激光外差光谱仪的仪器线型函数研究

激光外差是一种基于相干探测原理的高灵敏度光谱检测技术,因其同时具有很高的光谱分辨能力,被广泛应用于诸多研究领域.在光谱测量过程中,仪器线型函数对吸收谱线的平滑作用,会对气体浓度的反演结果产生影响.为了获取激光外差光谱仪的仪器线型函数,基于激光外差原理和信号处理过程,对影响仪器线型函数的射频滤波带宽和积分时间等参数进行了分析,获得了仪器线型函数表达式.利用自行建立的激光外差光谱仪,多次测量了3.53μm波段内水汽、甲烷的吸收谱线,分别将射频滤波频域响应函数和本文获得的仪器线型函数耦合进水汽、甲烷柱浓度的反演.结果表明,射频滤波带宽为30 MHz、积分时间分别为10 ms和100 ms时,光谱仪的实际分辨率分别约为0.005 cm~(-1)和0.025 cm~(-1);使用仪器线型函数对积分时间为100 ms时测量的数据进行反演,透过率残差平方和与甲烷吸收峰值处的残差分别减小16%和100%,提高了气体浓度反演的准确度.     

基于谱线线型函数的气体浓度检测技术

快速、精确地测量微量气体浓度的技术在大气质量分析、环境污染检测等领域具有广泛的用途。在红外光谱检测技术中,气体吸收光谱的谱线线型函数是定量测量气体浓度的一个重要参量,而如何准确和快速地得到气体谱线线型函数值是气体浓度测量中的一个关键问题。首先从理论上分析了谱线线型函数,得出计算谱线线型函数的一般方法及探讨了气体浓度与谱线线型函数峰值之间的关系。然后,利用可调激光器及光谱仪检测系统测量了乙炔在1 515～1 545 nm波长范围内的吸收光谱,再通过Lambert-Beer定律计算得到在不同频率下的谱线线型函数峰值,最后利用程序拟合出该波段内气体的谱线线型函数峰值分布曲线,并与Voigt线型函数理论计算值进行了比较,发现理论计算的谱线线型函数峰值仍存在一定的偏差。相比理论计算结果,所提出的检测方法得到的乙炔浓度与真实的乙炔浓度值更加吻合,表明了通过实验确定的谱线线型函数的经验公式可以更好地用于气体浓度的检测。由于利用实验测量值获得了谱线线型函数峰值分布的拟合曲线,因此可以快速准确地计算出所对应的谱线线型函数峰值,从而大大地简化了线型函数的计算过程。实验所获得的数据可应用于光学遥测乙炔气体浓度,且提供的方法也可以应用到其他气体的谱线线型函数峰值的测量中。     

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。     

Voigt函数拟合的LIBS谱线自吸收校正方法在磷矿镁元素分析中的应用

MgO含量是磷矿浮选过程中最为关注的指标之一。实现浮选过程中MgO含量的快速检测,对于优化浮选过程、提高效率、降低成本有着非常实际的意义。因此, LIBS技术被引入到了磷矿中镁元素含量的分析。常用于LIBS分析的Mg元素特征谱线(如MgⅡ279.6 nm,MgⅡ280.3 nm, MgⅠ285.2 nm)多为共振线,谱线强度易受自吸收效应影响,导致谱峰强度下降,影响分析准确性。提出一种基于近似Voigt函数的拟合方法:首先通过近似函数对Voigt函数进行简化;再通过低含量样本确定谱峰中心和理想条件下的半峰宽;进而通过计算谱峰所在区域线型的斜率,确定用于拟合的谱翼区域;最终通过对谱峰两翼受自吸收效应影响较小的光谱进行拟合,得到更接近理论线型的谱线。在定量分析磷矿样品中的镁元素含量应用中,使用拟合后的MgⅠ285.2 nm谱线区域面积作为分析谱线强度,以拟合的Si 288.2 nm谱线区域面积作为参考谱线强度,使用内标法对镁元素含量进行了标定。对比未拟合直接内标的方法,该方法的标定确定系数(R~2)由0.923提升至0.998,均方根误差(RMSE)和平均相对误差(ARE)分别由0.96, 38.65%下降到0.16, 2.79%,说明该方法使磷矿镁元素定量分析的整体测量准确性得到了有效的提升。     

HT—6M托卡马克边界粒子循环

利用光学多道分析仪系统进行了高分辨率的Ｈａ谱线线型的测量,从Ｈａ谱线线型直接得出氢原子的能量分布。由能量分布可知 ,发生在等离子体边界的原子,分子过程是离子在孔栏表面中性化后的反射,以及电子碰撞引起的氢分子的激发离解和电离离解。通过高斯拟合,得出了再循环粒的入射速度。     

基于多普勒非对称空间外差光谱技术的多普勒测速仿真

阐述了多普勒非对称空间外差光谱仪用于被动式多普勒测速的基本原理,通过综合考虑干涉条纹对比度和仪器测速灵敏度等关键因素,建立了效率函数,分别针对高斯线型和洛伦兹线型发射谱线,从理论上推导了最优单臂偏置量的选择依据,并以高斯线型目标谱线为例进行了仿真验证.同时,提出了一种基于部分干涉条纹反演多普勒速度的数据处理方法,简化了多谱线目标源的数据处理过程.结合自适应频率跟踪算法对单谱线目标源和多谱线目标源进行了仿真比较,仿真结果表明,在不考虑噪声的情况下,该方法针对多谱线目标源的多普勒测速最大绝对误差在0.004 m/s以内,与针对单谱线目标源的处理精度相当,可以满足实际应用的精度要求.     

基于分子转-振光谱精细结构的火焰温度遥测方法

燃烧火焰温度是固体推进剂等重要参数,本文研究了基于分子转-振光谱精细结构的火焰温度遥测方法.根据分子转-振光谱线的展宽机制,研究了分子谱线线型.结合朗伯-比耳吸收定律,去除谱线中心受大气低温气体吸收影响较大的数据点后,利用谱线两翼的数据点进行谱线线型拟合,利用分子转-振光谱精细结构温度遥测方法将经拟合修正后数据反演火焰...     

最优化方法处理等离子体连续辐射谱

等离子体连续辐射谱反应了轫致辐射和复合辐射总效果,通过对连续谱的拟合可以给出等离子体的电子温度信息.基于Z箍缩钠等离子体的连续辐射谱数据,提出以最优化的观点来拟合实验数据,可以充分将实验中涉及到的多种未知变量作为不定参数考虑进去,比普遍采用的直线拟合更准确,其残差平方和仅为后者的1/3.6,同时与共振线强度比得到的电子...     

激光诱导Al等离子体中的Doppler效应

用Nd:YAG脉冲激光烧蚀Al靶产生等离子体,利用时间分辨技术采集Al等离子体辐射的时间分辨信息,使用光学多道分析系统(OMA Ⅲ)记录Al等离子体辐射光谱,从而获得激光诱导Al等离子体时间分辨光谱。分别利用Lorentz函数、Gauss函数以及这两种函数的线性叠加函数(后简称叠加函数),对Al原子共振双线Al Ⅰ 396.15 nm,Al Ⅰ 394.40 nm进行拟合分析,解析出实验谱线所含的Lorentz和Gauss线形成分。通过对比这两种线形成分发现,实验谱线主要由Lorentz线形成分所组成,Gauss线形成分相对少得多。通过对比Lorentz函数与叠加函数对实验谱线的拟合曲线,给出了Doppler效应展宽谱线的直观图像,估算了Doppler效应导致谱线的增宽量。结果发现,Doppler效应引起的Al共振谱线增宽约2×10-3～8×10-3 nm,这与理论计算结果6.7×10-3 nm符合得很好。因此,通过拟合分析与理论计算,对激光诱导Al等离子体中的Doppler效应给以圆满解释。     

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。     

Photonic integrated transceiver for the access network

To reduce fabrication costs of fibre-optic terminal modules for interactive services, an InGaAsP/InP chip fabrication process has been developed for monolithic integration of a strained-layer multiple quantum well laser, a monitor diode and a photoreceiver with a 1300/1530nm filter. Reception responsivity and output power of the chips are 0.1 AW^-1 at 1300nm wavelength and 4.5mW at 1530nm wavelength, respectively. At present, complete modules with fibre pigtail exhibit 0.7mW launch power, but 1.4 mW is expected with the latest chips.     

片上制备横向结构ZnO纳米线阵列紫外探测器件

将纳米技术与传统的微电子工艺相结合, 片上制备了横向结构氧化锌(ZnO)纳米线阵列紫外探测器件, 纳米线由水热法直接自组织横向生长于叉指电极之间, 再除去斜向的多余纳米线, 其余工艺步骤与传统工艺相同. 分别尝试了铬(Cr)和金(Au)两种金属电极的器件结构: 由于Cr电极对其上纵向生长的纳米线有抑制作用, 导致横向生长纳米线长度可到达对侧电极, 光电响应方式为受表面氧离子吸附控制的光电导效应, 光电流大但增益低, 响应速度慢, 经二次电极加固, 纳米线根部与电极金属直接形成肖特基接触, 光电响应方式变为光伏效应, 增益和速度得到了极大改善; 由于Au电极对其上纵向生长的纳米线有催化作用, 导致溶质资源的竞争, 相同时间内横向生长的纳米线不能到达对侧, 而是交叉桥接, 但却形成了紫外光诱导的纳米线间势垒结高度调控机理, 得到的器件特性为最优, 在波长为365 nm的20 mW/cm²紫外光照下, 1 V电压时暗电流为10^-9 A, 光增益可达8×10⁵, 响应时间和恢复时间分别为1.1 s和1.3 s.     

反射式倒装对1 300 nm激光器性能改善的分析

对AlGaInAs多量子阱1 300 nm FP激光器进行反射式倒装封装,在热沉上靠近激光器出光端面约10~20 μm的区域采用Au反射层,对器件垂直方向出光进行反射。测试结果显示,与常规封装相比,采用这种结构封装芯片垂直发散角从34.5°降低至17°,器件单模光纤的平均耦合功率从1 850 μW提高至2 326 μW,耦合效率从21.1%提高到26.5%。对两种激光器进行光电参数的测量,结果表明：与常规封装器件相比,采用反射式倒装结构器件的饱和电流从135 mA提高至155 mA,饱和输出功率从37 mW提高至42 mW,热阻从194 K/W降低至131 K/W。最后对两种器件在95℃环境温度、100 mA电流下进行加速老化实验,老化结果显示：在老化条件下,器件衰退系数从常规封装的4.22×10^-5降低至1.06×10^-5,寿命从5 283 h提高至21 027 h。     

基于高斯拟合的光纤型SPR信号的峰值检测算法

光纤型表面等离子共振光谱具有半峰宽较宽,共振峰不尖锐等特征,传统的针对棱镜型SPR光谱的峰值检测算法无法准确定位此类光谱的共振峰值。为了准确计算光纤型SPR光谱的共振波长,提出了一种基于信赖域算法的高斯拟合方法,在拟合的光谱曲线上利用一维搜索的方式确定峰值位置。通过对标准甘油光谱数据的处理,证明高斯拟合法能够适应光纤型SPR光谱的特征,波长计算准确。通过搭建的SPR系统,实验测量了不同浓度下蔗糖溶液的SPR光谱数据,并分别采用加权质心法,追踪质心法和该研究提出的高斯拟合法进行共振波长的计算。结果表明高斯拟合法能够有效提升分辨率,且运算速度较快,有利于工程集成。     

基于有效集算法的大功率单色LED太阳光谱模拟仿真

利用单色LED实现对AM1.5标准太阳光谱可见光（380~780 nm）波段和标准光源CIE-D65的匹配,提出了通过有效集算法作为目标光谱的匹配算法,将Epitex公司的大功率单色LED的峰值波长和半高全宽数据作为有效集,并建立了一个数据库。将相关指数R²最大作为优化目标,通过MATLAB编程求解超定方程组的最小二乘解求出拟合所需要的单色LED的种类和数量。拟合AM1.5可见光的最佳组合中使用24种单色LED,相关指数R²高达0.850 2,拟合标准光源CIE-D65的最佳组合中使用25种单色LED,相关指数R²高达0.940 5。进行了增加LED和减少LED的优化实验。得出的结果对工程实践中单色LED拟合太阳光谱的研究提供了理论基础。     

高Yb3+/Er3+掺杂的磷基有源光纤材料的光谱性质

研究了Yb³⁺/Er³⁺共掺60P₂O₅-15BaO-10Al₂O₃-5ZnO-10R₂O（R=Na,K）以P₂O₅为主体的磷基有源光纤材料的光谱性质,以及不同Yb³⁺/Er³⁺掺杂浓度对光谱性质的影响规律。当Er³⁺浓度为9.100×10¹⁹/cm³、Yb³⁺的掺杂浓度为5.407×10²⁰/cm³、Yb³⁺/Er³⁺浓度比为6：1时,玻璃样品在1 531 nm处的受激发射截面最大,为6.17×10^-21 cm²。同时,其荧光寿命为9.73 ms,荧光半高宽为53.16 nm,发射截面与半高宽的乘积为3.28×10^-32 m³,综合性能最佳。     

光瞳半径对纯位相调制激光束整形系统的影响

光瞳截断作用对纯位相调制激光束整形系统的系统性能有重要影响. 本文提出了一种关于光瞳半径对近场调制位相和远场系统评价函数影响的定量分析方法. 通过拉格朗日乘数法等方法分析光瞳半径对近场调制位相的影响, 结果表明: 近场调制位相随光瞳半径近似线性增加. 通过建立数学模型, 拟合分析光瞳半径对系统评价函数的影响. 结果表明: 对方形目标光强, 系统评价函数拟合精度确定系数达到99%左右, 光瞳半径为2.5倍高斯光束束腰半径时, 相关系数达到0.997, 光强偏离残差平方均值达到0.0004左右, 光瞳截断作用趋于最小; 对圆形目标光强, 系统评价函数拟合精度确定系数达到97%, 光瞳半径为3倍高斯光束束腰半径时, 相关系数与光强偏离残差平方均值变化幅度均在10^-3量级, 系统评价函数趋于收敛, 光瞳截断作用趋于最小.     

采用超连续谱激光的双光束光纤光阱实验

以超连续谱激光器作为捕获光源,首次提出并搭建了超连续谱双光束光纤光阱实验系统,实现了聚苯乙烯微球的捕获和操控。通过改变光纤端面间隔和调整捕获光功率的方式精确控制微球的位置,采用CCD图像分析方法实现了微球位置的精确测量。对微球受限布朗运动下的位置变化进行傅里叶变换,计算得到功率谱,与理论功率谱函数拟合后求出了其光阱刚度。结果表明,捕获光束的功率为28 mW时,光阱刚度达到1.3×10-6N/m,高于相同实验条件下单波长光纤光阱的刚度。与传统采用单色光作为捕获光源的光镊系统不同,超连续谱双光束光阱系统利用其宽谱优势,通过研究被捕获微粒的散射光谱信息可获取其尺寸、折射率等物理特征参数。     

GaAlAs/GaAs非均匀阱宽多量子阱超辐射发光管材料制备及表征

超辐射发光二极管(SLD)具有不同于半导体激光器和普通发光二极管的优异性能。为了制备高功率半导体超辐射发光管,并且得到比较大的光谱宽度、大的单程增益和抑制电流饱和,我们研究设计了具有850nm辐射波长的GaAlAs/GaAs非均匀阱宽多量子阱超辐射发光二极管结构,采用分子束外延(MBE)方法进行了材料制备。同时利用X射线双晶衍射,变温(10～300K)光致发光(PL)等方法检测分析了外延薄膜的结构和光电特性。在光致发光谱线中我们得到了发射波长850nm的谱峰,谱峰范围跨跃800～880nm,双晶回摆曲线结果显示了设计的结构得到实现。在注入电流140mA时,器件输出光谱的半峰全宽可以达到26nm,室温下连续输出功率达到6mW。     

钬铥双掺钨酸镱钾激光晶体光谱参数计算

采用顶部籽晶提拉法（TSSG）生长了钬铥双掺钨酸镱钾（KHo_0.04Tm_0.06Yb_0.9（WO₄）₂）激光晶体。测试了该晶体的吸收及荧光光谱,计算了其光谱参数。实验结果表明：该晶体在890~1 000 nm范围吸收带较宽,半峰宽为90 nm,计算了主峰1 000 nm处吸收截面为16.92×10^-20 cm²;Tm³⁺在1 690~1 812 nm范围存在较宽的吸收带,半峰宽为118 nm,易于实现Yb→Ho、Yb→Tm、Tm→Ho的能量传递。根据Judd-Ofelt理论,计算了该晶体的光谱强度参数。根据Tm³⁺、Ho³⁺、Yb³⁺离子能级图,讨论了产生1 750~2 200 nm荧光发射的3种能量传递方式。最后计算了主峰2 030 nm处受激发射截面为3.47×10^-20 cm²,表明该晶体可作为2 μm波段优异的激光增益介质。