基于紫外荧光光谱技术的SO_(2)气体测量实验装置

根据SO_(2)气体吸收光谱与荧光光谱特性,该文设计了一种基于紫外荧光光谱技术的SO_(2)气体测量实验装置。该装置利用闪耀氙灯和透镜得到小光束平行光,在荧光反应室内进行SO_(2)荧光的激发反应,使用光电倍增管探测激发荧光的强度。通过开展不同浓度的SO_(2)激发荧光强度检测实验,表明SO_(2)浓度与荧光强度电压信号峰值有良好的线性关系,线性度优于99.9%。通过Allan方差分析,当积分时间为164.7 s时,探测极限为0.79μg/m^(3),有效实现了低浓度SO_(2)的检测。该装置结构紧凑、精度高、稳定性好,可用于低浓度SO_(2)气体的连续测量以及实验教学。

基于量子级联激光吸收光谱技术的NH_(3)吸附性测量研究(特邀)

选择中心波长为8.91μm的量子级联激光器作为光源,结合波长调制光谱技术和小体积长光程的光学多通池,开发了一套氨气浓度检测系统。进行不同压力下氨气的直接吸收测量,结果表明谱线选择正确,以及系统搭建可行。配制不同浓度的氨气进行波长调制测量,得到二次谐波信号峰峰值与浓度之间呈现很好的线性关系,其拟合系数为99.50%。氨气浓度在0~100 ppm范围内,二次谐波的平均误差小于3%,其中在较高浓度10~100 ppm范围内,相对误差小于1%,灵敏度为10.35 ppm/V。配制浓度为6.25 ppm的氨气,并通入多通池检测,对系统进行Allan方差分析,系统在最佳积分时间为195 s时的探测极限为121.58 ppb。同时,从管道材料、温度两个方面出发,探究氨气脱附的效果。

Pearcey光束簇的实验产生和光学结构研究

基于微分几何理论和衍射光学理论,给出了决定Pearcey光束光学结构的因素.通过数值模拟和实验,理论构造并实际产生了一簇光学拓扑结构不同的Pearcey光束.随后,它们的基本光学性质被研究.研究结果表明,Pearcey光束的结构灵活可控,因而有望在科学实验中发挥新的作用.

基于格林函数法研究分数阶Bessel-Gaussian光束近场传输

为揭示FBG(fractional-order Bessel-Gaussian)光束在近场传输时的光强和相位演化情况,基于光传播的独立性和叠加性原理,通过引入虚光源点,并结合格林函数法,严格推导了FBG光束的非傍轴积分表达式,并进一步利用非傍轴下的各阶修正解,精确计算了FBG光束轴上的光强分布.计算结果表明:对于分数阶Bessel-Gaussian光束的远场传输,利用经典的傍轴近似理论可以得到准确的计算结果,但在近场传输时,傍轴近似理论的计算结果误差很大,只有利用非傍轴修正解才能精确研究FBG光束的近场光学传输.研究结果为将FBG光束更好地应用于近场光学奠定必要的理论基础.

基于高光谱成像技术与GBDT的大豆品种无损鉴别

大豆的品种直接关系到大豆制品的质量和出油率,目前主要采用对大豆中蛋白质及脂肪等含量的检测来实现对大豆品种的鉴别。这种鉴别方式破坏了大豆本质,并且存在检测费用高、效率低、精度差的问题。基于高光谱成像技术和机器学习理论,研究了大豆品种无损快速鉴别方法。采集并建立了4个品种(每个品种200粒,共计800粒)大豆的高光谱原始图像及光谱数据集。研究了利用归一化、均值中心化、小波变换、S-G平滑滤波以及矢量归一化对采集到的高光谱数据进行滤波去噪预处理,建立了基于KNN、RF及GBDT的大豆种粒无损检测模型。实验对比得出,利用主成分分析结合GBDT的检测模型精度最高,识别准确率可达99.58%。

共线双脉冲激光诱导击穿光谱技术检测铝合金中的Cr和Mn

采用两台波长1064nm的调Q脉冲Nd∶YAG激光器和多通道小型光纤光栅光谱仪,建立了一套共线双脉冲激光诱导击穿光谱分析装置。与单脉冲激光诱导技术相比,在最佳双脉冲时间延时8μs时,Mn I 403.07nm和Cr I 425.43nm的光谱强度分别增加了14.3倍和17.2倍,以这两条谱线为分析线,铝合金中Mn和Cr的检测限分别由单脉冲时的73和94.5μg/g降低至双脉冲时的3.76和4.26μg/g,检测灵敏度提高了约20倍。

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。

可见-近红外二区双通道荧光成像系统

本文基于光学手段,开发出了一套能够兼顾可见光与近红外二区(NIR-Ⅱ)窗口的双通道宏观成像系统,能够实时输出具有NIR-Ⅱ荧光信息的高质量明场图像,解决了常规的NIR-Ⅱ宏观成像系统提供的荧光图像与明场图像割裂较大的问题。实验中利用不同厚度的脂肪组织测试了吲哚菁绿的NIR-Ⅱ窗口荧光信号分别在1 100~1 700 nm长通滤光片与1 300~1 700 nm长通滤光片下的抗散射能力与成像表现。接着利用所搭建的双通道宏观成像系统分别在小鼠以及大鼠模型上实现了淋巴结成像并模拟进行了淋巴结的切除手术,模拟了对腹腔淋巴结清扫的过程。最后,在大鼠模型上添加了不同厚度的生物脂肪组织,模拟实际手术中脂肪组织覆盖在淋巴结上的情况,观察双通道系统的穿透能力。可见近红外二区双通道荧光成像系统通过给操作者提供直观的影像信息,缩减手术时间、提高患者的预后,在临床手术导航中具有较大的应用潜力。

薄包层长周期光纤光栅薄膜传感器特性研究

基于薄膜参量变化引起的长周期光纤光栅模式重组机制,系统研究了光纤包层半径变化对长周期光纤光栅薄膜传感器特性的影响.结果表明,在相同薄膜参量下包层半径的减小可有效提高传感器的灵敏度,并增大传感器对薄膜参量变化响应的动态范围,但减小包层半径对传感器的增敏效应随薄膜厚度的增大而减小.通过氢氟酸腐蚀减小包层半径,采用静电自组装法在包层表面镀制PAH/PAA薄膜,镀膜过程中光纤光栅输出的光谱数据证实了理论分析结果.实验结果表明:半径为39μm、膜厚为424nm的长周期光纤光栅薄膜传感器在溶液pH值检测中的灵敏度达3.93nm/pHU,比标准包层时的灵敏度提高了1倍.

双Pearcey光束的构建及数学机理研究

通过推导椭圆线的菲涅耳衍射分布,得到了形如Pearcey函数的数学表达式.通过数值模拟和实验产生,发现椭圆光环经菲涅耳衍射后形成的Pearcey光束外形上很像两个经典Pearcey光束面对面组合而成,我们把它命名为双Pearcey光束,这是形式不变Pearcey光束家族的新成员.随后,利用数学突变理论,给出了双Pearcey光束所具有的光学拓扑结构的数学机理和相应表达式.

虚源法研究马丢-高斯光束的传输

马丢-高斯光束是近年来被提出的一种准无衍射光束,它包括:第一类(2m+2阶)、第二类(2m+1阶)奇型马丢-高斯光束;第一类(2m阶)、第二类(2m+1阶)偶型马丢-高斯光束.马丢-高斯光束最大的特点是光学形态的多样性.因此,研究马丢-高斯光束的传输特性,使之用于实际有非常重要的意义.利用光束的可叠加原理,以第一类奇型马丢-高斯光束为例,通过定义一组虚光源,计算出了第一类奇型马丢-高斯光束在自由空间传输的积分表达式.利用类似的处理方法,还得到了另外3类马丢-高斯光束的表达式.这一组表达式为精确、定量地计算各类马丢-高斯光束的传输特性提供了方便.

螺旋马丢高斯光束的非傍轴传输研究

根据光束传输的独立性和叠加性原理,利用虚源法计算推导出螺旋马丢高斯光束传输的积分表达式,模拟一种螺旋马丢光束的轴上非傍轴光场分布,得到螺旋马丢高斯光束保留到第三阶的非旁轴修正项,并与傍轴近似结果做对比分析.模拟结果表明,螺旋马丢高斯光束在近距离范围内,非傍轴修正值与傍轴近似值相差较大,但随着传输距离的增加,两者越来越接近.这是通过简单函数叠加来实现对复杂光束研究的方法,在光束传输和光场调制等方面有一定的研究意义.

铝合金中元素Cr和Cu的双脉冲激光诱导击穿光谱检测

采用共线双脉冲激光诱导击穿光谱(Dual pulse laser induced breakdown spectroscopy,DP-LIBS)技术分析铝合金中微量元素含量,详细研究了共线双脉冲光谱信号强度与双脉冲间时间延迟的关系,最佳延时为8~9μs.在该延时条件下,双脉冲光谱信号强度比单脉冲光谱信号强度增强了10倍以上.分别采用双脉冲激光诱导击穿光谱和单脉冲激光诱导击穿光谱(Single-pulse laser induced breakdown spectroscopy,SP-LIBS)技术,得到了以Cu I 324.75 nm,Cr I 425.43 nm谱线为分析线的定标曲线.与采用单脉冲激光诱导击穿光谱技术相比,铝合金中Cu和Cr的检测极限分别由单脉冲时的169.5和94.5μg/g降低至双脉冲时的21.46和4-26μg/g.

相关向量机结合主成分分析应用于LIBS技术定量分析

采用相关向量机(RVM)结合主成分分析(PCA)建立了激光诱导击穿光谱(LIBS)技术检测土壤中Cr元素含量的定量分析模型。配制了14个不同Cr元素浓度的土壤样品,选取其中10个作为训练样品集用于构建模型,另外4个作为测试样品集用于模型性能评估。结果表明,对于土壤中Cr元素含量的测量,PCA-RVM模型的预测精度明显优于RVM模型,整体预测均方根误差由RVM模型的8.00%减小到PCA-RVM模型的3.21%,预测精度提高了59.9%。对测试样品集中全部4个待测样品,PCA-RVM模型多次重复预测结果的相对标准偏差相较于RVM模型都显著减小,且均小于1.89%,表明其预测结果具有更好的稳定性。

虚源法研究非对称Bessel-Gauss光束传输

为研究非对称Bessel-Gauss(aBG)光束的非傍轴传输特性,利用光传播的独立性和叠加性原理,将aBG光束展开为无穷项的Bessel-Gauss光束叠加,同时引入无穷项的复平面电环与其一一对应。然后,利用虚点源法和傅里叶-贝塞尔变换理论,推导得到了aBG光束的非傍轴积分表达式,并得到了aBG光束的轴上光场分布的解析表达式。典型的,以一种aBG光束为特例,对轴上光场分布结果进行三阶非傍轴修正,准确计算了aBG光束的轴上光场分布。

基于激光诱导击穿光谱技术结合机器学习算法的3种干腌火腿产地识别

火腿种类多,产地不同。本文采用激光诱导击穿光谱技术(LIBS)结合机器学习算法鉴别火腿原产地。采集16个火腿切片样品(4个如皋火腿样品、5个金华火腿样品、7个宣威火腿样品)的LIBS光谱数据,应用K近邻(KNN)、支持向量机(SVM)以及全连接神经网络(DNN)对火腿样品产地进行分类。采用主成分分析(PCA)对火腿样品的光谱数据降维处理,然后,分别结合KNN和SVM算法对样品进行分类,并研究对建模速度和预测准确率的影响。结果表明:KNN和SVM在结合PCA后,建模分析时间大幅减少;KNN、 PCA+KNN、 SVM、 PCA+SVM 4种分类方法的平均正确率分别为70.53%,73.50%,79.53%,80.42%,使用PCA结合KNN和SVM时分类准确率有小幅度的提高;使用DNN对火腿样品进行分类,正确率最高达85.56%,相比于KNN和SVM,DNN对火腿LIBS光谱数据具有更高的分类正确率。结论:用LIBS结合机器学习算法区分不同产地的火腿样品是可行的.

基于TDLAS技术的人体呼出一氧化氮在线检测系统

针对呼出气一氧化氮(FeNO)体积分数的检测,使用了具有高灵敏度、高精度等特性的可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术。利用直接吸收光谱(DAS)技术和波长调制光谱(WMS)技术对呼出二氧化碳(CO_(2))体积分数进行标定,并通过模拟两种气体信号来确定相关系数并完成FeNO体积分数反演。连续测量15 min气体体积分数,根据其变化实验和Allan方差曲线分析确定两种气体的参数,该系统中的CO_(2)气体测量精度和探测极限分别为0.045%和5.4×10^(-3),一氧化氮(NO)气体测量精度和探测极限分别为1.1×10^(-9)和3.4×10^(-9);通过反复置换CO_(2)和NO的混合气体与氮气(N_(2))测量气体体积分数随时间变化情况来确定该系统响应时间为12 s;最后根据单次呼气周期曲线确定志愿者呼出气体中CO_(2)和NO的体积分数。该研究为FeNO的在线检测提供实验依据。

光纤光栅马赫-曾德干涉仪条纹信号的傅里叶分析

基于长周期光纤光栅马赫-曾德干涉仪的频分复用技术是实现光纤多参量传感的重要途径.研究了频分复用中复合条纹信号的傅里叶处理方法,分析了傅里叶频谱中和频与差频信号的幅值与单个干涉条纹信号的关系,提出了抑制和频与差频信号的有效方法,即改变光栅结构参量适当降低中心波长处的条纹对比度以提高频谱信号的信噪比,增加特征频谱滤波的有效性.结果表明:经过优化调整的傅里叶频谱信噪比可以提高至原来的2倍以上;对比频谱调整后恢复相位的余弦曲线与原条纹信号发现,频谱信噪比提高的同时保留了反映各单个原条纹特征的足够相位信息.该光谱优化方法可为基于光纤光栅马赫-曾德干涉仪和频分复用的光纤多参量传感技术提供理论与技术指导.

工作参数对激光诱导土壤等离子体光谱特性的影响

采用波长1064 nm的调Q脉冲Nd:YAG激光器和多通道小型光纤光栅光谱仪,搭建了一套激光诱导击穿光谱分析系统。选择土壤中常见元素AlⅡ(422.68 nm)作为分析线,详细研究激光能量和采样延迟对激光诱导土壤等离子体光谱特性的影响。在相同激光能量下,随着采样延迟时间增加,信号强度、背景强度、噪声都将减弱,而信噪比则呈现先增大后减小的趋势;在相同采样延迟时间下,增加激光能量,信号强度、噪声也将增强,而背景强度和信噪比的变化则呈现先增加后减小的趋势。对于某一特定的激光能量,存在一个与之相对应的最佳采样延迟时间,随着激光能量增加,最佳延迟时间也会增大。综合考虑采样延迟时间和激光能量对激光诱导等离子体光谱信噪比的影响,给出了系统的最优化工作参数是激光能量120mJ、最佳采样延迟时间1.5μs。

基于格林函数法的奇型Mathieu-Gaussian光束

根据光束传播的独立性和叠加性原理,引入了一组能够产生第一类(2n+2阶)奇型Mathieu-Gaussian光束的虚光源点.利用虚源点技术和格林函数法,计算得到第一类奇型Mathieu-Gaussian光束的严格解析积分表达式.利用该表达式得到了轴上光场分布的积分解析解.以三阶非旁轴修正为例,得到了第一类奇型Mathieu-Gaussian光束保留到三阶非旁轴修正项的轴上光场分布精确解.