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关键词： 弹簧光   尾场加速   高能质子束   激光等离子体不稳定性   受激拉曼散射  

摘要： 激光即通过受激辐射实现光放大(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,Laser)的技术。在1960年,物理学家梅曼(***)成功研制世界上第一台激光器,标志着科技领域的一次重大革新。区别于常规光源,激光具有单色性高、相干性好、方向性极佳和能量集中的特点。从理论概念的提出到实验演示,激光技术的发展历经数个重要阶段,其不仅极大促进了物理学和光学的进步,也在众多领域催生了许多关键的应用:如激光驱动高能粒子源、惯性约束聚变、激光通讯系统、激光测绘、微创手术、武器制导等,其已成为现代科技进步不可或缺的动力之一。本论文主要研究了涡旋弹簧光在等离子体中尾场驱动质子加速以及角向非相干激光脉冲抑制受激拉曼散射相关的物理问题,本文工作主要为以下两个方面: 1.通过三维粒子模拟(PIC)技术,研究了具有弹簧状结构的涡旋弹簧光(LS)脉冲在欠稠密等离子体中尾场驱动质子加速。由于弹簧光的亮点集中在圆环一段很小的弧线上,除亮点外圆环其他位置上的光强极低,因此在同等激光功率下,与其他涡旋光,如拉盖尔高斯(LG)脉冲相比,涡旋弹簧光脉冲具有极高的峰值强度,能驱动更强的纵向加速度场。当LS光与等离子体作用时,其螺旋结构和高峰值强度都有助于聚焦电子,LS激光强烈的横向有质动力将一部分电子向外排空形成空泡的外电子层,同时将大部分电子向内聚焦形成电子柱,在激光中轴线上产生细电子柱的结构。该电子柱对周围的质子产生聚焦场,持续吸引质子在轴线附近振荡。这种空泡结构可以将质子束缚在气泡结构中并持续稳定加速较长一段时间,对于获得高能质子束至关重要。最终本文使用相同功率为4.81 PW的涡旋弹簧光脉冲,将外注入质子从0.11 Ge V加速到10.6 Ge V,与同等功率下的高斯脉冲和拉盖尔高斯脉冲对质子的加速情况相比具有很大优势。 2.利用三维PIC模拟技术,研究了具有角向非相干性的涡旋光对受激拉曼散射的抑制效果。典型的激光等离子体不稳定性,如受激拉曼散射、受激布里渊散射或双等离子体衰变等,是由激光脉冲驱动的惯性约束核聚变实现高增益、可预测性和可重复性的主要障碍之一。在本文中,首次分析了激光角向非相干性对等离子体不稳定性增长率的抑制,发现了典型的角向非相干光,即涡旋弹簧光与欠稠密等离子体作用时,对于后向拉曼散射具有强烈的抑制效果,并给出不稳定性增长率公式。在粒子模拟中,比较了无角量子数展宽的拉盖尔高斯脉冲,以及具有角量子数展宽的弹簧光的后向受激拉曼散射与初始的驱动脉冲之间的最大电场强度比值,发现角向非相干性对于后向受激拉曼散射有效的抑制效果。特别是,研究中发现角向非相干性没有引入额外的不受欢迎的热电子。该研究提供了一种利用具有角动量展宽的光来抑制等离子体不稳定性的新方法,为使用时间、空间和角度都具有非相干性的低等离子体不稳定性激光系统进行惯性约束聚变提供方案。

关键词： 微纤化纤维素   光选择性吸收薄膜   紫外/蓝光屏蔽   近红外吸收   自愈合   阻燃  

摘要： 纤维素是地球上储量最丰富的生物质资源之一,因其可再生、可生物降解、生物相容性好、成本低廉、来源广泛等优点而被认为是石油基不可再生能源的理想替代品。以纤维素为基体材料制备多功能光选择性吸收材料,一方面扩大了纤维素的应用范围,另一方面可通过对光和温度的调控减少由照明和温度控制造成的能源消耗和环境负担,具有显著的环境和经济效益。本论文以微纤化纤维素（MFC）为基体材料,制备了多种纤维素基复合薄膜。通过向纤维素基质中引入不同的功能物质,赋予薄膜紫外屏蔽、近红外吸收、光散射以及蓝光屏蔽等性能。在优异的光选择性吸收能力的基础上,进一步通过物理/化学方法实现了薄膜的热愈合和阻燃。论文的主要研究内容和结果如下: （1）微纤化纤维素/木质素/六硼化镧复合薄膜的研究 以微纤化纤维素（MFC）和碱木质素（lignin）为原料,通过混合-抽滤-机械热压法制备了具有紫外屏蔽性能的MFC/lignin二元复合薄膜。纤维素与木质素上丰富的羟基形成密集的氢键网络,机械热压进一步导致薄膜内部结构致密化,使复合薄膜的拉伸强度高达193.0 MPa。此外,薄膜还兼具良好的耐水性和热稳定性。进一步通过表面喷涂的方式负载具有近红外吸收特性的六硼化镧（LaB6）纳米粒子,得到MFC/lignin/LaB6复合薄膜。该薄膜具有高透光率、高雾度、理想的光散射和优异的紫外屏蔽性能,LaB6的负载显著提高了薄膜的隔热性能。 （2）微纤化纤维素/聚苯胺/甲基三甲氧基硅烷复合薄膜的研究 设计合成了酸掺杂态的聚苯胺（PANI）粒子,并将其与MFC悬浮液混合抽滤,经机械热压后得到MFC/PANI二元复合薄膜。因PANI自身的结构特性,MFC/PANI复合薄膜可同时吸收紫外和近红外光。然而,PANI对水分较敏感,且容易被氧化变色而失效。鉴于此,进一步用甲基三甲氧基硅烷（MTMS）对薄膜进行硅烷化处理,使薄膜表面形成疏水且隔绝氧气的保护层。最终得到兼具紫外屏蔽和近红外吸收性能的MFC/PANI/MTMS三元复合薄膜,其拉伸强度达到190 MPa,最大应变为5.99%。MTMS处理显著提高了薄膜的疏水性,水接触角由32.62°提升至106.4°。 （3）微纤化纤维素/苯并噁嗪树脂复合薄膜的研究 以苯并噁嗪树脂（BR）为功能助剂,通过混合溶液浸泡-热压固化的方法制备了MFC/BR二元复合薄膜。苯并噁嗪分子结构中的苯环及其共轭结构对紫外光有较强吸收,苯并噁嗪开环聚合形成的三级胺结构可有效吸收蓝光,因此,MFC/BR复合薄膜具有紫外和蓝光双屏蔽特性。此外,通过反应控制策略,即控制BR的固化程度,实现了薄膜的快速自愈合。固化时间为1.5 h的薄膜,仅通过简单的加热处理便可在10 min内实现高效的自修复。当BR添加量为30%时,MFC/BR复合薄膜的拉伸强度和断裂应变为142.99 MPa和4.49%。 （4）微纤化纤维素/苯并噁嗪树脂/单宁酸复合薄膜的研究 为了提升复合薄膜的力学性能,在MFC/BR二元复合薄膜的基础上,向体系中引入了单宁酸（TA）,以实现薄膜的增强和增韧。TA是广泛存在于植物体内的天然紫外吸收剂,其分子结构中具有大量羟基,可在MFC和BR之间形成密集的氢键网络,从而改善复合材料各组分之间的界面结合。MFC/BR/TA复合薄膜的拉伸性能较MFC/BR复合薄膜显著提高,当TA的添加量为6%时,薄膜的拉伸强度和最大应变分别为202.21 MPa和7.1%,较MFC70%/BR30%薄膜提高了42.42%和58.13%。但TA的加入在一定程度上限制了BR在高温下的运动能力,导致薄膜的热愈合速度减慢。 （5）微纤化纤维素/苯并噁嗪树脂/2-甲基丙烯酸羟乙基磷酸酯复合薄膜的研究 理想的阻燃性对薄膜在实际应用中的安全性至关重要。为了实现薄膜的有效阻燃,在MFC/BR体系中引入2-甲基丙烯酸羟乙基磷酸酯（HEMAP）,制备了阻燃型MFC/BR/HREMAP复合薄膜。在保证优异的光选择性吸收性能和力学性能（拉伸强度～140 MPa）的前提下,薄膜达到V-0级别阻燃,极限氧指数（LOI）为28.2%,在空气中燃烧1 s后可以自熄灭。锥形量热测试结果表明,MFC/BR/HEMAP复合薄膜的热释放速率、总放热量、产烟速率和总产烟量均显著低于MFC薄膜。另外,HEMAP中的磷酸酯键可以被加热激活,从而发生动态酯交换反应,有利于薄膜的自愈合。阻燃和自愈合的双重功能可延长薄膜的有效使用时间并降低火灾带来的安全风险。

关键词： 光干涉传感   微机电系统   相位生成载波   信号解调  

摘要： 随着精密制造技术的快速发展,微纳尺度的光干涉测量技术因其高灵敏度、高分辨率和非接触性等特点,逐渐成为精密传感领域的研究热点。其中,以光栅衍射原理的测量技术是光干涉测量技术的一个重要发展方向。目前主要研究的是将微结构引入光栅干涉测量系统,但仍存在对工作点敏感、非线性以及量程限制问题,因此研究高性能的光栅干涉测量传感器对微纳精密制造具有重要意义。本文基于光栅干涉式传感器的传感机理及特性研究,将相位生成载波技术(PGC)引入光栅干涉式传感器,开展基于光栅驱动外调制的传感信号解调处理方法研究和实验工作。 为了设计光栅干涉式传感器和对传感测量原理进行理论分析,本文首先针对核心反射面-光栅干涉结构,利用标量理论建立了基于双光栅衍射的光学模型;通过对模型的工作原理分析,得到了不同衍射级次干涉光强变化的参数映射关系,明确了初始相位和敏感相位对干涉光强信号的影响。其次,为解决工作点偏离和量程限制问题,结合相位生成载波技术,分析阐述了调制解调方法原理并且指出了方法模型的关键影响因素;从原理上解决了工作点偏离和量程限制造成的信号失真问题,对开展光栅调制传感元件优化和传感信号解调建立提供理论基础。 进一步,为了实现干涉光强信号的相位调制,本文提出了一种压电陶瓷-光栅-振膜垂直方向紧凑集成的高灵敏相位调制型的光学声传感结构,并结合MEMS工艺和激光加工技术,完成了直径30mm、厚度0.77mm的传感元件制备。同时设计了匹配光栅干涉测量光路的光电检测模块并制作了检测电路,以提供激光光源和实现光栅衍射一级干涉光信号的检测输出。另外设计并制作了集成传感器元件和光电检测模块的封装管壳,完成了声传感器样机的组装,实现了附加光栅调制的干涉信号检测输出。 最后,对研制的声传感器样机进行了传感信号解调性能测试。首先对传感器的关键结构进行了表征测试,测试了光栅的衍射效率,并对压电陶瓷驱动位移以及激光器输出光波长进行了标定。搭建了面向声信号检测的传感器样机标定测试平台,基于建立的PGC-DCM传感信号解调算法程序,对附加设定驱动光栅相位调制的输出传感信号进行解调,成功解决了工作点偏移造成的信号失真问题,实现了声传感信号的线性解调。并进行了500Hz频率下不同声压信号的传感器样机标定测试,通过比较不进行相位调制处理的声信号检测结果和施加光栅调制并进行PGC-DCM解算的声信号检测结果,将原先4.28Pa以下的线性声压范围扩展到9.23Pa以上,线性度达到了0.9785,验证了本课题建立的针对光栅干涉传感器的传感信号解调方法,实现了线性量程的拓展。

关键词： 光电材料   光栅耦合器   铌酸锂晶体   波导  

摘要： 提出了一种基于铌酸锂平台的大带宽二维光栅耦合器，通过引入光电材料制成的铌酸锂晶体作为平台，采用硅三角形结构，以有效介质理论为基础沿着光传播的方向改变每个三角形的横向宽度，并在硅光栅耦合器与底部铌酸锂薄膜（LNTF）波导之间引入了低折射率氧化物缓冲层，在波长1550 nm处获得一个具有60.8%耦合效率以及102 nm的1 dB大带宽的垂直光栅耦合器。

关键词： 时间分数阶波动方程   对称降分数阶方法   Graded网格   紧致差分方法   快速算法  

摘要： 时间分数阶波动方程广泛应用于物理、化学、生物以及金融等领域.本文主要研究了时间分数阶波动方程基于其解弱奇异性的高效数值算法.首先,采用对称降分数阶方法,通过引入中间变量,将方程等价地转化为包含两个低阶方程的方程组;然后,针对该方程组,建立出基于其解弱奇异性的L1-紧致差分算法和快速Alikhanov-紧致差分算法;最后,将快速Alikhanov-紧致差分算法推广应用于求解非线性时间分数阶波动方程.具体研究内容如下: 针对线性时间分数阶波动方程,运用紧致差分方法进行空间离散,分别采用Graded网格下的L1格式和Alikhanov格式进行时间离散,建立出全离散的L1-紧致差分算法和Alikhanov-紧致差分算法;然后,分析了两种算法的稳定性,并分别得到了 L1-紧致差分算法的最优局部误差估计,以及Alikhanov-紧致差分算法α-稳健的最优全局误差估计.进一步,借助指数函数的和逼近核函数,构造了快速Alikhanov-紧致差分算法,以此提高计算效率.最后,通过数值算例验证了理论分析结果和算法的高效性. 针对非线性时间分数阶波动方程,建立出基于其解弱奇异性的Alikhanov-紧致差分算法,证明了该算法α-稳健的无条件全局误差估计.同时,为了节约计算成本和存储空间,给出了相应的快速算法.并且,通过数值算例验证了算法的最优收敛阶和快速算法可提高计算效率的优势.

关键词： 干涉与衍射   叉形光栅   涡旋光   激光打印胶片  

摘要： 涡旋光的研究与应用是当前光学领域的前沿和热点。本文介绍了一种方便实用的涡旋光制备方法。我们首先利用涡旋光与高斯光的干涉，产生了叉形光栅结构。然后采用喷墨打印技术，将此叉形光栅图案打印在激光打印胶片上。最后通过平面光束照射叉形光栅，利用胶片上黑色区域的光吸收效应，实现了光线通过光栅空隙处的衍射，从而成功制备了具有不同拓扑荷数的涡旋光。与传统方法相比，我们提出的涡旋光制备方法不需要复杂的光学设备或昂贵的材料，大大降低了实验的技术门槛和经济成本，使涡旋光的制备更加普及和可行。此外，这种技术的简易性和低成本特性，使其在光学实验教学和基础科学研究中具有广泛的应用前景，尤其适合于资源有限的实验环境。

关键词： 三叉神经痛   脱髓鞘   经皮穿刺球囊压迫术   磁共振弥散张量成像  

摘要： 目的 利用弥散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)评估单侧三叉神经痛(trigeminal neuralgia, TN)患者经皮穿刺半月节球囊压迫术(percutaneous balloon compression, PBC)前后三叉神经根局部微结构的变化，探讨其是否可用于临床评估PBC疗效。方法 对50例行PBC治疗的单侧TN患者行DTI成像，测量其患侧与健侧三叉神经PBC术前及术后3天的部分各向异性分数(fraction, FA)值、表观扩散系数(apparent diffusion coefficient, ADC)值。对手术前后测得的参数值进行统计学分析。采用视觉模拟评分法(visual analogue score, VAS)评价患者PBC前后的疼痛评分情况。结果 PBC术后3天患侧三叉神经远段FA值较术前FA值减低(P<0.05),ADC值较术前ADC值增高(P<0.05),差异有统计学意义。三叉神经健侧术前术后FA值、ADC值变化均无统计学意义(P>0.05)。结论 三叉神经远段DTI参数(FA值和ADC值)的变化可用于评价三叉神经PBC术后神经微结构变化，可作为评估三叉神经痛PBC术的定量观察指标，对三叉神经痛PBC手术疗效评估具有一定的诊断价值。