Optical heterodyne Herriott-type multipass laser absorption spectrometer

We present a Herriott-type multipass laser absorption spectrometer enhanced by optical heterodyne detection. The proposal is demonstrated by measuring the spectra of water vapor molecule in the region from 12247.6873 to 12249.6954 cm-1. Compared with direct absorption spectroscopy, the signal-to-noise ratio is improved nearly one magnitude of factor by combining with the optical heterodyne spectroscopy and extra weak absorption lines are observed. The minimum detectable absorption is estimated at 4.36×10-8 cm-1 and the measured line shape dominated by Doppler broadening can be precisely recovered by direct transformation of experimental optical heterodyne spectral profile.     

铁合金中微量钛元素的激光诱导击穿光谱研究

采用激光诱导击穿光谱对铁(Fe)合金中的钛元素(Ti)的含量进行测量。实验中激光器在最大能量输出(50 mJ),延时为1 μs时光谱信号的强度值最大。在此条件下,分别使用传统定标法和Fe Ⅰ 438.35 nm及Fe Ⅰ 427.12 nm两条谱线的内标法对铁合金中的Ti进行定量分析。内标法得到的拟合相关系数(r)分别为0.997 8和0.993 9,优于传统法得到的r(0.956 3)。提出了一种双谱线平均内标法,拟合得出r为0.998 4。同时,在浓度为0.063%～1.9%的范围内传统定标法测量的相对误差为23.7%,内标法的相对误差为6.0%,采用平均内标法后相对误差降为3.9%。最后,通过测量的Ti光谱计算了激光能量为50 mJ时所产生的等离子体温度为6 654.3 K,电子密度为1.072×1022 cm-3,并讨论了激光能量与烧蚀产生等离子体温度之间的关系。     

亥姆霍兹线圈轴线磁场计算机测量实验研究

亥姆霍兹线圈产生的磁场具有广泛的物理应用。利用霍尔传感器件,研究制作了具有USB2．0数据通讯接口的高速磁场数据测量装置,编写了磁场数据采集处理程序,设计了中心距可调的亥姆霍兹线圈并用所研制的仪器进行了轴向磁场分布测量。结果表明：该实验装置测量精度高,实时性好,实验手段先进,可扩展为多个设计性物理实验。     

低激发态CN自由基光谱参数的理论研究

CN自由基在碳化物的燃烧过程中一直扮演着重要的角色。采用量化计算方法对CN自由基进行了从头计算。首先利用Hartree-Fock自洽场方法进行轨道计算,再使用完全活性空间自洽场对轨道进行优化,然后采用多参考组态相互作用的方法计算了在0.06到0.7 nm的核间距范围内CN自由基3个低激发态(X~2Σ~+,A~2Π和B~2Σ~+)的势能曲线。为了进一步提高计算的精度,考虑相对论效应选择aug-cc-pV5Z-dk相关一致基组。求解径向薛定谔方程,得到了各电子态振-转能级的能量和振-转常数,并拟合获得这些电子态的光谱常数(T_e,R_e,ω_e,ω_eχ_e,B_e,α_e)及Franck-Condon因子,其与实验结果基本一致。同时,计算CN自由基A~2∏-X~2∑~+的跃迁偶极矩,并得到5个低振动能级的辐射寿命τ和振子强度f_(00)。计算获得辐射寿命为～4μs,与实验测量结果符合较好,为研究燃烧过程中动力学行为提供了理论依据。     

光学反馈腔增强吸收光谱技术中干涉抑制方法

提出了一种降低光学反馈腔增强吸收光谱(optical feedback-cavity enhanced absorption spectroscopy,OF-CEAS)系统中干涉噪声影响的干涉抑制方法.使用Ariy函数分析了透射腔模信号中存在的干涉噪声,研究发现该系统中的干涉信号源自于光束在前腔镜内的多次反射,并通过更换3种厚度不同的平面反射镜进行验证.提出利用Ariy函数拟合得到的干涉信号作为无吸收情况下的背景信号,与测量气体的吸收信号相减直接获得无背景吸收光谱信号.该方法有效避免了OF-CEAS系统中,由于环境因素导致腔体稳定性改变等原因造成的测量误差.最后,基于该方法测量了1.53μm附近的乙炔气体吸收特性,评估系统的探测灵敏度为7.143×10^–8 (1σ),实验表明该方法在提高OF-CEAS系统的探测灵敏度方面有着很大的应用前景.     

基于TDLAS平衡差分技术的CO气体检测

利用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)结合平衡差分探测技术测量了1.578 μm附近的CO气体3-0带P(4)跃迁在不同压强和不同浓度下的吸收光谱信号。由于平衡差分探测方法可以有效地抑制激光光强波动、温度漂移和机械振动等共模噪声,从而提高了光谱探测灵敏度。通过与直接吸收信号相比,平衡差分的信噪比提高了3.4倍,探测极限为87 ppmv。测量了浓度为1%压强为40,55,70和85 Torr时的CO气体,结果显示在70 Torr时其光谱信号最强。并且,利用直接吸收和平衡差分技术测量了不同浓度的CO气体在总压强在70 Torr时的光谱信号,发现平衡差分技术光谱强度与浓度的关系线性度符合较好,其测量误差小于5%。为了进一步验证系统的稳定性,连续采集了324 s的光谱信号,最后通过Allan方差分析,发现本实验系统的最佳探测时间为38 s,探测极限为47.8 ppmv。     

基于Mie散射的可吸入颗粒检测仪的设计

可吸入颗粒物浓度是大气环境监测中的一项重要指标。在Mie散射消光原理的基础上,采用三波长方法并结合了分布式函数算法设计了可精确测量大气中可吸入颗粒物浓度的检测仪器,计算了Mie散射效应中消光因子的光谱依赖关系,在数据处理中对光谱时域信号进行积分从而消除了光谱多峰效应所产生的误差。此检测仪气路部分可实现可吸入颗粒物(PM2.5和PM10)的双通道采集。利用激光光纤将三种不同波长的激光通过耦合器(3合1)耦合进一个光纤后通过样品池,衰减光进行分离后进入光电探测器,由电路模块对探测到的光信号进行转换、数据处理、显示和存储, 并通过3G无线网络实现数据的远程传输和共享。该仪器可以实现可吸入颗粒平均粒径和浓度测量。通过实验验证了检测仪的各项性能指标,数据表明该检测仪的灵敏度为0.01 μg·m-3,响应时间约为90 s,适用于大气中可吸入颗粒物浓度的实时检测。     

CO在1. 578 μ m的可调谐二极管激光光谱信号小波去噪研究

研究了一氧化碳(CO)近红外波段直接吸收和波长调制信号去噪处理算法。从HATRAN数据库中得到CO气体的吸收信号作为仿真数据,提取直接吸收信号、1-f和2-f解调信号作为原始信号,研究了不同小波基以及不同的分解层数对叠加高斯白噪声的光谱信号去噪的效果。最后利用基长为0.95 m有效光程为55.1 m的Herriott型多光程池对CO在1.578 μm处的第二泛频带P(4)吸收谱线信号进行测量和信号处理,与原始信号相比,经过信号处理过的直接吸收、1-f和2-f解调信号的信噪比都提高1～2个数量级;通过选择不同小波基和优化小波变换层数,增加了系统的抗干扰能力。     

基于ab initio的BD~+离子激光冷却理论研究

基于相关一致基组aug-cc-pV5Z,采用内收缩多参考组态相互作用方法计算了BD~+离子两个最低解离极限B~+(~1Sg)+D(~2Sg)和B+(~3Pu)+D(~2Sg)对应的5个Λ—S态(X~2Σ~+,A~2Π,B~2Σ+,a~4Π和b~4Σ~+)的势能曲线和跃迁偶极矩.根据计算结果,求解核运动的径向薛定谔方程得到相应电子态的振-转光谱常数、Franck-Condon(F-C)因子和振动能级辐射寿命.其中A~2Π—X~2Σ~+的F-C因子(f_(00)=0.923)、辐射寿命(τ=235 ns)满足激光直接冷却的条件.因此,我们基于分子转动跃迁提出了一个可实现Doppler激光冷却的光循环方案:A~2Π_(1/2)(υ′=0)—X~2Σ+(υ′′=0,1),其中υ′=0中包含2个转动能级,υ′′=0和υ′′=1中分别包含6个和4个转动能级.根据方案,模拟了激光冷却过程中的分子布居数动力学变化过程,并计算了初速度为100 m/s的BD~+,历经5.4 ms散射1150个光子可减速到4.6 m/s、温度为13 mK.     

低成本多光谱量子点新冠IgM和IgG抗体定量检测仪研究

目前，核酸检测已成为了我国新型冠状病毒感染确诊的“金标准”,然而核酸检测在检测过程中受到病程、标本采集、检测过程、检测试剂等因素的影响，容易出现检测结果“假阴性”而漏诊的情况。检测血清中的新型冠状病毒特异性IgM和IgG抗体已作为新冠病毒检测的辅助手段，可以用来弥补核酸检测的“假阴性”短板，提高检测阳性率。论文介绍了一种成本低的便携式新冠IgM和IgG抗体定量检测仪。检测仪由CPU信号处理模块、光源驱动模块、多光谱探测模块、电源模块、显示存储和通信模块等组成。采用荧光免疫层析技术使待测样本中的IgM和IgG抗体与量子点相结合，并将其截留在试纸条的T线。方波调制后的光源驱动模块驱动紫外LED,其出射紫外光通过一种屋脊形的光学系统垂直照射在免疫荧光层析试纸条的T线和C线上，量子点标记物被光源激发辐射出红色荧光，红色荧光透过窄带滤光片后被多光谱探测模块所捕获；多光谱信号在CPU中进行FFT变换得到其频谱特征量，利用信号波段和参考波段的特征量的比值进行归一化处理消除背景和环境干扰信号计算得到荧光强度，根据标定系数，从而确定IgM和IgG抗体的含量。最终检测结果显示到UI界面上同时上传到服务器数...