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关键词： 原子定位   电磁感应透明度   电磁感应光栅   驻波场   涡流束   光学磁化率  

摘要： 量子光学的科学研究正在迅速发展,从表面原子的研究到用于光学量子网络的量子器件的开发,各种主题都在进行广泛的研究。我从这个广泛的主题中对两个研究方向进行了探索,据此形成了我的博士研究目标。我的第一个目标是研究基于新颖的四能级三脚架((?))型原子方案的技术,用于原子的高精度位置测量,我的第二个目标是研究在(?)型系统中产生的二维(2D)电磁感应光栅(EIG)的性能。在论文的第一部分中,我们主要关注通过单电磁感应透明和双电磁感应透明(DEIT)在(?)类型方案中的二维(2D)和三维(3D)原子定位。通过使用一个信号场、一个弱探针场和两个正交驻波场(OSWF)进行2D定位,以及使用三个OSWF进行3D定位,可以对(?)型原子方案进行相干控制。我们还认为每个驻波(SW)是两个朝向同一方向的SWF的叠加。SWF的存在导致原子和场之间存在一种位置依赖相互作用,这给出了位置相关的拉比频率。我们认为该系统最初是在较低的水平上构建的,并通过操纵探针吸收光谱来研究原子定位。我们研究了场失谐、强度和相移对2D和3D原子定位的影响。我们证明,通过适当调整系统参数,我们可以在2D平面和3D空间中获得具有显著的更高空间分辨率的原子单一位置信息。我们还观察了多普勒展宽对原子定位的影响,并确定了多普勒展宽对原子空间位置信息的精确度有着显著的影响。我们发现我们的(?)型新颖方案有两个主要优点;首先,原子最初是在基态下制备的,这在实验上可以轻松实现,其次,它不需要自发辐射(SE)控制,这在实验上很难实现。对于激光冷却、原子纳米光刻、计算移动原子的物质波函数中心和玻色爱因斯坦凝聚等大量可能应用,我们的方案也许会非常有用。在论文的第二部分,我们研究了 2D EIG的相干控制,通过用三个激光束驱动四能级(?)原子的平面气体介质,在零级衍射和不同的高阶衍射模式之间切换:SW控制光束的调制几乎垂直于平面介质传播,而涡流和弱平面探测光束垂直于介质。通过改变复合涡旋光束的场失谐和轨道角动量(OAM)数,可以观察到与气态原子介质相互作用的探测光束的衍射,该介质通过应用SW控制光束作为光栅。具体来说,在非共振情况下,探测和涡旋场可能各自具有相干增益,导致零阶和高阶方向的大衍射效率。由于结构光的方位调制,我们发现了一个二维不对称的光栅,导致零阶和高阶衍射的增加以及探测能量向高阶方向的传递。尤其是在共振的SW控制场和非共振的探测和涡旋场组合的情况下可以观察到不对称性。我们相信,在典型的EIG设置中,这里提出的2D EIG方案将在实验上得到实现,并且在科学的各个领域中具有许多不错的应用,例如对量子化探测场进行衍射和切换、探测材料的光学特性、全光开关和路由以及通过将信息存储到原子光栅的衍射阶数来实现光学存储的设备。

关键词： 光学薄膜   膜厚均匀性   行星夹具   大径曲比透镜   宽带减反射膜  

摘要： 大径曲比透镜是一种口径与曲率半径之比大于1.1的光学透镜,应用大径曲比透镜可实现大视场角成像,由于大径曲比透镜表面弯曲度大、存在特别凸面或特别凹面,在大径曲比透镜表面沉积连续均匀的光学薄膜非常困难,制约了大径曲比透镜的应用。使用行星夹具能有效改善膜厚不均匀的现象。本文对平面型三级行星夹具膜厚分布规律、大径曲比透镜表面膜厚分布规律以及大径曲比透镜宽带减反射膜的制备这三个方面进行了系统的理论与实验研究,主要研究工作及成果如下:(1)基于蒸发源余弦分布理论,建立平面型三级行星夹具理论膜厚分布数学模型,对1.8m镀膜机加装平面型三级行星夹具的理论膜厚分布进行仿真分析,并通过单层膜实验对仿真模型进行验证。仿真分析结果表明,在蒸发源特性参数和真空腔室几何配置一定的前提下,平面型三级行星夹具的倾角是影响平面型三级行星夹具膜厚均匀性的主要因素,当夹具倾角为64°时平面型三级行星夹具理论膜厚分布最为均匀。单层膜实验结果表明,平面型三级行星夹具实际膜厚分布与仿真分析结果吻合性较好,验证了仿真模型的正确性。(2)使用平面型三级行星夹具,在两种不同径曲比的大径曲比光学塑料透镜上制备Si O和Ti O单层薄膜,使用共聚焦反射率测量仪对单层膜反射率光谱曲线进行测量,研究环形坩埚转速和行星夹具倾角对大径曲比透镜膜厚均匀性的影响规律。实验发现:环形坩埚转速不会对大径曲比透镜膜厚均匀性造成明显影响,行星夹具倾角是影响大径曲比透镜膜厚均匀性的主要因素;当行星夹具倾角在61°～64°范围内时,两种不同径曲比的大径曲比光学塑料透镜膜厚均匀性均较好。(3)采用电子束热蒸发技术,使用平面型三级行星夹具以不同行星夹具倾角在两种不同径曲比的大径曲比光学塑料透镜上制备宽带减反射膜,使用共聚焦反射率测量仪和接触式光学轮廓仪对样品的光谱曲线及面型变化情况进行检测。检测结果表明:在两种不同径曲比的大径曲比光学塑料透镜上成功制备出在420～880nm波段范围内平均反射率不超过0.8%,不同透镜及同一透镜表面不同位置处光谱曲线偏移量不超过10nm的宽带减反射膜;对于径曲比不同的大径曲比光学塑料透镜,镀膜均会引起面型变化。

关键词： 连续域束缚态   纳米激光   全介电超表面   低阈值   高Q因子  

摘要： 随着材料科学和纳米技术的迅速发展,激光的微型化逐渐成为光子学研究的热点,从其发展历程来看,尺寸已从m量级的固、气体激光到如今nm量级的半导体纳米激光,跨越了将近10个数量级。纳米激光可以在纳米尺度上产生相干光,此外,纳米尺度的强局域电磁场可以增强光与物质之间的相互作用,相比传统激光器更紧凑、更快速、更节能,被广泛应用于光学互连、近场光谱学、传感、生物系统的光学探测以及高分辨率成像等方面。品质因子(Q因子)用来表征激光的性能,光学腔的高Q因子保证了光子长时间停留在腔内并与增益材料相互作用。然而,光-物质相互作用的效率不仅取决于光模式的寿命,还取决于它的模式体积。表面等离子体模式与光子模式相比具有显著的模式体积缩小,但由于金属的欧姆损耗,它们的品质因子通常很低;采用光学损耗极低的全介电纳米材料能够避免金属结构的欧姆损耗,但由于其介电特性,高折射率纳米粒子对应的电磁多极模式的辐射损失(即散射)仍然会阻碍纳米结构高Q因子共振的实现。近年来,连续域束缚态(Bound states in the continuum,BICs)因其具有无限大Q因子和零线宽被认为是实现周期结构中高Q共振的有效途径,推动了介电谐振纳米光子学领域的发展,为在全介电波导光栅结构和二维光栅超表面中构建高质量光学谐振提供了重要的物理机制。连续域束缚态(BIC)是能量嵌入连续光谱中的局域态,具有无限的寿命;在实际系统中发生的任何损失都会导致束缚态转变为具有有限寿命的共振态(准BIC),并被广泛应用于激光、传感器、滤波器、吸收器和非线性光学等领域。本论文就围绕周期性的光栅结构所支持的连续域束缚态的低阈值纳米激光展开了数值研究,主要的研究内容和结论有:1.提出了一种基于准BIC的全介质共振波导光栅(Resonant waveguide grating,RWG)结构,不对称参数δ的改变可以用来把光栅由原来的传统两部分转变为新型的四部分,波导结构的准BIC模式由此形成。通过FDTD Solutions软件模拟新型RWG结构的激射行为,发现TE偏振光照射下,基于四部分光栅的RWG结构的纳米激光阈值要比传统的两部分光栅结构的阈值低大约20.86%;TM谐振模式下该结构的阈值也会低于传统结构,约3.3倍;而且在同样的几何参数下,TE偏振光照射时纳米激光的阈值将比TM偏振光照射时阈值低约一个数量级。2.我们采用了一种新型的方法来激发二维光栅纳米结构的BIC模式,即通过使用磷化铟(In P)或者硅(Si)等高折射率全介电材料纳米柱来支持由二氧化硅(Si O)间隔层隔开的具有高反射率性质的金属薄膜上的水平面内辐射磁偶极子共振。这种介质-金属杂化结构的BIC模式和Q因子均可以通过纳米柱的直径灵活调节,且BIC模式处的电场局限在圆柱体内,磁场呈水平面内偶极子状分布。利用FDTD数值模拟该模式下激光的产生,阈值仅有5.31m J/m,非常适合于低阈值纳米激光器。

关键词： 低秩张量填充   Schatten-p范数   因子张量范数  

摘要： 随着信息技术的迅速发展,海量数据蕴含的巨大价值吸引了研究者的关注。在实际场景中,由于传感器的故障,不当的人类操作和遮挡等,数据很少是完整的。如何有效地恢复数据,已经成为机器学习和计算机视觉研究的热点。对于低秩张量填充问题,研究者基于不同的张量分解定义了不同的张量秩,如CP秩和tub al秩等。低tub al秩引起了广泛的关注,主要原因是低tub al秩张量模型和低秩矩阵模型具有相似的代数结构,许多基于矩阵的代数理论可以直接扩展到张量。基于低tubal秩的张量核范数在张量填充方面取得了显著的效果。张量的核范数有两个缺点:1)强制所有奇异值被平等对待,并使用相同的阈值进行收缩,过度惩罚较大的奇异值;2)大尺度张量的奇异值分解计算复杂度高。针对上述问题的缺点,建立了一个新的模型-因子张量范数正则化低秩张量填充模型,并且给出了张量双l2,1范数和张量l2,1范数与Frobenius范数混合范数的定义,采用变换域张量的前片矩阵的非零列数逼近矩阵的低秩结构,分别证明了双l2,1范数等价于Schatten-p范数(p=1/2),l2,1范数与Frobenius范数混合范数等价于Schatten-p范数(p=2/3)。该模型继承了张量因子分解和Schatten-p范数的优点,避免了等距收缩和过度惩罚的问题。将原始张量分解为两个小尺度张量的张量积,这种方法降低了算法的时间复杂度。采用线性化交替方向法求解模型,并且从理论上分析了该方法的收敛性。综合实验表明,该方法在合成数据集和真实数据集上都达到了更优的性能。

关键词： 集成光学   集成光子-原子芯片   光学偶极阱   变迹光栅  

摘要： 近年来,随着信息技术的发展,将现有原子物理学和集成光学结合的集成光子-原子芯片逐渐成为一个重要的研究方向。集成光子-原子芯片是一种将冷原子和微纳光子结构集成在同一个芯片上的器件,能够实现片上冷原子囚禁,原子态操控和读取等操作,从而可以更方便快捷地应用于基于冷原子的量子信息处理、精密测量和传感等领域。本文提出了两种基于变迹光栅的片上冷原子操控方案,为集成光子-原子芯片提供可靠的单原子源,对全光原子芯片的发展具有重要意义。(1)设计了一种由多个变迹光栅构成的片上微结构平台,其可以实现冷原子囚禁、原子态操控和读取。该片上微结构平台由四个对称排列的变迹光栅构成,各个光栅的衍射光束交汇于中心O上方10μm的区域。其中两束对称分布的衍射光束干涉叠加形成光学偶极阱,并且光阱的宽度小于2.7μm,可以实现稳定的单原子囚禁。另两个光栅可以用于形成探测光束激发和收集冷原子荧光,从而达到同时操控和读取原子态的目标。这种基于多变迹光栅的冷原子操控装置为集成光子-原子芯片提供了一种片上自由空间操控冷原子的方案。(2)提出了一种片上冷原子转移通道,可以将冷原子连续高效地从自由空间传输到芯片表面。这种冷原子转移通道的原理为:内嵌于芯片基底的变迹光栅产生的衍射光束和相向传输的同波长高斯光束干涉叠加形成光学晶格阵列,并且将冷原子囚禁于其中。通过改变衍射光束和高斯光束之间的相位差使波腹发生移动,从而带动所囚禁原子从自由空间传输到芯片表面近场。为消除芯片表面反射光对原子传输的干扰,在芯片顶层设置增透层削弱远场反射光,高斯光束采用横向磁场模式(TM)以布鲁斯特角入射到芯片表面以抑制近场反射。冷原子传输到芯片表面后,通过宽波导上的红蓝失谐光激发的倏逝场来囚禁冷原子,并且可以沿着波导进一步传输冷原子。这种片上冷原子转移通道为集成光子-原子芯片提供了一种获得近场冷原子的方案。

关键词： 磁梯度张量   干扰补偿   预检测机制   目标定位   卷积神经网络   目标识别  

摘要： 利用磁源周围产生的畸变位场对目标进行探测是地球物理学中的重要技术手段,以其无线无源、低功耗、强隐蔽性与非视距检测等优势,在水下及地下磁异常勘探中广泛应用。作为最新一代的磁测技术,梯度张量能够表征磁场矢量沿笛卡尔坐标系正交轴的最小空间变化率,客观、全面地反映磁异常全部要素,在目标体空间定位、边界勾勒等物性反演方面独具优势。随着地球物理勘探工作的不断深入,针对小型磁异常目标的精细化观测由于同时具备商业和军事上的重要价值而成为当前国际研究的前沿热点之一。然而,该技术目前存在着诸如测量平台磁干扰叠加、依赖目标数量先验信息以及手工设计特征表达和识别能力有限等问题,严重限制了其在相关领域的运用。针对上述问题,本文在“十三五”国家重点研发计划项目的支持下,面向水下或地下小型目标物精细化探测的需求,基于自主研制的超导量子全张量磁梯度测量系统,重点开展了高精度磁梯度张量干扰补偿、盲源场景下目标定位与磁性参数解算以及基于二阶细粒度实例分割网络的目标识别等研究工作。这些核心技术属于自上而下的顺承关系,构建起了相对完整的目标磁感知体系,首先利用磁补偿技术抑制梯度张量观测数据中与目标信息无关的干扰场,再经过解析获得反映目标磁性特征的位置和磁矩等基本属性,进而通过卷积神经网络框架挖掘目标深度特征,最终将之定位并识别出来。本文主要研究内容可概括如下:(1)针对磁测作业过程中由系统相关联的干扰磁场所导致的张量测量精度降低的问题,提出了基于旋转不变量约束的磁梯度张量干扰参数辨识及补偿方法。通过对干扰磁场来源、组成及其空间分布特性的深入分析,引入梯度张量Frobenius范数作为约束原则,建立差分式磁梯度张量仪干扰误差的整体化补偿模型,采用Levy搜索机制与转换概率相结合的群优化估计策略解决模型参数解算精度低与补偿效果差的问题。仿真和现场实验结果均表明,所提出的方法克服了常规方法初始迭代敏感和易陷入早熟的缺点,能够有效地抑制梯度张量干扰磁场,为后续目标探测提供了高质量的数据保障。(2)针对盲探测场景下目标定位任务在高维、强非线性参数空间中难以直接求解的问题,提出了基于无监督预检测机制的盲源目标定位方法。基于等效磁偶极子构建梯度张量观测阵列数学模型,重新推导定位方程的可解性条件及通解显式表达并提出了一种基于聚类改进的孤立森林算法作为“预检测器”实现目标空间位置及磁矩参数解算。理论模型和实测结果表明,与常规的单一固定模式相比,本方法避免了人为初始化带来的误差,可以在无监督条件下自动地发现新目标并终止消失目标,同时具备较强的抗噪能力。(3)针对常规方法对磁异常目标特征表达和识别能力有限的问题,提出了基于R-CNN卷积神经网络深度特征表达的目标识别方法。采用Res Net残差块以及横向连接的Top-down不同尺寸卷积核结构提高网络对目标浅及深、多尺度特征的学习能力,引入Point Rend点渲染策略解决高频区域掩码标签模糊的问题,最终构建出一种适用于磁梯度张量目标图像识别的二阶细粒度实例分割网络模型(Two-Stage Fine Grained,TSFG)。通过对不同类型目标模型的验证,本文所提出的TSFG网络模型在七类典型目标的识别和边缘检测方面取得了较好的效果,与目前最为流行的Mask R-CNN基准模型相比,TSFG对不同类型目标的类平均精度提高了5.3%,F1分数提高了3.3%,并且预测轮廓与目标真实情况的吻合度更高。

关键词： CXR图像分类   张量网络   生成判别系统  

摘要： 肺炎作为一种呼吸道疾病,以其传播性强、死亡率高而受到世界各国的高度重视。肺炎的早期发现和治疗能够大大降低其死亡率。医生通过对胸部X射线图像的观察分析是当下一种行之有效的肺炎诊断方法。然而,经验丰富的医生对患者的X光胸片进行目视分析大约需要5-15分钟,当病例集中出现时,将给医生的临床诊断带来巨大压力。因此,将人工智能用于肺炎的临床影像诊断是不可抵挡的趋势。然而,深度学习作为实现人工智能的重要方法,在带来高精度的同时也引入了更加复杂的模型。这种模型不仅依赖于大规模数据集,还严重依赖于硬件的计算能力。针对以卷积神经网络为代表的的深度学习在X光胸片诊断中存在的不足,本文提出并研究了张量网络机器学习模型,从生成和判别任务两个角度阐述了张量网络如何在诊断X光胸片中发挥作用,具体如下:(1)构建了分块生成型张量网络分类器,用于在X胸片中诊断肺炎。尽管生成型张量网络分类器在MNIST上已经取得了优异的效果,但在处理实际医疗场景下的X胸片仍有不足。本章首先引入了一种特殊的直方图均衡算法来对X胸片进行图像增强,然后通过图片分块为生成型张量网络分类器引入了局域性,提高了模型的特征提取能力。模型在肺炎判别实验中取得87%的准确率,不仅超过了原始模型,在其他经典机器学习算法中也遥遥领先。(2)介绍了基于张量模乘的张量层以及生成型张量网络FT-Nets,并在此基础上提出了TNets架构,用于处理图片识别中的多分类问题。张量层的计算形式与Tucker分解类似,其参数能够通过反向传播的方式进行梯度更新。相比于神经网络的权重表示,张量层能够保留原始输入的结构信息。由张量层搭建而成的TNets在实验中表现抢眼,与相同层数的全连接神经网络相比,TNets不仅将参数减少了数百倍,还在展现了在数据上更强的拟合能力,最终在MNIST上取得了97.1%的准确率。(3)搭建了张量网络生成判别系统,将上述不同的算法模型集成到一起,并应用于X光胸片的处理,以实现肺炎的辅助诊断。该系统的Web界面采用前端Vue框架进行开发,在部署时会根据模板文件进行页面渲染。而Flask框架则是作为后端,一方面主要负责调度张量网络机器学习模型,另一方面保证与前端进行消息与文件的正常交互。本系统不仅能够在线配置张量网络模型,还可以在线验证算法模型。最后对系统的主要功能进行了测试,基本满足设计预期,可为临床医生根据X胸片诊断肺炎提供重要参考价值。

关键词： 复合绝缘子   污秽放电   光纤光栅   界面温度   干区  

摘要： 复合绝缘子因其优异的憎水性而被广泛应用于架空输电线路和变电站中,在绝缘子污闪防治工作中发挥了重要作用。但绝缘子表面污秽放电依然频繁发生,严重影响绝缘子的安全性能和电网的平稳运行。已有文献多着重于绝缘子表面污秽放电过程的电学特性研究,常忽略其热学特性。本文系统研究了复合绝缘子污秽放电典型阶段的电、热特性,提出基于光纤光栅测温技术的表面污秽放电监测方法,主要内容如下:(1)搭建了复合绝缘子表面污秽放电试验平台和界面光栅温度监测系统。该系统可同时获取污秽放电过程中的可见光图像、紫外图像、泄漏电流和表面红外温度。以热电偶温度为参考值,验证了光纤布拉格光栅测温的精准度。在复合绝缘子的硅橡胶护套和环氧树脂芯棒界面植入准分布式光纤布拉格光栅制成光纤复合绝缘子,仿真分析了植入光纤对复合绝缘子界面电场和表面电场的影响。(2)研究界面光栅监测亲水性硅橡胶平板表面污秽放电典型阶段的可行性,及污秽放电过程中的电、热特性。由可见光图像和紫外图像确认亲水性污秽放电所处阶段,即湿污区-干区形成前阶段、干区形成与干区电弧阶段、电晕放电阶段。研究各典型阶段的界面光栅温度、泄漏电流和表面红外温度特性,对比分析界面光栅温度和可见光图像、紫外图像、泄漏电流和表面红外温度监测亲水性污秽放电典型阶段的效果。(3)研究界面光栅监测憎水性硅橡胶平板表面污秽放电典型阶段的可行性,及污秽放电过程中的电、热特性。由可见光图像和紫外图像确认憎水性污秽放电所处阶段,即水珠动态行为阶段、电晕放电阶段和闪络放电阶段。研究各典型阶段的界面光栅温度、泄漏电流和表面红外温度特性,对比分析界面光栅温度和可见光图像、紫外图像、泄漏电流和表面红外温度监测憎水性污秽放电典型阶段的效果。针对伴随水珠动态形为过程中的憎水性硅橡胶表面高温点,提出表面高温点形成的电、热协同机理。(4)基于界面准分布式光栅测温技术的光纤复合绝缘子表面污秽放电检测研究。研究了光栅在硅橡胶护套-环氧树脂芯棒界面植入的轴向位置对放电检测的影响。在复合绝缘子干区电弧放电时得到了电弧时间67mm的瞬时电弧和2.1s的短时电弧,均匀湿污放电时得到了在绝缘子表面无规律随机放电,电弧时间46s的持续电弧和8s的间歇电弧,获得不同放电电弧下的界面温升、界面温升速率、界面温度曲线变化和界面温度先降后升现象,验证了界面光栅检测各种放电电弧的可行性。提出电弧周向定位方法,单电弧和不相邻双电弧轴向定位方法。对电弧放电时界面光栅温度先降后升现象的形成机制进行了详细探究,指出其诱因为电弧高温热应力。研究了污秽重力、绝缘子覆冰、风力、导线拉力和环境温度等外界因素对基于界面准分布式光栅监测绝缘子表面污秽放电的影响,提出了降低或消除影响的方法。论文研究成果为复合绝缘子表面污秽放电监测和污闪预警提供了一种新的思路。