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关键词： 空间巡天   无缝光谱巡天   中国空间站工程巡天望远镜   紫外透射闪耀光栅   全息-离子束刻蚀   线段推进算法   再沉积   二维扫描   反闪耀角  

摘要： 我国依托于空间站的建设,开始发展大规模多色成像与无缝光谱巡天,即中国空间站工程巡天望远镜,简称CSST。巡天模块作为构成CSST的五大模块之一,选用了 24块高衍射效率的透射光栅作为色散器件,在焦平面之前对255 nm～1000 nm波段的光线进行色散分离。在复制光栅的方案中,因为现有材料对紫外波段(工作波段为255nm～420nm)的强烈吸收,会显著降低通光效率,减少望远镜巡天观测的星等范围。针对这一问题,需要寻找新方法来发展紫外波段高效率透射光栅研制技术。中国科学技术大学光栅团队,长期从事惯性约束聚变用大口径衍射光栅的技术研究,发展了全息-离子束刻蚀光栅技术。本文以全息-离子束刻蚀技术为手段,探索了应用于CSST的紫外波段透射光栅的研制工艺,内容包括此类光栅的设计、制作与检测方法等,并对该过程中遇到的关键问题的成因和解决办法进行了分析与研究,主要成果包括以下几个方面:1.设计了用于255 nm～420 nm的333 lines/mm的紫外透射闪耀光栅;按照线段推进算法的思想,对离子束刻蚀下的槽形演化进行了仿真,并通过槽形演化过程的分析,建立了离子束入射角与闪耀角的关系,以及掩模参数如何设计才能完成闪耀光栅的刻蚀;实际刻蚀后得到的光栅槽形可能会与理论的闪耀槽形存在偏差,结合离子束刻蚀下的槽形演化仿真,对四类异常槽形进行了讨论:实际掩模高宽比偏小、实际掩模高宽比偏大、离子束入射方向与初始轮廓的临界点位于槽底、离子束入射方向与初始轮廓的临界点位于侧壁。2.提出用CHF3和O2的混合气体替代传统的单一气体刻蚀实现再沉积的在线去除,提高闪耀角控制精度,并使得槽形演化更加符合理论预期。传统的CHF3单一气体刻蚀会产生再沉积,堆积在离子束被同质掩模所遮挡的阴影区域内,使得最终闪耀角偏离理论预期,槽形出现朝向反闪耀面的台阶以及闪耀面粗糙度的增加;通过时间飞行二次离子质谱仪对再沉积的成分进行了分析,确定其为碳氟有机物后通过新增O2的方式成功将其去除。3.提出利用二维扫描式全息-离子束刻蚀的方法提高大面积光栅的一致性。传统一维扫描中由于样品的倾斜放置使得样品表面距离离子源不同位置处受到的离子束流以及发散影响不一致,这是导致大面积光栅槽形不一致的主要因素,槽形参数不均匀会使闪耀光栅的光通量下降,影响色散元件的质量。实验中控制有效离子束的入射范围,并利用二维扫描进行刻蚀,最终得到的紫外透射闪耀光栅整体闪耀角相差1.1°,提高了槽形参数的一致性,闪耀光栅的平均衍射效率可以达到66%,衍射波前0.169λ(λ=632.8 nm),光栅有效区域尺寸为99.2 mm × 61.0 mm,满足CSST紫外透射闪耀光栅的技术要求。4.全息-离子束刻蚀很难单独控制闪耀角与反闪耀角,因此提出离子束刻蚀(减法工艺)或者镀膜(加法工艺)来改善反闪耀角度的方法,用于制作高衍射效率闪耀光栅。理论分析了反射型闪耀光栅与透射型闪耀光栅的衍射效率在最优情况下的反闪耀角的范围,并分别利用加减法工艺对反闪耀角进行调整,实验结果显示,峰值衍射效率与平均衍射效率均可提高2%～5%。

关键词： 电磁类计轴器   光纤光栅   边缘滤波   轨道计轴   嵌入式  

摘要： 高速铁路运输业是我国经济增长中至关重要的一环,保障铁路运输安全、预防铁路事故发生的重要性不言而喻。由于高铁列车运行速度快,在短距离内难以紧急制动,因此为了防止追尾等相撞事故发生,避免造成不可挽回的后果,监测轨道占用状态具有重要意义。轨道计轴是现有轨道占用状态监测中的关键技术之一,是利用传感器感知经过列车的轮轴信息从而计算出轴数,通过对比监测区间两端轴数实现对轨道占用状态的监测。然而,目前计轴传感器主要以电磁类计轴器为主,由于电类传感元件抗腐蚀和抗电磁干扰能力均较差,导致在雷雨等恶劣天气下工作可靠性大为降低。光纤光栅是一种新型传感器,其抗腐蚀、抗电磁干扰能力强且能与光纤很好耦合,从而克服了电磁类计轴器的缺陷。但是目前基于光纤光栅传感技术的轨道占用状态监测方案,难以兼具高解调频率、低成本和高稳定性的性能优势,无法满足长期监测高速轨道占用状态的工程化需求。在此背景之下,本文设计了具有故障安全模式的光纤光栅传感器,提出采用边缘滤波解调法结合嵌入式技术实现一种高解调频率、低成本和高稳定性的轨道计轴系统。本文的主要研究内容如下:(1)轨道计轴系统需求分析及传感器设计。详细分析了轨道计轴系统高速、高灵敏度和高可靠性的计轴需求,提出了基于光纤光栅设计轨道计轴系统;分析了光纤布拉格光栅的传感原理,研究设计了具有故障安全模式的光纤光栅传感器,并通过增敏片的结构设计提高传感器灵敏度,以及设计基于温度补偿光栅对传感器进行温度解耦;介绍了边缘滤波解调技术的基本原理以及实现方法,并通过研究分析光纤布拉格光栅的光谱特性进一步提高传感器解调的准确性。(2)高稳定性光纤光栅轨道计轴系统研究。分析研究线性光滤波器的温度特性,仿真验证了温度对其透射谱造成的影响,根据边缘滤波解调技术搭建了多通道光路系统,研究设计温度补偿算法改善了系统高温度稳定性;对电路系统关键器件进行参数选型,设计电路满足系统高解调频率和长距离传输需求;在二取二安全型轨道计轴系统结构下,研究设计动态阈值序列计轴算法和动态阈值实时寻峰计轴算法,解决了列车慢速行驶下计轴错误的问题。(3)光纤光栅轨道计轴系统的实现。在鄂尔多斯大准铁路线搭建了一套光纤光栅轨道计轴系统,对系统基本功能和长时间解调稳定性进行了现场测试,验证了系统具备监测传感器松动/脱落功能且长时间稳定性良好;在完成系统基本功能和稳定性测试后对不同车重、不同车速、不同行车方向和慢速出站等车况下的运行列车进行了实际计轴测试,从而验证了系统具备对不同车况列车的计轴能力。

关键词： 光纤传感   光波导   飞秒激光微加工   马赫-曾德尔干涉仪  

摘要： 飞秒激光因其具有超短脉冲宽度、超高峰值强度、加工精度高、热影响区域小、一步成型等等一系列优点,被广泛应用于各种材料的精密加工。光纤传感器具有抗电磁干扰、尺寸小、重量轻、可塑性强、与光纤系统天然兼容等优点。将飞秒激光与光纤相结合,利用飞秒激光在光纤内部直写光波导构建各种类型的光纤传感器,已成为集成光学和现代通信等领域的研究热点。飞秒激光直写技术是一种既高效又灵活简便的三维加工技术,其与光纤结合可以极大提高传感器的性能和集成度。本论文致力于利用飞秒激光直写光波导在光纤内部构建从平面结构到三维空间结构的马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI),探索利用飞秒激光刻写该类传感器的制备工艺,分析此类传感器的工作原理并进行传感响应测试。 本论文的主要研究工作概括如下: (1)首先,本文以飞秒激光的研究背景为切入点,介绍了飞秒激光的发展现状、飞秒激光微加工的特点及优势,简要概括了光波导技术的研究热点和发展趋势,以及利用飞秒激光直写光波导的发展历程,具体阐述了飞秒激光直写光纤内MZI的研究现状,由此引出了本文的研究工作:本文研究了飞秒激光直写光波导的工艺,重点研究刻写过程中激光脉冲能量、重复频率、聚焦位置、写制速度、重复层数等工艺参数,制作出低损耗直通波导和不同耦合比例的耦合波导。 (2)其次,本文提出了一种基于飞秒激光直写的可同时进行双参量传感的传感器,该传感器结合了MZI和光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)两种结构。本文中主要阐述了该传感器的工作原理和制备技术,并且对其传感性能(温度、扭转、轴向应力、温度-扭转双参量)进行了测试。研究结果表明,该传感器可用于温度和扭转双参量同时测量并且在温度传感中可以利用波长间隔提高传感器的灵敏度。 (3)然后,本文通过对飞秒激光直写耦合波导的工艺探索,设计并制备了一种飞秒激光直写的基于S形耦合器的MZI器件,详细介绍了该传感器的制备方法和工作原理,并对其传感性能(温度、扭转、轴向应力)进行了测试。研究结果表明,该传感器对轴向应力不敏感,S形耦合器的引入,使得该传感器可判别方向性扭转。 (4)最后,在前几项的工作基础上进一步对飞秒激光直写光波导的刻写工艺进行优化,设计并制备了一种基于三维空间光波导的MZI。该项工作中主要介绍了所提出传感器的工作原理以及制备方法,对其依次测试了温度、轴向应力以及扭转的响应。研究结果表明,该传感器在方向性扭转测试中不仅可以判别扭转方向同时具有高灵敏度,为传感器利用三维波导在方向性扭转响应方面提供了新思路。 本论文所研究的基于飞秒激光直写光波导的光纤传感干涉器件,具有集成度高、灵敏度相对较高、制作方法灵活简单等的优点,该类传感器在集成光学、现代光通信领域具有广泛的应用前景。

关键词： Nonlinear wave equations  

ISBN: (纸本)9787030730466

关键词： 高维波动方程   变系数   LOD方法   高精度紧致格式   稳定性  

摘要： 本文采用局部一维化（LOD）方法将高维波动方程的定解问题分裂为多个一维问题.对于所得到的一维问题,基于泰勒级数展开式,分别运用二阶导数的四阶紧致差分公式和截断误差余项修正的方法,推导了两种高精度紧致差分格式.首先,采用LOD方法将二维变系数波动方程分裂为两个一维方程.对于每个一维方程,采用两种方法构造高精度紧致差分格式.当时间方向上的二阶导数采用泰勒级数展开和截断误差余项修正方法进行离散,空间方向上的二阶导数采用四阶Padé方法进行离散时,我们建立了一种截断误差为O（τ4+τ2h2+h4）的显式高阶紧致LOD（EHOC-LOD）格式.当时间和空间方向上的二阶导数均采用Kreiss提出的四阶紧致差分方法进行离散时,我们建立了一种截断误差为O（τ4+τ2h2+h4）的隐式高阶紧致LOD（IHOC-LOD）格式.随后,利用Fourier方法分析两种格式的稳定性可知,EHOC-LOD格式稳定性条件为νmaxλ∈（0,0.8740）,而IHOC-LOD格式稳定性条件为νmaxλ∈（0,0.8944）.通过误差分析可得到,当函数的高阶导数部分条件不满足时,二维问题的LOD方法会产生分裂误差,导致格式的时间精度降为一阶.数值实验验证了两种格式的精确性和稳定性与理论分析结果相吻合.其次,将上述方法推广到三维问题中,得到了求解三维变系数波动方程的EHOC-LOD格式和IHOC-LOD格式,它们的截断误差均为O（τ4+τ2h2+h4）.利用Fourier方法分析两种格式的稳定性可以得到,EHOC-LOD格式稳定性条件为νmaxλ ∈（0,0.7290）,而IHOC-LOD格式稳定性条件为νmaxλ∈（0,0.7385）.通过误差分析可得到,当函数的高阶导数部分条件不满足时,三维问题的LOD方法会导致格式的时间精度降为一阶或二阶.通过数值实验验证了两种格式的精确性和稳定性与理论分析结果相吻合.最后,展示两种差分格式在PHOEBE Solver软件中如何使用.两种格式的接入可为后续研究高维变系数波动方程的学者进行数值对比实验提供方便.

关键词： 波长   光学薄膜   激光损伤阈值   损伤形貌   电场强度  

摘要： 光学薄膜的抗激光损伤能力,是衡量高能激光系统中光学元件安全使用范围的重要指标。高反射和减反射薄膜元件是高能激光系统中的重要组成部件,为实现理想的激光传输效果,需不断优化膜系设计与制备工艺以满足传输窗口的性能要求。强激光作用于薄膜表面会导致薄膜发生损伤,而不同波长激光诱导薄膜损伤的机理又有所不同。同时,在强激光应用领域,研究者对损伤的研究大都聚焦于规整膜系,而对非规整膜系的研究关注不够。基于此,本论文从与波长密切相关的多个理论角度出发,分析了不同波长对薄膜损伤的影响;以单层膜和非规整薄膜为研究对象,设计并制备了多种单层膜和非规整薄膜,研究了 1064nm和532nm波长对抗激光破坏特性的影响。主要研究结论如下:从与激光波长密切相关的损伤几率、材料吸收、受激辐射和缺陷吸收、能带理论、多光束干涉多个理论层面,研究分析了波长与薄膜损伤的关系。结果表明:随着激光波长的增大,薄膜损伤概率降低,损伤阈值增大,其抗激光损伤能力增强。采用电子束热蒸发技术,在K9玻璃基底上分别镀制了不同厚度单层膜和多层非规整减反射膜、高反射膜。制备了 SiO2、TiO2、HfO2、Ta2O5单层薄膜,并对其厚度进行测量。结果表明:所设计单层膜厚度满足要求。设计并制备了双波段非规整减反射膜和高反射膜,减反射膜以G|HLHL|A为初始膜系,高反射膜以G|(HL)xH|A为初始膜系。其中高折射率材料分别为TiO2、HfO2、Ta2O5,低折射率材料为SiO2。经实验测试,减反射膜在520nm-540nm与1050nm-1080nm平均透射率大于95%,高反射膜平均反射率大于 97%。采用双波长共光路测试系统,以1-on-1激光作用方式,实验测试了不同参数对单层膜激光损伤阈值的影响。研究发现:随着波长趋于长波,单层膜抗激光破坏能力均有不同程度提高;随着薄膜厚度的增加,同一波长下单层膜抗激光损伤能力有所降低。通过对单层膜损伤形貌的研究分析,表明激光诱导损伤具有随机性,损伤形态各不相同,这与单脉冲激光的热效应有关。探究了不同实验参数对多层非规整薄膜激光损伤阈值的影响。研究发现:随着激光波长的减小,非规整薄膜抗激光辐照能力降低;而在同一波长下,高反射膜的损伤阈值普遍高于减反射膜;当波长不同时,同一薄膜在空气-薄膜界面驻波电场强度值越小,其激光防护能力越高。分析多层膜损伤形貌表明:HfO2/SiO2高反射膜激光作用的损伤区域外有单独的圆形损伤斑,其余非规整薄膜仅存在激光直接作用留下的损伤坑。本文对不同激光波长下的单层膜和非规整薄膜损伤阈值进行了测试与分析,讨论了光学薄膜的损伤过程与损伤机理。研究结果对改进薄膜沉积工艺、明确提升薄膜元件激光损伤阈值的方向、延长光学薄膜元件使用寿命,以及激光系统加固与安全有一定的指导意义和重要的实用价值。

关键词： 蓝光半导体激光器   线宽压缩   光栅外腔   Littrow结构   无跳模调谐  

摘要： 半导体激光器(Laser Diode,LD)稳定性高、电光转换效率高、寿命长的特点。其中蓝光半导体激光器作为新一代可见光光源,具有重要的应用价值。然而,由于其工作物质的增益曲线平缓,蓝光半导体激光器的光谱线宽较宽,难以满足激光倍频对窄线宽输出的要求,需要采用光栅外腔结构对其进行线宽压缩。本文对基于蓝光半导体激光器的Littrow型光栅外腔系统的输出模式进行了理论和实验研究,并讨论了其无跳模调谐特性。主要研究内容如下:(1)采用了Fabry-Pérot谐振腔结构模型来模拟光栅外腔系统的腔结构,利用多光束干涉理论推导出腔增益函数,构建了光栅外腔系统的模结构的数学模型。分别模拟了光栅被照射的刻线数N为1200、12000和120000,一阶衍射效率为5%、25%和55%以及LD输出端面反射率为0.3、0.03、0.003时光栅外腔系统输出模式。(2)对Littrow型光栅外腔系统的输出特性和线宽特性进行了实验研究。实验使用了波长为445 nm的NDB7A75型蓝光单管和线数为3600线/mm的反射式光栅。通过转动半波片调节光栅对入射光的一阶衍射效率。分别测量一阶衍射效率(R)为5%、25%和55%时光栅外腔系统的P-I特性,输出线宽及可调谐范围。当一阶衍射效率为25%且注入电流为2.5 A时,光栅外腔系统的线宽为72 pm,输出功率为1.52 W,可调谐范围为2.3 nm(3)分析了光栅外腔系统的无跳模调谐特性,讨论了仅转动光栅、仅改变腔长和同时转动光栅与改变腔长时光栅外腔系统(即转臂与光栅不共面)无跳模调谐特性。只有当转臂与光栅不共面时,可以实现大范围无跳模调谐。当L=97.73 mm,L=10 mm时,理论上的最大无跳模调谐范围约为2.4 nm。

关键词： 光纤布拉格光栅   多维力传感   有限元分析   温度补偿   机器人  

摘要： 近些年来随着智能机器人技术的快速发展,它已经被广泛应用于各行各业,如何使机器人朝着更加智能化方向发展,使其具备类似人类的独立自主行为并出色完成任务,成为了当前研究的热点方向。目前,科学家正研究将力学传感系统应用于智能化机器人腕部等关节中,这些力学传感单元能够检测机器人与物体接触时的受力的情况。同时,特殊行业中对特种功能机器人的需求也越来越大,如用于地震救灾的机器人、用于消防的灭火机器人以及用于医疗科学的微型机器人等。而对受力情况的感知是保证这些机器人稳定平衡与正常工作的前提,因此将应力传感器应用于机器人腕部以保证稳定的工作具有非常重要的意义。传统的电阻式和电容式应力传感器易受电磁干扰,且易腐蚀、易受高温高压影响,无法在复杂的环境中正常使用。与传统传感器相比,光纤光栅具有抗电磁干扰、耐腐蚀性强、体积小和灵敏度高等特点,近些年被广泛应用于医疗器械、智能穿戴设备、机器人、航空航天等领域,在替代传统传感器方面具有巨大潜力。本文对光纤光栅应力传感器进行了研究与分析,研究了基于光纤布拉格光栅（FBG）方法的可用于机器人腕部受力分析的多维力传感技术。首先分析了国内外光纤应力传感技术研究现状;研究了光纤光栅传感原理及解调技术;结合机器人腕部对受力感知的需求,提出了两种机器人腕部多维力传感器。分析了传感器的传感原理;使用solidworks建立了传感器模型;并使用ANSYS对传感器进行了力学仿真分析;研究了传感器的受力应变分布特性,以确定光纤布拉格光栅的最优封装位置。搭建了应力实验平台,分析了传感器的线性度和灵敏度,并研究了传感器所用光栅中心波长漂移量与不同部位受力的关系。为解决光纤光栅对温度和应力交叉敏感问题,设计了温度补偿方案,搭建温度传感实验平台,进行温度传感实验,测定了光纤光栅的温度灵敏系数,并消除了温度变化对传感器受力实验产生的影响。实验结果显示,该传感器的最大灵敏度为15.9pm/N;最大测量误差约在3%以内。该传感器具有较高的灵敏度、抗电磁干扰能力强、耐高温,能在复杂环境中使用等优点,在实现对机器人腕部受力测量的同时又能对环境温度进行探测,实现了应力、温度双参量的测量,对机器人腕部受力分析、抓取物体、实现各种功能具有重要意义。最后,对研究成果进行了总结与分析,指出了当前研究的不足之处,并提出了后续所需要的研究内容与设想。

摘要： The Government Capitation grant is very vital to learners both in primary and secondary schools in Kenya. The government of Kenya through Ministry of Education allocates and disburses Ksh.22, 244 and Ksh. 57, 974 to regular and special needs public secondary schools respectively. The study investigated the influence of government capitation grants disbursement delay on the final examination in public secondary schools in Kisumu County, Kenya. The study was anchored on Resource dependence theory, Wrecker`s financial distress theory and Agency theory. The study adopted descriptive longitudinal research design. The Secondary panel data set of 426 public secondary school-year end observations was used. This revealed that on average, there was 38.5 percent (mean = 0.385) delay in release of government capitation grants to public secondary school in Kisumu County. The study noted that on average, public secondary schools in Kisumu County attained K. C. S. E. mean grade of 4.534. The Sub-County secondary schools had the lowest K. C. S. E mean score of 1.839 while National Schools had the highest K. C. S. E mean score of 9.577 in Kisumu County. The study revealed that government capitation disbursement delay has negative and significant affiliation with final examination performance in public secondary schools in Kisumu County, Kenya. The study recommended that the Ministry of Education should plan to release capitation grants either a week before or latest a week after commencement of public secondary school term. The study further recommended that the government should consider use of research based differentiated unit cost in allocating capitation grants to both regular and special needs school learners.