课程文献中心 更多>>

关键词： 飞秒激光微纳加工   纳米光栅   光学晶体   增强抗反射  

摘要： 在过去的几十年中,从表面改性到三维打印再到纳米结构加工,飞秒激光微纳加工技术在精度、效率和创新性等方面为固体加工领域带来了一场前所未有的革命性变革。飞秒激光超短脉冲宽度意味着能量可以在极短时间内传递给材料,从而减少热影响区域,降低加工过程中的材料变形和损伤风险,这使得飞秒激光微纳加工技术成为处理各种复杂材料的理想选择。飞秒激光诱导周期性表面结构(LIPSS)是利用飞秒激光单步扫描产生的亚微米量级的周期性波纹结构。该结构具有偏振依赖性、腐蚀选择性、可擦除重写等独特性质,且加工效率高、材料适用性广,在过去十年中得到了广泛关注,已成为调控材料表面光学,机械和化学等特性的有效手段。然而,飞秒激光与材料相互作用诱导周期性表面结构的机理尚未明确,需要通过实验和仿真模拟等手段进一步研究,寻找更加精确的理论模型来解释这一现象,为其在更广泛领域的应用奠定基础。 本论文中,我们利用飞秒激光微纳加工技术在Nd:LGGG晶体表面产生了多种类型的微纳结构,并对微纳结构的形成机理制和演变过程进行深入研究。实验研究结果表明,飞秒激光诱导的周期性表面纳米光栅结构的形成仅限于相对较窄的参数窗口,并且随着参数的改变,这种结构进一步演变成由激光烧蚀的微槽和底部纳米光栅构成的复合结构。实验研究和数值模拟证明了表面等离子体激元的激发在纳米光栅结构的形成中起到了关键作用。此外,微纳结构演变和纳米光栅周期对加工参数的依赖性主要归因于激光诱导纳米光栅和微米沟槽的反馈机制。我们基于凹槽底部纳米光栅结构提出了一种新的方法来制备具有正交双周期的二维表面。与传统的由一维纳米光栅构成的表面结构相比,这种二维双周期表面结构在较长波段范围内(紫外-近红外)都具有偏振敏感的增强抗反射性。

关键词： 半导体激光器   光束整形   光束质量   光纤耦合  

摘要： 针对半导体激光器叠阵整体光束质量较差，以及光束整形元件较为复杂的问题，提出了一种“切割-压缩-旋转-重排”的新型半导体激光器叠阵光束整形方案，并基于该光束整形方案设计了一种阶梯旋转重排棱镜。相比于传统的光束整形方法，该方案只需要使用数个相同的阶梯旋转重排棱镜就能实现光束整形，极大简化了光束整形的流程，缩小了整体光纤耦合系统的体积。仿真结果表明，该阶梯旋转重排棱镜可将由8个巴条组成的半导体激光器叠阵耦合进数值孔径为0.22、芯径为200μm的光纤，输出功率为455.4 W，光纤耦合效率为94.9%。系统的整体尺寸为20 mm×60 mm×15 mm，结构紧凑，可用于固体激光泵浦等。

关键词： 分布式光纤测温   拉曼散射   解调方法   稳定性   补偿模型  

摘要： 分布式光纤测温传感器(DTS)凭借其分布式、长距离、耐腐蚀和抗电磁干扰等优势而广泛应用于电力、工业等领域。针对分布式光纤测温传感器的传感原理与解调方法研究,使其拥有更好的工作性能具有较高的研究价值和应用意义。据此,本文主要研究内容如下: (1)详细分析了DTS传感系统的工作原理,并对其进行结构优化和性能测试。对基于拉曼散射原理的DTS系统进行测温原理研究,推导并分析了其温度解调与定位的数学模型,为系统的分析与优化提供理论依据。在此基础上,完成了分布式光纤测温系统的结构设计方案,并确定了其关键性能指标。 (2)结合脉冲光源和数据采集卡完成了对背向拉曼散射光信号的采集与去噪处理。分析了影响脉冲光源稳定性的多种因素,并给出相应的解决策略与方法。通过实验验证,拥有稳定驱动信号和带有温度控制功能的脉冲光源在长时间工作下仍然能保持其输出功率和输出光谱的稳定性。在数据采集和去噪方面,为提高系统的测温精度,确定了DTS系统的实时数据采集方式和参数,并对采集的光信号进行去噪,从而实现了整个系统信号的采集与处理。 (3)针对常规温度解调方法不准确的问题,设计联合优化解调方案。基于拉曼散射测温原理,对分布式光纤测温系统的温度解调模型及精度优化方法进行理论分析与实验验证。综合考虑散射光强的多种因素,采用损耗补偿、线性拟合、比例因子校正和参考温度补偿等措施叠加成一种新的解调方法。然后通过整体实验验证得到在2.5km长的测量区间,系统的测温精度可以达到±0.8℃水平,取得了比较好的结果。 (4)根据所设计系统对温度解调和定位的实际需要,选择了适当的硬件和软件对DTS系统进行整体搭建。先对系统所需的各个工作模块进行选型,然后完成硬件上的连接。接着使用Visual basic 6.0框架下的VB语言实现了DTS系统软件平台的优化和开发,并完成了DTS系统温度解调代码的编写与调试,为优化的解调方法提供测温实验平台。 本文通过对拉曼分布式光纤测温系统的背向散射光、软硬件结构以及解调方法进行研究与分析;针对影响系统测温性能的因素提出一些优化方案,并通过实验验证其可行性。本研究在一定程度上提升了系统的测温性能,对拓宽拉曼测温系统的实际应用和进一步发展具有理论意义和实用价值。

关键词： 中阶梯光栅光谱仪   数据处理   干扰校正   软件开发  

摘要： 中阶梯光栅光谱仪具有宽波段、高衍射效率、高分辨率等优点,在各行业的应用中有着不可替代的优势。本文基于实验室研发的电感耦合等离子体(ICP)中阶梯光栅光谱仪,对谱图数据处理与校正进行深入分析研究,开发配套仪器的上位机软件,并基于国家发射光谱仪检定规程进行计量性能检定实验。 文中对中阶梯光栅光谱仪谱图还原、去噪、基线校正和谱峰识别等进行分析研究。基于Zemax中搭建的分光光路模型,在Matlab中调用ZOS-API建立波长-坐标谱图还原数据库;基于结合谱峰剔除的S-G滤波去噪方法在去除背景噪声的同时保留元素特征谱峰信息;基于自适应迭代加权惩罚最小二乘法(air PLS)避免了基线过拟合,并有效抑制边缘数据对基线拟合的影响;基于标准偏差的局部极大值对称零面积寻峰算法有效抑制假峰的影响,准确识别重叠峰和弱峰。 文中还对实验条件、仪器状态等因素造成的谱图干扰进行分析研究。基于自适应曝光时间序列的谱图校正算法,有效提升了特征谱线二维谱图的成像质量,增强标准曲线的线性相关性;基于谱线偏差的非线性全谱波长校正算法有效减小了仪器工作波段范围内波长提取的误差;基于Voigt谱峰参数拟合的重叠峰快速校正算法能够有效分离重叠峰,进一步提升定量分析的准确性,提高实验分析的效率。 基于上述谱图分析方法与抗干扰处理,针对实验室自主研发的中阶梯光栅光谱仪开发了上位机软件,实现了不同下位机模块之间的通讯,且具备谱线查询、仪器优化、谱图标定、实验设置、谱图编辑和数据存储等功能。 最后,基于JJG 768-2005国家发射光谱仪检定规程,配制系列标准溶液建立标准曲线并进行了相关计量性能检定实验。实验结果表明,仪器波长提取误差小于0.009nm,仪器的最小光谱带宽、检出限、重复性及稳定性均符合国家检定规程A级标准。

关键词： 分布式声波传感技术   卷积神经网络   灰狼算法   支持向量机   振动信号识别  

摘要： 分布式声波传感系统(Distributed Acoustic Sensing,DAS)是分布式光纤传感系统(Distributed Optical Fiber Sensing,DOFS)的一种特定应用形式。基于分布式声波传感技术的传感器,由于其成本低、耐腐蚀、精度高等优势,被广泛地应用在对油气管道泄露的监测中,比如将光纤沿着油气管道布置,当油气管道发生振动时,便认为产生了破坏性事件,需要注意有管道泄露的风险。但是在真实环境下,一些无害的人为活动或者环境噪声不可避免的,如果仅仅通过振动是否发生来判断入侵事件,很容易导致传感器的误报。因此,根据光纤信号来对不同的事件类型进行区分是必不可少的。 基于以上问题,本文采集五种不同的扰动信号作为分布式光纤传感系统中的振动信号并制成数据集,然后使用卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)、灰狼算法(Grey Wolf Optimizer,GWO)和支持向量机(Support Vector Machines,SVM)相结合的方式,对不同的扰动信号进行识别,以减小误报率。本文完成的研究工作如下: (1)介绍DAS系统、卷积神经网络、支持向量机和灰狼算法的原理和一些常见性能评估指标,为接下来的实验提高理论基础。 (2)根据生活中常见的扰动,在实验中模拟了五种扰动信号,分别为环境噪声、敲击、浇水、步行和车辆碾压。对采集到的信号进行了分帧、重组、归一化和数据划分等预处理操作,然后制成数据集用于接下来的训练。 (3)使用卷积神经网络对预处理后的信号进行特征提取并分类。将预处理后的信号直接输入到卷积神经网络中,借助其强大的特征提取能力,自动完成对事件的分类,最初的准确率为92%。然后引入残差结构和注意力机制对卷积神经网络进行改进,最终的准确率达到了94%。 (4)引入灰狼算法对卷积神经网络的卷积核大小、卷积核数量、批处理数量、全连接层的输出维度等参数进行优化,并对灰狼算法进行改进,提升其收敛速度。优化参数后的卷积神经网络相较于优化前的网络,准确率提高到了96%。 (5)提出一种使用卷积神经网络与传统分类器相结合的方法,将卷积神经网络最后一层全连接的结果作为输入,输入到支持向量机、决策树(Decision Trees,DT)、随机森林(Random Forest,RF)等分类器中,通过对比得知,使用传统分类器进行分类确实可以提高分类效果,且使用SVM作为分类器时效果最好,最终的准确率可达97.05%。

关键词： 磁成像仪   集成化磁场传感器阵列   霍尔元件   无损探测  

摘要： 为了解决传统磁场成像仪器体积大、空间分辨率低、价格昂贵等问题,以及针对于无损探测、生物磁测量等方面对磁场分析的迫切需求,本文基于集成化磁场传感器阵列研制便携式磁成像仪,其主要由磁场信息获取单元、硬件电路单元和磁成像功能单元等部分组成。采用CMOS工艺在SOI晶圆上设计并制作集成化磁场传感器阵列芯片,该芯片是由16个霍尔元件构成的4×4传感器阵列,并对集成化芯片进行封装和性能测试。在此基础上,搭建了由信号处理电路、电源电路和主控电路构成的硬件电路单元,传感器阵列的信号处理电路采用多路选通开关和运算放大器相结合的方法,能够实现对多路输出信号进行选通、滤波、调零和放大等功能。利用STM32处理器完成磁场数据采集和数字信号处理,具有传感器性能标定功能（调零功能和磁灵敏度标定功能）,在位置网格内将不同的磁场信息分配对应的RGB颜色,可以完成磁场成像。将集成化芯片、电路主板和触摸显示屏等部分组装成便携式磁成像仪,整机尺寸为12.9×6.2×6.0 cm3,重量小于195g,具有便于携带的特点。 在室温条件下,采用磁敏特性测试系统等仪器设备对集成化芯片进行性能测试,平均磁灵敏度约为32.60 mV/T,磁场空间分辨率为94μm,磁场分辨率为±0.2 mT,可覆盖536×536μm2的磁场测量区域。根据集成化磁场传感器阵列芯片的特性,对磁成像仪进行测试分析,实验结果表明,便携式磁成像仪能够对磁场进行测量,并显示磁场数字信息和磁场分布图像,磁场测量范围为-200～+200 mT,最大磁场测量误差约为0.925%,为磁场测量和磁成像技术的进一步应用奠定了基础。