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关键词： 光纤光学   光纤生物传感器   长周期光纤光栅   双峰谐振   纳米二氧化钛粒子   H9N2亚型禽流感病毒  

摘要： H9N2亚型禽流感病毒(AIV)虽为低致病性AIV,但严重危害养禽业的健康发展和公共卫生系统。快速有效的检测方法有利于病毒的早期诊断、预防及控制。提出一种高特异性、低检测极限(LOD)的纳米二氧化钛(nano-TiO_(2))粒子修饰双峰谐振长周期光纤光栅(DR-LPFG)的检测H9N2 AIV的光学生物传感器。利用改性nano-TiO_(2)粒子修饰DR-LPFG,再将抗H9N2单克隆抗体分子(anti-H9N2 MAbs)与TiO_(2)表面羧基以共价键结合,固定于光栅表面制得生物传感器。该传感器机理在于测量固定在DR-LPFG表面的anti-H9N2 MAbs与H9N2 AIV抗原的特异性结合引起光栅双峰谐振波长间距(Δλ)的变化。实验结果表明:在折射率为1.3320~1.3760时,nano-TiO_(2)修饰DR-LPFG的Δλ灵敏度为~1063.44 nm/RIU(RIU为折射率单位)。该生物传感器对H9N2 AIV的LOD为~2.7 ng/mL,相较采用Eudragit L100共聚物修饰DR-LPFG的生物传感器的LOD,提高了约96.1%,检测饱和浓度为50μg/mL,对H9N2 AIV的亲和系数为~3.57×10^(8)mol^(-1)·L,对H9N2 AIV具有高特异性,且能实现快速检测,在临床诊断、药物分析等生物医学领域有较大应用潜力。

关键词： 机器学习  

ISBN: (纸本)9787513080002

摘要： 本书基于大数据、人工智能中模式分类的研究，以向量数据的机器学习方法为基础，从最优化角度研究张量数据的学习问题，特别关注张量数据分类问题的新模型的建立及其最优化算法的设计。

关键词： 飞秒激光微加工   长周期光纤光栅   螺旋长周期光纤光栅   轨道角动量模式  

摘要： 轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)光束是一种携带螺旋相位的涡旋光束。由于其环形光场强度分布、拓扑荷理论上的无限性及螺旋等相位面等特点,OAM光束在光镊、通信、成像、传感等领域具有广泛的应用前景,深受人们的关注。其中,OAM的产生及调控,是应用OAM光束的前提,也是当前的OAM研究领域的热点问题。以往的光纤OAM光场调制主要基于热加工技术,特别是螺旋光纤光栅的制备,需要旋转光纤或扭转熔融光纤,导致稳定性不高、重复性差,且在实现局域强调制以耦合高阶OAM模式上存在一定困难。本文利用飞秒激光的冷加工特性,在光纤上制备了普通长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating,LPFG)和螺旋长周期光纤光栅(Helical Long Period Fiber Grating,HLPFG),并研究其OAM模式耦合特性,主要内容如下:第一,研究基于飞秒激光的少模光纤LPFG制备技术及OAM模式耦合特性。利用飞秒激光逐线加工技术,在光纤纤芯上刻写线型阵列,每个阵列构成一个折射率调制区域,通过周期性制备该线型阵列,实现LPFG的制备。该制备技术在光栅调制的位置、占空比及强度的设计与实现上具有较高的灵活性,可以在少模光纤上实现低插损、高耦合强度的LPFG的制备。实验上,分别在二模光纤和四模光纤上实现了LPFG的制备,其透射光谱插损小于1d B,高阶模式转化效率高于93%。根据少模光纤模式传输特性,通过调节光纤基模及高阶耦合模式的偏振态,在LPFG中实现了±1阶和±2阶的OAM模式的产生。通过对其激发特性和纯度特性研究,获得了模式阶数在-1与1,-2与2之间可调谐的OAM模式产生器,且OAM模式纯度大于92%。第二,研究基于飞秒激光的光纤HLPFG制备技术及OAM模式耦合特性。将飞秒激光聚焦在光纤内部,通过三维位移平台的平移,在光纤纤芯上实现螺旋轨迹的折射率调制,从而制备出HLPFG。该制备技术不需要光纤融化、旋转或扭转,具有更好的稳定性、重复性和灵活性。利用该技术,分别在单模光纤和二模光纤上实现了不同螺旋结构HLPFG的制备,并通过改变螺旋轨迹的半径实现了光栅耦合强度的调节,为光栅制备提供了新的可设计自由度。通过对HLPFG中OAM模式的激发、偏振和纯度特性研究,在不同旋向的HLPFG中分别实现了+1阶和-1阶OAM模式的直接激发,验证了模式的偏振态改变和螺旋相位调节之间存在独立性,从而制备出了偏振无关型的OAM模式产生器。在OAM模式纯度上,在谐振波长处,OAM模式的纯度达到91%以上。随着测试波长偏离谐振波长位置,1阶OAM模式的纯度降低,偏离2nm时,纯度为86%,偏离4nm时,纯度为74%,偏移10nm时模式纯度降为50%左右。本文利用飞秒激光制备LPFG,获得了光偏振态控制的阶数可调谐OAM模式产生器;利用飞秒激光制备HLPFG,获得了偏振无关型OAM模式产生器。本文研究成果为光纤光栅制备及OAM模式产生,提供了新方法,新途径,在促进光纤光栅在OAM模式产生技术中应用的同时,也将促进OAM光束在光纤内窥成像、光纤光镊、光纤通信及光纤传感等领域的应用。

关键词： 波动方程   有限差分   谱方法   k空间   时间精度  

摘要： 波动方程数值模拟在地震观测系统设计、数据处理和解释阶段均扮演着重要的角色。目前,基于一阶速度-应力形式的波动方程被广泛应用于地震波动方程数值模拟。交错网格是一种求解一阶速度-应力形式波动方程的有效数值方法。然而基于交错网格的声学、弹性、粘声及粘弹性介质模拟存在时间导数离散误差和稳定性的问题。本文针对此类问题进行相关研究,提出了能够有效压制数值频散和提高稳定性的时间高精度声波和弹性波有限差分新方法以及粘声和粘弹性波k空间谱类模拟新方法。相对于中心网格,交错网格数值模拟具有更好的精度和稳定性。常规空间高阶交错网格有限差分求解声波和弹性波方程计算量较小,但只能达到时间二阶、空间2M阶精度;近年来发展的时间高阶交错网格有限差分方法能够达到时间和空间2M阶精度,但由于其对每个差分算子添加了额外的差分点子数,计算量增大。针对两种差分方法的特点,本文设计了一种综合两种差分格式优点的混合交错网格,分别应用于三维声波和二维弹性波方程数值模拟。新的混合网格既保持了时间高精度,又较好地控制了计算量。数值算例和频散分析表明,相对于传统空间高阶差分方法,混合交错网格的时间精度更高。相对于常规时间高阶方法,混合交错网格的计算量更小。稳定性分析表明,新差分格式比常规空间高阶、常规时间高阶方法更稳定。不同于声波混合交错网格,本文设计的弹性波混合交错网格基于自适应P、S波频散关系求取差分系数和控制算子长度,因此能够同时保证不同类型波的模拟精度并较好地控制计算量。针对新差分格式差分系数优化的非线性难题,本文提出了分步线性全局优化算法。该优化方法既回避了非线性问题,又能求取全局最优的差分系数。频散分析和数值算例证实了分步线性优化方法能够在不增加计算量的前提下进一步提高模拟精度。目前,基于分数阶空间导数的粘声以及粘弹性波方程被广泛应用于数值模拟与成像。交错网格伪谱法是求解该类粘声和粘弹性波方程的常用方法。由于该类型离散的波动方程存在与衰减项和时间递推项相关的两种时间导数,整体的时间精度只有一阶。本文针对此问题为粘声及粘弹性介质波动方程设计了两种基于k空间方法的补偿时间误差的谱类求解新方法。数值算例表明,两种k空间算法与均匀介质的格林函数解析解一致。对于非均匀介质,两种方法均采用lowrank分解来加速计算。第二种k空间算法采用了与第一种k空间算法不同的算子分解方案,明显减少了计算耗时的空间-波数混合域算子的数量,因此模拟效率显著提高。模型测试表明,新的粘声及粘弹性k空间算法的稳定性也比常规交错网格伪谱法更优。

关键词： 光束扫描系统   体布拉格光栅   光热折变玻璃   通道串扰优化   基频角偏转放大  

摘要： 以光热折变玻璃(Photo-thermal-refractive，PTR)为记录材料的体布拉格光栅(VolumeBragggrating，VBG)具有波长选择性和角度选择性好、衍射效率高、可多路复用、通道设计灵活、功率耐受性好等优点，是一种常用的角偏转放大器件，在非机械式的光束扫描系统中具有广阔的应用前景。开展应用于光束扫描系统的基频角偏转放大体布拉格光栅的通道串扰优化研究和用于二维光束扫描系统的旋转级联体布拉格光栅的理论设计和制备研究，对于推动以PTR玻璃为记录材料的多通道复用体布拉格光栅在大角度连续光束扫描系统的应用具有重要意义。　　本文从理论设计和实验制备两方面，深入研究了多通道复用体布拉格光栅的通道串扰优化和二维旋转级联角偏转放大体布拉格光栅的理论设计、实验制备及性能测试等内容，具体如下:　　1.基于Kogelnik耦合波理论研究了透射式体布拉格光栅的衍射特性，分析了一维角偏转放大体布拉格光栅产生通道间串扰的原因。主要原因是体布拉格光栅的通道角度选择性曲线的第一零点半宽(thehalfwidthatfirstzero，HWFZ)过大导致不同通道的角度选择性曲线存在重叠区域。分析了光栅的相关结构参数对角度选择性曲线HWFZ的影响，其中光栅的空间频率对其影响最大，而决定空间频率的是光栅通道出射角与入射角的差值绝对值。根据分析结果提出了一种降低光栅通道间串扰的优化方案，即在不改变角偏转放大体光栅偏转能力的前提下调整各个光栅通道入射角与出射角的对应关系，减小光栅通道的角度选择性曲线的HWFZ值，从而降低通道间的串扰。　　2.根据提出的复用体布拉格光栅通道间串扰优化方案，对工作波长1064nm，出射角度范围为-45°～45°的12通道复用体布拉格光栅进行了通道优化。优化后光栅通道的最大HWFZ从常规设计的2.9278mrad降低到1.6051mrad。对串扰优化方案进行了实验验证，将12个光栅通道分为2组，每组6个光栅通道，分别记录在2块PTR玻璃中，每块PTR玻璃进行6次紫外曝光后置于马弗炉中进行热处理。级联后测试12个光栅通道的角度选择性曲线，光栅通道的HWFZ实验测试结果与理论仿真的最大偏差为0.1526mrad，最小偏差为0.0031mrad，与12通道角偏转放大体光栅的实验测试角度选择性曲线结果共同证明了优化方案的可行性。对光栅样品进行了性能测试，在承受最大负载功率密度为21.1kW/cm2时，样品的最高温度为93.3℃，且绝大部分光栅样品的衍射光束未发生明显的光束质量退化(M2变化不超过10％)。　　3.设计了出射角度间隔7.5°，最大角度偏转范围±22.5°，工作波长为1064nm的旋转级联二维角偏转放大体光栅，并基于设计的二维角偏转放大体光栅构建了二维光束扫描系统。设计了二维扫描平面的区域划分方法及与二维角偏转放大体光栅通道的对应关系。在每块PTR玻璃内复写了6个光栅通道，8块复用体布拉格光栅共计有48个光栅通道，分别对应二维扫描平面划分出来的48个扫描子区域，同时按照编号每两块光栅之间的级联旋转角度为22.5°。通过将8块6通道复用体光栅按照编号顺序进行旋转级联，在实验上实现了-22.5°～22.5°的二维大角度离散偏转，8块复用体光栅的6个光栅通道的平均相对衍射效率均大于90％。将该二维角偏转放大体光栅与2块液晶光学相控阵(Liquidcrystalopticalphasedarray,LCOPA)结合可实现在±22.5°角锥范围内的二维空间连续光束扫描。测试了光栅样品的功率耐受性，在保证光栅通道的衍射光束不发生明显的光束质量退化(M2变化不超过10％)的前提下，光栅能承受的最大负载功率密度为7.2kW/cm2。

关键词： 图像恢复   低秩张量补全   张量链模型   张量增强   自适应张量补全  

摘要： 数字图像是人们获取视觉信息的重要途径,在现代社会中起着至关重要的作用。然而原始图像在采集和传输过程中经常因硬件和自然因素干扰丢失部分数据,降低了图像质量,影响后续处理和应用。近年来,基于张量链的低秩张量补全方法成为研究热点并且展现出强大的图像恢复性能。但基于张量链的方法仍存在块效应和秩估计问题,限制了张量链模型在图像恢复中的应用。针对以上问题,提出三种基于低秩张量补全的图像恢复方法,解决块效应和秩估计问题,主要研究内容如下:(1)张量链模型下基于局部重叠块的图像恢复现有张量增强方法中以块寻址方式重新分布数据,导致恢复图像上生成严重的伪影块,限制了张量链在图像恢复中的应用。因此,提出张量链模型下结合并行矩阵分解和局部重叠块的图像恢复方法,采用结合局部重叠数据块的张量增强方法将图像数据重新分布在高阶张量中,相互重叠数据块能够维持数据块的局部结构并减少数据块边界的不连续性,不仅能有效抑制伪影块产生,还可有效提高数据维度及其低秩性;采用基于并行矩阵分解的低张量链秩最小化模型,快速精确重建高阶张量;根据像素与数据块边缘距离提出分而治之的加权方案,进一步削弱伪影块的影响。图像、视频和磁共振图像恢复实验表明,所提方法能够有效解决伪影块问题,图像恢复质量更高。(2)张量链模型下基于重叠数据块和总变差的图像恢复目前基于低秩张量补全的方法大都依赖图像数据的冗余性和低秩性恢复数据,无法充分利用图像数据的平滑特性。为充分利用图像数据平滑性并进一步削弱块效应的影响,提出张量链模型下基于重叠数据块和总变差的图像恢复方法,对恢复图像施加总变差约束,利用图像的平滑先验减弱伪影块现象。此外,采用基于局部重叠数据块的张量增强方法提升数据低秩性并抑制伪影块产生,通过总变差约束和局部重叠块的共同作用,有效解决块效应问题。建立相关模型并基于交替方向乘子法提出相应重建算法。实验表明,所提方法可明显削弱伪影块现象,恢复图像结构平滑而且纹理细节清晰,图像恢复精度更高。(3)自适应估计秩下基于张量链的图像恢复现有的低秩张量补全方法通常需要预先输入秩信息,限制了张量补全在实际问题中的应用。为解决这一问题,提出一种自适应估计秩下基于张量链的图像恢复方法,采用回溯搜索算法自适应估计秩信息。该方法首先采用基于德劳内三角剖分的插值法建立参考图像,可有效恢复出原始图像主要结构信息;提出基于回溯算法的自适应秩搜索方案,根据各候选秩的恢复图像与参考图像的结构信息相似度,逐阶搜索并确定最优秩和恢复图像。实验结果表明,该方法估计的秩信息比现有方法更加准确,能够自适应估计秩并高质量恢复图像。

关键词： 安全多方计算   张量表征   深度学习   隐私保护张量深度计算   差分隐私  

摘要： 互联网中数据的暴增和云计算的发展加速了深度学习的发展,其在图像分类、商业分析等领域中愈发重要。同时大部分深度学习模型会布置在云服务器上进行学习,以达到降低开发成本的目的。这频繁的数据共享和数据交易暴露出不少的数据隐私问题。我国数据保护法的颁布从法律上保障了数据隐私的安全,但如何高效实现隐私保护深度学习是一个难题。同时,数据趋向多源异构化,传统基于向量空间的深度学习模型难以挖掘数据中的潜在关系。针对隐私保护深度学习和多源异构数据,展开以下主要研究内容:考虑隐私保护和多源异构数据,结合安全多方计算技术、差分隐私和张量深度计算提出隐私保护张量深度计算模型(Privacy-Preserving Tensor Deep Computation Model,PPTDC)。针对PPTDC模型中的非线性计算,结合现有安全多方计算技术分别在计算开销和通讯开销上的优点提出高效的安全多方计算方案。首先,在安全两方符号位提取方面提出了MSBExtr算法,并给出适用于安全两方计算和差分隐私的激活函数Acti。其次,基于MSBExtr算法提出Acti函数的隐私保护方案PPActi算法和Softmax函数的隐私保护方案PPSoftmax算法。另外,对于PPTDC模型的池化层提出三种不同的池化算法,其中基于MSBExtr给出的PPMax Pool算法,不仅实现了高效运算,还保护了最大值的位置信息。针对PPTDC模型实现数据隐私和模型隐私的保护以及能够更好的分析高阶数据,基于MSBExtr提出梯度裁剪的隐私保护方案PPClip Grandient算法,并结合PPActi、PPSoftmax和PPMax Pool给出PPTDC模型的非线性计算和误差反向计算的过程和详细推导,并设计了高阶隐私保护反向传播算法对PPTDC模型进行训练。实验结果表明,与混淆电路方案对比,PPActi算法效率提升约22倍,PPSoftmax算法效率提升约2倍,PPMax Pool算法效率提升约11倍。

关键词： 光学薄膜   膜系设计   薄膜应力   吸收黑膜  

摘要： 随着多光谱成像技术的不断成熟,多光谱相机在各领域的应用也越来越广泛。分光元件作为多光谱相机内部的重要组成部分,其性能的好坏直接决定光学系统的整体性能。光学薄膜元件作为常用的分光器件,作为核心器件其性能的优劣直接影响着整个多光谱相机的品质。本文研究采用五谱滤光片的多光谱相机,具有结构紧凑集成度高的特点,该滤光片具有四条多光谱通道和一条全色通道,是决定多光谱相机实现多光谱成像的关键。因此,对多光谱滤光片进行性能优化,保证其性能能够适应多光谱相机内部光学系统的成像要求。为了使研究的五谱段滤光片具有良好的光学性能,内容主要由以下相关工作展开。1.设计并制备出五谱滤光片是本文的研究重点。为避免基底两侧的膜层厚度不匹配而导致应力失衡,本文提出了一种新膜系设计理念。区别于传统膜系在蓝宝石基底两侧分别设计长波通膜系和短波通膜系,本文将基底两侧的膜系进行拆解并重新调配,使两侧薄膜厚度更加接近,两侧膜层数量也较为均衡。并且设计的滤光片在五条通道内(蓝色通道、绿色通道、红色通道、近红外通道、全色通道)具有较高的通带透过率和截止区截止度,并且具有较高的通带矩形度和过渡带陡峭特性。2.为验证基底两侧薄膜厚度经重新调配后使基底所受整体应力减小,分别对传统膜系设计结构和膜系调整结构进行热应力分析,仿真结果表明设计的膜系两侧残余应力有效抵消,使得滤光片基底的面形变化量较小,从而有效减小其对系统波像差的影响,说明采用新方法设计的膜系不仅两侧厚度及膜层数量更均衡,其自身的残余应力也得到了有效控制。3.设计出一种吸收黑膜,用于隔离五条滤光片通道。提出了由减反层、吸收层、金属高反层三部分组成的吸收黑膜,利用上层减反层与下层Al高反层形成的“腔体效应”将光线锁定在这两层间的吸收层内,经过多次吸收已达到高吸收的目的,使该膜层对杂光的吸收效果明显,反面平均剩余反射为3.41%,透过率接近于零的特性。通过光刻技术将此吸收黑膜转移至该滤光片的相应阻隔区域。最后,将此五谱滤光片装调至多光谱相机中,通过实际的外场测试,得到了较为理想的多光谱图像。本文设计并制备与多光谱相机匹配的五谱滤光片,通过视场计算得到五通道及隔离区在蓝宝石基底的相对位置,测试结果显示五条通道的通带透过率和截止区截止度分别达到了92%以上以及OD4的光学特性,并且具有较高的通带矩形度以及过渡带陡峭的光谱特性,再通过隔离区的消杂光处理,通过实际外场测试,得到分辨率较高的图像,说明该五谱滤光片达到使用要求。

关键词： 随机化算法   张量分解   数据降维   鲁棒张量幂法   数据驱动型算法  

摘要： 近年来,大规模数据集的涌现增加了数据处理、传输和存储的软硬件负担。素描是一类基于随机化的算法,它使用结构化的随机素描矩阵将输入数据映射到低维素描子空间,同时保留数据的一些有用信息。使用素描技术,原始数据的一些统计量可直接在素描子空间内被近似地估计,因此能以一定精度损失为代价实现算法加速和数据降维。本文主要对素描算法展开研究,目的是提升它在张量计算应用中的近似精度和运算速度。鲁棒张量幂法(Robust Tensor Power Method,RTPM)是一种张量CANDECOMP/PARAFAC分解算法,它在每一次幂迭代的过程中都需要计算张量收缩运算,导致计算效率低下。张量素描(Tenso Sketch,TS)技术已被用于加速RTPM,但现有基于TS的RTPM(TS-RTPM)是数据无意识(data-oblivious)的,没有利用输入数据的分布信息。本文提出首个数据驱动的TS框架TS-Fast-RTPM-Net(TS-FRTPM-Net),通过将TS-RTPM的算法的外层迭代展开为神经网络的快速幂迭代模块(Fast Power Iterations,FPI),从而提高了TS-RTPM的效率。具体地,TS-FRTPM-Net使用随机梯度下降法优化TS值矩阵和RTPM初始矩阵,以及使用两种贪心算法优化TS位置矩阵,提高了TS-RTPM的近似精度。此外,通过在FPI模块进行并行计算幂迭代,实现了对TS-RTPM的加速。实验结果表明,与TS-RTPM相比,TS-FRTPM-Net在准确性、速度和内存消耗方面具有优势,同时具备一定的模型可迁移性。现有一些素描技术存在一定的局限性:计数素描(Count Sketch,CS)本质上是针对向量的素描,当输入为高阶张量时,需对其向量化进行素描,因此构建CS矩阵需要一对大尺寸的哈希函数,增加了哈希函数的内存消耗。此外,针对一些具有特定结构的张量,如秩-1张量,CS无法利用其结构特征加速素描计算。TS使用多对小尺寸哈希函数构建素描矩阵,其存储消耗远低于CS,且对于秩-1张量具有快速算法。但TS矩阵的构建方式不可避免地造成哈希冲突,导致近似精度较低。本文结合CS与TS的优点,提出一种名为快速计数素描(Fast Count Sketch,FCS)的新的素描算法。FCS构建素描矩阵的方式与TS相似,但使用一种类似于公共溢出区的方法避免哈希冲突,在提升了TS的近似精度的同时,继承了TS低空间复杂度和高效计算秩-1张量素描的优势。理论分析和数值实验结果表明,与CS和TS相比,FCS在恢复精度或计算效率方面具有优越性。

关键词： 表面等离激元   电子浓度分布   叉指电极   光栅   马赫-增德尔干涉仪   光调制器  

摘要： 通过外加电场或光场,光调制器可以实现对光的偏振、频率、振幅以及相位等特性的调制,在集成光信息处理系统中扮演着非常重要的角色。传统的光调制器一般都是通过调控结构中电介质的光学传输特性来实现调制的。而表面等离激元(SPPs)是一种由于光波和金属表面电荷相互作用而形成的沿着金属表面传播的光波模式。这种模式的光波被局域在金属和电介质的交界面,光场与金属表面自由电子之间存在着强耦合,可以将光局域在远小于波长尺寸的空间范围内,打破了衍射极限的限制,为进一步缩小光电子器件的尺寸提供了可能。将这种强局域化的等离激元与传统的光调制效应相结合可以进一步增强光与电介质的相互作用,从而提高调制效率。本论文根据表面等离激元对电子浓度的依赖性,通过改变电子浓度的分布方式分别实现了对于表面等离激元频率、幅度以及相位的调控。由于金属中的电子浓度过高,很难通过外加电场或者光场对其电子浓度进行调节,所以本文主要基于石墨烯以及氧化铟锡(ITO)材料做了一些相关研究工作,这在光电探测、光通信以及光传感领域都有着非常重要的意义。本文的主要内容包括:(1)基于叉指电极的空间电子浓度分布直接调控的表面等离激元频率调制特性研究。本文设计了一个石墨烯-介质-叉指电极的混合结构,直接通过电极调控石墨烯表面电子浓度的空间分布。首先利用Comsol Multiphysics仿真软件对静电场下石墨烯的电子浓度分布规律进行了仿真分析。然后利用传统光刻工艺制备了该样品,并利用傅里叶红外光谱仪测量了不同电压下的透射谱。在不同电压的情况下,电子的空间浓度分布以及受限范围都发生了变化,共同导致了实验过程中共振峰的移动。实验测得共振峰移动的最大距离为33 cm,透过率变化了8%。最后利用石墨烯条带模型对共振峰移动的原因进行了进一步的分析。实验结果表明,这种不依赖于介质而直接通过调控电子浓度空间分布的方法对于表面等离激元的调制深度有一定的提高,并为表面等离激元共振频率的调制提供了新的思路。(2)基于光栅的电子浓度空间分布调控的表面等离激元幅度调制特性研究。本文提出了一种利用周期性的空间电子浓度分布来调控表面等离激元幅度的方法,并在光栅-介质-石墨烯的混合结构中进行了验证。通过在光栅和石墨烯之间施加电压,石墨烯表面的电子浓度呈现周期性的空间分布,导致费米能级呈现周期性的空间分布,传输的表面等离激元因为散射效应而得到调制。利用Comsol Multiphysics仿真软件对不同电压、不同周期以及不同波长下表面等离激元的传输特性进行了研究分析,仿真结果表明,电压和周期都能有效地调控表面等离激元的幅度。和整体电子浓度调控的方法相比,周期性空间电子浓度分布调控的方法调制深度提高了18.6 d B。另外,将电子浓度空间分布调控的方法在ITO中也进行了验证,调制深度达到了15.2 d B,进一步证明了空间电子浓度分布的方法对于表面等离激元幅度调控的普适性,并且由于这种散射效应不依赖于波长,理论上可以实现超宽带的调制。(3)基于马赫-增德尔(M-Z)干涉仪的整体电子浓度分布调控的表面等离激元相位调制特性研究。本文设计了一个M-Z干涉仪结构,在它的上下臂各嵌入有一小块由ITO组成的调制区域,增强了表面等离激元和调制区域ITO的相互作用,导致ITO中微小的电子浓度分布变化都可以对表面等离激元的相位产生很大的影响。当经过调制的表面等离激元在信号输出端干涉时,实现了一个很好的开关效应。利用Comsol Multiphysics仿真软件,分析了不同电子浓度、不同调制区域长度、不同调制区域宽度以及不同波长对输出端信号的影响。仿真结果表明,在调制区域电子浓度变化4×10 cm,调制区域尺寸为4μm×0.5μm时,调制深度可以达到15.2 d B。和传统的基于表面等离激元的M-Z干涉仪调制器相比,这种结构具有更高的调制深度以及更小的结构尺寸,对于光电器件的集成与应用有着非常重要的意义。