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关键词： 高效率衍射光栅   结构参数的容差   严格耦合波法   模态法   有限元法  

摘要： 随着光电子领域的发展,随着集成电器的尺寸越来越小,人们对微纳光电器件的需求越来越大。微纳光栅作为光通信的关键器件,在光谱、全息投影、光学测量领域有着重要应用。本文提出了十种在不同入射条件下,不同结构和不同材料的微纳光栅,主要研究工作如下:（1）阐述了一种垂直入射下采用银反射层金属结构分束器光栅。该光栅能够实现在两种偏振下±1级次的双通道均匀反射,利用严格耦合波法对其性能进行了研究。（2）阐述了一种垂直入射下T型脊消零级透射式分束器。分束器将绝大部分能量衍射到±1和±2级次上,用严格耦合波法研究发现分束器有良好的均匀性。基于有限元法,分析了分束器的光场分布。（3）阐述了一种基于T型双层光栅脊的四通道反射式分束器。通过模态法分析计算了光栅模式和光栅区域的有效折射率,清晰地描述了光栅内部的物理传输机制。有限元法用于研究光栅的归一化场,更直观地反映了光栅内部的能量传递。（4）阐述了一种在二次布拉格入射条件下类子弹头反射式光栅。光栅实现了 TE偏振下单通道高效率和TM偏振下双通道均匀性分束,利用严格耦合波法和有限元法分析了光栅的性能。（5）阐述了一种在二次布拉格条件下T型偏振选择光栅,它在TE偏振下功能为单通道偏振器而在TM偏振下功能为双通道分束器。此外,通过有限元法得到了光栅的归一化电场图和磁场图。最后,计算了光栅的衍射特性和工艺容差,找出了满足良好反射效率的结构参数范围。（6）阐述了一种在二次布拉格入射条件下堆叠式太赫兹分束器,在频率为2.52THz下实现了偏振选择的功能。另外,利用有限元分析模拟光栅内部的归一化电场图,可以清楚地看到太赫兹波在光栅中的能量分布。最后,对所提出的偏振选择光栅的容差进行了仿真和测试,发现该光栅具有宽频段特性,且对入射角不敏感。（7）阐述了一种在二次布拉格入射条件下V型脊透射式光栅,实现了单通道高效率衍射。作为偏振无关分束器,它将两种入射光分束到不同级次上。通过有限元法分析发现光栅有较高的效率和消光比。（8）阐述了一种在二次布拉格入射条件下类子弹头双层反射式光栅,实现了两种偏振下在-2级次上高效率衍射。通过有限元法得到了光栅的光场分布,且光栅拥有良好的容差。（9）阐述了垂直入射下两种多层窄带吸收器,实现了单波段和双波段的高效率吸收。利用有限元法得到了吸收器的光场分布,通过多维度分析光栅参数对吸收效率的影响。（10）阐述了一种梯形光栅脊窄带吸收器。通过有限元法计算了吸收效率,且用时域有限差分法验证发现两个计算结果偏差不大。最后分析了各个光栅参数如何通过影响光场分布来影响吸收效率。

关键词： 伞型   全张量   重力梯度仪   加速度计   梯度解调  

摘要： 重力梯度仪是通过多个加速度计来测量获取地球空间的重力变化,它可以获取更小尺度的空间分布特性,能够更加精细地描绘测量区域的重力特征信息,更加显著地突出局部信息,具有高精度和高分辨率的特点,对油气和矿产资源勘探具有重要意义。先将论文的研究工作及成果整理如下:针对伞型全张量旋转加速度计重力梯度仪开展仿真研究,从伞型全张量旋转加速度计重力梯度仪的测量原理出发,给出了伞型测量坐标系到平台坐标系的全张量重力梯度信息转换矩阵,推导出伞型全张量旋转加速度计重力梯度仪各个圆盘上加速度计输出表达式。由加速度计组合输出表达式得到重力梯度解调方法,可以提取出伞型全张量旋转加速度计重力梯度信息。对伞型全张量旋转加速度计重力梯度信号仿真系统进行性能测试,用MATLAB生成理想状态下伞型重力梯度仪三圆盘加速度计数据以及含径向误差、二次项误差、标度因数不一致误差以及瞬时姿态角这四种不同情况下加速度计数据,分别载入仿真系统进行实验,模拟各种情况下重力梯度测量的结果,并且将实验结果与理论值进行对比,验证了系统的稳定性和可靠性。本论文的研究成果为我国研制伞型全张量旋转加速度计重力梯度仪提供了理论基础,具有重要的参考价值。

关键词： 半导体激光器   基横模   高功率   锥形DBR光栅   侧模调控  

摘要： 分布布拉格反射(distributed Bragg reflector,DBR)半导体激光器作为一种高单色性光源,因其具有单纵模、窄线宽的特性而被广泛应用于光通信领域。DBR半导体激光器采用窄脊波导可以实现基模激射,但是激射功率较小,无法满足各应用领域对大功率的需求。而宽脊波导DBR半导体激光器的光束横模性能较差,主要体现在高阶侧模激射。为探索DBR光栅对侧模的影响,本文主要围绕DBR光栅形貌对侧模调控的作用及机理开展研究,优化锥形DBR光栅对高阶侧模的抑制效果,并根据结构特点开展器件制备及测试研究。本文具体研究内容如下:(1)对高阶DBR光栅的光反馈特性进行分析,并主要围绕DBR光栅的侧模调控机理开展研究。讨论了高阶DBR光栅各项参数对反射特性的影响;研究了锥形DBR光栅和直条DBR光栅的反射谱特性差异,并深入分析了形成这一差异的机理。基于模式阈值增益理论及模拟仿真,分析谐振腔内各阶侧模的能量分布特点;研究了各阶侧模在锥形DBR光栅中的传输损耗,阐明了锥形DBR光栅结构的光场侧模调控机理。(2)开展锥形光栅DBR半导体激光器(tapered grating DBR laser diode,TDBRLD)制备研究。依据高阶侧模能量分布和锥形DBR光栅结构的侧模调控机理,设计了一种具有锥形DBR光栅的半导体激光器件结构。锥形DBR光栅结构在保留其纵模选频功能的同时能够实现侧模调控的目的,改善器件的侧向光束特性。设计外延结构,基于MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)生长获得半导体激光器外延材料;依据器件结构特点设计器件制备工艺方案,探索TDBR-LD的制备工艺,优化各项工艺参数,制备获得TDBR-LD管芯。(3)对制备的锥形光栅DBR半导体激光器件管芯开展测试分析研究。测试结果表明,TDBR-LD在较大电流范围内光束特性得到改善,验证了锥形DBR光栅侧模调控特性的作用。相比于直条光栅DBR半导体激光器件(SDBR-LD)的“多光瓣”输出光斑,TDBR-LD出射光斑为“单光瓣”输出,且在1A电流下慢轴远场发散角达到5.23°,相比SDBR-LD提升了17%。得益于输出侧模特性的改善,在0.2A电流注入下与SDBR-LD光谱半峰全宽的0.703nm相比,TDBR-LD的线宽被进一步压窄,为0.429nm。同时TDBR-LD的最大输出功率达到473.01m W,与SDBR-LD的466m W相比略有提升。

关键词： 激光   光学薄膜   温度场   应力场   塑性阶段   效能评估  

摘要： 随着现代激光技术的发展,激光武器逐步进入实战应用,光学薄膜作为信息感知系统的重要组成成分,是造成对方势力损失的关键因素。高能激光对光学薄膜的毁伤效能也受到了高度的关注。由于激光破坏的瞬时性及测试设备的高昂成本,使得试验评估受到一定的限制和挑战。通过数值模拟的方法对薄膜材料毁伤效果可以进行有效地研究分析。由于激光武器的辐照特点及光学薄膜结构与功能的特殊性,本文采用基于模型计算的目标易损性/战斗部威力分析法,在大气环境中,利用激光参数的改变,得到不同激光特征值对薄膜材料毁伤效应的影响。对目标易损性的研究,主要基于薄膜材料的热致损伤机理,从热传递理论出发,利用激光与材料的物理场耦合作用,获得了薄膜材料的毁伤状态。论文主要研究工作及结果如下:1)分析激光对薄膜材料的损伤机理,以AlO薄膜为主要研究对象,得到光学薄膜在激光辐照下的主要破坏机制为热致损伤。由于热作用的影响,确定以温度变化作为激光对光学薄膜毁伤的评估准则。2)建立单脉冲激光与薄膜材料相互作用的热-力场模型。利用有限元法仿真,获得了激光作用于光学薄膜材料的温度场及热应力场分布。通过对仿真结果的研究分析,结果表明在其他条件不变时,光学薄膜温度及热应力随着激光能量的增大而增大,随着光斑半径的增大而减小。激光能量越大,光斑面积越小,光学薄膜更易受到损伤,损伤的程度越深。3)构建热弹塑性计算模型及熔化模型,对激光能量在20J,光斑半径为4mm时,作用于AlO薄膜的热弹塑性转变状态及熔化状态进行有限元仿真分析。明确在光学薄膜材料进入塑性状态时,开始产生损伤;在温度到达熔点时,进入完全毁伤状态。通过计算,AlO薄膜在0.065ms进入塑性转变,此时,辐照中心最高温度为381.61K。在一个脉冲完成时,没有达到完全毁伤,辐照中心最高温度为1283.02K。4)整合激光及材料损伤数据,考虑激光在空气中的衰减,得出温度在396K～2045K时,AlO薄膜损伤状态处于一般损伤状态;温度大于或等于2045K时,AlO薄膜处于完全毁伤状态。对激光参数改变时,AlO薄膜的损伤情况进行验证。通过综合分析,单脉冲作用下,在激光能量小于2.5J时,无损伤状态出现;激光能量小于33.08J时,无完全毁伤状态存在。本文的研究实现了光学薄膜在激光辐照下破坏效应的准确评估,同时为激光精确打击目标,优化镀膜工艺,制备具有强抗激光性薄膜,延长光学系统的使用,提供了重要的参考。

关键词： 电磁感应光透明   量子相干   衍射效率   电磁感应偏振光栅  

摘要： 光与原子相互干涉产生的量子相干效应是光学领域的重要研究方向,其中电磁感应光透明(Electromagnetically induced transparency,简称EIT)和电磁感应光栅(Electromagnetically induced grating,简称EIG)是量子相干效应中典型的物理现象。这些现象得到了许多物理学者的关注,极具研究价值与发展潜力。在EIT效应的影响下介质对探测场的吸收系数、折射系数发生变化。我们以EIT效应为基础,用周期变化的驻波场代替行波场作用于介质,形成电磁感应光栅,探究影响探测场衍射效率的物理参量。本文采用半经典理论计算方法,在电磁感应光透明和电磁感应光栅效应理论计算的基础上,通过对光场的振幅、相位、频率、偏振按实际需求进行调节,实现一种全光栅结构,即电磁感应偏振光栅,并且实现偏振相关的多光束分裂现象。主要内容包括以下几方面:以不同能级结构原子系统中电磁感应光透明的理论研究为基础,用耦合驻波场代替行波场,使原子介质对相干光的吸收率呈现周期性变化,形成电磁感应光栅。将耦合场调为正交驻波场,在正交耦合驻波场作用下,探测场通过介质形成二维电磁感应交叉光栅,根据理论计算结果绘制电磁感应光栅相关图像,分析影响衍射效率的因素,进而优化系统衍射效率。在原子系统中研究偏振调控对电磁感应光栅效应的影响情况,通过对耦合驻波场进行灵活调控,如:使作用于介质的强耦合驻波场方向相同,空间周期不同,实现一维电磁感应偏振光栅;使耦合驻波场方向与空间周期都不相同,探测场通过介质时,形成二维电磁感应偏振光栅。通过偏振调控可以使三能级型原子系统的一级衍射效率提高至25%,也可以在空间上分离探测场的两个偏振分量,使透过介质的探测场两个偏振分量发生解耦,在远场中产生一维、二维不同角度的偏振光栅。在本文中,以电磁感应光透明效应为基础提出电磁感应偏振光栅的研究方案,通过对耦合场进行调控,使探测场的两个偏振分量发生解耦。该研究可用于偏振分束器的设计。这种偏振相关的研究方法在量子信息处理中有着重要的应用价值。

关键词： 磁梯度张量仪   多旋翼无人机   高精度磁测   旋转调制原理  

摘要： 航空磁测技术自20世纪30年代发展至今,因其具有高效率、不受地形限制等优点逐渐成为应用最广的磁法勘探手段。近年来随着无人机技术的不断发展,旋翼机所具有的磁干扰小、高安全性、适应地形能力强等特点为小范围测区的精细化探测提供了更灵活的平台,在探测未爆炸物（UXO）、定位地下固体废弃物以及圈定煤层火烧区边界等磁测任务中具有突出优势和重要意义。磁梯度张量描述了磁场分量的空间变化率,相比与磁总场和磁场分量包含了更加丰富的信息,具有抗地磁场时变干扰的能力,成为磁测研究的热点。旋转调制法作为一种从频率域测量磁梯度张量的方法,硬件成本更低且只包含单频点噪声,相比差分法、直线法等其它张量测量方法更具优势。本文的研究内容一共有两大部分。第一部分是三轴同步旋转式张量仪的研制,首先研究了三轴同步旋转调制测量原理,按照信号的传递路径分析了三轴同步旋转式张量仪的误差来源及传递关系,分别仿真分析了机械、电子、数据处理等方面的静态误差对于张量测量结果的影响,为张量仪的设计提供指导。然后根据仿真结果,综合考虑仪器静态性能、动态性能以及实用性,研究了设计方案。硬件设计方面介绍了探头部分的固定设计以及整机的转动设计、电源的分析和信号调理电路的设计,软件设计方面介绍了上位机采集软件和嵌入式软件的设计、给出了张量解算的详细流程,最后通过磁偶极子运动实验验证了张量仪测量结果的正确性,在屏蔽筒条件下测试出张量仪的分辨力为5.27 n T/m。第二部分是张量仪与无人机飞行平台的挂载方式研究。首先对软支架测量系统建立无人机-吊舱联合运动模型,分析了测量吊舱在自身重力、气动因素、无人机拉力等多重影响下的运动特性,对硬支架测量系统研究磁干扰模型及补偿方法,然后仿真分析了三轴同步旋转式张量仪的动态误差,最后,进行野外探测实验,分别用两种挂载方式对同一目标进行探测飞行,结果证明软支架的连接方式放大了仪器的静态误差,吊舱运动导致地磁场的耦合,增加了仪器的动态误差。三轴同步旋转式张量仪更适合通过硬支架的连接方式挂载在旋翼机上,经过磁干扰补偿后,本文设计的硬支架测量系统具有探测小范围测区的能力。

关键词： 推荐系统   混合推荐   用户张量   相似度距离公式  

摘要： 近年来,网络信息资源数量呈现激增的趋势,如何向用户提供对其最有价值的信息资源已经成为了急需解决的问题。推荐系统可以从庞大的数据中过滤出对用户最有价值的信息,解决了数据量庞大所导致的“信息过载”问题。推荐系统要尽可能地给客户提供个性化的且精准度更高的推荐列表,该列表一定是可以反映用户多方面并且随时间差异的动态偏好。现如今如何提高推荐结果准确度以及更精准的捕获用户偏好问题已经成为推荐系统领域内的热门问题,形成了众多相关研究成果。针对以上两种问题,目前已经涌现了许多成熟的推荐算法,现阶段推荐算法主要存在的问题可以总结为以下两种:问题一为每一类单一的推荐方法各有利弊,使得在预测推荐结果的准确度上面临瓶颈,并且无法对用户进行准确度更高的推荐;问题二为以往的用户建模方法对于建模用户偏好存在单一性问题,该建模方式无法更精准的捕获用户偏好。为此,本文首先提出了将协同过滤与序列推荐两种算法进行结合形成混合推荐,以此解决现有单一方法的弊端并提高推荐结果的准确度;其次,提出基于张量的用户建模方法,以此解决以往用户建模方法中存在的单一性问题并提高捕获用户偏好的精准度。本文主要工作如下:(1)构建了一个基于融合协同过滤与序列推荐算法的推荐模型,该模型集成了Fastformer模型和键值记忆网络对用户矩形(二阶张量)进行建模,使得模型可以更有效捕获用户特征,完整刻画用户偏好;其中,Fastformer模型中存在的注意力机制可以对用户的交互物品匹配数值大小不同的权重,捕捉用户在当前序列中权重占比较高的物品信息,即当前历史序列中用户的主要偏好;键值记忆网络模型可以捕捉复杂且大量的序列信息,对序列中每个对象实现精细化建模,以此捕捉用户的细粒度特征。(2)在用户张量与目标物品向量的相似度计算上,结合了用户张量与目标物品存在的内外部距离及偏置项。此种计算方法相比传统相似度计算方法更具灵活性,并使模型在计算用户张量与物品向量的相似度方面获得了更高的精确性。本模型的输入特征一共分为用户ID,用户点击过的历史物品序列信息,物品ID,偏置项四种。根据输入特征将建模用户矩形过程一共分为三部分:第一部分为建模用户矩形中心点向量,第二部分为建模用户矩形偏移量向量,第三部分为中心点向量与偏移量向量共同组成用户矩形。建模完成用户矩形之后,将用户矩形与物品向量存在的内外部距离和三种偏置项进行结合并与目标物品向量进行相似度计算,根据计算结果对用户偏好物品喜爱度进行降序排序,生成对用户最终的推荐列表。该方法在稀疏度不一样的MovieLens和CiaoDVD数据集上进行实验,实验分析表明,该模型能够关注用户多方面偏好并在推荐结果的精准度上优于基线方法,特别是在HR与NDCG评价指标上分别比现有基线方法平均提高了1.4%,1.95%。综上所述,基于张量相似度的推荐方法涉及多种关键技术。本文通过分析传统推荐方法中存在的局限性,构建了在协同过滤与序列推荐的结合算法中使用张量建模用户的模型,并通过实验验证了该模型在培养推荐结果精准度方面的优良性。

关键词： 编码器   显微视觉   自动聚焦   偏心计算   偏心调整  

摘要： 光栅编码器是一种广泛应用在工业领域的角位移传感器,通过工人手动敲击码盘的边缘使光栅盘圆心与主轴圆心重合的传统偏心调整方式已经无法满足现代制造业对装配精度与装配效率的要求,开发高精度、高效率的编码器光栅偏心自动调整技术显得尤为重要。本文基于显微视觉对编码器光栅偏心调整系统中的关键技术进行研究,主要研究内容如下:首先,针对装夹不同的编码器导致镜头与码盘之间距离变化引起的离焦问题,结合卷积神经网络与循环神经网络,搭建并训练了自动聚焦神经网络。将等间隔采集的图像序列输入到网络中,预测出焦平面相对于当前图像的位置并驱动三坐标位移平台带动相机移动到景深内。其次,针对显微镜头视场范围小的问题,提出了一种基于多图像的码盘偏心计算方法。在极坐标系下建立主轴旋转角度与图像中基圆边缘位置之间的方程,旋转主轴等间隔采集多张图像提取基圆边缘位置带入方程中,计算出偏心距和偏心角。基圆边缘位置为基圆边缘中点到图像左侧的距离,首先通过垂直投影法分割图像,然后使用亚像素边缘检测算法提取边缘点集,最后直线拟合边缘点集计算基圆边缘中点的位置。再次,开发了基于显微视觉伺服技术的编码器光栅码盘偏心调整算法。通过L-K光流法跟踪码道角点的位移,建立输入控制器的脉冲数与像素点位移之间的关系,使用边缘位置特征作为视觉系统的反馈,基于模糊PID技术设计视觉伺服控制器,实现基于边缘位置的码盘趋近运动。最后,根据编码器光栅偏心调整系统软件的UML类图,在MSVC10环境下使用Qt5应用开发框架、大恒相机开发包、运动控制卡开发包与OpenCV图像处理库完成偏心位置计算算法开发、偏心调整算法移植和软件界面设计。光栅码盘位置调整精度与效率实验表明,本系统可以稳定地调整码盘位置,调整后的编码器偏心小于2μm,满足厂商的需求。

关键词： 甲醛溶液   含量检测   太赫兹衰减全反射技术   化学计量学   偏最小二乘法   神经网络  

摘要： 甲醛通常为无色气体，在室温下易溶于水。由于甲醛溶液具有防腐保鲜的功效，有一些不法商家将甲醛溶液添加到食品中来达到延长保存期的目的，但过量食用含有甲醛的食物会严重伤害人的身体健康。因此，对水溶液中甲醛含量的快速检测具有十分重要的现实意义。而太赫兹衰减全反射技术(Terahertz Attenuated Total Reflection，THz-ATR)不需要对样品进行预处理，可直接用于水溶液的检测，具有方便、快捷的特点。本文基于太赫兹衰减全反射技术结合化学计量学方法对不同浓度的甲醛溶液进行定量分析。主要的研究内容如下:　　(1)利用Gaussian09软件对甲醛单分子结构进行量子化学计算，发现甲醛分子分别在35.925THz、37.75THz、45.9THz、54.4THz、86.46THz、88.18THz六个频率点处都有不同强度的吸收峰，并分别对各吸收峰的振动模式进行了解释。　　(2)利用THz-ATR技术对浓度为0～10％的20种甲醛溶液样品进行太赫兹光谱测量，获得了样品的时域谱和频域谱。同时根据光学参数提取方法获取了0.2～1.2THz频率范围内不同浓度甲醛溶液的折射率和吸收系数，并且分析了0.4THz和0.5THz这两个频率点处折射率和吸收系数随甲醛溶液浓度变化的关系。　　(3)结合偏最小二乘法(PLS)建立不同浓度甲醛溶液的定量分析模型。利用主成分分析法(PCA)对样品的折射率和吸收系数的原始数据进行特征提取，提取前5个主成分进行分析，建立基于折射率和吸收系数的PLS定量分析模型。结果显示，基于折射率和吸收系数数据所建立PLS模型的相关系数R分别为98.99％和99.05％，均方根误差RMSE分别为0.4602和0.4464。　　(4)结合神经网络算法建立不同浓度甲醛溶液的定量分析模型。首先利用反向传播(BP)神经网络算法对不同浓度甲醛溶液的折射率和吸收系数进行定量分析，结果显示，基于折射率和吸收系数建立的三层BP神经网络定量分析模型的相关系数R分别为99.80％和99.93％，均方根误差RMSE分别为0.2407和0.1182;其次对比了基于折射率和吸收系数的3层、4层、5层以及6层BP神经网络定量分析模型，结果显示，基于3层BP神经网络算法建立的定量分析模型的结果更加准确;最后利用径向基(RBF)神经网络算法对不同浓度甲醛溶液的折射率和吸收系数进行定量分析，得到基于折射率和吸收系数的RBF神经网络定量分析模型的相关系数R分别为99.95％和99.99％，均方根误差RMSE分别为0.0951和0.0408。　　研究结果表明，太赫兹衰减全反射技术结合化学计量学方法对于低浓度甲醛溶液的检测具有较高的准确率，为检测水溶液中甲醛的含量提供了一种新的思路。