本振光功率锁定方法应用于激光外差辐射计的研究

激光外差辐射计具备成本低、体积小、光谱分辨率高等优势,可扩展现有的地面碳测量网络,验证卫星观测结果,并能在卫星观测区域外提供数据覆盖.本文在现有的激光外差辐射计的基础上,报道了基于掺铒光纤放大器的可实现本振光功率锁定的近红外激光外差辐射计原型机.该激光外差辐射计利用一个中心波长为1.603μm的分布反馈式半导体激光器作为本振光源,采用掺铒光纤放大器放大本振光功率,并利用自动功率控制电路实现掺铒光纤放大器输出端光功率的锁定,消除了由本振光功率变化引起的基线斜率,从而实现免基线拟合的整层大气透过率谱的测量.详细评估了基于掺铒光纤放大器的高度集成化的激光外差辐射计的仪器性能,并在合肥市科学岛(31.9°N, 117.2°E)地区进行了整层大气CO₂透过率谱的测量.在一天的测量时间内得到6组大气CO₂透过率谱,与大气辐射模型模拟结果进行比对,测量结果一致.实验结果表明,掺铒光纤放大器的应用可以提高激光外差辐射计的性能,优化其结构,进而为实现无人值守的长期大气CO₂浓度观测和构建全面的碳观测网络提供仪器设备的补充.     

高重频硬X射线自由电子激光脉冲到达时间诊断方法研究

X射线自由电子激光(XFEL)脉冲时间诊断技术常用于实验站附近XFEL脉冲和配套激光的相对到达时间探测,是飞秒级XFEL泵浦探测实验的重要辅助技术,为XFEL和激光泵浦探测实验中两种脉冲对准提供参考信号.随着XFEL向高重频、短脉冲发展,对时间诊断中的诊断频率、泵浦样品和分辨率提出了更高的要求.该技术通过泵浦探测和光学互相关实现,当XFEL脉冲入射高带宽半导体样品瞬间,导致样品复折射率突变,使XFEL到达时间编码于突变空间.本文基于空间编码和光谱编码两种方法,研发设计了XFEL单脉冲到达时间诊断装置;并通过Beer’s吸收理论和原子散射理论对X射线与样品作用过程进行模拟,研究了该过程中X射线吸收与折射率突变的响应程度,完善了样品的分析选择模型;对光谱编码中的啁啾脉冲调制进行分析,得到色散介质和脉冲本征参数对诊断分辨率的影响.该研究对XFEL脉冲到达时间诊断装置的应用具有指导意义.     

基于分数阶Tikhonov正则化的激光吸收光谱燃烧场二维重建光路优化研究

为探究基于激光吸收光谱技术的燃烧场二维测量光路布置方式,实现有限投影下更精确的燃烧场二维重建,根据分数阶微积分理论,提出一种基于分数阶Tikhonov正则化的光路优化方法.将经典的整数阶Tikhonov正则化推广到分数阶模式,建立了基于分数阶Tikhonov正则化的光路设计目标函数.利用遗传算法分析(0,1)范围内不同阶数的计算结果,得到最佳光路布置方式.采用近红外波段7185.6 cm^-1的H₂O特征吸收谱线结合20条测试光路对10×10离散化网格区域进行计算,对比分析五种光路布置方式对多种分布模型的重建结果,结果表明,基于分数阶Tikhonov正则化的光路布置方式具有最佳重建效果.研究结果对有限投影条件下激光吸收光谱二维测量光路的优化设计理论研究具有重要意义,可以促进激光吸收光谱技术在复杂发动机燃烧场二维重建及燃烧效率提升方面的应用.     

背景气体对激光等离子体和外磁场界面上槽纹不稳定性的影响

等离子体在外磁场中膨胀产生的抗磁腔和不稳定性是空间物理和聚变物理中的重要现象.本文实验研究了激光产生的等离子体在外磁场中膨胀时在抗磁腔表面产生的槽纹不稳定性,数据分析显示实验中观察到的不稳定性属于大拉莫尔半径槽纹不稳定性.实验发现充入稀薄背景气体能够显著抑制槽纹不稳定性的发展,背景气体气压超过50 Pa时(约为抗磁腔表面等离子体密度的1%),槽纹不稳定性几乎被完全抑制.动理学分析表明离子-离子碰撞是抑制不稳定性发展的主要因素.这些结果对磁场辅助激光聚变和爆炸空间物理现象等领域有重要参考价值.     

光纤探针测量及多尺度熵鉴别超临界类沸腾传热模式

亚临界沸腾包括界面蒸发和气泡动力学诱导的传热,但超临界传热是否存在类界面蒸发和类气泡传热以及两者间的转换缺少直接的实验证据.本文进行了超临界CO₂液池传热的实验研究,压力和液池温度分别为8—10 MPa和15℃.作为加热元件和感温元件,22 mm长和70μm直径的镍铬丝水平放置在液池中,光纤探针垂直放置,其顶端高于镍铬丝200μm.发现随热流密度或壁面过热度的持续增大,依次发生自然对流、类界面蒸发、类蒸发-沸腾转换、类沸腾4种传热模式.本文重点关注类界面蒸发和类沸腾传热以及两者间的转换.在类界面蒸发模式下,传热系数随壁面过热度增大略有下降,光纤输出小幅/高频信号,不存在主频,多尺度熵大,表征随机信号波动.在类蒸发-沸腾转换模式下,光纤输出大幅/低频周期信号,存在明显主频,多尺度熵小,代表有序的周期性脉动传热.在以类气泡为特征的类沸腾模式下,光纤信号波动幅度介于类蒸发和转换模式之间,主频不明显,多尺度熵也介于类蒸发和转换模式之间.研究获得了超临界类沸腾直接的实验证据,加深了对超临界传热机理的理解,为后续理论研究和工程应用提供了基础.     

一种用于软X射线激光去相干的单玻璃管光学透镜设计

激光具有亮度高、单色性好、高相干性及方向性好的优势,然而在激光成像、激光加工等场景只想利用其高亮度或高单色性,高相干性导致的干涉效应会影响和限制其应用效果.通过模拟计算的方法,设计了一种针对软X射线激光去相干的新型单玻璃管光学透镜.模拟结果显示,针对波长为10 nm、束腰半径为1.25 mm的软X射线激光光束,透镜入口端内直径5 mm、出口端内直径0.6 mm、长度15 cm的单玻璃管光学透镜在有效降低软X射线激光光束相干度的同时,在出口处获得了发散度为30—50 mrad的出射光束,相应的传输效率为78%,光强增益为52.74.针对波长不低于1 nm的激光光束,该型号的单玻璃管光学透镜能够将光束的传输效率保持在30%以上.本文还探讨了入射光能量和透镜长度对器件传输结果的影响.结果表明,根据全反射原理设计的单玻璃管光学透镜能够满足极紫外到X射线波长范围内激光去相干的应用需求,在X射线激光成像、激光加工等方面具有广泛的应用前景.     

基于LSTM的激光混沌同步通信

针对激光混沌保密通信系统中混沌信号接收双方硬件参数难以完全匹配的问题,用长短期记忆神经网络对发射端产生的大量混沌加密信号和部分载波信号进行充分训练,最终得到一个与发射端激光器系统高度相似的神经网络模型,并用此非线性模型代替接收端进行解密,实现了2 Gbit/s的混沌同步通信。该方法明显降低了混沌同步的复杂性。探讨了不同节点数量、耦合系数以及信噪比对于同步通信的影响,结果表明同步系数可以高达0.999 966,均方根误差达到10^-3量级,误码率低至10^-10量级。最后通过图像传输系统验证了方案的可行性。     

用于抗结核药物异烟肼检测的碳点/二氧化锰纳米探针的构建

采用微波法快速合成了一种生物相容性好、稳定性高的荧光碳点（CDs）,并将该碳点与二氧化锰纳米片（MnO2）混合形成纳米荧光探针用于抗结核药物异烟肼（INH）的检测。采用透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT－IR）、紫外可见光谱（UV－Vis）和荧光光谱等手段对碳点和二氧化锰纳米片的形貌、成分、表面基团进行了表征。实验发现,MnO2纳米片通过荧光共振能量转移（FRET）猝灭CDs的荧光,而加入的INH可与MnO2纳米片发生氧化还原反应使后者降解,进而使CDs的荧光得以恢复,基于此构建了一种定量检测INH的纳米荧光探针。该探针对INH表现出良好的灵敏度和选择性,对INH检测的线性范围为0.5 ~ 60 μmol/L,检出限为0.02 μmol/L,并成功地应用于血样、尿样以及片剂中INH的测定,回收率分别为94.8% ~ 116%,99.0% ~ 105%和96.8% ~ 102%,相对标准偏差均小于5%,结果令人满意。该探针为INH的检测提供了新的思路,在生物样品检测方面具有广阔的应用前景。     

基质辅助激光解析/电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)在微生物鉴定中的应用*

基质辅助激光解析/电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)是一种新型软电离生物质谱,具有检测速度快、操作简便、结果准确等优点,目前已成为可靠的微生物快速鉴定技术。就工作流程而言,与常规生化方法相比,MALDI-TOF MS可以将微生物鉴定的时间缩短为一天甚至更短。对于具有抗生素耐药性的微生物,使用MALDI-TOF MS鉴定也有很好的准确性。在病毒鉴定中,MALDI-TOF MS也可以发挥作用,已有报道将MALDI-TOF MS和机器学习(ML)分析方法结合来检测鼻拭子中SARS-CoV-2。此外,MALDI-TOF MS还可用于细菌的无光谱库鉴定。目前,MALDI-TOF MS正通过与其他技术(例如傅里叶红外光谱FTIR)相结合进一步扩大微生物鉴定范围。     

质谱分子成像技术与应用进展

该文总结了二次离子质谱、基质辅助激光解吸电离质谱和常压敞开式离子化质谱三大类型质谱分子成像（MSI）技术的概况、技术与方法及其应用新进展。MSI技术作为免标记、高覆盖、高灵敏、检测范围广的可视化分析手段,不局限于生物组织或细胞中某种特定分子的检测,可对已知和未知多种分子进行同时成像分析,获得不同分子的空间分布、相对含量及结构信息,实现其分子的定性、定量与定位分析;还可提供不同生理及病理过程中功能分子的动态时空变化信息等。因此,MSI技术成为质谱领域以及分析化学等领域的研究前沿与热点方向之一,并在化学、医学、生命科学、药学和环境科学等领域显示出重大应用前景。此外,MSI技术是单细胞可视化分析和空间分辨代谢组学的强有力分析手段,可从动物或器官组织的整体、微区、单细胞等不同空间尺度,获取具有空间分布特征、时空动态变化的功能分子全景轮廓信息等而备受关注。