高重频声光门控自吸收免疫激光诱导击穿光谱技术分析研究

为了消除激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)中的自吸收效应,提高元素定量分析的精确度,同时满足工业中便捷分析元素的要求,需将自吸收免疫激光诱导击穿光谱技术(self-absorption free laser-induced breakdown spectroscopy,SAF-LIBS)的装置小型化。本文提出了一项新型的高重频声光门控SAF-LIBS定量分析技术,使用高重频激光器产生准连续的等离子体以增强光谱强度,并将声光调制器(acousto-optic modulator,AOM)作为门控开关,从而使微型CCD光谱仪和AOM能够代替传统大型SAF-LIBS装置中的像增强探测器(intensified charge coupled device,ICCD)和中阶梯型光栅光谱仪,实现自吸收免疫的同时缩小了装置的体积,降低了装置的成本。将该系统参数进行优化选择后,对样品中的Al元素进行了定量分析和预测。实验结果表明,等离子体的特性受激光重复频率的影响进而会影响光谱信号的强度。在1~50 kHz激光重复频率范围内,Al I 394.4 nm和Al I 396.15 nm的双线强度先增强后减弱,确定最佳的激光重复频率为10 kHz。在不同的光纤采集角度下,Al的双线强度比随延迟时间的增加而减小,在45°处信噪比最高,且在一定的积分时间下,最佳光学薄时间t_(ot)为426 ns。在激光重复频率为10 kHz、光纤采集角为45°、延迟时间为400 ns的条件下,对Al元素进行定量分析和预测结果表明,Al元素定标曲线的线性度R2为0.982,平均绝对测量误差相对于单一LIBS的0.8%可以降低至0.18%。定量分析结果与传统大型SAF-LIBS装置的测量精度相持平。因此本高重频声光门控SAF-LIBS装置不仅有效地屏蔽了光学厚等离子体中的连续背景辐射和谱线加宽,同时具备小型化、低成本、高可靠性的优点,有助于推动SAF-LIBS技术由实验室走向工业应用。

激光诱导击穿光谱精确测定燃煤工业分析指标的研究

燃煤工业指标的在线精确分析对于指导燃煤工业优化生产、降低燃煤煤耗至关重要。利用激光诱导击穿光谱(LIBS)分析燃煤煤质时,因受我国复杂多样煤种所导致的"基体效应",测量精度有待提高。实验中对激光诱导燃煤等离子体光谱至燃煤工业分析指标转化过程中的光谱预处理和定标建模方法进行了优化选择。实验结果表明,利用单/多峰Lorentzian光谱拟合计算谱线强度相比于传统计算方法,谱线强度RSD均值可由12.1%降至9.7%;对于核函数参数寻优,相比于网格参数(Grid)和遗传算法(GA),粒子群算法(PSO)的平均绝对误差(MAE)最小;采用PSO参数寻优式支持向量机(SVM)回归建模的预测均方根误差(RMSEP)小于偏最小二乘回归分析法(PLS);采用单/多峰Lorentzian光谱拟合方法和PSO参数寻优式SVM回归建模,对燃煤工业分析指标预测的平均绝对误差(AAE)为:灰分为16%~30%时AAE为1.37%,灰分大于30%时AAE为1.77%,发热量为9~24 MJ·kg-1时AAE为0.65 MJ·kg-1,挥发分低于20%时AAE为1.09%,挥发分大于20%时AAE为1.02%。

激光诱导击穿光谱脉冲激光功率锁定的研究

激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)在煤质在线监测方面展现了突出的应用前景和研究价值。针对该技术在实际应用中会由于脉冲激光功率起伏导致的长期测量稳定性差的问题,建立了闭环负反馈式脉冲激光功率锁定装置,采用激光功率负反馈信号控制和锁定Nd∶YAG激光器输出功率。实验研究了不同分光比例脉冲激光器锁定在设定输出功率,同一分光比例激光器锁定在不同输出功率以及长时间运行时的功率锁定。结果表明,不同的分光比例对激光输出功率的锁定效果影响不大,分光比例越小,稳定速度越快;同一分光比例实现激光脉冲功率不同预设值的锁定以及在长时间运行时,采用此装置进行功率锁定后,激光输出功率处于预设区间内,RSD值由自由运行时的2.4%降低至1.1%。

二元激光等离子体的时空演化机制研究

由于等离子体是激光诱导击穿光谱(LIBS)的光谱源,其内部粒子的分布结构将直接影响LIBS谱线的信噪比,因此研究等离子体粒子分布结构和动态膨胀过程对提高LIBS的定量测量精度具有指导意义。利用时间、空间、波长分辨的双波长差分成像技术分析激光诱导铝锡合金产生的二元等离子体,获取等离子体内各态粒子发射率的时空分布图像,以期探索不同激光支持吸收波(LSAW)类型的等离子体内各态粒子时空分布结构的演化机制。实验通过低、高激光辐照度的脉冲激光,分别构建了激光支持燃烧波(LSCW)和激光支持爆轰波(LSDW)型等离子体。通过观察等离子体的形态、内部结构、粒子分布、粒子寿命,结合元素的物理性质及谱线属性,分析了激光与金属及等离子体之间的相互作用,形成了二元激光等离子体的时空演化机制。结果表明:(1)激光辐照度会改变等离子体的粒子分布结构;(2)低辐照度激光诱导产生的LSCW型等离子体内部有明显的层状分布,激光主要吸收区位于蒸汽等离子体,此时粒子的寿命较短,分布结构主要依赖于元素熔点,低熔点元素会先从难混溶合金表面熔化并析出,分布于蒸汽等离子体顶部;(3)高辐照度激光产生等离子体的传播模型为LSDW型,其内部蒸汽等离子体与冲击气体层有很大的混合区域,激光主要被冲击气体层所吸收,此时粒子寿命延长,分布结构主要依赖于元素的相对原子质量。高激光辐照度会使难混溶合金表面烧蚀区域内的粒子同时汽化,粒子速度与相对原子质量的平方根成反比,即相对原子质量小的粒子飞行速度快,分布在蒸汽等离子体顶部。以上等离子体粒子分布结构的时空演化机制有望普适于其他元素甚至多元等离子体情形。

基于里德伯原子Stark效应射频电场测量灵敏度研究

里德伯原子极化率大,在外加电场作用下原子能级发生Stark分裂和频移,可实现里德伯原子高灵敏电场传感器的研究.采用Shirley的简化不含时Floquet哈密顿量模型,计算了Cs里德伯原子的AC Stark能谱,修正后与实验上测得的弱场中Cs里德伯原子的DC Stark离子能谱拟合,在获得60D_(5/2)和70D_(5/2)里德伯原子态极化率αDC的同时实现低频弱场灵敏度的计算.并计算了Cs里德伯原子60D_(5/2)态频率在0—500 GHz范围内振荡电场中的AC Stark能级频移量,对里德伯原子传感器在其宽光谱范围内的灵敏度进行定量分析,实现任意场频率最佳灵敏度的计算,为里德伯原子传感器的研究提供理论基础.

激光诱导等离子体LTE态判定方法研究

针对目前等离子体温度测量中常用的Boltzmann平面法和双线法的测量精度较差的问题,提出结合Boltzmann-Maxwell分布和Saha-Eggert公式来提高等离子温度的测量精度;根据高斯公式的面积与峰值关系建立了发射谱线线宽的简便算法,并通过谱线的Stark展宽计算等离子体的电子密度;建立了以McWhirter准则的等离子局部热平衡（LTE）态判据。以铝为被测样品的实验结果表明,随着激光能量的增加,等离子体温度和电子密度随之呈线性上升趋势;激光能量在127~510mJ范围内的等离子体电子密度变化范围为1.305 32×10^17~1.873 22×10^17 cm^-3,等离子体温度的变化范围为12 586~12 957K,根据McWhirter准则本实验中所有等离子体均满足LTE态阈值条件;针对在光谱仪波段内可观测到的处于同一电离态谱线相对较少的铝元素,在不适合用Boltzmann平面法计算温度时,利用Saha-Boltzmann方法对100组铝等离子体光谱进行温度测量的相对标准偏差（RSD）为0.4%,相比于双线法的1.3%,大幅提高了测量精度。该计算方法可用于快速计算等离子体温度、电子密度及判断等离子体LTE态,在自由定标、光谱有效性分析、谱线的温度校正、确定最佳采光位置以及等离子体LTE分布状态等研究中都有较高的应用价值。

利用石英增强光声光谱技术在2.0μm处实现高灵敏CO_2检测的实验研究

基于石英增强光声光谱技术,以中心波长为2.0μm的窄线宽分布反馈式半导体激光器(DFB)为激励光源,采用波长调制及二次谐波解调技术通过改变激光器工作电流实现波长扫描完成了痕量CO2气体检测系统,并通过优化实验参数确定了常压下激光最佳调制深度,实现了高灵敏CO2浓度的检测。通过改变待测气体中的水汽浓度,研究了水汽对CO2气体探测结果的影响,结果显示在水汽浓度低于0.2%范围内,CO2气体光声信号随H2O浓度的上升而明显增强,当浓度高于此值后,H2O浓度的增加对CO2光声信号的增强作用几乎维持不变。数据显示,常温常压下H2O分子通过提高分子弛豫率最多可将二氧化碳R16吸收线的光声信号幅值提高约2.1倍。优化后的装置可以很好的实现大气中CO2浓度的检测。该装置获得的最小探测灵敏度为19ppm(1σ,300ms积分时间),相应的归一化噪声等效吸收系数为4.71×10-9 cm-1·W·Hz-1/2。

光纤频率调制光谱技术中残余幅度调制特性的研究

频率调制光谱(FMS)技术不仅可以用来同时测量原子和分子的吸收和色散,还是噪声免疫腔增强光外差分子光谱(NICE-OHMS)的关键技术,由于光纤器件的引入或光源输出光的偏振态不稳定等因素会诱发残余幅度调制(RAM),RAM的产生使得FMS技术在痕量气体检测中的应用受到极大的限制,因此研究光纤FMS中RAM的特性具有非常重要的意义。研究首先通过理论分析了无吸收时的FMS信号的线型及RAM的影响因素,实验测量无吸收时输入偏振方向和输出偏振方向及电光调制器(EOM)温度对光纤FMS中RAM的影响,均与RAM存在线型关系,验证了理论分析结果,并为RAM的抑制工作以及基于RAM的其他应用提供了依据。

基于激光诱导击穿光谱的化验室水泥质量检测设备研制

研制了一套基于激光诱导击穿光谱(LIBS)的化验室水泥质量检测设备,可对水泥生熟料成分及率值进行快速检测。对该设备的总体结构、光学系统、样本制备、光谱处理方法等几方面进行了介绍。通过内标法建立定标模型,将LIBS测量结果与X射线荧光光谱分析(XRF)结果进行了对比分析,该套LIBS设备对水泥生熟料中CaO,SiO_2,Al_2O3和Fe_2O3测量的平均绝对误差分别为0.46%,0.25%,0.13%和0.05%,对水泥熟料率值KH,SM,IM测量的平均绝对误差分别为0.02,0.05和0.04;通过计算激发产生的等离子体温度和电子密度,验证了激光诱导水泥等离子体处于局部热平衡(LTE)态。

阈值电路特性对腔衰荡光谱测量影响的实验研究

腔衰荡光谱技术(cavity ring-down spectroscopy,CRDS)是一种高灵敏的激光吸收光谱技术,被广泛应用于镜片反射率测量、光谱分析以及痕量气体检测等研究领域。首先从理论上描述了CRDS技术的实验原理,然后基于555定时器自行设计了一种可应用于CRDS技术的阈值电路,并通过实验进行了验证。为了优化阈值电路的性能,研究了不同输入阻抗及容抗下阈值电路对衰荡事件测量的影响。通过直接接入不同值的电容与电阻,发现输入电容越大,输入阻抗越小,对衰荡事件的测量影响越大,尤其当阈值电路输入电阻小于50Ω时,衰荡事件的线型严重扭曲。对不同输入电阻与输入电容时C2H2气体在6 531.780 5cm-1处的吸收信号进行了采集与分析,发现输入电容与输入电阻的改变对测量结果有很大的影响,得到的吸收信号会失真,甚至无法进行拟合。最终给出了阈值电路的最佳设计方案,在阈值电路的设计中选取的输入阻抗越大越好,最小要在100Ω以上,选取的容抗越小越好,最好低于1nF,同时要保证阈值电路的时间常数远小于衰荡时间。该研究对于CRDS技术应用过程中阈值电路的设计具有重要的参考价值。

基于压电陶瓷与光纤电光调制器双通道伺服反馈的激光相位锁定实验研究

通过相干合束提高光纤激光源的输出功率是目前研究的一个热门领域,其中多束激光的相位控制是提高合束效率的关键技术之一.本文基于主动相位锁定技术对传统外差探测法进行了改进,基于压电陶瓷及光纤电光相位调制器双通道伺服反馈,实现了对同一激光源输出的两路相位独立变化的1531 nm激光长时间的相位锁定.通过选择合适的PID控制参数,将反馈带宽拓展到了220 k Hz(受限于PID控制器自身带宽).最终的相位锁定控制在0.88?以内,即相位控制精度为λ/400,经过160 s平均后可得到相位锁定的最佳值为0.006?,整体实验装置结构简单、运行稳定.

超低频调制光缔合光谱的实验研究

通过激光冷却技术在磁光阱中俘获原子数约107,温度约200μK,直径约400μm的超冷铯原子,利用超冷铯原子光缔合方法制备了激发态的超冷铯分子。实验研究了光缔合光不同扫描速率对铯分子振转光谱分辨率的影响,发现光缔合光扫描速率较慢时,铯分子振转光谱分辨率较高。通过高灵敏的雪崩光电探测器探测冷原子荧光,获得了超冷铯分子第一激发态6S1/2+6P3/2离解限0-g长程态高分辨振转光谱。为了实现受控拉曼光缔合制备超冷基态分子,光缔合激光频率需要锁定在原子-分子共振跃迁线,对超冷原子光缔合光谱进行了超低频波长调制,通过改变调制幅度和调制频率获得最优化的一阶微分信号,将该信号反馈回激光器,实现闭合环路稳频,满足了受控拉曼光缔合制备振转能级可控的基态分子的实验要求,该工作对研究受限空间中的超冷原子分子具有很重要的意义。

超冷铯分子0_u^+(6P_(3/2))长程态的高灵敏光缔合光谱研究

利用发展的调制俘获损耗荧光光谱技术实验测量了超冷铯分子0+u(6P3/2)长程态的高灵敏光缔合光谱.光谱探测范围较国际已有报道扩大了60 cm-1,观察到25个长程区域新的振动能级.通过Le Roy-Bernstein公式对振动束缚能数据进行拟合,获得了超冷铯分子0+u(6P3/2)态的长程系数C3为16.103±0.010.构建了超冷铯分子0+u(6P3/2)态长程区域的势能曲线.

双通道石英增强光声光谱测声器的设计及实验研究

设计了一款拥有双谐振腔的新型石英增强光声光谱测声器。通过开展多气体浓度的快速测量实验,研究了系统的灵敏度及可靠性。实验结果显示该种新颖的谐振腔结构并未引入新的噪声。双谐振腔的设计大大增强了石英音叉与谐振腔之间的声耦合强度,这一强耦合使传感器的响应时间下降至约5 ms,且上下两通道单独工作时的归一化噪声等效吸收系数分别达到7.8×10^(-9)cm^(-1)W/√Hz和8.1×10^(-9)cm^(-1)W/√Hz。另外,这一配置提供了两个相互独立的气体检测通道,为不同波长特别是波长间隔较大的两路激光光信号的相加或相消提供了一种可行性方案,也必将对多组分混合气体的快速在线检测的发展起到极大的推动作用。

基于开放路径式可调谐二极管激光吸收光谱法室内CO_(2)在线监测研究

为了研究室内二氧化碳(CO_(2))体积分数变化以及其与人类活动之间的关系,设计了一种开放路径式可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)传感系统对室内CO_(2)体积分数进行监测。采用中心波长为2004 nm的分布式反馈(DFB)激光器作为激励光源测量CO_(2)的R(16)特征吸收线。使用Levenberg-Marquardt非线性最小二乘法拟合测量光谱,实现体积分数测量免定标。与商用XENSIV^(TM)PAS二氧化碳传感器进行对比测量,二者的相关度R^(2)达到0.89。结果显示,室内CO_(2)每日体积分数均值为4.63×10^(-4),略高于室外的CO_(2)体积分数,并且一天内波动范围在3.86×10^(-4)~5.66×10^(-4)之间。室内CO_(2)体积分数受通风情况和室内人员活动的影响,其每日体积分数变化趋势与人员工作时间高度相关。在人员密度为0.005人/m^(3)的情况下,测量得到CO_(2)体积分数的增长速率为2.3×10^(-5)h^(-1)。因此,人员拥挤的室内环境应及时通风,以防止体积分数过高的CO_(2)引起不适。

基于噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术实现光纤激光器到1530.58 nmNH_3亚多普勒饱和光谱的频率锁定

噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术(NICE-OHMS)由于结合了频率调制光谱与腔增强光谱两种技术,不仅可以将激光耦合到高精细度谐振腔大幅提高腔内功率,还可以实现低气压样品气体的高灵敏测量,因此基于该技术可以实现分子吸收线的饱和,获得亚多普勒光谱,从而能作为激光频率锁定的参考.本文基于光纤激光器的NICE-OHMS技术,将光纤激光器频率锁定到NH3的亚多普勒吸收线上.首先分析了基于Pound-Drever-Hall和DeVoe-Brewer技术实现激光到腔模和调制频率到腔自由光谱区频率锁定的性能,之后在腔内气压为70 mTorr条件下,测量了半高全宽为2.05 MHz的NH3亚多普勒信号,最后将1.53μm的光纤激光器频率锁定到该亚多普勒吸收线上,相对频率偏差为16.3 kHz,阿伦方差结果显示,136 s积分时间下频率稳定度达到1.6×10^(-12).

基于自制超稳定F-P腔压窄632.8 nm外腔半导体激光线宽的实验研究

窄线宽激光由于其具有单色性好、稳定度高、相干长度长等优点,广泛应用于光电检测领域,包括相干通信、精密测量、光学频率标准、吸收光谱计量以及光与物质相互作用研究等。目前频率稳定的氦氖激光器线宽可以达到MHz量级,分布反馈式(DFB)光纤激光器线宽可达kHz量级,DFB半导体激光器线宽可以达到MHz量级,然而光栅反馈半导体激光器可以实现百kHz量级线宽的输出。为了进一步压窄各类激光器线宽,需要通过反馈控制技术来锁定激光到某一频率参考。该研究将自行设计的超稳腔作为频率参考,实现了632.8 nm外腔半导体激光器(ECDL)线宽的有效压窄。本窄线宽激光产生系统的研制包括超稳腔设计、光路设计、ECDL频率控制以及系统集成。超稳腔采用两镜法布里-珀罗腔(F-P腔)结构,腔体是膨胀系数约为10^-6K^-1的微晶玻璃,腔镜为一对反射率达99.9885%(±0.0035%)的平面镜和凹面镜。为进一步减小外界环境对F-P腔腔长的影响,需要对腔体进行温度控制,本系统采用四片总功率为96 W的半导体制冷片以及水冷散热设计。同时为了降低声音和空气流动对腔模频率的影响,将F-P腔置于真空度为10-5 torr的真空室中;另外为了有效隔振,腔体与真空室用硅橡胶材料隔离。该系统采用的ECDL为德国Toptica公司的DL pro系列激光器,其具有压电陶瓷(PZT)和电流调制两个频率控制端,响应带宽分别为1 kHz和100 MHz。激光器的频率控制采用了Pound-Drever-Hall(PDH)锁频技术,18 MHz的调制频率加载到激光器的电流调制端,通过对F-P腔的反射信号进行解调获得误差信号,通过两路反馈控制,实现了近1 MHz的锁定带宽。通过对系统的不断优化,最后将自由运转状态下约300 kHz的激光线宽压窄到了10 kHz量级,并且系统运行稳定,连续12小时锁定的频率漂移量约为30 MHz。该研究研制的632.8 nm窄线宽激光源不仅可以应用到吸收光谱计量领域,同时也可以在光学面型精密测量领域发挥重要作用。

基于ab initio的BD^+离子激光冷却理论研究

基于相关一致基组aug-cc-pV5Z,采用内收缩多参考组态相互作用方法计算了BD^+离子两个最低解离极限B^+(~1Sg)+D(~2Sg)和B+(~3Pu)+D(~2Sg)对应的5个Λ—S态(X^2Σ^+,A^2Π,B^2Σ+,a^4Π和b^4Σ^+)的势能曲线和跃迁偶极矩.根据计算结果,求解核运动的径向薛定谔方程得到相应电子态的振-转光谱常数、Franck-Condon(F-C)因子和振动能级辐射寿命.其中A^2Π—X^2Σ^+的F-C因子(f_(00)=0.923)、辐射寿命(τ=235 ns)满足激光直接冷却的条件.因此,我们基于分子转动跃迁提出了一个可实现Doppler激光冷却的光循环方案:A^2Π_(1/2)(υ′=0)—X^2Σ+(υ′′=0,1),其中υ′=0中包含2个转动能级,υ′′=0和υ′′=1中分别包含6个和4个转动能级.根据方案,模拟了激光冷却过程中的分子布居数动力学变化过程,并计算了初速度为100 m/s的BD^+,历经5.4 ms散射1150个光子可减速到4.6 m/s、温度为13 mK.

单量子点光谱与激子动力学研究进展

胶体半导体量子点具有宽带吸收、窄带发射、发光量子产率高、发射波长连续可调等优点,是制备发光二极管、太阳能电池、探测器、激光器等光电器件的优质材料.单量子点光谱能够消除系综平均效应,可以在单粒子水平上获取量子点材料的结构和动力学信息及与其他材料间的电荷、能量转移动力学等.相关研究结果能够指引量子点材料的设计和为量子点的相关应用提供机理基础.另外基于单量子点可以开展纳米尺度上光与物质的相互作用研究,制备单光子源和纠缠光子源等.本文综述了单量子点光谱与激子动力学近期的相关研究进展,主要包括单量子点的光致发光闪烁特性和调控方式、单激子和多激子动力学研究及双激子辐射特性的调控等.最后简要地讨论了单量子点光谱未来可能的发展趋势.

基于电流扫描波长响应函数直接确定正弦波扫描波长调制光谱中DFB激光器的相对波长响应

为了研究适用于描述正弦波扫描波长调制光谱中相对波长响应的方法,提高正弦波扫描测量气体浓度的准确性,对现有的描述激光器相对波长响应的方法进行了讨论。首先,分析现有的几种描述激光器波长响应的方法是否适用于正弦波扫描。然后,比较由不同方法模拟的相对波长响应和实测的激光器波长响应残差,残差越小说明激光器波长响应越准确。最后,用确定的准确快捷的方法测量二氧化碳气体浓度。实验结果表明,由电流扫描波长响应(CSWR)直接确定相对波长响应(RWR)的方法描述激光器的波长响应更准确。将得到的相对波长响应与通过标准具实测的结果进行比较,二者残差的标准偏差小于5×10^-3 cm^-1。利用该方法结合多光程池技术和免定标波长调制技术,能够准确测量二氧化碳的气体浓度。