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关键词： 自由电子激光   光栅   波荡器   电子束   微纳技术  

摘要： 波荡器是自由电子激光器的关键技术部件，目前常规的波荡器主要由磁体构成，利用磁场实现电子束偏转振荡，将电子束能量耦合至激光场。本文提出一种基于光栅表面电场的电波荡器机制，以发展自由电子激光器的小型化技术。阐述了该波荡器的基本原理及电子束在波荡器中的运动规律，推导了该方案下的自由电子激光波长及增益，对所采用的光栅表面电场进行二维仿真，并对电子束进行了跟踪仿真，计算了能量10 MeV电子束产生的激光增益为0.43，验证了基于光栅结构的微纳波荡器方案的可行性。

关键词： 向量空间   有限博弈   纳什均衡   激励控制   矩阵半张量积  

摘要： 1944年,《博弈论与经济行为》一书的出版标志着系统的博弈理论产生.博弈论主要关注理性个体在特定的环境下如何进行决策.针对有限博弈,其中一个重要的研究方向是探究其在策略形式下的拓扑结构,这对揭示有限博弈的本质特征和分析其相应演化博弈的动力学具有显著作用.本文基于矩阵半张量积方法,构建了有限纯调和博弈和有限多势博弈的向量空间基底,基于此,进一步探究了有限纯调和博弈的纯策略纳什均衡和有限多势博弈的纯策略纳什均衡问题;针对双策略矩阵博弈这类特殊的有限博弈,研究了网络演化协调博弈的激励控制问题.本文主要研究内容如下:1.纯调和博弈常用来解决如剪刀-石头-布等实际博弈问题.同时,纯调和子空间作为势子空间的正交补空间,其子空间基底是探索势博弈的一类有效工具.本文研究了纯调和博弈的向量空间结构及其纯策略纳什均衡,主要工作为以下三点.首先,构造了一类更加简洁的纯调和子空间基底.其次,基于所构建的纯调和子空间基底,给出了纯调和博弈中有关纯策略纳什均衡的判据,并将所得结果应用于剪刀-石头-布博弈.最后,基于实立方阵这一数学工具,探究了三人纯调和博弈的纯策略纳什均衡全部解问题.作为上述研究结果的应用,本文将纯调和子空间基底应用于多势博弈的分组问题.2.势博弈由于具备优良的动,静态性能,以及其在交通工程,移动通信等领域中的实际应用,使之在有限博弈中占据重要地位.然而,在经济和工程等领域,许多博弈论问题不能被建模成有限势博弈.***于2007年基于拥塞博弈提出了多势博弈的概念.本文探究了多势博弈的向量空间结构,基于此研究了多势博弈的纯策略纳什均衡问题,主要工作为以下三点.首先,构建了基于分组的多势子空间基底.其次,基于多势博弈向量空间结构,提出了一种新的策略形式下有限非合作博弈空间分解方法.最后,分析了多势博弈和关联多势博弈的纯策略纳什均衡问题.作为上述研究结果的应用,考虑了基于关联多势博弈的有限非合作博弈的纯策略纳什均衡问题.3.演化博弈关注玩家间的局部交互对其动力学所产生的影响,以及是否能收敛于演化稳定策略.针对2 × 2矩阵博弈,本文研究了网络演化协调博弈的激励控制问题.考虑如何为玩家的收益函数提供一定的奖励,使得激励控制下相应的广义网络演化协调博弈收敛于期望均衡.主要工作为以下三点.首先,基于异步短势最优响应动力学,构建了网络演化协调博弈的代数状态空间表示.其次,将网络演化协调博弈的激励控制问题转化为广义网络演化协调博弈的策略一致性问题.最后,给出了网络演化协调博弈激励控制问题可解的充分必要条件.作为上述研究结果的数值算例,将理论结果应用于性别大战网络博弈模型中验证其有效性.本文的创新点主要体现在三个方面.其一,构建了一种较为简洁且更具拓扑意义的纯调和子空间基底,为探究势博弈,多势博弈等博弈的拓扑结构和纳什均衡提供了有效的数学工具.其二,构建了多势子空间理论,基于此提出了具有策略形式的有限非合作博弈新的空间分解方法.其三,探究了网络演化协调博弈的激励控制问题,为基于激励机制的博弈控制论提供了新的研究框架.

关键词： 飞秒激光   激光成丝   空气激射   激光诱导光栅散射  

摘要： 超短超快激光的物理研究及应用探索一直是强场物理的热点问题。近几年来,空气激射因其在遥感应用等领域的前景,受到了人们的广泛研究;激光诱导光栅散射技术(Laser-induced Grating Scattering)作为一种相干光学探测技术,其应用场景正在被拓宽。本文围绕飞秒与气体介质相互作用,对空气激射效应中的及激射进行了研究;对飞秒激光诱导光栅散射技术(fs-LIGS)用于气体压强测量做了探索。我们围绕空气激射进行了一系列实验。针对中性氮气分子激射,我们主要研究了快速非弹性碰撞引起布居反转的过程中可能存在的分子间相干性:泵浦-双探测脉冲实验的结果表明,两束十分接近却又相互独立的探测脉冲并未对各自的激射结果产生影响,即增益介质中并未建立起宏观极化,说明该过程中不存在分子间相干性。实验中还得到氮气337nm背向激射的放大、337nm激射拉曼散射、激射的精细光谱等结果。此外,我们还利用带小孔的薄板分割腔室,控制光丝长度,对激射在光丝中的增益进行了研究,得到了前向和背向激射强度与光丝长度的关系。针对氮分子离子激射,我们主要研究了泵浦脉冲偏振态对激射强度的影响。我们注意到激射-泵浦偏振态曲线中存在激射信号的反常强度下降,当泵浦脉冲偏振态由圆偏振向线偏振改变时,激射强度逐渐增加,接近线偏振态时,激射强度开始突然下降。激射光谱、压强依赖以及增益动力学的研究表明这一反常依赖关系普遍存在于氮分子离子激射中,我们希望诉诸各态电离产率变化导致的布居数变化去解释这一现象,仍需要更多的实验和模拟来完善物理图景。另一方面,我们使用偏振门(Polarization Gate,PG)对泵浦脉冲的偏振态进行了更为复杂的调制,结果表明,线性偏振门(Linear PG)可以有效增强氮分子离子391nm激射P转动支的强度,而R支的光谱对此并不敏感。多态耦合模型可以很好地解释激射的增强,但无法解释转动支选择性增强的特性,结合椭圆偏振门(Elliptical PG)的实验结果,我们认为存在其他的物理机制对R支激射有着重要的贡献,亟待进一步的研究。在对激光诱导光栅散射技术的研究当中,我们使用飞秒激光作为泵浦光源产生光栅发展fs-LIGS技术,并利用其准确测量了局部压强。我们使用两束800nm,35fs的飞秒激光并使其时间-空间重合产生折射率和声波的光栅结构,利用532nm连续激光作为探测光以一阶布拉格衍射角入射光栅,从而在该四波混频过程相位匹配的角度产生相干的fs-LIGS信号光。fs-LIGS信号光在时域上的衰减特征时间跟光栅区域的压强有特定关系,从而为fs-LIGS技术测量压强奠定物理基础。通过在0.2-3.0 bar范围内改变压强并测量对应的时间分辨的fs-LIGS信号光,然后通过理论拟合得到压强的测量值,我们发现测量值跟真值是线性依赖的,依赖曲线的斜率为0.96,非常接近于1,说明fs-LIGS技术测量压强的可行性。

关键词： 布拉格光栅   腐蚀监测   温度互补偿   弹片式   等强度梁  

摘要： 目前,基于光纤布拉格光栅的腐蚀监测传感器多应用于钢筋、油气管道这些特殊的应用场合,并且监测的参数易受到其它因素的影响。为了解决现有的基于光纤布拉格光栅的腐蚀监测传感器存在通用性差和监测参数易受其它因素影响的问题,本文根据金属腐蚀后厚度变薄这一稳定关系进行了基于光纤布拉格光栅(FBG)腐蚀监测传感器的研究。该腐蚀监测传感器具有量程和灵敏度可调、测量精度高、监测结果准确可靠的特性,同时解决了FBG对温度和应力交叉敏感的问题。本文主要研究内容包括以下几个方面:首先,介绍了FBG的研究历史,列举了几种研究最多的基于FBG的腐蚀监测传感器的结构,并对这几种传感器的工作原理及优缺点做了简要介绍。采用模耦合理论分析了FBG的传感机理,重点研究了FBG的温度及应变特性,并对等强度梁的原理做了简要介绍。其次,根据金属腐蚀后,未腐蚀部分金属厚度变薄这一稳定关系设计了类等强度梁式和弹片式两种基于FBG的腐蚀监测传感器。实际情况下腐蚀较缓慢,因此通过仿真实验分析两种传感器结构的性能,并选择其中性能较好的结构对其进行优化。再次,通过鼓风箱升温实验对优化后结构的温度补偿效果进行验证,由于腐蚀缓慢,如果温度补偿效果不佳,短期的实验带来的误差较大,为确保实验结果的可靠性,必须排除温度的影响。最后,设计均匀腐蚀和非均匀腐蚀两种腐蚀环境对优化后的结构在均匀腐蚀和非均匀腐蚀两种应用场景下的监测效果进行验证,并在这两种环境下分别对结构的监测效果进行分析。

关键词： 拉曼光谱   体全息光栅   光谱仪   月表矿物探测  

摘要： 月球表面资源的科学探测和开发是国际新一轮探月的重点,拉曼光谱技术可以定性定量地分析物质的种类、结构及化学成分等信息,能够为研究月表矿物组成及其分布机制等提供科学依据,月球激光拉曼光谱仪（LLRS）也因此在月表物质探测中具有重大的应用潜力。光谱仪光学系统作为LLRS核心组成部分,是实现微弱拉曼信号探测以及高光谱分辨率的关键结构,体全息光栅相比于传统的刻线光栅具有较高的衍射效率,对拉曼弱信号的探测具有一定优势,因此本文针对于月表矿物的拉曼光谱探测设计了一种透射式体全息光栅光谱仪结构,并对其光谱特性进行研究,主要研究内容如下:1.基于体全息光栅的衍射理论讨论和计算了光栅厚度、折射率调制度及刻线密度对衍射效率的影响。分析了系统光谱分辨率的影响因素,为后续光学设计提供理论依据。2.根据月表矿物的拉曼特性分析了体全息光栅光谱仪的设计背景,在150～3000cm的光谱范围内提出10cm的光谱分辨率指标。基于系统分光原理计算了各结构参量,并利用光学设计软件对体全息光栅光谱仪进行光学设计和公差分析,结果表明光谱范围内全视场MTF均可达到0.4以上,光谱分辨率符合指标要求并且具有良好的可加工性,最后基于设计结果对光谱性能进行评估。3.对体全息光栅光谱仪的拉曼光谱进行了定标与校正,并从光谱信噪比、光谱分辨率及光谱准确度三方面对光谱质量进行优化和提升。首先讨论了噪声来源并提出提高信噪比的方法,接着分析并校正了光谱仪的谱线弯曲现象来提升系统光谱分辨率,最后对比研究了两种不同的定标方法并分别对定标结果的光谱准确度进行了讨论。4.在实验室搭建基于体相位全息光栅的月球激光拉曼光谱仪（VPHG-LLRS）全系统原理样机,并对光谱性能进行测试,选择模拟月表矿物样品进行拉曼探测,综合验证了系统具备月表矿物拉曼探测的能力。

关键词： 红外弱小目标检测   低秩稀疏   局部对比度   全特征度量   非凸秩松弛  

摘要： 红外弱小目标检测是红外搜索与跟踪等系统的关键技术,对于提升未来战争中的预警、制空和反击等能力具有重要的价值。通常由于探测距离远和成像环境复杂,目标具有尺寸小、特征少和信噪比低等特点,给其检测带来了不小的困难。目前,基于低秩稀疏的红外弱小目标检测算法具有良好的检测性能,但也存在对局部和非局部特征利用不充分以及对背景低秩逼近不准确的不足,其场景泛化以及抗噪声和稀疏干扰能力仍有待提升。本文分析了不同场景的红外弱小目标图像的一般特性,归纳出了背景具有低秩性和目标具有稀疏性,在红外块张量模型的基础上提出了一种基于局部先验和张量恢复的红外弱小目标检测算法:从局部先验信息的利用角度出发,设计了基于人类视觉系统对比度机制的先验模型作为目标张量的约束,结合了局部先验和非局部先验方法的优势,不仅提高了边缘抑制能力,也加快了模型的收敛速度;从张量低秩性的度量角度出发,设计了结合全特征度量和非凸秩松弛的正则项作为背景张量的约束,其中基于N阶管道秩的全特征度量方法能更全面地挖掘背景张量不同模态间的特征信息,基于Log函数的非凸秩松弛方法能更好地逼近张量的秩函数,该背景正则项有效缓解了核范数导致的目标和背景的分离偏差。此外,本文给出了一种基于交替方向乘子法的高效算法来求解模型得到目标张量,通过阈值分割由目标张量重建的图像来提取目标。本文通过主观定性和客观定量两个方面的实验来分析比较本文算法与对比算法的检测性能。实验结果表明,本文算法的场景适应性和噪声鲁棒性均有较大提升,在目标增强、背景抑制和检测精度方面均优于对比算法。

关键词： LPFG   FBG   磁流体   温度   磁场  

摘要： 随着科技的飞速发展,温度和磁场传感技术被广泛地应用于医学、国防、航天和海洋勘测等众多领域。磁流体具有磁控折射率特性,常作为磁场敏感介质与光纤传感结构相结合,设计成光纤磁场传感器来测量外界磁场的强度。LPFG或FBG都具有独特的传光特性,常作为温度传感结构,设计成光纤温度传感器来测量外界温度的大小。但在光纤传感器同时测量温度和磁场强度时,存在交叉敏感的现象,导致测量结果不准确。针对这一现象,本文以磁流体作为磁场敏感介质,LPFG-FBG作为光纤传感结构,设计了磁流体LPFG-FBG双光纤光栅温度磁场传感器,具体研究成果如下:（1）简要地分析了LPFG-FBG的传感机理,并利用Optigrating软件对LPFG-FBG传感器进行结构优化仿真,研究了光纤光栅周期、长度、纤芯折射率调制深度、间隔单模光纤长度和光纤包层厚度对透射谱的影响情况,得到了LPFG-FBG传感器的最优结构参数,LPFG周期550μm、长度2 cm、FBG周期535 nm、长度1 cm和间隔单模光纤长度2 cm,LPFG-FBG有两个谐振波长,LPFG和FBG共同作用的谐振波长为λ,LPFG单独作用的谐振波长为λ。（2）使用244 nm倍频氩离子激光器利用相位掩膜法制备LPFG-FBG传感器;对比了以透明塑料管、石英管和医用移液器作为封装容器的情况,最后选择直径为0.5 mm的石英管作为封装容器;利用COMSOL仿真软件对长方体永磁体的磁场进行仿真,通过改变长方体永磁体的空间相对位置,找到了均匀磁场并将其确定为磁场实验区;根据永磁体磁场的仿真结果,设计并搭建了磁场发生装置;设计并搭建了温度和磁场实验系统,对LPFG-FBG传感器进行温度和磁场传感实验,得到实验结果:温度在35℃到85℃范围内,谐振波长λ温度度灵敏度是6.7 pm/℃,谐振波长λ温度灵敏度是96.2 pm/℃;磁场强度在0到24 m T范围内,谐振波长λ几乎不发生漂移但其损耗发生变化,磁场灵敏度是-0.1249 d B/m T,谐振波长λ发生波长漂移,磁场灵敏度是34.4 pm/m T。对于磁场测量的稳定性也进行了相应的测试,实验结果表明:该结构具有良好的磁场强度测量的稳定性。LPFG-FBG光纤传感结构中,FBG作为温度自补偿结构对磁场强度的测量进行温度补偿;LPFG可以对FBG的反射光进行强度调制。（3）根据理论推导和仿真结果设计性能优化实验。为了更好地腐蚀光纤包层,设计先后使用15%浓度和30%浓度的HF溶液对光纤包层进行腐蚀。由于HF溶液具有挥发性和对Si O具有腐蚀性,所以设计了亚力克材质的腐蚀容器来盛装HF并进行腐蚀实验;搭建了腐蚀实验系统,进行SMF光纤包层腐蚀实验,得到15%浓度的HF腐蚀速率是0.2215μm/min,30%浓度的HF腐蚀速率是0.7065μm/min;设计腐蚀方案,腐蚀LPFG-FBG传感器的包层,使其光纤包层直径减小到100μm并进行温度和磁场传感实验,最后得到实验结果:温度在35℃到85℃范围内,薄包层LPFG-FBG谐振波长λ温度灵敏度是8 pm/℃,谐振波长λ温度灵敏度是85.7 pm/℃;磁场强度在4 m T到20 m T范围内,薄包层LPFG-FBG传感器的谐振波长λ不发生波长漂移,磁场灵敏度为0,谐振波长λ发生漂移,磁场灵敏度是65 pm/m T。腐蚀包层后的传感器与未腐蚀包层的传感器作对比,传感器的谐振波长λ和谐振波长λ的温度灵敏度腐蚀包层前后没有明显变化,但腐蚀包层后传感器的谐振波长λ磁场灵敏度变为未腐蚀包层传感器的谐振波长λ的1.88倍,有效地提高了磁场灵敏度。

关键词： 光学薄膜   膜厚均匀性   离子束刻蚀   三级公自转行星系统   光学透镜  

摘要： 为了提高光学透镜表面的膜厚均匀性，用离子束刻蚀原理修正膜厚均匀性，用法拉第探针测试不同参数离子源的离子束密度，并研究不同离子束密度对Ti3O5膜层均匀性的影响。采用电子束与离子辅助沉积技术在未安装修正挡板的三级公自转行星盘真空镀膜机进行实验，对测试结果用Optilayer进行膜厚拟合，并用Zygo干涉仪测量粗糙度，分析离子束刻蚀对透镜表面形貌的影响。结果表明通过离子束的刻蚀，可见光波段Ti3O5单层膜的均匀性为0.36%，粗糙度由0.036 nm变为0.037 nm。

关键词： 光纤布拉格光栅   流量温度复合传感   探针结构   耦合干扰   算法解耦  

摘要： 核电工业中对流体流量和温度的监测,有利于掌握和控制工业设备的运行状态,保证工业生产的安全性、可靠性和经济性。传统电学类流量计存在电磁干扰、体积大、多参数复合测量困难等问题,本文采用抗电磁干扰能力强、体积小、易于实现复合测量的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)作为传感元件,针对光纤布拉格光栅流量温度复合传感器存在压损大、量程窄、结构复杂及精度低的问题,设计了一种基于光纤布拉格光栅的探针式流量温度复合传感器,采用理论、仿真和实验相结合的方法开展研究。基于光纤布拉格光栅传感原理,构建了流量温度复合传感理论模型;基于数值和有限元仿真分析,研制传感器样机,开展了相关实验研究;此外,采用人工智能算法实现了流量和温度解耦,提高了测量精度。文章具体研究内容如下:(1)基于光纤光栅耦合模理论,阐述了应变和温度交叉敏感机理,研究了光纤光栅温度补偿模型;基于悬臂梁弯曲变形理论和管道内流体流速分布特性,提出了光纤布拉格光栅探针式流量温度复合传感理论模型,揭示了中心波长漂移量与流量和温度的映射关系。(2)针对流体的流量温度复合测量,设计了一种探针式流量温度复合传感器;基于封装材料物理特性分析,采用聚合物对传感单元进行了封装;基于数值分析和有限元仿真技术,研究了不同流量下探针的应变分布特性,揭示了光纤布拉格光栅的最优粘贴位置,验证了传感器结构模型的可行性。(3)搭建了传感器性能测试平台,开展了传感机理验证实验,灵敏度、线性度、重复性等传感器性能实验。应变分析表明,传感器采用的两根FBG具有相同应变特性;温度实验表明,温度与波长漂移呈良好的线性关系,线性度均在99.87%以上,传感器的灵敏度为25pm/℃,是裸光纤光栅的2.3倍,重复性误差为3.621%;流量实验表明,流量与波长漂移呈二次关系,曲线拟合度为0.9998,传感器量程为2m/h～30m/h,重复性误差为2.141%;流量温度复合实验表明,流量最大误差为0.25m/h,均方误差为0.027m/h;温度最大误差为0.26℃,均方误差为0.028℃,说明传感器具有较好的流量和温度测量效果。(4)针对流量和温度传感信号耦合干扰问题,提出了一种基于粒子群(Particle Swarm Optimization,PSO)优化Elman神经网络的解耦算法,建立PSO-Elman算法解耦模型,并开展了相关解耦实验研究,验证所提算法的解耦精度,结果表明,PSO-Elman解耦后流量最大误差比解耦前降低64.75%,温度最大误差比解耦前降低61.11%。

关键词： 手征拉氏量   张量介子   二体衰变  

摘要： 描述强相互作用的基本理论是量子色动力学(QCD),夸克与胶子是QCD的两种基本自由度。但QCD在低能区域是高度非微扰的,目前无法以第一性原理进行解析计算。为了描述强子在低能区域的相互作用,在量子色动力学的手征对称性基础上建立了手征微扰理论。手征微扰理论作为量子色动力学的有效理论,其自由度为π、K、η介子。在此基础上进一步拓展,可以将质量更大的η介子以及f2(1270)、a2(1320)、f2(1525)、K2*(1430)等共振态加入作为新的自由度。本文基于共振态手征微扰理论对张量介子进行讨论,主要分为三部分:第一部分研究f2(1270)、a2(1320)、f’2(1525)、K2*(1430)四个张量介子的质量,并讨论f20-f28两个态的混合;第二部分利用手征有效拉氏量研究张量介子衰变到两个赝标量介子的过程,进一步讨论f20-f28混合的情况,并与第一部分中的结果进行比较;第三部分利用第二部分计算出的费曼规则以及传播子,对介子-介子散射中的张量共振态贡献进行初步计算。