混合式教学模式在大学物理实验课程建设中的应用——评《大学物理实验教程》

近年来,随着教育改革的不断深入,加之互联网技术的支撑,混合式教学模式应运而生。混合式教学以线上线下的有机融合、全面系统的资源整合、灵活多变的教学手段见长,进一步突出学生的课堂主体性与主观能动性,符合大学物理实验的教学目标,能够弥补大学物理实验课程建设中的空白。大学物理实验重在培养学生的动手能力与创造能力,然而以授课为主的传统教学模式却难以满足教学需要。因此,探究混合式教学模式在大学物理实验课程建设中的应用成为当前研究的热门话题。

近代科学发展中的物理实验变革探索——评《物理与化学实验教学思维创新》

物理学作为现代科学的支撑,推动着现代科学水平的进步。探索近代科学发展过程中物理实验方式、实验理念等的变革,能够为物理学的发展以及科学的进步带来一定的启示。由卢宏、王娣和李永莉三人联合编著,吉林人民出版社于2017年出版的《物理与化学实验教学思维创新》一书,以实验课程为抓手,以物理和化学两门实验型学科为例,分析近代科学发展过程中的实验变革过程,以期思索实验的未来走向,为实验进步提供一定的指引,为科学的未来发展提出一定的思考。

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。

基于近红外光谱的衣物材质与含量检测研究

本文利用近红外光谱(Near infrared spectrum,NIR)技术,建立了一种衣物材质和含量检测模型。选择8种衣物样品与棉-涤混纺织物作为测试对象,通过对数据进行预处理、特征提取、分类识别和回归分析等步骤,建立了衣物材质和含量的检测模型。实验结果表明,最小二乘向量机所建立的定性判别模型准确性较高,运算时间更短。经二阶导数平滑与预处理后的棉-涤混合面料近红外光谱数据结合偏最小二乘法算法建立的定量分析模型有较好的精准度与稳定性,预测均方根误差达到了0.0019,满足了近红外快速检测的准确度要求。本文所建立的近红外检测方法具有环保、耗时短、成本低等优点,在衣物制造、质保和质检等领域都有一定应用价值。本研究为衣物材质和含量的检测提供了一种新的方法和思路,具有一定的理论和实际应用价值。

基于可见/近红外光谱对葡萄可溶性固形物无损检测研究

葡萄中可溶性固形物是评价葡萄成熟度的重要指标,本文探究了基于可见/近红外光谱技术对多个品种葡萄(红提、巨峰、辽峰)可溶性固形物(Soluble Solid Content,SSC)含量进行定量分析。分别采集了三个葡萄品种在550~960 nm波长范围内的透射光谱数据,采用Savitzky-Golay卷积平滑(S-G)、标准正态变换(Standard Normal Variate,SNV)、小波变换(WT)、一阶求导+S-G卷积平滑组合(1stDer+S-G)预处理方法,对比分析出最适合各个品种的预处理方法;然后在最佳的预处理方法下采用连续投影算法(SPA)、竞争性自适应重加权(CARS)对光谱进行特征波长选择;结合化学计量学方法分别建立多品种与单一品种的偏最小二乘回归(PLSR)、BP神经网络SSC含量无损预测模型。结果表明,基于BP-SPA建立的SSC含量模型最优,多个品种通用SSC含量预测模型的预测集相关系数(Rp 2)为0.85,表明基于可见/近红外光谱技术对多个葡萄品种SSC含量无损检测是可行的。

基于光纤SPR的表面增强荧光特性研究

随着表面等离激元理论和集成光学技术的研究和发展,在生物医学检测领域,通过对光学传感器敏感膜表面增强荧光特性的研究,从而提高检测灵敏度的方式越来越受到关注。提出了一种基于表面增强荧光(SEF)的光纤型荧光传感器,并通过有限元方法进行了分析。仿真结果表明,在金膜厚度为50nm、表面等离子体共振(SPR)波长为566nm时,场增强因子达到最大值12.11,此时荧光增强效果较好。采用磁控溅射法对所设计的光纤传感器进行加工,搭建荧光检测平台并对Alexa Fluor 594羧酸(AF594-COOH)的荧光发射强度进行测试。实验结果表明,镀金多模光纤激发的荧光强度相比于未镀金光纤增强了3.35倍。

风控热晕下复合贝塞尔高斯光束的模式串扰

采用多层相屏法和快速傅里叶变换法数值求解热晕方程,研究了复合贝塞尔高斯(cBG)光束大气传输过程中受热晕效应的影响。研究发现:由于热晕效应造成的光强和相位畸变,cBG光束会发生相位奇点移动和轨道角动量谱展宽,并产生模式串扰。当风速较小时,大气介质吸收激光产生的热效应较强,导致光束的模式串扰也较强。对于初始角量子数差值较大的cBG光束,其相对串扰能量较小,受热晕效应影响导致的模式串扰较弱。此外,还研究了旋转cBG光束的热晕效应,该光束的旋转特性使其在传输过程中四周都能得到均匀的扩展。因此,相较于非旋转cBG光束,旋转cBG光束的光强分布比更均匀,模式串扰更小。并且,随着旋转cBG光束的径向波数差值的增大,模式串扰减弱。综上,增大初始角量子数差值以及径向波数差值可以有效降低cBG光束的模式串扰。

基于单个槽波导微环谐振器法诺共振的折射率传感

法诺线型的不对称和窄线宽特性有利于实现具有高传感灵敏度和低可探测极限的折射率传感。采用三维时域有限差分法,基于槽波导设计了微环谐振器和法布里-珀罗腔的耦合结构,实现了法诺线型谱线,并利用其提升折射率传感器的性能。不同于已报道的多微环级联等复杂结构,基于单个槽波导微环实现了法诺线型谱线,并在波长探测传感方案下得到传感灵敏度为500 nm/RIU,可探测极限为4.00×10^(-5) RIU;在强度探测传感方案下,传感灵敏度为7.24×10~4 dB/RIU,可探测极限为5.52×10^(-6) RIU。

基于硅基微环谐振器的Fano共振线型产生和调谐研究进展

Fano共振的线型具有明显不对称特征,在光学通信、调制和传感等领域中极具应用潜力。首先对微环谐振器的各种线型进行了介绍,强调了Fano共振线型的独特优势,其次依据结构分类梳理了国内外基于硅基微环谐振器产生Fano共振的研究现状,然后介绍了基于热光效应的Fano共振调谐的研究进展,最后展望了硅基微环谐振器的Fano共振的发展及应用。

使用十字纳米结构实现表面等离激元定向发射的超快时空控制

飞秒传输表面等离激元(femtosecond propagating surface plasmon, fs-PSP)的超快时空控制是光子纳米电路元件中超快信息处理的先决条件。目前多数的研究都是集中在对SPP空间传输方向上的操控,大多集中于在空间场中实现SPP的优先发射方向的主动控制,在时间尺度实现对SPP超快调控的研究相对较少,通过使用纳米定向耦合器实现对SPP优先发射方向的超快时空调控研究几乎未见报道,在这里,利用时域有限差分(FDTD)进行仿真,研究了两种相关结构的表面等离激元的超快时空操控,解决了SPP发射方向的单一性问题,增加其超快切换方向的自由度。这项成果对优化现有的等离激元纳米电路组件中超快信息处理系统乃至拓宽其应用领域具有重要的推动作用。

Highly Sensitive Photodetectors Based on WS_(2) Quantum Dots/GaAs Heterostructures

The performance of the photodetector is significantly impacted by the inherent surface faults in GaAs nanowires(NWs).We combined three-dimensional(3D)gallium arsenide nanowires with zero-dimensional(0D)WS_(2) quantum dot(QDs)materials in a simple and convenient way to form a heterogeneous structure.Various performance enhancements have been realized through the formation of typeⅡenergy bands in heterostructures,opening up new research directions for the future development of photodetector devices.This work successfully fabricated a high-sensitivity photodetector based on WS_(2)QDs/GaAs NWs heterostructure.Under 660 nm laser excitation,the photodetector exhibits a responsivity of 368.07 A/W,a detectivity of 2.7×10^(12)Jones,an external quantum efficiency of 6.47×10^(2)%,a low-noise equivalent power of 2.27×10^(-17)W·Hz^(-1/2),a response time of 0.3 s,and a recovery time of 2.12 s.This study provides a new solution for the preparation of high-performance GaAs detectors and promotes the development of optoelectronic devices for GaAs NWs.

纳米机械加工与检测技术发展及其教学改革

纳米机械象征着人类在微观世界取得的重大成就之一,它也代表了一种新型的制造加工技术,这种技术并非独立存在的,从加工方式上说,涵盖了能量束控制、化学腐蚀、扫描显微技术等。在纳米机械“微观技术链”的体系之内,原子力显微镜是一个重要的工具,甚至可以说,它是纳米机械加工与检测技术的基础,实际上满足了纳米级样品的“检测+加工”一体化需要。

970 nm高功率光栅外腔可调谐半导体激光器

宽条形半导体激光器广泛应用于激光泵浦、激光加工等领域。针对宽条型半导体激光器输出光谱宽、调谐范围小的问题,采用衍射效率分别为28%和55%的反射式衍射光栅作为反馈元件构建了宽条形970 nm波长光栅外腔半导体激光器。研究了Littrow结构激光器参数对其性能(调谐范围、功率、阈值电流、线宽)的影响。实验结果表明,通过结构优化可得到窄线宽可调谐激光输出,适当地提高温度和使用较高衍射效率的光栅可增加激光器调谐范围,并且较高衍射效率的光栅可降低激光器的阈值电流。基于S偏振入射方式的光栅外腔激光器最大可实现27.87 nm的波长调谐范围,光谱线宽压窄至0.2 nm,输出功率可达1.11 W。

石墨烯量子点荧光增强及pH响应特性研究

本文详细研究了交联剂1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)对石墨烯量子点(GQDs)光学性质的影响及原因。采用水热法制备了GQDs,并与EDC反应得到GQDs/EDC复合物,对GQDs和GQDs/EDC的光谱特性进行研究。使用PBS溶液以及人工胃液样品,研究pH对GQDs/EDC荧光影响规律及作用机理。实验结果表明:GQDs表面缺陷被EDC钝化,使得GQDs的荧光在小于1 min内迅速增强,并在5~20 min内保持稳定;相比单独GQDs,GQDs/EDC的荧光强度显著提升约264倍;pH响应实验表明,在pH值为1.75~4.01及4.01~9.28范围内,GQDs/EDC具有荧光和吸收强度线性响应规律。生物兼容性表明,在25~300μg/mL样品浓度下,人乳腺癌细胞存活率均大于80%;同时,对人工胃液pH具有较高的检测准确性,其相对标准偏差RSD≤1.10%。EDC介导的荧光增强,使GQDs在检测、传感、成像等领域更具优势。同时,GQDs/EDC灵敏的pH响应特性使其在pH值检测应用中具有良好前景。

PbSe量子点表面修饰工程与应用研究进展

硒化铅胶体量子点(PbSe QDs)因其具有显著的多激子效应、大的激子波尔半径、宽的波长调控范围以及高的荧光量子产率等优异性能,在室温红外光电子器件领域有巨大的应用前景。然而,通过溶液法合成的PbSe QDs存在发光稳定性差和发光效率低等问题,进一步限制了它的发展,这是由量子点的表面易被氧化与载流子传输性能不佳所导致的。因此,本文围绕PbSe QDs的表面修饰工程对其迁移率、陷阱态、能级移动、发光效率以及稳定性改性方面的影响进行了系统论述,并总结了表面修饰工程在PbSe QDs太阳能电池、发光二极管和光电探测器等领域的应用现状,最后对该工程在光电子器件实际应用中存在的问题以及未来研究重点进行了展望。

窄线宽1064 nm掺镱光纤激光器泵浦MgO:PPLN中红外光学参量振荡器研究

提出了一种基于1 064 nm掺镱光纤激光器泵浦MgO:PPLN的3.83μm中红外光学参量振荡器。基于单谐振光学参量振荡器的阈值理论和线宽压窄前后的光束能量集中性理论,分析了不同泵浦光束聚焦深度下,谐振腔内光束分布情况以及线宽调制前后能量的不同集中程度对阈值和光-光转换效率所产生的影响。通过采用单个光纤布拉格光栅的方式压窄了泵浦光线宽,对比分析了在不同占空比下,泵浦光线宽压窄前后对中红外光学参量振荡器输出特性的影响。当泵浦功率为18 W,脉冲激光占空比为0.2%,脉宽为100 ns,泵浦光线宽为2.5 nm时,MgO:PPLN中红外光学参量振荡器获得功率为1.42 W的3.83μm激光输出,光-光转换效率为7.9%。将线宽压窄到0.1 nm后,脉宽为2 ns,MgO:PPLN中红外光学参量振荡器获得最高功率为1.98 W的3.83μm激光输出,光-光转换效率为11%,光束质量M2=1.89;同时相比于线宽压窄前激光输出效率提高了39.2%。

基于多光谱成像技术的面部痤疮识别研究

痤疮是属于丙酸杆菌皮肤病脉的一种慢性炎症,它危害着人体健康。虽然市面上存在痤疮识别手段,但其仪器较大且费用昂贵,目前尚无民用级别的痤疮识别系统投入使用。本文提出一种基于多光谱成像技术的面部痤疮识别方案,即利用多光谱相机设备,分别对面部正常与不同严重程度痤疮皮肤进行多光谱图像信息采集,通过图像处理方法对采集的信息进行多光谱图像分析,并通过光谱反演算法获取光谱信息。然后将反演出的正常和不同严重程度痤疮皮肤的反射率谱线,与高精度光谱仪在同等实验条件下探测的谱线趋势进行对比。最后建立支持向量机(support vector machine,SVM)面部痤疮三度四级分类模型,准确率为90%,验证了基于多光谱成像技术对面部痤疮无创识别与分类的可行性。

毫秒激光辐照含杂质熔石英的热应力研究

为了研究毫秒脉冲激光辐照含缺陷熔石英的热应力特性,本文基于热传导理论和弹塑性力学理论,利用有限元分析软件对毫秒脉冲激光辐照含缺陷熔石英的过程进行了数值分析,得到了熔石英的温度及应力变化规律。结果表明:通过数值计算,发现含有杂质的熔石英材料和不含有杂质的熔石英材料进行对比,含有杂质的熔石英材料温升笔画和应力变化更明显。当毫秒激光正好落在杂质中心位置,此时熔石英材料产生的温升最大,在杂质中心更容易产生热膨胀。

完美涡旋光束在大气湍流传输中的螺旋相位谱分析

基于Rytov近似,理论推导了完美涡旋光束(PVB)经过大气湍流水平信道后的螺旋相位谱解析表达式,研究了大气湍流中光束波长、半环宽、发射处轨道角动量(OAM)模态、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数对OAM模态探测概率和串扰概率的影响。结果表明:随着发射处OAM模态、传输距离、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数的增加,经大气湍流传输后的探测概率下降;随着光束波长的增加,经大气湍流传输后的探测概率增加。此外,PVB在近场的探测概率几乎不随发射处OAM模态变化,而当光束传输到远场时,探测概率随发射处OAM模态变化明显,这是因为PVB传输到远场变成类贝塞尔光束,其光束半径随发射处OAM模态变化明显。

基于非接触漫反射光谱的黑色素指数检测研究

黑色素指数是表征皮肤黑色素含量的指标,对黑色素指数进行准确稳定的测量具有重要意义。将非接触式测量装置测量的漫反射光谱与机器学习结合进行了人体皮肤黑色素指数的检测。首先,建立非接触漫反射光谱测量装置并收集数据,分别利用竞争性自适应加权法(CARS)和黑色素指数定义进行数据降维,以证明机器学习在光谱数据降维中的合理性。然后比较了常用机器学习回归模型在预测黑色素指数中的表现,最后选择合适的黑色素指数回归模型。实验结果表明,在基于非接触性皮肤漫反射率光谱的机器学习预测模型中,K近邻回归模型可以准确地获取黑色素指数值,数据验证的决定系数R^(2)达到0.995以上,最小平均绝对误差为1.251。通过比较筛选5波长数据和CARS降维数据的准确性发现,CARS的降维数据不仅可以筛选出皮肤中不同发色团的特征吸收峰,还可以在预测模型中获得相似的预测精度。本研究旨在选择合适的预测模型以提高黑色素的检测精度。