High‐resolution Brillouin scattering and heat capacity studies of bis(guanidinium)zirconium bis(nitrilotriacetate)hydrate, [C(NH2)3]2Zr[N(CH2COO)3]2·H2O

High‐resolution micro‐Brillouin scattering and heat capacitiy studies of polar bis(guanidinium)zirconium bis(nitrilotriacetate)hydrate were performed in the temperature range 230–305 K. Strong anomalies in the Brillouin shift and the attenuation were observed near 290 K upon cooling for the sound waves corresponding to the c₂₂ elastic constant. For this elastic constant, the coupling between the order parameter and the elastic strains is linear quadratic. In case of the c₄₄ and c₆₆, the coupling is biquadratic, giving rise to an increase of these parameters below 290 K. The analysis of the acoustic anomalies and heat capacity results near 290 K revealed that they correspond to a second‐order, cell‐multiplying, displacive phase transition. The second phase transition leads to weak acoustic anomalies at approximately 284 K. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

分布式光纤温度压力传感器设计

为了实现油田井下温度压力的全分布式测量,提出了一种基于光纤散射原理的分布式温度压力测量方法。该方法通过对普通光纤进行封装设计,制作成传感光纤。由于光纤传感器周围流体的温度和压力会对传感光纤内的散射光产生调制作用,通过光纤解调仪解调出光纤拉曼散射参数和布里渊散射频移就能够实现温度和压力的实时在线测量。实验结果表明:设计的分布式光纤温度压力传感器可以实现的温度测量分辨率为0.1 ℃,压力测量分辨率为0.07 MPa。基本满足油田井下温度压力测量的全分布式、实时在线、可靠性高、精度高、抗干扰能力强等要求。     

Multicomponent Rayleigh scattering from guanidine hydrochloride solutions

We present results of Brillouin light scattering studies of lysozyme and guanidine hydrochloride solutions in the temperature range 290–350 K. The Brillouin spectra of 6 M guanidine hydrochloride have been found to contain an additional component in Rayleigh scattering that manifests itself as a broad quasi‐elastic scattering line centered at the unshifted frequency and described by a Lorentz function (i.e. a Debye relaxor with relaxation time τ₁ ~ 25 ps at room temperature). The temperature dependence of τ₁ is described by the Arrhenius law with activation energy E_a = 0.11 ± 0.01 eV and prefactor τ₀= 0.33 ± 0.03 ps. The Brillouin spectra of lysozyme denatured by 6 M guanidine hydrochloride exhibit a more complicated structure of the additional contribution into Rayleigh scattering, which is fitted best of all by a sum of two Lorentzians centered at the unshifted frequency (with relaxation times τ₁ ~ 19 ps and τ₂ ~ 180 ps at 339 K). Possible origins of the quasi‐elastic scattering are discussed. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

Review on Application of Optical Scattering Spectroscopy for Elastic Wave Velocity Study on Materials in Earth's InteriorSCIEI北大核心CSCD

In-situ experimental results on the elastic wave velocity of Earth materials at high pressure and high temperature in combination with data from seismic observation can help to inverse the chemical composition, state and migration of materials in Earth's interior, providing an important approach to explore information of deep earth. Applying the Brillouin scattering into the Diamond Anvil Cell (DAC) to obtain the in situ elastic wave velocities of minerals, is the important approach to investigate elastic properties of Earth's Interior. With the development of DAC technology, on the one hand, the high temperature and high pressure experimental environment to simulate different layers of the earth can be achieved; on the other hand, the optical properties of DAC made many kinds of optical analysis and test methods have been widely applied in this research field. In order to gain the elastic wave velocity under high temperature and high pressure, the accurate experimental pressure and heating temperature of the sample in the cavity should be measured and calibrated first, then the scattering signal needs to dealt with, using the Brillouin frequency shift to calculate the velocity in the sample. Combined with the lattice constants obtained from X ray technique, by a solid elastic theory, all the elastic parameters of minerals can be solved. In this paper, firstly, application of methods based on optical spectrum such as Brillouin and Raman scattering in elasticity study on materials in Earth's interior, and the basic principle and research progress of them in the velocity measurement, pressure and temperature calibration are described in detail. Secondly, principle and scope of application of two common methods of spectral pressure calibration (fluorescence and Raman spectral pressure standard) are analyzed, in addition with introduce of the application of two conventional means of temperature calibration (blackbody radiation and Raman temperature scale) in temperature determination. Lastly, geophysical applications of mineral elasticity are discussed on the basis of the recent research results derive from Brillouin scattering system of wave velocities for major minerals in Earth's lower mantle (perovskite, ferropericlase, etc.), and the future research work is inspected.     

光散射谱学在地球内部物质弹性波速测量中的应用与展望

高温高压下地球内部物质弹性波速的实验测量数据,可直接与地震波观测结果相结合,对地球内部的组成、状态和物质运移方式等进行反演,是了解地球深部信息的重要手段。在金刚石压砧(diamond anvil cell, DAC) 中利用布里渊散射对矿物波速进行原位测量,是人们研究地球各圈层弹性性质的重要方法。随着DAC实验技术发展,一方面,可以获得模拟地球各圈层的极高温压条件;另一方面,DAC的光学特性使得各种光学分析和测试方法得到了广泛的应用。要获得高温高压下的弹性波速,首先需要对样品腔中的实验压力和加热温度进行精确的标定和测量;其次需对散射信号进行处理,通过布里渊散射频移,求出样品中的波速;最后结合X射线技术获得的晶格常数,可由固体弹性理论解出矿物的各弹性参数。重点介绍了布里渊散射和拉曼散射等光谱学方法在弹性波速实验研究中的应用,阐述了它们在波速测量、压力和温度标定等方面的基本原理和研究进展。分析了两种光谱学定压方法(荧光光谱压标和拉曼光谱压标) 的定压方式和适用范围,以及两种主要的光谱学温标(黑体辐射温标和拉曼光谱温标) 在温度测量中的应用。最后,回顾了基于光谱学测量建立起来的布里渊散射系统对下地幔主要矿物(钙钛矿、方镁铁矿、斯石英等) 弹性波速测量取得的新成果,深入讨论了它们的地球物理意义,并对其未来的发展进行了展望。     

微纳粒子光学散射分析

为实现利用光学方式对微纳尺度粒子性质的研究,探讨了亚微米线及亚微米球对光电磁波的散射效应.微纳米尺度粒子的光学散射,散射粒子尺寸与入射光波长尺寸可满足米氏(Mie)散射条件.利用Matlab数值模拟的方式,将分析结果以模拟图的形式清晰地展现出来.满足尺寸条件的层状粒子以及任意多个散射粒子存在时对电磁波的散射都可采用Mie散射分析方法,并且针对多粒子散射,分析了散射体位于不同位置时对散射造成的影响.通过分析光学散射光场相关的微分散射截面及近场散射电磁场分布,可得出散射光场随散射角度的变化趋势,以及散射光场受各类因素的影响,包括入射光偏振态、散射粒子尺寸、散射粒子结构及粒子构成层数、散射粒子数量等的影响,也包括一些隐含因素对散射光场的影响,如散射粒子与周围介质的相对折射率.本文的科学意义体现在:与入射光波长尺寸可比的亚微米尺度的粒子,可用作传感器,对于其位移的探测可通过光学方式来实现,而由于粒子本身特性对散射光的影响具有一定的参考价值,从而使通过光学方式对机械位移的读出具有更高准确度.研究结果对于光学方式探测亚微米线机械振动具有指导意义.     

电子和原子核散射研究原子核结构(英文)

本文综述了近年来我们组利用电子散射结合相对论平均场模型对奇特核结构的研究。我们发展了相对论平均场框架下的磁电子散射方法,并用其研究一些中子晕及质子晕核的基态组态,例如,23O,17,19C和23Al。研究发现,原子核不同组态的弹性磁形状因子彼此差别很大。其次,我们发展了相对论平均场框架下的弹性库伦电子散射方法,并用该方法研究了奇特核的电荷分布。研究发现,丰质子核中扩展的电荷密度分布可以通过库伦电子散射来测量。这种方法还被进一步推广用于计算弹性宇称不守恒电子散射,研究了一些典型原子核的中子密度分布,例如,Ca同位素链,N=50同中子素链以及N=Z的双幻核。结果表明,宇称不守恒非对称度的振幅主要由质子和中子形状因子极小值之间的距离决定。这些结果为下一代电子-核对撞机上的电子散射实验提供了有用的参考。     

水下目标弹性声散射信号分离

水下目标弹性声散射与其他声散射成分在时域和频域上均存在混叠, 现有信号处理方法受分辨力限制无法在混叠状态下识别目标弹性声散射特征. 针对这个问题, 提出了一种目标弹性声散射信号分离方法. 以目标回波亮点模型为基础, 分析了线性调频信号入射时目标声散射成分的信号特性, 提出了一种目标声散射成分向单频信号的映射方法, 并理论推导出了目标声散射结构与映射结果之间的线性对应关系, 实现了通过窄带滤波分离出目标弹性声散射成分. 仿真与消声水池实验数据处理结果表明, 该方法基本可以完全分离出目标回波信号中的弹性声散射成分, 分离出的弹性声散射具有与理论一致的信号特征, 验证了该分离方法的有效性.     

电子和原子核散射研究原子核结构

本文综述了近年来我们组利用电子散射结合相对论平均场模型对奇特核结构的研究.我们发展了相对论平均场框架下的磁电子散射方法,并用其研究一些中子晕及质子晕核的基态组态,例如,23O,17,29C和23Al.研究发现,原子核不同组态的弹性磁形状因子彼此差别很大.其次,我们发展了相对论平均场框架下的弹性库伦电子散射方法,并用该方法研究了奇特核的电荷分布.研究发现,丰质子核中扩展的电荷密度分布可以通过库伦电子散射来测量.这种方法还被进一步推广用于计算弹性宇称不守恒电子散射,研究了一些典型原子核的中子密度分布,例如,Ca同位素链,N=50同中子素链以及N=Z的双幻核.结果表明,宇称不守恒非对称度的振幅主要由质子和中子形状因子极小值之间的距离决定.这些结果为下一代电子-核对撞机上的电子散射实验提供了有用的参考.     

基于光相干外差检测的布里渊散射DOFS的研究

对布里渊散射分布式光纤传感器(DOFS)检测原理进行了分析, 针对布里渊散射光信号的特点, 应用光相干和外差技术来检测布里渊散射光信号. 具体采用微波电光调制产生频率可调的参考光, 和布里渊散射光进行相干检测, 根据布里渊频移特性取出布里渊散射光信号, 从而得到分布式传感信号. 分别实现了25 km光纤的分布式温度和应变传感, 达到3℃的温度分辨率、100 με的应变分辨率和10 m的空间分辨率.     

共振光散射的时间量子理论

本文发展了Ｓｃｈｏｍｍｅｒｓ的时间观点，定义了时间，尤其是表征量子系统光散射的散射时间和共振散射时间。通过散射时间本征态的假定实现了散射时间的量子化，得到了量子化的共振散射时间。对原子的弹性光散射和Ｒａｍａｎ散射的成功应用推出了原子和原子的价电子逐级电离所形成的离子的所有原子能级的普适近似公式。     

用硅离子注入方法制备的纳米硅的拉曼散射研究

在直角散射配置下测量了纳米硅样品的拉曼散射谱及其退火温度的关系。结果表明,在８００℃以下退火的样品只观察到单晶硅衬底的光学声子模,在９００℃以上退火,才观察到纳米硅的特征拉曼散射峰。在１２００℃下退火后,纳米硅的特征拉曼散射峰消失,观察到类似于非晶硅的光学声子特征峰,可能表示纳米硅不能承受这样的高温热退火。这些结果进一步证实了光致发光谱的结果。     

聚芴共轭聚合物在稀薄溶液中形态变化的静态光散射研究

PF8聚芴共轭高分子材料是应用于制作蓝色光激发光器件的一种有潜力功能材料, 故本文利用静态光散射技术研究了PF8聚芴共轭高分子在稀薄甲苯溶液中的形态结构变化特点。研究结果显示, PF8共轭高分子在甲苯稀薄溶液中单一分子链的持续长度与Kuhn链结长度均明显受到温度的影响。这表明在较高温度下高分子与溶剂间的相互作用力较大, 导致其呈现较伸展的虫状形态结构; 而在较低温度下高分子与溶剂间相互作用力较小, 导致其呈现收缩的结构形态。因此在较高温度状态下PF8共轭高分子应该具有比较刚硬的特征。     

Raman-Mie方法反演气溶胶后向散射系数

传统的Klett和Fernald反演气溶胶法依赖于消光系数和后向散射系数的假设关系,给反演结果带来误差。根据纯转动拉曼后向散射系数仅是大气温度和压强的函数,设计的Raman-Mie方法用米散射和纯转动拉曼回波信号结合探空温度和大气压强共同反演气溶胶后向散射系数。不仅消除了Klett和Fernald方法引入假设带来的误差,还可避免因几何因子修正带来的影响。最后将该方法用于实验室自行研制的拉曼-米散射激光雷达,反演出了大气气溶胶后向散射系数廓线,实验结果与Klett(Fernald)方法分别进行了比较。     

Spectral Changes of Light Produced by Multiple Scattering from Space-Time Fluctuating Random Media under the Born Approximation

Changes in the spectrum of light scattered by space-time fluctuating random media are investigated theoretically within the accuracy of the second-order Born approximation, as a continuation of the previous paper [Opt. Commun. 123 (1996) 234]. Effects of multiple scattering on the resultant field are manifested by a number of illustrative examples. It is shown, in particular, that the spectrum of the scattered light to be observed under practical circumstances is distorted by the process of multiple scattering. Comparison between spectra of both single and multiple scattering lights is also presented in the framework of the dynamic scattering.     

颗粒溶液颗粒尺寸及浓度的差分偏振弹性散射光谱在线分析方法

偏振弹性散射光谱技术的基本原理为在偏振光入射条件下,根据出射光的偏振特性不同可以筛选出浅表层组织的单次散射光信息和深层组织的漫散射光信息。该研究的创新点在于将这种方法应用于颗粒溶液检测,目的是在颗粒溶液原始状态下实现对颗粒尺寸及浓度的同时检测。设计了一个共轴笼式光学系统,测量了聚苯乙烯微球颗粒溶液某一角度的背向散射信号,通过控制入射端和收集端偏振片的偏振方向获得了颗粒溶液的偏振平行光谱与偏振垂直光谱,两者之差即偏振差分光谱对应颗粒的单次散射信息,将该单次散射信息与Mie散射数据库进行比对获得颗粒的尺寸,然后在颗粒尺寸作为已知的条件下进一步分析偏振垂直光谱,将该垂直光谱对应的颗粒溶液的漫散射信息代入光漫散射下的近似表达式拟合得到颗粒的浓度信息。将实验结果与样品提供值进行了比对,并进一步分析了在获取颗粒数浓度时,颗粒直径的方差分布对结果的影响,最终验证了该实验方法的可行性。该方法的潜在应用包括对标准颗粒制造厂商的产品在线检测以及对牛奶制品中脂肪和蛋白质的浓度检测研究。     

高散射媒质中的光程可分割动态光散射研究

为研究散射光强度随光子在散射媒质中散射光程的变化,基于单散射理论与扩散波光谱理论,采用了低相干动态光散射装置对不同粒径大小的聚苯乙烯悬浮液进行研究。将测量得到的背散射光光场强度谱的线宽与相应的理论计算结果相比较发现,在短光程区域,考虑容器壁附近拖曳效应的影响后,对于不同粒径的颗粒,光程为约5倍粒子平均自由程的区域可看成为单散射区域;对于光程大于225 m的区域可看成为扩散光波区域。实验结果表明低相干动态光散射法可实现高散射媒质从单散射区域到低次散射再到扩散区域的全光程的可分割的光场强度谱测量。     

多光子非线性Compton散射的能量转换

研究了多光子非线性Compton散射中电子与光子的能量转换及其转换效率.结果表明:散射光子频率随电子吸收光子数n的增大而增大,随碰撞非弹性成分ξ的增大而迅速减小.在超强激光场中,当极端相对论性电子与光子发生多光子非线性Compton散射且被光场俘获时,能量转换效率趋于无限大,即电子可以从超强激光场中获得巨大的加速能量.用高速电子束入射并与光子发生多光子非线性Compton散射,是提高非线性Compton散射能量转换效率的重要途径.     

Resonant elastic scattering of light from single quantum wells in semiconductor multilayers

A theory is developed for steady-state elastic scattering of light via quasi-2D excitons from a quantum well (QW) whose interfaces are randomly rough. The study is mainly focused on the angle dependences of radiation giving direct information about static disorder responsible for the elastic scattering. A nonlocal excitonic susceptibility is expressed in terms of random profile functions of QW interfaces. Treated is elastic scattering of light from a disordered QW in the following actual dielectric environments: (i) a uniform background, (ii) a Fabry–Perot film with rough boundaries, and (iii) a semiconductor microcavity. The cross-sections are derived analytically for scattering of linearly polarized light to the lowest (Born's) approximation with arbitrary roughness statistics. The spectral and angle dependencies of scattering intensity are analyzed numerically in the absolute-value scale with Gaussian correlation of interface roughness. The probability 10⁻² was found for the exciton-mediated scattering of a photon from a QW interface roughness whose root-mean-square height is on the level of 2×10⁻¹ nm. This probability is shown to exceed by two orders of magnitude that is typical of resonant scattering from either a single semiconductor surface or rough boundaries of a semiconductor Fabry–Perot film containing the QW. The scattering spectrum of a QW placed in a microcavity is predicted to have a doublet structure whose components are associated with the cavity exciton–polaritons.     

超冷钠原子弹性散射特性的精确计算

基于精确的原子之间相互作用势,系统研究了钠原子在超冷温度下的弹性散射特性,精确计算了钠原子间碰撞时的s波散射长度、有效力程、p波散射长度以及束缚态数目等散射参数.超冷温度下单重态和三重态原子间的弹性散射截面主要为s波贡献,随着碰撞能量的增加散射截面有丰富的形状共振出现,计算发现单重态和三重态散射截面分别存在显著的f波和i波形状共振.应用简并内态近似方法获得了超精细态相互作用时的s波散射长度,所得结果与精确值比较符合.