课程文献中心 更多>>

关键词： 倾斜光纤布拉格光栅   折射率计   截止模   上、下截止模   包络导数法   精度和灵敏度测量  

摘要： 光纤传感器在近几年获得了极大的发展,相比于传统传感器其具有小型化、成本低、抗电磁干扰等优点,倾斜光纤布拉格光栅因其不用破坏光纤结构在众多光纤传感器中脱颖而出,特别是它的灵敏度会比传统传感器要高好几个数量级。利用解调出的倾斜光纤布拉格光栅的光谱信息,可实现对生物、化学量以及电化学的测量。在一定范围内,倾斜光纤光栅截止模的波长漂移与环境折射率变化呈现线性响应关系,可以实时反映外界折射率的变化信息。但是截止模的使用一直以来存在问题,一是无法准确确定截止模的具体位置,二是对于发生和未发生跳模的情况,需要分开监测截止模的波长漂移和强度漂移,最重要的是由于倾斜光纤光栅包层模式的离散频谱特性,目前其测量小梯度折射率变化的能力受到限制,这就使得在小梯度范围内截止模存在灵敏度偏低、动态响应范围窄(跳模引起)、线性度差等不足。因此,改进截止模在小梯度范围内的光谱解调特性意义重大。在这里,我们提出了一种方法,通过测量整个包层模式包络强度的导数,以高精度和高灵敏度测量小的和大的折射率变化。导数曲线的峰值提供了对折射率变化的连续和线性响应,提升了倾斜光纤光栅进行折射率测量的分辨率。具体如下:(1)本研究的第一个目的是为了解决上述现有技术的缺陷,提供了一种基于包络导数法的倾斜光栅折射率测量技术,即对倾斜光纤光栅光谱的上、下包络求一阶导数,利用导数曲线上的最值点来反映待测液的折射率信息。导数曲线上的最值点是唯一的,避免了人工选择截止模的问题,同时避免了以往截止模跳模的问题,包络导数法为首次原创提出。(2)本研究的第二个目的基于导数曲线的峰值对折射率变化提供连续的线性响应,包络导数法利用上、下截止模来进行大梯度折射率溶液和小梯度折射率溶液的表征,表明该方法对不同梯度折射率溶液的优势。(3)折射率梯度变化比较小时,利用上、下包络导数曲线上最值点波长位置的平均值来表征折射率变化。结果表明,与传统的截止模相比,在小梯度折射率范围内,所提方法仍具有良好的线性度。包络导数法将测量灵敏度提升十倍以上,并带有线性响应(优于98%)。此外,这种方法提供了温度串扰校准的能力,为生化检测提供了强大的新工具。

关键词： 张量互补问题   光滑谱共轭梯度法   光滑HS共轭梯度法   全局收敛  

摘要： 张量互补问题作为一类特殊的非线性互补问题,近年来引起国内外优化领域学者们的广泛关注。随着张量在信号处理、数据分析、图像处理等领域的不断应用,张量互补问题从理论到求解方法再到应用也都得到了广泛的研究。本文对求解张量互补问题的光滑梯度类算法进行了研究,主要研究内容如下:(1)简述了互补问题以及张量互补问题的发展,通过互补函数与光滑函数对张量互补问题转化,构建张量互补问题与无约束优化问题的等价关系。(2)分别提出了在Armijo线搜索条件下求解张量互补问题的一种新光滑谱共轭梯度法,以及在Wolfe型线搜索条件下求解张量互补问题的一种新光滑HestenesStiefel(HS)共轭梯度法,在温和的条件下给出各算法的全局收敛性分析与相关的数值实验。(3)对张量互补问题求解一类多人非合作博弈问题的应用进行了研究,利用此类博弈问题与张量互补问题的等价关系,通过所提出的光滑梯度类算法对其进行转化求解,相关的数值实验表明了算法的稳定性与有效性。

关键词： 加速度传感器   摩擦纳米发电机   光栅结构   自驱动   车辆约束系统  

摘要： 加速度传感器在地震预警,人体动作识别,汽车运动传感等领域有着广泛的应用。基于其物理原理可以把传统的商用加速度传感器分为电容式、压阻式和压电式的加速度传感器。然而,电容式和压阻式的加速度传感器需要额外的电源才能够工作;压电式的加速度传感器是自驱动的但输出较小,这些不足限制了它们在物联网时代的应用。本文提出了一种基于光栅结构独立层式摩擦纳米发电机(grating-structured freestanding triboelectric nanogenerator,GF-TENG)的自驱动加速度传感器。实现了对于加速度的实时传感,完整组装的器件能够实现对于汽车运动的传感和碰撞的预警。论文的主要研究内容如下:(1)为了实现对于加速度的实时传感,制作了由有着一套平行的电极的滑子和有着两套平行电极的定子组成的GF-TENG。滑子在定子上滑动,利用摩擦起电效应和静电感应耦合效应形成较大的自驱动交流电压信号。通过分析电压信号峰值间隔的数量和变化趋势,可以得到位移、速度和加速度的值,对于位移的最小分辨值为0.4 mm。经过对电极宽度和电极间隙进行仿真和实验上的优化之后,可以实现在0.8 mm的尺度上对加速度进行传感,并且能够良好传感随时间变化的加速度。此外,虽然GF-TENG的电学输出会随着湿度变化,但是其波形不会改变,因而并不会对它的传感能力造成影响。(2)为了拓展加速度传感范围,将GF-TENG与弹簧组合成基于光栅结构独立层式TENG的加速度传感器。它能够通过调节弹簧常数和质量块的质量,以拓展至期望的加速度传感范围,例如4-45 m/s。对于加速度传感器来说,需要传感加速度方向和加速度大小两个重要的参量。传感加速度的方向是通过两个弹簧与质量块连接起来作为传感电压信号的开关。对于不同方向的加速度,信号会在不同的通道出现,以此实现加速度方向的区分。传感加速度的大小则是利用反应时间与加速度的大小为对数关系,可以通过加速度传感器的反应时间来计算加速度的大小。(3)为了展示加速度传感器在实际中的应用,将其安装在模型小车上进行实验,证明了其能够较好的对模型小车的运动进行传感。由于反应时间能够满足车辆约束系统的要求,加速度传感器也被证明了在发生碰撞时能够及时开启安全气囊保护乘客的安全。本研究工作拓宽了基于TENG的自驱动传感器的应用场景,为自驱动加速度传感器的制作提供了新的思路。在将来的研究中,通过提高电路制造工艺,加速度传感的精度能够进一步提高。此外,可以对加速度传感器的维度进行拓展,在机器人、人体运动识别等方面得到应用。

关键词： 等离子体共振   等离子体光栅   激光诱导周期表面结构   激光干涉光刻   湿法刻蚀  

摘要： 当入射光沿金属表面的波矢和表面等离激元(SPP)波矢相等时会激发共振,引起特定波长或特定角度光波的吸收,局部电磁场会被大大增强,这种现象称为表面等离子体共振(SPR)。在过去的几十年里,SPR的这一特性在SPR传感器、表面增强拉曼散射(SERS)、表面增强荧光光谱(SPFS)及增强非线性等诸多领域有着重要应用。近年来随着纳米加工技术的快速发展,结构简单、成本低、易集成的小型化光栅耦合SPR(GCSPR)传感器受到广泛的关注。尽管目前有多种制造周期性微纳结构的方法,如电子束光刻(EBL)、聚焦离子束刻蚀(FIB)、纳米压印(NIL)、自组装等,但是它们存在成本高、耗时长、缺乏灵活性等局限性,如何大规模低成本地制备高质量等离子体光栅仍是一个挑战。相比其它传统加工方法,脉冲激光的发明为在样品表面制备周期结构提供了一种无掩膜、非真空和低成本的加工方法。本论文研究了两种基于脉冲激光,快速、低成本且形貌可控地制备高质量等离子体光栅的方法,并将所制备的纳米光栅应用于SPR折射率传感器中。本论文主要工作内容如下:(1)随着飞秒激光器的普及化,飞秒激光诱导周期表面结构(Laser-induce periodic surface structures,LIPSS)近年来成为微纳制造领域的研究热点。然而在一般的LIPSS中,微纳结构是由于材料被蒸发去除而产生的,因此会带来许多的表面碎屑和缺陷,极大影响条纹的质量。本文采用湿法刻蚀辅助的加工方法:在非消融状态下,飞秒激光以一定速度扫描硅表面,在几乎不去除任何材料的情况下诱导出交替的晶态-非晶条纹。然后基于两种晶态硅在KOH溶液中刻蚀速率有着显著差异的特点,刻蚀出均匀规则的亚波长周期纳米光栅。这可以极大减少碎屑和缺陷的产生,大大提升了纳米光栅的质量,并且其形貌可以通过刻蚀进一步调控。实验中在0.9 mm/s的样品扫描速度、0.115 W激光功率条件下,成功地制备出约3×6 mm大小的均匀纳米光栅。另外,还探究了激光偏振、脉冲能量、扫描速度和刻蚀时间对光栅形貌的影响。通过自搭建的一套SPR测量装置测量并分析该金属光栅的光学性能。结果显示该方法制备的金属光栅可以有效的激发SPR,其如灵敏度、品质因数及折射率分辨率分别为707.4 nm/RIU、13.37和5.3×10RIU。该制备方法简单快速,且通过刻蚀可以灵活的调制光栅形貌,这种形态可控的周期纳米结构在光通信、光传感器等领域具有广阔的应用前景。此外,等离子体纳米结构也常被用来增强非线性,因此本章还测量了金膜的增强倍频效应。(2)研究并改善了纳秒激光干涉光刻直写制备光栅的方法。首先分析了在烧蚀状态下不同能量和脉冲数量对制备纳米光栅深度的影响,并通过两次正交曝光制备了二维点阵结构。由于烧蚀原因,直写制备的光栅周期和深度范围有限,且形貌质量不佳。因此,本文在上述方法的基础上研究了结合化学处理的加工方法,制备了周期大于383.5 nm、深度在0-200 nm范围内可调的高均匀纳米光栅。原子力显微镜(AFM)表征显示,光栅质量得到了显著提升,形貌可控范围进一步增加。然后,使用自搭建的SPR装置测量其光学性能,该方法制备的金属光栅灵敏度为527.7 nm/RIU、品质因数为20.6、折射率分辨率达3.1×10RIU。本实验制备的周期纳米光栅性能接近商用DVD、CD等金属光栅。本论文提出的两种方法可以低成本、快速地制备形貌可控的高质量金属光栅,为优化小型化GCSPR传感器提供了有力的制备技术。本论文提出了一种低成本、高效地制造长程有序、高均匀周期表面结构的方法,可以广泛应用于光学器件和传感器等领域。

关键词： 头盔显示系统   全息波导   新型光栅   二维扩展   光能利用率  

摘要： 近年来,随着增强现实技术和虚拟现实技术的快速发展,头盔显示器的应用价值与发展潜力得到了来自国内外研究人员的一致肯定。早期的头盔显示器多采用离轴目镜结构进行图像信息的传递,但离轴目镜结构的使用极大的增加了系统的体积和重量。为解决该问题,基于全息波导结构的头盔显示技术被适时提出。该系统利用全息波导结构的全反射特性进行图像信息的传输,不仅减小了系统的体积与重量,而且可以对出瞳进行二维扩展,实现系统的大视场、大出瞳显示。但对出瞳的扩展导致了系统在出瞳范围内光通量的减少,输出图像的亮度降低。针对这一情况,本文设计了一种具有较高衍射设效率的新型光栅结构。该结构由闪耀光栅以及体全息光栅组成,通过对透过体全息光栅的光的再次利用,有效提高了光栅的衍射效率。将其作为头盔显示系统的输入耦合器可以极大的减少了系统的能量损失,提高了输出图像的亮度。具体研究内容如下:首先是对新型耦合光栅的设计,根据波导的全反射特性以及体全息光栅的衍射特性完成光栅初始参数的设置;然后通过严格耦合波分析方法对体全息光栅进行建模,并使用Matlab软件完成体全息光栅特征参数的优化;最后在优化后的体全息光栅的基础上完成新型光栅结构的设计。将设计好的新型光栅与体全息光栅的衍射特性进行对比,结果表明,相较于体全息光栅,当入射光满足布拉格条件,新型光栅使TE偏振光的衍射效率提高了1.5%,TM偏振光的衍射效率提高了9.4%,非偏振光的衍射效率提高了5.3%。且与体全息光栅相比,新型光栅在不同偏振态(TE,TM)下,入射角的半高宽分别增加了0.2°与0.5°,说明该结构具有更大的视场角。然后是对全息波导型头盔显示系统的设计,该系统以新型光栅结构作为系统的输入耦合器并利用全息波导结构对出瞳进行扩展。因此系统在设计时首先通过对光栅衍射特性以及人眼视觉特性的分析确定了全息波导结构的特征参数;然后以此为基础完成目镜系统的参数设计,并使用Zemax软件对系统进行仿真与优化;最后通过调制传递函数、点列图等评价方法对优化后的目镜系统进行分析。分析结果显示,目镜系统的成像质量良好,可以应用于头盔显示系统。最后使用Lighttools软件对整个系统进行仿真。结果显示该系统实现了20°×15°的视场显示且在20mm×20mm的出瞳范围内照度均匀性良好。同时,使用新型光栅作为输入耦合光栅的系统其光能利用率达到了10.31%,与仅使用体全息光栅的系统相比,该系统的光能利用率提高了2.17%。

关键词： 矩阵  

ISBN: (纸本)9787030731166

摘要： 本书介绍有限博弈的矩阵半张量积方法。主要内容包括:网络演化博弈的建模与控制；势博弈的检验与应用；有限博弈的向量空间结构与正交分解；博弈的优化与策略学习方法；若干合作博弈的特征函数与分配的矩阵表达等。基于可读性的要求，在介绍矩阵半张量积有限博弈研究中的新进展的同时，也对博弈论的相关基础知识做了自足自洽的介绍。本书所需要的预备知识仅为工科大学本科的数学知识，包括线性代数、微积分、常微分方程、初等概率论。相关的线性系统理论及点集拓扑、抽象代数、微分几何等的初步概念在卷一附录中已给出。不感兴趣的读者亦可略过相关部分，这些不会影响对本书基本内容的理解。

关键词： 光功分器   偏振分束器   亚波长光栅   多模干涉   混合等离子体波导  

摘要： 大数据时代带来了海量的数据传输需要,光通信技术有望突破传统的电互联的传输瓶颈,该技术目前受到了广泛的研究重视。在设计硅基光子集成回路时,光功分器和偏振分配器是两类非常重要的基本元器件。本论文的研究重点是基于亚波长光栅(SWG)和多模干涉原理的光功分器和偏振分束器,并且需要创新性的将两种功能结合到一种器件中,对器件的关键性能参数进行了分析并计算,最终使其可以用于片上大规模、高集成度、低损耗、低成本的光子回路。首先,对硅基光子集成回路的前世今生进行了简单回顾,介绍了硅基光子集成回路的核心优势、未来发展与亟待解决的问题。对光功分器和偏振分束器的国内和国外发展进程进行了回顾,描述硅基光子学中无源光器件的性能的指标,最后对论文的内容进行总结介绍。其次,详细阐述了两种常用的器件数值研究方法——频域有限差分法(FDFD)和时域有限差分法(FDTD)。使用上述两种方法分析了亚波长光栅结构的截面模式特性和传输特性,指明亚波长光栅具有折射率可调、有效抑制衍射与反射效应的优势。其后阐述了多模波导的自镜像效应以及多模干涉导模的传输特性。然后,设计并研究了一种基于多模干涉型偏振无关功分器。器件整体以多模波导结构为基础,在多模波导的输入端引入一段浅刻蚀区域,在浅刻蚀区域的后面是一段亚波长光栅的结构,器件实现了TE、TM模式的功率平分。器件总体长度极小(3um),损耗保持在0.2d B以下,器件工作带宽极大(1300-1750nm),基本覆盖常用的电磁波频带O、E、S、C、L、U波段范围,功率均分度保持在1±0.004范围内。接着,设计并研究了一种基于多模干涉原理的同时实现偏振分束和功率平分的器件。器件整体以多模波导结构为基础,在多模波导的入射taper波导的中间引入渐变宽度的亚波长光栅结构,在整体器件的中部引入浅刻蚀区域,同时实现TE、TM模式功率平分和偏振分束。器件的整体长度为40um;TE、TM模式的消光比大于16d B;TE、TM模式的插入损耗小于0.85d B;TE、TM模式的SR在1±0.0001的范围内;器件的工作带宽为40nm,可以完全覆盖C波段。最后,设计并研究了一种硅基双层多模干涉型同时实现偏振分束和功率平分的器件。器件基于氮化硅-硅平台,使得两个偏振态的传输达到空间上的隔离。该器件长度仅8um,在中心波长1.55um处,TE插入损耗0.51d B,消光比22.62d B,反射损耗-30.45d B,功分比1.0002;TM插入损耗0.90d B,消光比15.76d B,反射损耗-31.18d B,功分比1.0001;工作带宽可以有效扩展至100 nm。

关键词： 扩散张量成像   前交叉韧带   膝关节   表观弥散系数   各向异性分数  

摘要： 目的:探讨磁共振扩散张量成像（DTI）技术对前交叉韧带（ACL）损伤定量诊断的可行性,为临床早期诊断及治疗提供依据。方法:对2020年12月～2021年5月期间的71名健康志愿者和2020年12月～2021年7月期间我院经关节镜证实ACL损伤的26名患者行常规MRI序列、DTI序列、3D-DESS序列扫描。由同一名研究人员间隔1个月前后两次分别测量正常组ACL上部、中部、下部和病例组损伤处的各向异性分数（FA）值和表观弥散系数（ADC）值,取平均值。分别对正常组ACL不同部位、不同性别的FA值和ADC值进行分析。病例组骨关节炎分为0～4级,比较各级别FA值和ADC值的差异。分析正常组和病例组ACL的FA值和ADC值差异。结果:1正常组ACL上部与中部、中部与下部、下部与上部的FA值、ADC值均有显著性差异（P＜0.05）。正常组FA值与部位之间存在负相关（r=-0.527,P＜0.001）,即随着ACL部位的降低,FA值逐渐减小。正常组ADC值与部位之间存在正相关（r=0.282,P＜0.001）,即随着ACL部位的降低,ADC值逐渐增大。正常组ACL不同性别FA值、ADC值无显著差异（P＞0.05）。2与正常组相比,病例组ACL上部、中部、下部的FA值减低,上部、中部ADC值增大,有显著差异（P＜0.05）,下部ADC无显著差异（P＞0.05）。3病例组不同骨关节炎分级的FA值、ADC值无显著差异（P＞0.05）。结论:DTI技术以一种非侵入性的方式对正常ACL及其损伤进行定量评估,具有可行性及可重复性,从微观角度反应ACL的组织学情况,FA值和ADC值可作为诊断ACL损伤的评价指标,指导临床早期干预,预防继发性膝关节损伤。

关键词： 有限差分法   张量电阻率测量法   三维正演模拟   矿井直流电法  

摘要： 矿井直流电法勘探目前应用十分广泛,研究表明当改变偶极子方向时,在同一测量点处不同空间方位上接收的电位差并不相同,但在过去的几十年中对地下构造的探测是以标量观测为主,而张量电阻率法可以将不同空间方位上的多对偶极子测量结果进行综合分析,可以更好地反应地电异常体在三维空间上的真实构造。而在矿井巷道内可以将偶极子沿三维方向进行展布,具有开展张量电阻率法研究的独特优势。本文采取正演模拟的方法来研究张量电阻率法在矿井巷道内识别异常体的应用价值。首先在张量电阻率法方面开展了以下工作:（1）学习研究了张量电阻率的原理及性质;（2）根据张量运算法则和井下施工方式进行了张量视电阻率公式推导;（3）根据所学原理及公式,实现了张量视电阻率计算模块的程序编制。其次为了进行张量电阻率法数值正演模拟,开展了以下工作:（1）学习了三维有限差分法正演模拟原理;（2）将全空间电位所满足的微分方程离散化,研究了离散区域外边界所满足的边界条件,特别的将Neumann边界条件作为巷道壁的边界条件;（3）编写了有巷道存在的矿井三维各向异性直流正演模拟程序,并验证了算法的可靠性,同时为正演模拟程序编制图形界面来简化模拟操作步骤。文章最后根据张量视电阻率法的施工方式,设定六组共十二个矿井巷道模型进行正演模拟并进行张量视电阻率计算,经过分析发现张量电阻率法对矿井巷道不同方位上的典型地电体可以起到异常特征识别的作用;并且将张量电阻率法计算结果与偶极装置计算结果进行了特征对比,分析发现张量电阻率法对欧拉角不为0的异常体识别效果要好于偶极装置,本文研究结果为张量电阻率法的应用价值提供了数值模拟支持。