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关键词： 光纤布拉格光栅   热重生光纤布拉格光栅   高温退火   脆化   高温传感  

摘要： 光纤布拉格光栅（FBG）是一种纤芯折射率具有周期性调制分布的光纤无源器件,具有灵敏度高、体积小及抗电磁干扰等诸多优点,可广泛应用于光纤传感、光纤通信等领域。但研究发现,一般的FBG长时间在高温环境下工作其光栅特性会逐渐衰退甚至完全擦除,从而很大程度上限制了FBG在工业生产、石油电力、航空航天等一些特殊领域的应用。通过高温退火处理可使FBG在高温擦除后,重新生长出可在高温环境下稳定工作的热重生光纤布拉格光栅（RFBG）。但FBG热重生过程中光纤会出现脆化问题,导致其机械性能严重下降而无法进行应力应变相关的传感应用。因此,研究高温退火对RFBG性能的影响具有重要意义。本论文从FBG的基本原理入手,研究了一般FBG的制作、封装及其传感特性;进一步以此为种子光栅,重点研究了FBG在高温下的热衰退和热再生的演化过程,探讨了RFBG的高温脆化机理;最终利用优化的RFBG,实现了同时对高温压力容器结构部件进行温度和应力应变监测。具体工作主要包括:（1）搭建了光纤布拉格光栅的刻写系统、RFBG热重生及高温反射谱实时测试系统,基于248 nm准分子激光器,以相位掩模法制得反射率为97.8%的初始FBG,再利用高温管式炉对初始FBG进行高温退火处理,发现FBG在950℃时实现热重生,得到反射率为50.6%的RFBG。（2）通过理论分析推测了RFBG高温处理后机械性能降低的原因,发现高温热重生后退火程式对RFBG性能有很大影响,采用不同的退火方法对再生后的RFBG进行了实验,拉伸实验结果发现采用快速冷却和氩气气氛下自然冷却方式处理的RFBG分别保留了初始FBG49%和56.5%的机械强度,机械强度比常规方法制作的RFBG提高了近36%,表明加快退火速度或进行气氛保护有利于提升RFBG的机械强度。根据XRD谱图进一步探讨了RFBG的高温脆化机理,认为在RFBG的高温退火过程中,非晶态石英的结晶是导致光纤脆性的主要原因,晶态区域与非晶态区域的界面失配引起的缺陷导致了RFBG力学性能的降低。进一步对机械性能良好的RFBG进行热循环、热稳定性等测试。结果表明,RFBG在150℃～1050℃内三次加热循环结果完全重叠,温度灵敏度为16.30 pm/℃,且在高温下波长漂移小于0.1 nm。（3）利用RFBG实现了压力容器结构部件在900℃温度范围内的温度和应力应变同时测量,相应的温度灵敏度和应力应变灵敏度分别为15.90 pm/℃和1.21 pm/με;对RFBG的封装进行了探究,选择304不锈钢管加单组分超高温胶作为封装材料,测得封装后的RFBG温度灵敏度为16 pm/℃,在保持良好的温度特性的同时也对光栅起了很好的保护。

关键词： LNOI   铌酸锂薄膜   电光调制器   电光效应   端面耦合器   低插损  

摘要： 随着信息时代的快速发展,电光调制器的研究逐渐向着小型化、低损耗、大带宽的方向发展。商用的电光调制器多基于体材料铌酸锂,存在半波电压高、器件尺寸大、集成困难等劣势。薄膜铌酸锂（LNOI）材料,不仅继承了体材料铌酸锂优异的电光特性,且具有体积小、功耗低、易集成的优势,已成为制备电光调制器的理想材料。基于此,本文基于LNOI电光调制器,开展了理论和实验研究。已报道LNOI电光调制器的波导多采用脊形结构。考虑到加工工艺限制,同时为便于与其他LNOI器件（如谐振环、偏振分束器、阵列波导光栅）等进行单片集成,本文采用矩形LNOI波导结构。利用这种波导设计了基于马赫曾德尔干涉仪（MZI）结构的电光调制器。利用行波电极理论,设计并优化了器件的共面波导（CPW）行波电极。仿真结果表明,当调制区域长度为5 mm时,半波电压为4.5 V,调制效率为2.25 V·cm,电学3 dB带宽>100 GHz。当输入光波长为1550 nm时,消光比约为35 dB。不考虑耦合损耗和传输损耗的情况下,片上插损仅为0.36 dB。为了进一步增大调制带宽,本文又对器件的行波电极进行了优化,设计出一种微结构的行波电极。在保证波速匹配和阻抗匹配的前提下,3 dB带宽可大于200 GHz。在实验上本文完成了LNOI电光调制器的制备工作,对器件进行SEM表征、光学表征。搭建了测试平台进行了LNOI调制器的测试。实验结果显示,调制器芯片的半波电压为4.3 V。调制区域长度为5 mm,调制效率为2.15 V·cm,消光比大于20 dB。使用透镜光纤进行端面耦合,单端耦合损耗约为5 dB。测试得到的电极3 dB带宽约为20GHz,回波损耗S<-10 dB。为获得更低的耦合损耗,进而实现更低的插损,本文仿真设计了三种低损耗的端面耦合器结构。模拟结果显示,使用氮氧化硅包层的两种耦合器,耦合损耗均小于0.5dB;使用亚波长光栅结构的耦合器,耦合损耗小于1.5 dB,且具有宽带宽、结构紧凑的优势。

摘要： 摘要 目的 验证骺板扩散张量成像（DTI）可以作为身高增长速度（从MRI检查后1年内增长身高）和总增长高度（从MRI检查到生长发育停止期间所增长的身高）的预测指

关键词： 光纤传感   光纤光栅   现场可编辑门阵列   振动检测  

摘要： 振动作为设备和基础设施在使用过程中产生的关键参量,是对工程系统进行故障诊断和科学管理的重要检测内容,其特征信息反映了设备运行情况和工程结构健康状态。光纤布拉格光栅传感技术是当前一种较为新颖的环境参量传感技术,其根据布拉格光栅中心波长对温度及应变敏感的特性,提取中心波长漂移量进行应变参量的动态转换,从而实现以光信号作为传感媒介进行振动参量的测量,具有抗电磁波干扰能力强、耐腐蚀性高、输出距离远等优势。而振动参量的动态测量对光纤光栅传感系统的信号解调速率要求较高,所需处理的数据量庞大,一定程度上限制了光纤光栅传感技术的进一步发展。由此,本文提出了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的光纤光栅振动传感系统,针对光纤光栅双通路信号解调,设计了一种具备数据并行与流水线处理特性的FPGA逻辑架构,提高光纤光栅振动传感系统的数据吞吐速率和处理速度,实现振动信息的实时解调。本文基于光纤光栅传感技术理论对现有解调方案进行对比分析,确定了基于扫描激光器的光纤光栅高速解调方案,根据方案需求设计了基于FPGA的光纤光栅双通道高速信号解调系统,设计了基于Qt框架的光纤光栅振动传感系统上位机软件,搭建了实验平台并完成了双通道多传感器解调的光纤光栅振动传感系统工程样机研制。本文工作内容主要为以下几个方面:(1)基于耦合模式理论,本文研究了光纤光栅的基本原理,主要包括:光纤光栅传感模型、温度对光纤光栅振动传感的影响、光纤光栅振动传感的应变特性、光纤光栅振动传感模型;研究了当前应用较为广泛的解调方案,包括:光谱仪检测法、匹配光栅检测法、非平衡马赫-曾德尔干涉检测法、扫描激光器检测法和可调谐法布里-珀罗滤波器法;通过对比分析各方案的优势与不足,选择了基于扫描激光器的高速解调方案,确定了光纤光栅高速解调方案的系统组成和其中的关键光路器件。(2)分析了光纤光栅高速解调方案的数据特征,提出了系统硬件电路和FPGA总体逻辑架构的设计,针对光纤光栅高速信号的采集、处理和传输方案设计了相应模块,主要包括:波形采集控制模块、平滑滤波算法模块、快速多点寻峰算法模块及USB数据传输控制模块。设计中结合FPGA的架构特性对多种滤波算法进行了实验分析与对比,选取了适合本方案的滑动平均算法,验证了各模块的正确性,实现了光波信号的稳定采集、双通道多峰信号的波峰索引快速解调和对上位机的高速传输。(3)基于Qt编写了光纤光栅振动传感系统上位机软件,根据基于FPGA的光纤光栅双通道高速信号解调设备与上位机的联调分析,对特定格式的数据进行了提取与分组功能设计,以功能区、设置区及显示区的布局划分设计了多种功能模块,包括有:设备检测控制、数据导出控制、扫描激光器设置、传感器参数设置、光栅选择控制、波形时域显示和频域显示。(4)将各设计方案进行了集成并组装了光纤光栅振动传感原型样机,采用了多种实验装置验证本系统各项性能指标,设计了温度和应变实验方案,对波长解调精度、波长解调稳定性、波长解调线性等波长解调性能指标进行了测试,设计了振动实验方案,对多频率振动传感性能和振动传感重复性及线性度进行了测试。研究表明,基于FPGA的光纤光栅振动传感系统,能够实现实时检测双通道多光纤光栅传感器的振动情况。根据性能测试结果显示,该系统的波长解调精度可达±3 pm,波长解调稳定性为±3 pm,波长解调速度为1 kHz,在250 Hz频率验证范围内振动传感的频率检测精度为3%,振动传感的幅值响应线性效果良好,振动传感测量结果具有一致性。

关键词： 模糊非平行支持张量机   张量分解   非平行支持向量机   序贯最小优化算法   模糊隶属度  

摘要： 不同于求解两个平行支撑超平面的支持向量机模型,非平行支持向量机为每个类构造相应的优化问题,从而寻找一对互不平行的超平面。相关研究表明相比于传统支持向量机模型,非平行支持向量机具有更好的学习性能。在模式识别、数据挖掘和计算机视觉等领域,张量被广泛地应用于表示学习样本。然而,非平行支持向量机等向量分类模型往往不能直接将张量作为输入模式。一种常见的做法是将张量展开为高维向量,但这种做法不仅会破坏张量的内在结构,还会带来“维度灾难”和“小样本”等问题。此外,从现实世界获取的信息中难免存在噪声和孤立点,这类异常数据会给模型的泛化能力带来负面影响。基于上述背景,本文开展的研究工作主要包括:(1)针对存在噪声和孤立点的张量分类问题,本文提出了模糊非平行支持张量机(FNPSTM)模型。非平行支持向量机(NPSVM)和模糊非平行支持向量机(FNPSVM)都是本模型的特例。在张量空间中,为了保留张量的结构信息并减少训练时间,FNPSTM模型基于张量秩-1分解或Tensor-Train分解计算张量内积。(2)针对FNPSTM模型中的二次规划问题,本文设计了相应的序贯最小优化算法。该算法在每轮迭代中选择最大冲突对作为工作集,将原优化问题拆分为较小规模的优化问题进行解析求解。(3)为了验证所提模型的有效性,本文在人脸识别和步态识别数据集上进行了数值实验。实验结果表明:相比于线性支持高阶张量机(SHTM)、模糊支持向量机(FSVM)、NPSVM和FNPSVM,基于张量秩-1分解的FNPSTM模型具有更高的分类精度;相比于FSVM、NPSVM和FNPSVM,FNPSTM模型在高阶张量空间中的训练时间较短。

关键词： 光纤光栅   分布式测量   抗扭转   螺栓  

摘要： 螺栓是一种应用广泛且重要的紧固件,凭借其优秀的结构连接性能在工业应用领域发挥着举足轻重的作用。为了保证被连接件之间安全可靠的连接,需要对螺栓预紧及服役过程中的受力状态进行实时在线监测,尤其是在一些大型设备及设施上所用螺栓。为此,基于螺栓结构和工作原理开发出各种传感器对螺栓受力状态进行精确的测量与监测具有重要的意义。目前,电磁类传感器在螺栓受力状态的实时在线测量与监测上存在一些问题,如易受电磁干扰、线路繁杂和无法长距离信号传输等,而基于光纤光栅传感技术的光学传感器由于其采用光作为信息传递的媒介,具有抗电磁干扰、耐腐蚀,以及基于波分复用技术可实现准分布式或分布式测量等优势,可满足螺栓受力状态的长期实时监测要求。然而,目前已报道的光纤光栅传感器在螺栓受力监测方面存在一些不足,只是将传感器简单的嵌入或贴附于螺栓体中,而没有对螺栓的应力分布及受力形式进行具体的分析,尤其对于长螺栓,其受力状况更为复杂。为此,本文主要根据工程实际中螺栓的受力监测需求,设计了一种具有分布式测量和抗扭矩干扰性能的新型光纤布拉格光栅螺栓力传感器。主要工作如下:1)对螺栓受力状态监测技术研究现状进行了调研,根据基于电磁传感原理的相关研究所存在的不足提出了一种基于光纤光栅传感技术的螺栓受力监测方案。概述了现有光纤光栅螺栓力传感器的研究现状,指出了其所存在的问题,并对后续的研究工作进行了初步的构思。2)完成了分布式FBG力传感器的结构设计与原型制作:设计了一种具有多个应变测量单元的FBG力传感器,同时采用微型轴承降低了外部扭矩对应变测量单元的影响。通过理论推导,建立了螺栓所受载荷和光纤光栅波长偏移量之间的联系。根据所设计的结构制作出传感器原型,将制作好的传感器嵌入螺栓中心埋植孔内,获得一个具备应变、温度感知能力的智能螺栓。3)对所研制的分布式FBG力传感器进行了全面的性能测试,主要包括温度补偿特性测试、轴向载荷标定实验、蠕变性能测试、分布式测量性能测试、抗扭转性能测试和动态力检测测试。通过温度补偿特性测试和轴向载荷标定实验分别得到了分布式FBG力传感器的温度灵敏度和应变灵敏度;蠕变性能测试表明传感器能满足螺栓长期受力状态监测的要求;分布式测量结构能感知人为加载力的差异;相比于无抗扭结构的测量单元,设计的基于微型滚动轴承的抗扭转结构具有较低的扭矩响应;分布式FBG力传感器的工作带宽为0-606.8Hz,满足其动态力测量的要求。综合分析,传感器的各项性能指标表明其可满足长期螺栓分布式受力状态监测要求。

关键词： 集成光学   绝缘体上硅   绝缘体上铌酸锂   阵列波导光栅   通道一致性  

摘要： 随着全球的信息需求呈井喷式增长,微型化、薄膜化的集成光学系统为突破摩尔定律带来了希望。作为光通信网络中的重要光器件,阵列波导光栅（AWG）也必然要朝着小型化、集成化的方向前进。目前商用的AWG器件多采用二氧化硅波导制备,这种材料的折射率对比度较小,芯片尺寸偏大,已无法满足大规模的光器件集成需求。近年来较为流行的集成光学材料平台——绝缘体上硅（SOI）和绝缘体上铌酸锂（LNOI）,凭借着较高的折射率对比度,在光器件的尺寸和性能优化上起到了关键作用。本文基于这两种绝缘体上薄膜材料,对AWG开展理论和实验研究。首先,在调研了基于SOI和LNOI材料平台的AWG相关研究进展的基础上,阐述了阵列波导光栅的基本结构、工作原理,总结归纳了AWG的设计流程及性能指标。接着,基于SOI平台,设计了一个通道间隔为1.6 nm的8通道AWG。通过对AWG参数进行优化,最终制备得到的AWG尺寸仅为1.4×0.84 mm。实验结果显示,该AWG的中心波长为1552.3 nm,通道间隔为1.56 nm,插入损耗为9.6 dB,相邻通道串扰约为-10 dB,通道一致性仅为0.68 dB。随后,在LNOI平台上基于芯层厚度为300 nm的矩形波导设计并制备了一个通道间隔为1.6 nm的8通道AWG。经过设计和制备工艺的优化,该AWG的尺寸减小至3.8×3.6 mm。实验结果显示,该AWG的中心波长为1541 nm,通道间隔约为1.52 nm,中心通道与边缘通道的峰值插损分别为16.04 dB和16.31 dB,通道一致性仅为0.27 dB。本文通过基于两种绝缘体上薄膜材料平台AWG的理论和实验研究,为未来波分复用器与其他光器件实现片上集成奠定了良好的基础。

关键词： TFBG   温度灵敏度   应变灵敏度   折射率灵敏度   PLD  

摘要： 光纤传感技术起源于上世纪70年代,在之后的几十年中得到了持续和迅速的发展,光纤传感技术相比于传统光电传感器来说具有很多其没有的优势,比如体积小,可以嵌入在各种结构中;质量轻,不会对嵌入的结构产生影响;抗干扰能力强,尤其在恶劣环境中的耐受性较强,耐高温,抗腐蚀,和对外界环境变化反映灵敏,所以受到人们广泛关注,越来越成为研究人员研究的热点之一。光纤光栅传感是一种波长调制型光纤传感技术,它由于制作简单、反射信号强成为了光纤传感器中最受欢迎的技术之一。论文中采用的是倾斜光纤光栅(TFBG),TFBG与传统的布拉格光栅(FBG)不同,它的栅区与光纤轴向并不垂直,而是有一定的夹角,这就导致在TFBG中模式的耦合与FBG不同。由于耦合模式的不同,所以TFBG具有传统布拉格光栅没有的优势。它不仅对温度应力的改变敏感,而且包层中的光对折射率的改变也很敏感,所以可以用来测量湿度或浓度等会引起折射率变化的外界参量。论文主要内容为一、首先对TFBG的光谱特性进行模拟,用到的软件为Optigrating,通过改变光栅的周期、长度、倾斜角度、纤芯和包层的半径观察TFBG透射光谱的改变。这为之后对TFBG的实验测量起到了指导性的作用。二、基于TFBG耦合模理论,在实验上对温度、应变、折射率和弯曲进行了单参量传感性能测量,分别得到了他们的灵敏度。而且又基于萨格纳克环路将TFBG与FBG级联,然后对温度和应力进行测量,利用双波长矩阵法计算出温度和应力的变化值,实现双参量测量。三、利用脉冲激光沉积(PLD)技术,在TFBG栅区沉积ITO薄膜(掺锡氧化铟),对涂覆后的TFBG再进行温度、应变和折射率的传感性能测量,结果为涂覆后的TFBG温度灵敏度为6pm/℃,应变灵敏度为0.6nm/mε,是裸光栅应变灵敏度的2倍;涂覆了ITO薄膜后的TFBG测量外界折射率时,当外界折射率小于包层折射率时,由波长随折射率变化变成了强度随折射率变化,当外界折射率大于包层折射率时,就变成了包层模包络面积随折射率的增大而减小。这相比裸光栅的传感性能测量增加了更多的可测量因素。同时也利用PLD技术在TFBG上涂覆了石墨烯,同样进行了温度、应变和折射率的传感性能测量,测得温度灵敏度与裸光栅的几乎一样,而应变灵敏度由裸光栅的0.3nm/mε变成了0.48nm/mε,提高了60%。最后又在TFBG上涂覆了氧化石墨烯和硒化锌,又分别测量他们的传感特性,得到他们的传感灵敏度。

关键词： 光栅成像技术   系统性能分析   图像信息提取   光栅成像应用   CT重建  

摘要： X射线光栅综合成像技术相比传统X射线衰减成像,可以同时获得吸收、相衬、暗场三种不同的图像,分别反映物质内部组成和结构的不同信息。其中,相衬、暗场图像相比吸收图像对于软组织、微观结构具有更好的区分,在生物医学影像、无损检测、材料学等领域具有非常重要的应用潜力。本论文系统性地对于光栅综合成像系统的解析建模与性能分析、系统设计、信息提取方法和X射线光栅综合成像技术的应用等问题进行了深入研究。针对基于波动光学的X射线光栅综合成像模拟方法计算效率低、可解释性差的问题,提出了系统建模与性能分析的解析方法,利用频域分析给出了基于波动光学的X射线传播空间分布的频域解析表达式,通过模拟实验验证了表达式的正确性,为光栅综合成像系统建模、性能分析和优化设计提供了快速有力的工具。利用系统性能的频域解析表达式,对基于光子计数探测器的X射线光栅综合成像系统进行了建模和分析,提出了最优的系统方案。从散射角分布性质、步进曲线卷积关系出发,分析了基于一阶余弦模型的信息提取方法(CMA方法)和基于X射线小角散射理论的多阶矩信息提取方法(SAXS方法)之间的关系。针对应用于X射线光栅综合成像和一阶余弦模型的迭代解卷积方法的迭代收敛问题和散射分布高阶信息的适用性问题给出了分析和解释,并在此基础上提出了基于解析的散射角多阶矩快速信息提取方法。数值模拟和实际实验验证该方法计算效率与CMA方法同量级,信息提取结果与基于解卷积的SAXS方法一致性强。该方法可以作为一种散射分布模型多阶矩信息提取的快速算法。对于X射线光栅综合成像技术进行了应用探索。针对应用于乳腺微钙化成像的应用研究中,微钙化样本难以获取、乳腺切除样本微钙化数量少、难以精确定位的问题,提出了一种模拟乳腺微钙化样本的实验方法,并利用实验验证了模拟微钙化样本与真实微钙化样本的相似性。该模拟样本实验方法可应用于乳腺微钙化成像图像识别、分类等应用研究。利用光栅综合成像对大鼠膝关节进行了CT扫描,获得了在暗场和相衬CT重建图像中更丰富的关节细节信息,显示X射线光栅相衬和暗场成像在确定骨关节疾病的不同病理状态等相关研究中的重要价值。对于乳腺切除样本进行了 CT实验,将吸收和相衬重建图像和病理切片染色结果的对比,证实了在相衬CT重建图像中分辨不同乳腺组织方面的临床应用前景。

摘要： 光学薄膜器件因具有对光场多样化、高效性调控能力，已然成为光学系统和光电子系统的基石，在科学研究、消费电子、光纤通信、生物医学、激光制造等领域有广泛的应用前景。近几十年来，在重大光学工程、光学产业需求的牵引下，光学薄膜已发展成为集薄膜设计、新型薄膜材料、薄膜制备技术、薄膜精确表征技术等的综合性研究领域。目前光学薄膜的研究重点包括但不限于：以典型光谱为代表的高性能光学薄膜设计与制备技术；新型光学薄膜材料的拓展及性能调控；针对应用需求的薄膜研制，如空间用耐辐射薄膜器件、高能激光系统用激光薄膜器件；薄膜性能的精确表征，如低损耗光学薄膜表征技术、特殊环境光学薄膜性能评估与测试方法等。为了进一步展示和探讨光学薄膜领域的研究进展和成果，促进光学薄膜领域研究的进步与创新，《光子学报》推出创刊50周年系列专题之“光学薄膜”专题。在本专题中，我们邀请了国内光学薄膜研究领域知名研究团队的专家撰写了高水平综述和研究