能的影响。结合Wenzel模型和Cassie-Baxter模型建立了微结构数学模型,经模拟其表面接触角达到123.9°,呈现超疏水状态。利用微波离子束,以1000ev能量的Ar离子束对未经退火处理的TiO2薄膜进行刻蚀,实验结果表明,随着刻蚀角度由40°增加至60°时,表面纳米结构向有序化转变。此时薄膜的表面接触角为90.28°,处于疏水状态。与刻蚀前的样品相比,接触角增加了8.83°。 3)利用光刻技术结合RPS自由基等离子体刻蚀技术,成功在TiO2薄膜表面构建了微结构,并深入分析了其光学性能和浸润性能的变化规律。当刻蚀气体流量为CF4:O2=200:100sccm、微波功率为2000W、工作压强为125Pa、刻蚀角度为30°且刻蚀时间为120s时,在2.3～2.5μm波段范围内,相较未经刻蚀处理的样品,TiO2薄膜的平均透过率提升了1.865%。同时,经RPS刻蚀后,TiO2薄膜的表面接触角达到了115.93°,表现出良好的疏水性能。采用TFCalc软件结合电子束热蒸发技术完成了多层膜的制备,在2.3～2.5μm波段内,其平均透过率达到了98.357%。经光刻和RPS自由基等离子体对膜系外层氧化钛进行刻蚀,膜系疏水角提高至107.23°,而平均透过率为96.402%,略有下降,证明表层微纳结构可以在保持一定增透效果的同时提升疏水性能。

关键词： 多视图聚类   张量对数行列式函数   子空间学习   超图正则化  

摘要： 基于张量奇异值分解的多视图子空间聚类算法，大多利用张量核范数探索同一样本视图内的相关性，而忽略了不同视图中样本之间的相关性，并且没有充分考虑张量核范数作为张量秩函数的凸近似，平等地对待不同的奇异值会导致张量表示次优。本文提出了一种具有双张量对数行列式的超图正则化多视图子空间聚类算法（HRMSC-DTL）。首先，通过在每个视图中使用子空间学习来研究一组特定的亲和矩阵，并引入非凸张量对数行列式函数来替代张量核范数，以更好地提高全局低秩性。其次，引入了超拉普拉斯正则化，以保持嵌入在高维空间中的局部几何结构。此外，还对原始张量进行旋转，并引入双张量机制，以充分利用原始张量的视图内相关性和旋转张量的视图间相关性。同时，还设计了一种乘子交替方法（ADMM）来求解非凸优化模型。在7个广泛使用的数据集上进行实验，并与几个主流算法进行比较，实验结果证明了HRMSC-DTL算法在聚类效果上具有一定的优越性和有效性。

关键词： 光纤光栅传感器   智能感知   系统分析  

摘要： 本文探讨煤矿矿井多参量光纤光栅传感器的分析与应用。首先介绍多种矿井多参量光纤光栅传感器，内容包括光纤光栅传感器工作原理、优势以及在煤矿矿井中的应用场景，之后描述光纤光栅准分布感知特性底层逻辑，最后进行光纤光栅智能感知系统设计与实现，为煤矿开采环境智能感知应用提供技术手段，提升煤矿安全生产监测水平。

关键词： 长周期光纤光栅   飞秒激光直写技术   光纤光栅传感  

摘要： 长周期光纤光栅（Long Period Fiber Grating-LPFG）作为一种重要的光学器件,由于其抗电磁干扰能力强、出色的耐腐蚀性、高灵敏度以及易于集成等显著特点,使其在光纤通讯、光纤传感等领域具有广泛应用。相较于光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating-FBG）,LPFG对外界参数如折射率、弯曲、扭转等环境变化更为敏感,使其在生物医学、电力工业以及航空航天等领域具有不可替代的作用。飞秒激光具有较高的脉冲频率和极高功率峰值,在透明介质的精细加工领域占据了举足轻重的地位。近年来,飞秒激光直写技术在LPFG的制备上受到了国内外学者的广泛关注。与紫外加工法、CO2激光加工法相比较,飞秒激光直写技术能够产生结构稳定、耐高温的光纤光栅,且制得的光纤光栅在极端高温环境下也能稳定工作,从而为光纤光栅传感器的应用开拓了更广阔的前景。 本论文提出了一种将飞秒激光直写与化学腐蚀相结合制备的新型长周期光纤光栅,并对其工作原理进行简要介绍,最后对其传感特性进行了测试并对结果进行了分析,具体内容如下: 首先,研究了飞秒激光与玻璃、光纤等透明介质相互作用规律,以及光纤折射率调控方法,并且简要探讨了长周期光纤光栅的基本原理,并对其环境参数的传感特性进行了研究,为后续利用飞秒激光制备长周期光纤光栅提供了理论依据。当飞秒激光作用于石英材料如光纤时,不同功率的飞秒激光会使材料产生不同的结果。高功率飞秒激光会使材料发生雪崩电离和非线性光致电离两种不同形式的电离反应;低功率飞秒激光作用于光纤等石英材料时会产生的导致折射率变化的损伤和缺陷,这些损伤和缺陷是利用飞秒激光加工法制得长周期光纤光栅主要原因,本文中就是根据这一理论进行飞秒激光加工。使用低功率的飞秒激光进行加工,使光纤产生折射率调制区域,为后续氢氟酸湿法腐蚀提供了结构基础。此外,对LPFG的工作原理和制备方法也进行了一定的了解和研究。 其次,本文提出了一种新型的、具有包层周期微通道结构的长周期光纤光栅。制作的具体方法是将飞秒激光加工法与化学腐蚀法相结合,在标准单模光纤的包层中周期性的刻蚀出一系列微通道结构,从而形成长周期光纤光栅。实验中制备该包层周期性微通道长周期光纤光栅主要分为以下两个步骤,一是利用飞秒激光直写技术在普通单模光纤的包层中诱导出一系列具有周期性折射率调制的直线区域,二是将上述折射率调制区域放在体积浓度为20%的氢氟酸水溶液中,经飞秒激光预处理的区域在氢氟酸中的腐蚀速率显著快于未经处理的区域,从而在光纤包层中形成具有微通道结构的长周期光纤光栅。并对该微通道LPFG进行了光谱测试和传感测试研究。实验得到该周期性微通道长周期光纤光栅在空气中并没有良好的透射谱,而必须依赖于液体环境。在水环境下测得该传感器的温度灵敏度为-29.9 pm/℃,应变灵敏度为-3.16 pm/με,RI灵敏度为328.81 nm/RIU,且均表现出良好的线性关系。 最后,对上述微通道长周期光纤光栅进行了改进,将光敏材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）填充到微通道中,并对其温度、应变、折射率以及弯曲特性进行了实验测试。实验结果表明,该传感器具有良好的传感性能,温度灵敏度为-55.19pm/℃,应变灵敏度为-3.19 pm/με,最大RI灵敏度为540.28 nm/RIU,弯曲灵敏度为2.65 d B/m-1,且均表现出良好的线性关系。通过对比上述实验可以看出,填充PDMS后,该传感器的温度灵敏度具有较大提高。