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关键词： 级联倾斜布拉格光栅   级联倾斜布拉格取样光栅   重构等效啁啾技术   模式转换器   弯曲波导光栅   环形谐振器  

摘要： 倾斜布拉格光栅（TBG）是一种典型的二维（Two-dimension,2D）布拉格光栅,其结构特点为光栅平面相对于波导纵轴发生倾斜,这会导致倾斜布拉格光栅的光栅矢量的大小和方向发生改变。级联倾斜布拉格光栅（C-TBG）将不同倾斜角度和光栅周期的TBG进行级联,从而获得丰富的光响应。因此,C-TBG广泛应用在分布反馈（Distributed Feedback,DFB）激光器,光纤传感和宽带滤波等领域。但是C-TBG的倾斜角度和周期都是纳米量级,并且其倾斜角度和周期对光子器件性能有极大的影响。尤其是不同光栅倾斜角度和周期的TBG级联时,制备误差对C-TBG性能的影响极大,因此需要超高的制作精度。本文将重构等效啁啾（Reconstruction-equivalent-chirp,REC）技术扩展运用到2D级联光栅,使用时域有限差分（Finite-Difference Time-domain,FDTD）算法仿真设计了取样结构的级联倾斜布拉格光栅结构,称为级联倾斜取样布拉格光栅（C-TSBG）。通过设计C-TSBG的2D取样结构,C-TSBG可以等效实现C-TBG的光响应。利用微米级的取样结构,等效实现了C-TBG的效果。在实际制备过程中使用C-TSBG对C-TBG进行等效能够有效降低制备精度与倾斜角度误差对光学性质的影响。基于C-TSBG分别仿真设计了三波长模式转换器、多段倾斜波导光栅（CSBG-TW）和CSBG-TW环形谐振器三种光子器件。全文内容如下:第一章概述了C-TBG的研究意义及国内外研究现状。介绍了目前主要制作C-TBG的方法。而后介绍本文所使用的技术基础——REC技术。介绍了REC技术的数值分析方法,等效流程及采样布拉格光栅的制备方法。最后,介绍了仿真分析所使用的FDTD算法及其边界条件。第二章我们将REC技术扩展应用到2D级联光栅,提出C-TSBG来等效实现C-TBG的光响应。通过对C-TBG和C-TSBG的相位匹配条件进行分析,使用FDTD算法仿真设计C-TSBG的取样结构以对C-TBG进行等效。第三章在C-TSBG的基础上,仿真设计了三波长模式转换器。由于C-TSBG的光栅矢量的纵向分量可以实现多种模式的相位匹配,光栅矢量的横向分量可以调制多种模式的相位,因此基于C-TSBG的三波长模式转换器可以实现横向电场模式（TE）和一阶横向电场模式（TE）的模式转换。仿真设计了三波长模式转换器的波导宽度和接收波导与C-TSBG距离。进一步分析了C-TSBG取样结构的周期和角度对模式转换波长的影响,随着取样结构的周期或角度增大,模式转换波长也跟着增大。结果表明三波长模式转换器可以同时进行三个不同波长模式转换,利用微米级的取样结构可以对三波长模式转换器的每个模式转换波长进行精准控制。第四章在C-TSBG的基础上,仿真设计了多段倾斜波导光栅（CSBG-TW）结构。我们利用C-TSBG的取样结构可以调控每段级联光栅的光栅矢量,提出了CSBG-TW来等效实现弯曲波导光栅（CWG）的光响应。仿真设计了不同目标弯曲角度下的CWG和CSBG-TW,得到两种光栅的反射谱。进一步仿真设计了中心π相移的CSBG-TW和级联段数对CSBG-TW性能的影响。结果表明通过将弯曲波导分解成了多段倾斜波导和设计每段级联波导光栅的2D取样结构,CSBG-TW可以等效实现不同角度的CWG的光响应.并且CSBG-TW也可以通过设计2D取样结构实现一些复杂的光响应。第五章在CSBG-TW的基础上,仿真设计了CSBG-TW环形谐振器。由于CSBG-TW具有精准控制波长和横向方向尺寸小的特性,提出的CSBG-TW环形谐振器可以对谐振波长进行精准控制,并且减小结构尺寸。仿真设计了直波导环形谐振器、多段倾斜波导环形谐振器和CSBG-TW环形谐振器。结果表明引入了CSBG-TW谐振和微环谐振腔谐振的,CSBG-TW环形谐振器相较于直波导环形谐振器和多段倾斜波导环形谐振器,品质因子（Q）得到提高,对反射峰的波长可以精准控制,结构也更紧凑。

关键词： 脑小血管病   扩散张量成像   纤维束示踪的空间统计分析   概率性纤维追踪   图论  

摘要： 脑小血管病(cerebral small vessel disease,CSVD)是基于各种病理生理过程的颅内血管疾病的总称,主要累及小动脉、微动脉、毛细血管、小静脉及微静脉,是中老年人最常见的疾病之一,可引起认知、步态、情感及尿便障碍等一系列症状。CSVD可导致高达45%的痴呆及25%的缺血性卒中。CSVD的诊断高度依赖于神经影像学磁共振检查,其主要征象包括推测为血管源性的脑白质高信号、扩大的血管周围间隙、脑微出血(cerebralmicrobleeds,CMBs)、推测为血管源性的腔隙、近期皮质下小梗死和脑萎缩。随着人口老龄化越来越严重,其患病率逐渐增高,并成为影响人类健康及寿命的重要问题。扩散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI),作为非侵入性成像技术之一,已广泛应用于神经精神类疾病的诊断中。它可以揭示脑白质纤维束的微观结构特征,还可以通过重建主要白质束从而绘制体内脑白质结构连接。先前神经影像学研究已表明CSVD患者存在广泛的脑白质受损,但患者表现出的影像征象不同、疾病严重程度不一,患者内部也可能存在白质受损的差异。因此,本研究拟计划分为两个部分,分别探究CSVD患者脑白质微结构及结构网络的改变,并从多角度揭示CSVD患者认知障碍可能存在的神经机制。第一部分脑小血管病合并微出血患者白质微结构损伤的TBSS研究研究目的:探究CSVD合并CMBs患者白质微结构的损伤及CMBs影响CSVD患者认知功能下降的神经机制。材料和方法:本研究为前瞻性研究,共纳入49例CSVD合并CMBs患者(CSVD-c组,年龄:64.33±7.70岁、男女比例:30/19)、114例CSVD不合并CMBs患者(CSVD-n组,年龄:63.41±7.06岁、男女比例:58/56)以及83例年龄、性别和受教育程度相匹配的健康受试者(HC组,年龄:61.39±8.70岁、男女比例:35/49)。所有受试者均行DTI、磁敏感加权成像(susceptibility weighted imaging,SWI)及常规颅脑MRI序列扫描。采用纤维束示踪的空间统计分析(tract-basedspatial statistic,TBSS)方法获得扩散指标,包括各向异性分数(fractional anisotropy,FA)值、轴向扩散率(axial diffusivity,AD)值、径向扩散率(radialdiffusivity,RD)值和平均扩散率(meandiffusivity,MD)值。所有受试者均接受神经心理学量表评估。采用单因素协方差分析(analysis of covariance,ANCOVA)及事后分析比较三组间扩散指标的差异。提取组间差异脑区的平均扩散指标值与认知参数进行Pearson相关性分析。研究结果:与CSVD-n组和HC组性比,CSVD-c组在与认知和运动相关的白质纤维束中FA值显著降低(P<0.05),AD、RD和MD值显著增加(P<0.05)。CSVD-n组与HC组相比扩散指标未见明显统计学差异。此外,在CSVD患者中,扩散指标的改变与认知参数显著相关(P<0.05)。结论:CSVD-c患者白质微结构广泛受损。特定脑区扩散指标的改变可以解释CSVD患者认知功能下降,而且CSVD-c患者白质微结构损伤更严重,患者认知功能受损更明显,这有助于我们了解CSVD-c患者出现认知障碍的神经机制。第二部分脑小血管病患者白质结构网络改变的图论研究研究目的:探究CSVD总负荷评分不同患者白质结构网络拓扑特征的变化及其与认知功能下降的关系。材料和方法:本研究为前瞻性研究,应用德国Simens Healthcare MAGNETOM Skyra 3.0TMR扫描仪采集67例脑小血管病总负荷严重患者(CSVD-s组,年龄:64.16±5.48岁、男女比例:43/24)、133例脑小血管病总负荷轻微患者(CSVD-m组,年龄:62.11±6.88岁、男女比例:70/63)以及89例年龄、性别和受教育程度相匹配的健康受试者(HC组,年龄:61.43±9.54岁、男女比例:40/49)的DTI,SWI及常规序列扫描数据。采用概率性纤维追踪方法分析所有受试者全脑白质结构连接,通过评估区域间连接概率构建白质结构网络,最后用图论分析表征网络的全局属性和区域属性。所有受试者均接受神经心理学量表评估。采用ANCOVA及事后分析比较三组间网络指标的差异,并分析所有组中网络指标与认知参数之间的Pearson相关性。研究结果:所有受试者的白质结构网络均表现出明显的小世界属性。然而,与CSVD-m组及HC组相比,CSVD-s组的局部效率显著降低(P<0.05),枢纽分布部分重组。就区域属性而言,CSVD-s患者在双侧前扣带回(anterior cingu

关键词： 全张量磁梯度测量   DC-SQUID磁强计   误差校正   失锁抑制   磁梯度不平衡度  

摘要： 航空全张量磁梯度测量技术,作为地球物理勘探领域的一项重要手段,凭借其实用性强、适用面广、磁异常信息丰富等优势被广泛应用。直流超导量子干涉器件(DC-SQUID)凭借其磁灵敏度优势也被广泛地用来作为磁测系统的传感器。基于DC-SQUID传感器的全张量磁梯度测量系统已被澳大利亚、德国、美国等国家深入研究,并逐渐应用到地球物理勘探、军事反潜、未爆炸物探测等领域。本文旨在开展具备野外动态飞行实验能力的航空高温超导全张量磁梯度传感系统研究,从而形成一套切实可行的技术方案。本文的研究是在“十三五”国家重点研发计划项目“航空磁场测量技术系统研制”的资助下进行的,主要研究内容及成果如下:(1)航空高温超导全张量磁梯度传感系统原理样机的研制。针对集成式DC-SQUID梯度计基线短导致磁梯度灵敏度低的问题,提出了基于DC-SQUID磁强计空间差分原理构造长基线DC-SQUID梯度计的方法。通过对全张量磁梯度测量理论的分析,构建了基于8个DC-SQUID磁强计的全张量磁梯度测量模型,分析了磁梯度测量不确定度、磁梯度灵敏度这二者与DC-SQUID磁强计之间基线距离的关系。基于所设计的全张量磁梯度测量模型,研制了国内首套具备野外飞行实测能力的航空高温超导全张量磁梯度传感系统原理样机,各梯度计的磁梯度灵敏度噪声水平均优于12.02p T/(m(?)Hz)@1k Hz。(2)航空全张量磁梯度传感系统失锁抑制方法研究。针对传感系统在野外动态测量条件下因动态范围不足而导致的失锁问题,提出了基于背景磁场补偿拓展传感系统动态范围的方法,解决了动态范围不足导致的失锁问题。基于直升机挂载无磁吊舱进行验证性飞行实验取得的姿态数据,对传感系统的动态范围需求进行了分析和计算,基于背景磁场补偿拓展动态范围的原理设计了背景磁场补偿硬件电路和程序,屏蔽室验证实验证明所提出的方法使传感系统的动态范围在原有基础上提高了18.98d B。针对传感系统因射频干扰而导致的失锁问题,通过对电磁波吸收损耗和反射损耗过程的分析和计算,实现了基于电磁屏蔽技术的射频干扰抑制,从而解决了射频干扰导致的失锁问题。自制无磁小车搭载传感系统进行的野外动态测量实验证实了所研究传感系统失锁抑制方法的有效性。(3)传感系统DC-SQUID磁强计间串扰误差校正方法研究。针对全张量磁梯度探头中存在DC-SQUID磁强计间串扰误差的问题,提出了基于三轴亥姆霍兹线圈的串扰误差校正方法。基于对DC-SQUID磁强计零磁通锁定读出电路工作原理的分析,明确了DC-SQUID磁强计间串扰误差产生的原因,建立了全张量磁梯度传感系统内8通道DC-SQUID磁强计间的串扰误差模型和目标函数,通过微分运算和公式推导,将串扰误差校正问题转化为构建列向量线性无关的列满秩矩阵问题,最后提出了一种基于三轴亥姆霍兹线圈的DC-SQUID磁强计间串扰误差校正方法,重复性仿真实验结果证实了该方法的有效性。通过屏蔽室实验获取了8个DC-SQUID磁强计间的56个串扰误差系数,实验结果表明,传感系统内串扰最为严重的DC-SQUID磁强计间串扰误差系数达到了0.02452,所提出的串扰误差校正方法避免了DC-SQUID磁强计间极端情况下85.82n T的串扰误差,提高了DC-SQUID磁强计测量结果的精度。(4)航空全张量磁梯度传感系统不平衡度校正方法研究。针对传感系统中由DC-SQUID磁强计空间差分构成的梯度计存在梯度不平衡度的问题,提出了基于坐标变换理论的不平衡度矢量校正法,在保持探头静止不动的情况下利用三轴亥姆霍兹线圈获取了造成梯度不平衡度的所有误差参数,从而避免了传统方法因校正过程需要旋转探头带来的运动噪声干扰,野外对比实验证明了坐标变换法相对于传统探头旋转法的优越性。针对坐标变换法和传统方法都存在对背景磁场波动敏感的问题,进一步提出了基于全空间旋转磁场理论的不平衡度标量校正法,通过三轴亥姆霍兹线圈产生可以全空间旋转,并且磁场强度恒定、频率可控的磁场,最终利用椭球拟合理论对误差参数进行求解,不仅避免了校正过程探头旋转带来的运动噪声,还可以通过提高旋转磁场频率的方法降低背景磁场波动对不平衡度校正过程的影响,实验证明该方法将传感系统所有梯度计的不平衡度指标均提高至优于1.1×10,从而提高了每个磁梯度分量测量结果的精度。(5)全张量磁梯度传感系统性能参数测试与野外飞行实验。为了确定所研制传感系统原理样机的性能参数,开展了性能参数测试实验,通过研究测试方法,对传感系统的磁梯度灵敏度噪声水平、磁场强度检测灵敏度与测量范围、带宽、摆率等关键性能参数进行了测试,并通过测试结果总结了影响传感系统关键性能参数的因素。在此基础上,对传感系统开展了野外直升机挂载条件下的动态飞行磁测实验,通过对飞行测线的设计,开展了区域面积性的航空全张量磁梯度测量实验,实验结果证明本

关键词： 光纤光栅   软体手指   触觉传感  

摘要： 柔性执行末端特别是柔性手的出现,以其柔软的材料,解决了当面对狭窄缝隙或者目标物体易损时等不能方便使用传统刚性机械手的情况。柔性手以人类手掌为借鉴,使用硅胶等柔性材料制成的柔性执行末端,柔软的材料为机器人执行末端带来了多自由度,但也增加了数据处理工作的难度,同时给机器人执行末端传感检测以及下一步的建模控制带来了困难。本文设计了一种基于光纤光栅传感器的触觉感知系统,可以实现对软体手指弯曲曲率及压力的检测,同时可以进一步识别物体的表面纹理及软硬度,完成了基于软体手指的触觉传感系统的设计及制作,并完成了其功能的检测,最终达到触觉识别的目标。1.基于超弹性材料的Yeoh本构模型对气动软体手指结构进行了数学建模,分析出影响软体手指弯曲性能的结构参数为截面形状、气囊个数、壁厚、腔顶厚度及气囊间隔。接着在Abaqus软件中进行有限元仿真优化分析,得到实现最优弯曲性能的软体手指的结构参数组合。根据优化后的结构参数,设计并打印模具,将硅胶灌注到软体手指模具中,静置凝固后,完成软体手指的制作。2.设计了基于光纤光栅传感器的触觉传感系统,对压力和曲率进行标定实验。记录压力标定实验时的数据,利用Origin软件进行数据的处理。根据谐振波长、光功率损耗与压力、弯曲曲率实验得到的线性拟合标定灵敏度,选择谐振波长标定软体手指的力、功率损耗标定软体手指的弯曲曲率。3.利用充气软体手指对平面、椭球面以及带沟壑平面进行横向扫描,记录实验过程中的光功率损耗数据,结合曲率标定关系式,可以实现对纹理的检测,同时完成二维形状的表面形状重构。同时利用充气软体手指对鸡蛋、纸巾、泡泡纸硬度不同的物体按压实验,记录按压过程中不同充气状态软体手指的光功率损耗及谐振波长,结合标定关系式和硬度定义式,可以确定纸巾和泡泡纸的硬度,完成了区分物体的任务。综上,本文实现了软体手指设计及制作,并基于光纤光栅传感器实现了触觉系统物体识别功能,完成了软体手指触觉传感系统的设计。

关键词： 张量主成分分析   鲁棒低维表征   重构误差   距离度量学习   张量投影模型  

摘要： 随着科学技术的快速发展,针对张量数据特征的低维表征广泛应用于图像处理、数据降维等领域,基于向量和矩阵数据的传统低维表征方法已经无法适应当前需求。在高维数据采集与传输过程中,因环境光照、设备精度或数据存储方式的影响,数据样本中常含有污染噪声。因此这就要求算法在处理数据的过程中降低对噪声数据的敏感性,具有一定的鲁棒性。为提高算法在张量领域的鲁棒性,本文从算法目标函数的距离度量方式和优化目标角度出发,深入研究基于低维表征的鲁棒张量主成分分析算法。本文主要研究内容如下:(1)本文通过研究张量的投影原理,构建了基于F范数的张量三角投影模型,该模型满足勾股定理,并进一步提出了四种目标函数(正弦、余弦、正切、面积),这些目标函数同时考虑了投影距离最大和重构误差最小的双目标优化任务,相比现有的鲁棒张量主成分分析算法,本文提出的算法在张量特征的低维表征中具有更好的鲁棒性。根据张量三角投影模型的四种目标函数,在预处理阶段对张量数据应用分块重组技术,提出了基于F范数投影的鲁棒分块张量主成分分析算法,包括基于F范数投影的分块张量主成分分析正弦算法(sin-BTPCA-F)、余弦算法(cos-BTPCA-F)、正切算法(tan-BTPCA-F)以及面积算法(area-BTPCA-F)算法。同时也给出了目标函数详细的求解算法及步骤,并以正切算法为例,给出了算法的收敛性和旋转不变性证明。(2)进一步讨论了 F范数与核范数的适用条件,从理论证明了样本间的环境背景信息差异等非线性因素对核范数与F范数的不同影响,并进行了实验验证。本文提出了基于核范数的鲁棒张量主成分分析算法(Tensor PCA with Nuclear Norm,TPCA-Nuclear)。针对核范数求解困难的问题,本文将目标函数中的核范数度量转化为F范数,并给出了循环迭代法和直接法两种求解方式,因本文聚焦距离度量方式与目标函数优化对算法性能的影响,因此本文只选用循环迭代法求解目标函数,并进行后续的对比实验,后续研究再进一步分析求解方式对算法性能的影响。(3)选用七种国际标准彩色数据集作为实验样本,并对其随机添加不同比例的人工噪声块,分别进行平均重构误差对比实验、重构图像对比实验和分类率对比实验。针对实验的噪声条件以及算法中的分块参数设计了不同的参数实验,包括噪声参数实验、分块参数与重构误差实验、分块参数与分类率实验。实验讨论了不同实验条件下的最优分块参数,为后续的对比实验创造条件。实验结果表明,本文提出的基于F范数投影的鲁棒分块张量主成分分析算法和基于核范数的鲁棒张量主成分分析算法在实验中表现的鲁棒性相较对比算法有较大提升。

关键词： 快速三维测量   彩色条纹投影轮廓术   投影仪标定   深度学习   相位误差校正  

摘要： 在精密加工制造领域,三维形貌测量技术是精密质量控制的关键。在非接触式测量技术中,结构光视觉测量技术精度高、速度快,因此在工业生产检测领域得到了广泛应用。双目结构光测量系统测量精度高,但系统测量范围较小。而单目结构光测量系统对测量范围限制较小,但是测量精度较低,而且系统标定中投影仪标定难度大、精度难以提升。此外,由于彩色条纹投影轮廓术中存在的颜色串扰、伽马非线性等误差因素,导致在相位提取过程中存在较大误差,而目前的校正方法只能针对单个因素进行针对性解决而无法进行整体校正,也没有考虑到各种因素之间的耦合。针对现有的结构光系统标定过程繁琐、测量精度不高的问题,基于单目结构光系统,对影响测量精度的棋盘格标定板图像角点提取方法、投影仪的标定方法以及高精度相位获取方法进行了研究。针对单目结构光视觉系统存在的投影仪精度较低的问题,以及在使用棋盘格标定板标定时存在的信噪比降低的问题,研究基于相位映射的投影仪标定方法。为了解决使用棋盘格标定板进行标定时信噪比较低的问题,通过使用随机采样一致性算法,在对灰度值设置合适阈值将信噪比较低的黑色区域滤除后,基于其他区域进行局部随机采样平面拟合,降低因噪声引起的相位提取误差;为了进一步提升投影仪的标定精度,通过引入光束法平差算法,对相机和投影仪的内外参数和畸变系数等参数进行整体平差优化,最后通过对标准球板的三维测量实验验证了标定精度。针对彩色光栅条纹投影轮廓术中存在的颜色串扰和伽马非线性问题,特别地,针对金属或者是反射率比较高的物体,还会出现由于反光造成局部图像像素饱和的问题,这些因素会导致相位求解精度降低。为了提高彩色光栅条纹投影轮廓术的测量精度,提出了一种基于深度学习的单幅高精度相位获取方法,利用UNet神经网络拟合系统误差模型,提高相位求解精度;为了避免包裹相位在相位周期交界处的跳变特性对训练结果的影响,将网络训练输出值改为包裹相位反正切函数的分子和分母,通过调整网络结构,有效提升了训练精度。最后通过基于几何约束的最小相位图法进行相位展开,并基于立体视觉进行三维重建,通过建立投影仪的绝对相位与极线校正后像素坐标的三次多项式映射关系,利用映射关系能够快速求解视差,提高了测量效率,实验证明,能够有效提高彩色条纹投影轮廓术三维重建的精度。

关键词： 光纤光栅   温度监测   响应时间   上位机监测  

摘要： 光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)作为光纤传感器件,较传统的电信号传感器具有高绝缘、高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀以及便于复用和组网、能在各种复杂恶劣环境下使用等优点;光纤布拉格光栅传感器可用于测量多种物理参量,如温度、振动、压力、应变等参量,广泛应用于环境勘探、水利电力、道路建筑、航天航空、科学研究等领域。尽管具有多种优点,但是光纤传感器遭受破损的风险却很高,因为光纤材质为二氧化硅,纤细的尺寸使其较为脆弱易断。使用前需要进行保护封装,封装后的传感器温度响应时间会受到影响,因此,本文目标是根据不同温度测量环境设计两种适用的快速响应温度传感器,探讨FBG传感器封装方法以及光纤光栅温度传感器实时温度检测系统的开发。具体的研究工作涉及以下几个方面:(1)总结国内外FBG温度传感器封装现状,针对现有的光纤光栅温度传感器响应速度慢的问题展开研究,分析影响FBG温度传感器响应速度的因素,包括传感器尺寸、材料、外界流速影响方面,在两种不同外界环境分别对封装方式进行改进。(2)研制了应用于低热容有流速(如空气)环境下的FBG温度传感器,分析了外界流体流速对传感器温度响应时间的影响,从创新封装角度设计制作出快速温度响应FBG温度传感器,包括仿真验证以及实验测试,结果证明设计的传感器结构具有良好的温度响应特性,温度响应时间可低至100 ms。(3)研制了应用于高热容(如液体)环境下的FBG温度传感器,分析了传感器温度响应速度受传感器封装以及填充材料的影响,设计制作出快速温度响应FBG温度传感器,包括仿真验证以及实验测试,结果证明所设计的传感器可以达到134 ms的温度响应时间。(4)最后,运用Labview图形化编程语言开发了实时温度监测测界面系统。便于实际工程中的应用。这项工作为扩大和深化光纤光栅温度传感器的使用以及探索其潜在应用奠定了方法和实验基础。

关键词： 电磁感应光栅   自发辐射相干   非相干泵浦场   相位调制   闭环原子系统   驻波场  

摘要： 外加光场诱导的原子相干效应凭借其衍生出的诸多新颖光学现象,极大地吸引了科研工作者们的兴趣,其中电磁感应透明效应(Electromagnetically Induced Transparency,EIT)与电磁感应光栅(Electromagnetically Induced Grating,EIG)依靠其重要的潜在价值,成为量子光学领域的热门课题。由于电磁感应透明系统中的低吸收与高色散,在周期性驻波调制下,原子介质对探测光的吸收与色散性质会呈现出周期性变化,使原子介质表现出衍射光栅的性质,将探测场能量衍射到特定方向,这便是电磁感应光栅。在实际应用中,需根据实际情况灵活调整衍射光栅的特性。但传统光栅的性能在制造后难以改变。电磁感应光栅凭借其衍射性能可协调的特点成为解决这一应用问题的关键。由于上述优势,电磁感应光栅在路由,全光开关,分光器等光量子领域有潜在应用价值。为解决电磁感应光栅高阶方向衍射效率较低,模型复杂,难以在实验中实现等问题。本论文提出了两种结构简单,相对易于实现,且有较高衍射效率的二维电磁感应光栅方案。结合理论知识与仿真图样,本文对提出的两种电磁感应光栅模型做出分析与研究,具体研究内容如下:简要说明了描绘系统随时间变化规律的三种绘景。在半经典理论下,介绍了系统的相互作用哈密顿量的推导过程,用于简化理论计算的两种近似以及用密度矩阵法来描述光与物质间的相互作用。详细介绍了电磁感应透明现象和自发辐射相干效应的产生条件与原理。并对闭环原子系统中的相对相位敏感效应作了描述。提出了一个由弱探测场,行波控制场,两个正交驻波场和微波场驱动的四能级闭环原子系统中的二维电磁感应光栅理论方案。在外加光场的作用下,可获得伴随大相位调制的低探测场吸收。对方案仿真模拟与分析后发现,通过调控探测场失谐,相干光场强度和相互作用长度可有效地调节电磁感应光栅的衍射模式和效率。并且,闭环原子系统中存在相位敏感效应,故可通过调节光场间的相对相位实现对振幅与相位调制深度的改变,从而对电磁感应光栅的衍射图样和效率进行调制。基于三能级(43)型闭环原子系统中的自发辐射相干效应(Spontaneous Generated Coherence,SGC),提出了一种新的二维电磁感应光栅模型。在该方案中,原子介质与两个正交的驻波场以及非相干泵浦场相互作用,使介质对探测场的吸收,色散属性受到周期性调制,可在诱导探测场增益的同时获得到大的相位调制。经分析后发现,可根据实际需求调节探测场失谐,相互作用长度,非相干泵浦场强度以及相对相位等参数,实现对电磁感应光栅的衍射特性和衍射效率的协调。该光栅模型中只有三个能级,且只用到三个光场,因而比其他方案更易实现。本文所提出的光栅方案在分光器和全光开关等领域有潜在的应用。