基于吸收光谱的光程长度测量方法研究

基于吸收光谱的基本原理,通过计算比尔-朗伯定律数学表达式中的参数实现了光程长度的测量。分析了高斯线型、洛伦兹线型和Voigt线型,采用了Voigt线型对光谱信号进行拟合。研究了Voigt线型峰值计算方法、洛伦兹线宽计算和误差函数求解三个内容。利用可调谐半导体激光吸收谱技术(TDLAS)中的直接吸收谱技术测量了氧气的吸收光谱,得到拟合的光谱峰值数据。将峰值数据带入比尔-朗伯定律数学表达式中,计算出实验光程长度为66.55 cm。对比测量值66.04 cm,测量精度为0.78%,该方法用于光程长度测量是可行的。     

佛克脱线型HeⅠ 1 083.0 nm的有效后向散射截面的理论研究

考虑到碰撞展宽导致的洛伦兹线型,理论上研究了佛克脱线型(高斯线型和洛伦兹线型的卷积)HeⅠ 1 083.0 nm辐射线的后向散射截面和有效后向散射截面,HeⅠ 1 083.0 nm辐射线实际上由三条非常接近的1 083.034,1 083.025和1 082.908 nm辐射线组成,文章给出了此3条辐射线的有效后向散射截面的曲线及其峰值,得到的10-16数量级与预言的数量级相一致。此研究比以前假定HeⅠ 1 083.0 nm辐射线为高斯线型更接近实际,从而为共振雷达探测热成层亚稳态He提供了更全面翔实的理论基础。文章还给出了HeⅠ 388.9 nm和HeI 318.8 nm辐射线的有效后向散射截面的曲线及其峰值,得到它们的有效后向散射截面比HeI 1 083.0 nm辐射线的小,此结论与实验结果相一致。     

电光调制器低频控制对受残余幅度调制影响的频率调制光谱线型优化研究

频率调制(FM)光谱技术中由于激光偏振态变化产生的残余幅度调制(RAM)使其在微量气体检测中的应用受到极大的限制。理论上详细分析了这一过程产生的原因,获得了存在RAM时FM光谱线型的表达式,同时给出N.C.Wong和J.L.Hall(W-H)方案抑制RAM后的FM光谱线型表达式;在实验上通过对乙炔气体的测量获得了存在RAM时的光谱线型,同时采用W-H方案对RAM进行了抑制,并获得了优化的光谱线型;最后基于理论结果对实验线型进行了拟合,两者差值小于信号峰峰值的4%。     

光纤傅里叶变换光谱仪干涉图的对称化处理

偏离中心条纹的抽样以及光纤干涉仪的缺陷引起光纤傅里叶变换光谱仪(FFTS)输出的干涉图不对称,导致由傅里叶余弦变换计算得到的光谱带有相位误差,影响光谱的线型。文章首次将卷积方法应用到光纤傅里叶变换光谱仪中干涉图的对称化处理,利用干涉图的中心部分计算出相位误差,通过傅里叶变换得到了对称化处理函数,用卷积运算在时域完成了光谱的相位误差校正。实验研究表明,在FFTS中该方法能在时域有效地实现干涉图对称化,校正了光谱的相位误差。该方法不仅克服了双边干涉图的缺点,而且校正的结果有较高的准确度。     

纳米流体激光自混频功率谱及其计算

激光自混频技术可用于纳米颗粒和纳米流体的探测。在纳米流体自混频信号自相关函数的基础上,理论推导了功率谱函数的表达式。结果表明,纳米流体的激光自混频信号功率谱是洛伦兹线型和高斯线型的卷积,即佛赫特(Voigt)线型。通过数值计算研究了各种典型情况下激光自混频信号功率谱的频谱特征,颗粒定向运动速度决定了多普勒频移和高斯线宽,颗粒粒度决定了洛伦兹线型的宽度,颗粒粒度和速度与功率谱之间的对应关系为纳米流体的测量提供了理论基础。     

光纤受激布里渊增益谱线型特性分析

光纤受激布里渊效应是一种非常重要的光纤非线性效应,受激布里渊增益谱的线型特性,对于光谱分析、微波光子学、光纤传感等领域的应用,至关重要。针对增益谱线型特性研究,现有方法难以获取高信噪比的增益谱数据,介绍了一种采用两个窄线宽激光器的增益谱测量方法,其中一个激光器作为探针信号,另一个可调谐激光器作为泵浦信号在宽波段范围内进行推扫。得益于激光器的高信噪比单谱线特性,并利用偏振跟随特性,实现了高信噪比的受激布里渊增益谱测量。测量并分析了不同泵浦功率,对于谱型和线宽等受激布里渊增益特性的影响,特别是,直接实验测量了增益谱型从洛伦兹线型到高斯线型的演化,揭示了泵浦功率等影响受激布里渊增益水平的因素,对于增益谱线型的影响。实验发现,当泵浦功率超过15 dBm时,增益谱出现饱和效应,导致测量增益谱线宽开始随泵浦功率提高而展宽,难以直接测量得到高泵浦功率时的高斯线型的增益谱。提出通过归一化等校正处理,以获取受激布里渊增益谱与待测信号光谱的有效卷积信息,从而得到了近似为高斯线型的增益谱型;针对中间增益区域增益谱型较为复杂,缺少合适增益谱线型演化数学模型的难题,给出了一种基于k次洛伦兹函数拟合的谱型模型,描述从洛伦兹线型到高斯线型的完整演进过程。实验表明拟合效果良好,是一种行之有效的受激布里渊增益谱线型数学模型,可完整描述增益谱在不同增益时的线型。最后,探索了受激布里渊效应在光谱分析方面的应用,通过合理选择泵浦功率等手段,增益谱型为高斯线型时的光谱分光效果最佳,获取了0.2 pm分辨率的6314CA稳定光源的光谱,显示了光纤受激布里渊效应在超高分辨率光谱分析领域的巨大技术优势,而这对于新一代光网络的验证评估至关重要。     

多普勒差分干涉光谱仪大气风速反演过程中窗函数优化

多普勒差分干涉光谱仪是傅里叶变换型光谱仪,在大气风速反演过程中,偶延拓的反演光谱无法直接解出目标谱线的相位,而且在实际测量中反演光谱中含有的杂散光谱线、噪声等,使得复干涉图相位发生变化,最终导致反演风速值的偏差。所以,在对实际噪声环境下测得数据的处理过程中,获取反演光谱相位信息时需要对目标谱线进行提取。针对不同信噪比的干涉图,利用蒙特卡罗方法对不同线宽的不同窗函数的优化反演结果进行分析。结果表明:对于信噪比高于26.5dB的干涉图,线宽为4~5倍光谱分辨率的高斯窗函数是最优的窗函数优化方式;对于信噪比低于26.5dB的干涉图,线宽为7~12倍光谱分辨率的矩形窗函数的反演风速值更精确,是最优的窗函数优化方式,可以复原相位信息,反演出大气风速的近似值。     

InP/InGaAsP多量子阱自发辐射谱的解析函数

利用洛伦兹线型函数、高斯线型函数和Sech线型函数对InP/InGaAsP多量子阱自发辐射谱进行拟合,采用莱文贝格-马夸特算法,得到上述三种函数的解析表达式.研究结果表明:高斯线型光谱拟合函数的中心波长为1548.651nm,谱线半极大全宽度为61.42 nm,功率补偿为0.00212 mW,拟合优度为0.99191,残差平方和为2.26505×10~(-6).高斯线型拟合的拟合优度最大,残差平方和最小,且各数据点的残差值分布在±0.0001之间,分布比较均匀.高斯线型函数具有较高拟合度.     

去卷积和高斯拟合方法在FTIR光谱处理中的应用

讨论了FTIR光谱产生的机理,并分析了影响其光谱质量的两种原因:(1)干涉图的截断;(2)仪器采样率低.为了改善由上述两种原因引起光谱畸变,我们对其进行了仪器线型函数去卷积和高斯拟合,使其更接近实际光谱,从而使由其计算出的物理量更接近实际值,结果更精确.     

基于改进正弦余弦算法的光谱特征峰定位方法

针对目前光谱特征峰识别定位技术识别率低、定位误差大、无法获得光谱线型函数等问题,提出了一种基于改进正弦余弦算法的光谱特征峰识别定位方法。该方法利用动态转换概率改进正弦余弦算法,将改进的正弦余弦算法与多种光谱线型(高斯、洛伦兹和Voigt)拟合方法相结合,通过迭代寻优计算,最终得到对应的光谱特征峰位置。该方法不仅能得到光谱特征峰的位置,而且可以得到光谱线型函数。实验证明,无论强峰、弱峰还是重叠峰,提出的基于改进正弦余弦算法的光谱特征峰识别定位方法在识别率、定位准确率、谱值拟合效果和对噪声的抑制能力等方面均有显著提高。     

Principle of temperature,velocity and pressure of upper atmospheric wind measurement for the Voigt profile

Using the accurate expression of the Fourier transform of the pure Voigt spectral line profile, we present the principle of the passive optical method to measure temperature, velocity, and pressure of atmospheric wind for the Voigt profile. Through discussion, from the Gaussian, Lorentzian and Voigt profiles, we find that velocity will not be affected, pressure can be derived for Lorentzian and Voigt profiles, and temperature will be affected greatly. By simulation and comparison, we find that temperature derived from the Voigt profile is greater than that from the Gaussian profile, and it is less than that from the Lorentzian profile. This discussion will be significant in accurate upper atmospheric wind measurement.     

Voigt线型函数及其最大值的研究

研究了多普勒和洛伦兹线型函数卷积形式的Voigt线型函数, 给出了它的最大值.结果表明, Voigt线型函数是关于中心频率的对称函数, Voigt线型函数的最大值由多普勒和洛伦兹线型函数的半宽度决定, 与中心频率无关, 且比洛伦兹和多普勒线型函数的最大值都小.提出了利用Voigt线型函数最大值和半宽度获得多普勒线型函数和洛伦兹线型函数的方法, 并利用Monte Carlo方法进行了验证. 关键词： Voigt线型函数 半宽度 最大值 傅里叶变换     

温度和压强的变化对谱线线型峰值的影响

谱线线型是用于气体浓度测量中的一个重要参数。本文基于温度(压强)变化会引起相应压强(温度)的变化这一点,考虑温度和压强同时变化对气体线型峰值的影响。通过分析氟化氢的吸收谱线,发现可用Lorentzian线型来计算峰值吸收系数的温度和压强范围都扩大,而Gaussian线型在绝大数情况下不能用来计算峰值吸收系数;在一定的温度范围和压强范围内,如果只考虑压强或温度的变化,由此计算的三种线型峰值(Gaussian,Lorentzian和Voigt)的相对误差大于0.1。因此,在计算线型峰值时,需考虑压强和温度同时变化对线型峰值的影响。最后分别讨论了甲烷、二氧化碳、一氧化碳及一氧化氮,得到与氟化氢结论相似的结论,结论的不完全相同是由于每种气体在波数、压力展宽系数、相对分子质量及温度系数上的不同而导致。     

An analytical derivation of a popular approximation of the Voigt function for quantification of NMR spectra

The approximation of the Voigt line shape by the linear summation of Lorentzian and Gaussian line shapes of equal width is well documented and has proved to be a useful function for modeling in vivo (1)H NMR spectra. We show that the error in determining peak areas is less than 0.72% over a range of simulated Voigt line shapes. Previous work has concentrated on empirical analysis of the Voigt function, yielding accurate expressions for recovering the intrinsic Lorentzian component of simulated line shapes. In this work, an analytical approach to the approximation is presented which is valid for the range of Voigt line shapes in which either the Lorentzian or Gaussian component is dominant. With an empirical analysis of the approximation, the direct recovery of T(2) values from simulated line shapes is also discussed.     

Multiple-beam interferometric determination of the coherence length of spectral sources

A theoretical treatment for multiple-beam fringe visibility taking into consideration the profile of the spectral source is derived for (a) a Gaussian profile; and (b) a Lorentzian profile. A comparative study between the visibility of the two profiles is presented. Expressions for the intensity distribution for Doppler and Voigt cases are given. The fringe visibility dependence on the half-width of the spectral profile of the light illuminating the interferometer for the two cases, namely Lorentzian and Gaussian, is presented. This leads to the view that the coherence length for a Voigt profile is less than it is in the absence of Doppler or pressure broadening. Multiple-beam Fabry-Perot fringes in transmission have been utilized for the determination of the coherence length of the two spectral lines emitted from ¹⁹⁸Hg at wavelengths of 5461 Å and 4358 Å. The method for determination is based on the variation of the visibility of the recorded interference fringes with path difference.     

The profile of the Fe 372·00 nm line excited in a hollow cathode discharge

The profile of the Fe 372·00 nm line emitted in the negative glow of a hollow-cathode discharge is analyzed. The value of the discharge current was varied within the range 7–15 mA, the neon pressure being 1·22–4·40 Torr. The Lorenzian and Gaussian components of the recorded line profile were corrected for instrumental broadening. A correlation was found to exist between the Gaussian component and the cathode voltage drop. The half-width of the Lorentzian component shows the expected dependence on gas pressure. Under the operating conditions used, this component is approx. 10² times greater than the natural one. No dependence on the discharge current was observed. The emitted line profiles may be considered to be Voigt functions with the Voigt parameter varying in the range 3·2 × 10^-2 to 5.5 × 10^-2     

Effects of light on cesium 6S-8S two-photon transition

This work presents a simple approach for determining the contribution of Lorentzian or Gaussian statistics by data fitting the spectrum to a Voigt profile. The fitting result shows that the Lorentzian width remains almost constant (∼1.51 MHz) and the Gaussian width increases (∼1.0-2.0 MHz) while changing the laser intensity or atomic density. The frequency shift associated with the cesium 6S-8S two-photon transition as a function of laser power is approximately ), agrees closely with the theoretical value. These results can be used to improve the optical secondary frequency standard in the near infrared region.     

Voigt lineshape function as a solution of the parabolic partial differential equation

The goal of this paper is to show that the Voigt function may be found as a solution of a parabolic partial differential equation, like the heat conduction equation or other diffusion equations. A square of the Gaussian half-width of the Voigt function plays the role of ‘time’ and initial conditions are determined by a Lorentz function. Some questions concerning the practical application of the numerical grid methods for the calculation of the Voigt function are discussed. It is shown, that in some cases the offered calculation algorithm can be both faster and more accurate than other known algorithms.