柴油的透射光谱测量和热辐射物性参数反演

提出了一种基于填充柴油类半透明液体光学腔的透射光谱反演其介质光学常数的新方法(IDTM),通过测量填充水光学腔的透射光谱并反演水的光学常数进行了方法验证。采用Bruke V70傅里叶红外光谱仪实验测量了填充柴油光学腔在波长2~15 μm的透射光谱,基于新方法反演得到柴油在部分波长区域的光学常数,进而计算得到了其热辐射物性参数。研究结果表明：(1)在波段为2.0~2.5 μm,新方法(IDTM)反演水的光学常数同文献结果基本一致。(2)IDTM反演液体光学常数精度同MCDTM基本一致,且明显高于SODTM和SDTM。(3)柴油在波长2~15 μm范围透光性能较差,其中存在2.4,3.4,6.9,7.3和13.8 μm等5个强吸收区域。(4)柴油的光学常数和热辐射物性参数光谱选择性很强,在不同波段其值差距较大。     

载玻片光学常数的透射法分析

载玻片在液体光学测量、微生物学和基因学等领域实验中应用广泛,其光学性能直接影响实验结果。提出了透射法测量载玻片光学常数的方法,建立了载玻片透射比计算模型及其光学常数反演模型。通过TU-19双光束可见光分光光度计测量1.5mm和2.0mm厚度载玻片样品在310~600nm波长范围的透射光谱,结合透射光谱利用光学常数反演模型,得到了载玻片的光学常数。结果表明,载玻片的衰减系数在10-6~10-8之间,折射率在1.5~3.3之间。     

基于透射法分析温度对柴油热辐射特性的影响

本文考虑透射法测量中窗片间的多重反射及入射光束收敛角度的影响,通过透射法测量窗片-液体-窗片三层结构的总透射比,并结合K-K关系式建立了液态碳氢燃料的热辐射特性光谱参数测量反演方法。采用该方法,对蒸馏水的热辐射光谱特性参数进行测量反演,通过与蒸馏水的公开数据对比,验证了该方法可靠性与准确性。在此基础上,对某国产柴油300~400 K温度范围内近红外波段的热辐射特性参数进行了测量及反演计算,获得了不同温度下近红外波段的光谱吸收指数及折射率。测量反演结果显示,在测量光谱区间该柴油折射率随温度变化不明显,但吸收指数随温度升高而减小且变化剧烈,不同温度下的吸收指数相对变化率可达20%。     

非线性光学晶体硼酸镧钠(Na_3La_9B_8O_(27))的光谱研究

测量了Na3La9B8O27晶体在紫外-可见光-红外波段的透射光谱和反射光谱,分析得到其在上述波段的吸收光谱。在波长400nm~2000nm范围内,透射比超过80%,禁带宽度为3.93eV,没有明显的缺陷和杂质吸收。测量了该晶体在太赫兹波段的时域光谱,分析得到其在上述波段的吸收光谱、折射光谱,且通过光学常数之间的关系,得到其介电常数ε曲线。在0.3~1.5THz内吸收小于10cm-1。在0.3~2.4THz内,介电常熟实部ε1成近似线性递增趋势,介电常熟虚部ε2小于0.03。     

利用透射光谱反演硒化锌的光学常数

建立了单块样品和两块叠加样品的透射比计算模型,并提出了一种基于两块相同厚度样品叠加后的透射光谱反演其光学常数的新方法。通过Bruke V70傅里叶光谱仪测试了不同厚度单块硒化锌样品以及两块硒化锌样品叠加的1.33～21 μm范围的透射光谱,结合实验透射光谱利用光学常数反演方法,计算得到了硒化锌样品的光学常数。部分反演结果与文献中数据进行比较,验证了反演方法的可靠性。     

柴油光学物性的温变特性分析

利用IRTracer-100傅里叶变换红外光谱仪测量了柴油介质的光谱数据,根据光谱数据反演柴油介质的光学常数,分析不同温度对柴油透射光谱及光学常数的影响。研究结果表明:在波段400～2000cm~(-1)范围内存在470cm~(-1)、1377cm~(-1)、1454cm~(-1)3个吸收区域;柴油的折射率对光谱的选择性很强,吸收指数呈现波动性变化;在波段905～1200cm~(-1)范围内,柴油的折射率随波长增加波动性较大,吸收指数随温度升高而明显下降,25℃波数为939cm~(-1)时吸收指数存在最大值0.01523;在波段1800～2100cm~(-1)范围内,柴油的折射率随温度升高而增大,吸收指数在2085cm~(-1)存在最大值0.00738。     

含聚污水的光学特性与其浓度的关联分析

为实现含聚污水浓度的在线光学检测,利用IRTracer-100傅里叶变换红外光谱仪测量了封装窗口-含聚污水-封装窗口三层光学腔的透射特性。基于透射比并结合K-K关系式反演液体样品光学参数,使用Matlab软件对含聚污水的光学腔透射特性进行数据拟合。仿真结果表明,含聚污水含光学腔的透射特性与其浓度之间的关系没有呈现一定的规律性,基于含聚污水光学常数反演的透射特性与其浓度拟合效果较好,拟合精度为0.932 69,误差范围为0.13%~2.32%。对基于光学方法在线检测油田含聚污水浓度具有指导意义。     

窗口材料光学常数的双厚度反演方法

建立了求解单层和双层窗口光谱透射比的正问题模型,提出了一种基于两块相同厚度窗口透射光谱反演其光学常数(吸收指数k、折射率n)的方法,研究其与现有两种方法的区别,分析了三种反演方法的适用范围。将已知文献中硒化物玻璃的光学常数作为"真实值",通过正问题模型求解窗口的光谱透射比作为"实验测量值",利用反演方法计算n和k,并分析实验偏差对计算的影响。研究结果表明:1)新的反演方法与现有的双厚度方法精度基本相同;2)三种反演方法均受窗口材料的光学常数影响,但在其适用范围内计算精度较高;3)"实验测量值"存在偏差时,三种反演方法的求解精度差距较大。     

基于宽带可调谐、窄线宽掺铥光纤激光器的2μm波段水的超光谱吸收测量

1.8—2.0μm波段包含大量水的吸收谱线,且吸收强度高于传统的1.3—1.5μm波段,在水的吸收光谱测量中具有很大的应用潜力.超光谱吸收测量技术可以利用宽带范围内的大量吸收谱线来实现物理参数的反演,与传统的单/双谱线的可调谐二极管吸收光谱技术相比具有更好的稳定性、准确性和更宽的使用范围.宽带调谐的窄线宽激光光源是实现超光谱吸收测量的关键器件.利用可调谐法布里-珀罗(FP)腔和光纤可饱和吸收体,搭建了宽带调谐的窄线宽2μm光纤激光器.利用掺铥光纤的再吸收特性,通过合理设计增益光纤长度,得到了在1910—1970 nm约60 nm的光谱范围内连续可调的激光输出,且激光器静态线宽小于0.1 nm,能够满足水的超光谱吸收测量实验的要求.利用该激光器分别对空气和酒精火焰中水在2μm波段的宽带吸收光谱进行了测量.在常温空气中,该光源可以在1910—1965 nm的光谱范围内有效分辨40余条水的吸收谱线;在酒精火焰中,该光源可以在1950—1970 nm的光谱范围内有效分辨近50条水的吸收谱线.通过与HITRAN2016数据库的比对反演得到激光器在动态扫描过程中的线宽约为0.06nm,与静态测试结...     

基于两种辐射传输模型的雪粒径与反照率反演

提出一种渐近辐射传输(ART)理论与离散纵标辐射传输法(DISORT)相结合的方法,用于反演雪光谱反照率。基于雪粒形状的二级科赫分形假设,利用不同卫星数据与ART理论的三种粒径反演方法反演研究区域的雪粒径,反演的雪粒径大小不同,但平均值均在50μm左右。基于雪粒球形假设,根据反演的雪粒径,基于DISORT模型计算波段为0.3～5.0μm的雪光谱反照率,同时基于ART理论计算波段为0.3～1.5μm的雪的黑空与白空光谱反照率。由两种辐射传输模型计算的0.3～1.5μm的雪光谱反照率差异较小,表明雪粒形状假设合理,利用两种辐射传输模型相结合的方法能够计算太阳光谱的雪反照率。考虑到研究区域内黑碳等吸光性杂质的影响,修正了DISORT模型计算的雪光谱反照率。研究区域靠近国境边缘的西伯利亚地区时,吸光性杂质对于雪光谱反照率影响很小;研究区域为东北工业地区时,吸光性杂质会明显降低可见光波段的雪光谱反照率。     

金属氧化物薄膜在中波红外光谱区内光学常数色散特性

基于金属氧化物薄膜材料在中波红外波段应用的需求,研究了含水状态的TiO2、HfO2、Ta2O5和Y2O34种金属氧化物薄膜在中波红外波段内(2.5~5μm)光学常数的色散特性。利用电子束蒸发沉积技术,在超光滑的硅表面制备了4种氧化物薄膜,基于洛仑兹振子介电常数色散模型,通过透射率光谱反演计算了4种氧化物薄膜的光学常数。研究结果表明:4种氧化物均有少量的水分子、羟基,水含量从少到多的薄膜依次为TiO2、HfO2、Ta2O5和Y2O3,在远离水吸收的位置,消光系数从小到大的薄膜分别为TiO2、HfO2、Ta2O5和Y2O3;在电子束蒸发沉积工艺条件下,为了降低水的影响,TiO2和HfO2是中红外波段较为理想的金属氧化物薄膜材料。     

2.7～3.0μm波段高反镜反射率测量研究

中红外激光领域广泛使用高性能高反射光学元件,高反射率高精度测试技术是制备高性能反射光学元件的基础。针对2.7～3.0μm波段光学元件高反射率测量的实际需求,基于量子级联激光器建立了连续光腔衰荡反射率测试实验装置,通过优选2.7～3.0μm波段反射带内水汽吸收较弱的测试波长,分析空气中水汽吸收对衰荡时间和反射率测量的影响,并比较空气和氮气环境下反射率测量结果,实现了2.7～3.0μm波段高反镜反射率的准确测量,在反射率约99.95%时绝对测量精度优于2×10-5。实验结果显示,采用测试波长2.9μm并在测量时保证初始腔和测试腔腔长相同,无需使用氮气环境,直接在实验室空气环境可实现高反射率的精确测量。     

艾灸的热辐射光谱特性研究

为揭示传统中医艾灸的物理特性，本文使用光栅光谱仪直接测量两种自然状态下典型艾条的可见光波段和红外波段的热辐射光谱特性。实验发现，测量的艾条含有少量的可见光光谱，艾灸谱峰出现在大约3．5μm的远红外波段．由此可以确定艾灸的光谱靠近近红外，以远红外为主。     

短波红外单波长滤光膜系模型设计北大核心CSCD

小型化的光谱探测设备有低载荷、低成本、高集成度等诸多应用优势。而滤光/分光模块是光谱探测设备的核心组件。本文利用亚波长金属孔阵模型设计出一种有别于传统滤光片的滤光组件,将对应的近红外波长的光进行选择性透过。一直以来基于超透射现象的亚波长金属孔阵滤光膜因上下介质的介电常数不同而产生两个强透射峰,难以实现单通道滤光,针对此缺陷设计了两层对称介质的双层玻璃透射形结构,在近红外波段成功实现了单波长透射的特性。通过时域有限差分法进行仿真运算,成功实现了1.25μm、1.40μm、1.55μm、1.70μm,透射率约45(±3)%四种窄带透射,半波峰宽度50nm的结果。并总结出结构参数的相应设计公式,在1~2μm波长近红外区可以实现任一波长的滤光调制,且透射率与频宽可调。     

聚丙烯酰胺溶液的光谱特性及其浓度光学检测

提出了光学检测聚丙烯酰胺溶液的方法,利用TU-1901/1900双光束紫外可见分光光度计、IRPrestige-21傅立叶变换红外光谱仪测量5~600 mg·L-1浓度范围内聚丙烯酰胺溶液的透射光谱,研究了其在波段190~900 nm和400~4 000 cm-1的光谱特性,进行了其浓度的反演分析。研究表明：聚丙烯酰胺溶液在200~300 nm和400~920 cm-1,2 986~3 684 cm-1范围存在较强吸收特性,其透光度在220 nm,2 623 cm-1处有一定的线性关系;在紫外波段基于2,3和4个透光度测量值反演其未知浓度的计算误差最大值分别为6.98%,2.34%和0.79%。     

多波段微量TNT成像探测的数值分析和实验研究

建立了CO2激光器辐照微量爆炸物温升分布三维模型,对激光辐照过程和冷却过程中8~14μm和3~5μm波段内的目标表面辐射温度变化特性分别进行分析.利用设计的探测系统对目标进行初步探测,用8~14μm和3~5μm热像设备对目标进行观察分析.研究表明:在10.6μm激光照射过程中,8~14μm波段内沾有TNT目标的辐射温度分别由TNT、基底在8~14μm波段的发射率和对激光辐照的反射率共同决定;在3~5μm内目标辐射温度主要由TNT、基底在3~5μm波段的自身发射率决定.在探测过程中,8~14μm波段内沾染TNT区域的辐射温度明显高于周围区域,而在3~5μm波段内,目标表面辐射温度整体下降,并且沾染区域的辐射温度变得低于周围.     

红外光学薄膜材料光学常量计算和在宽带增透膜中的应用

使用经典洛伦兹谐振子模型对热蒸发制备的锗、硫化锌以及低吸收稀土氟化物薄膜的红外透射光谱进行拟合,得出这些材料在中长波红外区的光学常量.使用这三种材料设计并制备了锗窗口7.7~15μm宽带增透膜系,通过优化设计并且使用长波红外区吸收小的低折射率材料,在长波区(13~15μm)的透过率测量值有明显提高,15μm处的透过率为89.9％.     

离子注入硅片快速退火后的红外椭偏光谱研究

离子注入硅片经高温退火后晶体结构缺陷会被修复,其在可见光波段下的光学性质趋于单晶硅,常规的可见光椭偏光谱法对掺杂影响的测量不再有效.本研究将测量波段扩展到红外区域(2—20μm),报道了利用红外椭偏光谱法测量经离子注入掺杂并高温退火的硅片掺杂层光学和电学性质的方法和结果.通过建立基于Drude自由载流子吸收的等效光学模型,得到了杂质激活后掺杂层的杂质浓度分布、电阻率和载流子迁移率等电学参数,以及掺杂层的红外光学常数色散关系,分析了这些参数随注入剂量的关系并对其物理机理给予了解释.研究表明,中远红外椭偏测量是表征退火硅片的有效方法,且测量波长越长,所能分辨的掺杂浓度越低.     

反演波段对DOAS测量大气中O_3的性能影响研究

臭氧(O3)浓度通常被认为是一个地方污染水平的基准,所以其绝对值的准确性至关藿要.在差分光学吸收光谱技术(DOAS)对O3的测量过程中,光谱反演波段的选择可直接决定O3浓度的测量准确度.文章主要研究了在不同光谱波段O3特征吸收结构和差分光学厚度(D')的不同,在不同光谱波段O3浓度反演的干扰来源以及影响程度,确定了实际检测时大气消光对不同波段光强的影响,最后通过对多种污染物标准气体进行了同时临测,计算出标准气体在不同光谱分辨率不同O3浓度时的测量误差,确定了对O3的最适用光谱波段范围.在此波段既能够实现对痕量气体的准确定性定量,又能达到测量所需要的高灵敏度,强选择性和适用的时间分辨率.     

基于固有光学量的高光谱数据反演城市河网水质

水体辐射传输模型是水体光谱特性分析的理论基础,水体固有光学量由水体组成决定,与水体表面光场无关。基于统计的半经验算法虽然能获取指定区域水质参数反演结果,但是缺乏物理意义;基于生物光学模型的分析算法,针对城市河网内陆Ⅱ类水体光学特性复杂、空间分布异质性强、水体细小、流动性大等特点,利用高光谱数据,研究基于固有光学量的城市河网水质参数反演模型,对内陆城市浑浊水体光谱特性研究具有重大意义。提出了适用于内陆城市河网水体的改进QAA算法,以获取水体固有光学量,改进包括后向散射估计模型调整和参考波段优化两个方面;计算参考波段总吸收系数、颗粒物后向散射系数等固有光学量,得到浮游植物吸收系数和剔除纯水吸收系数;对浮游植物吸收系数最优波段比值与叶绿素a浓度进行线性回归分析,构建叶绿素a水质浓度反演模型,对剔除纯水吸收系数最优波段比值与悬浮物浓度线性回归分析,构建悬浮物水质浓度反演模型。针对内陆河网Ⅱ类水体,以典型的河网城市嘉兴市为研究区域,获取了研究区域航空高光谱数据,以及水质采样化验数据和水面以上光谱数据等地面准同步测量数据;利用QAA算法和IIMIW算法对实测水面以上光谱进行固有光学量反演,对比分析两个算法并结合城市河网水体特点,提出改进QAA算法;利用改进的QAA算法实现了研究区域水体的固有光学量反演,基于反演的水体固有光学量建立了叶绿素a浓度和悬浮物浓度两项水色参数定量反演模型,反演模型决定系数R2分别为0.64和0.71;并用航空高光谱数据同步区域的4个地面样点实测数据,对反演结果进行验证分析。通过水质参数浓度反演值与实测值的对比,叶绿素a和悬浮物水质浓度反演的平均相对误差分别为9.2%和9.4%,反演得到的叶绿素a和悬浮物浓度分布图,也与城市河网的特点和实际情况相符,为城市河网水质监测提供方法和模型参考。