多色宽带相干反斯托克斯拉曼散射过程的理论与实验研究

宽带相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS)光谱技术能够同时获取完整的分子CARS光谱信息,以准确识别和定量分析混合物中的不同成分或未知成分.在宽带CARS光谱技术中,由于超连续谱激光有效光谱范围内各光谱成分的作用不同,分别会产生双色和三色CARS过程.这里我们在理论上分析了宽带激发条件下两种CARS过程的产生条件,以及不同CARS光谱信号强度与各激发光功率之间的关系.在此基础上,搭建了基于SC激光的宽带CARS光谱系统,分别实现了双色和三色CARS过程.通过对获得的苯甲腈样品的CARS光谱信号进行函数拟合分析,实验验证了上述两个过程中CARS信号的强度与各激发光强度之间的函数关系.理论和实验研究结果为进一步优化宽带时间分辨CARS光谱探测和显微系统,实现同时获取物质分子完整的CARS光谱信号提供了指导.     

显微拉曼技术对毒品检测分析的研究

利用曙微拉曼技术对八种常见毒品做了测试和分析,得到拉曼散射谱。对毒品拉曼谱和分子结构的分析表明：取代支链上甲基的数目和位置对拉曼谱线均有明显的影响。在激发光５１４．５ｎｍ下,几种常见的毒品都具有不同程度的荧光,采取适合的测试条件,对减小拉曼谱的荧光有明显的作用。此外实验中发现那可汀和蒂巴因对强光照射比较敏感,因此控制样品表面的激光功率约１ｍＷ左右。最后分析比较毒品的拉曼谱,给出它们的拉曼谱线,以区     

分时窄带CARS光谱技术在测量烯烃浓度方面的应用

基于相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)光谱技术机理,针对甲醇制烯烃(MTO)产物中多种组分烃类的探测需求,搭建了一套扫描式窄带CARS光谱实验装置。采用该装置对甲烷,乙烷,乙烯,丙烯分别进行CARS光谱扫描,获得了各分子的特征拉曼谱;并在相同实验条件下进行比对试验,得到不同分子特征峰处的CARS信号强度与目标气体浓度及其他背景气体之间的关系。通过建立简化模型对不同分子的CARS信号特征峰强度信息进行解析,提出了一种分时窄带CARS光谱探测多种拉曼活性气体浓度的方法,用于快速在线分析催化化工等领域中各类流体的组分。利用这种方法探测了甲烷,乙烯,丙烯的浓度,将实验误差控制在9%以内。     

近距离激光外差探测光学极限位移分辨率

通过统计理论和维纳-辛钦定理推导出激光外差探测系统光电流的功率谱函数,分析了光电流谱线分布与激光光源线宽、中频信号频率以及信号光相对本振光传输延迟时间的关系,修正了相关文献中光电流功率谱的理论公式.根据信号与噪声理论建立了激光线宽引起的相位噪声的一维概率分布模型,并据此得到了基于激光波长、探测距离以及激光线宽的极限位移分辨率的数学模型.对光电流的功率谱和外差光学极限位移分辨率进行了相关的数值仿真,结果表明延迟时间与相干时间的关系决定光电流谱线分布的情况.当激光波长为532 nm,激光线宽在1 kHz,探测距离为100 m时,光学极限位移分辨率为0.266 nm,相关文献中的实验数据与理论推导结果相符合.     

激光波长对拉曼散射水温遥感系统测温精度及探测深度的影响

机载激光拉曼散射雷达技术可以快速获取次表层海水温度的三维分布,具有重要的实用价值和经济价值.首先,从理论上分析了水的伸缩振动拉曼谱峰值位置和半高全宽与激发波长之间的对应关系,发现随着激发波长的增大,拉曼峰逐渐向长波方向移动,且拉曼光谱半高全宽显著增大.然后,实验测量了不同温度下450 nm激光和532 nm激光激发的水的拉曼光谱,对比验证了上述理论分析结果.并采用单高斯峰拟合法分析了两组拉曼光谱,拟合出高斯峰峰值位置与温度之间的关系,分析了激发波长对温度测量精度的影响.研究发现,采用较长波长的激发光可以提高拉曼光谱的测量精度,从而改善测温精度.最后,建立了拉曼散射雷达方程,分析了拉曼散射系数与激光波长之间的关系,研究了激光波长对雷达系统探测深度的影响.结果表明,激光波长对雷达系统探测深度有很大的影响,采用480 nm以下波长的激光时雷达系统探测深度较大,而采用长波段激光时雷达系统探测深度会大幅降低.实际系统设计中选取激光光源时需要综合考虑上述两方面的影响.     

CdTe拉曼散射的温度淬灭

利用傅里叶变换拉曼散射技术研究了ＣｄＴｅ表面的拉曼散射信号与激发光功率的关系，并对实验结果进行了分析和定性解释。     

拉曼光谱法计算多孔硅样品的温度

利用457.5nm固体激光器作为激发光源，得到了在不同功率激发下的多孔硅样品的拉曼光谱以及一些谱峰参数随功率的变化关系. 在从前的理论研究中，认为是由于激光功率的增大导致样品局域温度升高，从而使样品局域粒径变小，并由此引起了一系列谱峰参数的变化. 分别由520cm^-1和300cm^-1附近得到的随功率变化的拉曼谱图，详细讨论并计算了激光功率对多孔硅样品局域温度的定量影响，为拉曼光谱用于样品温度的定量测量奠定了实验基础. 关键词： 拉曼光谱 多孔硅 激光功率 样品温度     

低压氢等离子体发光光谱

本实验使用2.45 GHz微波(100～200 W)激励产生低压(1～4 kPa)氢等离子体,通过光纤光谱仪探测氢等离子体的发射光谱,并分析了特征谱线分布及谱线强度随压强、功率的变化情况,计算了氢等离子体的电子激发温度.实验结果表明,压强由1 kPa增加至4 kPa,谱线强度减小;功率由100 W增大至200 W,谱线强度增大.随着压强的增大,电子激发温度减小或先减小后增大.     

低压氢等离子体发光光谱

本实验使用2.45 GHz微波(100～200 W)激励产生低压(1～4 kPa)氢等离子体,通过光纤光谱仪探测氢等离子体的发射光谱,并分析了特征谱线分布及谱线强度随压强、功率的变化情况,计算了氢等离子体的电子激发温度.实验结果表明,压强由1 kPa增加至4 kPa,谱线强度减小;功率由100 W增大至200 W,谱线强度增大.随着压强的增大,电子激发温度减小或先减小后增大.     

低压氢等离子体发光光谱

本实验使用2.45 GHz微波(100～200 W)激励产生低压(1～4 kPa)氢等离子体,通过光纤光谱仪探测氢等离子体的发射光谱,并分析了特征谱线分布及谱线强度随压强、功率的变化情况,计算了氢等离子体的电子激发温度.实验结果表明,压强由1 kPa增加至4 kPa,谱线强度减小;功率由100 W增大至200 W,谱线强度增大.随着压强的增大,电子激发温度减小或先减小后增大.     

Experimentally validated Raman Monte Carlo simulation for a cuboid object to obtain Raman spectroscopic signatures for hidden material

In conventional Raman spectroscopic measurements of liquids or surfaces the preferred geometry for detection of the Raman signal is the backscattering (or reflection) mode. For non‐transparent layered materials, sub‐surface Raman signals have been retrieved using spatially offset Raman spectroscopy (SORS), usually with light collection in the same plane as the point of excitation. However, as a result of multiple scattering in a turbid medium, Raman photons will be emitted in all directions. In this study, Monte Carlo simulations for a three‐dimensional layered sample with finite geometry have been performed to confirm the detectability of Raman signals at all angles and at all sides of the object. We considered a non‐transparent cuboid container (high density polyethylene) with explosive material (ammonium nitrate) inside. The simulation results were validated with experimental Raman intensities. Monte Carlo simulation results reveal that the ratio of sub‐surface to surface signals improves at geometries other than backscattering. In addition, we demonstrate through simulations the effects of the absorption and scattering coefficients of the layers, and that of the diameter of the excitation beam. The advantage of collecting light from all possible 4π angles, over other collection modes, is that this technique is not geometry specific and molecular identification of layers underneath non‐transparent surfaces can be obtained with minimal interference from the surface layer. To what extent all sides of the object will contribute to the total signal will depend on the absorption and scattering coefficients and the physical dimensions. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

激光诱导击穿光谱与拉曼光谱技术在危险物检测中的研究进展

炸药、生物及化学危险物检测在反恐和公共安全领域具有重要应用价值,也是目前亟需解决的问题。激光诱导击穿光谱技术利用高能激光脉冲诱导材料产生等离子体,通过探测等离子体辐射光谱从而分析其组成成分。拉曼光谱技术是基于非弹性光散射的一种光谱检测方法,可以反映分子的振动信息。由于它们都具有快速和非接触遥测的优点,成为最有发展潜力和应用前景的危险物检测技术。介绍了激光诱导击穿光谱、拉曼光谱以及二者联合探测技术在危险物检测中的国内外发展现状,并对各自的优缺点进行了分析。激光诱导击穿光谱信号强、实时性好,但重复性差、基底效应影响显著,在判别组成元素相同而分子结构不同的危险物和干扰物时面临巨大挑战。拉曼光谱能够提供被测物的分子信息,适合于鉴别有机危险物,但信号弱、受荧光干扰大、检测低浓度样品及分析混合物的能力弱,外场使用时受周围杂散光以及环境变化的影响大。将这两种光谱探测技术相融合,发挥各自的优点,可以有效地提高探测危险物的准确度。但两种光谱联合探测系统结构和数据处理复杂,成本高,还有许多技术难点亟需解决。文章最后,对危险物激光诱导击穿光谱和拉曼光谱研究的前景进行了展望。     

Observation of increase in Raman intensity of surface phonon polaritons on rough surfaces of ZnTe

An increase in Raman intensity of surface phonon polaritons has been observed in free-standing thin slabs (thickness ～ 7 μm) of single- crystal ZnTe with rough surfaces by a conventional Raman-scattering technique at room temperature. The samples with various root-mean- square roughness heights have been prepared by making use of final polishing powders with different mean-grit sizes, and the surface roughness has been confirmed by measuring the intensities of the diffuse scattering of the laser light. The increase of the Raman intensity is proportional to the mean-square height of the surface roughness, and the shift of the dispersion relation is also proportional to it. The frequency shift is explained by a perturbation theory of the surface-roughness-induced scattering.     

一种用多色光作为激发源产生拉曼光谱的新算法

探讨用多色光代替激光作为拉曼光源的新型拉曼光谱仪的可能性。根据拉曼光谱原理, 并通过数学分析, 发现当用多色光照射在样品上时, 所得到的散射光经散射频率校正后在不同频率上的强度分布可以写成样品的Raman-Rayleigh联合散射谱和激发光光源的功率谱的卷积。利用傅里叶变换算法,有可能从多色光照射样品所得到的散射光谱中导出样品的拉曼光谱。基于上述原理,可能发展出不用激光的新一代拉曼光谱仪。     

用于远程探测的空间外差拉曼光谱技术研究

空间外差拉曼光谱技术是一种新型拉曼光谱探测技术,具有光通量大、高分辨率、无移动部件等技术优势,非常适用于行星探测任务中,对行星表面的矿物及有机物进行分析,探寻可能存在的生命标志物。作者将这一技术运用于远程拉曼光谱探测中,对远程空间外差拉曼光谱仪的光谱分辨率、光谱范围及信噪比等主要特性进行了分析与实验验证。文章对远程空间外差拉曼光谱探测的基本原理进行了简述,设计搭建了一套实验平台,并进行了定标,验证了其性能参数。在此基础上,获取了10 m处部分无机固体样品、有机样品及天然矿物的拉曼散射信号,对系统信噪比进行了估计。由于装调精度不高、光学器件缺陷等原因,系统远非理想。但测试结果表明,对于大部分样品的主要拉曼散射峰,系统信噪比优于5,基本可以满足清楚分辨典型拉曼谱峰的要求,依然可以证明这一技术的可行性。空间外差拉曼光谱技术可以弥补色散型光栅光谱仪与傅里叶变换型光栅光谱仪的主要技术缺陷,在行星表面物质探测与分析领域具有较大的应用前景。作者对于这一技术的研究一定程度上证明了空间外差拉曼光谱技术在远程探测方面的潜力,可为远程空间外差拉曼光谱仪的工程实现提供参考。     

The dynamic angle-limited integrated scattering (DALIS) method for measuring scattering of light from optical surfaces with random roughness

A new and simple dynamic angle limited integrated scattering (DALIS) method is developed to examine optically smooth reflective surfaces with defined surface form. Our experimental results from two systems show advantages over conventional angle resolved scattering measurement (ARS) methods. By collecting scattered light in a given solid angle, our methods do not require a detection unit with an extremely large dynamic range. Unlike in the common ARS measurement method, here we use a simple linear translation stage to scan scattered light. The power spectrum density function and the autocorrelation function of the surface roughness can be recovered from the measured scattering pattern. This method can be applied to in-workshop inspection of optical polishing processes.     

Relationship between the giant enhancement of the Raman scattering and luminescence on nanostructured metallic surfaces

The relationship between the factors of giant enhancement of luminescence and inelastic (Raman) scattering of light at planar silver nanostructures is investigated. For this purpose, the variation of the enhanced luminescence and Raman signals with the distance between the nanostructure surface and a layer of test molecules is examined. It is found that, for lines whose spectral position is close to the wavelength of the excitation laser, the enhancement factor for the Raman scattering is proportional to the square of that for the luminescence signal. As the spectral shift between the Raman lines and the laser position increases, the above dependence becomes subquadratic. It is established that the spatial scale on which the enhancement is manifested is the same for both effects and amounts to 25–30 nm.     

痕迹走私海洛因显微拉曼测试分析

利用显微拉曼技术对手指沾有微量毒品--走私海洛因做了测试分析，在可见光514.5nm激发下，低浓度的走私海洛因具有很强的荧光，通过对样品表面的分析，得到了高质量的海洛因拉曼散射谱。研究表明选取样品表面合适测试点和控制激光功率对减小走私海洛因拉曼散射谱的荧光有明显的作用。     

Enhancement of Secondary Radiation of Chromophores Adsorbed on the Rough Surface of Thin Silver Films under Conditions of Resonance Excitation

The spectra of giant Raman scattering of light and surfaceenhanced fluorescence of certain chromophores absorbing light in the visible spectrum region are investigated. The factors that have an effect on the enhancement of secondary radiation of chromophores adsorbed on the surface of rough silver films under conditions of resonance excitation are determined. The spectra of mirror reflection of light by the substrates used are considered. The coefficients of diffuse and mirror reflection, absorption, and transmission of light by thin silver films at wavelengths of 488 and 633 nm are determined. The scheme of an experimental system for observation of the spectra of giant Raman scattering and surfaceenhanced fluorescence on the source side of a transparent substrate is proposed. Conclusions on the predominant contribution of the resonance excitation of surface plasmons to the enhancement of the signal of the giant Raman scattering and surfaceenhanced fluorescence of molecules adsorbed on the rough metal surface are drawn.     

具有双共振吸收峰的Au纳米粒子制备及其拉曼表征

表面增强拉曼散射(SERS)很大程度的弥补了拉曼散射强度弱的缺点,迅速成为科研工作者们的研究热点,在食品安全、环境污染、毒品以及爆炸物检测等领域应用广泛。纳米技术的发展使得目前对于SERS的研究主要集中于金属纳米颗粒基底的制备,金属纳米粒子的种类、尺寸及形貌对SERS增强和吸收峰峰位均有影响,要获得好的增强效果,需要对金属纳米结构进行工艺优化。特别是,需要结合金属纳米粒子的结构和激励光波长,以期获得更好的增强效果。为了研究SERS增强和吸收峰之间的关系,开展了具有双共振吸收峰的金属纳米粒子的研究。首先利用FDTD Solutions仿真建模,主要针对金纳米颗粒直径、金纳米棒长径比及分布状态对共振吸收峰进行仿真,得到金纳米球理论直径在50 nm左右,金纳米棒理论长径比在3.5~4.5左右时,吸收峰分别分布在532及785 nm附近,符合多波段激励光拉曼增强条件;对于激励光偏振方向,其沿金纳米棒长轴方向偏振时吸收峰位于785 nm附近,沿金纳米球短轴方向偏振时吸收峰位于532 nm附近。然后采用种子生长法,制备了可用于多种波长激励光的双吸收峰表面增强拉曼散射基底。通过改变硝酸银用量(5,10,20,30和40 μL)、盐酸用量(0.1和0.2 mL)以及其生长时间(15,17,21和23 h)等多种工艺参数来控制金纳米棒含量,得到了同时含有金纳米球及金纳米棒的双吸收共振峰金纳米粒子。最后用该样品作为基底,罗丹明6G(R6G)作为探针分子,分别测试其在532,633和785 nm激励光入射时的SERS表征,对分析物R6G最低检测浓度均达到了10-7 mol·L-1,增强因子达到了~105,满足了多波段SERS检测的需要。