基于光热效应的显微光谱技术在单粒子检测中应用和发展

高灵敏度的单粒子检测技术是纳米粒子在生物医学、化学、光电子等领域应用的前提条件。常见的单粒子检测技术主要包括基于粒子的荧光、拉曼、散射和吸收等信号而发展起来的光学显微成像及光谱技术。其中,拉曼光谱和荧光光谱技术主要适用于一些具有拉曼活性的分子/粒子或可发光的荧光分子或粒子,然而即使对于荧光效率高的有机染料分子和半导体纳米粒子,固有的光漂白和blinking现象也对单粒子探测形成了挑战。散射光谱测量是应用于单粒子检测的另外一种方法,从理论上讲,由于瑞利散射随着尺寸的减小而呈六次方减弱的趋势,在细胞或生物组织内,小尺寸粒子的散射信号很难从背景散射噪声中分离出来。众所周知,介质吸收激发光后会引起介质内的折射率变化,进而在光加热区附近出现折射率的梯度分布,称为光热效应(photothermal effect)。基于粒子光热效应的光学显微成像和光谱测量技术具有信号灵敏度高、无背景散射、原位和免标记等优点,在单粒子检测领域展现了良好的应用潜力。综述了近年来基于光热效应的显微光谱技术在单粒子检测中应用和研究发展,首先介绍了光热效应的测量原理;接着分别讨论了光热透镜测量技术、微分干涉相差测量技术和光热外差测量技术的实验装置,比较了各种测量技术的信噪比、灵敏度、分辨率等特点,并且介绍这些测量技术在单粒子检测中的应用研究进展;接着,论述了近年来研究人员在提高光热显微测量的信噪比、改善动态测量性能以及在红外波段拓展等方面的最新研究成果;最后,简单总结了光热测量技术在单粒子检测领域所面临的挑战。     

红外波段十字阵列光吸收材料光学特性研究

尺寸为光波长量级的微纳结构材料与电磁波的相互作用,使得其具有许多特殊的光学性能,金属-电介质-金属微纳结构具有电磁波完美吸收特性。基于S参数法,研究十字阵列光吸收材料在红外波段的光学特性参数,分析其谐振吸收机理及光学特性参数调谐性。研究结果表明,十字阵列单元尺寸对其等效光学参数具有调谐作用;当材料表面与入射介质之间满足阻抗匹配条件,以及等效折射率系数虚部值足够大时,可以有效提高其吸收率;经过结构优化的十字阵列光吸收材料在红外波段具有大于95%的吸收率,实验样件测试结果大于80%。十字结构臂长和电介质层厚度决定吸收谱特性,而十字结构臂宽仅仅影响吸收谱峰值大小。十字阵列光吸收材料在红外波段的完美吸收及光谱调谐性特点,使其可用于红外探测和光谱成像等领域。     

光热膨胀材料的光谱特性分析及微型光热驱动机构研究

光热膨胀材料的光谱特性是影响微型光热驱动机构性能的关键因素,该文在理论分析的基础上,采用单积分球测量法对四种聚合物材料的反射光谱及吸收特性进行了实验测量,据此选择制作光热驱动机构的最佳光热膨胀材料,发现掺杂染料的高密度聚乙烯(HDPE)材料在600～690 nm的范围内有较强烈的吸收.选取HDPE作为光热膨胀材料,设计制作了一种长度1 500 μm的微型光热驱动机构,并采用自行研制的CCD显微监控和视频运动测量系统进行了驱动机构的驱动性能测量实验.研究结果表明,在10 mW/650 nm的半导体激光器驱动下,该微型光热驱动机构可以产生18.7 μm的光热偏转量,说明其具有良好的光谱吸收和光热转换特性,可望在微光机电系统(MOEMS)中获得广泛应用.     

电子俘获材料CaS∶Eu,Sm光谱特性研究

研究了电子俘获材料CaS∶Eu,Sm多晶粉末的紫外-可见-红外吸收光谱及红外激励光谱.研究结果表明,CaS∶Eu,Sm中主激活剂Eu和辅助激活剂Sm分别以Eu2 离子和Sm3 离子的形式存在;ETM的吸收差谱及红外激励光谱所反映的光谱特性是不同的.紫外-可见光区的吸收差谱给出了ETM光谱存储灵敏度的信息,而红外光谱区的吸收差谱给出了ETM所俘获电子数量的信息及电子陷阱能级的特征(深度和宽度)信息.红外激励光谱则反映了ETM将不同波长的红外激励光的能量转换为特定波长处的红外辐射光能量的光谱转换灵敏度.二者结合起来可以更完整地描述ETM的光谱特性.     

金纳米颗粒溶液的光热转换效率测量

激光照射金属材料表面会引起材料内部性质的变化,金属材料会对光产生吸收并可以将其转化为热能,导致材料表面温度的变化.金属材料的不同形貌、尺寸对光的能量转换效应是不同的,光热转换效率是材料吸收光能转换成热能的重要参数.在材料尺寸相同条件下光热转换效率大小与入射波长、激光器的功率密度、溶液浓度等因素有关.本文选取金纳米棒材料作为研究对象,通过改变入射波长、激光功率等条件研究金纳米棒光热转化效率,借此建立一种微观物质的能量转换的测量研究方法.     

电解液电反射谱技术及其应用

在固体物理学领域中,调制光谱学发展最快.调制光谱主要是指电解液电反射、压电反射、热反射和波长调制反射这类调制谱技术,它用于研究固体表面和单元、两元、三元半导体材料的能带结构. 在光学频率相当于 El,E1+△E1的频带,存在半导体吸收和反射系数的变化,当外加交变电场时,在反射率发生微小变化处会产生增强的光学结构,这种电场调制技术称为电反射谱技术.将半导体样品放在电解液池内。在样品表面加交变电场,可以测定电反射谱,这种方法称为电解液电反射(EER)谱技术. 1958年,Franz与 Keldysh[1,2]曾理论上预言了在均匀电场中光学吸收边…     

基于Ⅲ-Ⅴ与Ⅱ-Ⅵ族半导体材料色散特性的高灵敏度慢光干涉仪

分析了Ⅲ-Ⅴ与Ⅱ-Ⅵ族半导体材料的光学特性,证明半导体慢光介质不但可以提高干涉仪的光谱灵敏度,而且可以获得远大于气体慢光介质的工作光谱范围.实验证明,基于慢光介质GaAs的干涉仪光谱灵敏度相对于传统的干涉仪提高约3.2倍. 关键词： 干涉仪 非线性光学 Ⅲ-Ⅴ与Ⅱ-Ⅵ族半导体材料     

电子俘获材料CaS∶Eu,Sm光谱特性研究

研究了电子俘获材料CaS∶Eu,Sm多晶粉末的紫外-可见-红外吸收光谱及红外激励光谱.研究结果表明,CaS∶Eu,Sm中主激活剂Eu和辅助激活剂Sm分别以Eu2+离子和Sm3+离子的形式存在；ETM的吸收差谱及红外激励光谱所反映的光谱特性是不同的.紫外-可见光区的吸收差谱给出了ETM光谱存储灵敏度的信息,而红外光谱区的吸收差谱给出了ETM所俘获电子数量的信息及电子陷阱能级的特征（深度和宽度）信息.红外激励光谱则反映了ETM将不同波长的红外激励光的能量转换为特定波长处的红外辐射光能量的光谱转换灵敏度.二者结合起来可以更完整地描述ETM的光谱特性.     

稀土氧化物粉末样品的光声光谱研究

利用光声光谱方法对几种常见的稀土氧化物粉末样品在紫外-可见、近红外, 以及中红外波段的光声光谱进行了测量与分析。根据光声光谱图和稀土离子的能级图, 对稀土离子的激发态电子的辐射和无辐射跃迁进行了探讨。与传统的透射谱和吸收谱相比较, 光声光谱具有分辨率高、快速、无损检测等优点, 特别适合于研究不透明、高反射和高散射粉末样品的光学性质。     

表面等离激元光热效应研究进展

表面等离激元微纳结构能够将光场束缚在亚波长尺度,实现突破光学衍射极限的光操控,并显著增强光与物质的相互作用.在基于表面等离激元机理的光电器件研究中,微纳结构的自身光吸收通常被认为是损耗,而通过光热效应,光吸收则可有效利用并转换成热能,其中的物理过程研究和应用是当前等离激元学领域的热点方向.本文回顾了近年来表面等离激元微纳结构光热效应的相关工作,聚焦于表面等离激元热效应的物理过程、热产生和热传导调控方式的研究进展.在此基础上,介绍了表面等离激元微纳结构在微纳加工、宽谱光热转换等方面的应用.     

THz光谱技术在炸药及其相关材料检测中的应用进展

太赫兹（THz）光谱技术近年来在航空航天、生命科学、安全检测等领域的应用进展迅速.由于许多炸药及其相关材料在THz波段具有特征吸收，许多非金属、非极性材料对THz波是透明的。且THz波具有低能性，THz光谱技术在安检中具有巨大的应用潜力．文章介绍了国际上THz光谱技术在炸药及其相关材料研究中的现状和进展及文章作者在炸药及其相关材料THz光谱研究方面的成果，讨论了THz技术应用于安全检测领域面临的挑战.     

基于Ⅲ-V与Ⅱ-Ⅵ族半导体材料色散特性的高灵敏度慢光干涉仪

分析了Ⅲ-V与Ⅱ-Ⅵ族半导体材料的光学特性,证明半导体慢光介质不但可以提高干涉仪的光谱灵敏度,而且可以获得远大于气体慢光介质的工作光谱范围.实验证明,基于慢光介质GaAs的干涉仪光谱灵敏度相对于传统的干涉仪提高约3.2倍.     

调制转移光谱光频率标准系统中电光参数的优化研究

根据窄带相位调制光在非线性吸收介质中的近简并四波混频的物理机理,分析了采用电光调制器实现调制转移光谱(MTS)技术的电磁场激励及其动态演化过程,建立了MTS中频率色散谱和吸收谱的理论模型. 研究结果表明:以分子吸收谱线色散谱信号作为频率误差鉴别信号时,系统调制频率取0.72倍谱线线宽附近可以得到最佳的色散信号强度;解调相位的变化对吸收谱的影响很大,但对色散谱而言,解调相位在90°附近的小范围波动对频率误差信号解调效果影响不大;调制度在0.5–1区域可以得到较好的综合稳频效果. 关键词： 光频率标准 调制转移光谱 频率稳定 电光参数优化     

癌变组织的光声光谱研究

报道了用双光束光声光谱技术对上种癌变组织研究的结果，发现在６３０ｎｍ处有一明显的吸收峰，该吸收峰在正常组织的光声光谱中不出现。这对癌症的光谱诊断和激光治疗提供了有价值的光学资料。     

玉米油光学参数的太赫兹波精确测定研究

利用太赫兹电磁波时域光谱（THz-TDS）技术对玉米油进行了测量.考虑容器对参数测量的影响,使用传输函数逼近方法来计算分析玉米油的折射率、吸收系数等重要的光学参数.与传统的太赫兹电磁波数值计算方法比较,传输函数逼近方法在分析玉米油的光学参数方面具有很高精度.结果表明,该测量分析方法对植物油品质检测具有重要指导意义. 关键词： 太赫兹时域谱 玉米油 光学参数 吸收系数     

不同中心波长飞秒脉冲激发InAs表面辐射太赫兹波的机理研究

研究了p型(100)InAs在不同中心波长飞秒激发光(750—850nm)作用下的太赫兹(THz)波辐射特性.这种太赫兹辐射的光谱性质与光学Dember效应密切相关,飞秒脉冲激发下产生的载流子在InAs表面的Dember场内做加速运动,从而辐射出THz电磁波.实验结果表明：不同中心波长的激发光作用下,InAs表面产生的Dember电场、光生载流子浓度、谷间散射效应以及处于不同状态的载流子数目都发生了变化,因而激发出太赫兹波的功率、振幅、频谱分布和有效谱宽是不同的.这项研究将有利于THz时域光谱技术以及实验     

研究表面光学和热学特性的一种新方法——光热位移光谱

本文介绍研究固体、表面及薄膜的光学和热学特性的一种十分灵敏的探测技术。这一探测技术——光热位移光谱,是基于对样品表面吸收电磁辐射后所引起的热膨胀的测量。本技术亦适用于那些要求高真空和温度变化范围较大条件的实验研究工作。这种光谱技术还能将面吸收和体吸收很好的区分开来,入射功率面的吸收的测量能达到αl=10^-6/W.     

基于光腔衰荡光谱技术的压力计校准方法

压强是工业生产过程中的一个重要参数,其准确测量是过程控制的关键。气体分子光谱线型和线宽取决于分子间相互作用和温度、气压等因素,利用窄线宽气体吸收光谱的压力展宽效应,可通过高分辨地测量气体吸收谱线得到压强信息,实现压力计校准。提出了一种基于光腔衰荡光谱技术和气体吸收谱线压力展宽效应的压力计校准方法。采用5.2 μm可调谐量子级联激光器,基于连续光腔衰荡光谱技术建立了压力计校准实验装置。室温下,测量水汽在1 877 cm-1附近的一吸收谱线,线宽为0.084 21 cm-1,重复性测量误差小于1.53×10-4 cm-1,对应的压强大小为98.12 kPa,检测灵敏度优于0.18 kPa,与高精度压力计读数98.14 kPa一致。利用测试谱线线宽与压强的关系得到压力展宽系数(0.087 12±0.000 965) cm-1·atm-1,与HITARN数据库参考值0.087 1 cm-1·atm-1一致。实验校准了一小量程压力计。结果表明基于光腔衰荡光谱的高分辨吸收谱线测量在压强检测和压力计校准领域具有很好的应用前景。     

高光谱吸收微纳结构表面提高太阳能温差发电性能的研究

采用飞秒激光等离子体丝（飞秒光丝）在金属铝箔表面以不同飞秒光丝扫描速度（5,15,25,35和45 mm·s-1）制备了微纳结构表面,并在太阳光能量主要覆盖的光谱范围（330～890 nm）内对其进行了反射率测量,发现飞秒光丝制备的微纳结构表面具有显著的高光谱吸收特性,并且飞秒光丝扫描速度越慢,光谱吸收率越强,5 mm·s-1条件下微纳结构表面光谱吸收率达97%以上。将制备的高光谱吸收微纳结构表面作为温差发电片（TEG）光吸收体,以此为基础构建了考虑太阳光辐照及温差发电模块（即TEG模块：结合微纳结构表面的TEG）散热情况的仿真实验环境并进行发电功率测量。研究结果表明,具有微纳结构的铝表面（5 mm·s-1制备条件下）与抛光铝箔或裸发电片相比,光电转化效率（发电效率）可分别提高43.3和10.7倍。进一步研究了TEG模块的温差发电的过程与机理,将TEG模块的温差发电过程分为光热（光能转化为热能）与热电（热能转化为电能）两个转化过程分析：首先在光热转化过程中,微纳结构表面增强了太阳光吸收效率,为光热转化提供更多的光子能量,实现了其在表面更多的热量沉积,进而在之后的热电转化过程中,更多的热能沉积使得TEG模块的载流子迁移率得到了很大提升,这样在同样的温差（发电片冷热端的温度差值）条件下,微纳结构表面与普通表面相比可以获得更高的热电转化效率。因此,微纳结构表面的高光谱吸收性能使得TEG模块经光热转化后得到的高热能沉积使载流子迁移率得到了提高,进而显著提升了TEG模块发电性能,这是微纳结构表面增强TEG温差发电效率的主要原因。这一机理的揭示,为TEG模块发电性能的进一步优化和提升提供了理论依据,对TEG模块的实际应用具有重要的意义。     

用太赫兹时域光谱技术判别防冻液和刹车油的真伪

太赫兹时域光谱技术可以分辨化合物结构上的微小差异并应用于物质检测与分析,为有机化工产品的鉴别及更宽有效光谱区的测试提供了新的实验方法.本文运用太赫兹时域光谱技术研究了甲醇、防冻液和刹车油在太赫兹波段的光学特性,在室温氮气环境中,得到了样品的时域谱和在0.2～2.5THz波段的吸收谱.甲醇和防冻液、刹车油在此波段的吸收谱存在显著差异,甲醇的吸收峰位于0.35THz、0.72THz处,防冻液和刹车油的主要吸收峰位于0.62THz处.实验表明,用太赫兹时域光谱技术可以检测防冻液和刹车油里是否掺有甲醇,进而判断其质量的优劣.