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关键词： 自制教具   全反射   实验教学   实验创新  

摘要： 实验教学是学生综合素养教育的重要组成部分。从教学视角看，人教版高中物理选修3-4第十三章第2节“全反射”实验会受到教室光线、玻璃砖规格等因素的影响，难以达到较好的实验效果。为解决实验问题，可利用方形水槽、废弃注射器、汽车图片等材料制作一款“移形换位”教具。该教具能创设出魔术情境，颇具实验的趣味性。同时，该教具便于引导学生进行主动探究，培养学生的科学创新精神，提高他们的实验探究能力。

关键词： 塑料光纤   多模光纤   传输损耗   表面皱褶长周期光栅   液位传感器  

摘要： 液位测量在燃油储运、化工生产、洪水监测和污水处理等领域都有广泛的应用需求。光纤传感技术作为液位测量的一种主要方案,因其体积小、材料耐腐蚀、不受电磁场影响、可远距离控制等优点而受到广泛研究。目前,大多数的光纤液位测量,都是使用波长调制型的石英光纤传感器。然而石英光纤的制备和处理过程复杂,其构成的传感系统昂贵。因此,能够简化制造工艺、降低设备成本的塑料光纤液位传感器引起了研究者的关注。塑料光纤既继承了石英光纤的优点,又具有芯径尺寸大易于操作,柔韧性好易于进行结构修饰等特点,是开发价格低廉、结构简单的液位传感器的理想选择。本文以实现低成本、高灵敏度和可连续测量的液位传感为目的,提出了基于塑料光纤表面皱褶长周期光栅（LPG）和螺旋形长周期光纤光栅（HLPG）的液位传感器,并研究了这两种结构的塑料光纤液位传感特性。研究内容和主要研究结果如下:利用几何光学方法,建立了光传输损耗与表面皱褶LPG结构参数关系的数学模型,并对其液位传感特性进行了理论分析。结果显示,表面皱褶LPG的液位传感特性受到光纤直径和LPG结构参数的影响。理论模拟和分析结果,为器件的结构设计和优化,以及实验研究提供了理论依据。采用简单的机械压模技术,制备了塑料光纤表面皱褶LPG,对其光传输特性进行了表征。研究了LPG的液位传感特性,并对其结构进行了优化。实验结果与理论分析符合的较好,即在较细塑料光纤上制备具有一定倾斜角度,且沟槽较深的表面皱褶LPG具有更高的液位传感灵敏度和分辨率,其最高灵敏度和分辨率分别是0.4381d B/mm和0.1069mm。采用简单的热压并扭转的方式,制备了塑料光纤表面皱褶HLPG,并将其用于液位传感。实验结果表明,塑料光纤HLPG的液位传感特性受到其结构参数的影响。用除去包层,厚度为600μm的扁平光纤扭制成螺距为3mm的HLPG,液位传感性能最好,其灵敏度和分辨率分别为0.5217d B/mm和0.0184mm。最后,测量了基于塑料光纤LPG和HLPG液位传感器的重复性和迟滞性,还研究了塑料光纤材料的吸水性,以及被测液体折射率和温度对传感特性的影响,并对这两种结构的液位传感器的传感特性进行了对比。

关键词： 太赫兹辐射源   硅基光栅   Smith-Purcell辐射   群聚电子束   连续域束缚态  

摘要： 太赫兹波由于其在电磁波谱的独特优势,使其在通信、雷达、无损检测、安全检查、材料科学、生物医学等领域有着广阔的应用前景。缺乏紧凑性、高效率的辐射源成为制约太赫兹技术发展的重要原因之一。本文开展了一系列基于硅基光栅结构的太赫兹Smith-Purcell辐射的研究,通过理论分析和模拟仿真对其辐射机制进行了详细探讨,旨在提供一系列较高频率与辐射功率的、紧凑性的太赫兹辐射源实现方案。具体研究包括:首先,介绍了两种数值分析方法并对硅基光栅的Smith-Purcell辐射机理进行详细分析:采用波导阵列(WGA)方法来分析电子注与光栅结构参数对Smith-Purcell辐射效率的影响,分析电子注产生的渐消场、光栅内部波导阵列模式、光栅外部Smith-Purcell辐射之间的耦合过程,解释高效Smith-Purcell辐射的产生机制;采用严格耦合波分析(RCWA)方法分析电子注与光栅参数对硅基双光栅谐振模式及其品质因素的影响。利用WGA和RCWA方法的分析结果,设计了一系列基于硅基光栅的高效的Smith-Purcell辐射源。其次,设计了一种周期电子团串激励基于硅基光栅连续域束缚态(BIC)的SmithPurcell超辐射模型,利用硅光栅的BIC,实现对Smith-Purcell超辐射的显著增强。分析了光栅内部WGA模式与光栅外衍射场在光栅边界处的干涉效应,揭示了BIC的形成条件。研究了BIC对周期电子团串激励硅光栅实现超辐射的影响,结果表明硅光栅的BIC有效地提高电子团串激励下的超辐射效率。接着,设计了连续电子注激励基于两段式硅光栅的Smith-Purcell辐射模型,利用第一段光栅产生群聚的周期电子团串,并利用第二段光栅产生相干Smith-Purcell辐射,实现连续电子注激励下的相干Smith-Purcell辐射。本章利用WGA方法分析了连续电子注与第一段光栅互作用以产生群聚的周期电子团串的物理机制。并在此基础上利用粒子仿真软件对连续电子注激励基于两段式硅光栅的Smith-Purcell辐射进行了仿真研究。该模型具有结构紧凑、电子注起振电流密度低的优势,易于实现小型化、高效的太赫兹辐射源。最后,设计了连续电子注激励硅基双光栅的Smith-Purcell辐射模型,利用两个高反射率的光栅组成高品质因素(Q值)的FP谐振腔以形成自激振荡,从而产生相干SmithPurcell辐射。分析了光栅参数对单光栅反射率与反射相位的影响,在满足相位匹配条件时,激励起硅基双光栅FP谐振模式。紧接着,利用微加工工艺与键合工艺制作硅基单光栅与双光栅,搭建了太赫兹时域测试平台对光栅结构进行冷测,测试结果验证光栅设计的可行性,为实际器件的发展提供了理论支持和实验参考。有助于推动紧凑型、高频率、高辐射效率的辐射源实用发展。

关键词： 光纤光栅   F-P可调谐滤波器   Bragg中心波长   寻峰算法   增敏封装  

摘要： 目前各行各业对结构体的健康监测越来越重视,选择合适的传感技术至关重要。Bragg光纤光栅相较于传统的电类传感器有抗电磁干扰能力强、易于组网、光信号传输损耗小等优点。结构体重要部位的应变分布可以精确反映其健康状况。本文研究了基于Bragg光纤光栅的应变传感技术,主要工作如下:1.研究了光纤光栅应变传感机理,并利用Matlab建立应变传感模型,仿真出应变与Bragg中心波长之间的线性关系。研究了四种典型光纤光栅解调技术,对比分析选择适合本课题的F-P可调谐滤波器解调法,针对传统F-P滤波器解调法性能不稳定的问题,采用光纤标准具对F-P滤波器进行校准的方法,其拟合曲线的线性度由原来的0.96提高到了 0.9976,应变解调精度由17%提高到2%。2.设计了光纤光栅解调系统,包括光路结构设计、硬件电路设计以及软件逻辑设计。其中光路部分设计了基于标准具校准的光路结构;硬件电路部分设计了解调系统的供电电路、FPGA外围配置电路、F-P驱动源电路、光电探测电路以及信号调理采集电路;软件部分设计了基于DDS原理的三角波产生模块逻辑和AD采集控制模块逻辑。3.研究了数字滤波、阈值设定、寻峰算法的光谱数据处理方法。采用数字滤波器滤除光谱中的噪声,使传感器反射峰更平滑。并设定合适的阈值,滤除光谱底部无用信息,保留阈值以上光谱。采用寻峰算法,解调出反射峰的中心波长。实验对比四种寻峰算法,高斯拟合算法是最为稳定的,寻峰误差在±2pm以内。4.设计了光纤光栅的增敏封装,利用Ansys对“工”字封装和增敏封装进行仿真对比,得出结论:增敏封装对应变的灵敏度比“工”字封装的灵敏度高12倍。通过研究基片结构与裸光纤光栅的封装工艺制作了光纤光栅应变传感器。5.搭建实验平台,利用标准具对F-P滤波器做标定测试,标定F-P滤波器驱动电压与扫描波长之间的关系式,对比线性拟合与二次多项式拟合,选择精度更高的二次多项式来拟合。采用悬臂梁对传感器做应变标定,利用设计的光纤光栅解调系统和应变传感器在实验室环境中做了 5次应变测量实验,在-3000με～+3000με测量范围内应变测量精度都优于2%。

关键词： 结构隐喻   科技文本   半技术词   翻译  

摘要： 本文是关于《光学薄膜与镀膜:从材料到应用》的第一章和第二章的翻译报告。该报告重点讨论实践过程中遇到的英文半技术词的汉语翻译。译者认为半技术词因一词多义的特点较难翻译。在结构隐喻理论的指导下,译者通过创造新隐喻与隐喻移植两种手段解决了部分问题。本报告主要分为四个部分:第一部分,译者介绍了翻译项目的背景,目的和意义;第二部分,译者总结了英文科技著作汉译的难点与常见解决方法;第三部分,译者梳理了结构隐喻理论与其在半技术词翻译上的应用;第四部分,译者以本次翻译实践中汉语首译的两个半技术词“bombarding species”和“lands”以及两个有汉语既有译名的半技术词“collision cascade”和“current”的翻译为例,分析得出半技术词翻译的难点主要是在目标读者接受的前提下为多义的半技术词挑选合适的意义。本文指出此难点可以借助隐喻的手段来解决:译者可以使用具体简单的源域来构建复杂抽象的目标域以建立起认知的关联,从而帮人们理解半技术词包含的复杂概念。

关键词： 有限域网络   矩阵半张量积   集合稳定   一致性   包含控制  

摘要： 有限域网络是一类建立在有限域上的多智能体系统.与定义在实数域上的多智能体系统相比,有限域网络只需要有限的存储和通信资源.本文基于矩阵半张量积研究了有限域网络的集合稳定及应用,包括乘性噪声影响下有限域网络的渐近一致性,固定和切换拓扑下有限域网络的包含控制以及基于自触发控制的有限域网络的一致性.首先,根据有限域中元素的向量形式和矩阵半张量积方法,将有限域网络转化成相应的代数形式,便于使用经典的控制理论研究有限域网络.其次,将渐近一致性转化为集合稳定性,分别给出在概率噪声和马尔科夫噪声影响下有限域网络实现渐近一致性的充要条件,并将结果推广到渐近分组一致性的研究中.再次,利用固定和切换拓扑下有限域网络实现包含性与集合稳定的等价关系,对不能自发实现包含性的有限域网络设计状态反馈控制.最后,利用李雅普诺夫函数给出自触发控制策略,并验证在其作用下有限域网络的一致性.在每一章最后给出具体的例子来验证所得理论结果的有效性.

关键词： 张量   Z-特征值   Z-谱半径   定位集   正定性   最佳秩一逼近  

摘要： 张量Z-特征值的定位(分布、估计和计算)在偶次齐次多元多项式的正定性判定、时滞多项式系统的渐近稳定性判定、张量的最佳秩一逼近、多体纯态量子纠缠的几何度量等来源于谱超图理论、系统控制理论、自动控制、信号处理、无线通信系统、信号和图像处理、数据分析、高阶统计和量子力学等领域的实际问题中有着广泛的应用。本学位论文研究了张量Z-特征值的定位及其应用问题,具体内容如下:首先,研究了张量Z-特征值的Gersgorin型和Brauer型定位集及其应用问题。利用指标集划分和不等式放缩技巧,构造了一般张量Z-特征值的Gersgorin型定位集和Brauer型定位集,以及4阶结构张量Z-特征值的Brauer型定位集,并对它们进行了比较。其次,研究了偶数阶张量Z-特征值基于Z-单位张量的含参数定位集及其应用问题。利用Z-单位张量的定义、指标集的划分和不等式放缩技巧,构造了偶数阶张量Z-特征值的含有参数向量的Gersgorin型定位集,改进了一些已有定位集,并通过选取参数向量的最优值,得到了最优参数定位集。再次,研究了偶数阶张量Z-特征值基于多次型的含参数定位集及其应用问题。利用多次型和不等式放缩技巧,构造了偶数阶张量Z-特征值的含有参数向量的Gersgorin型定位集,推广了一些已有定位集,并通过选取参数向量的最优值,得到了最优参数定位集。然后,作为应用,由定位集得到了偶次齐次多元多项式正定性的判定条件、时滞多项式系统渐近稳定的充分条件、偶数阶弱对称非负张量Z-谱半径的上下界、具有非负振幅的对称纯态纠缠的几何度量的上下界。最后,研究了张量Z-特征值的计算问题。利用分类讨论思想,给出了3阶2维、4阶2维、6阶2维、3阶3维和4阶3维张量Z-特征值的直接算法,并通过数值算例进行验证。

关键词： 长周期光纤光栅   大功率光纤激光器   受激拉曼散射   级联长周期光纤光栅  

摘要： 光纤激光器具有转换效率高、光束质量好,结构紧凑、热管理方便等优点,被广泛应用于工业制造、生物医疗、光通信、国防等领域。尽管目前单根光纤激光器的输出功率已经达到2万瓦,但是受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)等非线性效应和横向模式不稳定(transverse mode instability,TMI)效应依然是限制光纤激光器输出功率进一步提升的主要因素。本文旨在研究一种基于长周期光纤光栅(long period fiber grating,LPFG)的简单、有效、低成本的光纤激光器SRS抑制方法。本文开展了LPFG的设计、仿真、制备及测试研究,并将所制备的LPFG用于大功率光纤激光器中抑制SRS。1.开展了LPFG的理论研究与仿真计算。根据模式耦合理论建立了LPFG的仿真模型。通过计算程序论证了三层介质光纤模型的耦合常数。计算了基于单模光纤LPFG的透射光谱,并详细分析了LPFG的周期、折射率调制大小、和光纤光栅长度等因素对透射光谱的影响,为高性能LPFG的制备奠定了理论基础。2.开展了LPFG的制备与性能测试。搭建了基于CO激光和二维扫描振镜的LPFG刻写系统。在纤芯/包层直径为10/130μm的双包层光纤上制备了LPFG,并对所制备的LPFG的温度、应变量、插入损耗和功率温升特性进行了详细的测量和分析。实验结果表明这种LPFG所具备的优异性能使其成为了一种理想的SRS滤波器,为后续实验提供了有力支撑。3.开展了LPFG抑制SRS相关的理论、仿真和实验研究。理论分析了LPFG抑制SRS的可行性,并分别搭建了大功率光纤激光放大器和振荡器系统对设计制备的LPFG进行实验验证。放大器中,当LPFG接入光纤激光放大器的种子级和放大级之间时,拉曼阈值得到显著提升,5 k W输出功率时SRS抑制比约为13 d B,大大提升了输出激光的纯度。振荡器中,搭建了一个输出波长为1080 nm的光纤振荡器作为验证系统,并开展相关SRS抑制实验研究。将所制备的LPFG应用在光纤激光振荡器中用于滤除和抑制拉曼信号并取得了明显的效果。实验结果显示随着LPFG的接入,Stokes光功率的抑制比约为15 d B,信号光纯度得到极大地提升。本文首次将LPFG接入光纤振荡器谐振腔内用于抑制SRS。实验结果显示,接入LPFG后对SRS的抑制比高达16 d B,不含拉曼功率的纯信号光功率大约提升了13%。4.为了增加SRS抑制带宽,提出并设计制备了一种宽带的级联型LPFG。基于改进后的刻写系统成功制备了谐振峰带宽更宽、幅值更大的级联LPFG。通过分析级联LPFG在制备过程中的光谱变化可知,级联LPFG的透射谱可以看成是各个子LPFG光谱的叠加。测试了级联LPFG的插入损耗和功率温升效应,结果显示这种宽带光纤滤波器同样具备应用在大功率光纤激光器中的能力。5.研究了级联LPFG在高功率光纤放大器和振荡器中对SRS的抑制效果。搭建了一个5 k W的光纤激光单级放大系统,并进行了几组对照实验验证了级联型LPFG的优越性。实验结果显示级联LPFG相比单个LPFG能够更有效地抑制高功率光纤放大器中的SRS。对比了单个LPFG和级联LPFG在高功率光纤激光振荡器中对SRS的抑制效果。实验结果显示,任何一种LPFG均能够提升光纤振荡器的拉曼阈值,提高信号光功率占比。但是相比较单个LPFG而言,级联LPFG能够更有效地抑制SRS。此外,结合光纤光栅的透射谱和拉曼增益谱从理论上分析了拉曼频移现象。这种新现象也证明了级联LPFG在SRS抑制方面的有效性。本文设计制备了一种包含了三个子LPFG的级联LPFG,并将其用于光纤振荡器同时抑制的一阶和二阶SRS效应。实验结果显示这种3 d B带宽为115 nm的级联LPFG能够同时抑制前两阶SRS,并提高信号光纯度。级联LPFG打破了单个LPFG带宽无法拓展的限制,拓宽了LPFG在SRS抑制方面的应用潜力。

关键词： 张量补全   变换张量核范数   深度卷积网络   对称高斯-赛德尔交替乘子方向算法   即插即用框架  

摘要： 近年来,随着现代网络技术,计算机通信以及采样技术的快速发展,高维图像的获取也随之变得越来越便捷,如:高光谱图像、多光谱图像、视频以及核磁共振图像等等.该类图像具有很强的相关性并且包含着丰富的空间信息和光谱信息.然而,在现实生活中,人们所获取的多维图像在形成,传输和储存的过程中常常会出现数据质量退化的问题,比较常见的退化现象是噪音污染和数据项缺失.因此,如何对观测图像进行补全以及去噪处理是有待我们解决的问题,该问题通常被称为低秩张量补全.低秩张量补全不仅在多维数据分析中发挥着重要作用,而且还在图像处理和计算机视觉方面具有广泛的应用.现阶段,张量的低秩性常用张量的多线性秩及其凸包张量核范数进行刻画,其中张量多线性秩是基于对张量沿着第三个维度进行离散傅里叶变换而定义的.然而,由于傅里叶变换的局限性,基于张量核范数的方法所修复的张量其秩并不是最低的.因此,本文选择了基于酉变换矩阵的变换张量核范数来对张量的低秩性进行刻画.在本文中,我们主要研究了三阶张量在不同退化情况下的低秩张量补全问题,提出了将张量l1范数与数据驱动的深度先验正则化相结合的变换张量核范数方法.在目标函数中,我们采用变换张量核范数来描述多维图像的全局低秩性,与张量核范数相比,变换张量核范数可以通过适当的酉变换得到更低的多线性秩,并采用张量的l1范数对稀疏噪音进行刻画.为了能够同时考虑到观测图像的细节信息,本文通过插入去噪神经网络来构造一个隐式正则化器,该神经网络能够从大量自然图像中学习到图像的深度先验信息.在即插即用框架下,本文利用对称高斯-赛德尔交替方向乘子算法对模型进行求解.在高光谱图像、多光谱图像、灰度视频和核磁共振图像上的实验结果表明,该方法可以很好地恢复图像的全局结构和细节,并且在视觉修复效果和衡量指标两个方面都优于与之相比较的方法.