太赫兹光谱技术在食品污染检测中的研究进展

随着新的食品加工技术及新型食品材料的不断涌现,食品污染问题也越来越多,国际食品安全事件频繁爆发,食品污染造成的食源性疾病对人民生命健康造成严重威胁,如何把控好食品质量成为人们关注的焦点问题。太赫兹技术作为一项新兴的检测技术,其反映样品的物理结构、性质及化学成分的同时,也获取样品在太赫兹波段的时域和频域信息作为物质“指纹”谱,用于无损检测和识别领域并取得了一定的成果。相较于传统的检测手段,太赫兹技术安全性高、透视性好以及波谱分辨能力强等优势使其在食品污染检测领域具有极大的应用潜力和应用前景。文章简述了太赫兹光谱技术的基本原理,以其中最为常用的太赫兹时域光谱技术为主要研究重点,对该技术在食品生物性污染、化学性污染、物理性污染检测方面的应用研究工作进行了重点归纳总结,最后聚焦于太赫兹技术在食品污染检测领域的实际应用现状,讨论其发展趋势和应用前景,并分析目前研究仍存在的问题,以期为太赫兹技术在食品安全检测领域未来的进一步发展提供参考。

热处理对激光粉末床熔融AlSi10Mg合金热物理性能的影响

采用激光粉末床熔融(laser powder bed fusion,LPBF)法成功制备AlSi10Mg合金样品,研究130℃/4 h时效处理、236℃/10 h退火处理和540℃/1 h固溶处理三种热处理工艺对AlSi10Mg合金样品的微观组织的影响,以及热处理后AlSi10Mg合金在室温~400℃的温度范围内热膨胀系数和热导率演变规律。结果表明:时效处理后铝基体中析出球状的Si颗粒,仍然保留完整的网状共晶硅组织;退火后,网状共晶硅完全消失,球化Si颗粒均匀分布在基体中;固溶处理后出现大的块状Si颗粒,尺寸在1~3μm;经过热处理之后AlSi10Mg合金的热物理性能均优于打印态。退火处理后的合金样品在室温到400℃的热膨胀系数为1.64×10^(−5)~2.1×10^(−5)℃^(−1),平均热导率为179.6 W·m^(−1)·K^(−1),性能优于时效处理和固溶处理。

基于反射光谱的薄膜光学常数和厚度测试

薄膜的光学常数(折射率、消光系数)和厚度决定了镀膜零件的光学性能,因此根据实际条件掌握薄膜的光学常数和厚度是膜系结构设计和性能优化的重要环节。本文采用傅里叶红外光谱仪测试薄膜样品的反射光谱曲线,通过单纯形优化算法拟合反射光谱曲线,借助不同色散模型,构建目标优化函数,获得薄膜光学常数和厚度,拟合结果与采用椭偏仪测试的结果具有较好的一致性。将拟合得到的薄膜光学参数及厚度代入反射率理论计算模型,通过理论计算模型得到的反射率曲线和实验测试曲线吻合良好,折射率测试结果与计算结果的最大相对误差小于1.8%,厚度测试结果的相对误差不大于0.4%,考虑消光系数的反射光谱拟合曲线与测试曲线相对误差的最大值小于2%。该方法只需测量薄膜的反射光谱曲线,通过计算就能得到薄膜的光学常数及厚度。该方法测试计算简单、精度高、适用范围广,对光学薄膜结构设计、优化和加工具有一定的实际应用价值。

广角衍射光学元件的优化设计

为进一步研究入射角度的增大对衍射光学元件(diffractive optical element,DOE)衍射效率及微结构高度等参数的影响,分析了入射角度和周期宽度对带宽积分平均衍射效率的影响。基于扩展标量衍射理论,建立了DOE的微结构高度与入射角度和周期宽度的数学模型,提出了工作在一定入射角度范围内,基于复合带宽积分平均衍射效率(comprehensive polychromatic integral diffraction efficiency,CPIDE)最大化实现设计波长和微结构高度等结构参数的优化设计方法。以工作在红外波段的DOE为例进行分析。结果表明:当相对周期宽度为20,入射角度范围为0°~40°时,该DOE的CPIDE为94.15%,微结构高度为1.3396mm。该设计方法可以实现广角DOE的优化设计。

基于深度降噪卷积神经网络的宽波段共相检测研究

拼接镜的共相误差检测是当前科学研究的热点问题之一,基于宽波段光源的共相检测技术解决了夏克哈特曼法由于目标流量低引起的测量时间长的问题,从而提升了piston误差的检测精度和量程。然而,当前宽波段算法在实际应用中,由于复杂的环境以及相机扰动等干扰因素的存在导致获取的圆形孔径衍射图像含有一定量的噪声,从而导致相关系数值低于设定阈值,最终使该方法精度降低,甚至失效。针对这一问题,本文提出将基于深度降噪卷积神经网络(DnCNN)的算法集成到宽波段算法中,以实现对噪声干扰的控制,并保留远场图像的相位信息。首先,将使用MATLAB获得的圆孔衍射图像作为DnCNN的训练数据,然后,将不同噪声水平的图像导入到训练好的降噪模型中,即可得到降噪后的图像以及降噪前、后圆孔衍射图像的峰值信噪比和二者与清晰无噪声图像间的结构相似度。结果表明:降噪处理后的图像与理想清晰图像之间的平均结构相似度较处理之前有了明显提升,获得了理想的降噪效果,有效增强了宽波段算法在高噪声条件下的应对能力。该研究对于探索用于实际共相检测环境宽波段光源算法具有较强的理论意义和应用价值。

大气湍流对高分辨率遥感卫星的成像影响研究

遥感卫星在国防和民用探测等领域发挥着重要作用,而大气湍流严重影响高分辨率遥感卫星的成像质量。本文重点研究了遥感卫星对地探测时,相机口径、卫星轨高和大气湍流强度对空间相机成像质量的影响。首先,基于球面波传输模型和Kolmogorov湍流理论,针对空对地探测湍流波前进行仿真。然后,分析畸变波前随相机口径、卫星轨高和大气相干长度的变化规律,并推导出普适公式。在此基础上,进一步推导出空间相机成像分辨率随相机口径、卫星轨高和大气相干长度变化的计算公式。最后,研究了大气湍流对空间相机调制传递函数(MTF)的影响,并以MTF=0.15为基准,仿真分析了MTF相对误差随相机口径、卫星轨高和大气相干长度的变化规律。本研究为高分辨率遥感卫星的设计、分析和评估提供理论依据。

高重复频率飞秒光纤激光技术进展

为解决高重频飞秒光纤激光器基本重复频率较低,输出脉冲宽度较宽等问题,对高重复频率光纤超短脉冲激光器的主要发展方向及面临的瓶颈展开研究。详细阐述了SESAM锁模、NPR锁模、NALM锁模等常用高重复频率飞秒光纤激光器锁模技术及发展现状,并讨论了当前高重复频率飞秒光纤激光领域的难点与科技问题。在此基础上,总结了以下领域的最新研究进展,包括新型高重复频率锁模技术的探索、高重复频率光纤飞秒激光在输出波长方面的拓展,以及超高稳定性高重复频率光纤光梳研究。最后,简述了GHz飞秒光源在光丝激光雷达、光学频率梳以及生物探测等领域的典型应用,并对其前景进行展望。

物理光学中多光束叠加强度求解方法的探讨

大学物理光学中多光束相遇叠加强度的求解问题占据了课程内容的很大比重,涵盖了叠加原理、干涉、衍射、互补屏原理、复振幅、共轭波和偏振等理论和概念。为了使非光学特色工科大专院校的学生在有限的课程学习期间内快速方便地解决多光束叠加强度求解问题,有效地对实际的干涉测量设备原理进行分析,总结了一套“叠加强度求解六步法”的程序化解题流程,通过杨氏实验、单矩形孔夫琅禾费衍射、巴比涅互补屏系统和一个复杂习题解答为例对该方法的使用进行了充分举例说明,有效地论证了该方法的有效性和通用性。

变周期亚波长介质光栅多层膜的双重Fano共振特性

现在众多传感结构模型只能对单变量待测样本折射率进行传感检测,为实现不同待测样本的高通量检测并降低环境因素的干扰,提出了一种基于波长调制的变周期亚波长介质光栅多层膜复合结构。以双周期为例进行分析,变周期光栅层由两个具有不同光栅周期的介质光栅A和B组成,通过有限元法对传输特性进行分析,TE偏振入射光以垂直于光栅层表面的方式入射至介质光栅表面,当在介质光栅区域A和B内分别满足相位匹配条件时,变周期亚波长介质光栅会形成GMR,提供两个具有单一窄带的双离散态共振缺陷峰;由于类F-P腔中含有周期性光子晶体,光波传播到光子晶体会产生光子禁带,提供一个较宽频带的连续态。在满足相位匹配条件时,变周期亚波长波导结构中形成的双离散态共振缺陷峰与周期性光子晶体多层介质薄膜构成的类F-P腔中形成的连续态发生耦合,实现双重Fano共振。然后通过探究波导层厚度dw和光子晶体周期数N对传感特性的影响,选择dw=97 nm和N=3,使其达到FOM值最大。最终因变周期介质光栅层是由两种具有不同介质折射率的材料构成,在介质光栅区域A和B的光栅凹槽部分可设置两个传感检测单元,建立基于波长调制的双重Fano共振全电介质传感模型,设置不同的传感检测区域,发现双重Fano光谱曲线在不同传感检测区域内都能随着ns1和ns2变化,间接实现了对待测样本折射率的动态检测,因而可在同一传感结构模型中实现对不同待测样本折射率区间的多变量检测。结果表明,在传感检测单元A内,FR1和FR2的FOM值分别为631.53和463.7 RIU^(-1);在传感检测单元B内,FOM值分别为480.67和834.04 RIU^(-1)。所设计的传感结构模型通过结构参数优化,实现了传感结构的高反射率、高FOM值和较宽的检测范围,对双重Fano共振提供了理论参考,对待测样本折射率的多变量检测具有一定的研究价值。

光学参量放大器辅助的复合腔磁系统中磁力诱导透明及快慢光效应

提出了一种含有光学参量放大器的复合腔磁系统。利用系统海森堡-郎之万演化方程和输入-输出关系研究了磁力诱导透明和快慢光效应。数值计算表明:当腔磁系统考虑磁振子-声子耦合时,出现双重透明窗口。磁振子-声子之间的耦合强度增强,透明窗口宽度变宽,深度加深。在系统中调控光学参量放大器的增益,吸收光谱在共振频率两侧出现不对称现象,吸收谱曲线的峰值随光学参量放大器增益的增加而变大。通过调节腔磁耦合强度,改变了吸收光谱和色散光谱的传输特性。此外,探测场的传输速率依赖于光学参量放大器的增益。腔磁系统的快慢光效应及其切换通过调控光学参量放大器得以实现。该研究结果可为量子光学操纵和量子信息存储的研究提供参考。

弱风条件下斜程海洋湍流中涡旋光束的传输特性

光束在海洋介质中传输会极大地受到海洋湍流的影响。此外,涡旋光束轨道角动量的复用会极大地提高系统容量,因此研究涡旋光束在海洋湍流中的传输具有重要意义。在水平海洋湍流理论基础上,创新性地构建了斜程路径上海洋湍流相位屏模型,以相位结构函数为依据验证了海洋湍流相位屏的准确性,根据多相位屏法搭建准直高斯涡旋光束在海洋湍流中的上行传输链路模型。数值模拟并分析了不同天顶角、海洋湍流内外尺度及拓扑荷数等其他海洋湍流参数对准直高斯涡旋光束经海洋湍流上行传输的光强及相位分布、光束漂移、轴上闪烁指数和长曝光光斑半径的影响。结果表明:涡旋光束的拓扑荷数越小、天顶角越小,光束受到湍流的影响越大;在海洋湍流上行传输链路中,准直高斯涡旋光束的光束漂移、轴上闪烁指数及长曝光光斑半径随海洋湍流外尺度的增大而增大,且主要受传输距离的影响;理想情况下,取海洋湍流外尺度为无穷大,会高估湍流对光束的影响;由于涡旋光束的本身特性,拓扑荷数对光强及相位分布和长曝光光斑半径的影响也较为显著。

基于主成分分析和VU分解法的两步随机相移算法

为了平衡相位计算的精度和速度,大量的两步随机相移算法发展起来。提出了一种基于主成分分析和VU分解法的快速、高精度两步随机相移算法。首先,采用两步主成分分析法对经过滤波的两幅相移干涉图进行计算求出迭代初始相位;然后,利用没有滤波的两幅相移干涉图进行VU分解、迭代求出最终相位。通过模拟和实验结果对比表明:与四种性能良好的两步随机相移算法相比,对于不同的条纹类型、噪声、相移值及条纹数量,提出的算法综合性能最好,其精度最高,有效相移范围和有效条纹数量范围最大,当干涉图像素数为401 pixel×401 pixel时,提出的算法仅比格兰-施密特正交化法和两步主成分分析法多花费0.035 s。在理想情况下,提出的算法可以得到完全正确的结果。如果需要得到较高精度,最好能够提前抑制噪声,同时设置相移值远离0和π,条纹数量大于2。主成分分析和VU分解法无需滤波,花费近似非迭代算法的时间获得迭代算法的精度,其打破了迭代算法花费时间较多的限制,适合高精度光学在线检测,有广泛的发展前景。

一维反转对称组合光子晶体结构界面态的可调性

通过电磁波在介质中的传播,以及介质与介质界面处电场和磁场的切线分量的连续条件,分别给出光在介质中传播的传输矩阵以及光在介质界面处的匹配矩阵,从而得到组合结构光子晶体总的传输矩阵,并给出其反射率.在此基础上,研究具有反转对称组合结构为(ABA)N(BAB)M的光子晶体界面态,改变介质A的折射率系数n_(a0)、参数e,厚度d_(a)和周期数N与介质B(葡萄糖溶液)的质量浓度、温度、厚度d_(b)和周期数M以及入射角的大小,给出界面态的位置和峰值大小随参数的变化曲线,并研究葡萄糖溶液质量浓度对组合结构PC_(1)+PC_(2)+PC_(1)和PC_(1)+PC_(2)+PC_(1)+PC_(2)+PC_(1)多个界面态的影响.数值计算结果表明,当改变葡萄糖质量浓度时,可改变界面态的位置和峰值大小,从而实现对界面态的调节.

基于空间光调制器的艾里光束能量调制方法

艾里光束由于具有无衍射、自加速和自愈合等特性,具有重要的应用前景。本文基于空间光调制器可编程特性,提出了一种可调谐的艾里光束能量调制新方法。从理论上深入分析通过在相位图中引入一个可控的调制相位而实现了艾里光束能量调控的方法,并且量化了调制参数与能量调制范围的关系。仿真和实验结果表明通过改变调制相位可以灵活地调节光束能量分布,本文的研究有助于进一步推动艾里光束的应用。

碲镉汞红外探测器离子束刻蚀研究

电极成型技术是红外焦平面探测器的重要组成部分,离子束刻蚀技术由于具有高各向异性和高分辨率等诸多优点,适用于制备低损伤、高均匀性以及可生产性的电极体系。本文采用离子束刻蚀制备了平面型、台面型器件的电极结构,通过FIB和SEM表征了不同刻蚀条件下的电极形貌和结构,研究了不同刻蚀角度、能量以及热处理对碲镉汞红外探测器的影响。结果表明,离子束刻蚀技术具有侧边平滑、均匀性高、稳定性强以及工艺重复性好等诸多优点。另外,离子束刻蚀可以实现台面结器件的电极隔离,但台面侧壁存在一定金属电极残留,需要进一步优化台面形貌和刻蚀角度。在热处理对刻蚀的影响上,低能量刻蚀形成的晶格损伤,经过高温可以修复;高能量刻蚀将同时造成晶格损伤和电学损伤,热处理只能一定程度上改善pn结性能,电学损伤将在刻蚀后表面形成严重的漏电效应,降低了探测器的品质因子R_(0)A。

D型环光子晶体光纤表面等离子体共振传感器

提出了一种中红外波段宽范围低折射率检测的D型环双芯光子晶体光纤表面等离子体共振传感器。该结构为一个D型环,并在其内外表面都沉积一层金属层。采用全矢量有限元方法分析了该传感器的性能。结果表明,该传感器可以在中红外波段实现低折射率传感,并具有高传感灵敏度特性。分析物的折射率可检测范围为1.20~1.38,平均波长灵敏度和最大波长灵敏度可分别达到13717 nm/RIU和21150 nm/RIU,分辨率可达到1.94×10^(-5) RIU。该传感器可在化学、生物以及环境检测等领域有重要的应用。

递进式N×N型采样方式次谐波海洋湍流相位屏模拟方法

以N×N型采样方式次谐波法为基础,引入了递进式采样,提出了一种递进式N×N型采样方式次谐波法,用于数值模拟海洋湍流相位屏。该方法利用Nikishov提出的海水折射率波动谱模拟海洋湍流相位,通过相位结构函数和补偿效果验证该方法生成相位屏的准确性。通过改变递进区域个数、补偿阶数和谐波次数,比较分析相位屏参数对改变对相位屏准确性的影响。此外,将所提方法与N×N型采样方式次谐波法、改进的次谐波补偿法和改进的次谐波法进行比较。结果表明:递进式N×N型采样方式次谐波法只需谐波次数为11时,补偿效果即可达到0.9995,并且在准确度相同的情况下具有更快的模拟速度。

高功率掺镱光纤激光器的非线性效应和研究进展

高功率掺镱光纤激光器在精密加工、国防、科研等领域有重要的应用价值,然而随着功率的提升,光纤内部的非线性效应开始凸显。在此,详细分析了受激布里渊散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)、非线性折射率、横模不稳定(TMI)等非线性效应的产生过程,并提出抑制方法。另外,从光纤振荡器和主振荡功率放大器两个角度,简述了近几年学者们在抑制非线性效应基础上不断提升掺镱光纤激光器输出功率的研究进展。目前,全光纤结构的掺镱振荡器输出功率达到8kW;单纤主振荡功率放大器激光系统输出功率已突破20kW。

基于斯托克斯矢量对海面溢油的识别

利用JANSWAP海谱建立了海面与油膜的模型,采用基尔霍夫近似理论分析了海面和油膜对光波的散射,数值计算了S偏振光、P偏振光、45°偏振光、圆偏振光入射到海面和油膜时半球空间的散射光斯托克斯矢量,分析了入射角和风速对散射斯托克斯矢量中V分量的影响.发现P偏振光和45°偏振光以油膜布儒斯特角(56°)入射时,海面和油膜散射光的V分量存在较大差异,且风速越大越明显.对于海面,V分量都近似为0,对于油膜,P偏振光的散射光V分量在入射面两侧呈两瓣反对称分布,45°偏振光的散射光V分量在入射面内反射光方向两侧呈两瓣反对称分布,说明可以用V分量来区分海水和油膜.该结果能够为海面溢油探测提供一定的理论参考.

径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束在海洋湍流中的传输特性

采用分步相位屏的方法,研究了径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束在海洋湍流中的光强特性和闪烁特性.研究发现,径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束传输一段距离后,其中心区域光强受自身特性的影响;对于不同强度的海洋湍流,随着均方温度耗散率的增大,光束所对应的轴上区域的闪烁因子也越大.相较于线偏振光束和径向偏振光束,径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束在海洋湍流中的传输受湍流的影响较小.研究还发现,传输一段距离后,径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束(n≥1)的拓扑荷数越高,光束所对应的闪烁因子越小.另外,相对于径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束(n≥1),拓扑荷数n=0的径向偏振零阶贝塞尔-高斯涡旋光束具有较低的闪烁因子.