1-萘酚的太赫兹光谱实验及理论研究

1-萘酚是煤化工产物萘的合成产物,对环境和人体健康有危害.采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术,获得了1-萘酚在0.5~4.0 THz范围内的实测太赫兹吸收谱,同时运用密度泛函理论(DFT)平面波赝势模型对1-萘酚晶胞模型进行理论光谱计算,探讨了平面波截断能在800~1600 eV范围内对理论光谱的影响,并对吸收峰的振动模式进行了理论归属.实验结果表明,1-萘酚在0.5~4.0 THz范围内有1.14 THz、1.60 THz、2.16 THz、2.81 THz、3.56 THz共5个吸收峰,平面波截断能1400 eV下得到的理论吸收谱与实测吸收谱在吸收峰个数、峰位、归一化峰强度上均有较好的一致性,5个吸收峰的振动模式均是以两元环为平面的受氢键束缚的面外摇摆振动或者面内扭转振动引起的.这为太赫兹技术对1-萘酚的识别提供了实验和理论基础,具有一定的理论意义和实际应用价值.

基于中红外吸收光谱的痕量水汽在线测量

痕量水汽检测在半导体芯片制造、大气模型研究、高纯气体制备等方面发挥重要作用。针对痕量水汽浓度的精确、快速测量的需求,提出基于5020 nm中红外激光器的可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术对高纯氮气中的痕量水汽进行实时在线测量的方案。气体在中红外波段具有高选择性和吸收能力的特点,在此波段进行痕量水汽检测具有选择性好、灵敏度高、响应时间短等优点。根据HITRAN数据库中光谱参数对水汽吸收谱线进行仿真,仿真结果表明H2O在5020.36 nm处有强吸收,且无其他气体干扰,选取该谱线对高纯氮气中的水汽吸收进行研究。选用5020 nm中心波长的带间级联激光器(ICL)作为光源搭建TDLAS实验系统。激光器输出激光分为两路,一路作为参考光路,用于获得吸收池外的背景水汽吸收,另一路为测量光路,通过Herriott吸收池获得待测气体中的水汽吸收,吸收池内光程L=10 m。探测器将接收到的光信号转换为电信号,经放大电路放大后被采集并传输到计算机,采样频率为25 MHz。分别对参考、测量光路信号进行基线拟合和Voigt线型拟合,得到水汽的吸光度曲线和积分吸光度,通过计算扣除测量光路中的背景水汽吸收,得到高纯氮气中的痕量水汽浓度。将上述反演过程的算法嵌入软件平台,对采集的透射光强数据直接进行反演处理,实时得到吸收池内高纯氮气中的水汽浓度值,响应时间为12 s。待水汽浓度值稳定后,取30次测量结果的平均值作为各批次高纯氮气水汽浓度的实验结果。实验结果表明,测量得到的各批次高纯氮气的痕量水汽浓度与国家标准要求的高纯氮气中水汽浓度之间的偏差小于±5%,最大偏差为-3.04%,对实验结果进行误差分析,计算得到水汽体积分数的不确定度最大为0.159×10^(-6)。该实验装置可以在中红外波段对高纯气体中痕量水汽浓度进行准确、可靠的在线测量,为中红外波段进行痕量气体在线监测提供一种切实可行的方案。

光声光谱技术应用于痕量气体浓度测量的研究进展

光声光谱技术作为实现痕量气体浓度高效率、高精度测量的重要气体传感技术,因其响应速度快、灵敏度高、选择性好等优点被广泛应用到大气环境检测、电力系统故障诊断、医疗健康诊断等领域当中。首先介绍了光声光谱技术痕量气体浓度测量的基本原理,对应用光声效应实现痕量气体浓度测量的机理进行了简要的描述,同时,介绍了基于光声光谱技术的典型痕量气体浓度测量装置的结构。其次,从光声信号强度的理论分析出发,引出国内外学者在光声光谱痕量气体浓度测量领域的研究热点,为了实现基于光声光谱技术的痕量气体浓度测量装置更强的抗干扰能力、更紧凑的结构、更低的检测下限、更高的检测灵敏度,国内外学者的研究重点可以总结为以下三点:(1)辐射光源的选取和设计,以实现更佳辐射光源的输出波长、更宽的调谐范围、更高的辐射光源输出功率。(2)更优秀的光声池设计,以实现更高效的声能量积聚、更紧凑的结构和更强的抗干扰能力。(3)声敏探测器的设计,以实现更高的声音灵敏度、更高的信噪比。详细介绍了基于光声光谱痕量气体浓度测量装置的三个核心元件:辐射光源,主要介绍了相干光源和非相干光源的应用研究进展;光声池,主要介绍了光声池的设计原则以及非共振式和共振式光声池的应用研究进展;微音器,主要介绍了电容式微音器、压电式微音器的应用研究进展,并对近期研究热点石英增强光声光谱技术进行简要的介绍。在介绍目前辐射光源、光声池、微音器应用研究进展的同时,分析了各元件的优势和需要解决的问题。最后,总结了光声光谱技术应用于痕量气体浓度测量领域装置存在的信噪比不高、结构复杂、检测灵敏度和检测下限易受混合气体之间的交叉干扰等问题,并且对未来测量装置中的三个核心元件:辐射光源、光声池、微音器的发展趋势进行了展望。

基于卷积神经网络和高光谱成像技术的多宝鱼新鲜度鉴别

鱼类产品新鲜度鉴别一直是重要的研究课题,相较于目前常规鱼类品质检测方法存在的成本高、检测时间长等问题,高光谱成像技术(HSI)因其无损、快速等优势得到了学者的广泛研究。卷积神经网络是深度学习中应用较为广泛的模型,表达能力强,模型效率高。因此,使用卷积神经网络(CNN)结合高光谱成像技术建立多宝鱼新鲜度鉴别模型。采集160个多宝鱼样本感兴趣区域(ROI)光谱,并根据样本不同冻融次数和冷冻时间分为5类新鲜度。以VGG11网络为基础,针对光谱数据特点对网络结构进行调整,减少全连接层数量,降低模型的复杂度,分别对比不同卷积核个数、激活函数对分类性能造成的影响,确定最佳CNN网络结构。由于高光谱数据量大同时存在的冗余信息较多,分别采用无信息变量消除算法(UVE)和随机青蛙算法(RF)对高光谱数据进行波长筛选,将波长筛选后的高光谱数据分别输入卷积神经网络(CNN)、最小二乘支持向量机(LS-SVM)、K最近邻算法(KNN)建立模型。采用无信息变量消除(UVE)提取的165个特征波长建立的UVE-CNN模型鉴别效果最佳,分类模型在测试集上的精度达到了100%。结果表明,利用卷积神经网络与高光谱成像技术相结合可实现对多宝鱼新鲜度的有效鉴别,该研究为多宝鱼新鲜度无损、准确鉴别提供新思路。

二维半导体的相干声学声子研究进展

飞秒脉冲激光激发固体薄膜材料产生的相干声学声子可以快速无损获取发光材料与器件结构特性,对于光电器件功能界面的无损检测及成像具有重要意义。相较于热弹性机制的传统金属薄膜光声换能器,二维半导体材料具备宽谱吸收、表面原子级平整、层数易控等优良特性。飞秒激光激发二维半导体能原位产生相干声学声子振荡,为进一步发射超快声波脉冲获取界面信息创造了条件,广泛适用于无损评测发光器件的缺陷分布、力学性能和界面品质。本文主要介绍二维半导体中相干声学声子的研究进展,并讨论利用超快光声转换的高穿透深度、高时空分辨测量技术重大的科学意义与社会价值。

烟火剂爆燃光谱示温反演研究

如何在高温、高压、高辐射状态下准确测温一直是一个难题,为解决该难题,以辐射光谱测温技术为基础,实现对多元烟火剂爆燃过程的非接触温度测量,为进一步明确烟火剂的反应步骤与爆燃产物提供了基础参数。通过建立多元烟火剂与示温颗粒的辐射光谱测温模型,给出基于凝聚相小灰体颗粒的发射率计算方法,开展凝聚相颗粒辐射谱线获取实验并进行连续热辐射谱线的示温反演。为提高反演的准确性,提出了一种方法以降低在多元烟火剂爆燃时出现的离子峰展宽影响,该方法采用维恩变换分析光谱曲线,使用Bisquare算法和最小二乘算法的双平方加权拟合去除非热辐射谱线,开展热辐射温度的反演。发现了烟火剂爆燃二次升温规律,温度出现升温-降温-再升温-再降温的二次放热的现象。该研究为炸药一类物质爆燃的温度场温度变化检测提供了一种新的反演思路和方法。

燃煤锅炉高温腐蚀气体激光在线监测设备研究

燃煤锅炉燃烧场的经济性、安全性和环保性对于智慧电厂建设具有重要意义。H2S和CO是燃煤锅炉燃烧场的两种主要高温腐蚀气体,它们不仅腐蚀锅炉近壁面,尾气对大气环境的危害也极其严重。基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱技术,结合波长调制光谱技术和频分复用技术,研制了一款无人值守的燃煤锅炉主燃区的H_(2)S和CO气体浓度实时在线监测设备。仿真模拟了6335~6341 cm^(-1)范围内的气体吸收光谱,并选定1.5μm附近的近红外激光器作为激光光源。研制了一套耐高温耐腐蚀的Herriott型多光程池,使激光与气体相互作用的有效光程达15 m;开发了硬件电路及相应的固件程序,实现了H2S和CO吸收光谱信号的二次解调与浓度反演。线性度和Allan方差实验表明,其线性拟合相关系数分别为0.9998和0.9995,在73 s和53 s的积分时间下,H_(2)S和CO的最低检测极限分别为0.2×10^(-6) mol/mol和0.344×10^(-6) mol/mol。最后,将研制的设备在某300 MW电负荷的四角切圆燃煤锅炉主燃区燃烧气氛场进行应用示范,对水冷壁附近的H2S和CO进行同步测量。结果表明,锅炉中H2S和CO的浓度呈正相关,厌氧燃烧会导致两种气体的含量增加,造成对水冷壁的腐蚀。

光丝诱导大气等离子体化学反应生成的一氧化氮测量

大气等离子体会诱导化学反应,一氧化氮(NO)是大气化学反应的主要产物之一,对其大气浓度的准确测量有助于揭示其大气化学反应机理并优化大气等离子体应用。在静态密闭反应池中,利用脉冲宽度35 fs、工作波长800 nm的脉冲激光生成光丝等离子体并诱导大气化学反应,进而采用中红外激光吸收光谱技术,实时测量了NO浓度随空气气压、反应时间的变化。在不同气压下,NO浓度随反应时间的增加而增加直至保持稳定,但NO达到稳定浓度所需要的反应时间随空气气压增加而延长。受到三体复合反应的影响,NO的累积体积比浓度从低气压时的400×10^(-6)以上减小到常压时(一个大气压)的120×10^(-6)左右。

斩波器研制及其应用于光声光谱测量CO_(2)的研究

在光声光谱中,产生光声信号的必要条件之一就是需要对光源进行周期性的调制。针对一些光源,如宽带光声光谱所用的红外热辐射光源,对其进行调制只能通过机械斩波的方式实现。然而商用的斩波器由于存在体积较大、成本高昂等问题,无法适用于小型化光声光谱仪的应用。本文开展了光学斩波器的设计研发及其应用于光声光谱系统探测二氧化碳(CO_(2))的研究。首先基于STM32单片机技术设计了斩波器控制电路,开展了自制斩波器与商业斩波器的对比测试实验。测量结果表明两者产生的光声信号具有很好的一致性,验证了研制的光学斩波器的可靠性,使其能够满足光声光谱系统的应用需求。然后基于研制的光学斩波器开展了光声光谱探测CO_(2)的研究,分析了湿度对CO_(2)光声信号的影响。研究表明水汽会明显加速CO_(2)的分子弛豫速率,从而明显改善CO_(2)的光声信号幅值。Allan方差分析表明,在平均时间为200 s时,光声光谱系统对CO_(2)的检测灵敏度为5μL·L^(-1)。相比于加湿前的CO_(2)探测极限,加湿后的CO_(2)最低检测限提高了2.4倍。研制的斩波器具有体积更小、成本低廉的优势,对研发高灵敏度光声光谱仪器具有参考或应用价值。

飞秒-纳秒双脉冲激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对合金的定量分析

激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)技术几乎不受聚变环境中的强磁场影响,是一种最有希望实现托卡马克装置中面向等离子体材料(Plasma facing materials,PFMs)原位在线诊断的技术,已被用于多个托卡马克PFMs壁诊断。然而,LIBS技术对PFMs表面元素的探测限、定量分析以及PFMs的服役状态判定依旧面临很大挑战。采用同轴飞秒-纳秒激光协同技术,建立了飞秒-纳秒双脉冲激光诱导击穿光谱(fs-ns-DP-LIBS)技术,通过高峰值功率、低激光能量的飞秒激光诱导等离子体,再用纳秒激光增强常规单脉冲LIBS技术信号发射强度,进而提升常规单脉冲LIBS的探测灵敏度,同时结合6种合金标准样品,采用fs-ns-DP-LIBS技术对样品中的主要元素进行了定量分析,并进一步结合机器学习方法对6种合金进行种类判别。结果显示:在纳秒单脉冲和飞秒单脉冲LIBS检测中,Ni、Fe和Mo在400~800 nm波段没有观察到明显特征峰,仅观察到Cr的特征峰;在飞秒-纳秒脉冲间2μs延时,NiⅠ498.02 nm、FeⅠ517.16 nm、FeⅠ523.85 nm、MoⅠ588.83 nm和MoⅠ603.07 nm均被激发,且Cr的特征峰强度增强明显;并且相比对纳秒单脉冲LIBS技术,Cr的信号强度提高约7倍。定量分析结果显示,fs-ns-DP-LIBS技术绘制的定标曲线拟合度(R ^(2))更高,且Cr的探测限提高约3.5倍。进一步采用决策树、最近邻、线性判别和支持向量机等算法对6种合金进行了分类研究,线性判别和支持向量机的分类预测准确率大于99%。研究有望为原位LIBS技术诊断PFMs壁表面元素、定量分析及其服役状态判定提供检测方法。

基于激光共振电离质谱的钆奇宇称高激发态研究

钆同位素可作为生产医用同位素161Tb等的靶材,受限于高效光电离路径缺失等问题,目前仅能通过电磁方法生产,为实现钆的多步光电离,需要获取高激发态等光谱数据.基于国内自主研发的高分辨激光共振电离质谱,利用双色三步光电离方案,扫描了钆的36900~37700 cm^(-1)能区,首次获取了7条奇宇称高激发态能级,能级位置准确度可达±0.1 cm^(-1),并根据角动量选择定则确定了可能的J值,同时发现了可用于质谱性能检验的单色光电离谱线.

金属微结构表面增强激光诱导击穿光谱的强度与稳定性

在金属铝表面用飞秒激光分别刻蚀了四种形状的微结构,对比分析了周期不同的矩形、圆形、三角形和六边形微结构对沉积在其表面Cr元素水溶液的表面增强激光诱导击穿光谱(LIBS)光谱强度和稳定性的影响。研究结果表明微结构的周期越小,光谱增强效果越显著,其中矩形微结构在相同周期下表现出最优光谱增强效果,相比于未处理的金属铝,其光谱强度增强了4倍左右。此外,六边形微结构的光谱稳定性最佳,具有良好的可重复性。研究结果为今后采用表面增强LIBS法检测水溶液中的重金属元素提供了一种可行的基底制备方法。

基于光声光谱气溶胶吸收测量的标定方法研究

大气气溶胶吸收太阳辐射,直接影响地气系统辐射平衡,降低能见度,改变局地气候效应。光声光谱技术具有灵敏度高、原位测量、结构简单等优势,是研究气溶胶吸收特性最为直接、有效的方法。光声光谱近红外气溶胶吸收系数测量系统的精度与标定方法密切相关,为了探究不同标定方案的差异,选择NO_(2)气体(532 nm)和单分散苯胺黑气溶胶(532、 1 064 nm)分别开展气溶胶吸收系数标定实验。其中,单分散苯胺黑气溶胶的标定方法主要基于Mie理论,结合苯胺黑气溶胶粒子数浓度、苯胺黑气溶胶粒子的复折射率、苯胺黑粒子粒径分别计算532和1 064 nm单分散苯胺黑气溶胶吸收系数。实验结果表明:NO_(2)气体获取的标定系数介于苯胺黑气溶胶在532和1 064 nm波长处获取的标定系数之间,与532 nm波长处粒径225 nm的苯胺黑单分散气溶胶、 1 064 nm波长处粒径125 nm的单分散苯胺黑气溶胶标定系数相近,在其他粒径处存在一定差异。尽管NO_(2)气体与苯胺黑气溶胶在特定波长处具有相似的连续吸收特征,对于同一标定系统,标定气体和气溶胶性质、状态不同导致标定过程仍然存在光声效应之外的光与物质的相互作用、标定介质损耗、测量环境等不确定因素,这些都会导致这两种标定介质的标定结果差异;苯胺黑气溶胶采用不同波长光源得到的标定系数明显不同,同一粒径的单分散苯胺黑气溶胶在532 nm波长处获取的标定系数约为1 064 nm波长处标定系数的1.5~2倍。导致该结果的可能原因有两个,一是未准确获取1 064 nm波长处苯胺黑的复折射率,二是标定过程中532 nm光束、 1 064 nm光束与谐振腔的匹配模式不一致导致;标定系数与单分散气溶胶的粒径存在反比关系,随着苯胺黑气溶胶粒径每增大50 nm, 532 nm波长光源的标定系数减小19%, 1 064 nm波长光源的标定系数减小12%。标定系数与粒径的反比关系可能由不同粒径的苯胺黑气溶胶粒子经过管道和光声池的损耗不同导致。由此可见,气体标定方法与气溶胶标定方法各有其优势与不足,但两种标定方式都可以获取相应的标定系数,在实际标定方法的选择上,需要综合考虑多种因素,选择合适的标定方法。

三乙胺火焰特征光谱分析

采用ICCD探测系统和化学激波管,在压力为1.5 atm,温度为1 500 K条件下,测得了三乙胺燃烧时从紫外到近红外的瞬态发射光谱。结果表明:燃烧过程在此波段内的主要发射光谱带归属于反应中间产物NO、OH、NH、CN、和CH自由基,确定小自由基NO、OH、NH、CN、和CH是三乙胺燃烧过程中重要的反应中产物,CN自由基光谱明显比CH自由基光谱强;确定了NO、OH、NH、CN、和CH自由基特征光谱对应的电子能级跃迁;结合燃烧动力学理论从化学反应角度分析了小自由基NO、OH、NH、CN、和CH产生机制。结果为了解三乙胺燃烧反应微观过程和验证其燃烧反应机理提供了实验依据。

基于光纤光声传感的多组分痕量气体检测技术

为进一步提升多组分痕量气体检测灵敏度,设计了一套光纤光声传感系统。系统主要集成了2个近红外DFB激光器、近红外宽带光源、高速光谱模块、现场可编程逻辑门阵列信号采集与处理电路,具有激光调制控制、光声信号解调和数字锁相放大等功能。利用声学共振腔和干涉型光纤声波传感器对光声信号进行激发增强和探测增强,实现了乙炔和甲烷气体的高灵敏度检测。光纤声波传感器中以微机电系统悬臂梁作为声学敏感元件,设计了光纤法布里-珀罗干涉结构,将悬臂梁偏转位移转换为F-P腔长的变化。采用高分辨率光谱解调技术,实现了基于光纤F-P传感器的超高灵敏度光声信号检测。系统对乙炔和甲烷的检测极限分别达到2×10^(-9)和3×10^(-9),归一化噪声等效吸收系数为8×10^(-10)cm^(-1)W Hz^(-1/2)。

基于光场计算和图像处理算法的激光自动对焦方法

针对飞秒激光三维加工中如何定量寻找焦点位置问题,提出了一种新型的计算光场分布与图像处理算法相结合的自动对焦方法。首先,根据Richards-Wolf矢量衍射理论推导经过物镜后激光在多层介质内的激光光场分布函数,并利用数值模拟求解高斯光束在各个介质不同位置处的光场分布计算结果,进而在理论上得到激光光束直径在多层介质中不同位置的变化关系。其次,实验中由上到下在多层介质中每隔相同离焦距离采集一系列光斑图像,通过感兴趣区域(ROI)、最大类间差法(Otsu)、Canny边缘提取等图像处理算法处理后,获取实际多层介质中不同位置处激光光斑直径以及激光直径随位置的变化曲线。最后,将理论与实验作对比并进行曲线校正,获得了实际激光光斑在多层介质中的变化曲线,以此建立基于计算光场分布和图像处理算法为基础的激光加工自动对焦方法。

肉桂酸衍生物的太赫兹光谱及弱相互作用分析

利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)测试了对羟基肉桂酸(PCA)、反式-2-羟基肉桂酸(OCA)和4-氟肉桂酸(4-FCA)三种肉桂酸的衍生物(CADs)在0.5~3.5 THz范围内的吸收峰。基于密度泛函理论(DFT),借助振动模式自动关联判定方法(VMARD)对三种样品THz吸收峰的来源进行了指认。最后采用分子力场能量分解法(EDAFF)分析了分子体系的弱相互作用力形式,通过VMD绘制原子着色图进行了可视化分析,并研究了其原子在分子体系中对弱相互作用力的贡献类型和强弱。研究结果表明,基于THz-TDS、DFT与VMARD、EDA-FF方法结合不但能有效地辨别同分异构体及结构近似的有机分子,而且也能为其生化功能揭示提供有价值的参考数据。

超材料光谱选择性热辐射实验研究

热辐射是物理实验研究的一个重要方面。基于金属-介质-金属“三明治”式微纳米结构,制作了一种超材料光谱选择性窄带热辐射源。测量结果表明,该辐射源能够将热辐射能量集中在9.03μm波长附近,峰值发射率高达98.0%,发射带宽仅为1.58μm。实验还展示了这种热辐射源峰值辐射波长的灵活调控特性。

基于扩散式光声传感器的SF_(6)气体泄漏监测技术

针对SF_(6)气体泄漏监测设计出了具有高灵敏度、微型化与低成本特点的光声气体传感器。使用宽谱红外热辐射光源与中心波长10.5μm的滤光片作为传感器的激发光源,有效地避免了空气中H_(2)O与CO_(2)的吸收干扰。非共振光声池采用扩散式进气结构,SF_(6)气体通过光声池外壁的微孔以自由扩散的形式进入光声腔,使用该结构减小了传感器体积、降低了成本。该传感器的整体外形尺寸为1.4 cm×1.5 cm×1.65 cm,光声池气室容积为0.13 mL。实验结果表明,该传感器对SF_(6)检测响应时间为178 s,在0~100 ppm浓度范围内响应度为14.47μV/ppm,响应曲线拟合优度R^(2)=0.9976,光声信号响应与SF_(6)浓度具有良好的线性关系。根据方差分析,在积分时间为10 s时,SF_(6)气体检测极限达到0.3 ppm。

基于调制激光光谱吸收的高稳定性气体检测

为了精确测定待测气体的体积分数,提高可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)的稳定性,优化了TDLAS气体检测系统的扫描信号。基于HITRAN数据库,选定了甲烷气体在1654 nm附近吸收峰,计算出含甲烷、水蒸气和二氧化碳混合气体的吸收系数;使用可视化仿真工具对气体检测系统进行理论仿真,同时通过搭建的气体检测系统验证仿真结果。结果表明,通过优化扫描信号,提高了检测系统的稳定性,偏差值从0.3%降至0.07%;建立了2次谐波信号均值与气体体积分数的反演模型,线性拟合的相关系数R^(2)=99.99%。此研究为提升TDLAS系统的稳定性和准确性,及实现高稳定气体检测具有一定的参考价值。