全光纤双通道大气温室气体激光外差光谱探测技术研究

激光外差光谱技术是近年迅速发展的一种高光谱分辨率遥感探测技术,其装置具有体积小、光谱分辨率高等特点,适用于大气温室气体浓度的探测。各种观测实验已证明其是一种切实、有效的探测手段,在地球大气探测领域具有很大的应用前景和潜力。在现有激光外差光谱仪器的基础之上,提出了一种新型的仪器结构。采用光纤光开关对直射的太阳光进行调制与分束,实现利用单个光纤光开关进行两个波段激光外差信号的同时探测。为全光纤激光外差光谱仪的下一步系统集成和多波段激光外差光谱仪的构建提供了新方法。从激光外差探测的原理出发,分析了激光外差光谱探测技术的优势和关键参数,并结合自行研制的高精度太阳跟踪仪,搭建了一套近红外双通道全光纤式激光外差辐射计的原理样机。详细地阐述了激光外差辐射计原理样机中各功能模块的作用和参数,着重描述了光纤光开关在其中的作用原理和功能,详细地讨论了激光外差光谱仪的波长扫描模式和波长标定方法。在此基础上,讨论了激光外差辐射计的相关参数设置依据和仪器函数的测量方法,并给出了激光外差装置的仪器函数以及相应的光谱分辨率(0.004 4 cm-1)。利用搭建的激光外差光谱仪在合肥地区(31.9°N, 117.166°E)进行了实际的大气探测,同时在波段(6 056.2~6 058.1 cm-1)和(6 035.6~6 036.5 cm-1)分别获取了CH₄和CO₂分子的激光外差吸收信号,并对吸收信号进行了波长标定和归一化,得到了CH₄分子和CO₂分子的整层大气透过率谱,测量光谱信号的信噪比分别为197和209,同时也对分子吸收信号的光谱特征进行了分析。本文的测量实践表明光纤光开关可以用于激光外差光谱系统的结构优化,实现多通道多波段的激光外差光谱同时测量,拓展激光外差光谱仪在大气探测领域的应用。     

基于空间外差的三叶草拉曼特征光谱测量实验研究

空间外差光谱技术凭借超高光谱分辨率、高通量、瞬态探测、无运动部件等优势,在星际暗物质及大气微量气体成分等微弱光谱信号检测方面得到广泛应用。为了探索一种基于空间外差光谱技术实现物质拉曼光谱(RS)快速、直接检测的可行性,选择三叶草作为测量对象,使用一体化HEP-765-S空间外差光谱系统作为拉曼特征光谱探测器,配合特定波长激光器搭建系统,开展拉曼特征光谱直接测量实验。首先使用Gaussview6.0构建三叶草所含主要色素:叶绿素a、叶绿素b、α-胡萝卜素和β-胡萝卜素的分子结构,然后利用Gaussian16获取优化的仿真RS,分析四种色素最强拉曼谱峰的波段范围,确定四种成分的强信号特征波段为1 537～1 800 cm~(-1)。根据激发光源与拉曼位移的理论关系,结合探测系统759～769 nm的检测波段范围,计算出用波长680 nm的激光器作为光源激发拉曼信号,可保证四种色素强特征拉曼信号正好落在探测范围,且可避开光源瑞利散射光及荧光干扰的影响。最终购置中心波长为680.28 nm的激光器与HEP-765-S空间外差光谱系统搭配开展三叶草强峰拉曼信号的直接检测实验。实验结果表明:搭建系统能够实现三叶草RS的直接测量,但是所测拉曼信号强度偏弱,这主要是两方面原因造成:(1)由于所用激光器的输出功率峰值偏小,约为130 mW;(2)所用HEP-765-S空间外差光谱系统为一体化设计仪器,软硬件系统及参数固化后不能进行调整,仪器数据采集的最大积分时间偏小,设定值为832 ms。光源功率不够大且仪器积分时间小共同导致采集信号偏弱。通过与仿真光谱比较,实测光谱在使用空间外差系统探测波段与三叶草叶片内四种主要色素拉曼信号叠加的包络基本一致,中央主峰与两端次峰都符合较好,实测光谱与仿真光谱具有较好一致性,说明采用空间外差系统对物质拉曼信号进行快速、直接检测具有可行性。     

光学外差探测信噪比研究

对于光学外差探测系统而言,为了有效利用回波信号,需要对信噪比这一表征系统性能的重要指标进行研究。从理论分析了信噪比,给出了计算信噪比的一般公式。理论分析表明,当探测器光敏面上本振光与信号光的振幅、相位、偏振都满足严格的匹配时,外差效率最大。对场分布为艾里函数的光外差信噪比进行研究和数值模拟。结果表明,当艾里斑尺寸的比例系数控制在0.8~1.2内,并使信号光斑主轴偏移量x0控制在0.5以下,探测器的尺寸在(0.6~0.8)λf/d内时,可获得大于0.7ηPs/hνB的信噪比。     

用于纳米测量的混合型外差干涉信号处理方法

通过对外差干涉信号同时进行相位检测和锁相倍频计数,可得到存在一定冗余度的一组测量结果,经过一定的逻辑混合;可实观测量分辨率优于０．１ｎｍ,测量范围不受λ／２周期限制,从而克服了以往单一采用相位测量法测量范围限于一个周期和锁相倍频计数法分辨率不易提高的难题。给出了在实际纳米测量干涉仪采用这种外差信号处理方法的测量结果。     

空间外差光谱仪中窄带滤光片的光谱特性研究

高光谱空间外差干涉光谱仪的光谱响应由窄带滤光片的光谱特性决定,由于窄带滤光片的制备水平与理论值存在差距,使得发生光谱展宽或波长漂移等现象,在空间外差光谱仪中形成高频和低频光谱混叠从而导致复原光谱失真。在分析滤光片对仪器光谱响应性能影响的基础上,通过在空间外差光谱仪核心干涉组件光栅的胶合过程中,根据窄带滤光片实测波长透过率曲线,利用可调谐激光器动态监测调整光谱仪基频波长的方法改善对其造成的光谱混叠。结果表明,通过实测滤光片特性调整光栅偏转角度来改变基频波长,可最大程度地有效利用仪器所能覆盖的光谱范围,根据干涉图的复原光谱信号可知试验装置的有效光谱范围从758~770.9 nm增加至756~770.9 nm。     

光外差腔衰荡光谱理论研究

提出了简化的光外差腔衰荡光谱技术，避免了通常腔衰荡光谱对衰荡时间的直接测量，同时消除了腔镜损耗的共模直流信号的测量.理论上其测量灵敏度可以达到量子噪声极限，而且技术实现相对简单，更适合于分子振转光谱研究.此外，还在理论上分析了该光谱技术具有的Gauss线型的一次微分光谱线型的特点，并讨论了一些实验参量对谱线强度和线型的影响，进而给出了最佳实验参量. 关键词： 光外差 腔衰荡光谱     

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.     

4.4 μm中红外激光外差光谱探测技术研究

在国内首次报道以窄线宽的4.4 μm外腔量子级联激光(QCL)作为本地振荡光源,黑体作为辐射光源的激光外差光谱实验装置的建立和测量工作。激光外差光谱是一种高灵敏度的光谱探测技术,并可以用于发展一种小型的光谱探测系统,进行地基或星载的地球大气或天文观测。介绍了激光外差的基本理论、装置的建立和实验测量工作。此激光外差光谱实验装置采用4.4 μm外腔量子级联激光,出光功率高达180 mW,在4.38～4.52 μm间连续可调,具有很宽的光谱调谐范围,能实现CO₂,CO和N₂O等大气重要分子的同时测量。通过开展不同压力下CO₂气体的激光外差光谱测量,对激光外差光谱实验装置的性能进行了评估。目前该激光外差系统的信噪比达到86,低于散粒噪声极限条件的理论计算值287,系统的光谱分辨率约为0.007 8 cm-1,能满足较窄线宽条件下的高分辨率激光外差光谱的测量。分析结果表明,中红外激光外差光谱系统具有很高的瞬态信噪比及光谱分辨率,在高精度测量大气温室气体的柱浓度和温室气体垂直廓线分布方面具有广阔的应用前景。     

多维漫透射光谱提高复杂混合溶液分析能力

多维漫透射光谱技术利用传统的近红外透射测量方式,增加一维扫描装置,获得透射方向上的径向光谱,并利用多点漫透射光谱对复杂混合溶液进行成分分析。实验设计了基于氙灯光源、精密电控平移台和光谱仪的检测装置,选用Intralipid-20%,India Ink和C₆H₁₂O₆共配制225种成分含量不同的混合溶液,分别测量距其透射中心点0～5 mm(间隔0.25 mm)范围内的20点漫透射光谱信号,以偏最小二乘回归算法对单点和多点漫透射光谱信号进行建模分析。实验得到India Ink含量和Intralipid-20%含量随漫透射光位置点的增加建模及预测的精度提高,C₆H₁₂O₆含量随漫透射光位置点的增加建模及预测精度没有明显变化。结果表明,增加不同位置信息的漫透射光谱信号,能够提高复杂混合溶液中强吸收物质和强散射物质的信噪比,对于弱吸收弱散射物质有望在提升系统精度的前提下提高其预测能力。     

全视场外差长腔干涉测量技术

提出了一种适用于长焦光学镜片面形测量的新型激光干涉仪。利用全视场外差移相技术能有效抑制振动和大气等环境因素对长腔干涉测量的影响,采用Twyman-Green干涉仪结构,实现测量波面和参考波面的外差相干测量。搭建了实验验证系统,实验证明该方案能较好地抑制外界振动和大气湍流对测量精度的影响,实现了较高精度的长腔干涉测量,仪器的RMS(Root Mean Square)重复测量精度达到0.45‰λ。该技术可以作为长腔干涉测量的可选方案之一。     

Dynamics of the Incommensurate Phase of the Fully Deuterated Diacetylene 2,4-Hexadiynylene Bis( p -Toluene Sulfonate)

Inelastic coherent neutron and Raman scattering is used to make a dynamical study of the disubstituted and fully deuterated diacetylene 2,4-hexadiynylene bis( p -toluenesulfonate) ( p TS-D) in a partially polymerized state ( x = 1.5%). The aim of this study is to investigate the dynamics of the incommensurate phase and to make a comparison with the dynamics of the same monocrystal in the high-temperature phase [Even et al. , Phys. Rev ., B52 , 7142.] and the dynamics of the pure monomer p TS-D crystal [Bertault et al ., Adv. Mat. for Optics and Electronics , 6 , 317.]. The phason and amplitudon modes are observed as very damped phonon-like excitations. The effect of polymerization on the critical dynamics in p TS-D is discussed.     

A novel phase-recovering algorithm for the intensity quantization error in the digital grating phase-shifting profilometry

In this paper, a novel phase-recovering algorithm is proposed to overcome the phase error cause by the image quantization procedure. As the quantization error level is different in one period of the sinusoidal fringe pattern, the intensity errors in the wave crest and wave valley area are much lager than that of other areas. By increasing the phase-shifting steps, the phase value in each point can be extracted without the intensity data from the wave crest and wave valley area. The phase-recovering algorithm is deduced in the whole period. Finally, the validity of the proposed algorithm is proved by data simulation method.     

Determining the micro-optical element surfaces profiles using transmission deflectometry with liquids

We propose a method for simultaneously measuring the front and back surface profiles of transparent optical components. The proposed method combines dual wavelength transmission deflectometry with liquids to record distorted phases at different wavelengths, and then numerically reconstructs the three-dimensional phase information to image the front and back surfaces of the lens. We propose a theoretical model to determine the surface information, and the imaging of achromatic lenses is experimentally demonstrated. Unlike conventional transmission deflectometry, our proposed method supports direct observation of the front and back surface profiles of the optical elements. Compared with other techniques such as interferometry, the proposed setup is simpler to align, has lower cost, and does not require coherent illumination. The proposed method can be applied to normal transmission deflectometry for determining the three-dimensional surface profiles of optical components.     

A spatial domain constraint iterative phase retrieval method for the propagation based X ray phase contrast imaging

Based on the propagation X ray phase contrast imaging theory, a spatial domain constraint iterative phase retrieval method is described in detail. This algorithm limits the object spatial domain according to the actual sample size firstly, and modify the image plane data with the actual test data, then the iteration can be terminated until iteration precision or the number of iterations meet the preset requirements. Finally the numerical simulation is made to evaluate the rapid phase retrieval algorithm performance, and a real column fiber material experiment is carried out using a micro focus X ray phase contrast imaging experiment platform, the phase distribution image of the column fiber is calculated out by this algorithm. The results show that this phase retrieval algorithm is effective, and the method has a potential stability and accuracy for X ray phase contrast imaging technology.     

AWG中波导间耦合造成的相位畸变的分析

用(1,1)阶Pad啨近似的广角BPM计算了阵列波导光栅(AWG)中由于阵列波导间耦合造成的相位畸变以及由于相位畸变引起的相位误差分别考虑了光从中心/非中心输入波导入射两种情况结果表明,波导间的耦合会造成显著的相位畸变,但由此引起的相位误差却很小,光从中心输入波导入射时对应的相位误差10-3rad,从非中心输入波导入射时的相位误差约为10-2rad针对波导阵列边缘效应引起的相位畸变,设计AWG结构时,在阵列部分两侧增加了边缘辅助波导结构,从而消除了边缘效应,使得边缘阵列波导对应的相位误差从10-1rad量级减小为10-3(10-2)rad量级.     

Simultaneous spectral calibration of two phase plates

Based on a new model for the spectral calibration of phase plates in pairs, experimental results are presented for three mica plates between 430 and 684 nm. One of the plates is 36.4 μm thick and the remaining two are identical, each being 28.6 μm thick. In the studied spectral range, the retardances varied from 123.5° to 86.8° for the first plate and from 96.9° to 68° for each of the two other plates. Different procedures for performing the calibration of the plates and the special case of two identical plates are discussed.     

Phase anomaly and phase singularities of the field in the focal region of high-numerical aperture systems

The phase behavior of the three Cartesian components of the electric field in the focal region of a high-numerical aperture focusing system is studied. The Gouy phase anomaly and the occurence of phase singularities are examined in detail. It is found that the three field components exhibit different behaviors.     

多元复相平衡体系热力学变量的微分关系

根据相平衡原理 ,导出了无绝热壁、刚性壁和半透壁及无化学反应、除相平衡条件约束外无其他约束的k组分和 φ相 (2≤φ≤k - 1)的多元复相平衡体系非独立变量与独立变量之间的微分关系 .任一相有温度、压力和 (k - 1)个摩尔分数共 (k+1)个变量 ,其中温度和压力是各相的公共变量 ;k组分复相平衡体系的独立变量个数最多为k ,把温度和压力作为首选的独立变量 ,独立的浓度变量最多为 (k - 2 ) ;把独立的浓度变量全部选在第一相 ,而把其他相的浓度变量都做非独立变量 ,第一相至少有一个非独立的浓度变量     

New phases in the most basic zone of the system Ba−Cu−O

Summary In the most basic part of the binary system BaO−CuO two new compounds were identified corresponding to the Ba₂CuO₃ and Ba₃CuO₄ formulae. Another more oxidized phase of composition Ba₂CuO_3+δ was also obtained, which can exist in two crystalline modifications. For all these new substances the structural type and the lattice parameters are reported.