可见到近红外波段整层大气光谱透过率的测量研究

利用太阳光谱辐射计进行了可见到近红外波段整层大气连续光谱透过率的测量研究.在对太阳辐射计可靠定标的条件下，通过测量太阳直射光谱，运用Langley方法推算到达大气层顶的太阳辐射，最终获得了该波段范围内的连续大气光谱透过率及特殊波长上的透过率的实际变化情况.通过分析晴天无云大气条件下不同时间、不同气溶胶含量、不同季节、不同气溶胶模式下的大气透过率特征，初步获得了其变化规律，为大气层外目标探测提供了一些基础.     

基于LED峰值的太阳光谱合成方法

为了利用不同波段LED快速准确地模拟太阳光谱,基于LED的光谱合成原理,提出了一种利用LED光谱峰值波长处的数据合成太阳光谱的方法,简化了太阳光谱的拟合过程。首先,建立所有LED峰值波长处的函数方程组,利用约束最小二乘法确定各波段的拟合参数。进而,通过3组等间隔的LED光谱数据组对该方法进行了仿真分析,间隔40,30,20 nm的LED合成光谱与目标光谱相关系数对应为0.902,0.935,0.977,并对合成光谱失真处进行了分析和修正。最后,根据所选LED的实际光谱对太阳光谱进行了仿真分析。仿真结果表明：合成光谱与太阳光谱最大失配误差为4%,达到AM1.5的A级标准,满足LED太阳模拟器光谱匹配要求。     

太阳光谱对高分辨吸收光谱反演大气CO2浓度影响的研究

以太阳光为辐射源的近红外波段高分辨率吸收光谱广泛应用于大气参数遥测.以CO2浓度反演为例,研究了太阳光谱分辨率的影响.利用美国AER公司编制的太阳光谱计算程序得到大气上界的理论计算太阳光谱作为辐射源,结合自行编制的高分辨率大气透过率模拟软件HRATS对大气中CO2平均浓度进行模拟反演.数值模拟计算结果表明,太阳光谱的准确度对浓度反演非常重要,特别是在超分辨光谱反演中异常重要,虽然反演浓度的偏差与观测分辨率没有明显的线性变化规律,但有趋势:观测分辨率的降低对太阳光谱分辨率的要求也降低,为了精确反演大气中CO2浓度,因此需要充分利用大气层顶的高分辨太阳辐射光谱数据.     

基于精密太阳光谱辐射计的气象辐射观测

目前,气象业务观测普遍采用的积分型太阳辐射观测仪器存在观测数据信息量少、数据差异大的观测瓶颈,已无法满足目前众多应用科学研究领域对太阳光谱辐射精细化观测的需求,具有高光谱分辨率的精密光谱辐射计的仪器研制及观测方法与技术已成为太阳辐射观测的前沿科技问题。在此背景下,为解决气象领域太阳辐射的精细化观测问题,开展了深入的科学研究与技术开发工作。重点阐述了仪器开发成果和数据观测分析方法,首先介绍了开发研制的用于地基太阳光谱辐照度观测的光谱辐射计系统。光谱辐射计的分光系统采用了平场凹面光栅结构,具有低杂散光、高收光效率和高可靠性的特点,尤其适用于长期无人值守的户外观测。系统所采用的平场凹面光栅的像差校正特性对于300～1 100 nm这种宽谱段的应用来讲更为合适,在整个谱段范围内光谱分辨率变化很小,不同波长通道的带宽基本一致,使用25 μm狭缝时光谱分辨率(FWHM)约为2 nm,像素采样间隔小于0.5 nm。对于太阳辐射观测来讲,这是一种谱段范围和分辨率都与需求十分匹配的专用光谱辐照度观测仪器。其次,在观测数据的基础上,阐述和分析了气象等领域的光谱应用观测方法。太阳辐射照度分布的能量通过不同参数化模型约束的接收系统收集,将太阳光谱辐射在半球天穹中的变化及分布进行约束并划分为水平总辐照度(GHI),法向直接辐照度(DNI)和水平散射辐照度(DHI)三种光谱辐照度辐射分量,阐述了基于GHI,DNI和DHI三种观测形式下的数据特征与用途。其中,GHI是地表实际辐照度水平,适用于太阳能资源评估;DHI反映大气和云态;DNI作为直接透射形式,可用于计算日照时数和分析大气参量。并且,进一步分析了观测形式、光谱特征与地理(经度、纬度、海拔高度、大气质量)及气象参数(云量、大气吸收)之间的互易演算关系。与传统的波长积分式辐射观测相比,太阳光谱辐射计为辐射能量观测增加了波长信息维度。从DNI形式的光谱辐照度数据中可以看出,不同波长之间的辐射能量变化显著,而这些变化与大气变化密切相关。因此,太阳光谱辐照度数据不仅仅是为业务观测提供更精细化的太阳辐射信息,更提供了丰富的辐射能量的变化信息通道,利用特征波长维度的辐射信息,可进一步通过模型反演计算气溶胶光学厚度、臭氧、水汽等大气参数。通过精密太阳光谱辐射计,可将纳米分辨率水平的太阳光谱辐照度作为基础业务运行数据,提供精细化的太阳辐射分布及变化信息用于气象与气候模型、光伏资源评估与生态环境等研究;同时也为辐射波长分布中所蕴含的气候、农业、生态等领域关心的各种通量监测和演化关系研究提供了有力的数据信息及观测工具。     

晴朗无云天空光谱辐射的近似计算模型

 利用大气光学质量和大气气溶胶光学厚度的经验公式，由HITRAN数据库获得大气分子谱线参数，基于辐射传输方程，给出了晴朗无云天空光谱辐射的近似计算模型。根据该近似计算模型对晴朗无云天空光谱辐射亮度进行的计算结果表明：天空光谱辐射亮度曲线上存在明显的O₂和H₂O吸收线；晴朗无云天空辐射的光谱分布偏蓝，天空亮度主要集中在短波段部分；太阳角小的天空光谱亮度出现“红移”现象；由于大气厚度变大，近地平的天空辐射亮度较大。     

一种用于UV-A、UV-B波段地基观测的光谱辐射计

研制了一台可以在250 nm~400 nm波段测量绝对光谱辐亮度和绝对光谱辐照度的扫描式光谱辐射计,辐亮度辐照度相对定标准确度2％,可用于UV-A、UV-B紫外波段地基观测.通过在云南丽江地区(26°52＇N,100°13＇E)开展的大气散射光谱辐亮度和地面太阳直射紫外光谱辐照度观测试验,进一步检验了仪器的性能.观测数据与利用MODTRAN模式模拟计算值存在约8％的偏差,分析了产生偏差的相关因素.     

一种改进的光谱图像反演地表目标遥感反射率的方法

提出一种改进的反演地表目标遥感反射率的方法.利用光谱图像中的太阳耀光估计当时气象条件下的大气透过率,分析了天空辐射和色散现象对反演的影响,据此构建遥感反演模型,计算出地表目标的遥感反射率.由于消除了天空漫射辐射带来的额外影响使得可见光波段的反演准确度大为提高,此外将菲涅尔反射率表示为波长的函数进行计算使反演光谱在整个波段范围内能更好地匹配实验室光谱.实验结果表明,改进算法计算的反射率能更好地匹配实验室光谱,具有更高的反演准确度.     

采用加权函数修正的差分光学吸收光谱反演环境大气中的CO2垂直柱浓度

采用加权函数修正的差分光学吸收光谱技术(weighting function modified differential optical absorption spectroscopy, WFM-DOAS)测量环境大气中的CO₂垂直柱浓度. 以直射太阳光测量光谱为例, 演示了WFM-DOAS算法的实现过程. 将环境大气分为50层, 借助辐射传输模拟软件SCIATRAN对各个测量光谱进行了模拟计算, 获得了最小二乘法拟合所需的目标气体CO₂及干扰气体H₂O、CH₄ 的柱权重函数和太阳归一化光谱常量. 采用WFM-DOAS方法对一整天的直射太阳光测量光谱进行了反演, 得到的反演误差均小于3%. 最后比较了两种不同DOAS算法对同一条测量光谱的反演结果, 验证了WFM-DOAS算法在红外被动气体遥感的优越性. 关键词： 环境污染监测 光学测量技术 红外光谱 温室气体     

高精度太阳辐照度仪的光谱扫描测量

为了实现对太阳辐射的绝对测量和大气特性的精确反演,研制了光谱覆盖范围在0.4~1.0μm的高精度太阳光谱辐照度仪。太阳辐照度仪采用Fèry棱镜实现入射太阳光的色散,闭环控制光谱扫描机构的方法实现光谱扫描。论文详细介绍了太阳辐照度仪光谱扫描测量部分的设计。给出了Fèry棱镜的设计要求,实现单一元件完成光谱色散;利用陷阱探测器进行光谱采集,保证了测量精度;结合探测器的性能参数,说明了温控的需求和方法;介绍了光谱扫描结构的设计方法,实现了精确的波长定位;给出了音圈电机的参数、稳定性和供电要求,实现了0.025%的波长定位误差。开展室外观测实验,实现了0.4~1.0μm波段的太阳细分光谱扫描测量,并分别与可见-短波红外光谱仪和自动太阳光度计(CE318)进行了对比。结果表明,辐照度仪的光谱扫描测量结果的吸收峰波长值吻合,与CE318全天测量数据的相对偏差小于0.13%,可见波段的光学厚度的相对偏差小于2%,近红外波段的相对偏差小于4%。     

一种改进的光谱图像反演地表目标遥感反射率的方法

提出一种改进的反演地表目标遥感反射率的方法．利用光谱图像中的太阳耀光估计当时气象条件下的大气透过率,分析了天空辐射和色散现象对反演的影响,据此构建遥感反演模型,计算出地表目标的遥感反射率．由于消除了天空漫射辐射带来的额外影响使得可见光波段的反演准确度大为提高,此外将菲涅尔反射率表示为波长的函数进行计算使反演光谱在整个波段范围内能更好地匹配实验室光谱．实验结果表明,改进算法计算的反射率能更好地匹配实验室光谱,具有更高的反演准确度．     

Retrieval of ultraviolet skylight radiances and O3 slant column densities from balloon-borne limb spectrometer

With a novel light-weight and absolutely calibrated ultraviolet （UV） spectrometer, UV skylight radiances and O3 slant column densities are measured by balloon-borne limb measurements in Xinjiang area, China. UV skylight radiances measured at the height of 31 km are compared with the results from Modtran in the wavelength range from 290 to 420 nm. O3 slant column densities are derived from radiance spectra in the Huggins bands （320 - 335 nm） using differential optical absorption spectroscopy method. And the parameter exhibits a good correlation with the same value simulated by radiative transfer model （Tracy）. The O3 profile simultaneously measured by an O3 sonde is used as input in Tracy calculations. The O3 sonde is launched on the same balloon.     

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     

Magneto-optical activity of crude oil and its heavy fractions

We have experimentally studied optical and magneto-optical spectra of solutions of crude oils of different origin and their heavy fractions in the visible spectral range. Magnetic circular dichroism of oil in the wavelength range ??550 nm has been revealed. We show that the shape of the spectra of this dichroism depends on the origin of crude oil, with the magnetic dichroism magnitude being proportional to the concentration of the oil in the solution. A comparison of the data of magneto-optical spectroscopy with electron paramagnetic resonance spectra and chemical composition of samples has allowed us to conclude that the observed magneto-optical activity is determined by the occurrence of VO²⁺ complexes in the oil samples. The revealed magneto-optical activity of crude oil can form the basis of a unique method of analysis of the composition and properties of oils of different origin and heavy fractions thereof.     

Eu2+激活的Ca3SiO5绿色荧光粉的制备和发光特性研究

研究了Eu²⁺激活的绿色发光材料Ca₃SiO₅的制备条件和发光性质. Eu²⁺中心形成主峰值为501 nm和次峰值为570 nm的特征宽带，两峰值叠加形成发射峰值为502nm的绿色发射光谱带. 利用这些光谱结果和Van Uitert 经验公式，确认Ca₃SiO₅:Eu²⁺中存在两种性质有差异的Eu²⁺发光中心，它们分别占据基质中八配位的Ca²⁺(Ⅰ)格位和四配位的Ca²⁺(Ⅱ)格位. 其激发光谱分布在250—450 nm的波长范围，峰值位于375 nm处，可以被InGaN管芯产生的350—410 nm辐射有效激发. 关键词： 发光 荧光粉 绿色荧光粉 3SiO₅')" href="#">Ca₃SiO₅ 2+')" href="#">Eu²⁺     

Manipulating Light in Coupled Asymmetric Nanostructures Induced by a Visible–NIR Laser

We design an asymmetric nanostructure in the longitudinal direction at the visible–NIR range, which enables high enhancement factor and has the properties of Fano resonance induced by a visible–NIR laser. By simulating and analyzing the resonance frequency spectra of various nanorods, nanodipoles, and combined nanoantennas, we optimize the resonant spectra and enhanced factor of such nanoantennas. It has broad-band resonant spectra with a FWHM from 800 to 1,100 nm and possesses two resonant peaks at 870 and 1,000 nm, with an enhancement factor of 24. The current density distribution in such nanoantennas with different phases is also simulated in order to investigate its resonant mode. This theoretical study paves the way towards nanoscale lightwave control and spectral splitting. The designed nanodevices provide great potential for applications in ultrasensitive color sorters and biosensors induced by visible–NIR lasers.     

光声光谱在蜂蜜品质鉴定中的应用

利用单光束光声光谱实验装置,分别测量了葡萄糖溶液、 蔗糖溶液和蜂蜜溶液在可见光波段的光声光谱,并与分光光度法测得的数据进行了比较。上述溶液的光谱特征表明：不同种类的溶液,光谱背景强度和轮廓有明显差异。三种溶液的光谱在485和655 nm处都有较强峰,但二者的强度比在不同溶液中有一定差异。另外,葡萄糖还在475,576和630 nm处有特征峰;蔗糖在632 nm处出现明显特征峰;这些光谱特征为鉴别天然蜂蜜中是否有葡萄糖或蔗糖掺假提供了依据。比较同种溶液的两种光谱发现：光声信号强度随波长的变化更灵敏, 说明在物质成分检测中,光声光谱法具有更高的灵敏度。     

Raman spectroscopy as a potential method for the detection of extremely halophilic archaea embedded in halite in terrestrial and possibly extraterrestrial samples

Evidence for the widespread occurrence of extraterrestrial halite, particularly on Mars, has led to speculations on the possibility of halophilic microbial forms of life; these ideas have been strengthened by reports of viable haloarchaea from sediments of geological age (millions of years). Raman spectroscopy, being a sensitive detection method for future astrobiological investigations onsite, has been used in the current study for the detection of nine different extremely halophilic archaeal strains which had been embedded in laboratory‐made halite crystals in order to simulate evaporitic conditions. The cells accumulated preferentially in tiny fluid inclusions, in simulation of the precipitation of salt in natural brines. FT‐Raman spectroscopy using laser excitation at 1064 nm and dispersive micro Raman spectroscopy at 514.5 nm were applied. The spectra showed prominent peaks at 1507, 1152 and 1002 cm⁻¹ which are attributed to haloarchaeal C₅₀ carotenoid compounds (mainly bacterioruberins). Their intensity varied from strain to strain at 1064‐nm laser excitation. Other distinguishable features were peaks due to peptide bonds (amide I, amide III) and to nucleic acids. No evidence for fatty acids was detected, consistent with their general absence in all archaea. These results contribute to a growing database on Raman spectra of terrestrial microorganisms from hypersaline environments and highlight the influence of the different macromolecular composition of diverse strains on these spectra. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

Peculiarities of the reflection spectra of PECVD nanocrystalline porous silicon films

Photoluminescent nanocrystalline porous silicon films have been formed on silicon substrates by plasma-enhanced chemical vapor deposition. In the visible spectral range, a nontrivial character of the reflection spectra (dependent on the film thickness) has been found. The sizes of crystallites and the root-mean-square roughness of the deposited film surface have been determined by X-ray diffraction and atomic force microscopy. It is shown that the significant decrease in the reflectance in the spectral range from 200 to 900 nm and the red shift of the characteristic peaks in the reflection spectra are related to the sizes of nanocrystallites in the films formed.     

钨酸锌激光晶体的光谱测量

用基质晶片作参比,测量了Cu+、Er3+等离子激活的钨酸锌晶体的光谱,并进行了分析讨论,发现激活离子与基质晶格之间存在能量传递过程.晶体在可见光区有比较强的荧光.     

变色磷灰石的可见光光谱特征研究

磷灰石是珠宝市场上常见的宝石品种,因颜色丰富而广受欢迎。变色磷灰石是稀有品种且价格高昂,该品种在D65光源（色温6 500 K）下呈黄绿色,A光源（色温2 856 K）下呈粉红色,其可见光光谱的谱学特征与变色成因未被详细研究。基于此,将一颗变色磷灰石晶体,沿其平行c轴和垂直c轴方向各切下一个薄片并双面平行抛光,分别测试其可见光光谱与微量元素。结果发现,其可见光光谱中谱峰较多：位于583和578 nm处的吸收双峰强度最强,位于748和738 nm处的吸收双峰强度中等,分别位于688和526 nm处的吸收峰,强度较弱。还有一些非常微弱的吸收峰,分别位于514,483,473和443 nm处。位于748和738 nm处的吸收双峰与583和578 nm处的吸收双峰共同造成了红橙光区的透射窗,583和578 nm处的吸收双峰与526 nm处的吸收峰共同造成了黄绿光区的透射窗。D65光源和A光源由于相对光谱功率分布不同,在不同透射窗的透过有所不同,导致变色磷灰石在不同光源下呈现出不同颜色。D65光源中黄绿光成分较多,透过黄绿光区透射窗的成分较多,D65光源下磷灰石呈黄绿色,A光源中红光成分较多,通过红橙光区透射窗的成分较多,A光源下磷灰石呈粉红色。因此,磷灰石的变色效应与位于748和738 nm处的吸收双峰,位于583和578 nm处的吸收双峰以及位于526 nm处的吸收峰相关。根据微量元素数据与稀土元素的晶体场理论,这些吸收峰是由稀土元素钕（Nd）导致。根据不同晶体方向样品的可见光光谱特征,平行c轴方向变色效果更好,建议加工变色磷灰石晶体时宝石台面应尽量平行c轴。该研究结合微量元素与可见光光谱分析了变色磷灰石的变色成因,并为其加工切割方向提供了指导。