课程文献中心 更多>>

关键词： 光纤激光器   锁模   同质混合   传输函数耦合   脉冲整形   微波光子  

摘要： 基于光纤激光技术光/电脉冲产生,在基础科研和商业应用中起着越来越重要的作用,是最具前景的新兴脉冲发生技术之一。其中,丰富脉冲形态,提高脉冲能量及频率是三个重要方向。传统电子学方法任意波形产生不仅受到电子“瓶颈”限制,且容易受到干扰、损耗大、能量低、保密性差。光学方法可有效克服上述限制,吸引了大量科研人员相继投入研究,具有基础研究和应用开发潜力。其中,基于锁模技术的光纤激光器可产生形态丰富的高能激光脉冲;基于连续激光外调制技术可产生高频微波脉冲信号。被动锁模功能是光纤激光器脉冲工作状态,受到丰富而复杂的非线性动力学驱使,产生的激光脉冲具有时域丰富、属性各异、高能量等特点,是基于光学技术任意波形信号产生的理想选择。此外,工作在连续状态的光纤激光与微波技术交叉结合产生任意微波脉冲,可有效提高脉冲信号频率,带宽大,接入灵活,抗电磁干扰能力强。因此,基于光学方法产生任意波形,有广阔的科学研究和商业应用的潜力,优势明显,意义深远。本文主要针对全光纤被动锁模激光技术非线性动力学过程和任意波形产生等一系列关键技术展开了研究。重点研究了同质可饱和吸收体(SA)传输函数耦合,激光脉冲的产生和特性调控。同时,还研究了基于连续激光外调制高频微波信号产生。主要研究内容如下: 1.基于NPR锁模及谐振腔外脉冲演化动力学研究 适当设置谐振腔色散,采用NPR锁模技术,激光器获得传统孤子(CS),展宽孤子(SP)和耗散孤子(DS)输出。基于Sagnac、Lyot和DFT等技术,对产生的超快脉冲演化动力学特征进行了研究。实验发现,适当条件下,脉冲在谐振腔外的演化情况与谐振腔内趋同。 2.基于NALM同质混合的传输函数耦合三步阶梯型脉冲产生技术研究 将一对高度相似的透射型NALM顺向接入UR,提供耦合传输特性,可实现传输函数重构与修饰,最终获得独特的锁模功能和脉冲整形特性。NALM传输函数耦合,赋予同质SA混合结构传输函数(如:调制频率、调制深度等)新特性。其中,特定条件下,传输函数呈现类似于“压缩”或“展宽”等情形。通过NALM同质混合技术,实验获得了连续可调的三级阶梯状脉冲(TSSLP),最大脉冲宽度～32.26 ns,最大峰值功率～0.33,3.46和5.38 W。此外,适当调整混合SA谐振腔结构,还获得了条形柱状离散方形脉冲(BCRP)。最后,利用DFT技术对产生的TSSLP/BCRP属性进行了鉴定,非线性动力学演化过程进行了观察。 3.基于GIMF同质混合NLMI效应多样化锁模脉冲产生与非线性动力学研究 非线性多模干涉(NLMI)效应是处于基础模式的激光光束从单模光纤入射到折射率渐变多模光纤(GIMF)激发高阶模,因不同阶次模式克尔效应(Kerr effect)强度不同而产生具有强度区分特性的空间光束自聚焦效应。其中,基于GIMF的等效SA主要受光纤长度,模场分布,激光光强和非线性系数等影响。原始理论中,GIMF-SA光纤长度变量需精确控制在8)量级。条件如此苛刻,GIMF-SA实用性被严重削弱。 为了突破对光纤长度的限制,我们对单根GIMF-SA套上粗细不同的两层热缩管,对其进行平移、旋转和扭曲等操作,实现了DS等锁模功能。其次,采用直径为105-508)的GIMF进行中心对齐集中拼接以获得同质混合锁模功能,实现传输函数耦合与特性调控。适当条件下,耦合的传输曲线显示出正弦类似的震荡特性,即存在饱和吸收与反饱和吸收现象,其调制周期可被“压缩”或“拉伸”,调制深度大范围可调谐。基于此,获得了DS、耗散孤子共振(DSR)、调Q方形脉冲(QRP)、类噪声脉冲(NLP)、亮暗孤子对(BDP)等脉冲,并对BDP形成机理作了研究。采用芯径1058)分布式GIMF-SA结构,获得DS,DSR,椅子和楔形脉冲输出,观察到DS向DSR演化的非线性动力学过程。此外,也利用DFT技术对产生脉冲特性进行了鉴定和观察。 4.高频微波信号产生研究 连续波(CW)激光输出是光纤激光器更普遍的功能。CW光纤激光与外调制技术结合,能灵活、稳定、高效地实现高频微波信号产生,是突破电子“瓶颈”的理想选择。基于马赫增德尔调制器(MZM),可通过控制光强,偏置电压和调制深度等,达到控制四波混频(FWM)强度和相位匹配条件,实现无独立滤波高质量微波信号产生。模拟研究了基于双平行MZM(DP-MZM)结构,获得2、4、8、12、24倍基频等高频微波信号。基于倍频微波信号时域叠加,实现了1、4、8倍基频等平顶、三角、双曲正割一类高频微波脉冲产生。

关键词： 塑料光纤   热切法   光纤端面质量   V型侧抛   折射率传感器  

摘要： 塑料光纤凭借其轻便、低成本、大纤径、高柔韧性等优势,在短距离通信和传感领域展现出巨大的潜力。随着传感检测技术的持续进步,塑料光纤在RI传感检测等多个领域也展现出了巨大的应用潜力和多样化的使用需求。然而,塑料光纤精密切割和折射率传感性能的提升仍面临挑战。本研究以高质量塑料光纤制备折射率传感器为切入点,从理论研究、切割装置制作、切割试验分析、传感器仿真分析和传感性能实验入手,深入探讨了塑料光纤精密切割技术和V型侧抛结构折射率传感器的传感性能,旨在为塑料光纤传感器的开发和应用提供理论指导和实验依据。 首先,基于热切法分析了塑料光纤切割过程中的热力学特性,包括热弹塑性、玻璃化转变与应力应变关系,以及端面质量对连接损耗的影响。研究发现,塑料光纤在接近玻璃化转变温度时具有最佳的切割性能,并且切割端面平整度和粗糙度对插入损耗和回波损耗有直接影响,实现塑料光纤的精密切割需要精确控制光纤、刀片温度和切割速度。在热切割理论指导下,设计了模块化塑料光纤切割装置,实现了不同直径和材质塑料光纤的稳定及重复的自动化切割。试验表明,在切割1mm直径PMMA塑料光纤时,当光纤温度在60～80℃、刀片温度在60～80℃、切割速度为0.5mm/s和5.6 mm/s的条件下,可获得较好的切割质量。在此基础上,又完成了0.75mm、1.5mm直径的PMMA塑料光纤切割,获得了最佳切割参数。其次,基于消逝场效应,改变塑料光纤几何结构设计了V型侧抛结构塑料光纤折射率传感器,并在COMSOL Multiphysics仿真软件中,运用光线追踪法,研究了V型侧抛的几何参数(如弯曲圆角半径、相交角和抛光深度)对传感性能的影响。仿真结果表明,V型侧抛结构可以显著增强消逝场效应,提高传感器的灵敏度。最后,基于仿真结果,以精密切割获得高质量塑料光纤制备了该传感器,并进行了RI传感检测实验。实验结果表明,V型侧抛结构可以显著提高传感器的灵敏度,在圆倒角半径为0.52mm、相交角为20°和抛光深度为305.4μm时,线性拟合相关系数为0.9691,灵敏度达到174.687 RIUd B/。综上,V型侧抛结构的塑料光纤折射率传感器设计简单、易于制造,在1.33～1.4的范围内可显著降低测量折射率成本,并具有抗干扰能力强优点。

关键词： 碰撞检测   双目视觉   LGMD神经元   昆虫视觉   神经网络  

摘要： 随着GPT(Generative Pre-trained Transformer)大模型的蓬勃发展与AIGC(Artificial Inteligent Generated Content)技术的广泛普及,基于深度学习的人工智能研究在诸多领域展现出强大的应用潜能。然而,与此同时,其弊端也逐渐显露。一方面,深度网络中庞大的权重参数确定离不开巨量训练数据;另一方面,大模型的巨大计算量使得能源消耗问题日益凸显。深度学习技术所面临的困境制约着人工智能的进一步发展。为此,探索一条新的人工智能研究路线势在必行。在自然界,小型昆虫仅凭规模有限的微型大脑网络架构,以极低的神经计算能耗在觅食、求偶、避敌等基本生命活动的过程中表现出令人惊叹的智能行为。基于此,近年来,剖析小型昆虫微型大脑背后精密的神经计算逐渐成为构建新一代人工智能的新颖研究范式。在昆虫微脑智能研究领域中,视觉智能占据着至关重要的一环。神经科学研究表明,以蝗虫为代表的飞行昆虫之所以能在集群迁徙中展现出卓越的智能避碰行为,得益于其视叶内LGMD(Lobula Giant Movement Detector)神经元对迫近视觉刺激具有敏感且强烈的神经响应。由此,探索并建模LGMD神经元的计算机制为构建“低算力、低能耗、非学习”的碰撞检测视觉系统开辟了全新的研究道路。 尽管在过去的几十年中,研究人员基于LGMD神经元建立了若干神经网络模型,但这些模型均建立在单目视觉的基础之上。众所周知,双目视觉才是自然界众多生物的固有视觉结构。事实上,从神经解剖结构上看,蝗虫大脑的中央复合体两侧分别具有连接左右复眼的对称视叶结构,生理行为学实验也佐证了双目视觉信息对于蝗虫避碰能力的根本性和重要性。但是,双目视觉信息如何进行融合,尤其在LGMD人工神经网络模型中如何体现其功能作用,至今未见有相关研究。本文针对这一问题进行了深入研究,主要研究成果如下: (1)构建了基于双目视觉的LGMD碰撞检测模型基本架构,解决了在现有模型经典框架下如何设计双目信息融合机制的全新问题。相比于单目视觉而言,双目视觉的基本优势在于感知深度距离。本文利用双目信息融合机制对运动物体的深度距离信息进行有效提取,提高了模型辨别基本运动模式的能力,塑造了明晰的响应选择性。其次,本文引入了动态自适应的深度距离预警机制,确保模型能够始终在相对合理的时段内产生碰撞预警响应。一系列的数值实验结果表明所提模型具有更强的综合表现性能。 (2)构建了带有迫近方位估计的双目LGMD碰撞检测模型,解决了现有模型无法从本质区分带有不同碰撞风险程度的迫近方位之固有弊病,增强了模型的响应选择性和合理性。迫近方位是运动信息的本质特征之一,然而现有模型难以对其进行刻画,导致模型无法对不同的迫近视觉刺激做出合理匹配的响应。为此,本文遵循从特殊到一般的思路方法展开了研究。首先,针对运动物体从正前方开始迫近的特殊情形,本文将迫近方位问题转化为迫近偏角问题,构建了带有迫近偏角估计的双目LGMD碰撞检测模型。其次,对于更一般的情形,本文结合空间投影变换,构建了带有迫近方位与空间位置估计的双目LGMD碰撞检测模型,加深了现有LGMD模型对迫近模式的智能理解。一系列的数值实验结果表明了本文所提模型的有效性和优越性。 (3)构建了带有单峰响应形态的双目LGMD碰撞检测模型,解决了现有模型对激活阈值参数选取的依赖性问题,提高了模型对抗视觉因素的鲁棒性。现有模型容易受到激活阈值的影响,在可变的视觉因素(如对比度、噪声等)下表现不够稳定。为此,本文设计了一种启发于η函数的(?)型激活器,将响应结果塑造为单峰形态,并确保峰值出现在碰撞时刻之前。数值实验结果表明,基于峰值的碰撞预警响应机制对于可变性视觉因素具有更强的鲁棒性。WEBOTS平台的仿真测试也证明了搭载所提模型的微型视觉机器人在不同视觉环境下具备更稳定的自主避碰性能。本文所提出的神经计算方法为微型视觉机器人的智能避碰单元设计开辟了新的发展方向。 (4)构建了带有对抗极端噪声的双目LGMD碰撞检测模型,解决了现有模型及上述所提双目LGMD模型在极端噪声情形下表现性能不够鲁棒的问题。本文在神经网络各层之间引入池化单元,并通过最大池化与平均池化的竞争机制,实现了在极端噪声情形下对碰撞信号的有效提取。数值实验结果还表明池化竞争机制相较于传统滤波型方法在LGMD视觉神经网络模型中的抗噪优势。此外,在LGMD模型中引入池化单元极大地降低了模型的计算量,为探索轻量级的高效抗噪LGMD碰撞检测模型提供了全新的思路。

关键词： 法布里-珀罗干涉   光纤传感器   应变   空气微腔   高灵敏度  

摘要： 光纤应变传感器因其具有结构紧凑,成本低,受电磁干扰影响小等优势,在建筑安全,医疗器械,以及地震预警等领域具有广泛的应用前景。本文主要以法布里-珀罗干涉型(Fabry-Perot Interferometer,FPI)光纤应变传感器为研究对象、针对其传感原理、制备方式、应变传感特性以及温度传感特性开展深入研究: (1)本文研究了FPI的干涉原理以及应变传感原理,详细介绍了FPI的解调方法,通过理论结合仿真的方法探讨了FPI传感器的应变特性,同时分析了光学游标效应的干涉原理与增敏原理。 (2)提出并制备了基于腔内微泡结构的FPI应变传感器,采用空芯光纤制备F-P腔。实验制备了不同腔长以及不同二氧化硅壁厚的腔内微泡结构,并对其进行了应变及温度敏感性测试。实验结果表明,传感器的应变灵敏度随着腔长和二氧化硅壁厚度的减小而提高,并在腔长为80μm,二氧化硅壁厚为12.7μm时达到的最大应变灵敏度为3.89 pm/με,并且对温度并不敏感。同时,通过实验证明了该应变传感器具有较高的可重复性以及稳定性。 (3)为了进一步提高灵敏度,以电弧拉锥为制备方法,提出了基于含非对称锥的腔内微泡结构的FPI应变传感器。其中,电弧拉锥方法可以大幅减少结构侧壁的厚度,从而提升传感器的应变灵敏度。实验结果表明,该传感器的应变灵敏度相较于未含锥的微泡结构灵敏度得到了显著提升,当腔长为73μm,二氧化硅壁厚度为5.7μm,其应变灵敏度为8.91 pm/με,温度灵敏度仅有0.8 pm/℃。同时,采用了光学游标效应对传感器进行增敏,其应变灵敏度可最大放大12.5倍,实现了28.7 pm/με的应变灵敏度。