拉曼光谱测定散射介质的温度

本文发展了测量散射体温度的拉曼光谱方法,选用Ｓｒ（ＮＯ３）２粉晶做散射介质,观察到７３８ｃｍ＾－１,１０５７ｃｍ＾－１两个拉曼散射带,记录它们的Ｓｔｏｋｅｓ、Ａｎｔｉ－Ｓｔｏｋｅｓ分量的光谱强度,得到硝酸锶粉晶散射体的温度。实验结果显示,这种非接触光谱测温法具有重要的实用价值。     

超宽带散射信号的时域测量及处理

 叙述了在超宽带电磁脉冲照射下良导电散射体散射信号的时域测量技术及数据处理方法。描述了产生散射信号的物理过程,散射信号的时域测量步骤、提取方法以及散射体冲激响应的计算方法。通过对铝金属球体散射信号的测量及处理,说明了上述测量技术和数据处理方法是有效的,基本满足逆散射成像的要求。     

基于自发瑞利-布里渊散射测量空气的温度

瑞利-布里渊散射的散射截面比拉曼散射大,因而其在大气散射中实现对大气对流层温度廓线的准确测量方面具有一定的优势,同时利用瑞利-布里渊散射实现高压环境下温度的准确测量对于航天飞机主引擎状态的监测和超燃发动机燃烧室参数测量方面具有重要意义。基于自发瑞利-布里渊散射分别采用反卷积方法和卷积方法来实现空气在不同压力条件下的温度反演,研究引起温度反演误差的原因,并对利用两种方法获得的温度测量结果进行了比较。在利用基于维纳滤波器的反卷积方法对测量光谱直接处理实现温度反演之前,首先利用反卷积方法对由自发瑞利-布里渊散射模型与仪器函数卷积得到的卷积光谱进行处理获得反卷积光谱,将反卷积光谱与未经卷积的理论计算光谱进行比较实现温度反演, 并基于温度反演误差小于1.0 K,光谱拟合误差相对较小,光谱处理时间短的参数优化原则对反卷积方法中的关键参数奇异值叠加数进行了优化处理,得到优化后的奇异值叠加数为150。随后实验测量了由532 nm波长的连续激光激发的纯净空气在温度为294.0 K,压强为1～7 bar条件下的自发瑞利-布里渊散射光谱,并结合理论计算光谱和最小χ2值原理对光谱信号散射角进行优化,优化值为90.7°,同时利用反卷积和卷积方法分别对实验测量光谱进行处理实现空气在不同压强下的温度反演。实验结果表明反卷积方法在一定程度上可以提高信号光谱分辨率,而且利用反卷积和卷积方法均可以实现空气在不同压力（1～7 bar）条件下温度的准确测量,温度测量的最大误差均小于2.0 K;利用反卷积方法的温度反演结果随着气体压强的增大随之得到改善,实现温度反演测量所需要的光谱处理时间减少;在空气压强较低（≤2 bar）时,由卷积方法获得的温度反演结果要优于反卷积方法,压强较高（>2 bar）时,两种方法的温度反演结果相近, 其绝对误差均小于1.0 K。通过分析得到引起两种方法温度反演误差的原因主要包括环境温度的波动（±0.2 K）,散射角存在一定的不确定度以及气体的各已知参数的微量偏差对温度测量结果的影响以及反卷积对光谱噪声的非线性放大引起的光谱扰动对温度测量结果的影响。在实验中可以通过提高测量光谱的信噪比、提高散射角的优化精度及改善反卷积方法来获得更加准确的参数测量结果。     

基于量子相干效应的无芯射频识别标签的空间散射场测量

基于原子蒸汽池中铯里德伯原子的电磁感应透明光谱在微波场作用下的Aulter-Towns效应,测量了无芯射频识别标签线形散射单元的近场散射微波电场二维空间分布,空间分辨率可达到亚微波波长.实现了射频电场极化方向与线形散射体标签夹角的有效分辨.电磁仿真软件的仿真结果与实验测量符合得很好.本研究提供了一种测量微波电场近场测量的新方法,对无芯射频识别标签的散射单元设计和标定以及电子电路的电磁辐射测量具有重要的意义.     

中红外散射的基质折射率效应研究

本文利用Mie散射理论对中红外波段三种不同类型散射体的散射和消光进行了研究,发现基质在三种不同类型散射体的散射和消光中所起作用完全不同。对于无吸收的高折射率散射体,基质折射率越大面积散射比(或面积消光比)越低;对于反常色散散射体,基质折射率越大面积散射比和面积肖光比越高;而对于金属散射体,基质折射率的大小对于散射和消光影响极小。     

光通过纳米颗粒随机散射体透射光强的计算及分析

光通过随机散射体后透射光强的估算,对于提取散射体内部无法直接测量或者无法直接观察的信息至关重要。在分析平行光束通过纳米圆形颗粒随机散射体出射面上光强组成的基础上推导了透射光强的计算公式,并指出多重散射理论、一阶多重散射理论和朗伯-比尔定律在一定近似程度上可以相对精确地估算透射光强。这三种方法的估算结果之间会出现四种相对关系。根据这些相对关系,分析了光在散射体内部传输时散射过程的特征以及各种散射过程对出射面光强的贡献大小。     

基于Fizeau干涉仪的激光雷达测温方法研究

气温是描述大气状态的基本参数之一,温度的准确测量对天气预报、气候预测及其他气象参数的反演都至关重要。激光雷达作为一种遥感仪器,已经用于气象要素的探测中（风、温度、气溶胶的光学厚度等）。目前,测温激光雷达主要有拉曼激光雷达（振动和转动）、共振荧光激光雷达和Rayleigh散射激光雷达等,拉曼激光雷达需要大功率的激光器和复杂的背景滤波器;共振荧光激光雷达无法探测平流层内的温度;基于Rayleigh散射的测温激光雷达多应用于温度的相对测量,反演温度时需要建立响应函数和校准程序;基于固体腔扫描F-P干涉仪测量大气Rayleigh散射光谱来反演温度的方法,时间分辨率较低,并且该方法在测量过程中需要运动部件,所以不利于星载。在大气低层,分子的Rayleigh散射光谱会受到Brillouin散射的影响,两种散射信号叠加形成的Rayleigh-Brillouin散射光谱不再服从Gaussian分布,直接通过测量散射光谱的半高全宽来反演温度,会产生误差。基于回波能量的方法会受到气溶胶Mie散射信号的影响,所以在对流层中该方法并不适用。为了实现对流层内温度的高精度和高时间分辨率的测量,提出利用Fizeau干涉仪和PMT阵列对对流层内分子的Rayleigh-Brillouin散射光谱进行测量,并通过插值的方法来对回波信号中气溶胶Mie散射信号进行抑制,从而使Mie散射信号对温度反演的影响较小,最后将测量光谱和理论光谱进行全光谱匹配来实现温度的反演。除此之外,还对Fizeau干涉仪的自由光谱区、固体腔几何长度、腔体反射率、扫描间隔等参数进行了优化设计。为了验证本文提出方法的可行性,利用Matlab软件建立了一套仿真模型,通过模拟表明,在不考虑云、风和水汽含量的影响时,利用该方法测量对流层内的大气温度时,测量误差小于1 K。该测温方法可以对对流层内的大气温度廓线实现高精度、高时间分辨率的测量, 在测量过程中不需要使用运动部件,有较高的使用价值,并对同类高光谱激光雷达分光系统的研究具有借鉴意义, 为我国高光谱激光雷达陆基及星载应用提供了一套可行的技术方案和温度反演方法。     

利用低相干光纤动态光散射法测量浓悬浮液中多分散颗粒粒径分布

本文针对高浓度散射介质,用低相干光纤动态光散射技术测量浓悬浮液中多分散颗粒系的粒径及其粒径分布。利用迭代CONTIN算法对实验数据进行反演运算,得到多分散颗粒系的粒径分布结果。结果表明,浓悬浮液中多分散颗粒系的峰值粒径测量值与给定的两种标准粒径值相吻合,其误差在4%之内,粒径分布曲线中各散射颗粒所反映的散射体光强分布与根据Mie散射计算得到的理论值相吻合。实验结果证明低相干光纤动态光散射实验系统能准确测量浓悬浮液中多分散颗粒粒径及粒径分布。     

光散射谱学在地球内部物质弹性波速测量中的应用与展望

高温高压下地球内部物质弹性波速的实验测量数据,可直接与地震波观测结果相结合,对地球内部的组成、状态和物质运移方式等进行反演,是了解地球深部信息的重要手段。在金刚石压砧(diamond anvil cell, DAC) 中利用布里渊散射对矿物波速进行原位测量,是人们研究地球各圈层弹性性质的重要方法。随着DAC实验技术发展,一方面,可以获得模拟地球各圈层的极高温压条件;另一方面,DAC的光学特性使得各种光学分析和测试方法得到了广泛的应用。要获得高温高压下的弹性波速,首先需要对样品腔中的实验压力和加热温度进行精确的标定和测量;其次需对散射信号进行处理,通过布里渊散射频移,求出样品中的波速;最后结合X射线技术获得的晶格常数,可由固体弹性理论解出矿物的各弹性参数。重点介绍了布里渊散射和拉曼散射等光谱学方法在弹性波速实验研究中的应用,阐述了它们在波速测量、压力和温度标定等方面的基本原理和研究进展。分析了两种光谱学定压方法(荧光光谱压标和拉曼光谱压标) 的定压方式和适用范围,以及两种主要的光谱学温标(黑体辐射温标和拉曼光谱温标) 在温度测量中的应用。最后,回顾了基于光谱学测量建立起来的布里渊散射系统对下地幔主要矿物(钙钛矿、方镁铁矿、斯石英等) 弹性波速测量取得的新成果,深入讨论了它们的地球物理意义,并对其未来的发展进行了展望。     

水中受激拉曼散射的能量增强及受激布里渊散射的光学抑制

为提高液体介质中受激拉曼散射的输出能量,提出了通过温度调控来抑制受激布里渊散射的方法,设计了532 nm多纵模宽带脉冲激光泵浦的受激拉曼散射发生系统,测量了不同温度下水中前向受激拉曼散射及后向受激布里渊散射的输出能量,分析了水温、泵浦激光线宽及热散焦效应对受激拉曼散射输出能量影响的物理机制.实验结果表明:通过降低水温可实现对受激布里渊散射过程的有效抑制,同时减小热散焦效应带来的光束畸变,从而有效提高受激拉曼散射的输出能量.研究结果对液体介质中的受激拉曼散射多波长转换具有重要意义.     

溶液浓度对CCl4费米共振的影响

测量了四氯化碳在苯中不同浓度的拉曼光谱,分析了不同浓度下四氯化碳v₁+v₄~v₃费米共振的变化。结果表明:随着浓度的降低,两费米双光谱强度比R增加,而频差Δ减小、费米共振耦合系数W减小、非谐力常数K增加。这种费米共振随浓度的变化是由溶剂效应引起的,即随着四氯化碳在苯中的浓度降低,其拉曼散射系数(光谱强度)增加,使两费米双线光谱强度增加而减弱了费米共振。     

CCl4的激光拉曼光谱研究

研究了4条CCl4斯托克斯激光拉曼光谱,通过对CCl4分子结构及振动模式对称性的分析,设计了一套测量拉曼光谱退偏度的实验方案,将实验结果和理论值进行了比较.     

All-optical switching based on inverse Raman scattering in liquid-core optical fibers

We report on a new platform for all-optical switching based on inverse Raman scattering in liquids. Narrowband switching, which could be suitable for wavelength-division-multiplexed applications, is demonstrated using integrated liquid-core optical fiber infiltrated with both neat liquids (CCl(4) and CS(2)) as well as an organic chromophore (β-carotene) dissolved in CCl(4). Compared to standard glass optical fibers, these liquids have much larger Raman loss coefficients, which help reduce the pump power by at least an order of magnitude. Further improvements can be expected with the development of highly soluble organic compounds possessing large Raman cross sections.     

Double resonance Raman scattering of second-order Raman modes from an individual graphite whisker

Resonant Raman scattering of second-order Raman modes from an individual graphite whisker synthesized by a high-temperature heat-treatment method at a special pressure was discussed here. The dependence of phonon frequencies on the incoming laser light and the frequency difference between Stokes and anti-Stokes scattering show their origin from double resonance Raman scattering. Our results show that all the experimental results of second-order Raman modes in graphite whiskers, such as the excitation-energy dependence on the mode frequency, the frequency shift between a second-order Raman mode and its fundamentals, and the frequency discrepancy between Stokes and anti-Stokes components of a second-order Raman mode can be well understood by double resonance Raman scattering.     

反斯托克斯拉曼光谱在BaTiO_3铁电相变研究中的应用

从理论上讨论了一阶和二阶斯托克斯与反斯托克斯拉曼散射截面的温度依赖关系;在２９３Ｋ至４０１Ｋ的温度范围内,测量了ＢａＴｉＯ３单晶斯托克斯和反斯托克斯过程的偏振拉曼光谱;通过对ＢａＴｉＯ３单晶斯托克斯和反斯托克斯拉曼光谱的综合分析,证实在Ｘ（ＺＺ）Ｙ几何配置下测量到的位于２７５和５１４ｃｍ－１处的强峰为一阶拉曼光谱。此结果支持了ＢａＴｉＯ３铁电相变机制的有序—无序模型。     

From anti‐Stokes photoluminescence to resonant Raman scattering in GaN single crystals and GaN‐based heterostructures

The progress on anti‐Stokes photoluminescence and Stokes and anti‐Stokes Raman scattering in GaN single crystals and GaN/AlN heterostructures is reviewed. Anti‐Stokes photoluminescence investigated in the past was primarily attributed to two‐photon absorption, three‐photon absorption, and phonon‐assisted absorption. On the other hand, anti‐Stokes Raman scattering was used to determine electron‐phonon scattering time and decay time constant for longitudinal‐optical phonons. In a typical high electron mobility transistor based on GaN/AlN heterostructures, strong resonances were reached for first‐order and second‐order Raman scattering processes. Therefore, both Stokes and anti‐Stokes Raman intensities were dramatically enhanced. The feasibility of laser cooling of a nitride structure has been demonstrated. Anti‐Stokes photoluminescence and Raman scattering have potential applications in upconversion lasers and laser cooling of nitride ultrafast electronic and optoelectronic devices.     

Selective excitation and suppression of coherent anti-Stokes Raman scattering by shaping femtosecond pulses

Femtosecond coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) suffers from poor selectivity between neighbouring Raman levels due to the large bandwidth of the femtosecond pulses. This paper provides a new method to realize the selective excitation and suppression of femtosecond CARS by manipulating both the probe and pump (or Stokes) spectra. These theoretical results indicate that the CARS signals between neighbouring Raman levels are differentiated from their indistinguishable femtosecond CARS spectra by tailoring the probe spectrum, and then their selective excitation and suppression can be realized by supplementally manipulating the pump (or Stokes) spectrum with the $\pi $ spectral phase step.     

A continuous wave SrMoO4 Raman laser

We demonstrate a cw, laser diode-pumped Nd:GdVO4/SrMoO4 crystalline Raman laser. First Stokes laser output at 1173.5?nm of 2.18?W was achieved with a diode-to-first Stokes efficiency of 8.7%. With intracavity frequency doubling in LiB3O5, 3.1?W of cw yellow emission at 586.8?nm was obtained with a 12.4% diode-to-yellow efficiency. The experimental results show that SrMoO4 is an excellent stimulated Raman scattering gain material for high-power cw near-IR Stokes and yellow lasers.     

Interference spectroscopy with coherent anti‐Stokes Raman scattering of noisy broadband pulses

We propose a new technique for comparing two Raman active samples. The method employs optical interference of the signals generated via coherent anti‐Stokes Raman scattering (CARS) of broadband laser pulses with noisy spectra. It does not require spectrally resolved detection, and no prior knowledge about either the Raman spectrum of the samples or the spectrum of the incident light is needed. We study the proposed method theoretically and demonstrate it in a proof‐of‐principle experiment on toluene and o‐xylene samples. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.