检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：钱泳君中国科学技术大学

学位级别：博士

密码学是一个可以为使用者提供隐私，身份认证和保密性的一个学科。密码学的应用无处不在，国防，军事，外交，银行，个人隐私等领域都需要用到密码。现如今应用最广泛的密码系统主要是非对称（公钥）密码系统，它的安全性基于计算复杂... 详细信息

密码学是一个可以为使用者提供隐私，身份认证和保密性的一个学科。密码学的应用无处不在，国防，军事，外交，银行，个人隐私等领域都需要用到密码。现如今应用最广泛的密码系统主要是非对称（公钥）密码系统，它的安全性基于计算复杂度。然而，计算能力的提高，特别是量子计算机研究的蓬勃发展，给公钥密码的安全性带来了巨大的挑战。量子密码学，这一密码学和量子物理学结合的交叉学科可以应对这个问题。它的安全性基于量子力学原理。利用量子密钥分配，同时结合一次一密的加密方式，就可以实现无条件安全的保密通信。　　量子密钥分配协议安全性已经得到了严格的证明。然而在实际系统中，当前器件的实际特性不一定能和理论模型完全相符，这些不相符的地方有可能带来实际安全性漏洞，从而有可能被窃听者利用，进而用于攻击实际量子密钥分配系统。尽管设备无关类协议可以移除设备所有漏洞保证安全性，但是在当前技术下还无法完美实现;测量设备无关协议可以移除探测端所有的漏洞并且能够用当前的技术实现，但是它的实验难度较大，密钥率比传统诱骗态BB84协议低，在QKD系统大规模商用之前，上述两个难题还需要解决;目前大规模使用的量子密钥分配系统仍是基于制备-测量型协议的系统，研究基于现有大规模系统的实际安全性，仍然具有重大意义。　　本人在博士期间工作主要是针对实际量子密钥分配系统探测端的攻防研究具体包括以下几个方面:　　1.实际系统概率探测器致盲攻击及其防御研究　　针对探测器漏洞有一种非常典型的攻击——致盲攻击，有研究者指出致盲攻击可以通过监控大的光电流抵御。我们提出一种概率致盲攻击模型，原始的致盲攻击是这种模型的一个特例。同时，由于当前设备精度限制，监控电流的手段有可能失效。因此，我们通过定量地计算设备监控界，在设备监控范围外去除攻击者窃取的信息，最终得到安全的密钥。同时讨论影响攻击者攻击时的参数范围。这种防御策略对刻画和改进实际量子密钥分配系统的安全性具有指导意义。　　2.基于探测器雪崩过渡区漏洞的攻击　　单光子探测器是量子密钥分配系统中不可或缺的一部分，针对应用最广泛的门控模式InGaAs/InAlAs雪崩光电二极管的单光子探测器，我们提出了一种攻击——雪崩过渡区攻击。随后我们在即插即用的量子密钥分配系统中进行了攻击实验，实验结果显示攻击者Eve引入的误码仅为0.48％。另外，前人提出的传统防御措施，如监控光强，电流，后脉冲对于这种攻击方式均无效。基于实验我们也提出了可能的防御措施。该攻击模型也为提高探测端实际安全性评估提供了思路。　　3.实际系统探测器控制攻击的防御措施　　探测器控制攻击是针对实际系统探测端漏洞的一大类攻击。我们提出可变衰减探测器模型，基于此模型我们得到防御判据，通过在单光子探测器前添加一个可以随机调制衰减值的可变衰减，同时通过监控不同衰减下的计数率和误码率等参数，根据防御判据可以有效地防御探测器控制攻击。实验结果表明在有致盲光和无致盲光的探测器控制攻击下，利用该防御模型窃听者均无法隐藏其攻击行为。这种防御措施和内部电路无关，属于方案层的防御手段。可以提高现有大规模实用化系统的实际安全性。

关键词：量子密码量子密钥分配实际安全性探测端漏洞量子攻防

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基于固态核磁共振体系的量子控制的研究

基于固态核磁共振体系的量子控制的研究

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作者：崔江煜中国科学技术大学

学位级别：博士

近年来,量子信息科学作为一个融合量子力学、信息科学以及数学多领域的一门交叉学科快速发展。由于量子力学的独特性质,量子信息科学在处理某些特定问题方面相比经典信息学具有巨大优越性,因此量子信息技术吸引了人们广泛的兴趣。目前,... 详细信息

近年来,量子信息科学作为一个融合量子力学、信息科学以及数学多领域的一门交叉学科快速发展。由于量子力学的独特性质,量子信息科学在处理某些特定问题方面相比经典信息学具有巨大优越性,因此量子信息技术吸引了人们广泛的兴趣。目前,多种物理实验体系为推动量子信息科学的进步竞相发展,其中液态核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance,NMR）体系由于成熟的控制技术和较长的退相干时间成为优质实现平台之一。然而,液态NMR的可扩展性问题成为其发展的短板。相较于液态NMR体系,固态NMR体系拥有如下三点优势:极化度可以通过动态核极化（Dynamic Nuclear Polarization,DNP）等方式提到到近似等于一;耦合强度大和操作时间短;比特可以重置。量子控制技术作为当前发展量子信息科学的核心问题,是当前需要重点发展的方向。为了更好的进一步提高和发展固态核磁共振体系内的量子控制技术,本人博士期间主要利用固态核磁共振体系进行量子控制课题,从液态系统到固态系统和从封闭系统控制到开放系统控制系统性的研究量子控制:第一章:简单介绍量子计算与量子模拟的背景、基本概念以及液态NMR量子计算的基本原理。第二章:着重介绍固态NMR的基本原理,包括动力学方程、相互作用的哈密顿量、弛豫理论、平均哈密顿量理论和常见的操控技术。第三章.:利用平均哈密顿理论对选择性脉冲线路中出现的误差进行综合分析,提出调整脉冲参数的有效校正规则,对选择性脉冲的照射频率、旋转角度和发射相位调整,以提高控制的保真度。数值仿真结果表明,对于给定量子线路采用我们的编译过程可以大大减少误差累积。第四章:利用平均哈密顿量理论,分析了一般的多脉冲序列,第一次理论上推导出同核固态核磁共振体系中多脉冲序列平均哈密顿量的可达集,并发展了一套通用的获得可达集中任意平均哈密顿量的多脉冲序列设计方法。利用这一方法进一步分析了基于固态回波的同核去耦脉冲序列,并设计出了一类新的同核去耦脉冲序列。新的同核去耦脉冲序列在有效消除同核偶极-偶极耦合的同时,能保持平均哈密顿量沿z方向（所谓z旋转）,化学位移窄缩因子能通过有限宽度脉冲的激发翻转角度而改变。新脉冲序列的特点和性能在15N标记的乙酰-戊氨酸（15N-acetyl-valine）晶体样品上得到了很好的实验验证。该工作为在复杂的量子系统进行相干控制提供了基础。第五章:通过分析固态NMR中交叉弛豫对极化度的影响,设计并实验实现了基于瞬态核奥弗豪泽效应（Nuclear Overhauser Effect,NOE）提高极化度的新型瞬态NOE序列和脉冲NOE序列。先从描述I-S体系自旋晶格弛豫过程的Solomon方程组出发,解析得到overshoot现象出现的条件,给出最大极化度增强与交叉弛豫以及I和S核的初始值的关系,最后设计出与交叉弛豫相关的极化度提高的新脉冲NOE序列,并在实验进行了比较和验证,实验表明瞬态NOE方法在S核T1比较大时候较其他提高极化度方法在动态系统中更有效,脉冲NOE方法较稳态NOE消耗的平均功率要小。同时基于这一套理论,设计出了消除交叉弛豫影响的T1测量的脉冲序列。

关键词：固态核磁共振交叉弛豫量子控制同核去耦平均哈密顿量理论

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高速星地量子密钥分发验证系统关键技术研究

高速星地量子密钥分发验证系统关键技术研究

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作者：程坤中国科学技术大学

学位级别：博士

Bennett等人在1984年提出了量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)理论,QKD以量子物理与信息学为基础,可以为两个不同用户提供无条件安全的共享密钥,QKD是目前为止唯一被严格证明可提供无条件安全的保密通信手段。Bennett等人随后... 详细信息

Bennett等人在1984年提出了量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)理论,QKD以量子物理与信息学为基础,可以为两个不同用户提供无条件安全的共享密钥,QKD是目前为止唯一被严格证明可提供无条件安全的保密通信手段。Bennett等人随后于1989年完成了世界上第一个QKD演示系统。在此之后,QKD的理论在世界范围内得到了广泛的研究,不断提高密钥分发的速率和距离。2003年基于诱骗态的量子密钥分发协议的提出,进一步解决了不完美光源带来的QKD系统安全隐患问题,促进了 QKD系统从实验室研究逐步走向工程化:QKD的通信距离和密钥生成速率不断的提高。当前QKD系统量子信道主要分为光纤量子通信和自由空间量子通信两种。由于光纤自身的双折射效应,单光子在光纤中传输衰减比较严重,传输距离有限,目前实现的基于光纤量子通信的距离在四百公里量级,主要用于城际QKD网络的实现。相比较而言单光子在自由空间传输过程中没有双折射效应。为了实现更远距离(千公里级)的通信(洲际QKD),以卫星为平台,发展基于自由空间的星地QKD是一个可行的方案。我们可以通过量子卫星将地面站、地面光纤网络及其他地面终端连接在一起,从而形成初步的天地一体化的量子通信网络。为此,我国于2016年发射了量子科学实验卫星,在国际上首次验证了星地量子密钥分发和洲际量子保密通信。完整的空地一体化广域量子通信网络体系的构建,将有助于国防、政务、金融等领域的信息安全,促进下一代国家信息安全生态系统的建设,面向实际应用的广域量子密钥分发的技术成为当前亟需解决的问题。高速生成最终密钥是星地QKD系统走向实用化的核心问题,而提高星地QKD系统发射光源的重复频率,是提高最终成码率的首选方案。在实际应用中,还需要对密钥分发之后的数据信息高速实时处理,以生成最终密钥从而满足实际的需求。为了更好的解决高速星地QKD系统研制过程中可能出现的问题,本论文依据量子科学实验卫星的特性,针对高速星地QKD系统设计并实现了一套验证系统。星地高速星地QKD的研制的难点在于单光子发射与探测速率特别高、通信双方距离远传输延迟高达毫秒量级,并且需要高速的后处理流程。为了解决这些问题,在这套验证系统中,我们设计和实现了高达4GHz的单光子量子态发射和探测模型的仿真;针对星地之间量子信道存在的远距离延迟、单光子的衰减等因素分别实现了对应的仿真模型;同时我们在这套验证系统中,开展了基于FPGA的量子密钥分发高速实时基矢比对、纠错以及高速隐私放大关键技术的研究。本论文研究的高速星地量子密钥分发验证系统模拟了高速远距离星地量子密钥分发的过程,针对星地之间高速密钥分发的量子信道特点建立了高速分发模型,远距离延时模型,星地之间的衰减模型,并计算了 QKD系统的误码率。通过现场可编程逻辑门阵列(Field Program Gate Array,FPGA)的H型高速串行收发接口(Giga Bits Transceiver,GTH)实现高速分发模型,采用累进抽样算法实现单光子的衰减,并通过分时读取双倍速率的同步动态随机存取内存(Double Data Rate Synchronous Dynamic Random-Access Memory,DDR SDRAM)的数据实现远距离高延迟的数据处理。本论文通过FPGA的GTH接口实现的高速激光通信模块模拟了 QKD系统的经典信道。本论文通过采用分时读取四片不同的DDR芯片,采用四级流水操作,结合高速的经典信道实现了高速基矢比对。同时在提取出筛选密钥之后,按照固定误码率随机修改Alice端生成的筛选密钥数据,从而实现误码率的模拟。本论文基于不规则准循环低密度奇偶校验码(Irregular quasi-cyclic Low Density Parity Check Code,IR-QC-LDPC)的校验矩阵,采用了归一化最小和算法(Nnormalized leastmean square algorithm,NMSA)的译码算法,在码率为5/6,矩阵扩展因子96,误码率1.04%的情况下,实现高达73.6Mbps的纠错速率,纠错帧成功率大于99%。本论文在FPGA中实现了基于FFT和复数乘法的IP core的Toeplitz矩阵快速隐私放大算法。本论文搭建了高速星地QKD验证系统,通过模拟基于自由空间量子信道的量子密钥分发的过程,验证了本系统的流程控制和量子密钥后处理流程,为开展实际的高速星地量子密钥分发积累技术基础,验证了实用化星地高速量子密钥分发的可行性。本论文设计和实现了高速星地QKD验证系统的高速数据验证通道,主要的目的是将QKD过程中发射端和接收端生成的筛选密钥和最终密钥通过高速数据通道传输到上位机,然后进行分析验证。在高速数据通道的设计中实

关键词：量子密钥分发自由空间基矢比对纠错隐私放大

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基于线性光学系统的量子信息实验研究

基于线性光学系统的量子信息实验研究

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作者：王轶韬中国科学技术大学

学位级别：博士

量子信息学以信息学和量子力学为理论基础,一方面将量子系统作为信息载体,利用量子比特独有的相干、纠缠等特性,实现信息处理维度的扩展,并由此衍生出量子通信、量子计算等一系列基于量子系统的信息处理新模式;另一方面,量子信息学从信... 详细信息

量子信息学以信息学和量子力学为理论基础,一方面将量子系统作为信息载体,利用量子比特独有的相干、纠缠等特性,实现信息处理维度的扩展,并由此衍生出量子通信、量子计算等一系列基于量子系统的信息处理新模式;另一方面,量子信息学从信息学的角度对量子物理学重新加以阐释,通过对量子力学中的相干、非局域性等物理量予以系统化的定量描述,提出诸如量子资源化理论、贝尔非局域理论等,进一步加深对人们对量子物理以及量子系统的深刻理解。量子信息学的这两方面发展相辅相成,并随着现今实验技术的飞速发展,在基础科学和应用科学领域都已发挥出巨大作用。线性光学系统以光子态的偏振、路径等属性作为量子比特的载体,具有相干时间长、编码维度多等优点,可以实现多种量子信息过程及相关实验研究。本文所取得的主要研究成果如下:1.提出基于超快参量下转换的纠缠纯化理论方案。我们将量子点辐射产生的纠缠光子对和窄脉冲激光同时入射非线性晶体,通过调节脉冲激光的波长和时间宽度,可令纠缠光子在参量下转化至通信波段的同时受到时间后选择作用,降低量子点中间能级劈裂对纠缠度的影响。2.基于二维材料的室温单光子源的制备研究。六方氮化硼具有约6 eV的宽能带带隙,囚禁于深缺陷能级中的激子在室温下不会被声子激发为自由激子,因此六方氮化硼材料可用于制备室温下的单光子源。我们通过对六方氮化硼薄片进行离子注入和高温退火等处理,实现了基于六方氮化硼材料的室温单光子源的初步制备。3.宇称-时间对称量子系统的量子模拟及其中no-signalling principle的实验研究。我们将一对纠缠光子对分配至处于类空间隔的两地,利用线性光学系统和时间后选择实现了非局域量子模拟器的构建并模拟了宇称-时间对称量子系统,实验研究了其中的no-signalling principle,演示了一定条件下宇称-时间对称量子系统中的信息超光速传播现象。4.实现测量精度超越经典极限的能量循环型弱值测量。我们通过将光学腔增益系统引入弱值测量体系,实现了弱值测量中后选择丢弃光子的循环利用,在保持弱值放大效果的同时,提高了测量精度,并超越了传统测量的散粒噪声极限精度。5.实现量子相干的严格测度。我们实验上实现了两种满足资源化理论的量子相干严格测度,一种基于量子相干鲁棒性定义,另一种基于量子相干鲁棒性对应的可观测物理量,两种新型测量方法均具有简明直接的优点。

关键词：线性光学系统量子光源宇称-时间对称弱值测量量子相干

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回音壁模式微腔的耦合与传输特性及其应用研究

回音壁模式微腔的耦合与传输特性及其应用研究

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作者：金雪莹中国科学技术大学

学位级别：博士

在光信息科学发展的道路上,对光的感知、传输和控制提出了越来越高的要求,而传统的光子学器件显然不能满足需要,能够传输和操纵光信息的新型光子学器件受到人们关注。在众多的光子学平台当中,回音壁模式（WGM）微腔由于具有极高的品质... 详细信息

在光信息科学发展的道路上,对光的感知、传输和控制提出了越来越高的要求,而传统的光子学器件显然不能满足需要,能够传输和操纵光信息的新型光子学器件受到人们关注。在众多的光子学平台当中,回音壁模式（WGM）微腔由于具有极高的品质因子（Q值）和极小的模式体积（V）,增强了光-物质之间的相互作用,为大量基础物理研究和应用光子学器件研发提供了一个非常棒的平台,在光学通信、传感、微波光子学和量子计算等领域有重要应用。基于WGM微腔平台,我们可以产生、感知、传输和调控光信息,且随着微纳加工和封装技术的完善,微腔平台可以向微型化、实用化方向发展。本文主要以准柱形腔、微球腔为载体,深入探究微腔的基本原理、耦合与传输特性以及制备方法,开展了 WGM微腔平台在窄带滤波、纳米粒子探测、电磁诱导透明和群延迟器件领域的应用研究。具体有以下几个方面:（1）搭建了 WGM光学微腔耦合实验系统。论文完整阐述了在实验室进行微球腔、准柱形腔、晶体微腔以及耦合器光纤锥的制备过程。特别的,我们在实验室搭建了集晶体腔磨削、抛光、清洁、检测的光机电一体化实验体系,摸索出一套针对晶体微腔的粗磨、粗抛和精抛工艺过程。另外,我们构建了基本耦合系统,并表征了各种微腔的耦合特性,比较了三种不同类型腔的特性,为后续实验奠定了实验基础。（2）实现了基于准柱形腔稳定耦合平台的可调谐超窄线宽滤波器。提出并实现了表面纳米量级凸起的新型准柱形腔,构建了基于准柱形腔的稳定调谐耦合平台,通过加入探测光纤,成功实现了基于准柱形微腔的可调谐窄带滤波器。实验室制备的准柱形腔展现了干净、近等间距的谱,超高Q值（3.1×107）以及超小轴向自由频谱范围（FSR～0.03 nm）,极大降低了全调谐难度。其模式体积较大,更容易接近、控制、操纵模式场。从理论和仿真两个角度构建了准柱形腔耦合系统的物理模型,求解出模式场分布、透射谱特性、模式体积、以及频率间距等特性。实现了稳定、可控的耦合以及轴向模式的选择性激发,并利用该稳定耦合平台,通过再加入一根探测耦合光纤锥,验证了模式的选择性激发和探测,从而实现可调谐、鲁棒的Add-drop窄带滤波器件。（3）实现了单个准柱形腔中的可调谐电磁诱导透明（EIT）和Fano谐振现象。论文在单个准柱形腔中实现了可调控的EIT和Fano谐振,实现了 EIT和Fano的操纵和二者之间相互转化,进行了系统的理论建模,解释了准柱形腔系统产生可控EIT和Fano现象以及相互之间转化的内在机理。实验展示了垂直位移调谐时,由于耦合强度的变化,可以产生谱形变化的EIT和Fano谐振,它们之间可以相互转化;水平位移调谐可以产生有趣的周期性非对称的Fano谱形。更重要的是,这两种机制可以同时作用在同一个模式上,在我们的准柱形腔耦合平台上可以观测并操纵这种有趣的现象。这里提出的方法为观测,调谐,和操纵EIT和Fano谐振提供了一个稳定、精细的平台。（4）首次实验验证了大粒子流环境下的分布式纳米粒子探测。基于微球腔耦合系统,测试了蜡烛燃烧产物这一实际大粒子流环境下的分布式多粒子模式分裂。实验展示了总的线宽展宽与沉积粒子的数量成正比,与理论模型吻合。探测信号对热波动和粒子沉积角位置不敏感。另外,这种模式分裂机制在分裂不可观测条件下仍然工作良好。这一工作的结果对实际环境如燃烧物、交通尾气和环境空气中的PM2.5监测具有重要价值。（5）揭示了三层膜微球腔的色散调控特性,提出并验证了多个垂直耦合腔系统用于色散补偿和增大延迟量的机理。率先提出用涂覆三层膜的方法对微球腔的群速色散（GVD）进行调控。构建了GVD调控的物理模型,从理论上证明了通过改变外层厚度,两高折射率层间隙,以及涂覆材料,GVD在正常色散和反常色散很大范围内可控,零色散波长（ZDW）可以从可见光波段调到近红外窗口。首次证明了,这种结构中的ZDW与两高折射率层的折射率有良好的线性关系。另一方面,我们提出了一个多个垂直耦合腔（multi-VCR）系统,实现近零色散、可调谐、大延迟量的群延迟线系统。从理论上证明了,该系统的GVD补偿特性使其成为一个更加灵活的光学群延迟线器件。

关键词：光学微腔回音壁模式窄线宽滤波器微腔传感器电磁诱导透明群速色散群延迟微腔器件

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海洋盐指演化过程的数值模拟

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中国海洋大学学报（自然科学版） 2019年第4期49卷 1-8页

作者：徐岩刘香全宋仁刚岑显荣鲁远征郭双喜周生启山东科技大学电子通信与物理学院山东青岛266590 中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室北京100083 中国科学院大学材料科学与光电技术学院北京100049 中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室广东广州510301

盐指现象的数值模拟研究对理解小尺度海洋动力学过程具有十分重要的意义。本文建立了二维方腔模型,通过有限体积法求解控制方程,对盐指现象的演化过程进行了模拟计算和数值分析,在热瑞利数为(1.12～2.24)×107的变化范围内,展示并... 详细信息

盐指现象的数值模拟研究对理解小尺度海洋动力学过程具有十分重要的意义。本文建立了二维方腔模型,通过有限体积法求解控制方程,对盐指现象的演化过程进行了模拟计算和数值分析,在热瑞利数为(1.12～2.24)×107的变化范围内,展示并对比了不同粘滞系数、热瑞利数和盐瑞利数情况下的盐指现象,发现随着粘滞系数的增加,盐指的演变速率变慢,生成数目减少;热瑞利数的增加对盐指的演变速率具有抑制作用,而盐瑞利数的增加则对其具有促进作用。

关键词：盐指数值模拟有限体积法热瑞利数盐瑞利数

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首个可编程光学量子存储器问世

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信息网络安全 2022年第11期22卷 87-87页

德国帕德博恩大学和乌尔姆大学研究人员合作开发出首个可编程光学量子存储器。新技术的工作原理类似于纠缠“装配线”,其中纠缠的光子对会按顺序创建并与存储的光子结合。该研究作为“编辑推荐”发表在《物理评论快报》杂志上。今年,诺... 详细信息

德国帕德博恩大学和乌尔姆大学研究人员合作开发出首个可编程光学量子存储器。新技术的工作原理类似于纠缠“装配线”,其中纠缠的光子对会按顺序创建并与存储的光子结合。该研究作为“编辑推荐”发表在《物理评论快报》杂志上。今年,诺贝尔物理学奖颁发给在量子纠编实验方面具有重要贡献的3名科学家。量子纠编是指在量子力学中处于纠缠态的两个或多个粒子,即便分开很远距离,有些状态也会表现得像是一个整体。而能包含多个量子粒子的纠缠系统,在实现量子算法方面具有显著优势,这些算法有可能用于通信、数据安全或量子计算。

关键词：诺贝尔物理学奖量子存储器量子计算量子力学纠缠态物理评论快报量子算法数据安全

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一种冗余双臂机器人控制系统设计及其控制方法研究

一种冗余双臂机器人控制系统设计及其控制方法研究

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作者：高强中国科学技术大学

学位级别：硕士

随着近年来装备制造等行业的快速发展,对机器人实现精密装配的需求愈来愈大,传统的非冗余自由度工业机械臂存在无法避开空间奇异点、难以避障等局限而无法满足此类生产的要求,经常导致装配失败甚至损坏装配部件。为了拓展机械臂的应用领... 详细信息

随着近年来装备制造等行业的快速发展,对机器人实现精密装配的需求愈来愈大,传统的非冗余自由度工业机械臂存在无法避开空间奇异点、难以避障等局限而无法满足此类生产的要求,经常导致装配失败甚至损坏装配部件。为了拓展机械臂的应用领域,本文自主研发了一款具有冗余自由度的双臂协作机器人,机器人末端执行器可以保证位姿不变而同时具备空间避障、避奇异点、避关节极限等特点,具有极强的操作能力及开放性,可以适应市场和技术需求的变化。首先,对课题研究背景以及双臂机器人国内外研究现状等进行了阐述,分析了目前国内外双臂机器人的主要研究动态与进展,以及国内外双臂机器人控制策略的研究现状。其次,进行了双臂机器人建模分析,并基于D-H方法等,建立了双臂机器人的运动学与动力学模型、提出了一种基于能量最优法则进行逆解寻解的算法;最后仿真计算了双臂机器人的工作空间,并基于此设计了轴孔装配模型,完成了多种空间下的轨迹规划等。第三,进行了双臂机器人控制系统分析与设计,提出了一种双臂机器人层次化控制策略,将双臂机器人自动化控制系统分为会话层、决策层与物理层,并基于此规划了双臂机器人的控制流程,完成了双臂机器人控制系统总体设计;同时对双臂机器人传感器系统进行了阐述,并基于高速总线三层控制架构搭建了多层次的通信结构,在方法应用上具有一定的创新性。第四,完成了双臂机器人软件系统设计与分析,同时将控制过程中的任务进行实时性与非实时性划分,完成了 RTAI实时核的加载,并分别在RTAI实时域和Linux非实时域下调用,创新性地提出了基于RTAI实时核的Linux多线程开发环境的双臂机器人轨迹规划方法以及双臂机器人数据收发双定时策略等。并基于此完成了双臂机器人实时多线程的创建与退出程序设计、基于Modbus-TCP协议的Socket网络通信程序设计以及基于CANopen协议的CAN总线网络通信程序设计等;完成了基于神经网络的双臂机器人轴孔装配方法研究,并进行了相关的仿真与实验。最后,设计了双臂协调操作装配生产线的作业流程以及灯具装配的两个模块,对双臂协调灯具装配任务进行了流程规划;完成了双臂机器人灯具装配生产线硬件控制平台的搭建,构建了标准化测试平台和测试方法,检测了双臂机器人量产过程中的定位精度、重复精度、可靠性等性能,并基于此完成了双臂机器人负载抓取实验、手眼标定实验以及双臂协调轴孔装配实验设计、结果与分析等。

关键词：双臂机器人运动控制控制系统实时内核轴孔装配

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平面与三维超材料的设计、加工及其光学调控特性研究

平面与三维超材料的设计、加工及其光学调控特性研究

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作者：杨盛焱中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

学位级别：博士

超材料作为由亚波长结构单元组成的人工复合材料,因其具备诸多自然材料所不具备的奇异物理特性而受到科学界的广泛关注。它的出现打破了传统材料设计思维的局限性,为在微纳尺度操控电磁波提供了新的范式。基于新颖的微纳米加工技术,本... 详细信息

超材料作为由亚波长结构单元组成的人工复合材料,因其具备诸多自然材料所不具备的奇异物理特性而受到科学界的广泛关注。它的出现打破了传统材料设计思维的局限性,为在微纳尺度操控电磁波提供了新的范式。基于新颖的微纳米加工技术,本文设计并制造了一系列平面和三维超材料结构,通过利用超材料的电磁谐振特性实现了对电磁波的频谱、相位和自旋光的有效调控,并对相应的光学调控机理进行了深入的研究。论文的主要内容如下:一、研制了一种以镜像对称连通劈裂谐振环为基本单元的新型太赫兹超材料,实现了具有大调制深度的高品质因子束缚共振模激发。利用时域有限差分理论方法,模拟了镜像超材料在太赫兹波段的电磁响应特性,并阐述了这种超材料的电磁谐振响应机理。研究结果表明,超高品质因子谐振发生在Wood-Rayleigh异常频率附近,在响应频率0.71 THz处,束缚谐振模的品质因子高达60,比传统的超材料高出一个数量级。其机理归因于:周期性阵列中产生的面内传播的集体晶格表面共振模与镜像对称连通劈裂谐振环的局域表面等离激元共振之间的强耦合,显著地提高太赫兹波与超材料结构的耦合效率并极大地降低了辐射阻尼;同时连通劈裂谐振环的镜像耦合极大地抑制体系的辐射损耗,从而导致了高品质因子谐振。这种具有超高品质因子谐振的镜像对称超材料在高性能窄带滤波器、高灵敏度生物化学传感器、光调制器,等离激元开关和低功耗非线性处理器中具有广泛的应用前景。二、制备了一种由镜像对称破缺双劈裂谐振环阵列组成的太赫兹超材料,实现了多个超高品质因子谐振响应。在镜像对称排布的劈裂谐振环阵列中,与劈裂谐振开口垂直的外场只能激发结构的偶极子谐振。通过打破镜像排列劈裂谐振环的对称性,我们在透射谱中观察到两个超高品质因子谐振,其中一个是束缚谐振模,另一个是八极子谐振模。束缚谐振模的品质因子与超材料的非对称参数有线性依赖关系,而八极子谐振模的品质因子与超材料的非对称参数呈指数依赖关系。在特定的对称破缺参数条件下,八极子谐振模的品质因子可以超过100,比传统超材料高出一个数量级。这些具有多个高品质因子谐振响应的超材料为设计超灵敏的化学和生物传感器、高性能窄带滤波器和光电探测器等提供了新的思路。三、证明了一种利用超精细太赫兹超材料实现多频谱等离激元诱导透明的方法。这种超精细太赫兹超材料的特征尺寸比传统的太赫兹超材料小一个数量级。数值模拟和实验测量结果表明,这种超精细太赫兹超材料能实现两个和三个等离激元诱导透明窗口,每个透明窗口处提供了巨大的群延迟,显著降低了相应频段太赫兹波的群速度。其中,亮模可以分别与每个准暗模独立地耦合,激发等离激元诱导透明窗口。这使得精确地控制透射太赫兹波的群速度和延迟带宽成为可能。这种超精细太赫兹超材料可以应用于光开关、光数据存储、量子计算和太赫兹通信等领域。四、利用聚焦离子束应变诱导的三维折叠微纳米结构加工技术制备了一种新奇三维环磁超材料。基于这种三维折叠超材料,实现了由表面等离激元诱导的环磁偶极共振响应,并且在红外波段同时观测到了多个具有高品质因子的环磁偶极共振现象。在环磁偶极谐振频率处,亚波长三维结构中出现了紧束缚磁涡旋。这种具有高品质因子环磁偶极谐振的超材料在超灵敏生物化学传感器传感器、光调制器、窄带滤波器、非线性光学和低阈值等离激元激光等领域具有广泛应用前景。五、研制了一种具有强本征三维手性的折叠超表面,在红外波段实现了自旋光的分辨和选择性透射。这种由反镜像对称劈裂谐振环折叠而成的三维结构能够选择性的透射一个自旋态的圆偏振光,而使得另一个自旋态的圆偏振光被反射或吸收。随着折叠角度的优化,这种折叠超表面在红外波段的圆二色性值高达0.7,并且对应自旋圆偏振光的最大透过率大于92%;其本征手性光学响应主要来源于磁电耦合、环磁偶极和电四极共振共同作用。这种折叠超表面可以应用于一系列新型光子自旋选择器件。六、研制了一种能够在多个频段实现自旋光的选择性传输的折叠η形超表面。通过沿垂直方向折叠形超表面,从而打破空间的镜面对称性,实现了本征手性构型。实验结果表明,这种折叠η形超表面的圆二色性高达0.8,且相应自旋圆偏振光的透射率超过了93%。折叠η形超表面为本征三维手性的实现和调控提供了一种直接的策略,而且在光子自旋选择器件和手性生物分子鉴定方面有重要的应用价值。

关键词：超材料谐振光学调控折叠超表面自旋光

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带间跃迁量子阱短波红外探测器的研究

带间跃迁量子阱短波红外探测器的研究

引用

作者：刘洁中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

学位级别：博士

红外探测技术是人眼在更广阔电磁波段的补充和扩展,可以帮助人类探索未知宇宙,观察“黑暗”世界。从诞生至今,红外探测技术在各个领域都发挥着重要作用。其中,短波红外技术由于具有利用反射光成像和穿透雾、霾、尘的特性而获得了人们的... 详细信息

红外探测技术是人眼在更广阔电磁波段的补充和扩展,可以帮助人类探索未知宇宙,观察“黑暗”世界。从诞生至今,红外探测技术在各个领域都发挥着重要作用。其中,短波红外技术由于具有利用反射光成像和穿透雾、霾、尘的特性而获得了人们的广泛关注,并被逐渐应用至成像、遥感、光通信、气体监测和医学诊断等领域。,目前,市场上常见的短波红外探测器主要是基于InGaAS、HgCdTe、InSb和PbS等材料体系,其中最主要的当属InGaAs。通过生长高In组分的InGaAs体材料,InGaAs基短波红外探测器的波长得到了有效扩展。然而,在这个过程中,暗电流的抑制（为了获得较高的信噪比）变得极具挑战性。此外,研究表明,相比于传统短波红外探测技术,大于1.7 μm的扩展波长短波红外技术对夜间辐射和黑体辐射的响应更加宽泛。为此,对扩展波长短波红外探测器开展研究是十分有意义的工作。本课题组在前期研究中发现,在InGaAs/GaAs量子阱等多种材料体系中均存在着PN结对低维半导体中局域载流子的高效抽取作用,同时该现象被证实可用于材料吸收系数的提高。一般来说,低维半导体结构中较小带隙的材料可以实现更长波长的光吸收,带隙较大的材料可以保证器件较低的暗电流,而利用PN结的高效抽取作用则可以确保低维结构器件较高的量子效率和探测率。本论文通过选取不同的材料体系,实现了带间跃迁量子阱红外探测器（IQWIP）原型器件的首次制备及性能测试,从而在实验上验证了上述思路。考虑到GaAs基材料在材料生长和工艺加工方面都非常成熟,而InP基材料是目前光电子和微电子领域应用较广的材料体系,我们选取了这两种材料作为本论文研究的材料基础。由于GaAs基和InP基短波红外探测器都涉及InGaAs材料,我们首先研究了InGaAs单层膜的生长参数。通过生长温度、As压等对InGaAs晶体质量影响的研究,我们确定了该材料的最佳生长条件。另外,我们也对包含有InGaAs的PN结进行了参数的选取及优化,并得到了最优的PN结参数。基于InGaAs优化的结果,我们在GaAs衬底上制备了 20个周期的应变InGaAs/GaAs带间跃迁多量子阱近红外探测器原型器件。光谱响应测试结果表明器件的响应波长位于896nm。此外,根据905 nm激光器光电流测试的结果,我们得到:器件具有31%的外量子效率,1.43×1013 cm（?）的峰值探测率,9.52×10-7 A/cm2的暗电流密度（在-1 V处）,以及3.7×104 cm-1的吸收系数。以上实验结果表明,PN结结合量子阱设计可以得到性能良好的红外探测器器件（这是实验上首次制备出IQWIP原型器件）。在上述基础上,我们又设计了 10个周期结构类似、有效吸收层厚度更小的InGaAs/GaAs带间跃迁量子阱红外探测器,其性能测试结果表明随着吸收层厚度减小,器件暗电流减小,材料吸收系数增大。利用GaAs基体系做了基本的验证之后,我们在更具实用性的InP基材料体系也做了进一步实验验证。通过能带计算,我们确定了对应于响应波长为1.8μμm的器件结构,并在InP衬底上生长了 10个周期的InAs/InGaAs（InGaAs/InAlAs）带间跃迁量子阱短波红外探测器原型器件。InAs/InGaAs器件响应光谱测试结果表明,该器件响应波长为1.92μm,外量子效率为32%,器件在-0.01 V处的暗电流密度为5.77×10-5 A/cm2,峰值探测率达到2.5×1010 cm（?）。根据整体的设计思路,PN结对低维半导体中的局域载流子具有高效抽取作用,因此在InAs/InGaAs的基础上,再加入InAlAs材料可以实现在不牺牲器件性能的条件下得到更低的暗电流。InAs/InGaAs/InAlAs带间跃迁复合量子阱红外探测器原型器件实现了 1.93 μm的波长响应,-0.01 V处的暗电流密度降低至1.14×106 A/cmcm2,峰值探测率维持在D*=1.81×1010cm（?）,量子效率为23%。这些实验结果再一次验证了 PN结对局域载流子的高效抽取作用,也证明了基于PN结和量子阱结构可以制备出高性能的红外探测器,这对光电转换器件的结构设计有指导意义。

关键词：红外探测器带间跃迁分子束外延量子阱

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