中国科学技术信息研究所--国家工程技术数字图书馆

[学位论文] 杨雄上海大学 2006年博士导师: 邓伟志共240页

摘要 : 进入青春期中之青少年的性困惑已经当前成为社会学、心理学、教育学和青少年研究中一个令许多学者关注的问题。研究表明，20世纪的100年间，每过25年少男少女的性成熟提前1年，上个世纪初性成熟期发生在十六七岁，世纪末的时候已经提前到十二三岁。另... 展开进入青春期中之青少年的性困惑已经当前成为社会学、心理学、教育学和青少年研究中一个令许多学者关注的问题。研究表明，20世纪的100年间，每过25年少男少女的性成熟提前1年，上个世纪初性成熟期发生在十六七岁，世纪末的时候已经提前到十二三岁。另一方面，青少年人选择结婚的年龄则大大推迟。世纪初的时候是20岁左右，世纪末已达到26岁以上。学术界把从性成熟到结婚的这一段时间称为“性待业期”。显然，目前青少年的“性待业期”已达到10年，甚至更长。而从世界范围看，以性成熟为标志的性生理发育的总体趋势呈前倾。这在世界各国都得到了程度不同的验证。中国青少年近13亿人口中，10-20岁的青少年达3亿多，每年约有2000万人进入性成熟期。青春期中青少年处于心理冲突中?还是可以平稳度过?一直是心理学和社会学讨论的焦点。传统经典著观点认为，青春期是一个新的诞生，青春期的到来标志着人更加高级、更加复杂的特质的产生。同时，青春期也是一个情感爆发和压力甚大的时期，是一个充满冲突和困惑的时期。现代研究则发现，青春期确是一个过渡的时期，一如更年期。尽管青春期有激烈的生理和荷尔蒙变化，却没有规定这必须是一个混乱时期。这得要看青少年原本的个性，和他们从身边成人所得到的感情上的支持。本研究分析框架借鉴了如下两个解释模型以支持理论分析：(1)青少年期“紧张——对峙”解释模型；(2)青春期“推拉——吸纳理论”解释模型。以解释青春期中青少年与外界环境的相互争夺、吸纳与吸引的紧张关系，以及解释当代中国独生子女一代城市中学生能否平稳地渡过青春期。本研究分析测量是运用“长时段”(Long-term)时间差(相同年龄研究对象、相同问卷)研究方法。首次在全国用15年跨度中三次(1989、1999和2004年)问卷调查，对上海、北京、广州和武汉等大城市中学生性意识、性行为变化轨迹进行了测量比较，从中了解中国大城市青少年性意识与性行为发生了和正发生着怎样的变化，并显示着怎样发展趋势。本研究变量涉及：(1)男女中学生性生理发育、性心理发展新变化；(2)城市男女中学生对性的认识、性知识掌握状况；(3)男女中学生异性交往变化状况；(4)性信息对城市男女中学生影响程度；(5)男女中学生的恋爱经验；(6)男女中学生性经验、性行为发生情况；(7)男女中学生对性教育的期望；(8)学校、家庭青春期性教育对孩子的影响状况等。本研究获得新发现有：(1)开放的环境下城市青少年性生理发育、性心理成熟继续加快；(2)环境因素对城市青少年的性成熟性冲动影响明显；(3)城市中学生性观念趋于开放、异性交往增多并不意味着其性行为更加活跃；(4)当代城市中学生性转移与在校大学生性活跃形成明显反差；(5)城市中学生性转移与当前高考压力直接相关；在上述分析基础上，本研究提出如下核心观点：(1)性教育有助于当代城市青少年平稳地、安全地渡过青春期；(2)青春期教育应继续坚持适时、适量和适合中国国情的基本原则；(3)性和爱的教育不是一生一次之教育，当前青春期教育要与“品性教育”结合。收起

关键词 : 青春期性成熟性冲动性观念性行为性教育

2. 污泥膨胀诱发机理及其控制新方法

[学位论文] 杨雄北京工业大学 2015年博士导师: 彭永臻共205页

摘要 : 我国已建和在建的污水处理厂中95％以上都采用活性污泥法，良好的泥水分离效果是活性污泥法高效稳定运行的关键。然而，污泥膨胀问题的发生严重影响了污水处理厂二沉池的泥水分离效果以及整个污水处理厂的稳定运行。尽管国内外已有大量的研究，但由于... 展开我国已建和在建的污水处理厂中95％以上都采用活性污泥法，良好的泥水分离效果是活性污泥法高效稳定运行的关键。然而，污泥膨胀问题的发生严重影响了污水处理厂二沉池的泥水分离效果以及整个污水处理厂的稳定运行。尽管国内外已有大量的研究，但由于污泥膨胀问题引发因素众多、影响机理错综复杂，该问题至今未能得到有效解决。针对目前污水处理厂污泥膨胀问题多发、影响因素不清楚等问题，以连续流厌氧/缺氧/好氧系统和序批式系统为研究对象，以实际污水与合成污水作为进水，采用常规水质监测、活性污泥性能分析、微生物种群分析和菌种鉴定等技术手段，对一些新的因素或以往研究较少的因素和污泥沉降性能之间的影响关系进行了深入的考察;同时针对目前缺乏高效快速解决污泥膨胀问题方法的状况，发明了“利用饥饿处理解决丝状菌污泥膨胀问题”的新方法，并首次在同步脱氮除磷系统中启动和实现了“污泥微膨胀”。本文主要创新性成果如下，其对于污泥膨胀理论体系的丰富和完善有重要意义，为污泥膨胀问题的高效快速解决提供了新思路。从微生物种群结构变化的微观层面揭示了不同pH对污泥沉降性能的长期影响关系。研究发现低pH条件会减少胞外聚合物(EPS)的分泌，削弱菌胶团的絮凝能力，不利于污泥沉降性能的稳定维持，低pH条件还会助长真菌的增殖，当系统遭遇低底物浓度梯度的不利条件时容易发生严重的丝状真菌膨胀;高pH条件容易造成金属离子沉淀，使得污泥比重增加，不易发生膨胀问题;低pH和高pH条件都会削弱菌胶团菌的底物贮存能力，抑制菌胶团菌的活性，导致系统的硝化性能和除磷性能恶化。通过往连续流系统缺氧段和好氧段投加亚硝酸盐和硝酸盐的方式，系统地考察了亚硝酸盐和硝酸盐对污泥沉降性能的影响。证实亚硝酸盐存在于缺氧条件下时能够导致丝状菌的过量增殖，引发严重的污泥膨胀问题，缺氧条件下亚硝酸盐浓度越高，污泥沉降性能越差。硝酸盐无论存在于缺氧条件或好氧条件，只要缺氧条件下不出现亚硝酸盐积累则不会引发污泥膨胀问题。硝酸盐和亚硝酸盐的存在对系统有机物去除效果影响小，对系统除磷效果影响都很大。好氧条件下硝酸盐对硝化效果影响很小，亚硝酸盐的存在则会导致硝化性能恶化。亚硝酸盐容易促进M.Parvicella的增殖;氮氧化物浓度的增高会刺激Type0041的生长。通过选用不同有机物作碳源，考察了进水碳源类型对污泥沉降性能长期影响。结果证实在脉冲式进水、缺/好氧的运行条件下，不同碳源对污泥沉降性能的影响几乎无差异;完全混合式进水、全程好氧的运行条件下，以乙酸钠为碳源时最容易发生污泥膨胀，以甲醇为碳源时污泥沉降性能始终良好;以淀粉为碳源时系统会滋生较多的丝状菌，但污泥沉降性能不会严重恶化。碳源类型对系统中丝状菌的种类具有选择作用，有机酸和葡萄糖作碳源时系统内多滋生Thiothrix和S.natans，发生污泥膨胀的风险大;甲醇作碳源时多滋生Type0092，不易发生污泥膨胀的问题。通过限制进水氮、磷的方式考察了氮磷元素缺失对污泥沉降性能的影响。进水磷缺乏会导致活性污泥中聚磷菌流失，限制菌胶团菌对碳源的贮存和利用，导致EPS中蛋白质的含量大量减少，引发污泥膨胀的发生;进水氮缺乏对聚磷菌生长及菌胶团菌贮存利用碳源影响较小，能刺激菌胶团菌分泌大量的蛋白质，从而维持良好的污泥沉降性能;短期内进水氮磷同时缺乏会导致污泥沉降性能的恶化，但经长期驯化后微生物种群结构会发生较大变化，丝状菌不会大量增殖，系统内会滋生大量球状菌胶团菌，从而维持较好的污泥沉降性能。采用不同粒径的进水碳源考察了碳源分子大小对污泥沉降性能的影响。研究发现进水碳水化合物分子越小，活性污泥对环境的变化越敏感，当运行条件不利时越容易引发污泥膨胀问题;进水碳水化合物分子越大，吸附的大分子物质能够增加菌胶团的沉降速度，污泥的沉降性能越稳定。首次利用丝状菌和菌胶团菌贮存特性差异、抗饥饿能力差异，开发了饥饿处理快速解决丝状菌污泥膨胀问题的新方法。同等效率下，好氧饥饿处理法的作用时间长于厌氧饥饿处理法，且好氧饥饿处理法对菌胶团菌损耗较大，活性污泥菌胶团容易解体，综合各方面的因素考虑，厌氧饥饿处理法更优。厌氧饥饿处理法对于进水碳源以小分子易降解有机物为主的系统内污泥膨胀问题有很好的效果，能够在短期内使污泥沉降性能得到明显改善;饥饿处理结束后的恢复期采用短时进水、缺-好氧交替的运行模式，能有效地帮助菌胶团菌尽快恢复活性，并且预防污泥膨胀问题的再次发生。最后在同步脱氮除磷系统中首次建立和稳定维持了污泥微膨胀。发现同步脱氮除磷系统中富集的聚磷菌能够舒缓低溶解氧浓度对污泥沉降性能造成的不利影响，使得污泥微膨胀状态在同步脱氮除磷系统中更容易实现和维持。污泥微膨胀状态有利于大直径絮体的形成，低溶解氧的状态和大直径的污泥絮体能提高系统的同步硝化反硝化效果。进水的氨氮负荷对污泥沉降性能的影响可以忽略，高浓度的氨氮并不是导致污泥沉降性能恶化的根本原因。收起

关键词 : 污水处理厂污泥膨胀饥饿处理丝状真菌稳定运行

3. 电化学调控典型铁锰氧化物吸附重金属及其修复污染土壤机理

[学位论文] 杨雄华中农业大学 2022年博士导师: 邱国红共191页

摘要 : 土壤和地表/下水体环境质量与安全对于农业、社会和经济发展以及人类健康至关重要。随着城市化和工业化的快速推进，人类活动造成的重金属污染日益严重。环境中的重金属迁移性强、毒性高、难降解，在农业生产活动中很容易被植物吸收富集，严重影响作物... 展开土壤和地表/下水体环境质量与安全对于农业、社会和经济发展以及人类健康至关重要。随着城市化和工业化的快速推进，人类活动造成的重金属污染日益严重。环境中的重金属迁移性强、毒性高、难降解，在农业生产活动中很容易被植物吸收富集，严重影响作物产量和质量，并通过食物链在人体内累积危害健康。近年来多种重金属污染修复技术被广泛研究，但现有技术多存在需添加非环境友好型化学试剂以及过度预处理等缺陷，因此开发可持续的高效重金属修复方法至关重要。基于铁、锰氧化物等环境材料的吸附技术受到学者们重点关注，它们的重金属吸附性能与其化学成分和表面结构等因素密切相关。电化学方法可驱动过渡族金属氧化物发生氧化还原反应，此过程可能用于生成高性能吸附剂或调控吸附剂的组分与微观形貌从而促进重金属去除。本论文从原理与应用两个层次探究电化学调控下铁、锰氧化物形成与转化过程提升重金属吸附容量的机制，首先研究了电化学氧化还原反应提高典型铁、锰氧化物吸附容量的机理，进一步研究利用自然环境中大量存在的铁、锰元素资源电化学生成铁、锰氧化物吸附重金属，并结合土壤淋洗将电化学吸附技术扩展应用于实际污染土壤修复中。主要研究内容与结果如下： 1、电化学调控典型氧化锰（水钠锰矿）发生多周氧化还原反应以提高对阳离子重金属Cu2+吸附容量，并考察了溶液pH和电位窗口的影响。结果表明，在初始pH4.0、充放电电位窗口0.4–0.9V(vs.SCE)条件下，水钠锰矿对Cu2+最大电化学吸附容量高达372.3mgg?1，显著高于其等温吸附容量（44.3mgg?1），且水钠锰矿电极经电化学活化后可重复使用。电沉积对溶液Cu2+去除的贡献率低于3.2%，Cu2+吸附容量的提高主要归因于水钠锰矿发生不完全可逆的氧化还原过程中矿物表面负电荷增加以及溶解-再结晶过程中矿物活性吸附位点增多。扩大电位窗口可增加水钠锰矿的电化学还原程度从而提高其吸附容量，但也会降低电极材料稳定性；在pH3.0–5.0范围内提高pH值能增大电吸附容量。本研究揭示了锰氧化物的还原反应在其电吸附重金属阳离子过程中的关键作用。 2、电化学驱动典型氧化铁（磁铁矿）发生还原反应以提高对阴离子重金属Cr(Ⅵ)吸附性能，并考察溶液pH、电解电位和共存阴离子的影响。结果表明，在最优条件下，即初始pH2.0、恒电位?0.2V(vs.SCE)、共存NO3?时，磁铁矿电极对100mgL?1Cr(Ⅵ)溶液中Cr(Ⅵ)最高还原率为93.7%，总Cr去除容量达到514.7mgg?1。Cr(Ⅵ)在直接电化学还原作用以及磁铁矿还原溶解产生Fe2+aq的化学还原作用下被转化为Cr(Ⅲ)，随后在磁铁矿电极表面生成Cr(OH)3沉淀去除。当溶液初始pH升高至3.0以上时Cr(Ⅵ)的去除率显著降低；电位在?0.6–0.2V(vs.SCE)范围内降低时，电化学吸附量先升高随后在?0.2V后保持稳定；当共存阴离子为NO3?或Cl?时Cr(Ⅵ)不完全还原为Cr(Ⅲ)随后在磁铁矿表面沉淀去除，当共存SO42?时Cr(Ⅵ)发生完全还原但生成的Cr(Ⅲ)不能被去除。本研究阐明了电化学反应驱动铁氧化物还原溶解以提高对重金属阴离子固定作用的机理。 3、使用惰性电极电化学去除有机酸土壤淋洗液中混合重金属离子，研究各类络合态重金属去除机制，并考察电流密度的影响和电极材料再生性能。结果表明，使用200mmolkg?1柠檬酸盐提取土壤产生了含As、Zn、Pb和Cd浓度分别为240.6、106.7、29.1和15.4mgL?1的络合态混合重金属废液。在26mAcm?2电流密度下，阴极表面电介导水还原产生的局部碱性环境促进淋洗液中Zn(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)发生沉淀，富Fe土壤中淋出的大量Fe(Ⅲ)在阴极水解时引起As共沉淀，而难沉淀但还原电位较高的Cd(Ⅱ)发生阴极电沉积，这些联合的阴极反应过程使淋洗液中的有毒重金属去除率超过99.4%，而阳极对淋洗剂柠檬酸盐的氧化降解量极低。电极材料还具有高稳定性和重复利用性。提高电流密度可加快重金属去除速率，但也会加剧柠檬酸的氧化而不利于淋洗剂的重复利用。本研究提出了一种利用土壤中淋出的Fe离子在电化学反应过程中原位生成吸附剂/絮凝剂去除共存重金属离子的新型修复思路，并明确了土壤淋洗液复杂反应体系中各类型重金属的电化学去除机制。 4、联合小分子有机酸淋洗与电化学吸附技术修复阳离子重金属Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)污染场地土壤，考察了淋洗液pH、淋洗液有机酸种类和电压的影响，并通过油菜盆栽评估土壤修复效果。结果表明，当使用pH8.3的柠檬酸盐作为淋洗剂、在0.9V电压下修复7d后，土壤中Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)总量分别由1090mgkg?1和262mgkg?1降低至392mgkg?1和208mgkg?1，有效态含量分别由281mgkg?1和39mgkg?1降低至52mgkg?1和30mgkg?1，淋洗液中Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)浓度都降低至1mgL?1以下。土壤重金属的淋出可归因于柠檬酸的络合作用，淋洗液中的Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)分别主要被电化学固定于阴极和阳极表面，对溶液中重金属离子的去除可提升土壤淋洗的传质效率。油菜盆栽结果显示联合土壤淋洗-电化学吸附技术能显著减小污染土壤对作物毒害，油菜苗根、茎部位中Cu和Zn含量都降低超过50%。降低淋洗液pH可提高土壤Zn去除率，但对Cu去除的影响较小；三种常见小分子有机酸的土壤重金属淋洗能力排序为柠檬酸盐＞草酸盐＞乙酸盐；在0.3–0.9V范围内提高电压能促进溶液重金属的电吸附去除进而提高土壤重金属淋出。本研究探明了有机酸土壤淋洗与电化学吸附在重金属阳离子污染土壤修复过程中的耦合作用机理及各操作条件的影响效应。 5、联合柠檬酸土壤淋洗与氧化锰电极电化学去除来修复高浓度阴离子重金属As污染场地土壤，并考察了施加电压的影响。结果表明，柠檬酸能提取出土壤铁、铝氧化物上结合的As，同时间接还原As(Ⅴ)为As(Ⅲ)来提高土壤As物种迁移性。淋洗液中As的去除可归因于阴极上水钠锰矿还原形成菱锰矿、阳极上Mn2+aq再氧化生成水钠锰矿、以及阳极上Fe3+aq水解沉淀生成水铁矿的共同吸附作用。经过三轮连续的联合柠檬酸溶液（0.1molL?1，初始pH4.0）淋洗与水钠锰矿电极（1.5V）电化学去除修复后，土壤中铁铝氧化物结合态As含量降低84.2%，进而导致土壤总As量和有效态As含量分别由1980mgkg?1和242mgkg?1降低至563mgkg?1和86mgkg?1，淋洗液中As在每轮修复过程中均可被完全去除。在0.5–2.0V范围内增大电压可提升淋洗液和土壤中As去除率。本研究明确了联合土壤淋洗-电化学去除技术修复重金属阴离子污染土壤过程中电生成铁、锰氧化物吸附重金属阴离子的机制。收起

关键词 : 重金属离子污染土电化学去除铁锰氧化物土壤修复

4. 基于强化学习的非线性系统自适应优化控制研究

[学位论文] 杨雄中国科学院大学 2014年博士导师: 刘德荣共164页

摘要 : 非线性系统的最优控制问题一直以来都是控制理论和工程应用中的热点研究领域.人们在寻求解决这类问题方法的过程中，逐步建立起变分法、最大值原理和动态规划等理论.这些理论通常需要非线性系统满足一定的特性，比如具有确定的数学模型和清晰的系统结... 展开非线性系统的最优控制问题一直以来都是控制理论和工程应用中的热点研究领域.人们在寻求解决这类问题方法的过程中，逐步建立起变分法、最大值原理和动态规划等理论.这些理论通常需要非线性系统满足一定的特性，比如具有确定的数学模型和清晰的系统结构等.然而，随着控制对象的多样化、状态空间的复杂化、以及动态系统的不确定性，这些理论逐渐难以适用于现代智能控制理论的研究.同时，这些理论本身也存在一些缺陷，比如变分法难以解决控制存在约束的问题;最大值原理只能得到最优控制的必要条件，不能解决一般化非线性系统的最优控制问题;动态规划在求解最优控制过程中，容易出现“维数灾”现象. 为了克服这些理论在求解最优控制问题中的不足，基于动态规划思想的强化学习理论得以建立，并逐步发展成为现代智能控制理论的重要组成部分.强化学习是研究智能系统较为新颖有效的方法，具备广阔的应用前景.故而，它获得了诸多科研人员和工程人员的深切关注.目前，它的理论体系尚待进一步深化和完善.利用强化学习研究非线性系统最优控制的过程中，还存在许多亟待解决的问题.因此，本文基于强化学习方法，进一步研究非线性系统的最优控制问题，建立针对不同动态系统的强化学习算法结构，拓展并尝试完善强化学习的理论体系. 本文的主要工作和贡献体现在以下五个方面: 1.在强化学习方法的基础上，提出了一种新的执行-评价算法结构，用于研究一类多输入多输出未知非仿射非线性离散系统的跟踪控制问题.区别于传统研究未知系统采用辨识器的方法，本文所提出的方法不需要对系统进行辨识.同时，该方法综合利用反馈线性化和强化学习理论，实现了对未知非仿射离散系统的在线控制.首先，借助隐函数定理，构建一个控制器用于抵消未知系统的非线性部分.然后，在设计执行-评价结构时，将该控制器设计为执行网络的输出.与此同时，引入一个效用函数用于评价系统的跟踪效果，并将累积效用作为评价网络的输出.最后，利用Lyapunov理论证明了系统的跟踪误差以及神经网络权值的一致最终有界性，而且通过参数调节可使系统的跟踪误差收敛到零的充分小邻域内. 2.利用强化学习方法，研究了一类具有控制约束的未知非线性连续系统的近似最优控制问题.该非线性系统的结构具有不确定性，即既可以是仿射非线性系统，也可以是非仿射非线性系统.首先，利用递归神经网络对未知系统进行辨识，将其转化为具有鲁棒项的仿射非线性系统.接着，引入非二次形式的代价函数将控制约束问题转化为非控制约束问题.然后，借助强化学习方法典型的执行-评价结构，进行最优控制器的设计.区别于传统执行-评价结构中网络权值交替更新的调整方式，该算法能实现执行网络权值与评价网络权值的同时更新.此外，鉴于系统辨识和最优控制器的设计是两个独立的过程，因而，该算法是一种离线的方法.最后，通过仿真实验，验证该方法能获得这类系统的近似最优控制，并可以有效地克服控制约束. 3.基于强化学习的结构，衍化出辨识-评价算法结构，研究了带有饱和执行器的部分未知仿射非线性连续系统最优控制问题.首先，利用多层前馈神经网络对未知系统进行辨识，获取该系统的动态信息.接着，引入非二次形式的代价函数处理控制约束问题.然后，仅依赖评价网络实现最优控制器的设计.在动态系统信息已知的情况下，与传统强化学习中的执行-评价结构相比，该算法只需要评价网络用于控制器的设计，从而简化了算法结构.同时，该算法放宽了初始控制的条件，即不需要初始控制是容许控制这一苛刻条件.此外，该算法中的系统辨识与最优控制器的设计是同时进行的，即该算法是一种在线的方法.最后，通过仿真实例证明，该方法能实现系统的在线控制并能较好地解决这类执行器存在饱和的优化问题. 4.利用强化学习和经验回放方法，研究了系统内部信息未知的仿射非线性连续系统最优控制问题.首先，引进神经网络状态观测器，获取动态系统的内部信息.接着，利用评价网络进行最优控制器的设计.在设计控制器的过程中，记录历史数据并将其用于调节评价网络的权值.与传统的强化学习结构相比，一方面，该算法不需要初始容许控制;另一方面，该算法不需要为了使神经网络权值参数收敛而加入持续激励信号.同时，由于历史数据得到充分的利用，故而该算法具有更快的收敛速度.此外，神经网络观测器的权值调整与最优控制器的设计是同时进行的，因而，该算法是一种在线控制方法.最后，借助仿真实验，证明该方法能实现系统的在线控制并能较快地获取近似最优控制. 5.基于强化学习方法，研究了代价函数含有折扣因子的部分未知仿射非线性系统的最优控制问题.首先，将传统的HJB方程转化为积分形式的GHJB方程并给出带积分项的策略迭代形式.接着，证明每一次迭代产生的策略都能保持闭环系统的稳定，并且得到对应的代价函数呈单调递减序列.然后，证明了代价函数序列和控制序列分别一致收敛到最优代价函数和最优控制.最后，通过仿真实验，证明了折扣因子对最优代价函数和神经网络权值参数收敛速度的影响. 收起

关键词 : 非线性控制系统自适应优化强化学习神经网络最优控制

5. 超声处理和挤压铸造对LPSO增强镁合金组织及性能影响的研究

[学位论文] 杨雄华中科技大学 2019年博士导师: 吴树森共159页

摘要 : 镁合金作为最轻的金属结构材料，在汽车工业、航空航天和电子产品领域得到越来越多的应用。但是，镁合金绝对强度偏低、塑性加工困难等因素使其大范围应用受到限制。因此，开发新型的高性能镁合金、改进成形及加工技术对进一步扩大镁合金的应用范围具... 展开镁合金作为最轻的金属结构材料，在汽车工业、航空航天和电子产品领域得到越来越多的应用。但是，镁合金绝对强度偏低、塑性加工困难等因素使其大范围应用受到限制。因此，开发新型的高性能镁合金、改进成形及加工技术对进一步扩大镁合金的应用范围具有极为重要的意义。镁合金中的长周期结构（Long Period Stacking Ordered structure-LPSO结构）因其特殊的原子排列特征，对镁合金表现出优异的强化效果。目前关于 LPSO 结构增强镁合金的铸态组织的研究较少，对不同合金的凝固析出行为和凝固组织的调控工艺及机理的研究还不够完善，尤其是对低稀土元素含量合金中 LPSO 结构的尺寸、数量及分布情况的控制还未见系统研究。本文以含有LPSO结构的Mg-Ni-Y和Mg-Zn-Y系合金为对象，系统研究了合金成分、超声处理工艺和挤压铸造成形工艺对合金凝固组织及力学性能的影响。研究了低Y含量下Ni/Y比例的变化对Mg99.0-xNixY1.0合金组织及力学性能的影响。结果表明，当Ni/Y比小于0.5时，合金由α-Mg、LPSO结构和Mg24Y5相组成；当Ni/Y比为0.5时，合金主要由α-Mg和 LPSO结构两相组成；当Ni/Y比超过0.5后，合金主要由α-Mg、LPSO结构和富Ni的共晶组织组成。当Ni/Y比为0.5时，合金中LPSO结构体积分数最高，并且在合金中发现18R型和少量14H型LPSO结构共存的现象。此时合金铸态力学性能最优，其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到204MPa、80MPa和8.0%。另外，在确定的Ni/Y比例下提高Ni和Y含量制备出Mg100-3xTMxY2x (x=0.5, 1.0, 2.0 at.%, TM=Ni, Zn)合金，合金中LPSO结构体积分数明显升高，但合金的力学性能的提升并不显著。由于Ni和Zn的电负性差异，当Ni和Zn含量相同时Mg-Ni-Y合金中LPSO结构的体积分数更高，力学性能也更为优异。针对最佳Ni/Y比为0.5的Mg98.5Ni0.5Y1.0合金，利用超声处理工艺改善合金的组织及力学性能。结果表明，在1200W的超声功率下，合金中α-Mg晶粒的尺寸最小， LPSO结构得到明显细化。超声处理促进α-Mg晶粒形核以及促进溶质原子的均匀分布是组成相细化的主要原因。在1200W进行处理时，合金表现出最优的力学性能，与未超声处理的合金相比，其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别提升了9.31%、15%和45.5%。LPSO结构细化后发挥出更为优异的强化效果是合金性能提升的重要原因。另外，超声处理引起溶质原子固溶度的变化，促进 Mg/LPSO 的两相 Mg98.5Ni0.5Y1.0合金中析出MgNi4Y相，分布于LPSO结构附近。研究了挤压压力对半固态成形的Mg98.5Ni0.5Y1.0合金以及Mg97Zn1Y2合金组织及力学性能的影响。结果表明，与常规重力铸造相比，经过挤压成形的合金中 α-Mg晶粒和LPSO结构得到进一步细化，力学性能也得到明显提高。同时，挤压成形会增大溶质原子在 Mg 基体中的固溶度，从而导致晶界上的相组成发生变化。对于Mg98.5Ni0.5Y1.0合金，挤压成形促进Mg2Ni相在晶界上析出；而对于Mg97Zn1Y2合金，挤压成形促进硬度高于 LPSO 结构的条状 YZn3相在 LPSO 结构内部析出，削弱 LPSO结构对合金的强化效果。随着挤压压力的增大，两种合金中Mg2Ni相和YZn3相的数量分别逐渐增加。综合考虑挤压成形对合金组织的细化作用以及促进有害相形成的因素，确定了挤压成形的最佳压力为100MPa，此时，Mg97Zn1Y2合金的铸态抗拉强度、屈服强度以及伸长率分别为252MPa、157MPa和11.6%，与常规重力铸造成形的合金相比，分别提高了9.6%、20.8%和43.2%。研究了Al元素含量对Mg98.5Ni0.5Y1.0合金组织及力学性能的影响，在TEM下确定了新形成的含Al相为Al2NiY相。在Mg98.5Ni0.5Y1.0合金中添加的Al元素不会参与形成LPSO结构，由于Al2NiY相会对Ni和Y元素的消耗，导致合金中LPSO结构的体积分数降低。完整的Al2NiY相呈放射状结构，其片状分枝由中心向基体中延伸，与LPSO结构、α-Mg的界面都是非共格界面。Al2NiY相的显微硬度高于LPSO结构和 α-Mg 基体，在变形过程，Al2NiY 相会割裂基体，不利于合金力学性能。对Al含量为0.5 at.%的合金进行超声处理后,粗大的Al2NiY相变为短片状，均匀分布于合金中，合金的抗拉强度和伸长率分别达到187MPa和7.9%，与未超声处理的合金相比，分别提升了21.4%和105.7%。由此可见，Al2NiY相形态的改变能能够明显改善合金的力学性能。研究了Sr元素含量对Mg98.5Ni0.5Y1.0合金组织及力学性能的影响。结果表明，添加Sr元素会促进合金中层错的形成，使层错数量显著增加。高密度的层错有利于18R型LPSO结构向14H型LPSO结构转变，因而在铸态Mg98.4Ni0.5Y1.0Sr0.1合金中发现尺寸较大的14H结构。在高密度的层错中会消耗部分溶质原子（Ni和Y）。随着Sr含量增加，合金中层错数量增加，晶界上块状的LPSO结构体积分数减小。当Sr含量达到0.2 at.%时，α-Mg晶粒内出现层错，并且在晶界上出现Mg-Sr化合物。另外，随着 Sr 含量的增加，合金的强度没有明显变化，但是合金的伸长率先升高后降低。当Sr含量为0.1%时，合金的伸长率达到11.09%，与未添加Sr的合金相比，提高了38.6%，这主要得益于合金中具有优异变形性能的层状结构。因此，Sr元素的添加能够有效提高合金的塑性。收起

关键词 : 镁合金 LPSO结构超声处理挤压铸造显微组织力学性能

6. PZT基压电纤维及其复合材料设计、制备与外场响应研究

[学位论文] 杨雄武汉理工大学 2015年博士导师: 周静共155页

摘要 : 压电陶瓷纤维复合材料以压电陶瓷纤维和聚合物基体复合而成，其既保留了压电晶体材料高灵敏度和高频率响应等优点，又克服了压电晶体材料脆性大和柔韧性差等不足，且具有单向性能突出和可设计性强等特点，被广泛应用于传感、驱动、结构控制、结构健康... 展开压电陶瓷纤维复合材料以压电陶瓷纤维和聚合物基体复合而成，其既保留了压电晶体材料高灵敏度和高频率响应等优点，又克服了压电晶体材料脆性大和柔韧性差等不足，且具有单向性能突出和可设计性强等特点，被广泛应用于传感、驱动、结构控制、结构健康监测和能量采集等众多领域，是压电复合材料当前研究的热点。本文以 PZT系列压电陶瓷粉为原材料制备压电陶瓷纤维，研究单根压电纤维在外场作用下的应变性能响应及相关响应机制；以MFC结构压电陶瓷纤维复合材料为研究对象，以均匀场理论模型为基础，采用有限元分析法对MFC结构进行设计和优化，从理论上探索压电叉指电极结构、压电复合结构层和复合材料各组元的性能参数等与MFC应变性能之间的相关性；根据优化的MFC设计方案制备PZT系列压电陶瓷纤维复合材料，研究不同驱动电压条件下MFC的驱动性能，并探索其驱动响应机制。本论文的研究工作和主要结论如下： 1、采用塑性聚合物法和切割法制备了不同截面形状的PZT-5H和PMnS-PZN-PZT体系压电陶瓷纤维，并表征了单根压电纤维的性能，研究了单根压电陶瓷纤维在外加电场强度和频率、温度及压应力等外场条件的应变特性，研究表明，不同外场作用下压电纤维呈现不同的极化响应机制和应变特性。对PZT-5H纤维而言，纤维的应变随外加电场强度的增加近似线性增加，其有效压电系数在矫顽场附近2 kV/mm时达到最大值2225 pm/V；随着外加电场频率的增加，纤维的应变随之增加，当频率达到20 Hz时应变趋于稳定；在测试温度范围内，随着温度的升高，纤维的应变持续增加；随着轴向压应力的不断加大，纤维应变先增加后减少，当预应力为3 MPa时纤维应变达到最大。对PMnS-PZN-PZT体系压电陶瓷纤维而言，其在外场作用下应变特性与PZT-5H纤维相似，在相同条件下，PZT-5H纤维的应变性能要优于PMnS-PZN-PZT纤维。 2、以均匀场理论模型为基础，采用COMSOL Multiphysic多物理场仿真模拟软件建立 MFC有限元模型，研究了叉指电极结构、压电复合层结构参数对MFC应变性能影响，研究表明，叉指电极结构和压电复合层结构均会影响叉指电极与压电纤维之间电场的传输，从而影响复合材料性能的发挥。在确定压电复合结构层的前提下，叉指电极宽度为压电纤维高度的1/2时MFC可获得最佳的应变性能；驱动电压确定的前提下，电极间距越小MFC应变性能越好，但纤维内部电场分布均匀性变差，影响其性能的发挥；随着压电纤维体积分数的升高，MFC应变性能快速增加，当体积分数超过0.6时变化缓慢，并逐渐趋于稳定；压电复合结构层中压电陶瓷纤维与叉指电极间聚合物的厚度、压电纤维的高度会影响MFC获得最佳应变性能时叉指电极的宽度，针对这些参数的变化需要重新设计叉指电极方案以获得MFC最佳性能与叉指电极结构之间的匹配。 3、在压电复合层结构固定的前提下，以 MFC有限元模型为基础研究了复合材料中各组元性能参数对MFC应变性能影响，研究表明，压电纤维压电常数和介电常数及聚合物的弹性模量和介电常数等参数对MFC的应变性能会产生较大的影响。陶瓷纤维压电常数对MFC应变性能影响最大，陶瓷纤维压电常数越大，应变性能越高；聚合物相弹性模量越大，聚合物对压电陶瓷纤维的夹持作用越明显，MFC应变性能下降也越多；压电纤维和聚合物的介电常数均会影响MFC获得最佳应变性能时叉指电极结构，压电纤维和聚合物的介电常数之比越大MFC应变性能越好，同时获得MFC最优性能时电极叉指的宽度越小。 4、以PZT-5H和PMnS-PZN-PZT体系压电陶瓷为功能相，以MFC有限元仿真结果为依据设计复合材料结构，采用层叠-切割法制备了不同体系的MFC压电纤维复合材料，研究了不同驱动电压条件下MFC应变特性，研究表明，驱动电压幅值、驱动电压频率和驱动电压波形均对 MFC的应变性能产生很大影响。MFC纵向和横向应变性能随驱动条件变化趋势均一致；在固定驱动电压峰-峰值Vp-p的情况下，单极驱动可以获得比双极驱动更高的应变性能和有效压电系数；在固定驱动电压最大值Vmax时，负向偏置电压Vbias越大（Vbias不超过矫顽电压），MFC应变性能越高；在矫顽电压以下，随着驱动电压的升高，单极和双极应变曲线对应最大应变值均随之升高，相应有效压电系数也随之升高，且上升速度逐渐变慢，趋于平缓；驱动电压频率越小 MFC应变性能和有效压电系数越高，随着驱动电压频率的升高，不同驱动波形的应变曲线对应的应变性能及有效压电系数均随之呈现对数下降趋势，驱动电压频率大于2 Hz后MFC的驱动性能变化趋于平缓。对两种压电体系的MFC而言，驱动电压条件变化时，二者的变化规律基本一致，在相同条件下，PZT-5H基 MFC的应变性能要高于相应PMnS-PZN-PZT基MFC的应变性能。收起

关键词 : 压电陶瓷纤维复合材料外场响应应变性能

7. 复杂目标电磁特性有限元边界元区域分解方法的研究与应用

[学位论文] 杨雄电子科技大学 2023年博士导师: 胡俊共153页

摘要 : 随着计算机能力的提升，现代电磁仿真计算的对象正在从部件级向系统级发展，复杂飞机整机系统级仿真一直是工程电磁计算的重点难点。整机系统级目标通常包含金属介质复合结构，如复杂天线阵列和大型金属平台。如此复杂的模型构建电磁计算的一体化网格... 展开随着计算机能力的提升，现代电磁仿真计算的对象正在从部件级向系统级发展，复杂飞机整机系统级仿真一直是工程电磁计算的重点难点。整机系统级目标通常包含金属介质复合结构，如复杂天线阵列和大型金属平台。如此复杂的模型构建电磁计算的一体化网格往往十分困难。系统级目标需要优化调整局部结构时面临反复建模和剖分的问题，非常耗时，减少人工干预的电磁计算方法备受关注。同时，整机包含的复杂材料也从各向同性向各向异性或新型频率选择表面等人工材料发展，传统的计算方法难以高效处理。面对不同的应用场景，电磁计算朝着定制化，高效化，精确化的方向发展。本文针对复杂整机目标电磁仿真计算中目标面临一体化网格难以生成，重复调整局部结构十分耗时，复杂各向异性介质金属复合结构难以处理，多尺度计算难以收敛等科学问题开展了一系列研究。本文主要基于非共形区域分解方法将难以一体化生成网格的模型划分为不同区域，对于不同的区域采用不同的定制化电磁计算方法进行研究。使得电磁计算获取高效精确的结果。针对需要局部调整结构而导致重复建模十分耗时的数值仿真算例，本文研究了用于简化重复建模和剖分的嵌入式有限元区域分解方法。该方法是通过将需要重复建模的局部结构从整体结构中分离的思想发展而来的，整个问题中不需要进行修改的部分划分为背景区域，需要进行调整替换移动旋转的局部结构设置为内嵌区域。内嵌区域与背景区域通过 Robin 传输条件，体等效源，端口等效源等传输条件保证电场及电流的连续。根据唯一性定理确定各子区域的波动方程和边界条件之后使得求解的结果与原物理问题一致。对于需要局部调整多次建模的问题使用该方法可以有效地节约网格重建时间。针对新型电大各向异性材料与金属平台整机难以一体化仿真的问题，本文研究了各向异性区域分解方法。该方法是从各向异性麦克斯韦方程组和媒质本构方程出发，将每个子区域内部的波动方程修改为各向异性方程，不同子区域的传输条件根据各向异性媒质与单各向同性媒质之间的区别重新进行推导，获得新的Robin 传输条件和新的体等效源以及端口等效源传输条件。并结合边界元区域分解方法对电大金属平台进行快速计算。数值算例表明该方法在处理各向异性问题时具有良好的效果。针对多层介质中贴片频率选择表面局部需要局部调整而导致建模时间增加的仿真问题，本文在嵌入式有限元区域分解方法的基础上更进一步提出了非均匀背景介质下的嵌入式有限元区域分解方法。该方法研究的是具体科学问题是原有嵌入式有限元区域分解方法的缓冲层无法跨越非均匀分层介质分界面，针对该问题，重点提出了简易缓冲层方法与更先进的自适应缓冲层方法，自适应缓冲层方法通过添加补充源及修改耦合方程使得缓冲层可以存在于任意非均匀背景介质中。更进一步提出了继承计算方法，结合自适应缓冲层方法在求解非均匀背景介质中内嵌物体旋转平移的问题可以节约大量重复建模和计算的时间。针对于复杂多尺度模型的辐射与散射重复建模十分耗时耗力以及迭代收敛时间过长等问题，本文提出了一种多区域多求解器方法。该方法是基于区域分解框架下的兼容嵌入式非嵌入式有限元区域分解方法和积分方程边界元区域分解方法，以及求解方面兼容内外迭代求解和直接求解与迭代方法结合的一种混合方法。该方法可以灵活地对多种求解场景选取合适的分区方法以及计算方法，子区域求解是通过选取最合适的区域分解方法进行子耦合计算的，不同区域之间通过各类不同的传输条件进行计算。在多次内嵌结构改变的场景计算中可以结合使用提出的叠加型继承计算方法进一步节约计算时间。本文将其应用在复杂多尺度整机模型内嵌天线整列结构的仿真中，证明了该方法的实用性和有效性。收起

关键词 : 飞机整机复杂目标电磁计算有限元区域分解边界元区域分解

8. 电推进中螺旋波放电等离子体数值模拟与光学诊断研究

[学位论文] 杨雄国防科学技术大学 2017年博士导师: 程谋森共149页

摘要 : 螺旋波等离子体推力器具有气体电离效率高、无电极腐蚀、工质选择范围广泛、比冲高等优点，是电推进中新兴的热门研究领域。以此为背景，本文采用数值模拟与光学诊断技术相结合的方法对螺旋波放电等离子体开展研究，建立了螺旋波放电三维直接数值计算... 展开螺旋波等离子体推力器具有气体电离效率高、无电极腐蚀、工质选择范围广泛、比冲高等优点，是电推进中新兴的热门研究领域。以此为背景，本文采用数值模拟与光学诊断技术相结合的方法对螺旋波放电等离子体开展研究，建立了螺旋波放电三维直接数值计算模型，并通过发射光谱和激光诱导荧光技术对等离子体参数进行了测量。本文在构建螺旋波放电三维直接数值计算模型中，舍弃了传统模型基于小扰动理论解析地计算能量吸收的方法，而是直接数值求解等离子体耦合的Maxwell方程组并在碰撞沉积的假设下计算其阻性损耗，通过漂移-扩散方程对电子能量、各态粒子分布进行控制，在计算中详细考虑了放电可能发生的电化学反应和粒子碰撞关系，所有方程最终都通过COMSOLMultiphysicsTM高效有限元求解器全耦合求解。通过分析发现，数值模型与经典波动理论关于螺旋波和T-G波的描述是一致的，并且计算结果与经典文献的实验测量数据以及静电鞘层基本理论相吻合。进一步地，利用该数值模型对螺旋波放电等离子体粒子空间分布特性、低场放电磁场峰值现象以及等离子体参数瞬态演化特性几个方面开展了研究，从控制方程和边界条件出发对粒子分布的形态给出了较为合理的解释；验证了磁场峰值现象的波干涉机理，发现其本质是电磁波中的螺旋波分量与其端面反射回波叠加形成了驻波加强；数值结果显示粒子密度与电子温度在点火初始瞬间表现出了不同的特性，进一步的分析加深了对于放电过程中离子“泵浦效应”和电子加热机制的认识。针对电子温度为数电子伏的低温氩等离子体发射光谱诊断问题，本文发展了一个改进的基于细致谱项的“碰撞-辐射”模型，考虑至最高谱项主量子数N=10，所有谱项按照重要程度分为47个有效能级。基于该模型的计算结果表明，电子温度较低(<6eV)的氩等离子体的谱线强度对电子密度和电子温度两个参数都敏感。本文提出一种利用先验知识的二次匹配诊断方法，在匹配过程中选用螺旋波放电氩等离子体在680~860nm范围所有可辨识的15条谱线，计算的谱线强度与实际测量值的平均误差为13.7%，利用了绝对光强信息的二次匹配方法能够使等离子体参数测量误差大为缩小：ΔTe/Te≈±25%，Δne/ne≈±40%。本文搭建了激光诱导荧光精确测速实验系统，采用锁相检波的方法提取微弱荧光信号，在前人研究基础上进一步完善了高斯型滤波器反卷积算法分离多普勒效应流程，最终通过变换得到离子速度分布函数。为了评估利用发散磁场构型双电层效应的紧凑式螺旋波等离子体推力器的氩离子加速效果，探索了一种双向偏振态激光诱导荧光测量方法来对螺旋波等离子体源近出口端的离子速度分布函数进行测量，结果表明在本文实验条件下离子并没有达到双电层效应下的期望加速值。最后，文中将测速方案应用到氙工质霍尔推力器上以进一步验证和扩展测量技术，得到了霍尔推力器的一价氙离子的速度、温度以及羽流发散角、离子加速效率等综合性能参数，并对速度与温度的测量结果进行了定量分析。通过本文上述综合性的研究，一方面更加深入地理解了螺旋波放电等离子体源的气体电离过程、放电参数对等离子体生成性能的影响等关键问题，从而可以对螺旋波放电等离子体源的设计与制备提供指导；另一方面对电推进中关注的争议性问题提供了直接的实验测量证据：紧凑式螺旋波放电等离子体推力器并不能产生好的推力性能，发散磁场构型中离子速度的形成可能只是一种磁约束作用下的双极电场所导致。收起

关键词 : 等离子体推力器发射光谱碰撞辐射模型激光诱导荧光离子速度分布函数

9. 分时租赁电动汽车运行数据驱动的充/换电设施布局研究

[学位论文] 杨雄北京交通大学 2020年硕士导师: 邵春福共146页

摘要 : 电动汽车分时租赁业务是一种结合了“共享经济”理念和电动汽车优势的绿色出行服务，在缓解居民出行难题、减少私人小汽车使用和促进电动汽车推广等方面具有重要意义。然而，现阶段我国电动汽车分时租赁业务仍处于起步阶段，电能补充难题制约着其发展... 展开电动汽车分时租赁业务是一种结合了“共享经济”理念和电动汽车优势的绿色出行服务，在缓解居民出行难题、减少私人小汽车使用和促进电动汽车推广等方面具有重要意义。然而，现阶段我国电动汽车分时租赁业务仍处于起步阶段，电能补充难题制约着其发展。因此，有必要在分析分时租赁电动汽车发展和电能补充方式的基础之上，结合分时租赁电动汽车运行特征，研究其充/换电设施布局理论和方法。本文首先对相关课题开展了国内外文献综述，分析现有研究局限性，提炼出本文研究重点。然后分析分时租赁电动汽车发展和电能补充方式，以分时租赁电动汽车GPS轨迹数据为驱动，分析其运行特征，在此基础之上，研究充电模式下车辆租赁站点充电设施布局和换电模式下到点服务换电设施布局问题，并分别在北京市市域范围内进行实例验证。具体而言，本文的主要研究内容和研究成果如下： (1)分时租赁电动汽车发展和电能补充方式分析。分析了分时租赁电动汽车在我国的发展以及其适用的电能补充方式，总结出单程站点式的主流服务模式以及车辆租赁站点内充电和到点服务换电是分时租赁电动汽车有效的电能补充方式。 (2)分时租赁电动汽车运行特征分析。使用分时租赁电动汽车GPS轨迹数据提取了出行、停车和充电事件，并分别从数据统计、时间分布和空间分布的角度对分时租赁电动汽车出行模式、停车模式和充电模式进行分析。结果表明，分时租赁电动汽车充电模式受出行模式和停车模式的影响较大，因此对分时租赁电动汽车出行模式和停车模式的深入研究有助于评估其充/换电需求时空分布，并进一步为充/换电设施布局提供依据。 (3)充电模式下车辆租赁站点充电设施布局。提出了三步的充电设施布局模型，即第一步为基于DBSCAN空间聚类算法识别车辆租赁站点，第二步为基于损失制和等待制排队论提取4种排队充电系统服务能力，第三步为基于定容模型和遗传算法确定车辆租赁站点充电桩布设规模。将分时租赁电动汽车停车事件数据作为输入进行实例分析，分别布局慢速充电桩和快速充电桩，并进行敏感性分析。结果表明，2种优化目标中，在评价排队充电系统服务能力可靠性和充电桩布局合理性等方面更优；与此同时，4种排队充电系统中，布设快速充电桩的等待制排队充电系统服务能力最优。历史出行规律下，在186个车辆租赁站点共布设200个快速充电桩能够为98.4%的车次提供充电服务，提供的电量占总需求电量的89.5%；而在186个车辆租赁站点共布设200个慢速充电桩能够为89.3%的车次提供充电服务，提供的电量占总需求电量的59.8%。 (4)换电模式下到点服务换电设施布局。构建了换电需求提取流程，并提出了两阶段的换电设施布局模型，即第一阶段为基于集合覆盖模型的换电站选址，第二阶段为基于时变优化模型的换电站换电工具车辆和换电电池配备数量定容，并分别设计了贪婪算法和遗传算法求解模型。将分时租赁电动汽车出行事件数据作为输入进行实例分析，提取换电需求，布局换电设施，并进行敏感性分析。结果表明，历史出行规律下，设定15km的换电站最大服务半径和200km的换电工具车辆实际续航里程，在区域内布设28个换电站，并为其配备33辆换电工具车辆和165块换电电池即可满足600余辆分时租赁电动汽车运营产生的换电需求。此外，适当增加换电站最大服务半径，可以缩减换电站规模、换电工具车辆车队规模和换电电池规模，而增加换电工具车辆实际续航里程仅能缩减换电工具车辆车队规模。收起

关键词 : 分时租赁电动汽车 GPS轨迹数据运行特征充电设施布局换电设施布局

10. 1.55微米和2微米可调谐光纤激光器及其应用的研究

[学位论文] 杨雄浙江大学 2020年博士导师: 何赛灵共144页

摘要 : 可调谐光纤激光器拥有高光束质量，优异光谱特性，紧凑的结构和环境抗干扰能力，并与光通信系统相兼容，是各种研究工作和实地应用的关键设备。在保证高水准的波长调谐特性的同时，这些激光器的可操作性和搭建成本也成为影响它们在现实世界中的实用性... 展开可调谐光纤激光器拥有高光束质量，优异光谱特性，紧凑的结构和环境抗干扰能力，并与光通信系统相兼容，是各种研究工作和实地应用的关键设备。在保证高水准的波长调谐特性的同时，这些激光器的可操作性和搭建成本也成为影响它们在现实世界中的实用性的重要因素。本论文首先阐述了可调谐窄线宽光源在光纤通信和气体传感中的重要作用，列举了这些激光器在波分复用技术和连续光差分雷达技术扮演的重要角色和现阶段发展的局限。突出了光谱输出优良的可调谐光纤激光器的发展必要性。接着本文简单论述了光纤激光器和可调谐激光器的发展史。接着，我们阐述了一个简单的方法来生产基于光纤布拉格光栅(FBG)的滤波器。利用商用FDM3D打印机，我们将光栅埋入到了一个聚合物悬臂梁中，通过简单的三点弯曲设置(拉伸或者压缩)来实现1550nm范围内60nm的调谐距离。我们利用打印得到的FBG滤波器构建了一个可调谐铒镱共掺光纤激光器并实现了30nm范围内超过200mW的输出。为了将光通信系统的波段从1.55μm推向2μm来应对未来带宽资源的紧张需求，我们设计了一个可调谐的多波长掺铥光纤激光器。多波长的输出是由Sagnac环形滤波器完成的，它能通过双向传播不同偏振态光之间的干涉来产生梳状滤波效果。一段500m长的高非线性光纤抑制了稀土光纤的均匀展宽和交叉增益效应，实现常温下的稳定多波长输出。接着，我们设计并搭建了一个波长可精确调谐的窄线宽光纤激光器。把加载到半导体光放大器上的电流驱动信号的调制频率设定为与啁啾布拉格光栅上一个反射波长的腔内谐振频率相同或倍数时，这个波长就能被锁定且可连续调谐。驱动电流的大小和脉冲宽度的优化使得激光器在超过40nm的调谐范围内保持了窄线宽(小于0.03nm)。同时我们设计了一个双腔结构的激光器以实现连续可调谐的双波长输出。最后，可调谐激光器的一个典型应用场景——激光雷达得以实现。所使用的激光器以一个分布反馈式的半导体激光器(DFB)作为种子源，经过一个优化设计的铒镱共掺光纤放大器放大后在1.57μm附近输出了功率为1.3W，线宽约为3MHz的连续光输出，且其波长可以通过加载到DFB上的电流在2nm的范围内精确调整。使用这个激光器进行的第一个大气二氧化碳测量的连续激光差分雷达的实验获得了较好的结果。综上所述，我们设计并优化了五个基于不同调谐原理的可调谐光纤激光器。这些激光器所展现的良好的光谱特性，紧凑的结构设计，相对低廉的成本使得它们具有成为光通信，遥感，光谱学，光学相干成像等领域重要工具的潜力。收起

关键词 : 光纤激光器连续光差分雷达波分复用气体传感光谱特性