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关键词： 被动锁模光纤激光器   非线性光纤环形镜   耗散孤子   数值模拟  

摘要： 超快光学在材料加工、生物医学、高速测量和国防航天等领域有着重要应用。被动锁模光纤激光器热管理效率高且结构紧凑,便于维护,是产生超短光脉冲的优势光纤激光器。被动锁模光纤激光器主要由可饱和吸收体、掺杂增益光纤、单模光纤和输出耦合器四大主要模块组成,其中可饱和吸收体对光脉冲的输出至关重要。非线性光学环形镜（NOLM）作为一种新型的可饱和吸收体,具有偏振依赖性低、调制深度可调和损伤阈值高的特点,在被动锁模光纤激光器中得到了普遍应用。NOLM利用非线性光学效应实现光强的调制和脉冲的整形,为产生高质量的孤子脉冲提供了新的途径。因此,研究基于NOLM可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器输出孤子脉冲的特性,不仅对于理解被动锁模光纤激光器谐振腔内复杂的非线性动力学至关重要,同时也为实现孤子脉冲性能的优化提供了重要的理论基础。 本文研究了基于NOLM的全正色散被动锁模光纤激光器光孤子的输出特性,通过调整NOLM的分束比f和光纤长度L,在激光腔中可以输出自相似脉冲（SSP）、孤子分子（SM）、耗散孤子共振（DSR）、耗散孤子（DS）和耗散孤子对（DSP）五种孤子,讨论了不同孤子的形成机制及特性,并研究孤子之间转换过程中的能量变换。 首先,根据麦克斯韦方程组推导出光脉冲在被动锁模光纤激光器传输方程、非线性薛定谔方程和金兹伯格——朗道方程。介绍了非线性偏微分方程的数值分析方法——分步傅里叶法和有限差分法,在获得相同方程解时,使用分步傅里叶法进行计算比有限差分法更高效,速度高出一个数量级。其次,对非线性光纤环形镜的数学模型进行分析研究发现,NOLM的可饱和吸收特性与光纤长度L与耦合器分束比f密切相关,且与输入光功率的关系曲线呈类余弦函数形式,定义了NOLM透过率达到最大时对应的输入光功率为Pmax。对基于NOLM的被动锁模光纤激光器进行理论建模,在光纤长度较长时,NOLM模块中的脉冲峰值功率大于Pmax,等效可饱和吸收体NOLM的透射率随入射光功率的增大而降低。不断增大小信号增益g0,可以得到抛物线型的光孤子向矩形脉冲的转变过程,其中出现了SM的过渡区域,证明DSR脉冲可以在非线性效应更大的光纤中传输,不会出现波分裂现象,具有更高的脉冲能量。时域窗口内脉冲总能量Epulse是决定光纤激光器输出脉冲类型的主要因素之一,验证了随着单脉冲总能量的提高,脉冲会出现SSP区域→SM区域→DSR区域的变化过程。最后,在光纤长度较短的条件下,Pmax的值较大,谐振腔内的脉冲峰值功率远小于Pmax。在此条件下,探究了小信号增益g0与增益饱和能量Esat共同变化对输出光脉冲的影响。小信号增益g0的不断增大,会出现DS1区域→DS2区域→TR区域→DSP→Unstable区域的变化过程。脉冲的峰值功率会因g0的增大而提高,这与光纤长度L较大时情况相反,脉冲能量的提高主要由于脉冲的展宽。当单个脉冲的能量达到极限后,会分裂为两个完全相同的脉冲孤子对,当腔内的非线性作用越来越大,系统不能稳定的产生孤子脉冲输出。

关键词： 表面等离子体共振   狂犬病毒   AuNPs   生物传感器  

摘要： 狂犬病是通过狂犬病毒(Rabies Virus,RV)引发的一种传染性疾病,它会进入人体然后攻击中枢神经系统,从而使受体感染发病,它的病死率几乎为100%,到目前为止都无特效药物治疗。我国属于狂犬病高风险地区,因此,无标记、高灵敏度和方便快捷的RV检测传感器的研发制备是非常有必要的。本文研究以表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)为基本工作原理的光纤生物传感器,并且制备了三种不同的光纤SPR传感器,实现对RV的痕量检测以及多个方面的性能研究,主要研究内容如下: (1)制备了一种基于SPR的光纤RV检测的探针式生物传感器。利用物理气相沉积技术蒸镀银膜(Ag),塑料包层多模光纤四周蒸镀银膜是为了激发SPR效应,端面则是为了作为反射面,形成一个反射式的传感结构。以巯基十一烷酸为功能化材料提供羧基基团,和RV抗原产生稳定的共价键结合,成功实现对低浓度RV抗体的无标记高灵敏检测。此外,使用白光干涉仪对传感器表面形貌进行表征,进一步以RV抗原为识别单位固定于传感器表面,针对RV抗体进行检测。实验结果表明,该传感器能检测的浓度范围为0.1pg/m L-10～3pg/m L,可实现的灵敏度为2.10635nm/(log(pg/m L)),最小检测限(Limit of detection,LOD)为0.1336pg/m L,对该传感器的最低检测限和检测范围等参数进行分析,最后对其选择性、稳定性等性能进行评估,该传感器与酶联免疫吸附测定(ELISA)同时对临床样本进行检测,二者检测结果基本一致,表明该传感器在RV的临床检测上具有良好的应用前景。 (2)制作了一种基于SPR和局部表面等离子体共振(localized surface plasmons resonance,LSPR)的双通道的光纤生物传感器。该传感器使用多模光纤(Multi-mode fiber,MMF)和四芯光纤(Four-core fiber,FCF),通过级联两种不同芯径的光纤来形成MMF-FCF-FCF-MMF的透射式结构,通道1利用LSPR效应,在FCF表面涂敷一层金纳米颗粒(AuNPs)/金属有机框架材料/硫代苹果酸复合材料作为免疫传感通道,通道2采用SPR效应,在其表面涂敷Ag/二甲基硅油作为温度传感通道。此项工作提出使用盐酸多巴胺材料涂层分离两个传感通道的共振峰,使之独立不受干扰,实现RV抗体浓度和温度的同时检测。对该传感器的LOD和灵敏度进行分析,最后对其选择性、稳定性、临床实验等性能进行评估。 (3)提出了一种基于MXene/AuNPs敏感膜的光纤SPR生物传感器,透射式的传感结构为两端多模光纤中间级联一段单模光纤(Single-mode fiber,SMF),形成MMF-SMF-MMF的传感结构。对比测试了分别涂敷MXene的MXene/AuNPs敏感膜的传感器的灵敏度,确定以MXene/AuNPs作为敏感膜的光纤SPR传感器对0.1pg/m L-10～3pg/m L浓度范围内的RV进行光谱响应测试。实验结果表明,该传感器在此范围内光谱共振波长红移13.538nm,可实现的灵敏度为3.26462nm/(log(pg/m L)),LOD为0.153pg/m L,对该传感器的检测范围等参数进行分析,最后对其选择性、稳定性等性能进行评估,同时该传感器对临床样本的检测结果与ELISA检测结果基本一致,表明该传感器在RV的临床检测上具有良好的应用前景。

关键词： 风电塔筒   焊缝   超声检测工艺  

摘要： 风电塔筒在风力发电机组中发挥着重要作用，这一构件的焊缝质量会直接影响塔筒整体结构强度与运行安全。为保证焊缝质量，通常需要采用超声检测方法，这就对焊缝检测技术提出了较高要求。鉴于此，从风电塔筒焊缝超声检测技术要求入手，探讨了超声检测的技术原理与方法，以期为提升检测精度，确保风电塔筒焊缝的结构安全性奠定一定理论基础。

关键词： 配电网   变压器   分布式光纤传感   温度检测   热点跟踪  

摘要： 针对油浸式变压器温度检测及热点跟踪方面存在精度低的问题，提出了一种基于分布式光纤传感（DFOS）技术的变压器高温区域检测框架。设计了油浸式变压器绕组上的光纤布设方案，从而为实时获取变压器内部热点数据奠定基础。通过实验测试，所设计的DFOS变压器可有效检测热源，并对热点进行跟踪与定位。所设计的光纤布设方案能够保持变压器正常运行的稳定状态，并与变压器油具有良好的兼容性。对4个变压器热点模型与DFPS数据的均方根误差（RMSE）值进行分析，证明Susa模型为描述变压器动态热行为的最佳模型。

关键词： 靶点相互作用   链接预测   神经退行性疾病   图自编码器   网络药理学  

摘要： 神经退行性疾病是一类以神经元受损或逐渐丧失功能导致记忆、认知、行为、感觉和运动功能受损的疾病。这些疾病给医疗系统和社会带来重大负担,目前缺乏有效的治疗方法。靶点相互作用在神经系统的正常功能和疾病发生发展中起着至关重要的调节作用。通过对中药靶点与神经退行性疾病靶点的交集靶点相互作用图进行链接预测,可以发现潜在的治疗靶点。现有的基于深度学习方法的靶点相互作用预测方法存在的问题有:大多数方法主要强调节点属性或图结构信息,往往忽视它们的整合;靶点相互作用数据集训练时存在正负样本不均衡问题。 针对以上问题,本文提出一种基于对抗正则化图自编码器的靶点相互作用预测方法。本文的贡献如下: 1、自构建2个靶点相互作用数据集。本研究选择包括阿尔茨海默病、帕金森氏病、肌肉萎缩性侧索硬化症和多发性硬化症在内的四种常见神经退行性疾病,利用网络药理学方法构建2个靶点相互作用数据集:中药靶点与神经退行性疾病靶点的交集靶点相互作用数据集,以及中药靶点与阿尔茨海默病靶点的交集靶点相互作用数据集。 2、本文提出一种基于对抗正则化图自编码器的靶点相互作用预测方法。首先,该方法将靶点的蛋白质序列属性与图结构信息相结合,提高对靶点相互作用预测的准确率。其次,通过对抗性训练的方式,使其更好地应对样本不均衡问题,从而增强模型在靶点相互作用预测任务中的鲁棒性和预测准确性。实验结果表明,我们提出的方法在预测靶点相互作用方面优于其他五种深度学习方法。 3、通过对预测结果的案例分析,发现新预测的靶点包括当前备受关注的靶点。这些靶点可能通过参与神经递质-受体相互作用通路或钙离子信号通路发挥对神经退行性疾病的作用。 总的来说,通过融合网络药理学和对抗正则化图自编码器方法来研究靶点相互作用预测,可以帮助发现中药治疗神经退行性疾病潜在的靶点,加速新药的研发,并为中药在神经退行性疾病新治疗策略的开发提供支持和新的视角。

关键词： 光波导   光栅   模式滤波   光互连   光子集成电路  

摘要： 随着人工智能、云计算及大数据等现代信息技术的迅速发展,人们对信息系统的容量和处理速度的需求也在急速提升,而用于信息处理的集成电路工艺已逼近物理极限,电子间强相互作用导致的“电子瓶颈”问题日益突出。片上光互连能消除RC延迟,且具有大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优点,被认为是解决此问题的最有潜力的技术。滤波器是实现片上光互连的基本器件,其功能是对信号进行选择性通过或阻止,可用于灵活的片上分插复用,以及降低不同信道之间的信号串扰。因此,要实现高集成度、大容量的光互连芯片,离不开高性能的滤波器件支撑。本文面向下一代片上光互连关键的模分复用（MDM）技术,深入研究了基于反向模式变换布拉格光栅的模式调控理论,实现了灵活模式选择滤波、模式复用/解复用和偏振模式滤波三种高性能的模式滤波器件,并通过实际制作和测试验证了器件具有优秀的性能。本文的主要内容和创新点概括如下: 1、针对MDM系统难以实现低阶模式滤波的问题,提出了一种基于局域嵌入光栅阵列的反向模式变换的新滤波机制,利用多模波导模式特点优化局域光栅参数实现了反向耦合增强。基于此,设计了多个模式滤波器作为原理验证,理论模拟结果显示当器件尺寸为13μm×1μm时,器件能够在1550 nm光通信波长附近100 nm的带宽范围内保持插入损耗（IL）<1 d B、模式消光比（ER）>20 d B的优秀性能。实际制作了TE1通、TE2通两种滤波器,测试结果显示器件在整个C波段内具有超过30 d B模式ER,和低于1.3 dB的IL,性能优于同类器件。本设计方法具有通用性,为器件功能扩展提供了空间,且器件结构简单、制作仅需单步刻蚀。 2、利用上述滤波器件作为核心单元,面向多种模式滤波应用场景,设计实现了多种模式滤波功能,包括任意模式滤波、模式复用解复用、偏振模分束。具体内容包括提出了4模式(TE3通和TE2,3通)滤波器,并提出了低通（低阶模式通过）、高通及带通的灵活滤波架构。此外,基于TE2通滤波器和双向耦合方案,提出3模式（解）复用器,在1550 nm光通信波长附近超过100 nm的带宽保持IL<1 d B、模式串扰（CT）>20 d B;基于TE2通滤波器和定向耦合方案,提出偏振模式分束器,并通过优化实现对偏振分束器工作带宽的扩展,在1550 nm光通信波长附近超过200 nm的带宽保持了IL<2 d B、偏振模式CT>20 d B的优秀性能。 3、面向大容量片上光互连系统的超宽带偏振模滤除,提出了一种具有高偏振依赖的能带特性的波导光栅设计方法,该光栅对于TE偏振具有478 nm的超宽带隙,而TM偏振在此范围内正常传导,可用于宽带偏振模式滤波。理论模拟显示,器件在国际电联规定的全部光通信波段（O～U）的415 nm范围内具有低于1 d B的IL和高于21 d B的偏振消光比（PER）,且尺寸仅18μm×3μm。实际制作和测试结果显示,在超过300 nm带宽（受限于测试平台和设备）范围,IL<1 d B,PER>22 d B。该器件是220 nm绝缘体上硅平台已报道的,达到相近性能的最高带宽的TM起偏器。