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关键词： 双电磁感应透明   四波混频   强度差压缩   双边费曼图   四组份增益光场  

摘要： 双电磁诱导透明(双EIT)系统由于具有比EIT更强的量子相干性,可以有效抑制原子共振跃迁附近的频率二次吸收。本文基于双EIT原子系统,对简并四波混频增强效应、其产生的强度差压缩光以及利用空间复用级联四波混频产生的四组份光场进行了实验和理论研究。主要研究工作包括以下三个部分:一:研究了双EIT系统内简并四波混频的增强效应。利用双边费曼图解法对描述四波混频的相关密度矩阵元进行求解得到缀饰光场操控下四波混频增强的理论模拟,并利用铯原子气室在其D1线的超精细跃迁下展示了双EIT系统内简并四波混频增强效应。二:研究了双EIT系统内简并四波混频增强效应产生的Cs原子吸收频段内的强度差压缩光。首先对压缩光的探测方法进行了分析,之后通过操控实验中的相位匹配角度、原子气室温度、光场频率以及泵浦功率等实验参数,对增强的简并四波混频过程下产生的增益双光束的强度噪声进行测量,成功获得了原子共振跃迁频率附近-3.32 d B的强度差压缩。并研究了不同实验参数对压缩度和四波混频增益的影响。三:对双EIT系统内空间复用级联四波混频产生四组份增益光场进行了研究。在第二章的实验系统下,发现当两个EIT窗口完全重合时,系统具备非常强的量子相干,可以在单个铯原子气室内同步激发四种不同的四波混频过程,观测到了空间分离的四组份增益光场。利用光-原子相互作用的双边费曼图对空间复用级联四波混频在理论上进行了研究。根据可能的跃迁路径及相位匹配分别对单泵浦的简并四波混频和双泵浦的非简并四波混频进行了分析。通过计算密度矩阵元的三阶微扰项,并考虑原子运动带来的多普勒效应,最终分别模拟出了简并四波混频和非简并四波混频过程中探测光的增益谱。

关键词： 高光谱图像融合   图像先验   张量分解   子空间低秩学习   张量稀疏表示  

摘要： 受限于传感器的成像机理,高光谱图像拥有丰富的光谱信息,但是却需要付出相应的空间分辨率的代价。在实际应用中,精确的结构信息和丰富的光谱特征信息同样重要,单一传感器成像很难满足这一要求。现阶段,解决该问题的最好方法就是利用不同传感器各自的成像特点通过融合的方法获取互补的图像信息,对于高光谱图像可以选择具备更多空间细节的多光谱图像作为补充。因此,本文基于空间和光谱退化机制的高光谱图像融合框架,引入张量分解方法,深入分析了高光谱图像的性质,对现有的高光谱图像融合方法作出了详细总结,并在此基础上,设计了新的高光谱图像融合模型。此外,在多个数据集上,通过充分的实验验证了所提出模型的有效性与高性能。主要研究内容如下所示:(1)提出了一种基于张量子空间低秩学习和非局部先验的高光谱图像融合方法。引入非局部自相似性先验,将融合问题转化为非局部张量块的重构。通过张量低秩表示模型,在低维子空间中探索了系数张量在非局部模、空间模的低秩性,并通过截断奇异值低秩近似方法约束子张量系数,使用正交约束学习子空间的基和系数。通过在三个模拟数据集和一个真实数据集上的实验,充分验证了该方法有效提高了融合的精度和性能。(2)提出了一种基于光谱平滑先验和张量行稀疏表示的融合方法。该方法沿用了非局部张量块的结构,但不同于先前正交约束学习子张量字典的方法,通过连续差分正则化学习更接近真实光谱、更连续、更平滑的原子,并深入探索子张量系数的结构,精确刻画子张量系数的行稀疏性,以实现高光谱图像与多光谱图像的高效融合。通过在三个模拟数据集和一个真实数据集上的实验,充分验证了该方法更深入的利用了目标高光谱图像自身的空间和光谱性质,从而提高了融合的精度和性能。

关键词： 无人机通信   符号和信道估计   PARAFAC   Tucker  

摘要： 集群无人机作为信息时代高新技术的产物,能够提升无线通信的信号传输速率、提高可靠性、扩大通信传输范围,在灾后重建、区域监视和军事通信中有所应用。在集群无人机通信系统中,已知准确的信道状态信息(Channel State Information,CSI)是实现功率分配、资源分配、波束赋形和信道均衡的重要前提。因此,如何准确获取CSI对保证通信质量、提高系统可靠性具有重要作用。传统对时变信道的估计算法面临导频开销大、信道跟踪难的困境。张量是一种高维数据表示方法,可以充分利用信号的空间、时间等维度信息,使其处理高维数据具有独特优势。因此,基于张量的信道估计和符号检测算法可以在避免使用或减少使用导频序列的提前下,实现对信道的有效估计。基于以上背景,本文的主要研究内容如下:(1)本文考虑了一个两跳集群无人机时变系统,提出了快启动嵌套最小二乘法(Quick Start Nested Parallel Least Square,QSNP-LS)接收机算法。首先,目的节点将接收信号构造成符合嵌套平行因子(Parallel Factor,PARAFAC)模型的形式,并与奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)联立求得迭代初始值;然后估计出符号矩阵和信道矩阵。仿真结果表明,与两步训练序列(TwoStage Training,TST)方法相比,所提算法对第一跳信道的估计更加准确。与嵌套PARAFAC交替最小二乘法(Nested PARAFAC Alternating Least Square,NPALS)接收机算法相比,本文提出的算法误码率(Bit Error Rate,BER)更低,性能更好。考虑到毫米波通信的巨大优势,本文进一步分析了毫米波信道下两跳集群无人机通信系统的接收算法,提出了重投影嵌套最小二乘法(Reprojection Nested Parallel Least Square,RPNP-LS)接收机算法。首先,目的节点将接收信号构造为嵌套PARAFAC模型,利用循环迭代得到信号矩阵;然后,利用奇异值投影(Singular Value Projection,SVP)算法和迭代得到信道矩阵;最后,使用一维搜索进一步得到信道的到达角、离开角等参数。仿真结果表明,与TST接收机相比,本文提出的算法对信道估计更准确,归一化均方误差(Normalized Mean Square Error,NMSE)更小,除此之外,本文还分析了中继天线数对接收机性能的影响。(2)为降低矩阵运算的维度,本文考虑了在两跳毫米波时变集群无人机系统,基于压缩感知技术提出了时变压缩感知嵌套Tucker(Time-Varying Compression Sensing Nested Tucker,TVCSNT)接收机算法。首先,目的节点把接收信号构建成符合Tucker模型的形式;然后利用压缩感知技术对稀疏信号处理,降低其矩阵维度;最后使用迭代算法估计出符号矩阵和信道矩阵。仿真结果表明,与TST和NPALS算法相比,本文提出的算法在对信道估计的准确性和信号的BER方面均有优势,但该算法的运行时间较长。为进一步降低算法运行时间,本文提出了时变压缩感知嵌套PARAFAC(Time-Varying Compression Sensing Nested PARAFAC,TVCSNP)接收机算法。与TVCSNT接收机算法相比,该接收机算法将接收信号构造成嵌套PARAFAC模型,避免使用了核张量;然后,使用迭代算法得到对信号矩阵和符号矩阵的估计。仿真表明,该算法在信道估计和符号检测方面性能与TVCSNT算法相当的前提下,运行时间更短。

关键词： 光学薄膜   激光辐照   温度场   应力场   损伤阈值   损伤形貌  

摘要： 光学薄膜元件在激光系统中起着十分重要的作用,同时它也极易发生损伤。高能激光的广泛应用对薄膜元件的性能提出了更高的要求。激光辐照时,膜层内温度升高,导致薄膜发生熔化、气化等现象;膜层内温度分布不均匀会导致薄膜发生形变,引起薄膜的断裂、脱落等。通过理论分析和仿真计算研究光学薄膜损伤的影响因素,对于优化镀膜工艺,提高光学薄膜的性能和抗激光损伤能力十分重要。本文基于热传导理论、热弹性力学理论建立起激光诱导多层薄膜的温度场和应力场模型,根据数学物理知识进行求解,得到激光诱导多层薄膜温度场和应力场的解析表达式。使用Matlab软件进行仿真计算,并借助激光损伤测试系统对多层薄膜的抗激光损伤能力进行实验研究。主要结论如下:(1)从激光与薄膜相互作用机理出发,分析得出薄膜损伤主要受激光参数和薄膜性质影响,激光能量、波长、光斑半径以及薄膜材料的比热容、吸收系数、热膨胀系数等均会对其产生影响。(2)建立了激光诱导多层薄膜温度场、应力场模型,推导了多层薄膜的温度场、应力场的解析表达式。分别选取TaO、Zn S和HfO为高折射率材料,SiO和Mg F为低折射率材料,以G|HL|A和G|HLHL|A作为初始膜系,得到TaO/SiO、Zn S/Mg F和HfO/SiO多层增透膜。分析可得,多层膜温度、应力场分布与双层膜类似。激光辐照时,薄膜厚度方向温度变化不明显。膜层中心点温度最高,沿薄膜半径方向温度降低。(3)薄膜的损伤情况受材料性质和激光参数的影响,不同膜层内的温度值、应力值不同。激光能量为10m J,光斑半径为4mm时,TaO/SiO多层膜中,SiO和TaO膜层的最高温度分别为695℃和95℃,均未超过材料熔点,未发生热损伤。最大拉伸应力分别为5MPa和19MPa,最大压缩应力分别为54MPa和118MPa,均未超过材料断裂、压缩强度,未发生热致应力损伤。在此条件下,Zn S/Mg F和HfO/SiO多层薄膜也不会发生损伤。分析多层薄膜的温度、应力场可得:相邻膜层交界处的温度值和应力值会发生跃变,即薄膜-薄膜交界处易发生损伤。设计膜系制备薄膜时应当选择热物性参数相差较小的材料,将薄膜的损伤降到最低,避免膜层之间发生脱落、分离。(4)通过损伤测试系统对多层薄膜的抗激光损伤能力进行测试。实验结果表明:波长越小,光子能量越高,多层薄膜的损伤阈值降低。分析不同激光能量下多层薄膜损伤形貌可得:激光能量越高,薄膜损伤情况越严重,膜层极易发生炸裂、剥落现象。实验所得结果均与理论部分相符,证明了理论模型的合理性。本文通过对多层薄膜受激光辐照后温度场、应力场进行分析,讨论薄膜损伤的影响因素。研究结果对于优化镀膜工艺、提高薄膜的抗激光损伤能力和保障激光系统的正常运转有着十分重要的指导作用。

关键词： 机械臂   张量积模型变换   模糊模型   线性矩阵不等式   平方和规划  

摘要： 本文以ABB公司生产的小型工业机械臂IRB 120为研究对象,采用基于张量积模型变换的控制器设计框架构建闭环控制系统。针对该框架下难以求取多变量、复杂非线性系统的状态反馈增益矩阵的问题,提出了模糊区间论域划分的策略,实现了系统控制输入在不同区间内运动下的平滑切换。进一步,为了充分利用模糊模型构建原始非线性系统的优势,基于机械臂动力学模型的特殊性质,提出了特定于机械臂系统的多项式模糊模型的构建方法。这有效地减少了模糊模型的规则数,同时降低了求解系统稳定问题的计算负载。最后,在机器人动力学仿真软件上搭建了IRB 120控制系统的仿真平台,并通过仿真结果验证了所设计控制器的正确性和有效性。本文的主要工作如下几个方面:·介绍了机械臂的空间位姿表示、运动学和动力学的分析方法,并给出了IRB 120的系统模型参数。通过DH参数法和拉格朗日建模方法分别对IRB120进行了运动学和动力学分析。然后,采用Matlab第三方机器人工具箱Robotic Toolbox对建立的机械臂坐标系统和动力学模型进行了分析验证;·对机械臂状态空间方程执行张量积模型变换,并采用并行分布式补偿的控制方法构建闭环控制系统。针对传统基于张量积模型变换的控制器设计框架下难以求解多变量系统可行解的问题,提出了模糊区间论域划分的策略,降低了各子区间内系统模型的非线性复杂度从而将整体系统控制器设计问题简化为在各子区间内求解反馈增益矩阵的可行解问题。进一步地,为了保证系统控制输入在任意时刻下的连续性,采用模糊推理的方法加权组合了各子区间下的控制输入,有效消除了系统控制输入的跳变现象;·为了充分利用模糊模型构建原始非线性系统的优势,根据机械臂动力学模型的特殊性质,提出特定于机械臂系统的多项式模糊模型的构建方法。分析比较了IRB 120模糊模型与多项式模糊模型在模型近似精度,求解系统反馈增益矩阵的计算负载以及两者之间的制约关系。结果表明了多项式模糊模型减少了变参数向量的维度,降低了张量积模型变换后的模糊规则数,同时大幅度减少了求解系统稳定问题的计算负载;·基于Simulink Simscape构建IRB 120机械臂三维仿真场景,验证所设计模糊控制器的有效性。同时,为了方便后续机械臂实际应用的扩展开发,基于机器人动力学仿真软件Coppelia Sim,通过Zero MQ远程API通信的方式,搭建Matlab与Coppelia Sim的联合仿真平台,以更加直观的方式分析、验证机械臂关节角度变化以及末端执行器的运动轨迹。

关键词： 螺栓联接   光纤光栅   角度传感   弹性曲梁   螺栓松动监测  

摘要： 螺栓联接广泛应用于钢结构桥梁、风力发电机组、输电铁塔等大型工程结构。然而,交变载荷、振动、冲击等多种不确定性因素可能导致螺栓联接的松动,从而威胁工程结构的安全。因此,针对大型工程结构及其运营环境,发展适用于大型工程结构中分布的螺栓联接状态监测方法具有重要意义。光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)技术具有远距离长期监测、多路复用和易于扩展等优势,为解决大型工程结构中螺栓松动监测问题提供了潜在的途径。然而,目前基于FBG螺栓预紧力监测方法通常采用嵌入式安装方式,存在传感器失效后难以维修或更换,以及复用性能限制等问题,制约了其在大型工程结构中的应用。 针对上述问题,本文研究了适用于螺栓松动角监测的弹性曲梁型FBG角度传感方法、理论以及涉及到的封装、非均匀应变、温度响应等关键问题与技术,论文的主要工作如下: (1)提出了适用于螺栓松动监测的弹性曲梁型FBG角度传感方法。基于欧拉-伯努利梁理论,建立了弹性曲梁型FBG角度传感理论分析模型。通过数值分析的方法,对弹性曲梁型FBG传感器的安装长度比、FBG传感点位置等参数进行了分析与优化,得到了弹性曲梁型FBG角度传感通用的定量关系,并分析了弹性曲梁型FBG角度传感构型稳定性、以及温度和安装误差对弹性曲梁型FBG角度传感的影响,为弹性曲梁型FBG角度传感技术应用奠定了理论基础。 (2)考虑传感器基体的弯曲,建立了表面粘贴式弹性曲梁型FBG传感器分析模型,推导了传感器的传感曲率灵敏度表达式,利用数值仿真研究了封装结构参数对传感器传感性能的影响。基于仿真及试验结果,提出利用光纤纤芯与基体中性层等效距离对表面粘贴式弹性曲梁型FBG角度传感定量关系进行修正。 (3)基于弹性曲梁型FBG角度传感理论分析模型,分析了弹性曲梁型FBG传感器局部应变场特性,仿真得到了均匀和切趾FBG在大梯度线性应变场作用下的反射光谱对角度的响应规律。通过试验验证了利用短切趾FBG在大应变梯度下角度传感可行性,同时验证了修正后的弹性曲梁型FBG角度传感定量关系的准确性,为大应变梯度下基于弹性曲梁结构角度传感提供了通用解决方案。 (4)采用试验的方法分析了温度对两端约束弯曲形态的弹性曲梁型FBG传感器的影响,得到了温度对表面粘贴式弹性曲梁型FBG传感器影响规律,并针对弹性曲梁型FBG传感器提出了两种温度补偿方案。通过传感器性能测试试验,验证了所提出的温度补偿方案的有效性与适用性,确定了弹性曲梁型FBG角度传感的静态性能指标参数,为弹性曲梁型FBG角度传感技术的实际应用提供了可靠的参考依据。 (5)针对大型工程结构螺栓联接状态监测需求,基于以上弹性曲梁型FBG角度传感技术研究成果,设计开发了安装便捷、具有级联优势的螺栓松动监测传感器,并进行了试验测试。试验结果表明,设计的传感器对松动角的响应灵敏度为176.8 pm/°,可测量最小松动角为0.006°,能够定量监测螺栓微小的松动,其输出信息能准确反映振动环境中螺栓松动过程中松动角的复杂变化。 本文针对弹性曲梁型FBG角度传感方法、理论基础及关键技术的研究工作,不仅为实现大型工程结构中螺栓联接状态监测提供了有效的技术手段,而且为弹性曲梁型FBG角度传感技术在其他领域的推广应用提供参考。

关键词： 矩阵半张量积   分裂四元数矩阵方程   向量算子   L-表示   实向量表示  

摘要： 分裂四元数及其矩阵理论在数学研究和物理应用中占有重要地位.在研究分裂四元数及其矩阵理论的过程中,经常会遇到求解分裂四元数矩阵方程的问题,而由于分裂四元数环上元素乘积的不可交换性,致使复矩阵理论中许多有效的基本方法和技巧以及矩阵方程的许多常规解法难以用于分裂四元数矩阵方程的研究.又因分裂四元数中含有零因子,幂零元素和非平凡幂等元,致使分裂四元数矩阵方程的研究比四元数矩阵方程的研究更加复杂.鉴于此,分裂四元数矩阵方程的研究将会大大丰富分裂四元数矩阵的理论.矩阵半张量积是刻画有限维代数的有力数学工具,利用矩阵半张量积理论与性质,可以将分裂四元数代数问题建立在统一的理论框架下进行求解.在此理论基础上,本文以矩阵半张量积为基本工具,旨在用新的研究方法求解分裂四元数线性系统.主要研究内容如下:1.基于矩阵半张量积研究分裂四元数矩阵方程AX=B的解.首先,利用矩阵半张量积讨论分裂四元数中的零因子,给出零因子的判定条件;然后,在此理论基础上,提出基于高斯变换的分裂四元数矩阵LDU分解的实保结构算法,进而利用该算法对分裂四元数矩阵方程AX=B进行求解;最后,将所得结果应用到彩色图像复原中.2.基于矩阵半张量积研究分裂四元数矩阵方程X+AXB=C的Hermitian解和Toeplitz解.首先,利用矩阵半张量积研究分裂四元数上的向量算子,得到向量算子的新性质;其次,借助矩阵半张量积刻画分裂四元数矩阵的实表示,给出一种更系统化的定义,即L-表示;此外,提出一种GH-表示方法用于特型矩阵元素的化简;最后,结合向量算子,L-表示和GH-表示研究分裂四元数矩阵方程X+AXB=C的Hermitian解和Toeplitz解,给出该方程存在Hermitian解和Toeplitz解的充要条件以及通解表达式,并通过数值算例验证此方法的可行性.3.基于矩阵半张量积研究分裂四元数矩阵方程(?)AiXBi=C的Hermitian解和Toeplitz解.首先,借助矩阵半张量积提出分裂四元数的一种新的实向量表示;然后,结合分裂四元数矩阵的实向量表示以及Hermitian矩阵和Toeplitz矩阵的GH-表示求解分裂四元数矩阵方程(?)AiXBi=C,进而给出该方程存在Hermitian解和Toeplitz解的充要条件及其通解表达式;最后,通过数值算例说明该方法的有效性.

关键词： 光栅   半峰全宽   石墨烯   等离子体   亚波长结构  

摘要： 光栅是一种光学器件,可以使入射光的振幅或相位受到周期性空间调制,被广泛应用于集成光学、传感器、滤波器等领域。现如今,智能化、复杂化的应用系统对基于微纳光栅的光学器件的功能和性能指标提出了更高的要求,因此,本论文围绕微纳器件品质因数低、不可调谐等现象,针对性地采用插入介质光栅、将石墨烯材料应用到器件中等设计方法,对不同结构和功能的新型光学器件进行了研究。主要进行了以下工作:（1）提出了一种光栅辅助的超窄带多光谱等离子体共振传感器结构。针对现有等离子体共振传感器半峰全宽大,品质因数低的问题,通过引入介质光栅改善纯金属光栅结构的性能指标。本设计对所提出的金属-介质光栅共振传感结构进行了光传输特性及传感特性进行数值仿真研究,并分析了结构参数及入射光偏振态对半峰全宽及传感特性的影响。仿真结果表明:在800～1100 nm波长范围,该传感器结构的传输谱存在两个由光栅衍射及等离子体共振形成的凹点,相应的半峰全宽分别可达0.35nm及0.59 nm,折射率灵敏度分别为525.7 nm/RIU、475.7 nm/RIU,品质因数分别高达1502.00 RIU和806.27 RIU。与纯金属光栅相比,金属-介质光栅结构的品质因数提高了两个数量级。（2）提出了一种能够实现双可调类电磁感应透明效应的石墨烯等离子体结构。针对现有的类电磁感应透明器件慢光效应差的问题,本文通过将石墨烯、薄金层与光栅相结合,设计出了慢光效应较好的可调谐类电磁感应透明结构。该设计利用时域有限差分法研究了结构的光学响应,发现类电磁感应透明效应是由石墨烯层亮模式和金层暗模式之间的破坏性干涉引起的,这种现象可以通过费米能级来调节,而费米能级能够通过外加电压进行动态调谐。结果表明,在太赫兹波段,该结构的群延时可达0.62 ps,群折射率超过1200,最大延迟带宽积为0.972,类电磁感应透明峰值频率透过率高达0.89,其性能优于现有的大部分的同类型器件。（3）提出了一种基于光栅的石墨烯窄带吸收器,能够实现中红外波段的可调谐双窄带完美吸收。相比于其他同类型结构只研究石墨烯化学势对吸收效果的影响,该设计进一步讨论了石墨烯散射率对吸收效应的调谐作用。仿真结果表明,在中红外波段,石墨烯散射率的降低能够有效减小吸收峰的半峰全宽,同时提高结构吸收率。石墨烯化学势为0.7 e V时双峰吸收率均可达到0.98,吸收峰的半峰全宽最小可至0.16THz,折射率灵敏度为7.13 THz/RIU。

关键词： 表面等离激元晶格共振   1D光栅超表面   2D材料   二次谐波   光电探测  

摘要： 表面等离激元(Surface plasmon,SP),即金属表面电子受外加电磁波激励所产生的集体振荡现象,因其强局域电场增强以及许多新奇的光学现象,从而具有广泛的应用前景。然而,受限于其金属的固有损耗,SP人工超表面往往展现出一个很低的Q因子(Q<10),这大大限制了在生物传感和光学调制方面的应用。当入射光波长处于瑞利异常(Rayleigh anomaly,RA)波长附近时,周期规则排列的金属纳米粒子可以激发一种新型的SP共振,即表面等离激元晶格共振(Surface plasmon lattice plasmon,SPLR),并在光谱上产生一个尖锐的窄带线宽。但是,由于SPLR的强角色散特性,为保证高Q因子的共振,SPLR的激发一般需要使用低数值孔径(Numerical aperture,NA)物镜所形成的高空间相干光。当使用高NA物镜所产生的聚焦光束时,因其入射光的准直性遭到破坏,SPLR的线宽将会严重展宽,Q因子也会相应地降低。但是,在大部分情况下,高NA的聚焦光的使用却可进一步提高光源的光场强度以及信号收集效率。因此,在聚焦光下无法实现高性能SPLR激发,这也制约了SPLR超表面在小型化以及紧凑集成器件方面的应用。另外,因其独特的电子以及光学特性,二维(two-dimensional,2D)材料的研究受到了广泛的关注。但是,由于其极短的光与物质相互作用距离以及难以大面积制备等问题的存在,高NA物镜用于增强2D材料与光的相互作用是不可或缺的,而这也使得SPLR超表面与2D材料的紧凑集成器件的研究也一直处于停滞不前的状态。为了解决这个问题,本论文结合了一维(one-dimensional,1D)光栅超表面中多种光学模式间的转换,理论提出了一种可以在聚焦光束下保持高Q共振的SPLR超表面,并通过实验对其结果进行了证实。因此,这种特性也大大扩展SPLR超表面在空间光领域方面的应用,并与其他器件或者材料集成,最终,实现更强的光与物质相互作用,提高器件的集成度。基于此,本文将该超表面与2D材料进行集成,并在高NA物镜下分别对其在二次谐波(Second harmonic generation,SHG)以及光电探测方面的应用展开了研究。利用了1D光栅SPLR超表面在高NA物镜下的窄带共振的特性,在满足其2D材料所需的足够光场强度的同时也提升了SP共振对其2D材料的光调制能力。而这也使得2D材料集成SPLR超表面展现出与常规2D材料集成SP超表面所不同的SHG以及光电探测特性。主要研究内容如下:1.首先,通过理论仿真计算,设计了一种可在聚焦光束下保持Q因子的1D光栅SPLR超表面。根据角分辨光谱分析可知,该特性是由于在斜入射光下超表面的共振模式发生了转换所导致的。之后,利用微纳加工技术制备了所提出的1D光栅SPLR超表面,以及作为对比的同类型的2D SPLR超表面,并通过自搭建光路在实验上对其共振光谱进行了表征并证实了预测结果。当将低NA物镜更换为高NA物镜时,该1D光栅SPLR超表面的半峰宽(Full width at half peak,FWHM)仅从3.2 nm上升至了3.9 nm,对应的Q因子从484下降至了393。而作为对照组的2D SPLR超表面,其共振线宽却发生严重展宽,Q因子降低为低NA物镜时的四分之一。对比近些年实验上所报道的SPLR超表面,在同使用NA=0.4的物镜时,该1D光栅SPLR超表面的Q因子比其他类型SPLR超表面高了约一个数量级。2.基于上述特性,在聚焦光束下,1D光栅超表面可在增强光与2D材料的相互作用的同时保持其高Q因子。通过2D材料制备以及转移技术,将1D光栅SPLR超表面与高二阶非线性的2D GaSe进行了集成,并研究了其线性吸收光谱以及SPLR对SHG的增强效应。由于2D GaSe的存在,超表面的角色散特性发生轻微变化,使其光吸收率在NA=0.4物镜下上升至了90%以上。另外,当处于SPLR激发时,厚度为30.9以及15 nm的2D GaSe与超表面集成后可分别实现了30倍以及11倍的SHG信号增强。同时,其SHG偏振依赖特性也由2D GaSe的晶格结构控制变为了SPLR偏振特性主导。另外,当2D GaSe厚度为30.9 nm时,其SHG光谱可出现了一个FWHM为1.26 nm的超窄带共振,而这也是低Q因子的SP超表面所不能实现的。3.将2D MoS夹在1D光栅与底层Au膜之间,提出了一种基于SPLR与gap共振的热电子探测器。由于所提出探测器受到了多种共振模式的协同调控,出现了与常规热电子探测器所不一致的光电响应谱。随着器件光吸收的增强,其光电流反而会发生严重的下降。同时,光电响应的偏振特性在不同波长处将满足不同函数关系,并通过有限时域差分计算对上述现象进行了理论分析与解释。这种丰富偏振特性也将