在单模光纤中放大的反斯托克斯拉曼背向自发散射的温度效应

在单模光纤中,输入的激光功率大于阈值时．出现放大的反斯托克斯拉曼背向自发散射现象。实验发现：放大的反斯托克斯拉曼背向自发散射具有温度效应．与反斯托克斯拉曼背向自发散射一样,放大的拉曼散射光的光子通量受到光纤温度的调制。反斯托克斯拉曼背向白发散射的放大效应抑制了单模光纤中的相干噪声,改善了系统的信噪比。实验还发现．放大的反斯托克斯扎曼背向自发散射空域曲线上放大的端点位置随激发功率的增高前移并具有一定的规律性。放大的反斯托克斯拉曼背向自发散射的温度效应作为一种新的测温原理,已应用于远程30km分布光纤温度传感器系统。     

激光拉曼光谱在气体水合物研究中的应用

天然气水合物是一种重要的潜在能源。用激光拉曼光谱法表征气体水合物能够为研究水合物形成机理和开采方法提供重要信息。系统介绍了激光拉曼光谱法的基本原理,综述了激光拉曼光谱仪在气体水合物微观表征上的各种实际应用。通过激光拉曼测试可分析水合物气体组成、推测结构类型,再利用经验公式或者相对定量法可计算出其大/小笼的气体占有率和水合数;利用原位拉曼技术可以观测水合物形成和分解的微观过程,解析气体分子进入和离开笼子的进程、进行水合物形成和分解过程中气体浓度变化及水合物形成过程中气体溶解度的测定,辨识水合物系统中的相变过程,进而研究水合物形成和分解动力学;激光拉曼光谱法还可用于研究超高压条件下气体水合物的结构及其变化过程。原位拉曼光谱能够对深海天然气水合物及其环境在原位进行表征;利用拉曼成像技术可以对水合物晶体表面进行系统测定,探求气体组分在晶体表面的分布。随着激光拉曼技术的发展及与其他设备联用水平的提高,激光拉曼光谱仪向便携,高灵敏度发展,能够更广泛深入地进行气体水合物微观研究。     

转动拉曼激光雷达探测大气温度的系统设计及模拟计算

本文对转动拉曼散射激光雷达探测的大气后向散射回波进行了数值模拟计算,计算结果得到了现有的数据的验证,证明了这种设计是可行的。并就激光脉冲能量、发射的激光脉冲数、望远镜的直径和垂直分辨率对转动拉曼激光雷达回波信号信噪比的影响进行了较为详细的分析与讨论,简要分析了测温精度。     

多条转动拉曼谱线雷达测量对流层大气温度

由于对流层大气中气溶胶的存在,传统的利用大气中瑞利散射和振动拉曼散射测量大气温度的方法具有一定的局限性,然而利用大气N₂和O₂分子的的转动拉曼信号获得大气温度信息的方法不受对流层大气中气溶胶的影响。因此利用N₂和O₂分子纯转动拉曼散射激光雷达开展了测量对流层下部温度分布的实验研究。现有的转动拉曼雷达系统基本上是通过获取单一的转动拉曼谱线来反演大气温度,这就导致了系统的信噪比低,不能很好的反演温度。作者在双光栅单色仪的基础上提出了一种新的雷达信号分光系统。这种新的分光系统的每条通道所获得的信号并不是单独的转动拉曼谱线,而是多条转动拉曼谱线之和,这样就能提高整个系统的信噪比。在较小的激光能量和小口径望远镜的情况下,利用这种方法,雷达系统可以在几公里内获得较好的信噪比。最后实验得到了对流层0.3～5 km高度内的大气温度分布, 它与球载无线电探空仪比较, 二者一致性较好。     

日盲紫外域拉曼激光雷达探测大气水汽技术研究

拉曼激光雷达通过探测与水汽浓度相关的大气水汽振动拉曼散射回波信号,可实现大气水汽混合比廓线的探测。然而由于振动拉曼信号非常微弱,在白天测量时振动拉曼散射光谱会淹没在太阳背景光中,多在夜间测量。为实现大气水汽的全天时测量,设计开发一套日盲紫外波段拉曼激光雷达系统。该系统选择Nd∶YAG脉冲激光器的四倍频输出-266.0 nm日盲紫外波段作为拉曼激光雷达系统的激励波长,采用镀高增益介质膜的牛顿式望远镜作为接收器,同时利用二向色镜和超窄带干涉滤光片设计高效率的高光谱分光系统,实现了大气氧气、氮气和水汽振动拉曼散射回波信号277.5,283.6和294.6 nm的精细提取。计算仿真结果表明,臭氧吸收对日盲紫外域拉曼激光雷达探测存在一定的影响,主要是探测距离的影响;氮气通道不受白天太阳背景光噪声的影响;水汽通道存在少量太阳背景光噪声,对系统探测距离略有影响。而系统信噪比计算结果表明,设计的日盲紫外域拉曼激光雷达系统可实现白天3.5 km大气水汽的探测。实际进行水汽探测时,可利用氮气和氧气通道反演出臭氧浓度廓线,修正臭氧对发射波长、各通道拉曼散射波长的吸收,进一步提升系统的探测能力和探测精度。     

一种与光镊结合的显微拉曼光谱技术

论述了一种与光镊结合的显微拉曼光谱即"光镊-显微拉曼光谱"系统的构建方案。给出了利用该系统测得的活细胞(大白鼠血细胞,酵母细胞)的微区拉曼光谱,并将红外光镊束缚下的Ar+激光激发的血细胞的拉曼光谱,与用单一Ar+激光光镊束缚并同时激发的血细胞拉曼光谱,以及血细胞直接贴在基底上的拉曼光谱进行了分析对比。实验表明,前者比后两种实验方案的血细胞拉曼光谱信号有显著提高。分析了红外1064 nm光镊激光和可见514.5 nm Ar+激光对活细胞的损伤效应,发现高功率的红外激光对细胞的损伤作用远小于低功率的Ar+激光。并将该系统应用于碳纳米管材料分析,获得了单壁碳纳米管的拉曼光谱。     

空气中O2和N2摩尔分数的拉曼散射多通道测量

开发了一套基于激光拉曼散射的多通道气体光学检测系统,应用于空气中主要组分的摩尔分数定量测量.针对性的设计了532 nm激光脉冲展宽器,能有效地避免脉冲激光在高能量状态下造成气体裂解、石英玻璃损伤等现象的发生,提高了气体拉曼散射的信噪比.在实验室环境压力和温度下,对气体样池内空气进行了长66 mm×直径1 mm激发区域同步10通道(每通道长约6.6 mm)的拉曼散射实验.得到了各通道下氧气(O2)和氮气(N2)的拉曼光谱和摩尔分数,及O2相对于N2的相对响应因子RO2.完成了26次重复性实验,每次为200个激光脉冲激发自发拉曼光谱的累加.结果表明,各通道间计算的平均的氧摩尔分数x-O2和相对于氮气的相对响应因子-RO2的标准偏差分别为0.015和0.024,但它们的平均值与10通道合并方式下的实验结果完全相同,准确率达98%,完全满足实时地并具有时空分辨力的定量测量混合气体摩尔分数的要求.该系统可满足于各种动态燃烧过程的光谱检测与分析.     

飞秒激光诱导TiO2金红石相变的激光显微拉曼光谱研究

利用激光显微拉曼光谱仪研究了近红外飞秒激光脉冲诱导TiO2金红石晶体所引起的相变.实验发现当激光的脉冲功率为1.0μJ/脉冲时,随着飞秒激光辐照脉冲数的增加,金红石相的Eg模式强度增强,而A1g模式强度减弱,飞秒激光的非线性效应在晶体内部诱导产生了色心;当激光辐照脉冲数为2.5×106时,锐钛矿石相出现;随着激光辐照脉冲数的增加,锐钛矿相的拉曼振动模式强度增强,金红石相的拉曼振动模式强度减弱.     

一种提高激光告警器性能的自适应方法

激光告警是激光对抗的重要前提和基本手段，如何在复杂背景噪声下识别来袭激光信号，进而准确报警是激光告警面临的首要问题。该文分析了激光告警设备检测概率与信噪比的关系，从关系式可以看出，为了提高激光告警设备的检测概率，需要增加激光信号的信噪比。提出了一种最大信噪比的自适应算法，进行了算法分析，并利用矩阵变换作出了算法简化，从而保证了系统信噪比的最佳化。最后对最佳权向量的求解这个问题，给出了适用于工程化的最佳权向量求解的简单迭代算法。     

激光拉曼定量分析氘气方法研究

应用拉曼光谱法对氘气在不同条件下的谱峰信噪比进行了实验研究。采用32 mW功率的Ar+激光器(514 nm),通过石英玻璃管,研究了光栅、激光功率、曝光时间和气体压强对氘气拉曼谱图信噪比的影响,得出了氘气拉曼光谱信噪比与激光功率、曝光时间和气体压强呈正比关系。绘制出适用于本套实验仪器的不同压力与信噪比的标准曲线,并用三组随机样品对关系式SNR(J 2→2)=10.6×10-4p+1.271 34进行验证。当氘气压强为21 280 Pa时,相对误差是4.8%,并且当压强增大到67 235 Pa时,相对误差下降到1.46%。     

Signal-to-noise ratio of Raman signal measured by multichannel detectors

Raman spectroscopy has been widely used to characterize the physical properties of two-dimensional materials(2 DMs). The signal-to-noise ratio(SNR or S/N ratio) of Raman signal usually serves as an important indicator to evaluate the instrumental performance rather than Raman intensity itself. Multichannel detectors with outstanding sensitivity, rapid acquisition speed and low noise level have been widely equipped in Raman instruments for the measurement of Raman signal. In this mini-review, we first introduce the recent advances of Raman spectroscopy of 2 DMs. Then we take the most commonly used CCD detector and IGA array detector as examples to overview the various noise sources in Raman measurements and analyze their potential influences on SNR of Raman signal in experiments. This overview can contribute to a better understanding on the SNR of Raman signal and the performance of multichannel detector for numerous researchers and instrumental design for industry, as well as offer practical strategies for improving spectral quality in routine measurement.     

Long-distance fiber Bragg grating sensor system with a high optical signal-to-noise ratio based on a tunable fiber ring laser configuration

A novel tunable fiber ring laser configuration with a combination of bidirectional Raman amplification and dual erbium-doped fiber (EDF) amplification is proposed for realizing high optical signal-to-noise ratio (SNR), long-distance, quasi-distributed fiber Bragg grating (FBG) sensing systems with large capacities and low cost. The hybrid Raman-EDF amplification configuration arranged in the ring laser can enhance the optical SNR of FBG sensor signals significantly owing to the good combination of the high gain of the erbium-doped fiber amplifier (EDFA) and the low noise of the Raman amplification. Such a sensing system can support a large number of FBG sensors because of the use of a tunable fiber Fabry-Perot filter located within the ring laser and spatial division multiplexing for expansion of sensor channels. Experimental results show that an excellent optical SNR of approximately 60 dB has been achieved for a 50 km transmission distance with a low Raman pump power of approximately 170 mW at a wavelength of 1455 nm and a low EDFA pump power of approximately 40 mW at a wavelength of 980 nm, which is the highest optical SNR achieved so far for a 50 km long FBG sensor system, to our knowledge.     

用于远程探测的空间外差拉曼光谱技术研究

空间外差拉曼光谱技术是一种新型拉曼光谱探测技术,具有光通量大、高分辨率、无移动部件等技术优势,非常适用于行星探测任务中,对行星表面的矿物及有机物进行分析,探寻可能存在的生命标志物。作者将这一技术运用于远程拉曼光谱探测中,对远程空间外差拉曼光谱仪的光谱分辨率、光谱范围及信噪比等主要特性进行了分析与实验验证。文章对远程空间外差拉曼光谱探测的基本原理进行了简述,设计搭建了一套实验平台,并进行了定标,验证了其性能参数。在此基础上,获取了10 m处部分无机固体样品、有机样品及天然矿物的拉曼散射信号,对系统信噪比进行了估计。由于装调精度不高、光学器件缺陷等原因,系统远非理想。但测试结果表明,对于大部分样品的主要拉曼散射峰,系统信噪比优于5,基本可以满足清楚分辨典型拉曼谱峰的要求,依然可以证明这一技术的可行性。空间外差拉曼光谱技术可以弥补色散型光栅光谱仪与傅里叶变换型光栅光谱仪的主要技术缺陷,在行星表面物质探测与分析领域具有较大的应用前景。作者对于这一技术的研究一定程度上证明了空间外差拉曼光谱技术在远程探测方面的潜力,可为远程空间外差拉曼光谱仪的工程实现提供参考。     

基于极值统计的拉曼光谱信噪比评估方法与应用

随着近年来便携式光谱仪技术的迅速发展,CCD光谱仪相对于传统光谱仪在光谱收集方式上发生了很多变化：（1）采集到的光谱对信号进行叠加积分,传统信噪比评估方法无法通过单次检测获得探测器波动;（2）对于谱图噪声（谱线随机波动）,由探测器响应随机波动和扫描重复误差转变为CCD探测器像素响应差异、探测器随机噪声和与光学系统分辨力有关的模式噪声。噪声类型发生改变,导致原有的光谱质量评价方法适用性变差,基于实测光谱提出更具适应性的光谱质量评价方法具有很强的现实意义。根据拉曼光谱仪检测器的变化,对采集光谱信号的成分进行分析,在该分析的基础上提出了CCD光谱仪的噪声模型假设,根据该假设使用不同的信号极值点频率对不同的噪声进行像素分离,并对噪声频率模式进行了数值模拟,模拟结果与假设相符;在此基础上提出并实验验证了通过谱线极值间距评估谱线噪声的拉曼光谱信噪比评估方法,该方法包括以下两个步骤：（1）通过采集多次实测光谱进行叠加,叠加过程中对对应不同频次的光谱极值点数量进行统计,得到统计结果后基于文中规律分离光谱仪中的环境噪声和暗噪声;（2）应用上述分离结果,对实测光谱中对应暗噪声的谱线极值点作统计平均,再将该值应用于文中公式,计算得到信噪比。该方法在进行了步骤（1）的前期准备后,可以通过单张谱图评估CCD拉曼光谱仪的随机噪声,并用于评估光谱的信噪比。基于光学构架相同、CCD探测器不同的三个拉曼光谱系统进行实验,采用该方法通过设定信噪比阈值对谱图质量进行控制,获得了一致的光谱曲线;基于该方法对同步叠加平均法进行信噪比拟合,拟合优度达到98%。该方法可用于拉曼光谱仪的性能评估和获取拉曼光谱谱图的质量实时控制。理论和实验表明：对于基于CCD探测器的拉曼光谱仪器,当确定样品和特征峰时,可以基于此方法获得信噪比。该方法还可用于比对不同配置的拉曼光谱设备,以及作为控制谱图质量一致性的标准,并对基于拉曼光谱技术的智能鉴别系统的开发具有指导意义。     

激光光源紫外—可见连续可调谐共振拉曼光谱测量系统

本文报道了建立的国内第一套激光光源在２２０ｎｍ～９７０ｎｍ连续可调谐的共振拉曼测量系统。详细分析了影响谱图信噪比的因素，提出了相应的抑制噪声的方法，优化了参数设置，测得了满意的谱图。     

基于匹配追踪的拉曼光谱信号重构算法

拉曼光谱技术是一种高灵敏度、无损伤、振动分子光谱技术,在医药、生物、分析化学等诸多领域有着重要的作用。然而,由于拉曼散射强度低,实际测得的拉曼信号容易被噪声所污染。特别是在较短的曝光时间,收集到的拉曼光谱的信噪比很低。因此,提出了一种基于匹配追踪算法的信号重构方法,用于提取低信噪比的拉曼信号。该方法首先通过阈值循环迭代的方法在平均谱上找出特征峰的位置、估计峰的区间。根据峰的位置区间等信息,用高斯密度函数生成字典。在噪声谱上,根据特征峰位置和区间,将其区分为有信号区间和无信号区间,在有信号区间上利用匹配追踪算法重构被噪声所掩盖的拉曼信号。该算法不仅能够很好的逼近掩盖在噪声中的拉曼信号,且在重构信号的过程中也会对基线进行扣除,无须作基线校正处理。在仿真和实验中对该算法与常规算法进行了比较,结果证明,该算法在低信噪比条件下能够较好的恢复拉曼信号。该算法不同于传统光谱去噪算法,能同时对拉曼光谱进行了基线扣除以及噪声的处理,且能取得较为理想的结果,不需要使用不同的算法对基线和噪声分别处理。其次,在算法上我们创造性地将匹配追踪算法用于拉曼光谱信号的稀疏逼近求解。     

近共心腔气体拉曼光谱增强方法研究

对海水中溶存气体(甲烷、二氧化碳等)的探测是海洋环境监测和资源探测的重要环节,由于拉曼光谱技术可实现多组分同时探测的优势,被视为发展海洋溶存气体探测技术的首选,而探测灵敏度的提高则是推动该项技术实用化的关键。针对提高拉曼光谱气体探测灵敏度这一问题,设计并搭建了一套基于近共心腔拉曼信号增强系统,开展了信号收集方向和激发光多次散射模式对信号强度和信噪比影响的研究。研究发现,信号收集方向与腔镜光轴之间的夹角越小,所收集的信号越强、信噪比越大,当夹角为30度时,信噪比是垂直方向的16倍;近共心腔直线型多次反射模式,与共心腔模式相比信噪比增强了近三倍。采用最优化实验条件,该系统与常规拉曼系统相比,信号强度和信噪比增强效果均在70倍左右。根据该系统对空气中CO₂的相应强度(空气中CO₂的浓度为0.648 mg·L-1),以三倍于噪声强度计算检测限,估算出该系统对CO₂的探测灵敏度约为0.19 mg·L-1,依据CO₂与CH₄拉曼散射截面比为1/6,估算该系统对甲烷的检测限约为11.5 μg·L-1。     

基于拉曼激光雷达的大气三相态水同步精细探测分光系统的设计与仿真分析

水是惟一具有三相态的大气参数,三相态水的分布研究对认识云微物理、云降水物理以及人工影响天气过程具有重要的科学意义.在大气三相态水的拉曼激光雷达探测技术中,需首先解决三相态水的高光谱分光技术,以保证对回波信号的精细提取和高信噪比探测.考虑到水汽、液态水和固态水的拉曼光谱特性,本文首先通过理论仿真详细探讨了各拉曼通道中滤光片的选型参数对三相态水光谱重叠特性和探测信噪比的影响;并针对两者无法同时取得最优解的情况,提出了利用多目标规划问题的评价函数方法,分析获得了各通道最优的滤光片参数.结果表明,当固态水、液态水和水汽通道窄带滤光片中心波长和带宽分别为397.9 nm （3.1 nm）,403 nm （5 nm）和407.6 nm （0.6 nm）时,可获得各通道间最低的光谱重叠度值和最佳探测信噪比,从而实现了三相态水同步探测拉曼分光系统的优化设计.进一步的仿真结果表明,当激光雷达探测效率因子为1800 J·mm·min时,在有云条件下系统可获得白天3.6 km以上和晴天条件下4 km以上的三相态水有效探测,保证了利用拉曼激光雷达实现对三相态水的同步高信噪比探测,为后续大气三相态水的拉曼激光雷达同步探测和反演提供了技术和理论支持.