大孔柚子型微结构光纤探针的表面增强拉曼散射性能研究

随着光纤制备工艺以及纳米材料制备技术的发展,光纤探针已成为一种新型的表面增强拉曼散射(SERS)基底,通过在普通单模光纤或多模光纤上制备不同的结构并修饰相应的纳米材料,可以得到多种类型的光纤表面增强拉曼散射探针,并实现较好的检测效果。但受限于光纤本身的结构,普通光纤仅能利用端面或侧表面提供拉曼检测的“热点”区域,限制了其SERS性能的进一步提高。因此制备了大孔柚子型微结构光纤(MSF)表面增强拉曼散射(SERS)探针,其中大孔柚子型MSF SERS探针结构通过一段阶跃多模光纤与柚子型微结构光纤熔接制得。实验分别对自制的纳米银溶胶基底以及大孔柚子型MSF SERS探针的SERS性能进行检测。采用溶胶自组装法制备负载银纳米颗粒的MSF SERS探针,通过控制自组装时间制备不同光纤SERS探针(Ag/MSF-x,其中x为自组装时间,分别为15、30、45、60 min)。采用溶液检测方法,利用Ag/MSF-x探针对10^(-3) mol·L^(-1)的亚甲基蓝(MB)探针分子进行检测,通过比较相同条件下的增强效果筛选得到Ag/MSF-45探针。为进一步检测Ag/MSF-45探针的SERS性能,制备不同浓度的MB溶液,分别利用纳米银溶胶基底和Ag/MSF-45探针对其进行检测。实验结果表明,纳米银溶胶基底对MB的检测限(LOD)为10^(-6) mol·L^(-1),Ag/MSF-45探针对MB的检测限(LOD)为10^(-7) mol·L^(-1);拉曼信号的再现性结果表明纳米银溶胶基底以及Ag/MSF-45探针在各个特征峰处的RSD值均在合理范围内;在1619 cm^(-1)拉曼位移处对纳米银溶胶基底以及Ag/MSF-45探针检测MB的拉曼强度和浓度进行对数转换拟合,纳米银溶胶基底的拟合优度R2达0.91628,Ag/MSF-45探针的拟合优度R2达0.98848;纳米银溶胶基底和Ag/MSF-45探针的再现性结果表明,其在各个特征峰处的RSD值均处于合理范围,但Ag/MSF-45探针的各特征峰RSD值均小于纳米银溶胶基底,最大为13.89%;利用10^(-6) mol·L^(-1)的MB对Ag/MSF-45探针的增强因子(AEF)进行计算,Ag/MSF-45探针的AEF达到6.09×10^(6),表现出良好的增强效果。因此,基于大孔柚子型MSF SERS探针凭借独特的空气孔结构使其具有较高的灵敏度以及良好的再现性,且其SERS性能均优于纳米银溶胶基底,在农业、化学分析、生物检测等领域及大分子物质检测等方面应用前景广泛。

紫外-可见吸收光谱结合化学计量学算法的水体总有机碳浓度快速检测

总有机碳(TOC)指悬浮或溶解于水中有机物的含碳总量,是以单位体积水体中含碳的质量来表示水中有机物的浓度,通过总有机碳可以更全面反映水中有机污染物的总量。总有机碳的监测能够推动我国实现“碳达峰”和“碳中和”的目标,也对我国海洋地球碳循环的研究具有重要的意义。目前,国标法测量水质TOC主要采用高温催化氧化法和湿法氧化法,这两种方法虽测量准确、可解释性强,但都具有测试方法复杂、测量时间长、易产生二次污染、人力物力消耗巨大等缺点,且仅能在实验室内完成,无法进行TOC的原位在线测量。因此发展水质TOC快速、实时、在线监测技术具有重要意义。为此,建立了TOC标准溶液浓度基于紫外吸收光谱的单波长检测模型,针对物质种类更为复杂的真实水样分别使用ACO-PLS和SPA算法筛选特征波长,对比S-G平滑处理、最小最大归一化、标准正态变换(SNV)、消除常数偏移量、导数校正等多种光谱预处理方法的效果,经过粒子群算法优化的最小二乘支持向量机算法(PSO-LSSVM)建立快速检测模型。结果表明,选取不同数量特征波长,经SNV算法预处理后的建模效果普遍优于其他预处理方法;选用不同预处理算法,最佳特征波长数量普遍为50个,过多或过少的波长数量会使建模精度降低;最佳建模参数为选用SNV预处理方法,经ACO-PLS算法筛选50个特征波长组合并利用PSO-LSSVM算法建模,最优模型结果训练集Rc达到0.984 3, RMSEC为0.457 4,验证集Rp为0.974 5, RMSEP为0.481 1。将最优光谱检测模型应用于新采集水样,预测结果较为准确,具有一定鲁棒性。表明ACO-PLS算法可以有效选取特征波长,结合PSO-LSSVM算法可以实现利用紫外-可见吸收光谱对水体中TOC的测量,为水体TOC含量快速检测提供一种快速、无污染的测量方案,给相应传感器的研发提供了科学支持。

应用机载高光谱与机器学习法的绿藻识别算法研究

绿潮是一种海洋大型藻暴发性生长聚集形成的藻华现象,严重影响沿海的生态环境。绿潮覆盖面积的精准监测对绿潮灾害预防、监测和治理有着重要意义。利用光谱方法进行遥感监测拥有非接触、成本低和损耗小等优势,其中机载高光谱遥感凭借其光谱和空间分辨率高及成像通道多的优势,在海洋领域拥有广泛的应用前景。利用大疆M300 RTK专业级无人机搭载410 Shark高光谱成像系统对秦皇岛市金梦海湾海域的绿藻暴发区进行数据采集。对采集到的光谱数据进行数据预处理,提取不同地物的光谱特征,基于该特征构建了容量为30000的光谱特征数据集,随机的将数据集划分为训练集和测试集,其中训练集占比75%,测试集占比25%。通过决策树、随机森林、支持向量机(SVM)、K最近邻(KNN)和三输入的投票分类器五种机器学习算法建立高光谱绿潮反演模型。对基于机载高光谱成像系统的地面分辨单元(GRC)计算绿潮暴发区的绿潮覆盖面积,并基于数据集内准确率、Kappa系数和预设标准面积误差验证法测试反演模型的分类精度。结果表明:在对高光谱数据进行绿藻像元和其他地物像元的二分类和利用所构建的分类器进行大数据预测时,先进行波段选择可节约大量时间;对高光谱数据进行对数处理增强谱间差异后再构建分类器模型,可有效提高模型的分类准确率;基于随机森林、SVM和KNN的三输入的投票分类器建立的高光谱绿潮反演模型的反演精度最高,数据集准确率达到98.95%,Kappa系数为0.9789,预设标准面积误差验证法得到的分类误差为6.06%。通过对实验区高光谱图像的预测应用,证明了该模型在预测大数据时仍保持较高准确率,且对混合像元区的水中绿藻像元也能给出定义,证明了该方法在绿潮遥感监测领域的可行性和优越性,在绿潮面积监测领域具有普适性,在海洋监测领域具有广泛的应用前景。

紫外光谱法检测COD中硝酸盐与温度影响的研究

以邻苯二甲酸氢钾配制的化学需氧量标准液为实验对象，采集1～800 mg · L -1标准液的紫外吸收光谱，运用偏最小二乘法（PLS ）建立了不同谱区的校正模型，结果表明，265～310 nm谱区模型的相关性最高，误差最小；为了消除硝酸盐与温度对化学需氧量测量的影响，分别研究了不同浓度的硝酸钠与不同温度条件下标准液的紫外吸收光谱的变化情况，结果表明硝酸钠在208～238 nm有明显的吸收，265～310 nm谱区模型不受硝酸钠吸收的影响，温度的升高会导致标准液的紫外光谱吸光度的增大，通过预测分析建立了不同校正模型下的温度补偿函数。

基于石墨烯涂覆空心光纤电光调制特性的研究

设计了一种新型的石墨烯-空心光纤可调谐结构,将石墨烯涂覆在空心光纤的空气孔内表面上,利用有限元法研究了该结构的电光调制特性.研究表明,改变石墨烯的化学势既可以调控光纤的相位和开关特性,还可以调谐光纤损耗峰与次峰的位置、强度和宽度.然而,改变空气孔半径和石墨烯层数不会改变开关点和损耗峰与次峰的位置,只会改变损耗差和损耗峰的强度和宽度,而且由N层石墨烯引起的损耗差是单层的N倍.这是因为石墨烯的介电常数决定了光纤的有效折射率和损耗,改变石墨烯的化学势可以改变石墨烯的介电常数,而改变空气孔半径和石墨烯层数不会改变石墨烯的介电常数,却改变了石墨烯和光的作用强度.经过参数优化之后,我们提出一种基于五层石墨烯涂覆空心光纤的电吸收型调制器,工作在1180—1760 nm波段,具有小尺寸(5 mm×125μm)、宽光带宽(580 nm)、高消光比(16 dB)、高调制带宽(64 MHz)和低插入损耗(1.23 dB)特性.研究结果对基于石墨烯的可调谐光纤光子器件的设计和应用提供了理论参考.

基于AOTF的便携式近红外光谱测量仪

提出了一种新型的基于声光可调滤光器(AOTF)的便携式近红外光谱测量仪,该仪器可用于液态食品的组分浓度的测量。概述了声光可调滤光器的基本工作原理,并详细介绍了便携式近红外光谱仪的系统结构和组成。对一组成分含量已知的牛奶的光谱所建立的线性回归模型的分析表明,该模型具有良好的相关性,满足实际生产的需要。

基于紫外吸收光谱法的海水总有机碳浓度原位测量

总有机碳(TOC)是指溶解和悬浮在水中的有机物的总含碳量,是以含碳量表示水体中有机物总量的综合指标。TOC的测定通常采用的是国标燃烧法和湿化学法,但这两种传统方法都具有测试方法复杂、测量时间长、速度慢等缺点,对大气环境会产生一定污染且仅能在实验室内完成,无法进行海水的原位在线测量。而该研究采用紫外吸收光谱法测量TOC,通过燕山大学自主研发的光谱技术与集成电路相结合研制的TOC光学原位传感器,能够快速、不添加试剂、不产生二次污染的测量海水中总有机碳的浓度,且可以不受实验室环境的制约实现海水TOC的在线原位测量。将基于该方法研制的传感器进行实地下海实验,测量不同海域(河北沧州黄骅港周边海域、秦皇岛市周边海域)的TOC值,将传感器测量的结果与国标法测量结果的相关性、一致性、误差等方面进行对比。结果表明:在黄骅港海域采取的13个不同水样和秦皇岛周边海域采取的14个不同水样用国标法和TOC光学原位传感器测量的浓度值变化趋势基本一致,有较好的相关性和一致性,存在极个别水样产生偏离整体样本曲线的情况。实验数据经过线性拟合结果显示相关性较好,对两处不同海域的数据拟合曲线和常规残差分析,显示黄骅港海域水样的拟合相关系数r为0.859 0,残差平方和数值为0.165 4,秦皇岛周边海域水样的拟合相关系数r为0.939 9,残差平方和为3.513 1。由于相关系数r=0.939 9>r=0.859 0,所以秦皇岛周边海域的水样线性拟合效果好于黄骅港实验。常规残差0.165 4<3.513 1,是因为秦皇岛周边一些样本如河流入海口是污染的重灾区,生活污水和工业污水使水质存在更多干扰因素,这些干扰因素对海洋TOC光学原位传感器的准确性和稳定性造成了一定的影响。由于基于紫外吸收光谱法研制的TOC光学原位传感器与传统的国标法测量原理不同,样本集比较少,样本浓度覆盖面不大,海洋环境复杂多变,存在多种影响因素,如浊度、温度、 pH、浮游生物等,传感器无法彻底消除所有影响因素引起的误差,所以测量结果与国标法结果存在一定的误差。后续工作如何消除海洋环境复杂干扰因素的影响,减小传感器测量值的误差,使测量结果更加精确和真实,需要进一步讨论和更加详细的分析和研究。

基于分光光度法痕量重金属传感模型和影响因素的研究

对近海和河流水中含量较高、污染较重的可溶态重金属镉(Cd^(2+))、铜(Cu^(2+)),锌(Zn^(2+))、镍(Ni^(2+))等的同时测量方法进行研究,研究四种参量各自的特征谱与吸光度的特点及四种参量互相影响时其浓度与特征波长总吸光度间的数学模型;重点研究四种离子同时传感测量时,不同pH值、温度、时间、显色剂量等因素对金属离子浓度测量值的影响,并通过实验给出影响规律.

一种新颖的镀膜玻璃可见光透射比测量方法

镀膜玻璃可见光透射比是其光学特性的重要指标之一。本文提出一种玻璃透射比光电积分测量法。与传统光电积分法相比,该方法一次性解决了实验光源与CIE标准照明体、光探测器的光谱灵敏度与CIE光谱光视函数不匹配的问题。给出了该方法中设计校正滤色器光谱透射比的基本算式,并用相对误差最小对校正滤色器进行优化设计,得到了较为满意的结果。实验表明,该方法测量误差为±1%,小于国标标准要求的±2%。利用该方法所设计的测量装置结构简单,测量速度快,开发成本低,有可能应用于在线快速的质量检测。

长周期光纤光栅检测混合油的折射率

为了检测柴油煤油混合油的折射率特性,利用耦合模理论分析长周期光纤光栅折射率传感特性,建立长周期光纤光栅中心波长、透射谱峰值损耗与混合油品中柴油含量的关系.结果表明:在混合油中,随着柴油含量的增加,长周期光纤光栅波长发生蓝移,当柴油含量达到使混合油折射率等于包层折射率时,中心波长漂移最大,柴油含量每改变1%,中心波长平均漂移0.622 7nm;柴油含量继续增加,混合油折射率大于包层折射率时,光栅中心波长基本保持不变,但是峰值损耗逐渐增大,带宽减小,之后柴油含量每增加1%,峰值损耗线性增加0.154 6dB.该方法在检测混合燃料各组分含量具有潜在的应用前景.

光纤光栅应变传感特性的研究

叙述光纤Bragg光栅的反射率与栅距 ,有效折射率和入射波长的关系 ,用Matlab描述有效折射率和栅距的变化对反射波长的影响。以此为基础阐述光纤Bragg光栅的应变传感原理 ,并对光纤Bragg光栅的应变传感特性进行实验研究 ,实验结果与理论分析结果相一致。

基于近红外光谱技术预测土壤中的全氮含量

用近红外光谱对秦皇岛市昌黎地区土壤中的全氮含量进行了分析。对土壤光谱进行一阶微分,然后采用多元线性回归,确定最佳维数,建立校正模型,利用校正模型对土壤中全氮含量进行预测。结果表明,近红外光谱分析技术与化学分析方法相关性很高。

基于Optisystem的波分复用性能的仿真研究

分析了波分复用(WDM)技术及系统的设计原理,介绍了Optisystem软件强大的仿真功能。在此基础上,给出了基于Optisystem的波分复用光传输链路仿真模型的搭建,对复用及解复用后的光信号进行仿真得出光谱图,对链路传输性能及Q因子、误码率、眼图的等参数进行分析,并验证了波分复用系统的正确性和设计方案的可行性,近而得出相关结论。

一种基于多线激光雷达的无人艇避障系统设计

为了实现无人艇在复杂的海洋环境下能够顺利地躲避障碍物,并按照相应的设计路线进行自主航行的目的,完成了一种基于多线激光雷达的海上无人艇软硬件设计。利用多线激光雷达获得周围环境中的连续数据和无人艇实时的位姿信息,建立无人艇所在位置的坐标系,对无人艇周围环境中的障碍物点云数据进行过滤、聚类和分割处理。在角度与距离上同时对障碍物进行分类,判断每个角度中障碍物的占比是否小于预设阈值,使用改进的A*算法对无人艇路径进行规划,使无人艇按照规定的路线航行。

微波电光调制BOTDR系统中参考光功率稳定控制

在基于微波电光调制的布里渊光时域反射分布式温度传感系统中,使用微波扫频会造成电光调制器输出的参考光功率波动,根据相干检测的原理,参考光功率的波动会影响到测得的后向布里渊散射信号的功率,将直接影响布里渊散射谱的测量精度,导致较大的温度测量误差。因此,提出一种根据电光调制器输出光功率反馈调节微波源功率,以稳定布里渊光时域反射系统参考光功率的方法。实验结果表明,该方法可以有效抑制电光调制器输出的一阶边波带峰值功率的波动,使系统的温度测量精度从6℃提高到了2℃。

极窄带宽的布拉格光纤光栅光谱特性研究

根据理想模展开下的耦合模方程,对光纤布拉格光栅的峰值反射率公式进行了数学推导,得到了布拉格光纤光栅的光谱反射率表达式。全面讨论了光栅周期、光纤栅长、光致折射率微扰最大值等参数与光纤光栅反射光谱的关系。仿真结果显示了固定参数下布拉格光栅的极限窄带宽,得到的反射率为1、带宽为0.02 nm的窄带宽布拉格光栅,比现今分布式传感系统中使用的布拉格光栅的带宽窄1个数量级。这种布拉格光纤光栅用于分布式传感系统,可大大提高分布式传感系统中光源的带宽利用率,消除各信号间的相互串扰,提高传感光栅复用数目,降低解调系统成本。

水果含糖量近红外检测系统及实验

基于近红外光谱技术设计了一种便携式的水果含糖量检测系统,在特定特征波长应用最小二乘法建立了数学模型,并对其进行了校验,结果比较理想。该检测系统可以直接用于水果含糖量的快速分析且具有较高的准确性。

新型光纤压力传感器

提出了一种基于非本征法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉腔的新型光纤压力传感器及解调方案。采用石英毛细管和端面镀膜的光纤制作F-P传感器,光源经过腔长受压力调制的F-P传感器选频后,用平面光栅和线阵CCD实现光波波长的解调。阐述了光纤F-P传感器的结构和原理,对其解调系统进行了设计分析,并进行了实验验证。系统结构简单,精度和可靠性高,实用性强。

光纤传感技术在桥梁检测中的应用

介绍了国内外桥梁检测技术的发展与应用现状 ,着重论述光纤传感技术在国内外桥梁检测中的研究与应用 ;并以应变检测为例介绍光纤传感技术在检测桥梁中的检测原理、方法与最新研究成果 。

玻璃光纤端面镀膜反射率检测系统

本文介绍一种玻璃光纤端面镀膜反射率的检测系统,用于实现在玻璃光纤端面上镀不同反射薄膜时反射率的检测或控制.本系统也可用于各种真空玻璃镀膜光学性质的监测系统.