差分吸收光谱中光源的光谱结构去除研究

差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy,DOAS)利用气体分子在紫外-可见光谱范围的特征吸收来测量其浓度含量,现已被广泛应用于测量大气环境中痕量污染气体的浓度,如SO2,NO2,O3,HCHO等。测量得到的大气差分吸收谱在测量波段内(300～700nm)由于存有光源(氙灯或者氘灯)光谱结构,会影响大气环境中痕量气体浓度的准确反演;在光谱数据反演时,为了避开光源光谱结构的影响,国内外对其处理通常采用分段方式反演和弥补方式反演并介绍一种新的数据处理方法:采用平移窗口均值平滑方法(moving-window average smoothing method)获得大气光谱的慢变化,然后求取氙灯光谱结构。并将获得光源光谱结构对实际测量光谱进行拟合分析,取得了较好的效果,残差为2.995×10-4,避免了选择波段过窄和对新物质探测不利的缺点。     

大气污染物垂直廓线扫描差分吸收光谱方法研究

差分光学吸收光谱法(DOAS)已经成为测量大气痕量气体含量的常用方法,该方法灵敏度高,可同时监测多种大气痕量气体.提出了应用差分吸收光谱方法监测大气痕量气体垂直分布,结合放置数套角反射器的近地层高塔,研制出扫描长光程差分吸收光谱(扫描LP-DOAS)系统.应用此系统于2007年夏季对北京城市重要大气污染物NO2的垂直分布进行了外场监测,准确获得了NO2沿各光路的积分浓度,确定了系统在各光路的检测限和系统总的测量误差.基于垂直廓线模型,成功反演了NO2的垂直廓线和垂直梯度.研究结果表明扫描LP-DOAS技术监测城市大气近地层痕量气体垂直分布的可行性.     

调谐激光吸收光谱波长偏移修正算法研究

可调谐半导体激光器具有线宽窄、波长扫描快、室温工作等特点,基于可调谐半导体激光器构成的激光吸收光谱气体测量系统在大气环境检测、工业生产过程在线检测中得到了广泛的应用。在实际测量系统中,由于可调谐半导体激光器中心波长受温度等因素的影响发生偏移,如不进行中心波长校正,将造成序列光谱数据重叠,处理后的光谱线型发生展宽,进而影响后续的光谱线型拟合,对气体浓度的反演精度产生影响。一般采用参考光谱吸收谱线寻峰方法进行序列光谱数据偏移的对齐,但光谱数据中的随机噪声、背景噪声、漂移噪声等因素影响峰线波长的精度。为了降低上述因素的影响,提出一种改进的时域相关光谱修正算法,首先对光谱信号进行自相关,在一定程度上提高光谱信号的信噪比,然后再进行时域互相关处理,能够准确的计算出激光器波长偏移量,减少由此造成的光谱线型展宽的影响,提高了浓度反演精度和测量稳定性。在激光吸收光谱气体浓度检测实验系统中进行了实验验证,评估结果中,原始数据标准差为1.482 8,谱线寻峰方法与时域相关方法修正后数据标准差分别为0.433 9和0.293 6,改进的时域相关修正方法修正后数据标准差为0.132 5,改进的时域相关修正方法相关系数均优于0.992,欧式距离的标准差为1.726 4。系统稳定性评估中改进方法波长漂移修正后标准偏差为0.144 3。     

被动多轴差分吸收光谱技术监测大气NO_2垂直廓线研究

痕量气体垂直廓线的监测,对大气污染研究具有重要意义。介绍了被动多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS)技术监测痕量气体垂直廓线的光学遥感方法。研究中MAX-DOAS测量多个角度的斜柱浓度、结合大气辐射传输模型,利用最优估算法反演出痕量气体垂直廓线,并对最优估算法参数选取和反演评估进行了详细描述。将该技术应用于合肥地区NO2垂直廓线的监测:通过与长光程差分吸收光谱仪的测量结果对比,相关系数达到0.80。该技术为大气环境立体监测提供了一种简便的方法。     

基于差分吸收光谱法的大气痕量气体在线检测技术

差分光学吸收光谱学技术（Differential Optical Absorption Spectroscopy,DOAS）是近年来发展起来的一种实时检测大气中痕量气体浓度的有效方法,它采用线性最小二乘拟合方法,用痕量气体标准差分吸收截面对测量得到的差分吸收光谱进行拟合,得出大气中痕量气体的浓度。通过介绍DOAS方法的测量原理,在线监测系统的构成,气体浓度的反演方法,测量结果及讨论等内容,说明它在空气质量监测方面的优越性。     

多轴差分吸收光谱技术测量对流层SO2垂直廓线及柱浓度

针对被动多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)反演痕量气体SO_2中吸收强度弱以及易受反演波段和大气气溶胶状态影响的问题,研究了基于地基MAX-DOAS的对流层SO_2垂直廓线及垂直柱浓度的反演方法。通过反演误差对比确定了SO_2的最佳反演波段(307～330 nm),并精确获取了差分斜柱浓度。鉴于大气中气溶胶状态是影响SO_2等痕量气体反演的重要因素,反演中采用两步反演方法:第一步通过测量O_4气体的差分斜柱浓度来反演气溶胶廓线;第二步将气溶胶廓线输入到辐射传输模型中,利用痕量气体浓度垂直反演算法获取对流层(0～4 km)中SO_2的垂直分布廓线和垂直柱浓度。将SO_2廓线在0～100 m的反演结果和地面点式仪器数据进行对比,结果发现两者的一致性较高。研究表明,基于MAX-DOAS反演对流层中SO_2的垂直分布及垂直柱浓度是一种有效的手段。     

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。     

调制噪声下激光检测气体吸收光谱信号处理研究

为减小调制噪声背景的干扰,提出了直接吸收光谱激光检测气体浓度反演的三级卷积降噪信号处理方法.以谱线6 612.939cm-1附近氨气分子吸收为例,分析了该降噪方法对氨气浓度反演的有效性.实验结果表明,经三级卷积降噪后的氨气原始吸收谱线信号整体均方根误差由初始8.53降至1.01,基线扣除归一化得到的氨气光谱吸收率谱线信噪比提高3.3倍;连续5次测量浓度5%标准氨气,反演浓度值平均偏差为0.0743%,相对标准偏差为1.4%,优于原始吸收谱线信号的小波降噪和不降噪处理反演值.采用三级卷积降噪方法预处理原始吸收谱线信号,提高了气体浓度反演精度,可为工业过程高浓度气体激光在线检测提供参考.     

差分吸收光谱中甲醛的反演研究

由于甲醛(HCHO)在城市大气光化学反应中的重要性,测量大气环境中的甲醛已经成为全球的热点。针对目前国内检测甲醛的方法基本局限于化学法,文章详细介绍了采用差分吸收光谱(DOAS)技术反演得到大气环境中甲醛的方法,利用自制的差分吸收光谱系统测量了北京地区大气中的甲醛。文章分析了DOAS反演过程中反演甲醛光谱波段的选择及去除大气中SO₂,NO₂,O₃的吸收以及氙灯灯谱结构对光谱反演中的交叉干扰影响;通过采用选择不同干扰气体所对应的最优波段,同时反演获得大气环境甲醛的浓度,避免了甲醛选择波段过窄,干扰气体去除不全的缺点;通过对误差来源的分析,得到该甲醛的反演方法总误差在13.7%内。     

降低DOAS系统探测限的新型反演算法研究

差分吸收光谱法(DOAS)是一种高灵敏测量大气痕量气体成分含量的有效的光学遥感方法,该方法基于最小二乘拟合模型,利用获得的痕量气体的差分吸收光学密度与标准的吸收截面进行拟合,反演待测气体的浓度.建立了基于径向基(RBF)神经网络的痕量气体浓度反演的新模型,对网络的隐层参数采用改进最近邻聚类学习算法训练,对输出层权值的训练采用梯度下降算法,使得网络收敛快,能更好地实时、在线反演测量光谱.并针对DOAS技术的特点,把拟合残差输入网络集中训练,使得RBF网络在反演真实痕量气体吸收时,效果更佳.实验结果表明该新型反演方法提高了DOAS系统的反演精度,降低了DOAS系统的探测限.     

AlN插入层对a-AlGaN的外延生长的影响

采用有机金属化学气相沉积(MOCVD)在r面蓝宝石衬底上生长a-AlGaN外延膜,研究了AlN插入层对a-AlGaN外延膜的应力和光学性质的影响。根据高分辨X射线衍射(HRXRD)技术和扫描电子显微镜(SEM)我们可以得到,AlN插入层有效地提高了a-AlGaN外延膜的晶体质量并减小了外延膜材料结构的各向异性。由拉曼光谱得到AlN插入层的引入减小了a-AlGaN外延膜的面内压应力,其原因是AlN插入层可以当作衬底有效的调制与减小a-AlGaN外延膜与r面蓝宝石衬底的晶格失配,从而使a-AlGaN的面内应力得到适当释放。对室温下的光致发光进行测量得到AlN插入层的使用使近带边发射峰(NBE)发生了红移,这可能是由于残余应力的减小引起。     

基于改进二次多项式拟合的布里渊频移快速高精度提取算法

为了在保证测量准确性的基础上提高基于布里渊散射的光纤分布式传感的实时性,对布里渊频移的快速、高精度提高算法进行了研究。实现了基于二次多项式拟合的布里渊频移提取算法和典型的基于洛伦兹、高斯、伪Voigt和Voigt模型的算法,采用光时域反射计(BOTDR)实测了一段长光纤上的布里渊谱,采用以上算法提取了对应的布里渊频移。计算结果表明,二次多项式拟合算法的计算速度明显快于以上经典算法,其计算耗时仅分别为以上经典算法的1.15%,1.80%,1.51%和0.51%,但计算误差明显大于经典算法,影响了其实际应用。以上结果与对应数值产生布里渊谱的计算结果吻合。为了提高该算法的计算准确性,系统研究了扫频范围、扫频点数、信噪比、线宽和扫频范围偏差对基于二次多项式的布里渊频移提取准确性的影响。结果表明:当扫频点数固定时随扫频范围增加布里渊频移误差先减少到最小值后逐渐增加,扫频点数固定时最佳扫频范围为1个线宽;扫频范围不变时随扫频点数和信噪比的增加布里渊频移误差分别成幂和指数规律减少;扫频范围与线宽比值不变及扫频点数不变时随线宽增加布里渊频移误差线性增大;随扫频范围偏差增加误差逐渐增大,实际用于拟合的谱信号尽量围绕布里渊频移左右对称。根据以上研究结果提出了一种用于布里渊频移快速提取的改进二次多项式拟合算法,该算法从测量得到布里渊谱中截取1倍线宽且关于最大增益对称的谱信号用于后续拟合,较之经典的谱拟合算法,改进算法不仅能大幅提高计算速度且计算准确性与经典算法相似。采用数值产生及实测布里渊谱的计算结果验证了所提出算法的有效性。提出的算法不仅能有效提高基于布里渊散射的光纤分布式传感的实时性。     

Experimental research on a novel fiber-optic cantilever-type inclinometer

Experimental setup for tilt measurement and a novel signal detection method for demodulation of fiber Bragg grating (FBG) wavelength shift are proposed. Being attached, respectively, on the upper and lower surface of only one single pendulum-type cantilever element, only a couple of matched FBGs are used for both tilt angle sensing and wavelength shift signal demodulating. So the received light power will change due to the split of the two reflected spectra of FBGs, which corresponds to the tilt angle. In addition, the cross-sensitivity effect of FBG-based sensors will be solved automatically due to a differential signal process method. Experimental results indicate the measurement accuracy is about ± 0.03°, and measurement resolution is estimated to be about 0.002°.     

应变梯度对布里渊光时域反射计测量精度的影响

基于脉冲抽运的布里渊光时域反射计技术具有米数量级的空间分辩力。为了分析在其空间分辨力范围内的应变梯度增加对布里渊谱测量的影响,建立了后向布里渊散射谱与应变梯度的函数关系。数值分析结果表明应变梯度增大,不仅使布里渊频移随之线性增大,也会使后向布里渊散射谱峰值非线性降低,谱峰变得平坦。空间分辨力10m的100με／m应变梯度相对于零应变梯度,引起的布里渊频移测量误差增加2．04倍。传感光纤固定于悬臂梁上以模拟不同应变梯度,采用对频宽小于1MHz的激光脉冲调制和基于相干平衡检测的布里渊光时域反射计系统,实验测得了沿传感光纤的后向布里渊散射谱数据和应变分布。布里渊谱数据经最小二乘法拟合后,得到的不同应亦梯度的谱曲线变化与理论分析相吻合。     

Determination of Orientational Anisotropy in Glassy Solids by 2D Dipolar Spectra With Sample Flipping

A method is proposed for the quantitative measurement of orientational anisotropy in glassy solids based on 2D dipolar NMR spectra with sample flipping (dipolar DECODER experiment). Purely dipolar spectra are obtained by chemical shift refocusing by a multiple pulse sequence. The experiment is applied to an investigation of a doubly¹³C-labeled sample of bisphenol-A polycarbonate deformed in a channel-die apparatus. The orientational distribution function is determined by an expansion of the distribution in terms of spherical harmonics up to degree four.     

Properties of Strain Compensated Symmetrical Triangular Quantum Wells Composed of InGaAs/InAs Chirped Superlattice Grown Using Gas Source Molecular Beam Epitaxy

We investigate the properties of symmetrical triangular quantum wells composed of InGaAs/InAs chirped superlattice, which is grown by gas source molecular beam epitaxy via digital alloy method. In the quantum well structure tensile AlInGaAs are used as barriers to partially compensate for the significant compressive strain in the wells, the strain compensation effects are confirmed by x-ray measurement. The photoluminescence spectra of the sample are dominated by the excitonic recombination peak in the whole temperature range. The thermal quenching, peak energy shift and line-width broadening of the PL spectra are analysed in detail, the mechanisms are discussed.     

光学频率梳啁啾干涉实现绝对距离测量

本文提出一种基于光学频率梳的啁啾脉冲干涉绝对距离测量的方法.通过一对衍射光栅啁啾参考脉冲,分析参考脉冲和测量脉冲的干涉光谱,得到脉冲的中心频率偏移量,从而解算出被测距离.文中详细分析了脉冲啁啾原理和啁啾脉冲干涉测距原理,以及影响测距范围的因素并给出仿真.搭建了改进的Michelson干涉结构,实验得出测距范围受啁啾参数的影响,并与理论分析吻合;在地下长导轨上,进行大范围测距实验.实验结果表明当,在65 m范围内,测量结果与参考测距仪相比,测距精度为33μm,相对精度达到5.1×10~(-7).此外,根据理论分析,通过实验优化了实验装置的测量不确定度.     

溶胶-凝胶制备ZnO-SiO2复合膜的量子效应和上转换发光

采用溶胶-凝胶技术在玻璃衬底上制备了ZnO薄膜和ZnO-SiO₂复合膜.原子力显微镜照片显示ZnO薄膜具有球状纳米晶粒;可见光-紫外透射光谱表明ZnO-SiO₂复合膜在可见光区的透过率大约是85%,透过率从330 nm开始下降,到290 nm附近降为零.由于量子效应,吸收边出现明显的蓝移.在室温下用不同波长的光激发ZnO-SiO₂复合膜,光致发光谱显示ZnO-SiO₂复合膜对应于激子发射的290 nm附近的紫外发光峰与透射谱所显示的吸收边位置一致,没有出现斯托克斯红移.同时,ZnO-SiO₂复合膜出现了双光子和三光子吸收现象和上转换发光现象. 关键词： 2')" href="#">ZnO-SiO₂ 量子效应 双光子和三光子吸收 上转换发光     

Theoretical description of improving measurement accuracy for incoherence Mie Doppler wind lidar

For the nonlinearity of Fabry-Perot interferometer(FPI) transmission spectrum,the measurement uncertainty of incoherent Mie Doppler wind lidar based on it increases evidently with the increase of backscattering signal Doppler shift.A method of repeating the use of the approximate linear part of FPI transmission spectra for reducing the high uncertainty of a big Doppler shift is proposed.One of the ways of realizing this method is discussed in detail,in which the characteristics of FPI transmission spectrum changing with thickness and incident angle are utilized simultaneously.Under different atmosphere conditions,it has been proved theoretically that the range of measurement uncertainty drops to one-sixth while its minimum has no serious change.This method can be used not only to guide the new system design,but also as a new working way for the fabricated system.     

SnO A''''Ⅱ-X''''∑~+电子跃迁(4-0)振动带光谱中的微扰

本文测定了SnO A'Ⅱ-X'∑~+(ν′=4←ν″=0)的激光感生荧光(LIF),同时标识了光谱中SN~(118)O和Sn~(120)O归属的转动结构,首次报道了同位素位移对光谱中微扰中心的影响,并用Kovacs方法对微扰特性作为分析。