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关键词： 光纤光栅   啁啾   法布里珀罗腔   色散   湿度   挠度  

摘要： 随着5G技术兴起和移动网络的加速构建,面向6G新时代,网络流量必将爆发式增长。而通讯的发展基础是庞大的光纤通信网络,流量的暴涨对光通信及传输提出了高速率、巨容量、大连接等更高的需求。目前,提高光通讯容量的最可行的方案就是拓展通讯激光光源的波长范围,从而增加光纤的信道数量。而光器件和模块是依然是未来6G通信中光传输的核心,波长范围的增大和信道的增加,会进一步增加光纤传输的色散,光纤传输的信号补偿成为光通讯传输容量提升的关键技术。在光通讯传输系统,采用色散补偿光纤和啁啾光纤光栅两种方式进行色散补偿。色散补偿光纤存在较大的传输损耗、较高的脉冲延迟、非线性效应等缺点,无法100%补偿色散斜率,需要我们构建集成器件模块或采用级联多类型色散光纤的方式来达到色散补偿的目的。而啁啾光纤光栅易接入,补偿色散的能力较强,但是每个信道的色散量不同,无法进行理想化的平坦滤波。本文研究的主要内容是光路控制与曝光量驱动控制函数的编写,形成光纤光栅栅区任意可编辑及折射率调制深度任意可控的刻写新机制,解决色散调控中光波群速度与波形适配的重要问题。实验结果显示反向拟合函数与正向拟合相比,更为简洁高效,并且可以抑制模间谐振,震荡信号。因此,我们基于紫外激光器相位掩模法逐点曝光,通过驱动函数控制,依据折射率周期性调制函数,研究了啁啾光栅的波长,带宽,反射率之间的调控关系,获取一次曝光成型的色散(强度)可控的光纤光栅,在60 nm的光谱范围内实现强度可控。光纤光栅的光信号解调在光通讯领域中扮演着重要的角色。基于光纤光栅的制备工艺,制备了多种类的光纤光栅结构,结合其光学性质,开展一系列的研究,获得了具有一定意义和价值的结论。光纤光栅湿度传感器,在20-95%RH范围内的线性度为99%,灵敏度为3-4 pm/%RH,精度为5%。基于微纳光纤的微流控芯片的折射率传感器,灵敏度为-10.8 nm/RIU,折射率变化与共振波长漂移之间的线性度为0.99454。基于啁啾光纤光栅法布里-珀罗腔的光学特性研究,讨论了啁啾光纤光栅的方向性,谐振腔长及条纹级次。基于啁啾光纤光栅谐振腔的悬臂梁式挠度传感器,当固定点为30 cm,施力点位置为45 cm时,波长漂移的灵敏度为2.31 pm/g,线性度为0.99916。该传感器的温度灵敏度为16.14 pm/C,在10-70 C的测试范围内,线性度为0.98717。

关键词： 微纳光纤长周期光栅   ZIF-90   丙酮   聚多巴胺   分子印迹   增塑剂   邻苯二甲酸二甲酯  

摘要： 长周期光纤光栅谐振波长对外界环境变化十分敏感,使其在光纤传感领域得到广泛的应用。但面对复杂环境与低浓度目标物的探测需求,需要对长周期光纤光栅传感器灵敏度与识别能力进一步优化和提升。本文围绕微纳光纤长周期光栅生化传感器展开研究,利用了微纳光纤大倐逝场特性和长周期光纤光栅本身模式耦合所产生的高灵敏度特点,通过界面识别增敏材料构建,实现对生化目标分子的检测。具体研究内容如下:ZIF-90修饰微纳光纤长周期光栅丙酮传感器是以电弧放电诱导方法制备的微纳光纤长周期光栅作为换能器,制备所得微纳光纤长周期光栅具有优异的折射率灵敏度以及良好的热稳定性。由六水合硝酸锌与咪唑-2-甲醛超声搅拌反应制得的沸石咪唑框架ZIF-90作为增敏识别传感涂层,将其涂敷于光栅表面制备丙酮传感器。实验探究可知传感器在0至60 ppm丙酮浓度区间具有内有线性响应,检测灵敏度可达～18.6 pm/ppm,响应时间～3.375 s,并具有良好的特异性和稳定性。微纳光纤长周期光栅聚多巴胺分子印迹增塑剂传感器是利用多巴胺受诱导而聚合的特性作为分子印迹膜层,以增塑剂邻苯二甲酸二甲酯为模板分子,经印迹与洗脱工作后完成增塑剂传感器制备。传感器可实现对目标分子,即邻苯二甲酸二甲酯特异性识别检测。在目标分子浓度区间10 M至10 M内,传感器对其浓度对数具有线性响应,传感器响应灵敏度为～0.376 nm/Log(M)。

关键词： 液晶微偏振片阵列   数字微镜无掩模光刻系统   错位现象   微镜间隙   网格缺陷  

摘要： 偏振成像技术除了获得目标场景表面的光强度信息之外,还可以获得目标场景的偏振信息,在生物医学、样品表征、天文学和其他军事领域等许多方面都有着广泛的应用。实现偏振成像技术最重要的部分就是偏振片,随着微纳加工技术的不断发展,各种像素级的微偏振片阵列已被证明是具有良好偏振特性的光学元件。基于液晶聚合物的微偏振片阵列可对液晶分子进行独特的光控取向技术,既省去了复杂的刻蚀过程,又易于实现多畴结构而实现广视角,因此,在偏振成像等领域有巨大的发展潜力。数字微镜(DMD)无掩模光刻系统与可旋转偏振片相结合,为制备液晶微偏振片阵列(LCMP)的实现提供了一种简单、方便的方法。本论文在该基础上尝试进行了LCMP的制作并发现了两个关键问题,这两个问题极大地降低了液晶器件的质量,限制了DMD光刻技术在液晶光对准中的进一步应用。本文对这两个问题的产生机理进行研究并提出了创造性的解决方法:(1)DMD无掩模光刻系统一般采用可旋转的线性偏振片(LP)来产生线偏振光,以此实现对液晶不同方向的光取向。然而,商用UV偏振片不可避免会存在平行度误差。当LP旋转到不同的方向时,会产生器件内部的错位,致使器件内部存在明显重叠。本文提出了一种利用精密压电平台对液晶盒进行微调的校正方法,根据获得的各旋转角度处的偏移分量,通过压电平台预制运动量的方式进行补偿以消除错位误差。(2)DMD的填充率有限,微镜之间存在约为1μm的间隔,并且由于投影物镜孔径的限制,微镜上衍射光的高频部分被去除,因此,在非相干光源(如LED)的照射下,每一面微镜都会在成像平面上形成一个能量接近高斯分布的曝光点,这些因素将会导致液晶像素的网格缺陷。本文利用压电平台、变化的掩模图和可控光源对网格处进行叠加曝光以消除网格缺陷。经过校正后的LCMP消除了错位,器件内部不再有明显重叠,且改善了像素间的网格缺陷。对制备的LCMP进一步测试后发现其偏振性能良好。本文的调整方法为利用DMD无掩模光刻系统进行光控取向液晶微偏振片阵列的精细加工打下良好的基础,并且其良好的偏振性及均匀性有望被用来制作像素级偏振相机。

关键词： 受激布里渊散射   非均匀超声光栅   频移   线宽   折射率调制  

摘要： 受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)是典型的三阶非线性光学效应,具有高增益、阈值性、相位共轭等优势,在量子信息传输、光纤传感与光通信、雷达遥感探测等领域具有广阔前景。尤其在激光雷达海洋遥感中,已被用于水下目标探测、水体参数测量。然而目前对于水中SBS的某些特性参数,如频移和线宽,仍然缺乏相应的理论研究,无法从作用机理方面进行解释。为此,本文对水中激发受激布里渊散射时形成的超声光栅结构进行了理论研究和相关验证,从光栅结构特征的变化来分析声波场对SBS特性参数的影响。本文利用耦合波理论和多层介质膜理论推导了水中SBS非均匀超声光栅模型,通过分析不同折射率调制及不同光栅结构参数下反射光谱的SBS特性,确定了水中SBS折射率的空间分布为余弦型。理论分析了温度和盐度对折射率和周期的影响,利用超声光栅模型模拟了不同温度和盐度下的SBS反射谱,分析其频移与线宽特性,建立了频移和线宽随折射率和周期的变化关系。为了验证模型结果,利用基于F-P标准具和增强型CCD相机(Intensified Charge Coupled Device,ICCD)的受激布里渊散射激光雷达系统分别进行了温度、盐度对SBS频移和线宽影响的实验研究。实验结果和理论结果在变化规律上呈现良好的一致性,在实验允许的测量误差范围内,对于温度1℃或者盐度1.0‰来说,实验值与理论值差异约在10MHz左右。利用分布式噪声模型分析了系统参数、系统结构以及温度对水中SBS脉宽及线宽的影响。将时域模型中SBS线宽随温度变化的结果与频域超声光栅模型、实验测量结果进行比较。结果表明:理论与实验变化规律吻合得很好,证明了水中SBS非均匀超声光栅模型的可行性,研究结果为SBS在液体介质中的应用提供了理论支撑。

关键词： 光学薄膜   光学滤光片   全天时探测器   宽光谱   光学常数  

摘要： 随着市场发展的需求不断提高,全天时探测器在日常生活中的应用日益广泛。全天时探测器顾名思义就是可以实现白天和黑夜全天时成像,在日常生活和国防军事中起着重要作用。为了达到全天探测成像的目的,现有的成像系统多采用可见光与红外波段分光路的形式实现两路光单独成像。白天成像采用的可见光系统与夜间成像的红外系统分开工作,只能工作于单一波段,并不能包含超宽光谱的全波段。目标经成像系统单独成像以后再通过计算机的图像处理功能将可见与红外成像进行图像合成,这样就达到了全天时的成像的目的。但是这种方法存在成像系统的体积相对较大、功耗高及重量重的缺陷,成像系统的应用范围也有很大的局限性。为了使得成像系统在全天时成像时不受测量条件与测量范围的限制,设计出一款体积小,功耗低,经济实惠的全天时探测器窗口滤光片是至关重要的。本文针对红外薄膜材料光学常数的获取、滤光片的设计优化分析以及滤光片的制备及测试三个方面开展了系统的理论和实验研究工作。主要研究工作及成果如下:(1)本文基于全天时探测器的功能要求,给出了宽光谱滤光片的功能要求及细化后的指标,并通过全天时探测器的功能要求对滤光片的功能指标参数进行了细化。提出了蓝加红外(B+IR)、绿加红外(G+IR)、红加红外(R+IR)以及红外IR四种不同的滤光片的具体指标,选择多光谱硫化锌作为基底,并挑选出了氟化镱(Yb F)和硫化锌(Zn S)作为膜系的低折射率和高折射率材料进行膜系设计。(2)根据滤光片的指标要求,完成了以上四种滤光片的基底与膜料的选择,并给出了不同温度下的光学常数,通过薄膜的透射光谱曲线用包络法和色散模型拟合相结合的方法获得了0.4μm～14μm超宽带光谱范围内薄膜的光学常数(折射率n,消光系数k)。并通过椭偏测量对0.4μm～1.6μm光谱范围内进行了验证以及TFCalc膜系设计软件计算进行了透射率光谱曲线验证,充分证明了运用包络法和色散模型拟合相结合的方法获得的光学常数的准确性。并且用光度法得到了硫化锌的光学常数。为后续膜系设计提供了基础条件。(3)采用TFCalc膜系设计软件,利用实验得到的光学常数,在多光谱硫化锌单面基底上,基于干涉截止滤光片的设计理论对四种不同要求的滤光片进行了设计优化及分析。通过敏感层分析得出膜系的敏感层,相对允差分析计算出他的相对允差范围。采用电子束热蒸发技术在单面多光谱硫化锌基底上以不同工艺镀制了宽光谱滤光片,用分光光度计以及傅里叶红外光谱仪分别测试可见波段以及红外波段的透射光谱曲线,以上四种滤光片均可达到设计要求。

关键词： 电流体动力学   微液滴   散射光   感应电流  

摘要： 电流体动力学(Electrohydrodynamic,EHD)微液滴喷射技术与传统喷墨打印技术“推”的方式不同,其采用电场力驱动以“拉”的方式产生微液滴,提高打印分辨率的同时也大大降低了喷口堵塞的风险。近年来,该技术在生物医药、柔性电路打印、功能材料制备等领域受到广泛关注。然而,EHD微液滴喷射作为一种连续性喷射技术,喷射稳定性和一致性受到电压、供液流速等多种因素的共同影响。检测EHD喷射状态对于精密打印应用是十分必要的。高速摄像和图像处理是检测EHD微液滴喷射状态的常规方法。但是所需的高速摄像设备价格昂贵,图像处理过程耗费时间,所以在实际工业应用中并不实用。本文利用电流测量和散射光测量两种方法,对微液滴喷射状态进行检测。搭建了一套EHD微液滴喷射的实验装置,包括微液滴喷射系统和喷射状态检测系统。喷射系统由注射泵供液。检测系统又分为电流测量模块和散射光收集检测模块。具体地,当喷嘴处的液面发生轴向振动时,就会产生电流脉冲;当一个微液滴穿过喷嘴下方的照射激光束就会在散射光收集检测模块中输出一个脉冲信号。利用两套检测模块同时对微液滴喷射过程进行检测。其中散射光收集检测模块是本论文的重点。任一给定半径r的微液滴,借助Mie散射计算器得到散射光强度I随散射角θ的分布,定量计算散射光收集功率P;再根据散射光探测器灵敏度建立起r与输出脉冲信号幅值V的对应关系;借助r-V关系,通过分析单位时间内的散射光脉冲信号,计算微液滴体积,即得到喷射流速。将喷射流速与供液流速设定值对照,通过调整对照射激光强度,实现对散射光检测模块的校准和标定。针对注射泵脉动供液的情况,利用电流检测和散射光检测两种方法研究了EHD喷射系统在微滴(Micro-dripping)模式下的喷射状态。实验发现,散射光脉冲幅值受到调制,调制频率与注射泵步进频率相同。尽管电流脉冲幅值没有显示出振幅调制,但是其临近脉冲时间间隔周期性变化,变化频率与注射泵步进频率相同。根据以上实验现象,论文还提出表征微液滴喷射稳定性的判据。

关键词： 泉州洛阳桥   超构材料   超构光栅   等效媒质理论   切伦科夫辐射  

摘要： 科学家们基于麦克斯韦方程组在坐标变换下的形式不变性,设计出依赖空间坐标分布的介质材料折射率,实现了对光场的自由调控。基于类似的波动力学特性,研究人员利用电磁波中的超构材料理论来设计水波中的超构材料,从而实现对水波的自由调控。在此基础上,我们利用光学超构光栅理论,将位于中国泉州的洛阳桥类比成超构光栅,探索了洛阳桥附近的一些有趣的水波传播现象。本文的主要研究内容如下:第一,通过数值解析的方法,推导出了洛阳桥中简易矩形光栅模型的透反射系数,然后基于等效媒质理论,推导得到矩形光栅的等效各向异性超构材料形式。依据横磁场模式的麦克斯韦方程组与水波中浅水波动方程的相似性,类比得到了矩形光栅模型在水波中的等效水层模型,再进一步推导得到了洛阳桥的等效水层参数。第二,对洛阳桥的一系列“筏型基础”的桥墩进行建模仿真,引入随水深变化的等效折射率,将洛阳桥类比成光学超构光栅,探究了不同水深情况下洛阳桥的消波效果。第三,基于切伦科夫辐射理论,通过理论仿真研究了矩形光栅模型附近的切伦科夫辐射波传播规律,然后基于光栅模型进一步探索了洛阳桥附近切伦科夫辐射波的传播规律,并通过实际的水波快船实验验证了我们的理论。

关键词： 张量谱半径   非奇异H-张量   张量k次型   非线性系统   稳定性  

摘要： 随着大数据问题的驱动,承载高阶高维信息的张量结构备受关注,从而引发了关于张量的理论、计算和应用的广泛研究。张量已广泛应用于信号处理、机器学习、大数据科学、系统控制和量子计算等众多领域。2005年,张量特征值的概念被提出,吸引了国内外众多学者参与到张量特征值及其相关问题的研究中。正定性是张量的一个重要性质,张量的正定性判定与多项式的正性判定是等价的,因此关于张量正定性的判定变得尤为重要。张量正定性的研究推动了张量谱理论在张量特征值互补问题、超图谱理论、网络中心性等方面的研究。稳定性是系统控制理论研究中的一个重要问题,张量正定性在分析非线性系统的稳定性方面有着重要应用。本文研究非负张量谱半径的计算,将艾特肯加速技巧应用到非负张量谱半径的计算方法中,利用对角相似张量的谱相同的性质提出非负张量谱半径的新的计算方法;研究非奇异H-张量及其判定方法;研究张量正定性进而分析多项式系统(张量系统)李雅普诺夫意义下平衡点的稳定性。主要成果如下:将艾特肯加速和斯特芬森加速技巧应用非负张量谱半径的计算方法中,得到计算非负张量谱半径的快速算法,该算法计算速度快,迭代次数少。该算法可以应用到非奇异H-张量或非奇异M-张量的判定中,为研究张量k次型正定性进而分析非线性系统Lyapunov意义下平衡点的稳定性提供有力工具。通过选择新的参数构造正对角矩阵,利用正对角矩阵构造对角相似张量序列,借助对角相似张量谱相同的性质提出非负张量谱半径的迭代算法,并证明该迭代算法对于非负不可约张量收敛且对于广义弱正张量具有显式的线性收敛率。该迭代算法能帮助我们研究张量的正定性进而分析非线性系统Lyapunov意义下平衡点的稳定性。把(S-)Nekrasov矩阵的概念推广到张量,并证明(S-)Nekrasov张量是非奇异H-张量。利用雅克比张量的性质提出判定非奇异H-张量的迭代方法。非奇异H-张量及其判定方法可以帮助我们研究张量的正定性进一步分析非线性系统Lyapunov意义下平衡点的稳定性。将非负张量谱半径的计算方法应用到判定非奇异M-张量的迭代算法中;利用非奇异M-张量和非奇异H-张量的性质研究张量k次型的正定性,结合Lyapunov稳定性定理分析多项式系统(亦称张量系统)的稳定性。