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关键词： 光纤传感   微腔激光   生物传感   光学微腔   高灵敏检测  

摘要： 高灵敏、高效率和一次性的检测在疾病诊断中发挥着重要作用。高灵敏检测有利于实现疾病的早期诊断,确保有效及时的医疗干预,以获得更好的治疗效果,降低死亡率。高效率检测可以通过快速检测和增加检测通量来实现,将助力疾病的大规模筛查并有利于得到更加全面的病理信息以掌握疾病发展进程。一次性检测可以避免重复使用带来的污染,其低成本、本质安全的特性将为疾病大规模筛查和早期诊断提供解决方案。光纤微腔激光集成了光纤和激光的优势,在疾病诊断中表现出巨大的应用潜力。本论文以超敏光纤微腔激光为技术基础,利用可低成本、大批量制备的普通单模光纤,克服了超敏微腔的重复性制备难题,并结合多种传感方案和增敏机理,实现了高灵敏、高效率和一次性的生物标志物检测,为疾病诊断提供了高性能传感平台。主要研究内容如下: (1)提出了基于超敏微腔的高灵敏、高效率检测平台。首先,利用光纤轴向分布连续且均匀的特性,在光纤表面分段交联不同染料分子,实现了多色光纤微腔生物激光。利用光纤微腔激光的窄线宽和光纤易集成的优势,提出了集成波分复用和空分复用的阵列化传感方案,具有高通量传感的潜力。另外,基于腔增敏均相免疫激光,结合时分复用传感方案,实现了疾病标志物——心肌肌钙蛋白Ⅰ和免疫球蛋白G的联合检测,其检测下限(Limit of detection,LOD)分别为26.55 fM和7.35 fM。最后,通过对其他疾病标志物的检测验证了此方案的广泛适用性。 (2)针对一次性、高灵敏检测需求,提出了一种基于普通单模光纤的亚单层生物放大方案,以实现超灵敏的一次性传感。在光纤表面交联染料实现激光的基础上,提出了生物增敏的方案,放大了激光信号的同时,减少了光纤微腔激光所需的生物位点数。利用生物放大方案,实现了对亲和素的高灵敏检测,LOD为373 aM,与饱和单层激光器相比,LOD优化了四个数量级,验证了生物放大方案的增敏作用。最后,基于生物放大方案,结合双抗夹心免疫传感,实现了癌症生物标志物——细胞程序性死亡-配体1(PD-L1)的高灵敏免疫测定,检测范围为3.2 pg/mL-10000 pg/mL。 (3)针对传统有机染料易光漂白,影响激光输出并劣化传感性能的问题,引入量子点实现了高稳定性光纤微腔激光,并利用其稳定性,优化了传感性能。首先将量子点通过化学交联的方式交联到光纤表面,实现了高稳定性激光并对其阈值和稳定性进行了表征。然后,通过优化泵浦方式,实现了激光的信号放大,并降低了激光阈值浓度,光纤表面生物素位点进一步减少,有利于实现更高灵敏度的传感。通过对亲和素的超灵敏传感(LOD:100 aM),验证了泵浦方式的优化对传感性能的提升作用。另外,将量子点光纤激光器作为探针对生物过程和状态进行传感,实现了过氧化氢、辣根过氧化物酶和金纳米粒子的传感与识别,展示了量子点光纤激光器在生物传感中的广泛应用前景。

关键词： 线阵CCD   莫尔条纹细分   MPFFT   编码技术   光学仿真  

摘要： 绝对式光栅尺具有分辨率高、量程大、响应速度快的优点,且重新上电后无需“寻零”操作,被广泛应用于数控机床、测量仪器等高精度测量领域。绝对式光栅尺同时包含绝对码道和增量码道,通常采用CCD或CMOS探测绝对位置,并采用光电池阵列识别增量信号,采集四路莫尔条纹来提升测量精度。然而,莫尔条纹信号的质量对细分倍率及测量误差影响较大。此外,传统的编码技术依靠一组m序列进行编码,在量程一定的条件下,绝对位置分辨率低,且译码量大。基于此,本文采用双CCD探测绝对和增量信号,降低莫尔条纹信号质量对测量误差的影响,同时采用两组m序列融合编码,提高位置分辨率,且译码简便。 首先,对绝对式光栅尺测距原理进行研究,分析其增量位置与绝对位置的生成原理,给出最终的位移计算公式。为了解明增量码道莫尔条纹信号对系统误差的影响,采用Multisim对增量位置幅值细分法的信号调理电路进行设计,同时采用MATLAB对产生的初始信号中存在的系统误差进行数学分析,得出其反映在位移上的误差为1.919μm。本文采用线阵CCD探测一路莫尔条纹,并采用相位细分方式,配合多相位快速傅里叶变换(MPFFT)算法实现莫尔条纹细分。MATLAB仿真结果显示,在光栅副夹角为0.28°,栅距为20μm且CCD像元尺寸为8μm的条件下,增量位置理论上能够达到0.04μm的分辨率,测量误差小于0.11μm。 其次,对绝对位置编码技术进行研究,给出了一种求解本原多项式系数方法。设计了m序列与最大m序列相融合的两组序列组合编码及译码方案。相较于一组m序列,该方案不仅能够在有限的量程内产生更多的编码位置,还能大大降低译码的工作量。根据需求分析,进一步设计了光学准直透镜及光学显微系统。其中准直透镜采用ZEMAX的序列模式及非序列模式结合设计,获得平行光源。光学显微镜选择对称式结构进行建模,分别建立CCD物镜和编码尺物镜,然后将两个物镜进行组合,形成整体结构,通过8X放大实现最佳像元匹配。 最后,利用EDA工具设计系统硬件电路,包含增量信号处理模块和绝对位置信号采集模块。增量位置处理模块包含TCD1304AP驱动电路、滤波电路以及IIC驱动电路等;而绝对位置信号采集模块包含TCD2901D驱动电路、供电电源电路以及ADC采样缓冲电路等。在光学平台上搭建了绝对位置信号采集实验系统,完成编码图案的采集及绝对位置的读取。并连续采集莫尔条纹信号,通过测相算法求取两次莫尔条纹间相位差来获取精细增量位移。初步实验结果表明,所设计的双CCD探测光栅测量系统能够实现绝对位置的高精度测量。

关键词： 槽波导   Bragg光栅   滤波器   反向耦合器   起偏器  

摘要： 波导布拉格(Bragg)光栅作为硅基集成光子器件的重要组件之一,具有高反射率、制作工艺简单、不受自由光谱范围限制等优势,被广泛的用于各种有源、无源器件的设计中。然而,受常规波导导波机制的限制,在220 nm的绝缘体上硅(SOI)平台上,仅靠侧壁刻蚀实现具有小尺寸、大带宽、平坦响应的Bragg光栅仍然是一个挑战。槽波导可实现纳米尺度的光场局域增强,且提供了更多的结构边界,为具有强光场相互作用的侧壁光栅设计提供了更多的自由度。本文面向硅基光电子芯片关键的偏振敏感问题,研究将Bragg光栅和槽波导进行互补融合,实现了具有高反射系数的强光栅,基于此设计了多个用于片上偏振控制的高性能滤波器件,实际制作了器件,并测试验证了设计。本文的主要内容和创新点如下: 1.利用槽波导的局域光场增强作用设计实现了具有高反向耦合系数的偏振依赖的Bragg光栅,该光栅对TE模式具有宽带的反射窗口,而TM模式可低损耗的通过。提出利用槽波导结构调控局域光场使TE模式带隙重叠放大,实现了具有宽带平坦响应的Bragg光栅。理论仿真显示其在131 nm(1476 nm～1607 nm)的波长范围内,TE模式反射率超过96%,同时TM模式的透过率高于98%。基于该光栅结构,进行了模式转换和耦合结构设计,分别实现了低插入损耗(IL)的TE反射器和TM通起偏器。在标准的220 nm-SOI晶圆上制作了器件,并对其性能进行了测试。测试结果显示,反射器在83nm(1505 nm～1588 nm)的带宽范围内IL低于1 d B、消光比(ER)高于30 d B,平均反射率在-0.5 d B左右;起偏器在1484 nm～1584 nm波长的100 nm工作带宽范围内器件ER高于30 d B,IL低于0.8 d B,并且在整个工作范围内起偏器ER和IL变化平稳,测试结果验证了设计的有效性。此外,基于此光栅的串联结构设计了一种应用于折射率传感的陷波滤波器,仿真结果显示其灵敏度达到401.4 nm/RIU。 2.利用槽波导独特的模式和色散特性,设计实现了一种常规纳米线波导和槽波导的反向光栅耦合器,该器件可将纳米线波导中输入的TE模式耦合至槽波导中,而输入的TM模式会穿过耦合区从纳米线波导中输出,从而实现偏振分束功能。相比于其它偏振分束器,本设计可同时具备模式转换和偏振分束的功能。此外,反向耦合光栅结构在色散补偿中也具有应用潜力。理论仿真结果显示,该器件在74 nm(1514 nm～1588nm)的工作带宽内,TM模式ER高于20 d B,IL低于1 d B,反向耦合TE模式在99nm(1497 nm～1596 nm)的工作带宽内,ER高于44 d B,IL保持在1 d B以下,且在工作带宽内反射谱平坦。实验表明了该器件的性能与仿真结果高度一致,TE模式在90nm(1510 nm～1600 nm)的工作带宽内,ER高于20 d B,IL低于1 d B,同时TM模式在55 nm(1584 nm～1529 nm)的带宽范围内IL低于1 d B,ER高于20 d B。

关键词： 部分相干艾里光束   耦合效率   少模光纤   湍流  

摘要： 空间光-光纤耦合技术是大气或水下激光探测、激光通信、激光雷达及光学遥感等领域中的一种可共用技术。该技术有利于促进成熟光纤组件在上述领域中的应用,降低开发成本、提高系统集成度。但光信号在湍流介质中传输时,容易受到湍流的干扰,使得空间光-光纤耦合效率急剧下降,耦合效率较低是亟待突破的技术瓶颈问题。相较于传统高斯光束,无衍射艾里光束在湍流介质中传输时,自聚焦特性可以抑制湍流的影响,将艾里光束做为光源引入空间光-光纤耦合系统中可以解决耦合效率较低的问题。本文主要针对以艾里光束为光源、以少模光纤为接收结构的耦合系统效率的影响因素进行详细分析,主要工作如下: (1)利用广义Huygens-Fresnel原理和Rytov近似,推导出湍流随机介质中部分相干艾里光束的交叉谱密度函数(Cross-Spectral Density Function,CSDF)。根据Parseval定理,推导出在四模(LP01、LP11、LP02和LP21模式)光纤端面的模场分布经过傅里叶变换后在透镜端面的模场分布。运用模场匹配分析法,推导了部分相干艾里光束通过单透镜耦合进少模光纤的耦合效率的解析表达式及高斯谢尔模型光束通过单透镜耦合进少模光纤的耦合效率的解析表达式。 (2)通过对比耦合效率原始积分公式和解析表达式的数值仿真结果,验证了耦合效率解析表达式的正确性;并在部分相干艾里光束通过单透镜耦合进少模光纤的耦合效率模型及高斯谢尔模型光束通过单透镜耦合进少模光纤的耦合效率模型的基础上通过数值仿真分析了光源参数(截断因子、特征长度、波长、相干长度)、透镜参数(透镜焦距、透镜直径、耦合参数)以及不同环境(理想条件下、大气湍流信道、海洋湍流信道)对耦合效率的影响,并与高斯-谢尔模型光束耦合性能进行对比分析。 仿真结果表明:耦合效率随着波长、初始半径、截断因子增大而增大,随相干长度的减小而逐渐减小,散斑数和湍流强度的增大会使耦合效率降低。在大气湍流信道中,波长为1550nm、传输距离为5km时,部分相干艾里光束的耦合效率高于高斯谢尔模型光束16.4%。在海洋湍流信道中,当传输距离分别为50m、100m和150m时,对应耦合参数分别为1.2、1.4和1.9,可使得系统耦合效率达到最佳;部分相干艾里光束的初始半径为0.04m,传输距离为200m时,部分相干艾里光束的耦合效率较高斯谢尔模型光束的耦合效率高38.2%。这为部分相干艾里光-少模光纤耦合系统的设计和参数优化提供了理论依据。

关键词： 柴油机   多传感器信息融合   变工况   故障检测   故障识别  

摘要： 柴油机的故障智能诊断对于确保其高效、安全和可靠运行具有重要意义。目前基于振动信号的柴油机故障诊断方法研究仍面临以下挑战:首先,现有研究主要集中在单一传感器或单一尺度的数据分析上,忽视了多个传感器信号在不同尺度上的关联信息;然后,确保获取可靠的传感器数据也是当前挑战之一;其次,故障数据的缺乏限制了现有故障检测方法的应用;最后,柴油机的复杂结构使得变工况下的故障诊断变得更加困难。这些挑战阻碍了柴油机故障智能诊断技术的进一步发展。因此,本文从多传感器信息融合的角度出发,主要进行了以下工作: (1)分析了柴油机缸盖振动信号特性以及变工况对单缸和多缸振动信号的影响。提出了一种基于残差一致性检查的传感器信号自检方法,使用振动传感器信号异常模拟数据集验证了该方法的有效性。 (2)针对现有故障检测方法面临的多传感器信息融合、故障数据缺乏以及复杂变工况等挑战,首先构建了面向多传感器融合的信号预处理方法,设计了一种基于互相关函数的信号相关分析算法,并在此基础上构建了多传感器信号相似度矩阵,使用柴油机和传感器故障模拟数据集验证了相似度矩阵表征多传感器信号相关性的有效性。考虑到柴油机正常和故障状态下的相似度矩阵差异并不显著并且分布高度重叠,进一步提出了一种结合多传感器信号相似度矩阵和变分自编码器模型的故障检测方法。使用柴油机失火和轴瓦磨损故障模拟数据集以及实际工程机组数据对该方法在变工况下的故障检测性能进行验证,并与其他典型异常检测方法进行对比,结果证明了所提方法在无故障样本用于模型训练和变工况故障检测任务中的有效性。 (3)针对现有故障识别方法面临的多传感器信息融合和复杂变工况等挑战,考虑到故障信息的局部多尺度特性,进一步构建了多传感器信号的多尺度相似度矩阵,并提出了一种结合多传感器信号多尺度相似度矩阵和多分支残差卷积神经网络模型的故障识别方法,通过多分支结构和残差模块提升模型的多尺度特征提取能力。使用柴油机失火和轴瓦磨损故障模拟数据集以及实际工程机组数据对该方法在变工况下的故障识别性能进行验证,并与其他典型的基于多传感器信息融合的故障识别方法进行对比,结果证明了所提方法在变工况故障识别任务中具有更高的准确率和鲁棒性。