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关键词： 多测头组合式   激光光栅干涉   六自由度   测量模型   误差模型  

摘要： 激光光栅干涉测量技术是一种融合了激光干涉和光栅干涉原理的多自由度测量技术,既有光栅干涉测量的精度高、热惯性高的优势,又有空间光路短、对空气折射率不敏感的优点,能够有效避免空气环境下激光干涉测量精度受气流扰动的影响。因此,利用多个线位移激光光栅干涉测头实现的全干涉式位置姿态同步测量是超精密六自由度测量的一种优势方案,已应用于荷兰ASML公司研发生产的NXT系列深紫外浸没式光刻机中,是38 nm至7 nm制程芯片光刻的一项核心技术。但是该技术长期掌握在ASML等企业中,具体细节对外严格保密;而公开领域对该技术的研究尚不深入,尚未形成完善的多测头组合式激光光栅干涉测量六自由度位姿测量研究体系,存在以下三点问题:一是多测头组合式激光光栅干涉六自由度位姿测量方法模型尚未建立,被测位姿、测量基准与测头各轴数据之间的关系尚不清楚;二是现有多测头组合式激光光栅干涉六自由度位姿求解算法只考虑局部求解,缺少符合六自由度全局精确解算的显式解析式;三是激光光栅干涉传感测头各轴线位移测量受光栅偏摆影响,大范围、高精度的测量需求相互制约、难以兼顾。上述问题极大地阻碍了多测头组合式激光光栅干涉六自由度测量技术在超精密制造装备中的实际应用。因此,本文面向深紫外浸没式光刻机等国产高端装备制造等领域提出的高精度、大范围六自由度位置姿态测量需求,针对上述多测头组合式激光光栅干涉六自由度测量技术中存在的三点关键问题,从测量模型、解耦算法和旋转误差三个角度入手,对此种测量方法进行深入的理论探索与技术研究,主要包括以下三项具体工作:(1)针对多测头组合式激光光栅干涉六自由度位姿测量方法进行研究,首先提出了一种面向多测头组合式测量的二维线位移测量方法,在空间分离光路消除周期非线性误差的基础上,设计二次衍射光路结构实现光栅水平和垂向位移同时测量的功能;同时分析了光源频差对于激光光栅干涉测量的影响,当双频光路同时变化时,测量误差为10量级,在本研究中光路长度变化不大的纳米级测量情况下可以忽略。之后对多测头组合式布局及其间接测量光栅旋转角度原理进行了分析。经1024电子细分,所设计的激光光栅干涉测量系统在x、y、z向位移分辨力为0.244 nm、0.244 nm和0.171 nm;测头间距50 mm时,沿x、y、z轴的转角分辨力为4.88 nrad、4.88 nrad和3.42 nrad。(2)针对多测头组合式激光光栅干涉六自由度位姿测量模型与解算算法进行研究。首先结合激光波长、光栅栅距基准的空间几何特性明确了被测六自由度的定义,提出了等效旋转中心作为描述光栅空间运动的基点;提出了基于计量框架坐标系定义的无偏溯源角代替导航角描述光栅复合旋转,实现了光栅六自由度运动的精确表达。在此基础之上,建立起激光光栅干涉六自由度位姿测量模型,明确了光栅六自由度位姿与测头各轴干涉信号相位的关系,构建了六自由度位姿测量结果的显示表达。最后,对模型进行逆向求解,得到各轴干涉相位求取六自由度结果的精确解析式,实现了通过光栅转角对光栅刻线基准方向的修正,可有效补偿x、y向平移测量基准方向变化引起的的余弦误差和z向多光束测量引起的阿贝误差;仿真实验结果表明,所提出的算法可将位姿解算环节对线位移测量结果的影响控制在干涉测量误差的0.1%以下,有效避免了现有算法引入的微米级解算误差。(3)针对多测头组合式激光光栅干涉六自由度位姿测量旋转误差及补偿方法进行研究。首先利用空间矢量衍射方程建立起任意光栅姿态下的矢量光路追迹模型,得到光栅姿态与干涉信号强度、空间光路长度两参数的关系。之后对光栅姿态导致的干涉强度衰减量化分析,总结出提高测头结构角度范围的“短光路、宽光束”设计原则,并对具体测头结构进行优化;对光栅姿态对空间光路长度变化进行分析,指出光栅姿态变化会导致测头线位移测量误差,并根据实际光路结构推导得出补偿公式。按照所涉及的结构搭建原理样机进行实验,结果表明,在光栅偏摆±2 mrad范围内,所提出的方法不仅实现了面内面外二维线位移等精度测量,而且保证了每个单轴光栅测量精度达到5 nm,为兼顾高精度和大量程的六自由度位姿测量提供有效的测头方案。综上,本文对多测头组合式激光光栅干涉六自由度位姿测量方法及其测量模型、解算方法、大量程高容差兼顾的测头方案展开研究,为超精密六自由度光栅干涉测量领域提供了理论和技术基础,在深紫外浸没式光刻机等国产高端装备制造领域具有重要的应用价值。

关键词： 柱矢量光束   负折射   高阶衍射   结构优化  

摘要： 柱矢量光束具有柱对称偏振和强度分布的特性,使其受到广大研究者的广泛关注。柱矢量光束在光陷阱、光操纵、光通信和表面等离激元等领域有着广泛的应用。人们一直追求对聚焦场的灵活调控。其中,传统透镜难以实现对柱矢量光束的紧密聚焦,限制了焦场调控的灵活性。由介质交替排列构成的光子晶体透镜难以实现对任意偏振光的紧聚焦。在光子晶体透镜的启发下,提出一种具有柱对称结构的全介质负折射光栅透镜。全介质负折射光栅透镜基于-1级衍射的负折射效应及等光程原理实现了对偏振光的亚波长聚焦。该光栅透镜有效克服了光子晶体透镜中的缺陷,其由单一介质材料构成,结构设计简便,有效提高了聚焦场的聚焦质量。本文主要对全介质负折射光栅透镜的聚焦进行了研究,从而得到可以突破衍射极限的高质量焦点。在单焦点聚焦透镜中,研究分析了光栅透镜等效负折射率和预设焦距对聚焦效果的影响。等效负折射率的变化会影响焦点实际位置,当预设焦距变化时,焦点尺寸也随之变化。当等效负折射率为-1时,实际焦距最接近预设焦距,并且此时焦点尺寸最小。为进一步提高聚焦质量,讨论了高阶衍射对聚焦性能的影响。研究发现,光栅透镜大周期部分会产生高阶衍射,影响焦点聚焦位置及焦点质量。为此优化了光栅透镜结构,优化后焦场中次级焦点消失、焦点聚焦位置得以修正、焦点能量有所提升,焦场性能有所改善。在研究光栅透镜单焦点聚焦的基础上,继续分析光栅透镜双焦点聚焦特性。对全介质负折射光栅透镜结构进行优化的同时还研究分析了光栅透镜各参数对聚焦效果的影响。因双焦点光栅透镜结构的特点,优化过程分为两步,优化后双焦点的分辨率、焦距的准确性和能量分布均有所提升,证实了优化方案的可行性。在此基础上继续研究全介质负折射光栅透镜的介质折射率、等效负折射率和入射光参数对焦场质量的影响。结果显示,在所研究范围内当介质折射率为2.2时焦点在焦场中聚焦有较高的准确性;等效负折射率为-1时,焦点的实际焦距偏移量最小,焦场中焦点的分辨率较高,可以在焦场内出现清晰的双焦点;入射光中不同偏振组分会对焦点形貌产生影响,对这些参数的深入分析有利于实现对聚焦场的灵活调控。本文的研究结果表明,利用负折射效应可以实现入射光的聚焦。高阶衍射会对焦点聚焦产生影响,通过优化光栅透镜结构可以提升焦场的质量,实现多焦点可分辨的全介质负折射光栅透镜。对结构参数的进一步分析,也为焦场的灵活调控提供了研究方法和思路。本文提到对光栅透镜的分析和设计方案为微纳结构的设计、光场调控和光摄等提供了思路。

关键词： 光子集成技术   长周期光栅   模斑转换器   耦合损耗  

摘要： 目前全球信息技术空前活跃,在各种大数据应用的推动下,数据流量出现爆发式增长,必须不断提高光子集成技术才能满足市场对通信速率和带宽的高需求。虽然光子集成技术已经掀起了十几年的研究热潮,但是目前仍处于初级阶段,打破光子集成领域的瓶颈,实现光子集成器件的创新势在必行。光子集成材料的种类丰富多样,主要包括铌酸锂(Li Nb O,LN)薄膜、绝缘体上的硅(Silicon On Insulator,SOI)和氮化硅(SiN)薄膜等,它们具有折射率对比度高、波导弯曲半径小和传输损耗低等优势。通常,基于这些平台制作的波导的截面尺寸都属于纳米级别,远小于普通单模光纤的截面尺寸,这导致纳米波导模式的模场与光纤模式的模场严重失配,从而极大地增加光纤-纳米波导的耦合损耗。有效降低这种耦合损耗,是光子集成技术发展的必经之路。目前主流的解决方案包括边缘耦合器和垂直光栅耦合器,这些器件都存在一些难以解决的问题,比如光刻工艺精度要求严苛、制作工艺复杂和封装难度大等。针对这些问题本文提出了一种结构新颖的长周期光栅(Long Period Grating,LPG)模斑转换器。论文的主要工作如下:首先,介绍了研究光纤-纳米波导耦合器对光子集成发展的重要意义,然后介绍了边缘耦合器与垂直光栅耦合器在国内外的研究现状,然后在此基础上提出本文的长周期光栅模斑转换器。其次,介绍了与长周期光栅模斑转换器相关的理论知识,包括条形波导和脊形波导的理论分析、模式的对接耦合理论、长周期光栅的模式耦合理论和聚合物光波导的热光效应等。然后,结合理论知识和光学仿真软件对器件进行了数值分析,计算了氮化硅脊形波导和聚合物Epo Core包层条形的尺寸,以及长周期光栅的周期和长度等参数。模拟仿真了器件的光学传播特性,得到了器件沿传输方向的模场分布和透射光谱图。然后根据数值仿真结果,绘制了芯层波导、包层波导和长周期光栅掩模版。最后,介绍了器件制作的工艺流程,并对器件进行了通光和插入损耗测试。实验结果表明,长周期光栅的转换效率高达90%,长周期光栅模斑转换器可以将超高数值孔径光纤(Ultra-High Numerical Aperture Fiber,UHNAF)的LP模式与氮化硅脊形波导的E模式之间的耦合效率提高约9.1%。

关键词： 功能磁共振成像   张量分解   自闭症谱系障碍亚型   大脑活动模式分解  

摘要： 随着社会的发展与医疗水平的进步,人们对精神类疾病的重视程度也逐渐增长。自闭症谱系障碍(Autism Spectrum Disorder,ASD)作为精神类疾病中的典型代表,是精神类疾病研究的重要课题之一。ASD患者面临社交、语言、行动等多方面的障碍,生活上面临巨大压力与痛苦。ASD是一种广泛发育障碍,包括典型自闭症、阿斯伯格综合征、非典型自闭症等多种亚型,虽然目前将ASD作为整体进行分析的研究较为丰富但对其亚型的分析与分类研究还很少,缺少一种既能用于分析又能用于分类的算法。张量分解作为数据分析方法中的典型代表,能提取出功能磁共振数据中的大脑活动特征。因此,本文提出了一种基于张量分解的ASD亚型大脑活动模式分解方法。该方法首先利用塔克分解构建了三种ASD亚型患者的组水平动态功能连接矩阵。随后利用平行因子分解方法构建出三种ASD亚型的多种大脑活动模式。然后对这些大脑活动模式进行整合并再次进行塔克分解获得融合特征图谱。最后对特征图谱进行分类,取得了较好的分类结果。该研究的贡献如下:1.提出了ASD三种亚型的多种大脑活动模式。每个大脑活动模式内的节点相互独立,解决了功能连接矩阵各个节点间相互耦合的问题。同时,对三种亚型的大脑活动特点进行了对比分析,为ASD亚型的病理机制提供了可能的理论佐证。2.提出了一种对ASD亚型分析与分类相统一的模型。基于大脑活动模式信息与时间信息构建融合特征图谱并分别使用脑网络卷积神经网络深度学习模型和包括支持向量机、线性判别分析、K近邻在内的传统机器学习模型对ASD亚型进行分类。该方法在深度学习模型中取得了71.82%的准确率,并优于传统机器学习方法的分类效果。此外,本文进一步验证了融合特征的有效性,为ASD亚型分析与分类的相互结合提供了一种新的方法。本文的研究成果证实了使用张量分解进行大脑活动模式分解的优越性,该研究提出的大脑活动模式为ASD亚型在功能磁共振成像数据方面的研究提供了新思路,对患者的诊断与治疗具有重要意义。

关键词： 光纤传感   灵敏度检测   系统集成   图像处理  

摘要： 近些年来,随着光纤传感技术的不断发展,光纤传感器在实际工程领域中的应用越来越广泛。各种基于不同传感机理的新型光纤传感器不断被提出,与此同时,针对新型光纤传感器传感特性的新式检测技术也在不断的发展。研制可以对光纤光栅传感器的传感特性进行检测的设备,对新型光纤传感器在实用化过程中封装技术和数据处理方法的选取具备实际的指导意义。本文首先介绍了目前对光纤传感器传感特性的评价方法,主要包括对光纤传感器弯曲、应变、扭转、磁场响应特性的测量原理及装置,分析了测量方法与装置存在的优缺点。然后在这些测量装置的基础上进行了优化改进,设计出更合理、更高精度的光纤光栅传感器灵敏度检测方法。针对光纤光栅传感器的应变传感特性检测模块,分辨率达到了1μm;扭转传感特性检测模块的分辨率达到了0.18°;弯曲传感特性检测模块中使用推进法施加弯曲与图像处理算法计算曲率相结合的方法,可以对光纤传感器进行低应变串扰、大弯曲半径的弯曲传感特性检测;磁场传感特性检测模块中使用了亥姆霍兹线圈和程控电源来生成较大范围均匀可控磁场,可对实验制备的磁流变液填充型长周期光纤光栅的磁场响应特性进行检测。最后将各个模块有机集成在一起,构成了具有更高集成度和精度的光纤光栅力学及磁场传感特性评价系统的机械硬件部分,可对光纤光栅的力学及磁场传感特性进行同时或者分别检测。然后针对上述系统中各模块的控制和驱动,设计了以STM32微控制器和TB6600步进电机驱动芯片为基础的光纤传感器传感特性评价系统的硬件控制电路。根据各个模块需要实现的功能对STM32微控制器进行具体的下位机编程,包括系统的步进电机驱动、数据采集以及和上位机软件进行通信。然后考虑到人机交互操作可以大大简化实验操作流程,设计了基于Labview平台的上位机控制软件,主要实现对下位机控制参数的设置、与光谱仪进行通信、图像采集及处理等功能。电路控制部分与软件控制部分共同构成了光纤光栅力学及磁场传感特性评价系统的控制部分。最后对机械系统进行装配,对控制电路部分进行封装,结合光谱仪和超连续谱光源,搭建出对光纤传感器光谱在线监测系统。通过本设计对现有不同工艺制备的新型光纤传感器的各参数灵敏度进行研究,对传感器的传感性能进行分析评价。

关键词： 光纤光栅   海洋温深传感器   弹性膜片   海洋探测  

摘要： 投弃式温深仪(Expendable Bathythermograph简称XBT)是海洋温深剖面数据探测的基本设备,但其核心技术和产品几乎由美国Sippican公司和日本TSK公司垄断,进口的XBT价格高达2000元/枚。随着我国社会经济的发展,在海洋经济、海洋生态、海洋军事等领域XBT的需求越来越多,国家海洋技术中心、声学所东海站、西安天合防务公司、山东省科学院海洋仪器仪表研究所、北京星天海洋公司等单位自主研发了达到产业化水平的XBT,打破了国外垄断现状,将XBT的价格降低到了 1000元/枚。但国产XBT与国外产品相比仍有一些差距,且XBT存在深度为计算值,受海况影响大;电磁等干扰因素导致误码率较高;漆包线工艺有待提高和温度响应速度慢等缺点。针对上述问题,本文设计了一种体积小、结构简单、深度测量精确、本征绝缘、抗电磁干扰的双光纤光栅(Fiber Bragg Grating简称FBG)级联的海洋温深传感器。利用膜片式光纤光栅(FBG1)增敏结构实现海水压力(深度)测量的同时,级联用于测量温度的光纤光栅(FBG2)完成海水温度探测。利用有限元分析法,对基于光纤光栅的温深传感器及其增敏结构进行了仿真设计和优化,通过理论公式计算得到温深传感器的压力灵敏度约为-1.267nm/MPa。而当光纤通过细金属管固定在弹性膜片上,同时对光纤施加预应力使光纤光栅的波长漂移2.5nm后,仿真得到温深传感器的压力灵敏度约为-1.423nm/MPa,验证了温深传感器结构设计的合理性。利用激光焊接工艺制作出基于光纤光栅的海洋温深传感器S1、S2,在实验室中对温深传感器S1、S2进行了温度和压力的标定实验,5～30℃温度范围内,温深传感器S1、S2的平均温度灵敏度分别是14.765pm/℃、13.705pm/℃,升降温曲线的线性度达99.9%以上;在0.1～0.6MPa压力范围内,温深传感器S1和S2的平均压力灵敏度分别为-2.75586nm/MPa、-3.00472nm/MPa,升降压曲线的线性度达99.99%以上,且重合度较好。之后用封装好的温深传感器S1、S2在威海对海水的温度和深度进行实测,同时用美国海鸟公司生产的SEA911plus温盐深仪在同一地点与研制的温深传感器S1、S2进行了比测,实验发现通过SEA911plus温盐深仪所测的温深数据点与通过温深传感器S1、S2所测的温深剖面曲线分布趋势一致。另外,将研制的温深传感器S1、S2的技术参数与国内外研发的XBT产品的技术参数对比后发现,温深传感器的温度分辨率虽然略低于XBT,但深度分辨率明显比XBT高一个数量级,且没有温度延迟现象。此次海试验证了将光纤光栅海洋温深传感器用于获取海水温深数据的可行性,研制的海洋温深传感器与XBT相比具有优势,在海洋温深剖面探测领域具有广阔的应用前景。

关键词： 聚合物光纤   对接耦合   马赫曾德干涉   光纤布拉格光栅  

摘要： 近年来,基于单模聚合物光纤(polymer optical fiber,POF)的传感器制作与应用已成为学术界的研究热点。与传统的石英光纤(silica optical fiber,SOF)相比,POF具有很多优势,如硬度较小、柔韧性更好、热光系数更大、杨氏模量更小、具有固有的生物相容性等。由于单模POF与单模石英光纤之间没有商用连接器,我们引入了一种投影成像方法,将单模POF与单模SOF对准,然后在连接点处用紫外(UV)胶进行永久连接。本文提出了两种基于单模POF的传感器,第一种是基于单模微结构POF(microstructured POF,m POF)和马赫曾德(Mach-Zehnder,M-Z)干涉仪结构,对温度和应变进行测量。首先,一束波长为632.8 nm的He-Ne激光束被耦合进SOF中。然后,激光被1×2光纤耦合器一分为二,分别进入M-Z干涉仪的传感臂和参考臂。在传感臂中插入一段聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)m POF用于温度与应变传感。在末端将传感臂和参考臂光纤平行靠近产生干涉条纹,并由CCD摄像机记录条纹变化。对于非退火光纤,温度上升时灵敏度为25.5条/℃,温度下降时灵敏度为20.6条/℃。为解决灵敏度不一致的问题,将聚合物光纤在125℃下退火36 h,在完成热处理的同一天测得温度上升和下降时灵敏度分别为16.8条/℃和21.3条/℃。一个月后,温度上升和下降灵敏度均为～20.7条/℃,线性响应得到改善。对于非退火光纤的应变测量,应变增大和减小时灵敏度均为～1463条/%ε,具有很好的线性度。经过计算,光纤轴向力灵敏度为～2886条/N,力测量分辨率为～3.47×10 N。第二种是基于单模阶跃折射率POF和光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG),对湿度与应变进行测量。在FBG刻写之前,POF在80℃的烘箱中被加热两天以便释放光纤中的应力。利用266 nm激光脉冲和相位掩模技术,在掺杂2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮(benzyl dimethyl ketal,BDK)的光敏聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate),PMMA)POF上刻写FBG。我们使用脉冲能量为1.4 m J、2.4 m J和3.7m J的单脉冲激光分别获得反射率为8.5%,92.9%和97.1%的FBG(长度4 mm)。然而,一天后,FBG反射率几乎降至0。接着,POF被再次放入80℃的烘箱内再次退火一天,之后FBG变得稳定,反射率分别为1.8%,51.4%和78.3%。刻写之后,FBG被用于湿度和应变传感。在温度25℃保持不变时,湿度灵敏度分别为0.068 nm/%RH(上升时)和0.074 nm/%RH(下降时)。FBG应变灵敏度分别为18.0 nm/%ε(拉伸)和17.9 nm/%ε(收缩)。