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关键词： 柔性PDLC光栅   电控特性   衍射效率   曲率半径   响应时间   温度监控  

摘要： 衍射光栅是具有周期性折射率调制的重要色散光学元件。随着科技的进步,对光栅灵活性的要求越来越高,探究制备工艺简单、低成本、高效可调的柔性光栅是非常有必要的。液晶具有介电和光学各向异性,是制备具有电可调功能衍射光栅的良好候选者。本文提出了利用聚合物分散液晶(PDLC)和ITO-PET柔性基板制备一维、二维柔性PDLC光栅。首先,运用标量衍射理论分别推导出柔性PDLC光栅衍射效率的表达式,并用Matlab进行了数值模拟。在数值模拟的过程中通过控制变量的方法,得到光栅的衍射效率随液晶折射率和柔性盒盒厚的增大呈现先增大再降低的周期性分布,最大衍射效率为30.4%。当柔性PDLC光栅的曲率半径分别为2 cm、3 cm、4 cm、5 cm时,光栅的衍射效率几乎不变;当其曲率半径小于1 cm时,光栅边缘处的衍射效率逐渐降低。其次,利用聚合物诱导相分离方法制得一维、二维柔性PDLC光栅。其在不同曲率半径下均可通过外加电场实现光栅衍射级次的调制,并且还具有低驱动电压、低饱和电压和快速响应的特点。一维柔性PDLC光栅的驱动电压和饱和电压分别为0.8 V和12 V,其上升和下降时间分别为3.225 ms、98.29 ms,中心处的一级衍射效率为9.1%。二维柔性PDLC光栅的驱动电压和饱和电压分别为2.5 V、16.5 V,其上升和下降时间分别为3.362 ms、75.46 ms,中心处的一级衍射效率为7.58%。最后,通过实验证明了柔性PDLC光栅不仅可以实现分光还可以实现温度监控的功能。在20-55℃温度范围内,测得该光栅在不同电压、不同频率及不同曲率半径下的电容变化率、电阻变化率、ln(RC)与温度的关系。结果表明:ln(RC)作为测温变量可以在降低功耗的同时提高测温精度。在1 V、500 Hz时,其灵敏度在25℃可达-4.42%/℃;弯曲后ln(RC)与温度仍有较高的线性拟合度。此外,通过对其进行性能测试,证明了它具有稳定性好、恢复性佳、耐用性好等优点。

关键词： 循环四能级原子系统   增益相位光栅   弱信号场能量放大   全光调制技术   全光逻辑门  

摘要： 近年来，全光调制作为全光通信网络的重要基础技术受到研究人员的广泛关注。通过研究，人们发现了一种电磁感应光栅，其独特的光学特性，可以用于实现主动控制的全光开关、全光路由、全光逻辑门等光学器件。本文主要研究了一种循环四能级原子系统中的增益相位光栅效应，该光栅可以将弱信号场能量放大，具有很强的衍射能力，而且调控过程中有可控的阈值，可用于实现基于光栅特性的全光调制。　　本文的研究内容分为以下三个部分：　　1.介绍了光信息网络中的光调制技术，包括传统光调制和全光调制技术。在光与原子相互作用产生的电磁感应透明效应中，原子介质对于探测光的吸收和色散特性可以通过耦合光来控制，因此可以将电磁感应透明效应应用于全光调制。　　2.分析讨论了光与N型四能级原子相互作用时，在不同条件下形成的三种光栅效应：电磁感应相位光栅、主动拉曼增益相位光栅、近共振增益相位光栅。当只有振幅调制时，电磁感应相位光栅的零阶衍射效率为97%，一阶和高阶衍射效率几乎为零，信号场能量没有被放大，而主动拉曼增益相位光栅和近共振增益相位光栅的信号场能量分别被放大了4.7倍和4倍，因此光栅系统中的增益机制可以将信号场的能量放大。当加入相位调制后，光栅零阶衍射方向的能量会被转移到高阶衍射方向，增大了光栅的高阶衍射效率，例如电磁感应相位光栅、主动拉曼增益相位光栅和近共振增益相位光栅的一阶衍射效率分别增加了34%、44%和76%。　　3.研究了一个循环四能级原子系统中的增益相位光栅效应，分析了抽运场、调制场和耦合场对信号场衍射强度的作用。结果表明，合适的抽运场、调制场和耦合场共同作用，使得信号场产生增益。只有振幅调制时，信号场的能量被放大约19倍，加入相位调制后，能量从零阶衍射方向转移到高阶衍射方向，一阶衍射效率可达427%。此外，在调制过程中抽运场强度存在阈值。该光栅在全光开关、全光调制、全光逻辑门等新型光子器件中具有重要的应用。

关键词： 咀嚼肌   扩散张量成像   不同颌位   可重复性  

摘要： 目的:探讨扩散张量成像（DTI,diffusion tensor imaging）评价不同颌位咀嚼肌形态和功能的可行性及可重复性。材料和方法:分析20名成年健康志愿者的影像学资料。所有健康志愿者均分别于颌骨处于姿势位、开口位和ICP紧咬位（clenching in the intercuspal position,ICP clench）时,行DTI及3DT1成像检查。并于7～9天后对其中的10名志愿者进行三个不同颌位的第二次扫描。计算咀嚼肌（咬肌、翼外肌、翼内肌、颞肌）在不同颌位的各向异性分数（fractional anisotropy,FA）、平均扩散系数（mean diffusivity,MD）、三个特征值（λ、λ、λ）和平均肌纤维束长度(fiber length,)),采用配对样本t检验和Wilcoxon符号秩和检验比较不同颌位咀嚼肌扩散参数差异。计算两次测量扩散张量参数的可重复性,用变异系数（coefficient of variation,CV）和成对差值的标准差来评价两次测量的可重复性,CV小于10%时认为重复性是良好的。结果:（1）咬肌:与姿势位比较,开口位的FA增加19.8%（P<0.05）,而MD、λ和λ分别减少10.6%、12.4%和16.5%（P<0.05）;两组间的λ和)差异无统计学意义（P>0.05）。同样与姿势位比较,ICP紧咬位)减少6.1%（P=0.019）;两组间的FA、MD、λ、λ和λ差异无统计学意义（P>0.05）。（2）翼外肌:与姿势位比较,开口位的MD、λ、λ和λ分别增加17.0%、14.6%、18.6%和18.8%（P<0.05）,而FA和)分别减少12.3%和12.4%（P<0.05）。同样与姿势位比较,ICP紧咬位MD、λ、λ、λ以及)减少9.4%、9.9%、9.1%、9.4%、6.6%（P<0.05）;两组间的FA差异无统计学意义（P=0.335）。（3）翼内肌:与姿势位比较,开口位的FA增加了11.7%（P=0.005）;两组间的其他扩散张量参数(MD、λ、λ、λ及))差异无统计学意义（P>0.05）。同样与姿势位比较,ICP紧咬位)减少12.6%（P<0.05）;两组间的其他扩散张量参数（MD、FA、λ、λ、λ）差异无统计学意义（P>0.05）。（4）颞肌:与姿势位比较,开口位的MD、λ、λ分别减少6.0%、7.8%、11.6%（P<0.05）,而FA、)增加21.4%、17.2%（P<0.05）;两组间的λ差异无统计学意义（P=0.491）。同样与姿势位比较,ICP紧咬位λ减少4.4%（P<0.05）;两组间的其他扩散张量参数(MD、FA、λ、λ以及))差异无统计学意义（P>0.05）。（5）姿势位时,所有的差值标准差和变异系数非常低,咀嚼肌的所有扩散参数（平均CV为2.767%,范围1.06%～8.56%）和纤维束长度（平均CV为2.99%,范围2.02%～4.12%）具有很高的可重复性。开口位时,整体咀嚼肌的所有扩散张量参数（平均CV为2.871%,范围0.8%～10.43%）和纤维束长度（平均CV为3.915%,范围1.49%～8.58%）具有很高的可重复性。紧咬位时,整体咀嚼肌的所有扩散张量参数（平均CV为17.976%,范围2.4%～97.48%）的可重复性性较差,但纤维束长度（平均CV为7.54%,范围2.19%～17.91%）具有较高的可重复性。结论:3.0T的DTI在测量姿势位和开口位咀嚼肌的扩散张量参数时可重复性良好,但ICP紧咬位的可重复性较差。此外,扩散张量参数对咀嚼肌在不同颌位运动中的形态和功能变化敏感,并且它的改变能够反应不同颌位引起的肌纤维结构变化,这为DTI研究咀嚼肌的病理（生理）状态奠定了基础。

关键词： 红外小目标检测   图像增强   去雾模型   张量恢复  

摘要： 随着近年来红外成像技术的进步,红外小目标检测逐步从军事领域扩展到交通、安全防护、医疗、工程施工、紧急救援等诸多民用领域。当前大部分的研究成果聚焦于单帧图像的红外小目标或序列的红外小目标,红外数据库少,同时关注图像特征和检测对象的融合研究少有涉及。在应用中,红外热成像系统固有的成像机理会造成图像缺失色彩信息、质量差等问题,此外受限于成像距离、大气传输等因素,导致红外图像对比度低、图像模糊以及视觉效果差,与可见光的多雾图像相近。在检测对象方面,小目标外观形态复杂和纹理形状缺失使得小目标常淹没在复杂背景中(如厚云层、建筑、树木及高亮辐射源)。为此,本文从红外热像仪、图像和检测对象的基本特点出发,重点研究了可见光图像的去雾算法在红外图像上的迁移应用,并结合张量分析理论展开研究工作,主要工作归结如下:第一,针对红外图像对比度低、模糊和视觉效果差的问题,提出基于去雾增强模型的红外图像清晰化算法。受可见光图像去雾的启发,结合红外图像特点,以大气散射模型为理论基础,通过改进的暗通道先验算法去除造成红外图像模糊的成分,实现红外图像清晰化,从而改善视觉效果。第二,针对红外数据库少的问题,采用红外热成像设备和无人机构建红外小目标数据集。为提高算法检测精度,减少算法复杂度,提出基于去雾增强和张量分析的红外小目标检测算法。首先利用改进的暗通道算法对红外图像去雾增强,提高图像清晰度并增强图像的低秩性,再筛选匹配的张量正面切片去构建红外块张量模型,在张量奇异值分解的框架下,将小目标检测转化为张量恢复的研究;最后采用一种快速算法求解目标函数。所提去雾模型有效解决了红外图像中“薄雾”问题,增强图像低秩性,改进算法的局部对比度和清晰度相较于原图像显著提高。实验证明,所提算法能够有效抑制背景杂波,在构建的数据集和公开数据集都取得较优的检测准确率,复杂背景下的误检率可降低33%,在高亮背景区域中检测性能良好,表明该算法适用于复杂场景,剔除潜在虚警点。

关键词： 阵列波导光栅   集成光子器件   聚合物波导   波分复用器件  

摘要： 随着通信行业的发展,通信网络中传输的数据量正以指数级速度增长,现有的电子通信方案已趋近于传输极限,光通信技术以其较为成熟的波分复用技术(WDM)成为有效解决当前问题的方案。阵列波导光栅(AWG)是一个波分复用设备,常用在WDM系统中。该器件使用平面波导回路(PLC)技术完成制备,具有低插入损耗、高信号平坦性和易于集成等优点。基于聚合物材料的AWG具有性价比高、工艺简单和易于多层制备的优点,本文选用聚合物波导平台进行三维光子器件的研制,并成功设计制备了双层AWG器件,主要工作内容概括如下:首先论述光波导和AWG的理论,给出了AWG器件的设计参数和功能指标,为后续的仿真设计和测试分析提供了理论根据。其次使用有效折射率法对AWG器件进行了模拟仿真和参数优化。设计了4个具有不同中心波长的40通道AWG器件,器件波长间隔为200 GHz,并通过对其结构布局的设计实现了在同一块芯片上分上下两层集成4个AWG的光刻掩模版,通过创新的中心镜像对称设计,设计使用同一块掩模版经过旋转进行两次光刻的版图。最后进行了双层制备工艺并进行芯片性能测试。本文选用韩国ChemOptics公司ZPU-12系列紫外固化聚合物作为本设计的制备材料,针对光刻负胶使用了二次光刻的制备工艺,成功研制出了通道间隔为200 GHz的双层AWG器件,单个芯片尺寸为1 cm×3 cm,并进行了性能测试。最终测试结果显示,AWG芯片插入损耗在3.26 dB～4.65 dB,整体带宽为112 nm,插入损耗变化小于1.4 dB。

关键词： 水体悬浮颗粒物   静态光散射   CMOS图像采集   PMT探测器   粒度测量  

摘要： 水体悬浮颗粒物是各种污染物重要富集载体，其粒径水平是水环境污染监测的关键指标之一，实现水体悬浮颗粒物粒度的自动在线测量，对水质监测评估及水生态环境保护起着至关重要的作用。静态光散射法具有测量快速、动态范围宽、自动化程度高等优势，已成为水体悬浮颗粒物粒度快速在线测量的主流技术。然而，现有散射光探测技术受限于探测器结构与尺寸大小，致使粒度测量精度低及动态范围窄。论文重点开展了大动态范围、高角分辨率散射光探测技术研究，完成主要研究工作与取得成果如下：　　（1）基于Mie散射理论，推导了光电探测器散射光能分布与颗粒粒度分布关系;针对大粒径颗粒前向散射光探测中环形光电探测器分辨率低、操作繁琐的问题，提出了基于高分辨CMOS图像传感器的前向小角度散射光探测方法;针对小粒径颗粒侧向和后向散射光探测中多探测器阵列分辨率低、结构复杂的问题，提出了大角度散射光采用光电倍增管（PMT）单探测器多角度连续扫描测量方法。　　（2）完成了基于IMX294图像传感器与CX3核心控制器的图像采集系统硬件与驱动软件设计，实现了高分辨率的散射图像的采集。为了提高前向小角度散射光测量系统的粒径测量下限，提出了双CMOS拼接探测结构，研究了双CMOS传感器的散射光图像拼接方法，实现了从散射图像到样品的散射谱的获取;提出了一种消除背景干扰的CMOS探测器分环方式，提高了基于CMOS探测器的大粒径颗粒粒度测量系统的测量上限;搭建的双CMOS散射光探测系统实现了1000μm至2μm水体悬浮颗粒物粒度的准确测量，其中1000μm、500μm、120μm、9.86μm、5μm和2μm标样D50测量相对误差分别为0.7%、0.1%、2.1%、2.2%、1.4%和2.6%。　　（3）完成了基于PMT单探测器电机扫描和微弱光信号高灵敏检测的大角度散射光采集电路设计，实现了侧向与后向散射光高角分辨率测量。实验结果表明，2μm、1.5μm、0.5μm和0.3μm标样的D50测量相对误差分别为17.7%、1.3%、4.0%和5.7%。　　根据设计的小角度双CMOS与大角度PMT单探测器连续扫描模块搭建多角度散射光探测系统，为基于静态光散射的水体悬浮颗粒物大范围粒度准确测量提供技术基础。

关键词： 布尔网络   矩阵半张量积   牵制控制   可观测性   镇定性  

摘要： 随着生物医学与系统科学的快速发展,布尔网络不仅是描述基因调控网络的有效工具,而且广泛应用于智能电网、交通网络等研究领域.应用矩阵的半张量积,布尔网络转化为离散时间线性系统,从而促进了逻辑动态系统的研究,推动了现代控制理论的进一步发展.借助于矩阵半张量积,本文研究了布尔控制网络的可观测性,概率布尔网络的镇定性及其扰动分析问题.具体内容如下.1.研究带多个信道布尔控制网络的可观测性问题.利用矩阵的半张量积,给出带多个信道的布尔控制网络的代数表示.基于该代数表示,验证了自由控制序列与状态反馈控制下布尔控制网络可观测的充分必要条件,进一步给出可观测的反馈控制矩阵算法.2.研究概率布尔网络牵制鲁棒镇定性问题.应用矩阵的半张量积,给出带有干扰的概率布尔网络的代数表示.通过设计牵制控制器,改变状态概率转移矩阵的列,得到鲁棒镇定的概率布尔网络,验证了牵制反馈矩阵的可解性并得到牵制控制器的设计算法.3.研究概率布尔网络牵制镇定性的扰动分析问题.应用矩阵的半张量积,给出概率布尔网络在牵制控制下的代数表示.在此基础上,通过构造一个参数集,给出确定性函数扰动下,概率布尔网络保持有限时间牵制镇定与变为渐近镇定的条件.

关键词： 交通数据恢复   时空约束   异常检测   张量理论   深度展开  

摘要： 随着科学技术的进步,机动车的数量持续增加,交通问题日益明显。由于传感器的故障和网络延时,数据缺失和异常是智能交通系统中越来越常见的问题。数据缺失和异常对智能交通系统在交通管理和规划方面的应用影响巨大,例如交通数据采集和交通疏导,数据污染会降低智能交通系统进行交通指导和规划的准确性和可靠性。虽然基于矩阵和张量的方法在数据恢复方面取得了有效的成果,但这些方法某些情况下不能挖掘数据的高维特征和缺乏相应的约束条件,恢复精度还是受到了不同程度的影响。利用完整的交通数据可以准确的对交通状况进行分析,减缓城市道路拥堵状况,方便人们的出行。因此,研究出一种精确且高效的交通数据恢复方法是具有现实意义和学术价值的。 针对以上问题,本文提出了一种基于张量理论的交通数据恢复算法,将交通数据构造成一个三阶张量,交通数据存在明显的时空相关性,构造相应时空约束可以提高交通数据的恢复性能。另外提出了一种基于深度展开的交通数据恢复方法,将提出的算法展开到神经网络中训练,从训练中获取最优的参数,进一步提高数据的恢复精度。本文的主要研究内容如下: (1)为有效挖掘交通数据潜在的时空相关性并提高数据恢复精度,提出一种时空张量鲁棒主成分分析算法。首先利用拉普拉斯矩阵和托普利兹矩阵分别构造空间约束张量和时间约束张量,然后基于张量鲁棒主成分分析方法,建立凸优化数学模型,同时引入低秩张量分解降低算法的复杂度。最后利用交替方向乘子法对所提出的优化问题进行迭代求解,将复杂的求解问题转化成多个具有封闭解的子问题,并设置异常阈值来实现数据异常检测。实验表明,本文提出的算法即使数据严重损坏也具有最佳的数据恢复和异常检测性能。 (2)为充分利用神经网络高效的学习能力和进一步提升数据恢复精度,提出基于深度展开的交通数据恢复方法,该方法将迭代算法与神经网络相结合。本文将提出的算法展开到神经网络中训练,将时空约束的构造用卷积层代替,通过优化损失函数调整网络参数,最后将训练的模型用于交通数据的恢复和异常检测。实验表明,相较于传统的迭代方法,深度展开神经网络中训练的模型具有更高的数据恢复精度和异常检测性能,同时可以实现快速的实时交通数据恢复,而且具有层级结构的深度展开网络相较于深度神经网络有很好的可解释性。

关键词： 光纤光栅   飞秒激光   光纤传感  

摘要： 光纤光栅作为最重要的光纤无源器件之一,在光纤通信和光纤传感等领域都得到广泛的应用。随着光栅制备工艺的发展,各种结构的光栅被提出研究,而近年来的多维度光纤光栅更是备受关注。多维度光纤光栅不仅在模式转换等方面具有极好的应用前景,在传感方面也具有优异的特性,特别是矢量传感和多参数传感。对于多维度光纤光栅的研究有望简化光纤光栅传感器件的制备工艺并降低传感系统的复杂性。 本论文基于飞秒激光微加工技术制备了多种多维度光纤光栅,并分别对其进行了结构参数、光谱特性、传感性能方面的研究,并获得了一些创新性成果。本论文的主要工作内容如下: (1)首次提出一种高Q值的微螺旋结构相移光纤光栅,利用扭转预处理手段结合飞秒激光直写方法一步式制备,极大的简化了高质量相移光栅的制备工艺。该器件具有15.24 pm/℃的高温(100-1100℃)灵敏度且在高温条件下具有更高的Q值及稳定性,高温下3d B带宽只有32 pm,Q值高达4.9×10～4,同时得到了较低的应变灵敏度,因此该器件可以适用于高精度高温传感和高功率光纤激光器等领域。 (2)报道了一种新型的螺旋结构取样光纤光栅,利用飞秒激光直写技术制备了螺旋取样光纤光栅。分别对螺旋结构的螺距、周期数、螺旋半径等参数进行了实验研究,对其结构参数进行了优化,可以通过改变相关参数对光谱进行调控,极大地简化了取样光纤光栅的制备工艺。其还具有极好的高温传感特性,具有14.5 pm/℃的高温灵敏度。有望在滤波及多波长可调谐激光器方面得到应用。 (3)使用飞秒激光逐线写制方法制备了短线型的长周期光纤光栅,该结构具有更高的成栅效率。分别研究了不同周期和不同占空比对光谱的影响。对其传感特性进行研究,该结构光栅具有良好的折射率、应变传感响应。有望在多参量传感领域得到应用。

关键词： 近眼显示系统   光波导   出瞳扩展   亮度均匀性   光栅占宽比   光刻胶灰化技术  

摘要： 增强现实(Augmented Reality,AR)技术可以将虚拟的图像信息叠加到外部的真实环境中,使观察者既能沉浸在现实世界中又能接受到显示设备提供的信息,被普遍认为是下一代主流显示技术。作为实现AR显示的重要手段,基于衍射光栅的波导式近眼显示设备在紧凑性和便携性等方面有着突出的优势,逐渐取代了传统的折反射式设备,成为目前AR设备的首选设计方案。出瞳扩展作为光波导近眼显示系统的优点之一,可以为人眼提供更大的观察范围,提高用户的佩戴舒适性。然而,光线在扩瞳过程中存在能量损失,造成显示系统出瞳范围内的亮度分布不均匀,直接影响了虚拟信息的完整性,降低了设备的图像显示质量。中国科学技术大学衍射光栅团队,承担了惯性约束聚变的高功率激光系统所急需的大口径脉冲压缩光栅的研制,发展了米量级口径的全息-离子束刻蚀光栅技术。本文以提高出瞳亮度均匀性为研究目标,对近眼显示系统的光栅光波导结构进行设计与优化,并进行了初步试验验证。论文的主要工作及成果包括以下几个方面:1、根据近眼显示系统的成像原理和光栅衍射理论对作为光学耦合元件的两块一维表面浮雕光栅进行分析与设计,并通过Rsoft软件对设计出的光栅结构进行仿真,根据仿真实验结果和矢量衍射理论优化光栅槽形。2、提出了一种具有可变占宽比结构的输出耦合光栅,目的是使输出光线的衍射效率在扩瞳方向上尽可能保持一致,以提高显示系统的出瞳亮度均匀性。通过LightTools软件对光栅光波导显示系统的进行建模,仿真模拟了出瞳的亮度分布情况,验证了变占宽比结构对于提高出瞳亮度均匀性的可行性。仿真模拟结果表明,当耦出光栅的占宽比分布采用最优组合参数时,相比于占宽比均匀分布时,显示系统的出瞳亮度均匀性得到了将近40%的提升,高达92.83%。3、设计了一系列占宽比调制实验,利用光刻胶灰化技术使光栅侧壁发生一定程度的收缩以实现变占宽比结构。分别研究了灰化时间和灰化位置对光刻胶光栅占宽比的影响,实验结果表明,可以利用纵向等离子体分布不均匀这一特性使得光栅表面不同位置处占宽比出现不同程度的减小。最终经过多轮实验条件探索确定了合适的灰化参数并制作出符合优化结果的变占宽比结构。光栅形貌的测试结果表明,本文提出的方法可以实现光栅占宽比的有效调制,为基于光栅光波导技术的近眼显示系统提供了提高出瞳亮度均匀性的新方案。