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关键词： 单管半导体激光器   光谱合束   光束质量   光谱线宽  

摘要： 半导体激光器具有电光效率高、体积小、重量轻、易于集成等优点,因此被广泛应用于诸多领域,但是半导体激光器光束质量差的问题制约了其发展,针对这些问题,激光合束技术会是一个很好的解决方法。单管半导体激光器具有受热效应影响小、不存在“smile效应”的特点,同时具有单个器件输出功率有限的缺陷。本文基于单管半导体激光器的光谱合束技术,以获得光束质量与单个发光单元相同,输出功率为所有发光单元功率之和的激光输出模块为研究目的展开研究。主要工作如下:1.基于双光栅光谱合束理论,研究了参与合束的单管的数量、间距和聚焦透镜焦距对谱宽、波长间隔的影响,以及光束入射角对光栅衍射效率的影响。建立光谱合束单元的合束效率模型,分析了合束效率的影响因素。2.基于ZEMAX软件建立了多单管的双光栅光谱合束模型。设计了基于快轴准直镜(FAC)、慢轴准直镜(SAC)以及传输透镜的光束准直整形系统,并建立等效反馈光路,分析了聚焦透镜焦距对光谱合束效率的影响;基于光谱合束系统效率模型,讨论了光栅衍射效率和外腔镜反射率对合束效率的影响。3.提出了一种基于平行双光栅结构的光谱合束系统。通过后置一个与一次光栅完全平行的二次光栅让合束光束两次经过光栅进行衍射,通过光学模拟,可实现合束光谱间隔的压缩。4.搭建了单管半导体双光栅光谱合束实验平台,利用阶梯式空间合束将单管激光在快轴方向上进行合成,在输入电流12A的情况下,空间合束后功率48.24W,利用400nm转换透镜进行双光栅光谱合束实验,得到激光输出32W,合束效率66%,各个子光束波长间隔0.8nm,总体谱宽6.4nm,整体光束质量为4.48mm·mrad的激光输出,光束质量接近单个发光单元的光束质量,验证了平行双光栅合束结构能够有效压缩光谱间隔,可在相同的增益谱线范围内成倍增加发光单元的数量,进而提高激光模块的亮度和功率密度。5.采用三倍缩束系统将发光单元间距从3mm降低至1mm,从而将输出光谱的整体线宽从6.4nm压缩至2.2nm。实验获得28W的激光输出,合束效率55%,整体光束质量4.50mm·mrad,通过三倍缩束系统的方式压缩了波长间隔,降低了整体谱宽,提高了激光亮度。6.采用望远系统和孔径光阑抑制串扰现象,通过调整外腔反馈镜和望远系统的距离实现了阻止发散光进入光学系统而发生的串扰问题。

关键词： 光学薄膜   高反射膜   有限元分析   温度梯度法   真空原位退火法  

摘要： 反射式激光扩束系统由于其光学结构紧凑,设计简单,能够实现系统的无色差,低损耗,几乎可以实现99%以上的能量反射,在光电对抗领域应用十分广泛。随着近年来科学技术的高速发展,反射式激光扩束系统逐步走向大众领域,其工作谱段由可见、红外单一谱段向可见光、近红外、中波红外及长波红外等多谱段方向发展。由于涉及光谱波段数量的增多,对高反射率薄膜提出了更高的要求,这些严苛的要求导致高反膜的厚度与层数在相应增加,薄膜应力问题也显得十分严重,不仅影响成膜质量,还增加试验成本,降低产品良率。本文主要针对高反射膜的应力问题,引入有限元分析的方法,模拟基底与薄膜温度变化过程,通过优化沉积工艺,降低薄膜应力的影响,从而提高膜层质量。本文基于石英玻璃基底研制0.532μm、1.064μm、3.7～4.8μm多谱段高反射膜,筛选的高折射率材料是Zn S,低折射率材料是Yb F,依据传热过程的有限元理论基础,利用有限元分析法,通过多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics,将热应力场与温度场相结合建立三维模型,分析基底与薄膜的应力分布情况。基于对高反射膜涉及的设计理论、高反射膜的损耗理论以及光学常数的拟合与计算理论,利用Macleod、Optilayer等膜系设计软件分析研究表明,使用Zn S材料作为最外层时,其反射率散射损耗最低。针对膜系结构以及薄膜材料性能,通过有限元分析方法与实验,优化了薄膜的沉积工艺,降低膜层的热应力对薄膜的影响,提高膜层牢固度。对所制备的薄膜进行光谱性能、膜层牢固度以及摩擦测试,使用AFM(原子力显微镜)观察薄膜表面形貌,所制备的薄膜元件能够满足激光扩束系统的使用要求。

关键词： 极大倾角光纤光栅(ExTFG)   微纳光纤   振动检测   声振动   轴向应变  

摘要： 光纤振动传感器在结构健康检测、设备安全监测及安防周界入侵等领域发挥了重要的作用。其中光纤声传感器如,光纤麦克风、光纤地听器和光纤水听器等作为成熟的商用及军用产品逐渐走入人们的视野。针对振动传感器的宽频带、高灵敏度及易封装等要求,本论文采用了极大倾角光纤光栅(Ex TFG)及微纳光纤干涉仪两种特种光纤结构,分别制备了两类振动传感器,一类是光纤机械波振动传感器,即基于固支梁结构的宽频带Ex TFG振动传感器和基于微纳光纤色散拐点附近的高响应振动传感器,另一类是光纤声波传感器,即基于膜片式结构的微纳光纤声波振动传感器。本文的研究内容具体如下:(1)针对常见机械振动传感器响应范围较窄的问题,提出并制作了一种固支梁结构的反射式极大倾角光纤光栅宽带振动传感器。并通过光纤固支梁的设计大大提高了传感器的谐振频率;同时,为了使传感器更加紧凑,将Ex TFG的端面切平并镀银形成反射式结构。该传感器的性能如下:在S/P偏振下反射式Ex TFG的轴向应变灵敏度分别为-2.57 pm/με和-1.6 pm/με。该传感器的一阶谐振频率为1900 Hz,频率响应平坦区域为100～800 Hz,S/P偏振模式在平坦区域的最大加速度灵敏度分别为38.79m V/g和31.43 m V/g(800 Hz)。此外,该传感器可以检测100-10000 Hz的振动频率,在1900 Hz时最高信噪比为55.1 d B。(2)受到微纳光纤干涉在色散拐点附近能实现超高灵敏度的启发,提出了一种用于微振动和加速度检测的超高灵敏度双模干涉色散拐点(DTP)微纳光纤传感器。通过数值模拟计算了微纳光纤的模式有效折射率、群模式有效折射率差、干涉光谱和轴向应变敏感度。在1500 nm附近,当微纳光纤直径接近2.2μm时,轴向应变敏感度达到最大,大于2.5μm时保持稳定;结合电极放电和火焰熔锥法制备了DTP微纳光纤(直径～2.2μm)。实验结果表明:直径为～2.2μm的DTP微纳光纤的最大轴向应变灵敏度达到-45.55 pm/με,是直径为2.5-10μm微纳光纤的～12.5倍。之后,将DTP微纳光纤封装在矩形通孔悬臂梁中进行了振动传感实验。实验结果表明,双模干涉DTP微纳光纤振动传感器可用于监测30-3500 Hz的振动信号,在较小的加速度(0.1 g)下,传感器在52 Hz时的最大SNR可达75 d B。该传感器在45 Hz时的加速度灵敏度可达0.764 V/g。(3)基于微纳光纤的大倏逝场特性及膜片材料对倏逝场的耦合/吸收特性,制作了基于膜片结构的微纳光纤声波传感器。选用直径为30 mm,厚度100μm的聚酰亚胺薄膜作为振动膜片,将微纳光纤最细的腰区通过范德华力贴在膜片表面实现传感器的封装。在膜片上表面处为85 d B的声压级下,实现了对60-1000 Hz声波信号的检测。在200 Hz,300 Hz和400 Hz的声压灵敏度分别为33.6 m V/Pa,44.4 m V/Pa和27.1 m V/Pa;之后利用拍频信号产生可不同频率的次声和低频信号,通过拟合时域响应信号进行包络即可实现1 Hz,5 Hz,10 Hz,20 Hz,50 Hz差频信号的还原。最后,通过实验分析的到该声波传感器的方向响应特性验证了传感器在324°-36°,144°-216°的角度范围内具有较高的响应,且垂于于膜片方向的响应最大。所制作的声波传感器不仅可用于声波频率及声压大小的检测,还可以应用于声波方位的检测。

关键词： bicooperative game   cooperative game   semi-tensor product of matrices   Shapley matrix   Shapley value  

摘要： In cooperative games, players can choose whether or not to participate in the coalition based on their own strategies. Bicooperative games are the generalization of cooperative games. In bicooperative games, players have the option of abstention in addition to “yes” and “no”. Therefore, in cooperative games, distributing the total profit obtained by the participant alliance is one of the most important issues in bicooperative game theory. In this paper, the calculation of the Shapley value for bicooperative games is discussed by using the semi-tensor product of matrices. Firstly, the Shapley matrix of bicooperative games is constructed. Secondly, the Shapley value formula for a bicooperative game is transformed into the product of the characteristic function matrix and the Shapley matrix. Finally, an example is given to demonstrate the main results. The matrix form of Shapley value obtained in this paper simplifies the calculation and provides a new tool for researching bicooperative games. © 2022 Scientia Sinica Informationis. All rights reserved.

关键词： 大规模张量分解   随机化   典范多因子分解   耦合分解   块采样  

摘要： 由于获取及存储信息的技术手段飞速发展,观测数据总是表现出高维度大尺寸的特性,大规模数据的分析和处理成为当今信息处理技术的核心和关键。相比于传统的基于矩阵的处理方法,张量(即多维数组)更加适合这种高维度数据的表示和分析,它不仅能够直观描述高阶数据之间的多线性结构,还具有模型精简、可唯一辨识性强等良好特性,因此近年来被广泛用于多维数据的表示和处理中。然而,传统的张量分解算法在处理大规模数据时会面临内存占用及计算复杂度过高的问题。现有的利用部分数据重构原始参数模型的大规模张量分解算法,通常结合块采样、随机化的思想,通过挖掘张量模型在整体和局部的一致性,利用采样数据对模型参数进行学习更新。然而这种处理方式忽视了来自同源的不同采样数据块之间固有的耦合结构,并且对于实际信号中的先验信息未加以考虑,从而在运算效率和分解精度方面存在短板。综上所述,本文结合随机化、块采样等现有大规模张量分解的核心技术,将“耦合分解”的思想融入其中,更好地挖掘采样样本之间的内在耦合结构,提出耦合块采样方案,和相应的具有高运算效率的大规模张量分解算法,并结合部分实际信号中的先验信息讨论其在多个大规模信号处理问题中的应用,具体内容概括如下:(1)提出了一种典范多因子分解框架下的基于耦合块采样的大规模张量分解算法。首先,基于随机化、块采样、耦合分解等思想,提出耦合块采样方法,该方法能够采样一组尺寸较小、涵盖原张量全部模型参数,且相互间具有特定耦合关系的张量块。此外,利用现有的耦合典范多因子分解算法,一次性对上述采样张量块联合求解;最后,通过对耦合张量块分解的结果进行融合,解决其存在的幅度和顺序不一致问题,实现对原大张量模型的完整恢复,并通过数值仿真实验研究了算法性能。此外,考虑类核磁共振成像(f MRI)仿真数据,利用所提出的方法对之进行成分分离从而验证算法的有效性。(2)将所提出的方法应用至两个典型的大规模数据处理应用之中。首先,考虑阵列波达方向估计问题,将阵列空域因子矩阵的范德蒙结构有机嵌入至所提出的大规模张量分解算法之中,从而提取阵列波达方向。其次,考虑MIMO无线信道数据分解和补全问题,利用所提出算法结合频率维的范德蒙结构对多时刻的“空-频”信道数据进行分解,分析频率维的时变特性,并对测量获得的单用户部分频带上的“空-时-频”信道数据进行分解,利用频率维的范德蒙结构将部分频带的测量数据补全至全频带,从而获取当前时刻的全频带数据。上述两个个典型应用均证明了本文所提出的方法的有效性。

关键词： 全光波长转换器   四波混频   偏振不敏感   石墨烯增强光纤  

摘要： 为了满足更高速率、更大容量的通信要求,未来通信系统采用全光通信网络。全光波长转换技术是全光网络的关键技术之一,根据不同波长选择路由,节点采用灵敏可靠的光交叉连接,极大提高波长利用率,降低信息传输损耗。因此,开展对全光波长转换器的研究是全光通信领域中的热门课题。本论文提出利用石墨烯-光纤混合波导的超高非线性效应实现偏振不敏感的高转换效率的波长转换器,给未来光通信和信号处理提供一种新研究思路。具体的研究内容及成果如下:1.详细阐述了全光波长转换技术的原理,介绍四种不同的波长转换技术及研究进展。重点论述了基于四波混频效应的波长转换,并利用Opti System对三种泵浦方式的四波混频效应波长转换进行建模仿真研究,探究其波长转换效率的影响因素。2.阐明了石墨烯作为波长转换介质的可行性,介绍石墨烯-微纳光纤混合波导的特点和优势,并实验制备了石墨烯-微纳光纤混合波导,优化设计并搭建单泵浦四波混频(FWM:Four-Wave Mixing)波长转换实验系统,测量数据并分析系统性能及信号转换能力。3.提出一种基于石墨烯增强光纤双泵浦四波混频的全光波长转换方案。介绍波长转换系统的设计与搭建,通过光谱仪测量转换结果。作为对照实验,使用石墨烯和高非线性光纤分别作为非线性介质,分析整个波长转换系统的性能及总结实验。4.研究表明:基于单泵浦FWM石墨烯-光纤混合波导的波长转换效率,相较于普通单模光纤提升了～4.5d B;而平行和垂直双泵浦FWM结构分别提升了～7.7d B和～1.4d B,且双泵浦FWM的转换光具有偏振不敏感特性,结果对实际应用具有一定的指导意义。

关键词： 光纤光栅传感器   热式流速传感器   对流传热   流速测量   流向测量  

摘要： 在水利水电的生产和安全监测领域,准确测量流体的流动速度和流动方向具有十分重要的意义。常规的流速流向传感器一般只适用于较高流速的应用场景,但在大坝健康安全监测中,需要对极低流速(1×10-4 cm/s)的渗流进行监测;在其它微流管道流量测量应用领域,微小流速的测量也十分重要。热式流速传感器在流速测量领域有较大的应用,由于加热体温度以及加热体周围流体的温度分布与流体的运动状态有关,通过测量加热体的温度以及其周围温度场的变化,可以获得流体流速及流向的信息。传统的热式流速流向传感器采用电加热方式,需要将金属导线布设至较远距离的监测点,使用时存在安全和长期可靠性问题;采用电子式的温度传感监测方案,存在传感器需要供电、传感信号长距离传输易受环境干扰、传感系统长期可靠性差等问题。针对传统和常规的基于温度变化的液体流速流向传感测量问题,本文提出采用光纤传送的激光加热、以及通过光纤布拉格光栅(FBG)监测加热体和周围温度场分布变化的新型微小流速流向传感测量方案,通过理论仿真和实验测量验证了本文所提方法的可行性。基于光纤传送激光的加热以及光纤光栅的流速流向传感器具有传感器灵敏度高、体积小、耐腐蚀、长期可靠性高、可实现远距离实时在线监测等优点,在水利水电领域具有广阔的应用前景。本文主要研究内容和工作如下:1、通过COMSOL仿真软件分析了低流速下加热体及其周围的温度变化规律,研究了脉冲和恒定两种加热方式下温度变化与流速流向的关系,为流速流向传感器的设计提供理论基础;2、对于通过电流或激光直接加热传感光纤在应用上可能存在的问题,提出一种激光加热金属体的热源结构,提高了加热效率,降低了热式流速传感器的成本和传感头设计的复杂性,为加热功率和传感信号全光纤传输、高灵敏、低成本的光纤流速流向传感器的实现提供了保障;3、设计制作了一种通过脉冲激光加热的光纤流速传感器。基于加热体温度随时间变化规律与液体流速有关的这一特性,通过光纤光栅实现了极低流速的测量。通过布设在加热体附近不同位置的FBG还可以判断水流方向。4、基于恒定加热情况下热源周围温度分布与液体的流速和流向有较大关系这一特点,提出了一种通过在热源周围不同方位布设光纤光栅测量流体温度场变化的流速流向传感方案。通过软件仿真分析了不同流速和流向下加热体周边温度场的变化规律,证明了该测量方案的可行性。

关键词： 深隧工程   光纤光栅传感   雪崩光电二极管   希尔伯特算法   蜂窝定位结构  

摘要： 光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)由于其自身本质无源、耐腐蚀、抗电磁干扰、测量速度快、传输距离远等优点,使其可以安装在各种复杂恶劣的环境中,为电力工程、深隧工程、交通隧道、能源勘探等领域进行结构健康监测、火灾报警、周界安防等应用的应变、温度、振动等参量进行实时在线监测。本文围绕深隧工程中隧道损伤情况进行长期健康监测的问题,在研究弱光纤光栅传感机理、混合复用及波长特征识别技术的前提下,利用改进的低噪声光电检测电路和提出的多峰波长特征识别算法,设计并模拟基于蜂窝布局方式的结构损伤过程,实现一种基于光纤光栅传感的深隧工程损伤定位方法研究。波长特征识别系统中峰值信号拾取尤为关键,为了保障光电检测模块具有较高的信噪比。我们首先对雪崩光电二极管进行结构优化;其次设计了一种低噪声光电检测电路,使输出噪声的最高电压带宽噪声从14.44μV降到了7.90μV,既改善了光电检测电路的精度,又提高了信噪比。为了实现深隧工程中损伤情况的健康监测,本文首先针对FBG多峰反射光谱提出了一种基于希尔伯特的高斯曲线拟合方法,该算法峰值检测误差在0.6pm内,峰值检测精度较高;其次在损伤定位方面本文提出了一种新型的蜂窝结构进行布局,采用一种基于余弦相似度的反距离加权插值算法进行定位,得到定位点的坐标,平均定位精度可达1-2cm。最后搭建了针对深隧工程结构损伤的测试系统平台,并构建了结构损伤定位模型,利用光纤布拉格光栅传感器构成的传感网络确定冲击响应信号强度,通过光纤光栅传感器确定冲击载荷的位置,实现精确识别材料结构损伤点。测试结果表明:本文搭建的1200mm×1200mm×3mm的冲击载荷平台,分别在20N、40N以及60N的冲击力作用下,对监测区域内的12个待测点进行定位识别,两种冲击载荷模型定位的平均误差均在1.7cm以内。证明本文的基于蜂窝结构布局的冲击载荷定位方法的定位精度高,可为深隧工程健康状况监测提供高性价比的解决方案。

关键词： 光纤光栅   便携式   解调   电路   上位机  

摘要： 光纤光栅传感技术作为众多光纤传感检测技术中的一种,其在继承了光纤传感技术众多优势的基础上,还具有检测精度高、可测量参数多、体积小巧便于构成准分布式传感网络等优点,因此在灾情预警、建筑结构安全、船舶工业、航空工业等领域得到了广泛的应用。与此同时,为了应对不同情景下的光纤光栅解调需要,相关学者提出了许多各具优劣的解调方案。目前市面上现有的光纤光栅解调设备大多存在价格较高、体积较大、性能指标难以满足实际应用需求等一些问题,因此研究并设计一款成本较低、体积小巧便于携带、综合解调性能优异的光纤光栅解调仪具有非常重要的意义。本文从光纤光栅传感技术理论研究出发,分析了光纤光栅作为传感使用的基本原理,综合对比了几种常用的光纤光栅解调系统方案,选用了基于扫描激光器的光纤光栅解调方案,设计了集成化的硬件解调电路和软件解调界面,搭建了便携式的光纤光栅解调仪样机。本文主要研究内容展开如下:(1)介绍了光纤光栅的基本光学特性及其内部结构。基于耦合模理论,着重对光纤布拉格光栅的温度和应变传感模型进行了阐释。分析了几种光纤光栅解调方案的基本原理,综合对比了这些方案的优劣。(2)设计了基于扫描激光器解调法的便携式光纤光栅解调系统,分析了系统涉及到的光学器件参数及其选型要求,设计了光电转换模块和数据采集传输模块。针对光谱采样数据进行多种拟合算法处理,通过分析对比选用了较为适合该解调系统使用的滑动平均法作为系统拟合算法。(3)针对工程实际应用的需求,设计完成了采集传输模块的下位机软件和基于Qt C++类库的上位机解调软件,软件界面功能包括了光栅参数设置、解调结果显示、数据存储查询等功能。将硬件系统和软件系统结合搭建了便携式的光纤光栅解调仪样机。(4)通过设计一系列实验分别针对便携式光纤光栅解调仪样机的解调精度、解调稳定性、解调线性度、系统容量、响应时间等性能指标进行测试。实验结果显示本文设计的便携式光纤光栅解调仪解调性能优良,其中解调范围为1528-1568nm,解调精度为±2pm,解调稳定性为±2pm,系统容量为4×20,扫描频率为1Hz,系统响应时间约为2s,基本满足了光纤光栅便携性解调中可能涉及到的各项需要。

关键词： 半导体激光器   侧向损耗结构   高阶侧向耦合光栅   侧向模式   窄线宽   远场光斑  

摘要： 窄线宽、基横模半导体激光器件是激光通信应用的理想光源元件。为获得窄线宽、基横模的半导体激光,激光器件通常采用分布式反馈光栅(DFB)和窄脊波导设计。高阶侧向耦合DFB光栅因具有较大的周期且位于脊波导两侧,降低了激光器件的制作工艺难度。窄脊波导虽然可以有效地改善激光器件侧向上的横模(侧模)特性,但较小的端面出光面积限制了器件输出功率的提升。在宽脊波导两侧刻蚀损耗结构,可以在保证较好侧模特性的同时,有效地提升器件输出功率。但是由于侧向耦合光栅同样位于脊波导两侧,这种侧向损耗结构通常难以应用到侧向耦合光栅DFB半导体激光器中。本文主要围绕具有侧向损耗结构的高阶侧向耦合光栅DFB半导体激光器开展研究,分析高阶侧向耦合光栅结构的性能特点,探索侧向损耗结构的高阶侧模抑制机理,提出了一种DFB半导体激光器件结构,并开展器件制备研究。主要研究内容如下:1)基于耦合模式理论和麦克斯韦方程分析了高阶侧向耦合光栅结构参数与耦合系数的关系,软件模拟探究了光栅阶数、刻蚀深度等对侧向耦合光栅光反馈特性的影响;通过模拟研究了侧向损耗结构参数对于侧模损耗的影响,分析了其实现高阶侧模抑制的工作机理。2)提出一种具有侧向损耗结构和高阶侧向耦合光栅结构的混合DFB半导体激光器(LM-LC-DFB)。基于高阶侧向耦合光栅和侧向损耗结构的研究,提出LM-LC-DFB器件结构,在脊波导的中部和前端分别设计有高阶侧向耦合光栅和侧向损耗结构,并优化设计各器件结构参数。3)围绕LM-LC-DFB器件开展制作工艺研究。综合考虑LM-LC-DFB器件结构和各微纳工艺特点,设计器件制作工艺流程,探索LM-LC-DFB器件的制作工艺,优化器件制作工艺流程中的关键工艺参数,制备获得LM-LC-DFB器件管芯,完成器件管芯的封装。4)开展LM-LC-DFB器件管芯的测试分析研究。测试获得LM-LC-DFB的中心波长为1059 nm,3 d B光谱线宽为46 pm;在注入电流为0.6 A时,与宽脊波导半导体激光器相比,LM-LC-DFB高阶侧模得到有效抑制,远场光斑的暗线得到消除,侧向发散角由7.09°降低至5.92°;在保持单瓣远场光斑的情况下,LM-LC-DFB获得了259.19 m W的输出功率、0.52 W/A的斜率效率和23.4%的电光转换效率。