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关键词： 超表面   光栅   光学囚禁  

摘要： 超表面的设计与应用是近年来光学领域的热点之一,也是一个涉及物理、材料、光学、量子信息等多个方向的跨学科研究领域。超表面可以精确控制入射光场的相位、偏振、振幅等参数。因此,超表面在量子态切片实验平台的研究过程中具有非常重要的应用前景。本文的主要研究内容如下: 基于传播相位理论和等效介质理论,设计了一种三维环形超表面。用蓝失谐光作为入射光,形成聚焦的空心光束来储存碘（I2）分子。利用有限元分析软件确定周期性结构单元和超表面的各项参数,并计算空心聚焦光环的光场强度,计算出I2分子在光场中的偶极势、偶极力和范德瓦尔斯力,从而证明所设计的环形超表面可以捕获I2分子。首先,选择周期宽度为110 nm的二氧化硅（Si O2）作为基底,硅（Si）柱作为基底上的周期性结构元件。通过有限元分析,对硅柱高度在100～150 nm、占空比为10%～90%的范围进行扫描,得到高透光率和高相位覆盖的硅柱高度,且使相位值在覆盖到-～范围内,测定的硅柱高度为132 nm,并得到相位值与占空比的函数关系,将大于或小于-的相位值映射到-～的范围内。再次,将81个周期结构元件按二维方向排列,总宽度为8.855μm,通过相位值与占空比的函数关系确定这些位置所需的离散相位值,从而确定周期结构单元在不同位置的硅柱宽度,形成二维单元结构阵列,使入射光向焦点汇聚。期望焦距为5.5μm。最后,添加1.045μm无结构单元的Si O2衬底,结构单元的二维阵列总长度为9.9μm。以无结构单元的末端为圆心,旋转一周形成三维超表面环形阵列。当波长为300 nm的径向偏振光从基底方向入射时,在焦平面处将形成空心环,期望半径为5.445μm。入射光穿过结构单元阵列后,会聚成空心聚焦光束。经过仿真模拟,得到的实际焦距为5.6μm,误差为1.8%。在焦平面处,半径为5.438μm,误差为0.13%。空心环的宽度为0.54μm,空心环的最大光强比最小光强提高了39.2倍。I2分子的最大偶极势深度约为340μK,最大偶极力约为2.9×10-20 N,比I2分子的重力大7×10～3倍,且超表面与I2分子之间的范德瓦尔斯力不足以影响I2分子的光约束,可以满足I2分子的捕获要求,实现光存储。

关键词： 单频激光器   掺铒光纤   F-P滤波器   饱和吸收体   波长调谐  

摘要： 光纤通信技术具有高速率、大容量、长距离等特点,在网络通信领域具有不可替代的作用,作为光纤通信技术中的关键一环,稳定的通信光源具有着重要的作用。由于掺铒光纤发射谱中心波长位于光通信的低损耗窗口,且较宽的发射谱带宽具有较大的调谐范围,所以掺铒光纤激光器成为光纤通信系统中最具潜力的光源之一。但是,光纤激光器输出的多纵模激光光束质量和稳定性较差,会导致传输信息失真,同时单一的固定波长使其在通信传输速率与传输容量上受到限制,因此,研究一种单频可调谐掺饵光纤激光器对提高光纤通信中的信息传输准确性与传输效率具有重要意义。本文设计了一种环形腔单频可调谐掺铒光纤激光器,以掺铒光纤作为增益介质,通过法布里-泊罗(F-P)滤波器与饱和吸收体相结合进行单频选择,采用调节F-P滤波器温度的方式,实现1550nm连续可调谐的单频激光输出。本文主要研究内容如下: 第一,在光纤激光器组成和工作原理的基础上,介绍了光纤激光器常用的波长选择方法与纵模选择方法,确定了环形腔单频可调谐掺铒光纤激光器方案,设计了激光波长调谐方法。 第二,仿真研究了单频可调谐掺铒光纤激光器的输出特性,包括不同参数下光纤布拉格光栅(FBG)反射谱特性、相同FBG构成的F-P滤波器反射谱特性、不同FBG构成的F-P滤波器反射谱特性、不同饱和吸收体长度时窄带滤波器反射带宽与腔内纵模间隔的关系、FBG反射谱中心波长与温度调谐的关系,验证了设计方案的可行性,并确定了系统各元器件参数。 第三,搭建了单频掺铒光纤激光器系统,实验分别研究了激光器的纵模特性、波长特性和功率特性。使用F-P滤波器作为系统的波长选择元件,系统输出阈值功率为60mW,获得了1549.894nm的单频激光输出,60分钟内输出激光波长波动小于0.015nm,功率波动小于0.84%。与FBG滤波器作为系统波长选择元件对比,波长波动减小了0.020nm,功率波动减小了 0.37%。 第四,搭建了单频掺铒光纤激光器波长调谐系统,分别采用F-P滤波器和FBG滤波器作为调谐元件进行了波长调谐实验研究。调谐温度在25℃～85℃变化,基于F-P滤波器的实验系统获得了0.618nm的波长调谐量,且波长调谐与温度变化呈线性正相关关系,60分钟内波长波动小于0.027nm,功率波动小于1.2%,与FBG滤波器作为系统波长调谐元件对比,波长波动减小了0.046nm,功率波动减小了0.55%。进一步调节温度在25℃～225℃范围内变化,基于F-P滤波器的实验系统可获得2.242nm的波长调谐量,60分钟内输出波长波动始终小于0.028nm,输出功率波动始终小于1.23%,实现了连续可调谐的单频激光输出。所设计的单频可调谐掺饵光纤激光器可以作为光纤通信系统的光源,有助于提高通信系统的安全性与灵活性,促进光通信技术的快速发展。

关键词： 多传感器融合   多线激光雷达   毫米波雷达   数据融合   点云分割  

摘要： 针对井下无人驾驶所面临的巷道构图完整性较差、定位精度较低的问题，提出将多线激光雷达与毫米波雷达进行数据融合。通过坐标系转换将2种雷达进行统一，随后进行数据融合并通过点云分割和点云特征提取实现对巷道的三维图构建。最后，通过井下行车实验验证其在井下的适应性。实验结果表明：通过此技术绘制的巷道三维图，可清晰地显示出巷道内部存在的各项元素。车辆沿X轴、Y轴方向的数据最大误差绝对值分别为0.19 m和0.12 m，各阶段误差率均小于5%。由此可知，本文所提出的技术方法在井下复杂的环境下仍有较好的适应性，为井下无人驾驶技术以及提高辅运系统的智能化提供了一定的参考。

关键词： 空间激光通信   随机角抖动   单模光纤耦合   闭环补偿  

摘要： 在激光通信过程中，由于卫星平台的振动、机械转台的噪声等会使入射光轴与接收光轴之间存在随机角抖动，影响通信系统的性能。研究了随机角抖动对空间光到单模光纤耦合效率的影响，提出基于CCD相机和快速倾斜镜的闭环补偿系统。在实验室内搭建实验平台，测试了不同抖动幅度对单模光纤耦合效率的影响，验证了补偿系统对提高耦合效率的可行性。实验结果表明，闭环补偿系统最大可提高耦合效率为24%；在同样的抖动频率下，抖动幅度增加时，其补偿效果更明显；补偿系统对于低频抖动的补偿效果比高频更加明显。这些研究内容为解决随机角抖动对单模光纤耦合效率的影响提供了数据参考与技术支持。

关键词： PEC   表面离子浓度   氢气浓度   SPR   TFBG  

摘要： 太阳能光电化学利用太阳能作为净能量输入通过光电化学反应制氢,具有绿色环保、无污染、操作简便的优点,是当前极具前景的清洁能源生产技术。目前对产氢电极的产氢性能的研究仍停留在整体性能的检测上,在局部微观粒子层面上产氢机理研究极其缺乏,未见关于产氢电极表面离子浓度对电极产氢性能的影响研究文献报道。基于此,本文提出了一种光电催化（PEC）产氢体系电极表面离子浓度与氢气浓度光纤在线检测的新方法,该方法实现光电催化产氢体系内电极表面离子浓度、氢气浓度、温度实时在线分布检测。本文首先构建了光电催化产氢体系的阳极为Bi VO电极,阴极为CuO电极;其次研制了光纤布拉格光栅氢气传感器（H-FBG）对氢气进行检测,并采用表面等离子共振倾斜光纤布拉格光栅（SPR-TFBG）传感器,光纤布拉格光栅温度传感器（T-FBG）和多模石英光纤光强传感器分别对电极表面离子浓度、温度和光强进行检测;最后搭建了光电催化产氢光纤传感器测量系统,对光电催化产氢体系阴极表面离子浓度、氢气浓度与温度及其分布进行了原位在线检测,为解释光电催化（水分解）中产氢的机理及规律提供重要支撑。本文主要研究内容包括以下3个方面: （1）光电催化产氢光纤传感器测量系统的构建:采用SPR-TFBG、H-FBG和T-FBG传感器分别对光电催化产氢体系阴极表面离子浓度、氢气浓度及温度进行检测;其中,SPR-TFBG传感器表面镀有厚度约50 nm的金膜,便于在电解液中有效激发SPR,用于阴极表面离子浓度检测;H-FBG传感器镀有厚度约100 nm的钯膜,钯膜具有吸附氢的功能,用于氢气浓度检测;T-FBG传感器直接采用裸光纤Bragg光栅构建;SPR-TFBG、H-FBG和T-FBG对阴极表面离子浓度、氢气浓度及温度检测的灵敏度分别为0.86 d B mol cm、7.5 pm/%和10.25 pm/°C。 （2）光纤传感器原位实时获取偏压下PEC阴极表面离子浓度与产气浓度:利用搭建的光电催化产氢光纤传感器测量系统在偏压PEC产氢体系中在线测量阴极表面离子浓度和产气浓度,探索偏压条件下光照对阴极表面离子浓度和产气浓度的影响,研究偏压下PEC阴极表面离子浓度与产气浓度之间的关系,分析偏压PEC产氢速率变化。结果显示,偏压条件下阴极表面离子浓度和产气浓度在充足光照条件下系统运行1200 s达到了6.16 mol/cm和42.2%,偏压条件下阴极表面离子浓度和产气浓度呈正比变化。继续分析PEC产氢体系的产氢速率后发现,系统运行600 s后,仅施加偏压时产氢速率表现为持续下降,施加恒定偏压单/双侧光照时产氢速率表现为趋于相对平稳。为探究变化原因进一步研究了PEC产氢体系内电流变化情况,发现系统运行600 s后仅施加偏压时电流为持续下降,施加恒定偏压单/双侧光照时电流随时间逐渐趋向平稳,因此表明电解池内的离子迁移速率变化影响产氢速率。 （3）光纤传感器原位实时获取无偏压下PEC阴极表面离子浓度与产气浓度:通过不施加外置偏压并将阳极和阴极串联的方式,形成无偏压PEC产氢体系,利用搭建的光电催化产氢光纤传感器测量系统在无偏压PEC产氢体系中在线测量阴极表面离子浓度和产气浓度,探索无偏压条件下光照对阴极表面离子浓度和产气浓度的影响,研究无偏压下PEC阴极表面离子浓度与产气浓度之间的关系,分析无偏压PEC产氢速率变化。结果显示,无偏压条件下阴极表面离子浓度和产气浓度在充分光照条件下达到了2.9 mol/cm和32%,无偏压条件下阴极表面离子浓度和产气浓度呈正比变化。进一步研究PEC产氢体系内产氢速率变化,发现产氢速率在系统运行600 s后趋于稳定,结合偏压下PEC产氢体系内的产氢速率变化情况,可以得出结论,提供光照有利于稳定PEC产氢性能。将光照对偏压和无偏压PEC产氢体系的影响数据进行对比分析后,发现提供一定的外置偏压可以有效帮助光照不充分的无偏压PEC产氢体系大幅提升性能。

关键词： 图像融合   火灾隐患检测   GAN   注意力机制   密集连接   嵌入式平台  

摘要： 在危害人类安全的各类灾害中,火灾是最常见的一种。火灾发生频率高并且会带来无法估计的损失,对于人民的生活影响巨大。目前市面上主要是通过可见光摄像头检测火灾初期产生的烟雾与火焰的颜色、轮廓、纹理或者通过传感器检测温度变化。火灾初期阶段从烟雾出现到火势蔓延间隔时间极短,且仅通过上述方法识别烟雾与火焰,无法在未发生火灾但存在火灾隐患时发出预警,并且在夜间大雾等极端环境下可见光特征大量丢失。为解决传统火灾检测在夜间等极端天气下效果不佳、受限于复杂环境以及在尚未出现烟雾与火焰但存在火灾隐患的情况下无法预警等问题,设计了一种双分支GAN红外与可见光图像融合的火灾隐患检测算法,并将其搭载到嵌入式移动平台Jetson Xavier NX上,提出了一种热红外与可见光图像融合算法,既保留了热红外的温度信息又补充了可见光的纹理、轮廓信息,通过对融合图像进行处理,判断是否存在火灾隐患并进行预警。实验证明本文提出的改进红外与可见光图像融合算法用于检测火灾隐患具有较好的鲁棒性与稳定性。本文的主要研究内容可以总结为以下四个方面: 1.针对传统火灾检测在夜间大雾等极端天气下误判率高,受限于背景环境检测效果不佳等问题,提出一种双分支GAN红外与可见光图像融合算法,在生成器中设计并提出一种双分支结构,生成器的上分支为密集残差子网,该分支通过引入密集连接块与残差网络提取到了更多鲁棒的特征信息,解决了光晕伪影与梯度爆炸问题;生成器的下分支为注意力子网,在该分支中提出一种双注意力模块(ECCAB,Efficient Coordinate ChannelAttention Block),该分支串联了大量的ECCAB模块,弥补了空间信息的缺失,提高了融合图像与源图像的结构相似度、亮度及对比度。通过改进GAN图像融合算法保留了温度特征同时补充了纹理与轮廓特征。 2.针对红外与可见光源图像的浅层特征未充分利用甚至丢失、深层与浅层特征无法充分结合、融合特征单一以及没有标准融合图像作为参考等问题,提出一种调节损失函数,并设计调节图像,引入加权平均操作,对红外与可见光图像进行加权平均,并将结果作为调节图像,调节图像中包含了大量红外与可见光图像特征,与源图像有较强的相关性,通过调节图像模拟源图像达到调节融合结果的目的,丰富了融合特征的多样性。相较于传统GAN图像融合算法得到了有效提高。 3.针对传统火灾检测仅能检测烟雾或火焰,无法检测到存在火灾隐患但尚未出现烟雾或火焰的异常物体,提出一种阈值分割算法(S-TS,Single Shot MultiBox Detector-Threshold Segmentation),该算法与本文提出 的改进双分支 GAN 图像融合算法共同组成火灾隐患检测算法,通过热红外与可见光摄像头采集源图像,对采集到的红外与可见光源图进行图像融合,对融合图像进行标注,标记出图像中无火灾隐患的物体,进行训练得到模型,通过SSD目标检测识别出预先标记好的无隐患的物体,对其进行零值填充与二值化操作,对相邻两帧的结果分别使用本文提出的改进三帧差分法进行阈值分割,最后计算平均像素值并进行阈值比较,判断是否具有火灾隐患,改进图像融合的火灾隐患检测算法可以根据不同的场景调整阈值,在实验场景下具有较高的鲁棒性与稳定性。 4.本文针对火灾隐患检测需求现状进行了分析,最终开发了一套火灾隐患巡检系统。针对火灾隐患检测实时自动巡检功能,选用思岚A1激光雷达并使用Hector SLAM算法构建场所的地图模型;对得到的地图模型使用A*路径规划算法,规划出最优巡检路线;设计了巡检智能车的电机驱动模块与电源供电模块;通过PID算法结合地图模型实现巡检智能车的调速与避障,最后将火灾隐患检测算法搭载到上述巡检智能车上,实现安防火灾巡检。