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关键词： 电光效应   微结构电场传感器   电光材料   偏振态调制  

摘要： 随着小型化、高度集成的5G芯片技术不断发展,芯片内部组件的物理尺寸逐渐减小,内部集成度以及工作频率不断提高,导致芯片元器件之间电磁干扰现象越来越突出。因此采用高分辨率高保真的电场传感器对芯片的电磁干扰和电磁兼容测试提供了一种重要手段。良好的局部电磁屏蔽材料是有效解决电磁干扰的方法之一,目前缺乏对良好屏蔽材料进行高分辨高保真的电场传感器的测量评估导致无法使用该方法。因此,对于研发新型微型电场传感器进行芯片的失效定位及分析的需求显得极为迫切。针对芯片失效定位及分析等问题,传统的解决方案是采用共振型天线结构的金属探针进行电磁辐射的扫描,然而具有金属材质的电场传感器会与待测原场发生耦合,干扰原场测量的分布,导致测量的保真度低。并且含有金属元素的电场传感器往往具有窄带测量的特性。因此针对上述问题,本论文基于电光材料的线性电光效应,研究了全介质的微型光学电场传感器。本论文的主要工作分为仿真和实验两个部分。第一部分为采用不同电光材料设计具有光局域能力的微结构电场传感器,通过数值仿真研究分析传感器的性能参数,其中涉及到的电光材料有铌酸锂(Li Nb O)、钛酸钡(Ba Ti O)、铌镁酸铅-钛酸铅((1-x)Pb(MgNb)O-x Pb Ti O,(1-x)PMN-x PT)。一方面,利用微结构设计具有光局域能力的光学共振腔提高有效电光系数,可以提高传感器的灵敏度。另一方面,基于电光材料的电场传感器由于设计为全介质型,因此具有高保真和宽带测量的优点。微结构仿真的方法采用有限时域差分法(FDTD),研究了光学传输谱、增强光局域能力增强因子f、基于共振型的电场传感器的灵敏度S和最小可探测电场场强幅值E等参数。仿真计算结果表明,PMN-PT设计的微型电场传感器的性能最优,其品质因子Q接近1×10,灵敏度可以达到4.774pm/(V/m),最小可测量电场场强可以低至20m V/m。第二部分为使用电光材料进行电场传感实验。由于实验室加工设备与时间的限制,本文在实验部分采用了未制作微结构的块材或薄膜晶体结合光偏振态调控进行电场的测量。电场传感测量的原理主要为在电场的存在下,光通过电光晶体后偏振态受到调制。通过光学偏振态的解调检测,可将微弱的偏振态变化信息转换为可以探测的光强信号。实验中采用横电磁波箱产生均匀电场,光信号的解调用锁相放大器检测。实验采用块状铌酸锂、薄膜铌酸锂、PMN-PT块状晶体以及在玻片上旋涂钛酸钡纳米颗粒共四种样品进行电场传感的测量。实验表明采用钛酸钡纳米颗粒旋涂在玻片上制作的样品,最小可探测电场达到30.23V/m;采用0.5mm厚度的铌酸锂块材最小可探测电场达到12.78V/m;而200nm铌酸锂薄膜在石英晶体基底上的样品,最小可探测电场为47.91V/m;采用1mm厚度的0.67PMN-0.33PT样品,最小可探测电场达到150m V/m。总结以上不同样片,PMN-PT可探测电场最小;钛酸钡纳米颗粒具有制备加工简单的优点;而铌酸锂薄膜样品在石英晶体基片上具有最小的纵向分辨率为200nm。本文的创新点主要在于:提出基于新型电光材料的全介质电场传感器,结合Fano共振使光局域在微腔中增强有效电光系数,灵敏度及空间分辨率产生相应的提高,最小可探测电场达到m V/m级别。

关键词： 燃烧不稳定   加力燃烧室   波动方程   预测模型   遗传算法  

摘要： 加力燃烧室是军用航空发动机的重要部件,其运行时由于能量密度高以及声波阻尼能力低,很容易产生热声耦合不稳定燃烧,即振荡燃烧,这对加力燃烧室及发动机的性能与安全都产生非常不利的影响。由于不稳定燃烧的影响因素多、内在机制复杂,准确预测与定量描述加力燃烧室不稳定燃烧状态还很困难。本文通过模型简化及求解波动方程,建立了加力燃烧室不稳定燃烧预测模型,并开展了优化与分析研究,主要工作与取得的成果如下:首先,本文基于GIM(Generalized Combustion Instability Model),从非均匀波动方程出发,以简化的加力燃烧室为研究对象,建立了加力燃烧室不稳定燃烧预测理论模型,并在Simulink中构建了用于预测加力燃烧室不稳定燃烧的计算程序。通过算例与实验验证表明,本文构建的预测程序能够较好的预测简化后的加力室内的燃烧状态,并计算出振荡燃烧时的脉动主频及幅值,预测程序针对主频的计算误差为8.72%。其次,本文通过将平均流效应及稳定器的阻塞效应加入频率求解器模块中对程序进行了优化,优化后的程序对脉动主频的计算误差为2.43%。然后运用优化后的预测程序研究了不同参数对于振荡燃烧的影响。研究发现:当进口马赫数小于0.5时,随着进口马赫数的增大,火焰稳定器后涡脱落频率增大,加力燃烧室内脉动幅值增大;当马赫数大于0.5时,随着进口马赫数的增大,加力燃烧室内脉动幅值减小;随着阻塞比的增大,气流流通面积减小使得火焰稳定器四周的气流速度增大,火焰稳定器后涡脱落频率增大,脉动幅值不断增大;考虑热释放的空间分布可以略微提高模型的精度,但会消耗大量的时间和计算资源。最后,在加力燃烧室不稳定燃烧预测模型基础上,基于遗传算法对抑制加力燃烧室低频振荡及高频振荡的参数范围进行了研究。首先以一阶热声耦合频率虚部的绝对值为适应度函数,通过遗传算法找到振荡燃烧与稳定燃烧之间的临界进口马赫数为0.3777,临界阻塞比为0.3653。然后利用遗传算法对抑制高频振荡进行研究。在抑制低频振荡的进口马赫数和阻塞比取值范围内,以高频振荡的压力脉动幅值为适应度函数进行参数寻优,最终找到在进口马赫数为0.6823,阻塞比为0.1832时高频振荡压力脉动幅值最小,为299.89Pa,对比基准工况下的脉动幅值降低了33.33Pa。

关键词： 非负张量   谱半径   弱不可约   对角相似变换   数值算法  

摘要： 非负张量作为非负矩阵的重要推广,其谱半径(最大特征值)的估计与计算在数值代数中具有十分重要的意义,也是目前备受关注的研究课题.本文主要研究非负张量谱半径的界及计算方法,内容如下:第一,利用张量对应的优化矩阵有向图给出非负张量谱半径新的上、下界;并且对张量元素进行分析,给出更具一般形式的非负张量谱半径的估计不等式.本文的结果改进了相关文献的非负张量谱半径上下界的估计结果.第二,通过应用类似于矩阵的对角相似变换解决满足以下条件的非负张量谱半径的计算问题:(1)其优化矩阵不可约的非负张量;(2)通过选择张量不同位置的元素构造一个矩阵,且该矩阵是不可约的非负矩阵;从而进一步将计算不可约非负张量谱半径的算法推广到弱不可约非负张量上.在构造算法的过程中,通过引入适当的参数,使得算法在运算量基本不变的情况下明显减少了迭代次数和迭代时间,提高了计算效率.第三,作为非负张量谱半径算法的应用,给出M-张量的迭代判别法,解决了M-张量的迭代判别问题.

关键词： 极小模张量   trace-free分解   几何不等式   特征值估计   Lichnerowicz-Obata型定理  

摘要： 本文研究了极小模张量,得到了三阶协变张量的极小模张量的一般公式,由此给出了Cotton张量一个新的解释:Riemann曲率张量的散度的极小模张量是Cot-ton张量.并且通过极小模非负可得到一些不等式.作为应用,我们将该结果应用于紧致黎曼流形上光滑函数的三阶协变导数的对称化,得到了推广的LichnerowiczObata定理.特别地,证明了:当正数量曲率的Einstein流形的Lapalace算子的特征值大于球面(数量曲率相同)的第一特征值小于球面的第二特征值时,该特征值可以被Weyl张量的模长控制.

关键词： 非互易波导   磁光材料   表面等离子激元   光缓存   微环谐振腔  

摘要： 光缓存技术在光分组交换网络中起着重要作用,它既可以为光路由控制提供可调的缓存时间,同时还能够解决端口竞争的问题,决定了网络节点信息处理及存储性能。已报道的光缓存器的时延通常利用光纤或波导延时线调节,但延时调节精度较低,时延带宽乘积受限,难以满足高速光网络的时钟对准精度和带宽要求。本论文在研究非互易硅基波导的缓存机理的基础上,研究了平面波导和矩形波导结构的非互易硅基磁光波导的非互易色散关系及时延特性,提出了磁光非互易硅基矩形波导和微环阵列耦合Sagnac环的两种光缓存单元,不仅能突破时延带宽极限,而且能实现高精度延时。因此,本论文选题具有重要的理论意义和应用价值。取得的主要创新性成果如下:(1)利用介电常数张量和磁导率张量分别描述旋电半导体和旋磁半导体材料的磁光特性,进而研究非互易硅基磁光平面波导和C波段矩形波导(旋电材料)的色散方程,得到了单向传输带宽、色散和时延特性与波导结构参数的关系,以及在外加磁场作用下表面磁等离子体激元(SMPs)非互易传输特性。结果表明,矩形波导的慢光效应优于平面波导,矩形波导侧面包层材料为金属银时慢光效应最显著,群速度v最小可以达到2.8×10c,在C波段波导宽度工艺容差可达93.5nm。实验研究了铽镓石榴石晶体(TGG)在光通信波段的磁光非互易特性,通过实验测量的费尔德系数得到TGG介电常数张量非互易参量ε=1.2×10ε。(2)提出了一种基于磁光材料的非互易硅基矩形波导的光缓存单元结构,通过控制输出端透过率(透射式)或调控磁场(反射式)两种方案实现光缓存单元的读写控制。根据信号光在缓存单元中的演化结果,透射式读出法的缓存时间为2.12 ps,时延带宽乘积达666.3;反射式读出法的缓存时间为7.15 ps,时延带宽乘积可达2247.2。(3)提出了一种基于非互易磁光微环阵列耦合Sagnac环的光缓存单元结构,其中一个环的波导局部覆盖相变材料,通过相变材料的晶态/非晶态的切换可实现光缓存单元的读写。研究1×n微环阵列耦合直波导和1×3微环阵列耦合Sagnac环的传输方程,分别得到了基于GST或GSST两种相变材料的光缓存单元在写入和读出状态的透射谱、反射谱、相位和群时延。信号光在1×3微环阵列耦合Sagnac环的缓存单元中的有效缓存时间可达119.94 ps,两种相变材料的缓存单元时延带宽乘积分别为16.56和10.73。缓存单元中微环波导宽度的工艺容差可达±30 nm。

关键词： MiRNA-疾病相互作用   MiRNA相似性   张量分解   疾病相似性  

摘要： 预测MiRNA疾病的相互作用可能会揭示各种疾病的病因。近些年,相关学者提出许多智能算法来解决稀疏的MiRNA疾病相互作用预测问题。然而大部分方法仅关注MiRNA和疾病的二元数据关联,忽略了关联内部的复杂性和多样性。为了更好地解决以上问题,本文提出两种基于张量分解模型预测多类型MiRNA-疾病潜在关联的研究方法,主要工作如下:(1)提出一种基于多源数据融合和张量分解的多类型MiRNA疾病相互作用预测方法,DFMDT。考虑到现有关联数据稀疏的特性,DFMDT在张量模型中融合多种数据以充分利用MiRNA和疾病之间的信息。首先,该方法分别计算了多种MiRNA和疾病的融合相似度,基于现有关联数据构建MiRNA-疾病-类型三维张量并利用计算得到的相似性进行邻居学习。然后,将学习后的张量与相似度矩阵一起进行张量分解,以获得MiRNA、疾病和关联类型的特征因子矩阵。最后,基于张量重构预测出所有疾病潜在的相关MiRNA及其关联类型。本方法使用乘法器交替方向法和共轭梯度算法进行优化。在实验过程中,为了保证正负样本的平衡性,本方法还对正负样本进行了基于K-means聚类的随机抽样。实验结果表明,与现有方法相比DFMDT可以实现2.51%-52.39%的预测性能提升,并且可以识别新MiRNA和新疾病的关联信息。(2)提出一种基于模型融合的多类型MiRNA疾病相互作用预测方法,MFMDT。该方法融合了XGBoost分类器和张量分解模型,解决了DFMDT中原始张量邻居学习后类型维度数据不平衡的问题。MFMDT首先对MiRNA疾病二维关联进行邻居学习得到新增的相互作用。然后,本方法利用分类器对新增的相互作用进行类型分类,得到增强的MiRNA-疾病-类型三维张量。最后,利用增强张量与MiRNA、疾病的融合相似性一起进行张量分解并重构来预测出潜在的MiRNA疾病相互作用及其类型。实验结果表明,MFMDT可以实现1.14%-72.85%的预测性能提升,并且可以识别新疾病的关联信息,在不同实验设置下的预测性能也更稳定。

摘要： 为了促进光学薄膜研究领域的发展,引领薄膜理论、技术和应用的深度融合,《光子学报》拟于2022年第9期推出“光学薄膜”专题,面向国内外从事该领域的专家、学者、研究生等征稿,集中展示和探讨光学薄膜领域的研究成果和研究进展,促进该研究和应用的进步与创新。

关键词： 光栅折射率传感器   表面等离激元共振   准连续域束缚态   温度自补偿   等离激元  

摘要： 光学折射率传感器因具有快速响应，不需标记的优点已成为折射率检测领域的重要研究器件。然而，目前对于光学折射率传感器的设计大多是面向灵敏度的提升，而忽略了半峰宽这一重要指标，导致传感器的品质因子普遍较低。针对该问题，本文根据纳米阵列结构能引入异常的光学现象，从而抑制辐射损耗，降低半峰宽这一特点，以结构简单的纳米光栅为基础，从理论推导，结构设计，材料选择，状态激发出发构建了一种能激发表面等离激元共振(SurfacePlasmonResonance,SPR)的正弦型金属光栅传感器和能激发准连续域束缚态(QuasiBoundStatesintheContinuum,q-BIC)的不对称型介质光栅传感器。并通过建立数值仿真模型，搭建实验分析系统测试了它们的传感能力，实现了半峰宽的降低，获得了较高的品质因子。另外，还介绍了一种利用剥离商业光盘来制备金属光栅SPR传感器的方法，解决了传统制作方法成本较高的问题。本研究的主要研究内容如下:　　(1)通过分析目前光栅在传感领域的研究应用现状，提出了一种正弦型金属光栅和不对称型介质光栅传感器用于获得较高的品质因子。　　(2)分析了金属光栅和介质光栅的基本理论，理清了共振状态的激发原理;介绍了常见的用于光栅分析的数值分析方法和衡量传感器性能的指标，为后续传感器的设计，优化以及性能的比较奠定了基础。　　(3)从结构设计和材料选择入手，构建了一种能激发SPR的正弦型金属光栅结构;利用有限元法分析总结了结构参数对传感性能的影响规律;分析并比较了400nm-1000nm波段下光栅SPR和棱镜SPR传感器的折射率传感特性，证明设计的传感器的半峰宽得到了明显的降低，品质因子得到了显著的提高，不仅表现出更好的精确检测折射率微小变化的能力，还表现出了很高的设计自由度。　　(4)介绍了一种剥离商业光盘(BD-R,CD-R,DVD-R)制作并封装光栅SPR传感器的方法;搭建了一套完整的光学传感分析系统;测试了各种商业光盘光栅的光谱特性，并进行了折射率传感实验分析了它们的折射率传感特性，发现DVD-R光栅具有更好的传感性能，其半峰宽为26.3nm,品质因子高达32.9RIU-1。　　(5)为进一步解决传感器的半峰宽较宽，品质因子较低的问题，创新性的设计了一种能够激发极窄q-BIC共振峰，并具有温度自补偿功能的介质不对称光栅折射率传感器。根据电磁场分布分析了q-BIC共振峰的激发原因;利用有限元分析法分析了结构参数对光谱特性的影响，并总结了影响规律;分析了传感器的折射率传感特性以及温度自补偿特性，证明该传感器拥有极高的品质因子和很高的检测精度;根据现有的微纳加工技术拟定了一套传感芯片的制备方案，并分析了制造公差的影响，证明了该传感器制作的可行性。　　本研究在综述了光栅折射率传感器研究的基础上，对光栅折射率传感器进行了结构设计、数值仿真研究、传感器的制作、光学传感分析系统的搭建和折射传感实验，最终获得了高品质因子的传感器，实现了折射率的低检测限检测。

关键词： 变阶时间分数阶波动方程   H2N2逼近   稳定性   收敛性   数值算例  

摘要： 近年来,由于分数阶微积分的非局部性,越来越多的物理学、电磁学、电化学、扩散和一般输运理论中的问题都可以用分数阶微积分方法来描述,作为一种新的建模工具,它在许多领域都有着广泛的应用.然而,在研究的过程中,越来越多的学者发现许多重要的动力学问题都表现出分数阶的特性,比如说其随时间、空间或其他条件的变化而变化.这一现象表明,变阶分数阶微积分是一种自然的选择,它为复杂数学的描述提供了一个有效的数学框架.伴随着变阶分数阶微积分在各个领域的成功应用,变阶分数阶微积分方程数值解的研究受到了广泛的关注.变阶分数阶微积分方程的复杂性使得我们几乎不可能找到它们封闭形式的解析解,所以在解决实际问题时采用数值方法进行模拟就显得尤为重要.有限差分法是求解分数阶波动方程常用的一种数值解法,本文主要在H2N2逼近的基础上考虑一维和二维变阶时间分数阶波动方程的初边值问题,对其建立有限差分格式,并进行相关的理论分析,同时给出相应的数值算例说明所得差分格式的可行性.具体地说,我们运用差分离散的方法为一维变阶时间分数阶波动方程的初边值问题构造出一个时间方向上为3-γ*(γ*=(?)γ(t))阶,空间方向上为2阶的差分格式,证明差分格式的唯一可解性,并运用离散的能量分析法证明差分格式的稳定性和其在L∞范数下的收敛性.随后,文章将研究一维空间问题的方法应用于二维变阶时间分数阶波动方程.基于二维变阶时间分数阶波动方程的差分格式,添加一个小量项,建立一个时间方向上为3-γ*(γ*=(?)γ(t))阶,空间方向上为2阶的ADI差分格式,给出差分格式的可解性证明,并研究数值解在L范数下的稳定性和收敛性.

关键词： 弥散张量成像   皮质脊髓束   急性脑梗死   运动功能障碍  

摘要： 目的:应用弥散张量成像技术评估急性期脑梗死患者皮质脊髓束的损伤程度与患者运动功能恢复的相关性研究。方法:选取首次发病有单侧肢体运动功能障碍的急性脑梗死患者24例,并收集与患者年龄、性别相匹配的门诊体检者22人做为健康对照组,对两组被试者进行磁共振弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)扫描,利用弥散张量纤维束追踪技术(diffusion tensor tractography,DTT)重建健康对照组双侧皮质脊髓束(corticospinal tract,CST)并生成健康对照CST模板。并以此测量出患者组被试者CST的各向异性分数(fractional anisotropy,FA),进一步计算出患者组FA比率(fractional anisotropy ratio,r FA);在标准化弥散加权成像(diffusion-weighted imaging,DWI)图上绘制出每个患者的梗死病灶区域,计算梗死病灶体积;并将病灶区域与CST模板重叠计算出CST损伤值。患者发病时、发病1月时、发病3月时均进行Fugl-Meyer简化评定量表(Fugul-Meyer Assessment,FMA)、生活自理能力评定Barthel指数(Barthel Index,BI)的评估。分析FA、r FA、CST损伤值、病灶体积与运动功能量表的相关性并进行多因素线性回归分析,评估CST损伤指标对急性期脑梗死患者运动功能的影响。结果:与患者健侧CST相比较,患侧CST的FA值降低(t=-2.121,P=0.039)。把CST损伤指标与运动量表进行相关性分析并纳入多因素回归模型发现,CST损伤值、CST r FA是患者发病时运动功能障碍和日常生活能力的影响因素,其CST损伤值越大,CST r FA越低,发病时BI量表、FMA量表评分越低。CST损伤值还可以预测发病1月、发病3月时患者的运动功能和日常生活能力,CST损伤值越大,发病1月和发病3月时的BI量表、FMA量表评分越低。结论:1.脑梗死急性期患者,与健侧CST相比,患侧CST FA值显著降低。2.脑梗死急性期患者CST r FA、CST损伤值是发病时运动功能障碍和日常生活能力的重要影响因素,同时CST损伤值可预测发病1月、发病3月时的运动功能恢复情况。