基于腔光力系统的磁场传感器设计与实现
这是一篇关于磁场传感器,腔光力,洛伦兹力,光子晶体的论文, 主要内容为随着科学技术的发展,人们对于测量设备的精度需求也逐渐提高。磁场传感器作为测量设备中重要的一部分,在信息产业、工业自动化、交通运输、电子技术、办公设备、家电、医疗设备等行业具有广泛的应用。但现有的传统磁场传感器逐渐难以满足人们的需求,主要是因为存在体积较大、抗电磁干扰能力较差和难于与现行的CMOS电路集成等问题,因此研制一款高精度磁场传感器具有重要的研究价值,本文通过深入分析现已有的磁场传感器的优劣势,以及腔光力系统在磁场传感器领域存在的优点,设计出了三种基于腔光力系统的洛伦兹力磁场传感器结构,加工了其中一种传感器并测试了该传感器的性能。本论文的主要研究内容及成果如下:1.分析了腔光力系统的工作原理,并结合腔光力系统的原理提出了基于腔光力系统的洛伦兹力磁场传感器整体结构设计;使用simulink仿真软件验证磁场传感器理论参数之间的关系,通过仿真分析得出所设计的磁场传感器在输入激光强度为199μW时,其磁场探测灵敏度为7.9μT/Hz。并采用COMSOL仿真软件对磁场传感器结构及参数进行仿真与设计,设计出直梁机械振子结构、长直梁小质量块机械振子结构和内外嵌套式机械振子结构三种结构的磁场传感器。针对所设计的磁场传感器结构,仿真分析了结构的稳定性、光学谐振特性、机械谐振特性及功耗,理论分析了灵敏度和分辨率特性。2.在完成仿真设计的基础上,本文介绍了芯片加工过程中遇到的问题及这些问题的解决方案,加工制备了初版的直梁磁场传感器芯片,并搭建起性能测试平台,测试分析了磁场传感器芯片的稳定性、光学谐振特性、机械谐振特性及信号稳定性。通过本文对腔光力系统的深入研究和所设计的新型磁场传感器,有助于促进这项技术在精确测量等领域的应用,这对于科学发展和社会进步都具有重大的意义。
面向光子晶体传感阵列的自动化实验平台
这是一篇关于光子晶体,传感阵列,自动化制备的论文, 主要内容为化学作为一门基础学科,推动着人类社会的发展和进步。尽管发展迅速,但是时至今日许多化学实验的探索仍然依靠着科研工作者频繁且复杂的人工操作。而且过多的人工操作也带来了一些弊端,比如:实验结果的重复性不高、有些实验操作危害身体健康等。随着科技的发展,自动化技术已经深刻地改变了人们的生产和生活方式。同时我们相信如果这些技术应用于自然科学的研究和探索工作中,必然也会带来质的飞跃。近年来,光子晶体由于自身具有周期性的结构,存在光子禁带,不仅可以对光的传播进行调控,而且信号可以自表达,在新型传感器领域获得了迅速的发展。目前实验室制备光子晶体都是通过手工操作完成的,这不仅需要较高的实验经验,而且人为误差会造成光子晶体材料制备的可重复性不高,这会严重影响光子晶体在传感器领域的应用和发展。基于自动化技术在科学研究中显现出的潜在应用价值,我们决定将其应用到化学实验的实践中。我们搭建了一套面向光子晶体传感阵列的自动化实验装置,该套装置可以在无人值守的情况下,通过设定光子晶体制备的实验参数,实现对光子晶体材料的自动化制备。围绕光子晶体的自动化制备,本文开展了以下两方面的研究工作:(1)设计并搭建了一套光子晶体正模板的自动化制备装置,并为自动化制备装置设计了一套对应的软件控制程序。通过对实验室设备:三轴机械臂、四轴机械臂、金属浴、注射泵等设备的开发,实现了对实验室设备的控制。通过光子晶体正模板的自动化制备装置,成功实现了对光子晶体正模板材料的自动化制备。光子晶体正模板制备步骤的代码化将有助于提高光子晶体正模板材料制备的重复性以及便利性。(2)在光子晶体正模板自动化制备的基础上,我们设计并搭建了一套光子晶体反模板的自动化制备装置,并设计了一套对应的软件控制程序。通过对实验室设备:四轴机械臂、6通道切换阀门、注射泵、兰格泵、讯飞泵、紫外光源等设备的开发,实现了对实验室设备的操控。通过光子晶体反模板的自动化制备装置,成功实现了对光子晶体反模板材料的自动化制备。实现了光子晶体反模板制备步骤的代码化,并且设计了 UI控制界面,通过合理的参数设定便可方便地进行光子晶体反模板的自动化制备。与传统的实验室方法相比,自动化制备装置将科研工作者从繁琐的实验操作中解脱出来,显著降低了实验误差并且提高了实验结果的可重复性,展现出了手工操作无法比拟的优势。不仅为科研工作者提供了更加丰富的实验信息,而且为今后更多的实验探索提供了有力的工具。
光子晶体中拓扑界面态传输性质的研究
这是一篇关于拓扑绝缘体,光子晶体,非晶态,界面态的论文, 主要内容为近年来,拓扑光子学进入了一个快速发展时期。类比凝聚态物理中的拓扑绝缘体,利用人工周期性结构光子晶体可以实现光学拓扑绝缘体。光子晶体具有加工制备简单和低损耗的优势,成为操控电磁波实现拓扑输运,并且开发新奇拓扑光学器件的良好平台。拓扑绝缘体中的显著特征是具有单向传输的边界态,并呈现出背向散射抑制、缺陷免疫和自旋轨道锁定的传输特性,具有巨大的应用前景。光子晶体结构上的灵活性与多样性,也给探究新的拓扑模型提供了更多的可能性。本文利用二维六角晶格光子晶体结构,在数值仿真和微波实验中观测到了光学系统中新奇的拓扑现象,并为今后开发和设计光子晶体器件提供了新的思路和方法。首先,主要介绍凝聚态物理中拓扑理论及发展以及光学拓扑绝缘体的发展现状。首先,简述了凝聚态物理中霍尔效应的发展以及拓扑相关概念。然后,回顾了光子晶体的发展历程,阐述了光子晶体的概念性质及其应用。最后,列举了光学系统中典型的光子绝缘体的相关研究:光量子霍尔效应、光量子自旋霍尔效应等。其次,本文基于人工蜂窝晶格的二维拓扑光子晶体,通过调整原胞内外介质柱之间的耦合,实现拓扑相变。并且研究了具有一定宽度限制的拓扑光子晶体,基于有限尺寸效应界面态能带色散会打开带隙。另外,通过改变电磁波传输过程中光子晶体的宽度,还实现边界态的选择性切换开关,并且在微波实验中观测到赝自旋维持和赝自旋翻转的现象过程。我们还利用有限宽度光子晶体设计了一个多重隧穿的器件。赝自旋开关的设计为控制拓扑边界态的传输提供了新的可能性,也为光学器件的设计铺平了道路。然后,本文提出了一个具有短程有序的而长程无序的二维非晶光子晶体结构。通过随机旋转单个原胞内的介质柱,可以改变晶格的长程有序性。并且证明了在一定无序强度下边界态仍然保持单向输运。在所提出的结构中,我们还研究了四个拓扑通道交界处边界态能量划分的现象。在微波近场扫描实验中,我们也同样观测到此结果。这一研究为进一步研究非晶拓扑光子学绝缘体提供了一个平台,也减少了光学器件在实际应用上的困难。最后,我们总结了本篇论文的主要工作,本文的研究主要基于拓扑物理的相关知识设计和操控光子晶体中电磁波的传播,并且为拓扑光学器件在实际生活中的应用提供了一些参考,为构建光学器件铺平了道路。
面向光子晶体传感阵列的自动化实验平台
这是一篇关于光子晶体,传感阵列,自动化制备的论文, 主要内容为化学作为一门基础学科,推动着人类社会的发展和进步。尽管发展迅速,但是时至今日许多化学实验的探索仍然依靠着科研工作者频繁且复杂的人工操作。而且过多的人工操作也带来了一些弊端,比如:实验结果的重复性不高、有些实验操作危害身体健康等。随着科技的发展,自动化技术已经深刻地改变了人们的生产和生活方式。同时我们相信如果这些技术应用于自然科学的研究和探索工作中,必然也会带来质的飞跃。近年来,光子晶体由于自身具有周期性的结构,存在光子禁带,不仅可以对光的传播进行调控,而且信号可以自表达,在新型传感器领域获得了迅速的发展。目前实验室制备光子晶体都是通过手工操作完成的,这不仅需要较高的实验经验,而且人为误差会造成光子晶体材料制备的可重复性不高,这会严重影响光子晶体在传感器领域的应用和发展。基于自动化技术在科学研究中显现出的潜在应用价值,我们决定将其应用到化学实验的实践中。我们搭建了一套面向光子晶体传感阵列的自动化实验装置,该套装置可以在无人值守的情况下,通过设定光子晶体制备的实验参数,实现对光子晶体材料的自动化制备。围绕光子晶体的自动化制备,本文开展了以下两方面的研究工作:(1)设计并搭建了一套光子晶体正模板的自动化制备装置,并为自动化制备装置设计了一套对应的软件控制程序。通过对实验室设备:三轴机械臂、四轴机械臂、金属浴、注射泵等设备的开发,实现了对实验室设备的控制。通过光子晶体正模板的自动化制备装置,成功实现了对光子晶体正模板材料的自动化制备。光子晶体正模板制备步骤的代码化将有助于提高光子晶体正模板材料制备的重复性以及便利性。(2)在光子晶体正模板自动化制备的基础上,我们设计并搭建了一套光子晶体反模板的自动化制备装置,并设计了一套对应的软件控制程序。通过对实验室设备:四轴机械臂、6通道切换阀门、注射泵、兰格泵、讯飞泵、紫外光源等设备的开发,实现了对实验室设备的操控。通过光子晶体反模板的自动化制备装置,成功实现了对光子晶体反模板材料的自动化制备。实现了光子晶体反模板制备步骤的代码化,并且设计了 UI控制界面,通过合理的参数设定便可方便地进行光子晶体反模板的自动化制备。与传统的实验室方法相比,自动化制备装置将科研工作者从繁琐的实验操作中解脱出来,显著降低了实验误差并且提高了实验结果的可重复性,展现出了手工操作无法比拟的优势。不仅为科研工作者提供了更加丰富的实验信息,而且为今后更多的实验探索提供了有力的工具。
面向光子晶体传感阵列的自动化实验平台
这是一篇关于光子晶体,传感阵列,自动化制备的论文, 主要内容为化学作为一门基础学科,推动着人类社会的发展和进步。尽管发展迅速,但是时至今日许多化学实验的探索仍然依靠着科研工作者频繁且复杂的人工操作。而且过多的人工操作也带来了一些弊端,比如:实验结果的重复性不高、有些实验操作危害身体健康等。随着科技的发展,自动化技术已经深刻地改变了人们的生产和生活方式。同时我们相信如果这些技术应用于自然科学的研究和探索工作中,必然也会带来质的飞跃。近年来,光子晶体由于自身具有周期性的结构,存在光子禁带,不仅可以对光的传播进行调控,而且信号可以自表达,在新型传感器领域获得了迅速的发展。目前实验室制备光子晶体都是通过手工操作完成的,这不仅需要较高的实验经验,而且人为误差会造成光子晶体材料制备的可重复性不高,这会严重影响光子晶体在传感器领域的应用和发展。基于自动化技术在科学研究中显现出的潜在应用价值,我们决定将其应用到化学实验的实践中。我们搭建了一套面向光子晶体传感阵列的自动化实验装置,该套装置可以在无人值守的情况下,通过设定光子晶体制备的实验参数,实现对光子晶体材料的自动化制备。围绕光子晶体的自动化制备,本文开展了以下两方面的研究工作:(1)设计并搭建了一套光子晶体正模板的自动化制备装置,并为自动化制备装置设计了一套对应的软件控制程序。通过对实验室设备:三轴机械臂、四轴机械臂、金属浴、注射泵等设备的开发,实现了对实验室设备的控制。通过光子晶体正模板的自动化制备装置,成功实现了对光子晶体正模板材料的自动化制备。光子晶体正模板制备步骤的代码化将有助于提高光子晶体正模板材料制备的重复性以及便利性。(2)在光子晶体正模板自动化制备的基础上,我们设计并搭建了一套光子晶体反模板的自动化制备装置,并设计了一套对应的软件控制程序。通过对实验室设备:四轴机械臂、6通道切换阀门、注射泵、兰格泵、讯飞泵、紫外光源等设备的开发,实现了对实验室设备的操控。通过光子晶体反模板的自动化制备装置,成功实现了对光子晶体反模板材料的自动化制备。实现了光子晶体反模板制备步骤的代码化,并且设计了 UI控制界面,通过合理的参数设定便可方便地进行光子晶体反模板的自动化制备。与传统的实验室方法相比,自动化制备装置将科研工作者从繁琐的实验操作中解脱出来,显著降低了实验误差并且提高了实验结果的可重复性,展现出了手工操作无法比拟的优势。不仅为科研工作者提供了更加丰富的实验信息,而且为今后更多的实验探索提供了有力的工具。
等离激元微纳结构的智能表征与支持连续体束缚态微纳结构的高性能设计
这是一篇关于超表面,等离激元,光子晶体,连续体束缚态,深度学习的论文, 主要内容为光学超表面是一种厚度只有百纳米的人工微纳结构,其亚波长尺度的“超原子”单元结构可以与电磁场产生独特的相互作用来调控光的特性,例如控制光束的传播方向,实现波前塑形(聚焦)和增强近场等,因此在传感、成像和通信等方面有着重要应用。如何根据需求快速高效地设计定制超表面结构一直是该领域研究的一个重点。另一方面,如何实现超表面结构参数快速精准地识别表征以及实现理论设计与实验结果的统一也是一个亟待解决的难题。本文将围绕神经网络辅助识别表征等离激元超表面以及支持连续体束缚态的介质超表面结构的智能设计两个方向展开研究。等离激元的几何形状和材料特性是为传感应用定制光学共振特性的关键参数。统一理论仿真和实验结果需要对微纳结构的参数进行准确的表征。然而,扫描电子显微镜或原子力显微镜可以准确的分析微纳结构横向几何形状,但等离激元光学微纳结构的薄膜材料特性和纵向厚度的表征并不简单,这通常需要对器件进行刻蚀和截面分析。本论文提出采用深度神经网络的人工智能算法,通过表征简单的透射光谱的数据实现对等离激元超表面核心参数的预测。首先基于仿真数据建立神经网络算法,实现仿真数据中几何参数和材料参数的准确识别。然后,通过混合仿真和实验数据进行网络训练验证了实验数据中正确的材料特性识别结果。该工作表明通过简单光谱技术和深度学习算法可以实现等离激元对超表面器件的快速表征。在介电超表面的研究中,研究人员发现连续体(BIC)中的光学束缚态存在于各种介电、等离激元和混合光子系统中。局部BIC模式和准BIC共振可以导致大的近场增强和具有低光损耗的高质量因子。在这项研究工作中,我们通过仿真发现硅基光子晶体结构中的准BIC现象,通过对刻蚀薄膜厚度的改变,成功实现了对准BIC模式响应的调控,在折射率传感等方面展现了很好的应用前景。随后,进一步对受对称保护性的BIC共振介质结构进行了研究,通过不同的方式破坏结构的不对称性,验证了其品质因子Q和不对称系数α均满足Q∝α-2,并实现了在可见光到近红外波段大范围的BIC响应覆盖。最后,我们演示了简单的逆向设计神经网络,通过输入需求的准BIC共振波长和响应Q值,可以直接输出支持准BIC模式的周期性全介质超表面的结构参数。综上所述,本论文针对纳米光子学领域结构设计和表征两个难题,提出了人工智能算法辅助的超表面表征和设计方法,成功实现了等离激元超表面的快速表征,展现了超高的表征准确度,并同样适用于真实的实验数据。随后展示一种支持准BIC模式的介质超表面的高效逆向设计方法,展现了巨大的应用潜力。这两项工作的部分成果有助于解决纳米光子学领域结构设计和表征两个难题,实现低成本高效率的快速设计和表征,进而推动超表面在实际的传感、成像和通信等应用领域的快速普及。
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