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关键词： 被动锁模光纤激光器   四次孤子   高阶色散   孤子脉动   孤子分子  

摘要： 高能量孤子脉冲在超快激光技术、光学频率梳和通信系统等领域具有重要的应用价值。孤子脉冲一般是由二阶色散和自相位调制效应平衡产生的,高阶色散会对孤子特性产生不利影响,如三阶色散会导致孤子不稳定。然而,近年来的研究表明,在脉冲宽度足够窄的情况下,相较于二阶色散主导下形成的传统孤子,负四阶色散和自相位调制效应平衡下形成的四次孤子具有更高的脉冲能量,为构建高能量孤子光纤激光器提供了新思路,引起了研究人员的广泛关注。本论文利用数值模拟研究了腔内净高阶色散对四次单孤子、四次双孤子分子以及四次三孤子分子脉动动力学特性的影响。论文的主要内容如下: (1)被动锁模光纤激光器的研究背景和理论分析方法。研究背景方面,分别阐述了基于材料可饱和吸收体、非线性偏振旋转效应和非线性光纤环形镜的被动锁模光纤激光器的结构、特点和发展现状,并详细阐述了四次孤子的研究进展。理论分析方面,分析了光纤中的色散效应、双折射效应和非线性效应,在此基础上分别给出了光脉冲在标准单模光纤和增益光纤中的传输方程,即非线性薛定谔方程和金兹伯格廊道方程,随后分析了上述传输方程的求解方法——分步傅里叶方法。最后详细分析了四次孤子的产生机理。 (2)被动锁模光纤激光器输出四次单孤子动力学特性的数值仿真研究。对被动锁模四次孤子光纤激光器进行理论建模,通过调节谐振腔参数获得了稳态四次单孤子。在此基础上,通过改变单模光纤的长度来调整腔内净色散,研究二阶、三阶、五阶、六阶、七阶色散及混合阶色散对四次单孤子特性的影响。仿真结果表明,四次单孤子特性受腔内净色散值以及单模光纤位置的影响。其中,腔内净高阶色散值的改变能够实现稳态四次单孤子及脉动四次单孤子的多次切换,同时,造成了时域中四次单孤子特殊的非周期性时间位移以及周期性时间位移(爬行行为)。 (3)被动锁模光纤激光器输出四次双孤子分子和四次三孤子分子动力学特性的数值仿真研究。构建碳纳米管被动锁模四次孤子光纤激光器的理论模型,通过调节小信号增益和输出耦合比得到了爬行四次双孤子分子和爬行四次三孤子分子。通过改变单模光纤的长度来调整腔内净色散,分别研究二阶、三阶、五阶、六阶和七阶色散对四次双孤子分子和四次三孤子分子动力学特性的影响。仿真结果表明,随着腔内净二阶色散绝对值的增加,四次孤子分子表现出多样的脉动特性,在稳态与周期性脉动之间存在一种过渡状态——准周期性脉动。腔内高阶色散值会影响这种准周期性脉动(高阶色散会影响四次孤子分子脉动的周期性):当腔内高阶色散绝对值逐渐增大时,四次孤子分子的准周期性脉动依然存在,但周期性脉动消失。

关键词： 石油螺纹   检测系统   数字式单项仪   紧密距   测量系统分析  

摘要： 石油管被广泛应用于石油天然气的勘探、开采和输送中,它由石油螺纹连接形成数千米长的油井管柱。通过对石油螺纹的检测和质量把控能够有效避免油田失效事故的发生。目前,石油螺纹检测主要依靠机械式单项测量仪测量螺纹单项参数,采用环塞规测量螺纹综合参数,但是这种检测方式测量效率低,人为影响因素大,且未与质量控制有较好的结合。 本文设计并开发了一套适用于石油管制造企业螺纹检测模式的数字化石油螺纹检测系统,该系统结合数字式单项仪,实现了从石油管入库、检测质量方案自动匹配、螺纹参数检测、结果评价、质量控制及虚拟紧密距预测的全过程数字化,提高了石油螺纹的检测效率和企业的质量过程控制能力,具有重要的工程价值和研究意义。主要研究的内容及取得的成果如下: (1)研究调研了现有的石油螺纹测量技术,以及国内外研究现状及发展趋势,通过分析石油螺纹测量方法完成了测量仪器的选型,并设计了软件系统的架构,最终确立系统总体设计方案; (2)针对顶径单项仪的测量方法和结构进行了优化,设计一种辅助工装实现了石油管全圆周顶径测量,提高了螺纹顶径检测的准确性,降低了检测人员的劳动强度,同时设计稳定性对比实验,采用优化前、优化后的顶径单项仪重复测量同一套管的螺纹顶径,结果表明优化后的顶径单项仪具有更好的测量稳定性。 (3)针对目前紧密距检测效率低、检测强度大、易损伤螺纹等问题,提出了一种长圆外螺纹套管虚拟紧密距预测算法,并对算法基准值和修正系数的判定进行了研究,选择了两种规格的长圆外螺纹套管进行实验验证,最后设计了定扭矩实验分析验证了虚拟紧密距的使用场景,结果表明虚拟紧密距与实测紧密距的一致性较好,在保证测量精度的前提下提高了紧密距的检测效率和稳定性。 (4)针对传统石油螺纹检测模式的诸多弊端,开发了数字化石油螺纹检测软件系统,实现了从石油管入库、质量方案匹配、螺纹参数测量、数据报表输出到SPC分析及预测全过程数字化,满足了石油管制造企业对质量过程控制的需求,提高了石油螺纹的检测效率。 (5)为了验证优化后的顶径单项仪及其它数字式单项仪的测量能力,对优化顶径单项仪进行了重复性和再现性分析,对数字式单项仪和机械式单项仪进行了精度比对分析和测量结果比对分析,实验结果证明优化后的顶径单项仪满足石油管制造企业现场检测的性能要求,其它数字式单项仪与机械式单项仪测量结果一致性较好,且精度高于机械式单项仪。

摘要： 全智能非接触式弓网在线检测系统的设计，是提高轨道交通运营车辆运行安全与检测水平的关键。针对轨道交通运营车辆上运用全智能非接触式弓网在线检测系统为中心，运用理论研究法对系统设计与功能设计等进行研究，并从多方面对系统进行实践运用，透过运用结果证明系统对弓网在线检测的有效性，以期为未来工作开展提供参考。

关键词： 光纤激光器   飞秒脉冲   啁啾脉冲放大技术   光学频率梳  

摘要： 光学频率梳作为精密的计量工具,在推动高精度科学研究和工业应用的发展中扮演着举足轻重的角色,其应用领域广泛涉及光学成像、高分辨光谱学以及时频计量等。其中,高功率光纤光频梳因其高峰值功率、高脉冲能量等特性而备受瞩目,结合非线性频率转换技术,其能直接生成紫外至中红外区域的宽带光谱光频梳,弥补上述波段增益介质匮乏的问题。然而,传统的高功率光纤光频梳往往依赖于复杂的单通多级放大结构,不仅增加了实现难度,也限制了其在更广泛领域的应用。因此,当前迫切需求一种能够在低种子功率条件下,发展单级高增益低噪声的光纤放大技术,从而获取紧凑稳定的高功率光纤光频梳,以推动其在科研和工业领域的更广泛应用。本文围绕高功率飞秒光纤光频梳产生及其噪声特性研究这一主题,首先开展了低噪声超短脉冲生成的研究,研制了低噪声全保偏非线性放大环形镜锁模激光器;其次,开展了光纤放大器中噪声传递特性理论和实验研究,形成了光纤脉冲放大噪声抑制新技术;最后,综合啁啾脉冲光纤放大和双通光纤放大技术,实现了高功率全保偏飞秒掺镱光纤光学频率梳系统。 具体研究内容和创新点如下: 1.深入研究了全保偏光纤结构的低噪声光纤锁模激光器。作为产生超短脉冲的核心组件,低噪声锁模激光器是研制光学频率梳的基础,本文基于非线性放大环形镜锁模技术,采用啁啾光纤布拉格光栅作为腔内滤波器、反射镜和色散补偿器,研制了全保偏光纤结构的掺镱光纤激光器。该激光器有着结构简单、抗干扰能力强和可靠的自启动等优势,在展宽脉冲锁模状态下获得了低噪声的超短脉冲输出,在傅里叶频率1 Hz-10 MHz的范围内,累积强度抖动仅为0.05%,累积的相位抖动为23.0 mrad。并且通过灵活调整啁啾光纤光栅的色散和带宽,丰富了所提出的超快掺镱全保偏光纤激光器的输出波长覆盖范围,为后续高功率啁啾脉冲放大和光学频率梳生成提供了可靠的低噪声脉冲光源。 2.系统研究了光纤光频梳系统在脉冲放大过程中的噪声演化特性和传递机制。作为实现脉冲功率提升的关键组件,光纤放大器的性能至关重要,本文基于光纤放大器中的增益动态模型,深入研究了光纤放大器中噪声传递机制和相应带宽。通过理论分析和实验验证相结合,详细阐述了对光纤放大器的噪声传递动力学行为,揭示了种子噪声传递函数呈现为阻尼高通滤波器的特性,而泵浦噪声传递函数则展现出低通滤波器的特性。进一步地,结合非线性放大环形镜固有的正弦传递函数,深入开展了非线性光纤放大器中的宽带噪声被动抑制的实验研究,通过优化参数配置以及调控系统增益,成功实现了对种子信号和放大泵浦噪声分别超过12.7 d B和23.0 d B的显著抑制比。 3.基于啁啾脉冲放大和双通光纤放大技术,研制了高功率全保偏飞秒光纤光学频率梳光源。本文开展了多路全保偏光纤啁啾脉冲放大的实验研究,实现了同源种子脉冲分离后的二十路全保偏双包层光纤放大。在2 MHz的重复频率下,每路平均功率均超过5.5 W,成功完成了二十路激光脉冲的空间合束,并且对各模块进行了集成化设计,增强了系统的实用性和紧凑性。此外,采用双通棒状光子晶体光纤放大技术,开展了高功率光学频率梳的产生及其噪声特性的研究。在20 m W的低注入功率下获得了52 MHz,80 W,311 fs的高功率超快脉冲。通过精细控制锁模激光器的时频域特性,实现了光学频率梳重复频率和载波包络偏移频率的锁定,为光源的稳定性和精度提供了有力保障。通过对内环与外环的噪声特性的深入分析,验证了啁啾脉冲双通光纤放大技术在产生高功率光纤光学频率梳方面的稳定性,为低信号功率下高功率光频梳的发展提供了一种切实可行的解决方案。

关键词： 磁传感器   光纤传感   F-P干涉仪   磁-机换能电介质   Terfenol-D  

摘要： 新型电力系统呈现数字与物理系统深度融合的特征,是电力系统快速发展的结果。实现“源网荷储”各方面的完全可观测、精确可测量和高度可控制，是新型电力系统的基本前提。传统的电学磁传感器功能单一、电磁干扰、测量范围小、维护困难等问题逐渐凸显,已经难以满足新型电力系统精确、快速、全面的测量要求。而光纤磁传感器因其小体积、低功耗、抗电磁干扰、高传输效率等优势成为磁场检测领域的热门课题,在近年来得到飞速发展。其中基于磁-机换能电介质的光纤磁传感器在传感性能、器件制备、传输效率等方面具有先天优势,但在灵敏度和测量范围方面还需进一步探索。因此,研究具有高灵敏度和宽测量范围的光纤磁传感器对实现电力系统分布式光纤传感网络具有重要意义。 为此,本文基于相位调制型法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)干涉仪,以Terfenol-D磁-机换能电介质为磁敏感材料,设计了一种光纤磁传感器。 首先,基于多光束干涉原理、法布里-珀罗干涉仪、光纤相位解调等理论基础,建立了磁传感器理论模型,详细描述了 F-P光纤磁传感器的工作原理。设计了基于磁-机换能电介质的F-P光纤磁传感器结构,并构建其数学模型,介绍了磁-机换能电介质理论模型,并分析其应变机理。 其次,基于COMSOL Multiphysics有限元仿真方法对亥姆霍兹线圈产生的磁场分布情况进行了仿真计算。探究了在不同电流驱动下,产生磁场的变化规律。构建了磁传感器仿真模型,分析了磁场对磁-机换能电介质的作用机制,探索磁通密度准静态增加对磁-机换能电介质的影响。揭示了稳态和频域下磁-机换能电介质在磁场作用下的轴向磁致伸缩宏观行为。 最后,实验研制了一种基于磁-机换能电介质的光纤磁传感器,并搭建了由磁场发生系统与信号解调系统组成的传感器性能测试平台,对传感器的性能进行实验测试与光学标定。实验结果表明:在0-100mT的磁通密度范围内,AlSi10Mg合金与UV树脂封装传感器的灵敏度分别为447pm/mT和304pm/mT,线性拟合度分别R2=98.64%和R2=98.47%,分辨率为22μT和33μT,AlSi10Mg合金封装传感器的平均重复性误差为1.72%。且该传感器具有较强的方向依赖性。此外,该传感器具有良好的交流磁场传感特性,且具有较快的响应速度。 本文设计的磁传感器测量范围大,能实现复杂环境下的宽范围磁场测量,具有良好的工程应用潜力。