基于等效最小光程的大范围浊度测量方法

浊度测量在水质监测等领域有重要应用。针对大范围浊度测量问题,提出了一种基于等效最小光程的浊度测量方法。利用90°散射法,通过多组光程与散射光强测量值进行线性拟合,计算出光强截距,建立了光强截距与待测浊度的数学关系。该光强截距表征最小光程条件下的等效散射光强,从而减小了高浊度下光程的影响,保证了低浊度和高浊度区间的高测量精度。搭建了13路光程组合的浊度测量实验装置,实验结果表明,在250~2000 NTU的范围内,该方法最大相对误差为2.818%,与散射法直接测量相比,平均相对误差降低约71%,在保证测量精度的前提下扩展了散射法的测量范围。

基于视觉反馈的双光程纹影部件位置控制研究

在高超声速低密度风洞试验中,采用传统机械方法调试双光程纹影系统,无法确保球面镜机构工作位置的精细定位,光路两次穿过流场后无法完全重合。针对上述问题,研发了基于视觉反馈的双光程纹影部件位置控制系统。采用绝对式编码器指令控制交流伺服电机,对球面镜机构的工作位置进行定位控制;引入机器视觉系统,结合视觉信息反馈技术,对纹影图像质量进行研判,根据研判结果确定是否对球面镜的俯仰、左右偏转进行调节。结果表明:采用基于视觉反馈的双光程纹影部件位置控制系统,实现了双光程纹影球面镜机构的自动定位闭环控制,确保光路两次穿过流场后尽量重合,消除了模型流场成像时的重影;与传统方法相比,流场图像的清晰度提高了约2.2倍。

多通池内光程实时校正技术用于甲烷浓度测量的方法研究

甲烷(CH4)是目前重要的清洁能源之一——天然气的主要成分,然而其具有易燃易爆的特性,因此监测大气和重要场所的CH4浓度有重要意义。激光吸收光谱技术由于其灵敏度高、检测速度快、选择性好和免接触等优势,在气体测量等领域获得广泛应用。为了获得更高的测量精度,通常使用光学多通池(MPCs)增加吸收光程(OPL)。对吸收光程的实时准确标定具有重要意义,得到光程的准确值结合其他参数等可通过朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律直接反演出待测气体浓度而避免传统方法中标准气体定标这一复杂步骤。由于前人采用调频连续波(FMCW)和光学频域反射计(OFDR)法等具有结构较为复杂和运算量大等缺陷,提出了一种基于调幅连续波(AMCW)技术的多通池内光程测量方法,具有结构简单和测量速度快等优势,并将其与激光吸收光谱技术结合实现光程和CH4吸收谱的同时测量。主要通过光纤合束器将测光程的中心波长为650 nm的激光和测吸收谱的中心波长为1654 nm的分布式反馈(DFB)激光器发出的激光同时耦合进物理基长为12 cm的多通池内,在出射端分别测量测光程激光振幅调制的相位和测吸收谱激光的光强以同时获得光程和吸收谱信息。测量使用体积分数为297×10-6的CH4标准气体和CH4在6057.1 cm-1附近的吸收谱线。首先对实验所使用的DFB激光器进行工作电流与输出波数的标定,可将吸收谱的横坐标从点数变换为波数。然后调节光线耦合进多通池的入射角度,测量了4组不同光程与吸收谱数据,多通池内光程和吸收峰值分别为1.606 m和0.0212、3.326 m和0.0445、5.050 m和0.0678与6.762 m和0.0899。将所测光程与通过反射次数估算的光程进行线性拟合,相关系数r≈1;将所测光程与吸收峰值进行线性拟合,两者具有良好的线性关系,r≈0.99987。以上数据验证了AMCW技术用于多通池内光程实时测量的可行性与准确性,为激光吸收光谱技术中光程的确定和浓度的测量提供了一种新方法和思路。

基于超声-微纳米气泡辅助技术的可变光程水质多参数检测方法研究

针对目前国家标准分析检测水质多参数方法存在的科学与技术问题,提出了一种基于超声-微纳米气泡(US-MNB)辅助技术、连续光谱法和顺序注射分析法(SIA)的可变光程水质多参数检测新方法。设计水质多参数检测系统,通过检测总磷(TP)、化学需氧量(COD)、氨氮(NH_(3)-N)和六价铬(Cr^(6+))四种水质参数,验证了新方法的可行性。系统设计的核心是基于超声与微纳米气泡相结合的消解室以及具有可变光程功能的光谱扫描检测室,可达到快速消解和稳定检测的目的。同时系统基于国家水质检测标准,优化了水质多参数联合检测流程,并利用分光光度法和顺序注射分析技术对四种水质参数的含量进行连续光谱检测。首先,在常温常压下采用US-MNB辅助技术结合强氧化剂对TP进行消解,同时对检测室中NH_(3)-N参数显色反应后的化合物直接进行光谱扫描测定,消解后,再进行TP的测定。同理,消解COD的同时,对检测室中的Cr^(6+)参数显色反应后的化合物直接进行光谱扫描测定,消解后,再进行COD的测定。整个检测过程所用时间大幅降低,可在短时间内自动完成水质多参数的测定,显著地提高了检测的效率。以上述四种水质参数为测定对象,利用最小二乘法构建回归模型,拟合回归方程并计算相关系数,并绘制各参数的浓度-吸光度标准工作曲线。结果表明:TP标准工作曲线拟合系数≥0.9845,且浓度与吸光度成正相关,重复性(RSD)为3.05%~3.62%,加标回收率为97.8%~103.6%;COD标准工作曲线拟合系数≥0.9987,且浓度与吸光度成负相关,重复性(RSD)为2.12%~2.74%,加标回收率为98.7%~104.7%;NH_(3)-N标准工作曲线拟合系数≥0.9953,且浓度与吸光度成正相关,重复性(RSD)为3.41%~3.59%,加标回收率为99.2%~102.4%;Cr^(6+)标准工作曲线拟合系数≥0.9938,且浓度与吸光度成正相关,重复性(RSD)为3.51%~3.92%,加标回收率为98.9%~109.3%。系统可准确测定水样中TP、COD、NH_(3)-N和Cr^(6+)的含量,且具有良好的稳定性与可靠性。基于超声-微纳米气泡辅助技术的可变光程水质多参数检测方法研究,对于拓宽光谱法在水质多参数快速检测领域的应用以及提升检测效率等方面的研究具有重要作用。

块状玻璃应力光程差测试方法

本文探讨了采用EXICOR-GEN双折射测量系统评测块状玻璃应力的方法,包括样块加工工艺、样块表面粗糙度、波纹度等性能对测试结果的影响。为避免探究结果的偶然性,在相同的条件下,通过制备并测试大量的样品进行实验数据验证和实验结果复现,重点解决了用于平板玻璃应力测试的双折射测量系统能否用于块状玻璃应力测试和怎样测的问题,最后根据前期的实验结果初步制定了块状玻璃应力光程差测试加工管控标准和定性评价标准。

望远镜光程稳定性测量方案设计及噪声理论分析

空间引力波探测对望远镜提出了高稳定性要求。为实现望远镜光程稳定性精度的独立测量与标定,开展了相应测量方法的研究。基于外差干涉测量原理,设计了高共模抑制干涉测量方案,建立了光程噪声理论模型。根据1 pm/Hz1/2@1 mHz光程稳定性指标需求,分配测量系统组成部分光程噪声水平。为验证方案的可行性和噪声理论模型的准确性,搭建了望远镜前端干涉测量系统。根据实验仪器及光学组件相关参数,理论评估系统光程噪声水平为7.319 nm/Hz^(1/2)@10 mHz,与实验测量结果3 nm/Hz^(1/2)@10 mHz基本一致,表明干涉光路具有较好的噪声共模抑制特性,验证了噪声理论模型的准确性。当测试环境及仪器精度满足光程噪声指标分配要求时,该测量方案有望实现引力波望远镜光程稳定性测量。

基于共光路方式的光程倍增测量方法研究

针对大长度标准装置在测量过程中占地面积大、建设难度高等问题,研究一种基于共光路方式的光程倍增测量方法,通过将光路折叠,将大空间的室内长距离测量缩短至小空间内的短距离测量。实验模拟激光干涉仪在共光路方式中的检测过程,验证测量方法的可行性,实现光程的成倍增长,测量空间成倍缩短,该方法可广泛应用于激光测距类仪器的检测。

紫外可见分光光度法直接测定高浓度六价铬溶液的光程优化研究

六价铬[Cr(Ⅵ)]在水环境中有严重的毒性和迁移性,尤其工业过程中的高浓度Cr(Ⅵ),对环境和人体健康有严重的危害。建立一种准确、快速且实用的高浓度Cr(Ⅵ)溶液测定方法尤为重要。描述了一种基于光程优化的紫外可见分光光度法直接测定溶液的新方法,该方法聚焦于不同光程条件下,测定Cr(Ⅵ)溶液的浓度范围和灵敏度研究。结果表明,通过改变光程(1,5,10,30,50,100 mm),Cr(Ⅵ)溶液的线性浓度测定范围增加到1500 mg·L^(-1)(国标方法为1 mg·L^(-1));光程从1 mm增加到100 mm,测定灵敏度增加了100.3倍(从0.0016 L·mg^(-1)增加到0.1615 L·mg^(-1))。同时,进行了光程优化方法的建立,在保证准确度的前提下,使得不同浓度在不同光程的测定条件下具有最高的灵敏度。研究结果表明,在Cr(Ⅵ)与三价铬[Cr(Ⅲ)]、铁离子[Fe(Ⅲ)]、铜离子[Cu(Ⅱ)]、镍离子[Ni(Ⅱ)]以一定比例共存的条件下,该方法有较好的抗离子干扰性能,且测定结果的准确度几乎不受温度变化影响(5~30℃),并成功地将该方法应用于实际电镀废水样品中高浓度Cr(Ⅵ)的分析。与其他常见的Cr(Ⅵ)溶液测定方法相比,该方法显示出更宽泛的线性浓度范围(0.00396~1500 mg·L^(-1))、更高的高浓度Cr(Ⅵ)溶液分析准确度和很短的测定时间(1.5 min)。该方法在工业过程中Cr(Ⅵ)溶液的污染控制和环境分析监测方面具有良好的应用前景。

基于2μm激光二极管和Herriott多光程吸收池的高灵敏二氧化碳气体传感器(特邀)

为了提高二氧化碳气体检测系统的测量空间分辨率并减小系统体积,设计了一种基于2μm激光二极管和Herriott多光程吸收池的高灵敏二氧化碳气体传感器。设计并加工了有效光程为2.6 m的Herriott池来进行光路折叠。使用中心波长为2μm的激光二极管,覆盖二氧化碳分子在4989.9 cm^(-1)处的较强吸收线。采用波长调制技术减小系统的噪声。此外,为系统加载Kalman滤波技术来进一步提高探测灵敏度。实验结果表明,采用该传感器,系统的探测极限在1 s的积分时间下可达到0.18×10^(-6),而经过自编程实时Kalman滤波后探测极限可达到0.13×10^(-6),提高了27%。采用该传感器对室内二氧化碳浓度进行长达8 h的连续监测,并在暨南大学理工学院楼顶进行了24 h的二氧化碳浓度监测,证明了仪器的稳定性。

光纤型白光干涉仪光程差的超分辨率识别

提出了一种白光干涉仪干涉信号超分辨率识别的方法。白光干涉信号之间的光程差小于相干长度(通常为50μm)时会发生叠加,叠加导致信号形状发生畸变无法区分。首先从理论研究推导出重叠引起的干涉信号面积变化大小与光程差之间的关系,然后利用重叠导致的面积变化推导出信号真实的光程差从而到达超分辨率识别的目的。实验设计制造并识别了光程差为15μm左右的干涉信号,证明了该方法具有提升3倍分辨率的可行性。将有利于提高光程差绝对测量的分辨率。

用于稀疏孔径成像系统光程控制的自适应控制算法研究

目前,稀疏孔径成像系统共相误差校正效果不佳,为此,提出了一种用于稀疏孔径成像系统光程控制的自适应控制算法。首先,分析了仅有前馈控制存在的累积误差问题,并由此引出了改进的比例-微分-积分(PID)反馈控制结构和表达式;然后,将两者结合,形成了前馈-改进PID反馈的复合控制系统,并用该系统对单个压电陶瓷进行了控制仿真;最后,采用一种随机并行梯度下降(SPGD)算法,以成像清晰度为优化目标,将稀疏孔径成像系统中的多个压电陶瓷组成了联合控制系统;通过搭建精密光程调控系统实验平台,对单个压电陶瓷采用前馈-PID反馈复合控制系统进行了1μm、5μm、8μm和10μm位移跟踪实验。实验结果表明:不同位移的响应曲线基本与期望位移曲线重合,不同位移的响应时间能有效控制在0.08 s以内,位置误差能有效控制在±3 nm以内;将SPGD联合控制系统用于1个三孔径稀疏孔径成像系统中,进行了分辨率板成像对比实验,对共相误差校正前后图像进行了定量评价(校正前,评价值J 1=0.54;校正后,评价值J 2=0.78)。研究结果表明:该联合控制系统能有效控制光程精度,校正共相误差,实现子光束干涉成像的目标。

不同光程下化学需氧量的光谱吸收特性

利用超短光程比色皿,结合超高灵敏度紫外可见分光光度计、高性能光谱仪,在室温下暗室环境中研究了化学需氧量的紫外吸收光谱,并基于溶液在紫外波段的光谱吸收特性进行分析建模。使得光谱法测定化学需氧量的线性范围扩展到4 000 mg/L。一元鲁棒线性回归模型拟合结果显示,其相关系数r达到0.999 7。该研究扩大了光谱分析技术研究化学需氧量浓度的范围,为高浓度溶液的光学研究、高量程光谱水质在线监测仪器研发,提供了可行性实验依据和理论支撑。

一种连续可调光程模拟装置的设计

为实现光程的连续性调节,研究了一种光程模拟装置,通过平面镜对激光的反射作用,实现平面镜之间距离的精确调节,达到连续改变光程的目的,以完成光程的模拟。介绍了光程模拟装置的工作原理,建立了相应的数学模型。并使用光电经纬仪对平面镜组进行平行性检测实验,保证了该装置能够稳定工作的基础。最后完成了光程模拟实验,结果表明光程模拟值可在1.8~27.8 m的范围内变化,系统精度检测总误差的最大值为0.808 mm,最小值为0.739 mm,满足对激光测距机测距性能的检测。

一种消光程差双快速反射镜设计

快速反射镜镜通过控制反射镜的转动来转动光束,由于其具有体积小、响应速度快、指向精度高等优点,被广泛应用于激光武器、精密跟踪、扫描成像等多种光电领域,主要用于实现精密跟踪、稳瞄、稳像、扫描和像移补偿等功能。本文介绍了一双轴快速反射镜加三轴快速反射镜用在光路中,通过新增平移维度可使得光程差压缩至微米级。分析了口径和转动角度对光程差的影响,同时对音圈电机的补偿量和音圈电机的移动量进行了计算。

长光程共振式二氧化碳气体光声传感器研究

二氧化碳(CO_(2))是植物光合作用的原材料,也是一种温室气体,其过量地排放会影响动植物的生态环境。在碳达峰、碳中和的背景下,研制高灵敏度的CO_(2)检测装置具有重要意义。为了监测大气环境中CO_(2)含量的变化,设计了一种长光程共振式CO_(2)气体光声传感器,并以此搭建了光声检测装置。以中心波长为2004 nm的分布式反馈激光器(DFB)作为激发光源,激光射入由漫反射材料制成的球型吸收腔,在腔内多次反射以增加气体的吸收路径。吸收腔外部被两个高热传导率的铝制半球包裹,降低由池体吸收光能后产生的热噪声。吸收腔上耦合一根声学管,当其工作在一阶纵向共振模态时,光声信号被放大,在管子末端达到极大值。为了进一步增大光声信号,通过饱和加湿样品的方式来加快CO_(2)气体的弛豫速率,加湿后的样品产生的光声信号是干燥样品的2.1倍左右。使用一系列浓度的湿润CO_(2)样品标定光声检测装置,结果表明,光声信号与浓度之间呈现良好的线性关系。在此基础上,通过对标准气体的检测实验,验证了装置的准确性与稳定性。利用Allan方差评估装置在长时间工作下的检测灵敏度,当平均时间为865 s时,检测灵敏度为0.35×10^(-6)。与传统T型光声池相比,光程增加了约20倍,光声信号提升了约6倍。使用装置对室外环境中的CO_(2)进行了共10 h的检测,得到室外CO_(2)的平均浓度约为381×10^(-6)。综上所述,由于长光程、声共振以及加湿样品的有机结合,有效地增大了CO_(2)的光声信号,为气体光声传感器以及检测装置的设计提供了相关参考。

光程差分析系统和三维眼前节分析诊断系统综合分析屈光性白内障手术术后视觉质量的风险因素

目的:探讨光程差分析系统(OPD-ScanⅢ)和三维眼前节分析诊断系统(Pentacam)综合分析屈光性白内障手术术后视觉质量的风险因素。方法:纳入中山爱尔眼科医院2020年4月至2022年4月200例白内障患者进行前瞻性研究。所有患者均接受屈光性白内障手术治疗,于术前、术后1个月、术后3个月,测量所有患者视力恢复情况;通过OPD-ScanⅢ检查测量所有患者全眼总高阶像差;通过Pentacam检查患者角膜曲率、全角膜高阶像差。于术后3个月,采用视功能与生存质量调查问卷(NEI-VFQ-25)评估患者视觉质量。结果:术后1个月、术后3个月时患者裸眼视力、矫正视力均较术前提高,且术后3个月高于术后1个月,差异有统计学意义(P<0.05);经过屈光性白内障手术,患者总高阶像差、全角膜高阶像差较术前升高,Km较术前下降,差异有统计学意义(P<0.05);经多元线性回归分析,结果显示,总高阶像差高、全角膜高阶像差高是影响屈光性白内障手术术后视觉质量的风险因素。结论:总高阶像差高、全角膜高阶像差高是影响屈光性白内障手术术后视觉质量的风险因素,可于术前通过OPD-ScanⅢ和Pentacam精确评估患者高阶像差,减少高阶像差升高幅度,提高术后视觉质量。

光程长对光谱测量误差的影响

光程长的选择在光谱测量方法设计中非常重要,但实际测量中很难实现精确最佳光程长.从灵敏度的角度研究了在近红外光谱测量中,光程长和测量灵敏度之间的定量关系,讨论了它们对测量结果的影响:单位光程长吸光度越小,则光程长对测量误差的影响越小,可选择光程长范围就越宽;大于最佳光程长区域相对于光程较小区域,光程长变化对测量结果影响较小,可选光程过窄,应通过减小单位光程吸光度来扩展可选区域.对于单个样品,当最佳光程长获取存在较大误差时,应使所选光程长落在大于最佳光程长区域;当一组样品分别对应不同最佳光程长时,也应选择较大光程.在10个光程长下,通过6000cm-1～5900cm-1长波段不同浓度葡萄糖水溶液光谱测量实验,对理论结果进行验证,二者吻合较好.

背景和光程对茶多酚含量近红外预测模型的影响

为比较空气和纯水背景的模型效果,扫描5个(2、3、5、8和10 mm)不同光程的红茶汤近红外光谱,应用排列组合原理和偏最小二乘法(PLS)建立2种背景下单光程和多光程组合茶多酚近红外预测模型,并用t-test检验模型预测效果。结果表明:单光程模型中,纯水背景与空气背景模型预测结果间无显著性差异;多光程组合模型中,空气背景模型要全部优于纯水背景模型,并且最佳组合模型((5+8)mm)具有比单光程模型更好的预测精度。空气背景茶多酚模型要优于纯水背景茶多酚模型。

OPD-ScanⅢ光程差分析仪在高度近视眼后房型人工晶体植中的应用

目的:探究分析OPD-ScanⅢ光程差分析仪在高度近视眼后房型人工晶体植中的应用。方法:选取于2021年10月—2022年06月在我院接受ICL植入术的高度近视眼患者共50例(100只眼),作为本次研究对象。采用OPD-ScanⅢ型光程差分析仪测量术前,术后1wk,3mo的球差、彗差、三叶草像差记录点扩散函数,人眼调制传递函数。结果:ICL植入手术后3个月,全眼全眼总体球面相差、全眼总体慧差、全眼总体三叶草相比于术前均出现不同程度的提升,其中(P<0.05),差异具有统计学意义。结论:在行ICL植入手术后,采用OPD-ScanⅢ光程差分析仪测量患者术前最佳矫正视力(BCVA),术后1wk,3mo裸眼远视力(UCDVA),术前,术后1周,3个月进行OPD-ScanⅢ光程差分析仪检查,获得散光度数及散光分布,对于ICL手术前为患者设计手术切口位置提供及时数据作为参考,最大程度减少因切口为患者引入的角膜散光;术后评估中PD-ScanⅢ型光程差分析仪利用光程差原理可分别测量全眼、角膜和眼内的波前像差,更有利于医师发现患者术后视力不佳的病因,同时还可以对比术前术后视觉质量的变化。

普通物理光学教学的重要脉络——光程差

论述了光程和光程差在普通物理光学教学中的主要作用.通过讨论和分析指出,光程和光程差是贯通整个光学教学的重要脉络.在光学教学中从始至终突出、强调这条脉络是非常必要的.