表面热透镜技术应用于薄膜微弱吸收测量的理论和实验

由薄膜表面光热形变简化理论和表面热透镜衍射理论导出表面热透镜信号表达式，从理论上证明了表面热透镜信号和薄膜吸收率的线性关系. 应用表面热透镜技术研制了薄膜吸收测量仪，测量结果表明其吸收率测量灵敏度和精度均达10^-6量级. 关键词： 吸收测量 表面热透镜 光热形变 薄膜     

表面热透镜薄膜吸收测量灵敏度提高方法

为提高表面热透镜薄膜吸收测量仪的灵敏度，在表面热透镜衍射理论基础上，通过数值模拟给出了探测激光腰斑半径、探测激光腰斑到样品表面距离、样品到探测光纤端面距离等仪器参数的优化方法. 经优化调整后该仪器能达到优于0.1ppm量级的薄膜吸收率测量灵敏度. 关键词： 吸收测量 表面热透镜 光热形变 薄膜     

退火对电子束热蒸发193nm Al2O3/MgF2反射膜性能的影响

设计并镀制了193nm Al₂O₃/MgF₂反射膜，对它们在空气中分别进行了250—400℃的高温退火，测量了样品的透射率光谱曲线和绝对反射率光谱曲线.发现样品在高反射区的总的光学损耗随退火温度的升高而下降，而后趋于饱和.采用总积分散射的方法对样品在不同退火温度下的散射损耗进行了分析，发现随着退火温度的升高散射损耗有所增加.因此，总的光学损耗的下降是由于吸收损耗而不是散射损耗起主导作用.对Al₂O₃材料的单层膜进行了同等条件的退火处理，由它们光学性能的变化推导出它们的折射率和消光系数的变化，从而解释了相应的多层膜光学性能变化的原因.反射膜的反射率在优化联系、镀膜工艺与退火工艺的基础上达98％以上. 关键词： 193nm 反射膜 退火 光学损耗 吸收     

基于O2-O2吸收的非相干宽带腔增强吸收光谱浓度反演方法研究

针对传统非相干宽带腔增强吸收光谱浓度反演方法的定量结果易受镜片反射率标定误差的影响问题, 提出了一种基于测量大气O₂-O₂吸收的浓度反演方法. 该方法是将非相干宽带腔增强吸收光谱技术的光学增强腔等效成吸收光程不随波长变化的多次反射池, 首先根据测得的宽带腔增强大气吸收谱和参考谱计算出光学厚度, 并应用差分光学吸收光谱算法拟合修正后的气体吸收截面到光学厚度, 反演得到大气中O₂-O₂以及被测气体的柱浓度, 然后根据O₂-O₂在大气中的含量已知且相对稳定这一特性, 确定出等效多次反射池的吸收光程, 最后从被测气体的柱浓度中扣除吸收光程信息得到被测气体的浓度值. 以监测大气中NO₂实验为例, 应用该方法在454-487 nm波段反演得到了大气NO₂的浓度(1-30 ppbv范围内), 并将反演结果与传统浓度反演方法的结果进行了对比, 发现两者的不一致性在7%以内. 实验结果表明, 非相干宽带腔增强吸收光谱技术可以利用大气O₂-O₂的吸收来定量其他被测气体的浓度, 而且定量结果对镜片反射率的标定误差不敏感.     

光热偏转谱术

本文介绍一种基于光声（热）原理的光吸收测量新技术．当某调制光被物质吸收时会产生热量，因而被测样品及周围介质巾产生相应的温度场．当探测光掠过或穿过此温度场时将被偏转．用位置灵敏探测器接锁相放大器测出探测光的偏转量，从而计算出样品的微弱吸收．此法比现有常用的透射法灵敏度高３—６个数量级，是研究薄膜材料光热性能十分重要的手段．     

激光量热法测量K9基片的表面吸收和体吸收

表面抛光可能给K9基片带来额外的杂质和吸收,分离K9基片的表面吸收率与体吸收率有助于改进基片的加工质量和抛光工艺,对抗损伤能力研究具有重要意义。分析了激光量热法测量弱吸收的原理,采用符合ISO 11551要求的激光量热计测量K9基片的弱吸收。对相同工艺抛光的不同厚度K9基片进行了弱吸收表征,实验发现K9基片的弱吸收随着厚度增加近似线性增大。推导了表面吸收率和体吸收率的计算式,实验得出本样品的表面吸收率为1.2110-5,体吸收率远大于表面吸收率,体吸收系数为1.7210-3/cm。实验结果显示所用K9样品的吸收主要来自于材料本身,改善抛光工艺对降低其吸收率作用不大。     

Gamma全吸收型BaF2探测装置中子屏蔽体与吸收体的研究

中国原子能科学研究院已经建造完成了我国第一套全吸收型BaF₂探测装置，采用瞬发γ测量法，精确测量中子俘获反应截面。中子源是利用HI-13串列加速器产生的脉冲化质子束，通过7Li(p, n)7Be反应建立。为了有效降低周围环境材料和探测器产生的散射中子本底，约束中子束流的形状，使用MCNP程序模拟设计了屏蔽体，采用含硼聚乙烯(B₄C质量分数为5%)包裹5 cm铅的方案，以及准直器采用平行孔的方案。该设计使样品处的中子束斑平整均匀，直径约为2 cm，束斑外的中子注量降低5个数量级，γ注量降低3个数量级。同时设计了中子吸收体(外半径为10 cm，厚度为7 cm)用于吸收待测样品产生的散射中子。MCNP和GEANT4程序的模拟结果表明:选择含硼聚乙烯(10B₄C质量分数为10%)作为中子吸收体的加工材料，其中子吸收率达到了80%，并设置1 MeV的能量加和阈，能够满足在线测量中子俘获反应截面的实验要求。     

红外气体检测中谐波信号正交锁相放大器设计与实现

基于可调谐激光光谱吸收法的红外气体检测,为了从差分信号中有效提取出一次和二次谐波信号,研发了一种谐波信号正交锁相放大器.采用正交锁相放大及谐波检测原理,利用Simulink软件平台构建了模拟实验系统,对其功能做了仿真和验证.采用数字信号处理器作为核心控制器,设计并制作出了谐波信号锁相放大器的系统实物,它主要由90°移相器、两路模拟乘法器、两路低通滤波器、差分信号放大器、模数转换器等构成.实验中,首先利用幅度可调的标准正弦信号作为待测信号,对锁相放大器的输出信号幅度与标准正弦信号的幅度做实验测量与对比,二者线性拟合优度高达0.999 94,最大误差小于4%,具有良好线性度;其次,将模拟吸收产生的差分信号作为待测信号,利用基频方波和二倍频方波分别作为参考信号,提取谐波信号,因二次谐波信号微弱易受噪音干扰,其误差在5%以内,一次谐波最大误差小于3.5%.系统具有良好的稳定性和性价比,在红外气体检测中具有较好的应用前景.     

基于波长调制-直接吸收光谱的CO分子2.3μm处谱线参数高精度测量

波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS)结合了直接吸收光谱(DAS)可直接测量吸收率和波长调制光谱(WMS)高信噪比的优点，可用于测量气体分子吸收谱线的光谱参数。采用WM-DAS方法结合有效光程约为45 m的Herriott型长光程吸收池，在CO浓度为24.151μmol·L^-1、常温常压条件下，测量了CO分子中心频率为4 300.700 cm^-1谱线的吸收率，用Voigt线型(VP)函数对测量的吸收率进行拟合，结果表明对WM-DAS方法测量结果进行拟合所得的残差标准差比用传统DAS方法减小一半以上，证明WM-DAS方法的抗干扰能力比DAS更强。采用该方法与光程约为50 cm的吸收池结合，对CO分子在4 278～4 304 cm^-1波段的8条弱吸收谱线在不同压力下的吸收率进行测量，实验采用浓度为0.411μmol·L^-1的CO标准气体。分别采用VP、 Raution线型(RP)和quadratic-speed-dependent-Voigt线型(qSDVP)对测量所得吸收率进行拟合，得到CO分子与空气...     

YBa2Cu3O7-δ薄膜热激发磁通蠕动研究

本文选择两块零电阻温度分别为82K和71K超导性能不同的薄膜样品,同步进行了电阻在外磁场中展宽的测量,并用Palstra所提出的Arrhenius定律研究两样品热激活能的差别。实验发现样品热激活能随磁场增加线性下降。由测量结果推出的不可逆线仍有B^*-(1-T^*/T_c)^3/2形式。 关键词：     

Al2O3陶瓷涂层尖端受载下的声发射信号参量分析

为了考察再制造零件涂层结合强度检测仪评价涂层结合强度的可行性,以Al₂O₃陶瓷涂层为研究对象,在涂层表面进行压入试验,提取并分析了试验过程中声发射信号中的幅度、计数、能量与有效值电压(RMS)特性参数的时间分布曲线,读取了声发射信号突变点的波形,观测了压痕处涂层截面微观形貌。结果表明,声发射信号出现明显突变时,涂层界面确实产生了开裂失效。采用此检测设备可以有效诱导、界定涂层界面的断裂失效,声发射信号可以作为涂层开裂的临界判据,其中幅度的时间分布更能体现出Al₂O₃陶瓷涂层在压入过程中的裂纹萌生至涂层断裂的扩展过程;能量值对涂层的失效更为敏感,最为适合评价涂层的结合强度。      

表面热透镜技术探测光学薄膜的微弱吸收

对表面热透镜技术测量光学薄膜的微弱吸收进行了理论分析,并以此建立了薄膜微弱吸收测量实验装置,对几种典型薄膜的吸收进行了测试,证实了这种方法的可行性。     

Influence of embedded particles on microstructure, corrosion resistance and thermal conductivity of CuO/SiO2 and NiO/SiO2 nanocomposite coatings

Homogeneous CuO/SiO₂ and NiO/SiO₂ nanocomposite coatings containing CuO and NiO nanoparticles in silica matrix were successfully synthesized by sol–gel process on an aluminum alloy substrate, respectively. The evolution of phase and morphology of both nanocomposites was characterized by XRD, SEM, TEM and FTIR. The effect of incorporating various nanoparticles on the corrosion behavior and the thermal conductivity of nanocomposite coatings was investigated by potentiodynamic polarization curve and comparative exponential method. The thermal conductivity as well as the corrosion resistance of nanocomposite coatings was significantly improved by the introduction of metal oxide particles. In comparison with NiO/SiO₂ nanocomposite coatings, CuO/SiO₂ composite coatings displayed lower protective behavior as well as higher thermal conductivity. Experimental results revealed that those improvements can directly be related to the nanocomposite effect and the nature of added nanoparticles.     

电子辐照对ZnO／K2SiO2型热控涂层光学性能的影响

研究了电子辐照对ZnO/K2SiO2型热控涂层光学性能的影响,采用10,30,50和70keV的电子对试样进行辐照。在辐照前后对每一个试样的光谱反射系数进行了原位测量。根据Johnson太阳光谱分布计算了涂层的太阳光谱吸收系数,分析了电子能量对光谱反射系数和太阳光谱吸收系数的影响,并对红外区光谱反射系数的变化结果进行了讨论。实验结果发现电子辐照后ZnO/K2SiO2涂层的光学性能发生严重退化,退化程度取决于电子能量,随电子能量的增大而增大。     

电子辐照能量对Kapton/Al热控涂层光学性能的影响

 研究了电子辐照时，电子能量与累积通量对Kapton/Al热控涂层光学性能的影响。采用原位测量的手段记录了辐照前后的光谱反射系数。试验结果表明，电子辐照后Kapton/Al热控涂层的反射性能,在太阳光谱辐射强度较大的300~1 200nm波长区间产生较大程度退化。在电子辐照作用下，作为离子导电型聚合物的 Kapton薄膜表面没有发现辐照充电效应。辐照后涂层材料存在“退火效应”，或称“漂白效应”。Kapton/Al涂层太阳吸收比的变化量与电子辐照累积通量的变化关系成幂函数形式,其系数与指数的极大值与极小值分别出现在电子能量为50keV附近。在辐照累积通量相同时，该变化量随辐照电子能量的提高而增大。     

真空退火对355nm Al2O3/MgF2高反射薄膜性能的影响

 采用电子束蒸发沉积技术制备了355nm Al₂O₃/MgF₂ 高反射薄膜，并在真空中进行不同温度梯度的退火，用X射线衍射（XRD）观察了薄膜微结构的变化，用355nm Nd：YAG脉冲激光测试了薄膜的激光损伤阈值，用Lambda 900光谱仪测试了薄膜的透过和反射光谱。结果表明在工艺条件相同的条件下真空退火过程对薄膜的性能有很大的影响，退火温度梯度越小的样品，吸收越小，阈值越大，并且是非晶结构。选择合适的真空退火过程可以减少355nm Al₂O₃/MgF₂ 高反射膜的膜层吸收，提高薄膜的激光损伤阈值。     

Influence of Co(CH3COO)2 concentration on thermal emissivity of coatings formed on titanium alloy by micro-arc oxidation

Ceramic thermal protection coatings on Ti6Al4V alloy were achieved by micro-arc oxidation (MAO) in the presence of Co(CH₃COO)₂. The morphology, crystallographic structure and chemical composition of the coating were characterized by various techniques. The thermal emission of the coating was measured by Fourier transform spectrometer apparatus. The bonding strength between the coating and substrate was studied, together with the thermal shock resistance of the coating. The results indicate that the content of Co in the coating layer significantly affects its thermal emissivity. Higher concentration of Co(CH₃COO)₂ in electrolytes leads to more Co ions into the coating, which enhances the emissivity of the coating. All the coatings show bonding strength higher than 10 MPa. In addition, the coating remains stable over 40 cycles of thermal shocking. The coating formed at 4 g/L Co(CH₃COO)₂ displays an average spectral emissivity value more than 0.9 and bonding strength about 10.4 MPa.     

试验优化设计Er3+/Yb3+共掺BaGd2ZnO5荧光粉及其上转换发光性质

为得到绿光和红光最大发光强度的Er³⁺/Yb³⁺共掺BaGd₂ZnO₅上转换材料荧光粉, 首先采用试验优化设计中的均匀设计初步寻找Er³⁺/Yb³⁺合理的掺杂浓度; 其次通过二次通用旋转组合设计进一步优化实验, 建立起Er³⁺/Yb³⁺掺杂浓度与绿光和红光发光强度的回归方程; 最后通过遗传算法计算出方程的最优解, 即绿光和红光最大发光强度时对应的Er³⁺/Yb³⁺掺杂浓度. 利用传统的高温固相法分别制备出最优样品. 采用X 射线衍射对得到荧光粉的晶体结构进行了分析, 证明了所有产物均为纯相BaGd₂ZnO₅. 采用980 nm抽运激光作为激发源, 在同样的条件下测量了样品的上转换荧光发射光谱, 从中可见样品有较强的红光发射和绿光发射, 发光中心位于662, 551和527 nm, 分别对应于⁴F_9/2→⁴I_15/2, ⁴S_3/2→⁴I_15/2 及²H_11/2→⁴I_15/2能级跃迁. 研究了绿光和红光最优样品的上转换发光强度与激光器工作电流之间的关系, 通过分析发现红色和绿色上转换发光均为双光子过程. 由归一化的绿色上转换发射光谱可以看出, 激光器工作电流导致的样品温度变化可以忽略不计. 由于能级²H_11/2和⁴S_3/2之间存在热平衡, 并满足玻尔兹曼分布, 由此探讨了绿光最优样品上转换发射光谱中的绿色发射与温度的关系, 计算出²H_11/2和⁴S_3/2之间的能级差为ΔE=926.11 cm^-1. 研究了绿光最优样品的温度效应, 随着温度的升高, 发射强度逐渐变小, 出现了温度猝灭现象. 并计算了样品的激活能, 分别为总体激活能ΔE_总=0.45 eV, 绿光激活能ΔE_绿=0.45 eV, 红光激活能ΔE_红=0.46 eV.     

组装条件对涂布法制备SiO2结构色涂层光谱性质影响研究

为了实现结构色涂层在纸张表面的快速制备，研究不同组装条件对SiO₂结构色涂层呈色效果的影响，采用快速涂布的方法，在纸张表面制备出了大面积且具有随角异色特性的结构色涂层。探讨SiO₂微球粒径、分散液浓度及涂布次数等因素对结构色涂层光学特性的影响，通过优化自组装条件和分析周期性结构构筑类型，阐明快速涂布法构建的SiO₂微球在激光打标纸上的自组装过程及结构色呈色机理。应用数码相机、3D激光共聚焦形貌测量显微镜等仪器对样品的颜色外观和微观结构进行测量，表征样品的呈色性能及表面结构。使用X-Rite MA68Ⅱ多角度分光光度仪及光纤光谱仪测量反射光谱，进而用CIEL*a*b*色度值对制备的结构色涂层的光学性能进行分析。结果表明，通过快速涂布自组装法制备所得的结构色涂层，SiO₂微球粒径尺度对样品色调影响显著，随着微球粒径的增加，反射光谱中心波长发生红移，且该涂层有角度依赖特性，当固定入射角度为45°时，随着探测方向与镜面反射方向夹角的增大，中心波长发生红移；微球溶液的浓度可以调控结构色涂层反射光谱曲线的半高宽及反射率峰值，进而影响样品的亮度和彩度，而对于光子带隙的位置无明显影响。微球浓度为4%时，样品表面呈现出基材本身的黑色，微球浓度为8%时，200，220和250 nm粒径的样品表面分别可以呈现彩度较低的蓝色、绿色、黄色，微球浓度增加到10%时，纸张表面的结构色涂层彩度提高，色调不变；随着涂布次数的增加，反射光谱曲线的半高宽变窄，且反射峰位发生蓝移，涂布次数达到3次时，反射峰位最接近于根据布拉格定律计算出的理论值，但涂布次数的增加也使得结构色涂层表面产生白色的不均匀现象。     

鞍山式铁矿SiO2含量的热红外光谱分析方法

SiO₂含量是铁矿石质量控制的主要技术指标,亦是衡量铁矿石品质好坏的关键指标之一,对选矿方法、配矿流程的确定具有重要意义。传统的SiO₂含量测定法虽然准确度高,但工作量大,操作繁琐,花费时间长,难以快速、高效确定铁矿石中SiO₂含量。采用红外光谱辐射计Turbo FT对辽宁省鞍钢集团鞍千矿业有限责任公司的“鞍山式”铁矿样品进行热红外光谱测试,分析了光谱特征,构建了比值指数(RI)、差值指数(DI)和归一化指数(NDI),并确定光谱指数与样品SiO₂含量相关性最显著的敏感波段及对应的相关系数值;优选出与样品SiO₂含量相关性最显著的归一化指数(NDI),构建样品SiO₂含量的定量反演模型,并进行了验证。结果表明,三种光谱指数与样品SiO₂含量的敏感波段均位于余辉带特征(RF)的左边界8.06与8.2 μm处,相关系数均达到0.9以上,其中NDI与样品SiO₂含量的相关性最高;基于NDI构建了实验样品SiO₂含量的二次函数反演模型,预测误差为3.57%。该方法相对于传统的研磨化验法,具有工作强度小、便捷、快速、高效、无污染的优点,对遥感找矿也具有一定指导意义。