速度调制激光光谱线型的研究

考虑了速度调制光谱实验中气体分子碰撞所引起的压力增宽对谱线线型的影响,对已有的速度调制光谱的理论进行了修正,并用新的理论对所得到的实验谱线进行了精密仿真.结果表明,修正后的理论与实验结果完全符合,在研究分子离子的碰撞动力学以及进行谱线的高精细分辨等方面将具有广阔的应用前景     

速度调制激光光谱线型的研究

考虑了速度调制光谱实验中气体分子碰撞所引起的压力增宽对谱线线型的影响,对已有的速度调制光谱的理论进行了修正,并用新的理论对所得到的实验谱线进行了精密仿真.结果表明,修正后的理论与实验结果完全符合,在研究分子离子的碰撞动力学以及进行谱线的高精细分辨等方面将具有广阔的应用前景.     

生物组织单光程光谱技术的理论研究

高灵敏度光谱检测技术在临床诊疗和组织光学参数测量中具有极其重要的意义。文章提出了一种差分调制激光光谱技术,将经过生物组织后的散射光与参考光的光程差转换为光谱信号的频率特征,通过相敏检测技术将不同频率的信号进行分离,从而实现生物组织散射光的光程分离。文章分析了差分调制激光光谱的机理及信号的谱特征,并基于文献中的生物组织散射光的光程分布,从理论上讨论了差拍信号的谱特征,即光源调制速率一定时,光谱信号中的主频成分位置只与散射光和参考光的光程差有关;生物组织对光信号的衰减系数会影响光谱信号中频率成分的能量强度分布。分析结果表明,差分调制激光光谱能对生物组织的光谱信号进行光程分离,从而实现生物组织的单光程光谱检测。     

噪声免疫腔增强光外差分子饱和光谱线型的理论分析

噪声免疫腔增强光外差分子光谱(NICE-OHMS)作为世界上最灵敏的光谱技术可以被应用到痕量气体检测、频率标准、原子分子光谱以及超灵敏引力波测量等领域中,高精细度谐振腔吸收池的使用在增长激光与腔内物质相互作用路径的同时,极大的提高了腔内激光功率,这就会饱和低气压下的气态样品吸收线从而获得亚多普勒光谱结构,因此NICE-OHMS技术不仅具有高灵敏、还具有超高分辨的优点。该研究基于光与二能级分子相互作用的密度矩阵理论对NICE-OHMS技术中包含亚多普勒的多普勒展宽光谱线型进行了理论推导,获得了光谱线型的表达式,同时以该表达式对光谱线型进行了数值模拟,其中调制频率、饱和参量、频率调制系数分别设置为384 MHz,10和0.2。由模拟结果可见吸收光谱由两个边带的吸收信号构成,在包络上存在四个亚多普勒饱和结构;色散光谱由载频以及边带的色散三者决定,并在包络上存在五个亚多普勒饱和结构,获得了与已有实验一致的结果。最后重点分析了不同探测相位、不同饱和参量下的NICE-OHMS光谱线型尤其是亚多普勒结构的变化,由于饱和参量按照调制系数分配给载频和边带,因此虽然载频饱和参量很大,但NICE-OHMS吸收光谱幅度变化不大,主要是由于该光谱信号只与边带饱和参量有关,可以看出NICE-OHMS多普勒展宽信号具有饱和效应免疫的特性,与已有实验结果也符合较好。为更进一步的实验研究提供了必要的理论基础。     

半绝缘GaAs的双调制反射光谱研究

半导体材料电子能带结构的确定对研究其物理性质及其在半导体器件方面的应用有重要意义.光调制反射光谱是一种无损和高灵敏度的表征半导体材料电子能带结构的光学手段.光调制反射光谱中激光调制导致的材料介电函数的变化在联合态密度奇点附近表现得更为明显.通过测量这些变化,可以得到有关材料能带结构临界点的信息.然而在传统的单调制反射光谱中,激光调制信号的光谱线型拟合和临界点数目的分析往往被瑞利散射和荧光信号所干扰.本文将双调制技术与双通道锁相放大器结合,消除了瑞利信号和荧光信号的干扰,获得了具有较高信噪比的调制反射光谱信号.双通道锁相放大器可以同时解调出反射光谱信号及其经泵浦激光调制后的细微变化量,避免了多次采集时可能存在的系统误差.利用这种技术,在可见激光(2.33 eV)泵浦下,我们测量了半绝缘GaAs体材料从近红外至紫外波段(1.1-6.0 eV)的双调制反射光谱,获得了多个能带结构临界点的信息.探测到了高于泵浦能量之上的与GaAs能带结构高阶临界点对应的特征光谱信号,说明带隙以上高阶临界点的光调制反射光谱本质是光生载流子对内建电场的调制,并不是来自该临界点附近的能带填充效应.这一结果表明双调制反射光谱能够对半导体材料能带结构带隙及其带隙以上临界点进行更准确的表征.     

双弹光拍频调制型Fourier-Bessel变换成像光谱技术研究

针对现有弹光调制器(photoelastic-modulator, PEM)的调制频率高(几十kHz以上),调制干涉信号频率更高,普通阵列探测器无法有效采集,提出了一种基于双弹光调制器拍频调制和傅里叶-贝塞尔(Fourier-Bessel)变换的光谱测量方法,并结合CCD成像技术构成新型双弹光调制成像光谱技术(dual-photoelastic-modulator-based imaging spectrometer, Dual-PEM-IS)。该方法将双弹光调制器分别工作在数值略有差异的频率上,以对光进行拍频调制,并产生载有被测光的低频调制分量(比驱动频率小2～3个数量级,普通CCD可实现探测),通过对调制信号中的低频成分进行Fourier-Bessel变换可得到目标光谱,使得弹光调制兼具了成像和光谱测量能力。介绍了其原理并推导出光谱反演公式,并通过仿真和实验验证其可行性,分析了光程差的微小偏差对反演光谱造成的影响,为进一步工程化实现提供了必要的理论基础。     

相位调制信号对窄线宽光纤放大器线宽特性和受激布里渊散射阈值的影响

高功率窄线宽光纤放大器的输出功率主要受限于受激布里渊散射(SBS)效应,通过相位调制进行线宽展宽可以有效抑制SBS效应.基于窄线宽光纤放大器中的SBS动力学模型,研究了正弦信号、白噪声信号和伪随机编码信号(PRBS)对窄线宽光纤放大器光谱特性与SBS阈值的影响.研究发现,采用不同信号进行相位调制时,调制频率和调制深度等参数对调制后激光光谱的谱线间隔、谱线数目与光谱平整度的影响存在较大差异,进而影响放大器的线宽特性和SBS阈值.通过对比分析,给出了调制信号的类型选择和参数优化原则,能够为窄线宽光纤放大器的相位调制系统设计提供参考.     

连续和准连续调制激光吸收光谱的软件锁相解调比较研究

根据对激光器施加的调制信号是否连续,波长调制光谱分为连续和准连续调制激光吸收光谱技术。为了深入的比较研究这两种方案,设计准连续调制谱专用的软件锁相放大器,将准连续调制信号因间断产生的无效信号滤除后,再对吸收信号解调得到二次谐波信号。与连续激光调制谱软件解调的二次谐波信号进行了比较,结果表明,参数相同,准连续调制谱比连续调制谱的信噪比提高5%、检测限降低11.3%。在滤除无效信号后,准连续调制谱也可以解调出标准的二次谐波信号,因此有望用于与气体线型相关的研究中。该工作为选取更加适用的激光调制谱技术,提供了准确依据。     

一种新型的分子离子吸收光谱技术

将频率调制和磁旋转 技术应用于速度调制激光光谱技术中,形成一种全新的具有高灵敏度的分子离子光谱测量技术,它不仅保留了速度调制光谱技术掏中性分子吸收信号的特点,同时使噪声达到散粒噪声的测量极限。     

双强度调制偏振光谱测量原理及仿真

针对单强度调制偏振光谱测量技术存在混叠且有效光程差有限的缺点,提出双强度调制偏振光谱测量新方法,该方法通过双强度调制干涉信号的和差处理,即保证单强度调制偏振光谱测量的优点,又能有效消除混叠现象,提高有效光程差和光谱分辨率,再对和差处理后的干涉信号进行傅里叶变换即可得到被测偏振光谱。文章对双强度调制偏振光谱测量方法进行了理论推导,并通过MATLAB对模拟入射光偏振光谱的干涉信号和傅里叶反演光谱进行仿真;仿真结果显示,该方法和差处理后可有效消除混叠且有效光程差提高一倍。通过理论分析和仿真验证了该方法的可行性,为进一步的工程实现提供理论支撑。     

塞曼调制磁旋转激光光谱方法

首次在可见光波段采用塞曼调制磁旋转激光光谱技术有效地将磁旋转信号（ｎ＋，－ｎ－）从激光本底以及高阶磁旋转信号中分离出来，因而有非常高的测量灵敏度与信噪比以及无吸收本底，同时又可以抑制高转动量子态的跃迁谱线，减少谱线重叠现象，非常适合许多自由基分子的测量。文中给出了这种光谱技术的理论分析，并以ＮＯ２分子作为检验对象，由理论模拟计算所得谱线的强度，线型和位相与实测结果符合较好，因此也可利用这种光谱方法     

近布鲁斯特角反射泵浦-探测二维红外光谱的增强因子极限

本文分别模拟了在透射条件和近布鲁斯特角反射条件下的二维红外光谱. 在模拟反射的信号增强因子时,考虑了光的色散以及可能的s-光泄露. 模拟显示,色散对二维红外光谱线型的影响较小且易于矫正. 红外偏振片的不完美所造成的s-光泄露会限制增强因子,但是这一极限要远高于现有常规实验所能及的范围. 在现有实验中,真正主要影响现有增强因子的是入射角的精度,现在常用的旋转台可能无法满足高因子所需的精度. 此外,泵浦脉冲和探测脉冲的传统能量比为9：1,而在反射条件下该比值可能并非最佳,可改为2：1. 考虑上述各因素,以现有实验条件应该可以实现1000倍的信号增强. 尽管如此,近布鲁斯特角反射法不仅会放大信号本身,也会放大信号固有的噪音,因而适用于噪音与信号本身没有关联、特别是噪音主要由探测脉冲的波动造成的条件. 如果信号的固有噪音占主导,此方法难以提高信噪比. 本文的理论模拟结果与文献中实验结果基本一致,为在布鲁斯特角附近实现更高倍数的信号增强打下了基础.     

Absorption line profile recovery based on residual amplitude modulation and first harmonic integration methods in photoacoustic gas sensing

Two methods for recovery of gas absorption line profiles are presented in this paper using photoacoustic spectroscopy and tunable diode laser spectroscopy (TDLS) with wavelength modulation (WM). A theoretical analysis based on Fourier coefficients is given in order to describe the various components that arise under simultaneous intensity and frequency modulation. The first method makes use of the residual amplitude modulation (RAM) signal which is always present in current modulation of distributed feedback (DFB) tunable diode lasers. The second method involves integration of a near-pure first harmonic derivative signal, separated from other distorting components by appropriate choice of the lock-in detection phase in the case of low modulation index. Good agreement is obtained with both methods between the experimental results and the theoretical simulation for the P17 absorption line of acetylene at 1535.39 nm but the second method gives a much improved accuracy and signal-to-noise ratio in lineshape recovery with photoacoustic spectroscopy.     

速度调制分子离子激光光谱技术的理论研究

介绍了速度调制光谱对分子离子测量过程中的一些基本问题,运用朗之万运动方程导出了离子在交流电场中的漂移速度表达式;在小调制度近似下,给出了速度调制谱线的解析表达式,表明谱线的基本线型为高斯线型的一次微分线型、强度与调制度成正比;还讨论了调制电场对谱线的影响。得到的结论可用于实验参数的选择及等离子体的诊断等方面。     

可调谐二极管激光吸收光谱二次谐波信号的模拟与分析

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)作为近年来发展起来的一种气体检测技术,具有高分辨率、高灵敏度和快速测量等特点。波长调制光谱信号的二次谐波分量常作为检测信号,用于气体浓度信息的反演。利用MATLAB中的可视化建模仿真平台Simulink,模拟了基于TDLAS的波长调制光谱信号,利用锁相放大原理提取二次谐波分量。采用数字锁相,正交双通道结构实现锁相算法。通过比较不同调制系数下二次谐波信号的变化情况,分析了二次谐波信号与调制系数的关系,以便确定最佳参数,用于二次谐波的提取。     

塞曼调制磁旋转光谱线型的研究

在研究塞曼调制磁旋转光谱线型的过程中，发现了入射光场的偏振特性地谱线型的影响，从而解释了实验中出现的各种线型，其中包括一些难以解释的除二次微分线型外的其它线型，并且在实验中，得到了理论分析一致的结果，为塞曼调制旋转光谱，激光光谱技术，光谱测量精度的进一步改善提供了参考依据。     

“Zeeman modulation spectroscopy” with spin-flip Raman laser

With a spin-flip Raman laser paramagnetic species can be observed selectively at high sensitivity by magnetic-field modulation. Zeeman modulation spectroscopy (ZMS) at zero external field has been tested with the² II _3/2 Q-branch of nitric oxide. The sensitivity of this new technique is high enough to observe the “hot” bandv=2←1 of nictric oxide at room temperature. Therefore this method should be suitable for free radical investigations.     

Formulation of Zeeman modulation as a signal filter

The Bloch equation containing a Zeeman modulation field is solved analytically by treating the Zeeman modulation frequency as a perturbation. The absorption and dispersion signals at both 0 degrees and 90 degrees modulation phase are obtained. The solutions are valid to first order in the modulation frequency, but are otherwise valid for any value of modulation amplitude or microwave amplitude. A first order treatment of modulation frequency is shown to be a valid approximation over a wide range of typical experimental EPR conditions. The solutions derived from the Bloch equation suggest that the effect of over-modulation on first and second harmonic EPR spectra can be formulated as a mathematical filter that smoothes and broadens the under-modulated signal. The only adjustable filter parameter is a width that is equivalent to the applied peak-to-peak modulation amplitude. The true spin-spin and spin-lattice relaxation rates are completely determined from the under-modulated spectrum. The filters derived from the analytic solutions of the Bloch equation in the linear limit of modulation frequency are tested against numerical solutions of the Bloch equation that are valid for any modulation frequency to show their applicability. The filters are further tested using experimental EPR spectra. Experimental under-modulated spectra are mathematically filtered and compared with the experimental over-modulated spectra. The application of modulation filters to STEPR spectra is explored and limitations are discussed.     

高精度滚转角干涉仪

提出了一种基于横向塞曼激光器的新的滚转角测量系统。该系统在已有技术的基础上 ,将测量放大倍率又扩展了 4倍 ,从而大大提高了滚转角的测量精度。系统以横向塞曼激光器出射的正交线偏振光作为测量光 ,首先经 1 /4波片将线偏振光变成微椭圆偏振光 (即进行微椭偏化 ) ,然后测量光通过作为传感器的 1 / 2波片 ,由直角反射镜将光路折回 ,使测量光再次通过作为传感器的 1 / 2波片。由于直角反射镜提供了合理的坐标变换 ,所以使得测量光在两次通过1 / 2波片时 ,偏振方向的改变被叠加了 ,相当于被测量的滚转角放大了 4倍。最后测量光经检偏器合成 ,再用光电探测器接收。由测量光的相位变化可以求出工作台的滚转角变化。在整周期内 ,测量光的相位变化与滚转角成非线性关系 ,但在特定的角度上会出现线性很好的滚转角测量灵敏度倍增区。采用这种方法 ,测量放大倍率可以达到 2 0 0倍 ,能够实现高精度的滚转角测量。使用分辨率为 0 0 0 3°的相位计 ,滚转角的测量分辨率可达到 0 1″。