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关键词： 对准测量   相位提取   模板匹配  

摘要： 光刻机是集成电路制造产业的核心设备。对准系统作为光刻机的关键子系统之一,其性能直接影响着光刻机的套刻精度。基于光栅衍射光束干涉的对准方法是目前高精度对准技术的代表,然而,现有对准方法中仍然存在高衍射级次对准测量信号信噪比低、标记捕获过程耗时长以及多级次混叠信号相位解算误差较大等问题。针对以上问题,本课题开展“基于分段光栅标记的对准信号测量方法研究”,主要的研究工作如下:(1)针对现有相位光栅对准标记高衍射级次衍射效率较低所导致的对准测量精度难以提升的问题,提出了一种基于标量衍射理论的分段式相位光栅设计方法,建立了光栅参数与各个衍射级次衍射效率之间的数学关系,设计了分段式相位光栅对准标记,大幅提升了衍射效率。(2)针对现有单一归一化互相关匹配捕获方法捕获时间过长的问题,提出了一种基于混合波形匹配算法的快速标记捕获方法,使用归一化绝对值匹配函数结合较宽松的阈值设置进行粗匹配,得到更准确的对准标记位置预估范围,进而采用归一化互相关匹配函数进行精匹配,实现对准标记快速捕获。(3)针对相位信息易受噪声频谱干扰制约对准测量相位提取精度的问题,提出了一种基于数字锁相放大和自适应阈值去噪的多级次对准信号相位提取方法,利用相关混频运算限定了各级次测量信号的敏感频带,通过优化控制光栅标记扫描参数实现对特定衍射级次相位信息的高精度分离和提取。

关键词： 步进应力加速退化试验   光栅编码器   Wiener过程   加速退化建模   可靠性评估  

摘要： 光栅编码器作为数控机床、工业机器人等数控装备中重要的运动控制环节,对装备正常可靠地运行起到关键作用。了解其可靠性可以为光栅编码器可靠性评估,以及光栅编码器设计时的可靠性分配提供理论依据。但光栅编码器具有高可靠、长寿命的特点,在有限时间内难以得到失效数据从而进行可靠性评估。故本文的研究目的是:如何在较短的时间内对光栅编码器进行合理有效地可靠性评估。为此,本文利用试验室台架试验获得性能退化数据,建立了考虑多源可变性的多应力加速退化模型,以此开展可靠性评估。主要研究工作如下:首先,从光栅编码器的工作原理入手,确定加速退化试验过程中需要测量的关键性能指标,并采取自下而上的方式对其内部各个元器件失效模式、失效原因、敏感应力进行分析,总结出光栅编码器的敏感应力。在此基础上,参考相关标准制定了加速退化试验方案,并详细阐述方案内容以及试验系统中硬件系统、数据采集系统的设计方案。然后,针对光栅编码器个体间差异性、测量误差、退化随时间非线性变化这几个问题,建立了考虑测量误差的非线性随机效应Wiener过程性能退化模型,并根据温湿度加速应力,建立了双应力加速模型,在通常假设性能退化模型中的漂移参数依赖于加速模型的前提下,结合性能退化模型和加速模型,得到光栅编码器加速退化模型,并提出了一种两阶段极大似然估计法,用以求解加速退化模型中的未知参数,最终通过一个仿真算例证明了该方法的有效性以及正确性。最后,利用试验数据以及加速退化模型对光栅编码器进行可靠性评估。先对试验数据进行预处理计算以便得到可用的性能退化数据,并进行参数估计。然后检验数据是否服从文中所建立的性能退化模型以及加速退化模型,通过检验后,再外推常应力可靠性,并进行光栅编码器一元可靠性评估以及可靠性灵敏度分析,最后通过Copula函数建立二元可靠度函数,以此进行光栅编码器二元可靠性评估。

关键词： 长周期光纤光栅   光缆状态监测   高频CO2激光器   电弧放电  

摘要： 光缆作为一种优良的光束传输介质而被广泛地应用在天文望远镜中。而光缆受到外界弯曲,扭转等物理形变作用时会造成严重的出射焦比退化,从而严重影响天文望远镜的成像质量。为了监测天文光缆状态,本文设计了偏芯长周期光纤光栅（Core-Offset Long Period Fiber Grating,CO-LPFG）和间断螺旋长周期光纤光栅（Intermittent-Spiral Long Period Fiber Grating,IS-LPFG）,分别用于监测光缆的弯曲和扭转状态。提出电弧改性的长周期光纤光栅传感器（Arc-Remodified Long Period Fiber Grating,AR-LPFG）,用以监测外界弯曲的绝对状态量。与光时域反射技术和布拉格光纤光栅对比,长周期光纤光栅在天文光缆状态监测领域具有突出优势。结合高频CO激光器抛光技术和电弧放电技术制备偏芯长周期光纤光栅（CO-LPFG）用于光缆弯曲状态监测。CO-LPFG能够实现二维矢量弯曲传感,最大和最小弯曲灵敏度分别为37.06 nm/m和-5.85 nm/m。基于CO激光器抛光技术制备间断螺旋长周期光纤光栅（IS-LPFG）。由于存在双折射叠加机理,其扭转传感灵敏度能够达到0.15 nm/rad/m,同时光谱插入损耗仅0.1 d B。利用CO-LPFG和IS-LPFG探究了光缆受到弯曲和扭转形变时内部光纤的光谱响应。建立了光缆弯曲结构模型,根据光缆结构,结合实验数据分析了光纤传感器在光缆弯曲过程中的光谱响应特性。利用IS-LPFG探究光缆受到扭转形变时内部光纤的光谱变化。实验结果表明,在0-30 rad/m的扭转范围内,光缆外护层上施加的扭转对光缆内部光纤的光谱影响十分微弱,并通过一系列模拟实验分析了光缆结构对内部光纤免受扭转影响的保护机制。利用电弧改性的长周期光纤光栅（AR-LPFG）研究了绝对弯曲状态的传感监测方法。放电过程对原CO激光器制备的长周期光纤光栅（CO-LPFG）的折射率分布进行再次调制,使得原透射光谱出现多个谐振峰。利用谐振峰中心波长的移动距离的比值测量弯曲的绝对状态量。一系列对比实验证明,该判断方法具有较高的可靠性和稳定性。本文提出了对光缆弯曲和扭转状态监测的方法和对应的不同结构的长周期光纤光栅传感器。由CO激光器和电弧放电技术写入的长周期光纤光栅可以在实际应用领域中保持较好的稳定性和机械性。另外提出了一种基于谐振峰波长移动比值判定法的弯曲状态监测传感器,并通过一系列对比实验验证了其稳定性和可靠性。

关键词： 表面等离激元   折射率传感   自参考   光栅  

摘要： 基于表面等离激元的折射率传感因其具有高灵敏度、免样品标记、实时监测和可集成的优点而受到国内外科研工作者的广泛关注。然而,诸如温度、光机漂移和光源强度波动等的环境不稳定因素势必会降低检测单个信号以评估待测物折射率的传感精度。一个有效的解决方案是在传感结构中引入可监测外部环境影响的参考信号以矫正传感。此时,参考信号需随待测物折射率的变化表现出尽可能的稳定。本论文对基于表面等离激元的折射率传感及自参考折射率传感研究现状进行了详细介绍,对辅助研究内容的表面等离激元基本原理和二维时域有限差分研究方法做了必要阐述。本论文以在一定程度上克服当前自参考传感所面临的困难为目的,通过合理设计结构,开展了两种有其各自优势的表面等离激元改进结构的折射率传感研究工作。主要内容如下:1)基于金/硅互补光栅的自参考表面等离激元传感。结构采用待测物环境一侧垂直入射激发,理论分析和数值模拟证明了结构能够同时在其上下表面激发相互独立的一阶传播表面等离激元。两个传播表面等离激元分别与待测物环境和衬底产生广泛相互作用。金属层较厚时功能层下表面的模式被抑制,而传播于功能层上表面的模式实现了1.00～1.10折射率范围内1642 nm/RIU的灵敏度和409RIU的品质因数。更重要的是,金属层较薄时激发于功能层下表面对待测物环境完全不敏感的模式实现了0 nm/RIU的参考灵敏度。此时,传感模式在1.00～1.10折射率范围的灵敏度和品质因数分别可达1236 nm/RIU和145 RIU。结构还可以通过改变衬底材料进而在一定程度上实现参考信号的频域调控。2)基于玻璃衬底中镶嵌金光栅的自参考表面等离激元传感。鉴于第一种结构激发方式在一定程度上要求样品透明,第二种优化结构采用衬底一侧垂直入射激发。理论分析和数值模拟表明传播表面等离激元能够激发于以金薄膜为载体的上下表面,局域表面等离激元能够激发于以金光栅为载体的矩形单元周围。其中,在金薄膜下表面激发的两个不同衍射阶数耦合的传播表面等离激元对待测物环境完全不敏感,在两个共振波长处均实现了0 nm/RIU的参考灵敏度。而传播于金薄膜上表面与待测物具有广泛相互作用的模式在1.00～1.10的折射率范围实现了1001 nm/RIU的灵敏度和203 RIU的品质因数,以及更换衬底材料为BAF10后1.30～1.40折射率范围内998 nm/RIU的灵敏度和150 RIU的品质因数。

关键词： 平面光栅电弧发射光谱法   交流电弧发射光谱法   地球化学样品   银   硼   锡   钨片   排风风量  

摘要： Ag、B、Sn 3种元素在地球化学样品调查分析中占有独特的地位，然而B元素难挥发，Ag、Sn易挥发的特点决定了只能采用发射光谱法测定。在测定过程中，蒸发行为、钨片和排风风量等前处理方面因素对于其准确测定具有重要作用。以焦硫酸钾(KSO)、氟化钠(NaF)、三氧化二铝(AlO)、二氧化锗(GeO)和炭粉(C)为缓冲剂，锗(Ge)为内标，采用交流电弧发射光谱法，使用CCD-1平面光栅电弧发射光谱仪对影响地球化学样品中Ag、B、Sn的因素进行探讨。结果表明，易挥发元素Ag、Sn在14 s时谱线强度达到最大值，难挥发元素B在16 s时谱线强度达到最大值，摄谱最佳时间为30 s,钨片经过打磨和间隙的调整后，计算GBW07375、GBW07401和GBW07312等国家一级标准物质测定值的平均值与认定值的对数偏差(ΔlgC)和相对标准偏差(RSD,n=6)分别为0～0.02和2.30%～5.34%,满足正确度和精密度的要求。排风开至3/4风量时，计算GBW07375、GBW07401和GBW07312等国家一级标准物质测定值的平均值与认定值的对数偏差(ΔlgC)和相对标准偏差(RSD,n=6)分别为0～0.02和1.04%～8.32%。实验方法的正确度和精密度均满足要求，可用于地球化学样品中Ag、B和Sn的测定。

关键词： 光纤布拉格光栅解调   热导啁啾   背向传播神经网络   卷积神经网络  

摘要： 光纤传感因其灵敏度高、传输容量大、抗电磁干扰等特点,广泛应用于结构监测、医疗诊断、生化检测等方面。光纤布拉格光栅作为光纤传感和光纤通信中应用最广泛的无源器件,其依赖于精确的解调方案探测布拉格中心波长的漂移。现有的光纤布拉格光栅解调方案无法兼具高解调精度、高解调速度、大复用容量,大动态范围、高系统稳定性和低成本等优点。因此,本文提出一种基于热导啁啾和神经网络的光纤光栅解调方案,利用直接调制激光器内部脉冲热效应,低成本地获得小范围的光波长扫描,脉冲光在光路中经过光纤布拉格光栅滤波后,反射信号通过神经网络处理即可获得待测参量的变化。本文的研究内容及成果如下:(1)引入直接调制激光器的热导啁啾效应来获得波长扫描,利用多波长信息增强解调精度。对热导啁啾效应进行详细分析,从形成机理和理论仿真出发,构建激光器内部的热传导模型,并实验测量了热导啁啾的时间常数,结果与理论模型相符。利用激光器热导啁啾波长变化函数,指导后续系统器件的选择。(2)利用热导啁啾效应构建光纤布拉格光栅解调系统,并测量环境中的温度。首先构建系统的基本结构,并对系统中的硬件进行分析和优化,利用仿真设计和理论计算获得适当的装置参数;其次编写自动化控制软件,整合硬件工作信息和采集数据,实现温度自动控制、信息自动采集、网络自动训练等功能。最后,该方案能分辨温度和激光器能量的变化,并实现0.35℃的温度测量精度。这表明,基于热导啁啾和背向传播神经网络的光纤布拉格光栅解调系统,具有同时提高系统精度和稳定性的功能。(3)利用热导啁啾光纤布拉格光栅解调系统进行温度和磁场的交叉敏感探测。针对高采样率下的双参量反射脉冲波形,浅层神经网络结构下获得的数据具有固有误差,因此引入卷积神经网络处理更复杂的数据。使用格拉姆角场算法将一维时序信号转化为二维图像,并同时保留时间序列的强度信息。与浅层神经网络相比,卷积神经网络的解调精度和训练速度都获得了提升,在25～45℃和0～360 Gs交变环境下实现均方根误差为0.3℃和17.1 Gs的温度和磁场解调。

关键词： 衔接   词汇衔接   读后续写  

摘要： 自高考改革以来,读后续写作为一种新的写作类型已经在英语教学和研究领域引起了广泛关注。衔接是构成语篇的重要因素,也是读后续写的评分标准之一。而词汇衔接作为一种重要的衔接手段对英语写作教学也有着重要影响。越来越多的研究者将词汇衔接运用到语篇分析和英语教学中,但是较少有研究关注读后续写中的词汇衔接。基于Halliday和Hasan的词汇衔接理论及前人对词汇衔接的分析框架,本研究将词汇衔接分为:简单重复、复杂重复、同义词、反义词、上下义词/整体-部分关系词、概括词和搭配,旨在回答以下问题:(1)高中生读后续写中词汇衔接的分布特点如何?(2)各类词汇衔接手段数量和高中生读后续写作文成绩之间的关系如何?本研究以J省东南部某高中高三学生在一次期末考试中所写的89篇读后续写为研究样本,用定性和定量分析相结合的方式对高中生读后续写中的词汇衔接进行研究。首先,笔者使用Excel来统计样本中词汇衔接的使用频率。根据分数,再将86篇有效作文分为高分组和低分组来探索高低分组间七种词汇衔接使用频率排列顺序之间的差异;之后,笔者研究了各类词汇衔接数量和读后续写作文成绩之间的关系。结果表明:(1)高中生读后续写中使用了大量词汇衔接。具体来说,高中生在读后续写中最倾向于使用简单重复。同义词、复杂重复以及反义词也使用得较多。而搭配、上下义词/整体-部分关系词和概括词出现频率较低。此外,关于七类词汇衔接使用频率的排列顺序,在高低分组中,简单重复都是使用频率最高的手段,搭配、上下义词/整体-部分关系词和概括词都分别位于第五、第六和第七。至于另外三类词汇衔接手段,在高分组中,同义词使用频率位于第二,反义词和复杂重复跟随其后。而在低分组中,位于第二的是复杂重复,同义词和反义词则位列第三、第四。(2)基于量化数据,各类词汇衔接手段数量和读后续写作文成绩无显著相关性。但是,根据对个别作文的分析,不同分数的作文中的词汇衔接使用还是存在其他方面的差异。最后,本研究对英语教师的读后续写教学和评价提出了一些建议。一方面,英语教师自身应该具备系统的词汇衔接知识和意识。另一方面,英语教师可以进一步加强写作评价素养,在评分过程中更加重视被作为读后续写评分标准的衔接和词汇衔接,而不是过多关注语法层面。此外,教师应加强对复杂词汇衔接如同义词、概括词、上下义词/整体-部分词的教学以帮助学生掌握词汇衔接的整体构建,避免学生在作文中过度使用重复这一词汇衔接手段。

关键词： 光纤传感   光纤Bragg光栅   局域表面等离子体共振   犬瘟热病毒   免疫检测  

摘要： 生物传感器因结构设计简单、普适性高、精确可靠以及能在低浓度下对生物参量实现快速灵敏的检测等性能优势,已广泛应用于疾病的诊断与控制、对环境变化状况的监测与预测、药物的研制与改进及食品安全等方面。光纤Bragg光栅(FBG)作为无源光学器件的最典型代表,具有灵敏度高、结构简单、绝对测量、不受电磁干扰、体积小以及在临床应用中具有多路复用等优点,因此在生物医学检测领域具有应用潜力和科研实用价值。由于FBG栅区呈规则的的圆并且光栅周期较短,光能量只在纤芯正反向基模之间耦合,倏逝场不能透过包层与外界介质相互作用,因此利用氢氟酸(HF)溶液腐蚀,以去除光栅段的包层得到腐蚀型FBG(Etched-FBG),使其倏逝场能感知外界环境折射率(RI)的变化。为进一步提高FBG对周围环境的折射率灵敏度,通过硅烷偶联剂(APTES)在Etched-FBG表面固定大尺寸纳米金壳(Au NS),当FBG纤芯基模耦合到Au NS表面的光频率与Au NS外层的自由电子震荡频率相等时,将会激发出局域表面等离子效应(LSPR),制备一个在低折射率范围内具有高灵敏度的Etched-FBGLSPR的免疫传感器,并应用于犬瘟热病毒的检测。本课题的研究内容主要如下:(1)本文对国内外光纤光栅传感器和LSPR传感器的发展状况以及应用于生物传感的光纤光栅LSPR传感器进行了详细阐述。根据FBG的耦合理论、传感原理以及LSPR的传感原理,分析了Etched-FBG-LSPR传感器的光谱特性以及Au NS颗粒对LSPR效应的影响因素。(2)根据传感理论模型,利用仿真软件Mode Solutions对FBG、Etched-FBG的折射率灵敏度以及修饰大尺度Au NS改性后Etched-FBG的模场变化进行了仿真。仿真结果表明:Etched-FBG传感器的谐振波长折射率灵敏度为11.17 nm/RIU,谐振强度灵敏度为3.14 d B/RIU;在Etched-FBG传感器表面修饰Au NS后,使传感器的光损耗增加,同时展宽反射光谱。利用实验分析了Etched-FBG传感器和EtchedFBG-LSPR传感器的光谱变化情况,结果表明:用HF将FBG腐蚀至纤芯,其谐振波长发生蓝移(短波方向移动),在1.333到1.357折射率范围内,Etched-FBG传感器的谐振波长灵敏度为15.148 nm/RIU,谐振强度灵敏度为1.19 d B/RIU。在修饰Au NS后的Etched-FBG-LSPR传感器,由于受到了传感器表面的Au NS集体共振,产生了LSPR效应,从而导致了光波损耗,其谐振波长灵敏度为15.824 nm/RIU,谐振强度灵敏度为-21.123 d B/RIU,后者较前者提升～20倍;此时谐振强度衰减,强度灵敏度增强,反射光谱展宽,实验结果与仿真结果相吻合。修饰纳米金壳前后Etched-FBG传感器谐振波长灵敏度基本没变,但基于谐振强度的灵敏度提高了～20倍。(3)制作Etched-FBG-LSPR的犬瘟热病毒(CDV)免疫传感器。针对FBG的倏逝场与外界环境相互作用微弱的问题,用HF腐蚀FBG的栅区,随后在其表面涂覆一层Au NS颗粒,并修饰CDV抗体,得到Etched-FBG-LSPR免疫传感器,并应用于犬瘟热病毒检测。实验结果表明:该传感器对CDV抗原检测灵敏度为～-0.046d B/log(mg/m L),饱和浓度为～10μg/ml,检测极限低于50 pg/m L,检测范围为50pg/ml～10μg/ml。此外,利用禽流感(H9N2)抗原溶液、狂犬病毒(RV)抗原溶液、新城疫(ND)抗原溶液和CDV抗原溶液进行对照检测实验:实现结果表明即使在复杂环境当中,Etched-LSPR-FBG生物传感器仍然具有良好的特异性和临床性。