激光光镊拉曼光谱仪信噪比测量研究

通过对激光光镊拉曼光谱仪系统信噪比测量分析研究表明：在一定条件下,平均背景噪声随冷却温度降低而缓慢减小,在激发波长不变时对应的信噪比逐渐增加;曝光时间的延长使系统信噪比以不同比例线性增加;激光输入功率和系统信噪比成正比．这为单细胞拉曼光谱测量与分析提供了有力的实验依据．     

基于空芯光子晶体光纤的单程高效氘气转动拉曼激光光源

报道了一种基于空芯光子晶体光纤中氘气转动受激拉曼散射的单程高效光纤气体激光光源。因空芯光子晶体光纤具有特殊的传输谱,增益相对较大的振动受激拉曼散射被很好地抑制,使得泵浦激光能够高效地向转动斯托克斯光转化。采用自行搭建的1540nm纳秒脉冲光纤放大器,泵浦一段长为20m、充高压氘气的空芯光子晶体光纤,在单程结构中实现了高效的1645nm拉曼激光输出。当气压为2 MPa时,最大平均输出功率约为0.8 W(单脉冲能量约为1.6μJ),激光光源斜率效率约为71.4%。研究结果为1.7μm波段光纤激光的实现提供了一条简单有效的新途径。     

高压氘氚靶球的制备与拉曼光谱研究

氢同位素的定量分析与监测在能源与环境领域都有着重要的意义。激光拉曼光谱由于其可以无损分析氢同位素分子,已经成为一种重要的方法,在国际热核聚变实验反应堆(ITER)和美国萨凡纳河工厂得到了广泛应用。利用高压充气装置得到了惯性约束聚变(ICF)高压靶丸,并对靶丸内气体进行原位拉曼光谱测量,通过对高压下氘氚混合气体的拉曼光谱进行分析得到了靶丸内气体的成分比例,验证了靶丸充气工艺参数。实验表明,在CCD的积分时间延长到1 min时,氘(DD),氘氚(DT)和氚(TT)的测量精度可以达到1%,同时对不同时刻靶丸内气体组分的拉曼光谱进行测量,实验结果表明在氘氚渗透和氚衰变两者共同作用下,靶丸内总气体压力随时间不断下降,但是气体组成基本不发生变化。     

连续辉光放电波导型远红外氘化氰激光器输出性能优化

简要介绍了EAST 装置远红外激光干涉仪光源--DCN 激光器的工作原理、结构和相关改进。DCN 激光器采用He、CD₄、D₂ 和N₂ 4 种工作气体。实验过程中,通过调节气体压强和阴极电流、改变各种工作气体配比等手段优化DCN 激光器输出功率。实验结果显示：输出功率随电流的增大会达到饱和,在电流为1.0A 输出功率达到最大;输出功率随压强先增大后减小,在压强为32Pa 时达到最大值;工作气体的最佳配比为He: CD₄: D₂: N₂=2: 3: 5: 3。     

微型电子回旋共振离子源的全局模型

微型电子回旋共振(electron cyclotron resonance, ECR)离子源在紧凑型离子注入机、小型中子管、微型离子推进器等领域有着十分广泛的应用.为了深入认识微型ECR离子源的工作机理,本文以北京大学自主研制的一款微型氘离子源作为研究对象,以氢气和氘气放电形成的等离子体为例,发展了一种基于粒子平衡方程的全局模型.研究结果表明,该离子源束流成分与离子源的运行气压和微波功率有着很强的依赖关系.对于氢气放电等离子体,微波功率低于100 W时,离子源可以分别在低气压和高气压情况下获得离子比超过50%的H~+₂离子束和H~+₃离子束;当微波功率高于100 W时,可以在很宽的运行气压范围内,获得质子比超过50%的束流.因此,提高微波功率是提高微型离子源质子比的关键.对于氘气放电等离子体, 3种离子比例对运行气压和微波功率的依赖关系与氢气放电等离子体的规律基本一致.但是在相同的运行条件下, D~+比例比H~+比例高10%—25%.也就是说,在微型氘离子源的测试和优化过程中,可以利用氢气代替氘气进行实验,并将质子比测量结果作为相同条件下氘离...     

激光光源条件对谷氨酸钠拉曼光谱的影响

采用多种激光和不同功率等,对谷氨酸钠晶体进行了激光拉曼光谱的影响研究。结果表明不同波长和功率的光源,对测定存在一定的影响,谱峰位移在6 cm-1以内。紫外激光由于光能量较大对样品有一定的破坏作用,造成拉曼光谱的减弱和泯灭,需采用光路衰减。拉曼谱峰的响应与光源的功率有着很好的线性关系,其相关系数r　0.999。首次提出单位光功率所产生的拉曼光强与所用的波长有关,与所用的光功率无关。     

26 ℃和常压至1.5 GPa压力下2-甲基戊烷拉曼光谱研究

利用碳化硅压腔在常压至1.5 GPa和26 ℃条件下对液态2-甲基戊烷进行了拉曼光谱测量,讨论了C—H拉曼峰频率、强度、面积、以及谱峰宽度随压力升高的变化规律。实验结果表明,2-甲基戊烷的拉曼位移在2 800～30 00 cm-1范围内的CH₃和CH₂的伸缩振动谱峰随着压力的增大均连续向高波数位移,其拉曼位移与压力的关系可以表示为ν_as(CH₃)=0.013 1p+2 960.1,ν_s(CH₃)=0.008 8p+2 871.0,ν_as(CH₂)=0.008 9p+2 930.2,ν_as(CH₂)’=0.007 0p+2 903.1和ν_s(CH₂)=0.007 9p+2 844.7。另外处理实验结果时发现,在0～1.5 GPa条件下,2-甲基戊烷的ν_as(CH₃)拉曼位移可以进行压力标定,其方程为：P(MPa)=76.2(Δν_p)_{2 960}+21.65(r2=0.995 8)。该压力体标定剂,适合于不希望有Si和Al等元素出现的体系。     

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简要介绍了EAST装置远红外激光干涉仪光源——DCN激光器的工作原理、结构和相关改进。DCN激光器采用He、CD4、D2和N24种工作气体。实验过程中,通过调节气体压强和阴极电流、改变各种工作气体配比等手段优化DCN激光器输出功率。实验结果显示：输出功率随电流的增大会达到饱和,在电流为1.0A输出功率达到最大;输出功率随压强先增大后减小,在压强为32Pa时达到最大值;工作气体的最佳配比为He： CD4： D2： N2=2：3：5：3。     

基于原子吸收光谱的碱金属气室内多种混合气体压强测量方法

碱金属气室是基于原子无自旋交换碰撞弛豫的超高灵敏惯性和磁场测量装置的核心敏感器件。碱金属气室内气体的含量会对原子的弛豫以及系统其他参数的选取产生很大的影响,因此精密测量气室内混合气体各自的压强具有重要的意义。当气室内存在气体时谱线会出现压力展宽和频移,且压力展宽远大于自然展宽和多普勒展宽,因此仅考虑压力展宽。利用压力展宽、频移的大小与气体压强存在的函数关系,提出一种基于原子吸收光谱的碱金属气室内多种混合气体压强测量方法。通过扫描碱金属原子的吸收光谱,得到光学深度曲线,并用洛伦兹函数对其拟合,测得多种混合气体引起的单种碱金属原子的混叠压力展宽和频移,再根据已知的单种、单位压强气体引起的单种碱金属原子的压力展宽和频移,联立计算得到多种气体各自的压强。当存在n种碱金属时,最多可以测量4n种混合气体的压强。仿真结果表明,该方法适用于入射激光未被原子完全吸收的情况;激光功率和频率的波动在1%～10%的数量级时,测量精度影响低于0.4%的数量级,而温度波动在1%～10%的数量级时,测量精度影响高达30%的数量级。     

内分泌干扰物三苯基锡的激光拉曼光谱分析

三苯基锡(TPhT)是目前已知的内分泌干扰物中唯一的两种金属化合物之一,被广泛应用于工业、农业和交通领域,其大量使用会对土壤、海洋和内陆淡水环境造成不同程度的影响。本实验采用激光共聚焦拉曼光谱采集固体TPhT的拉曼光谱信号,尝试将该方法用于TPhT检测,探索该方法的可行性,并进行检测参数的优化选择。将拉曼光谱分析检测方法与TPhT的物性研究相结合,根据TPhT分子中不同官能团振动模式的不同,将拉曼谱图分为高、中、低3个波数区(1 500～3 200,900～1 500和100～900 cm-1)进行拉曼谱峰的归属与分析,得到了TPhT的特征振动模式和拉曼特征峰,并建立一套TPhT的标准拉曼图谱库,光谱范围在100～3 200 cm-1之间。结果表明,当激光功率选择为衰减到原激光功率(500 mW)的0.5%、曝光10 s、累积2次时,得到的拉曼谱图信噪比高且检测时间短。在212,332,657,997和1 577 cm-1处出现的信号强度较高的拉曼峰,可作为固体TPhT拉曼检测的特征峰,657和997 cm-1处拉曼特征峰的同时出现即可认为复杂的环境样品中存在TPhT。实验结果给出了辨别TPhT存在的标志,这些结果将为拉曼光谱用于实际环境样品中TPhT的残留检测提供理论依据和数据基础。     

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。     

基于可调谐激光吸收光谱技术的脱硝过程中微量逃逸氨气检测实验研究

为了对电厂脱硝过程中逃逸的微量氨气进行在线检测,实验室采用可调谐激光吸收光谱技术对常温常压下以及不同温度下的低浓度氨气进行了测量试验,其中电厂逃逸氨气检测处温度约为650 K。通过分析近红外波段的氨气吸收谱线,并考虑实际测量环境H₂O和CO₂等浓度很大的气体吸收谱线的干扰,实验选取2.25 μm附近的ν₂+ν₃谱线作为浓度检测谱线。为了验证所选谱线对低浓度NH₃的测量能力,实验对H₂O,CO₂和NH₃的吸收谱线进行模拟,发现低浓度NH₃受较大浓度的H₂O和CO₂谱线的干扰较小,尤其是CO₂谱线的干扰可以忽略不计,且2.25 μm处谱线强度远远大于通讯波段1.53 μm处的谱线。基于新型Herriott池以及高温管式炉,结合可调谐激光吸收光谱中的直接吸收技术和波长调制技术,实现了对不同温度下超低浓度NH₃的高分辨率快速检测。常温常压下其线型函数可以利用洛伦兹线型来近似描述,直接吸收测量技术可以使探测极限降低到0.225×10-6。通过采用简单降噪处理技术如多次平均、简单小波分析等,得到不同温度下的谐波信号与浓度具有良好的线性关系,为采用可调谐激光吸收光谱技术进行现场低浓度逃逸氨气检测提供了很好的依据。     

大面积沿面放电等离子体温度的光谱研究

设计了水电极放电装置,在空气/氩气混合气体中实现了大面积沿面放电。采用发射光谱法,对分子振动温度、电子平均能量和电子激发温度等随气压的变化进行了研究。根据氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线计算出氮分子的振动温度;使用Ar 763.51 nm(2P₆→1S₅)和772.42 nm(2P₂→1S₃)的两条发射谱线的强度比得到电子激发温度;通过氮分子离子391.4 nm和氮分子337.1 nm两条发射谱线的相对强度之比得出了电子的平均能量的变化。实验研究了发射光谱随气压的变化,发现其强度随着气压的增加而增强,且其整个轮廓和谱线强度之比也发生变化。随着气压从0.75×105Pa升高到1×105Pa,分子振动温度、电子激发温度和电子能量均呈下降趋势。     

常温高压下碳酸根离子的拉曼谱峰标定压力初探

在准静水压的条件下,利用碳化硅压腔和显微拉曼光谱原位测量技术,在0～1.7 GPa压力范围测定22 ℃高压下三种不同的H₂O-Na₂CO₃体系(1.5,2.0,2.5 mol·L-1)中CO2-₃的对称伸缩振动ν_{1 066}拉曼谱峰的变化。结果表明,在室温条件下,碳酸根的ν_{1 066}峰的拉曼位移随着压力的增大而线性增加。三种浓度下ν_{1 066}峰的拉曼位移与压力的拟合直线彼此接近,斜率误差小于1%,偏差小于系统误差,因此在实验误差范围内碳酸根浓度对ν_{1 066}峰随压力变化的行为不存在影响。经过数据拟合得到公式：p/MPa=174.13 Δν_{1 066}/cm-1—59.03(Δν_{1 066}=ν_{1 066}-ν_{1 066}0,ν_{1 066}0为体系零压时碳酸根离子ν_{1 066}峰的拉曼位移)。此公式可以用于常温下在含有纯碳酸钠体系中的压力标定。     

色关联噪声驱动下双模激光随机共振

运用线性近似方法,计算得到了关联色噪声和输入周期信号作用下双模激光增益模型输出信号光强的功率密度谱和信噪比,讨论了信噪比随系统参数的变化关系.研究结果发现:在系统的参数和输入信号的频率满足一定条件时,信噪比不仅随噪声强度变化出现了传统的随机共振现象,还发现其随自饱和系数c2、输入信号频率°及交叉耦合参数b的变化都出现了随机共振.     

氘气放电条件下X射线、γ射线分析

评述、分析了氘气放电条件下Ｘ射线产生的机制与能谱,指出了在氘气放电条件下,由于引发了核反应而产生γ射线和中子．它对Ｘ射线能谱分析带来影响,同时也为核聚变的发生提供了间接证据.The following opinions were given in this paper. It is probably creditable that as X-ray with single energy was produced in discharge process with D₂ gas     

氘在碳钨共沉积层中的滞留行为研究

运用射频磁控溅射方法, 在氘氩混合气氛中制备了含氘碳钨共沉积薄膜. 利用离子束分析方法[卢瑟福背散射(RBS)和弹性反冲(ERD)]对薄膜样品的厚度、成分、 氘含量等进行了分析; 利用拉曼光谱和扫描电子显微镜(SEM), 分别分析了薄膜的结构和表面形态. 离子束分析发现, 氘原子更易被碳原子俘获位俘获, 并且氘含量会随着沉积温度的升高而降低; 其他镀膜条件固定的情况下, 不同混合气体压强下薄膜样品中的氘浓度在5.0 Pa处有一个峰值; 拉曼光谱分析显示, 沉积温度从室温升高到725 K时, 碳钨共沉积层中的类石墨化成分增加, 同时, 非晶化的程度也加剧; 扫描电子显微镜图像表明, 随着温度的升高薄膜表面被腐蚀的痕迹消失, 但是由于应力的改变表面出现了多处的凸起. 关键词： 氘滞留 碳钨共沉积 射频磁控溅射     

共焦腔增强的空气拉曼散射

拉曼光谱是一种无损、快速的物质成分分析和检测方法.由于拉曼信号强度微弱,使得拉曼光谱的检测应用受到极大的限制.针对增强拉曼散射信号强度、提高检测灵敏度这一问题,设计了一种用于自发拉曼散射信号增强的共焦腔样品池,开展了基于该共焦腔的空气拉曼散射信号增强研究.共焦腔的腔镜反射率为92%,这一设计在保证共焦腔通带宽度与激光器线宽匹配的同时能有效地降低共振调节难度.实验中采用0°探测构型收集拉曼信号,并由成像式拉曼光谱仪获取光谱信号.实验发现,在共振状态下,共焦腔的耦合效率达到87.5%,单向激光功率实现约11倍放大;与无共振腔相比,共焦腔对拉曼信号实现17倍放大,信噪比提高2倍.此外,空气中CO_2的3σ检测限达到200 ppm量级.结果表明,该系统对自发拉曼散射信号增强效果显著,并且有较高的检测灵敏度.     

高压对β-胡萝卜素分子结构及π-电子离域影响的拉曼光谱研究

利用金刚石对顶砧在常压至12.85 GPa条件下对β-胡萝卜素进行了原位高压拉曼光谱测量,讨论了β-胡萝卜素分子特征峰频率随压力的变化规律及其π-电子离域受压力的影响。实验结果表明,β-胡萝卜素的各特征峰均向高波数移动,其主要的三个特征峰的拉曼频率与压力的关系为：ν₁(CC)=4.74P+1 511.4, ν₂(C—C)=2.55P+1 157.6和ν₃(CH₃)=2.25P+1 011.3,β-胡萝卜素的ν₁+ν₂和频峰在5.38 GPa的压力条件下发生劈裂。对实验结果进一步分析发现随压力增大β-胡萝卜素分子的β环扭转变化使其π-电子离域程度变弱, 导致β-胡萝卜素分子主链上的碳碳双键比碳碳单键更容易压缩。