Near-Field Enhancement and Absorption Properties of Metal-Dielectric-Metal Microcavities in the Mid-Infrared Range

An important property of optical metamaterials is the ability to concentrate light into extremely tiny volumes, so as to enhance their interaction with quantum objects. In this work, we numerically study the near-field en- hancement and absorption properties inside the cylindrical microcavities formed by a Au-GaAs-Au sandwiched structure. At normal incidence, the obtained reflection spectra show that the resonance wavelength of microcav- ities operates in the range of 5-5.S μm. We also calculate the contrast C （C = 1 - Rmln）, which can be increased to 97% by optimizing the structure＇s geometry parameters. Moreover, we demonstrate that the multilayer struc- ture with sub-wavelength electromagnetic confinement allows 10^3-10^4-fold enhancement of the electromagnetic energy density inside the cavities, which contains the most energy of the incident electromagnetic radiation and has a higher quality factor Q, indicating a narrower linewidth for surface enhanced molecular absorption spec- troscopy and the tracking of characteristic molecular vibrational modes in the mid-infrared region. The structure is insensitive to the polarization of the incident wave due to the symmetry of the cylindrical microcavities. The unique properties of the metal-dielectric-metal metamaterials will have potential applications in new plasmonic detectors, bio-sensing and solar cells, etc.     

阶梯型纳米孔径的近场光学局域增强特性研究

提出一种高分辨力与高通光效率兼备的阶梯型纳米孔径设计方法 ,孔径的尺寸从膜层的入射表面向出射表面呈阶梯型逐渐减小 ,直到在膜层的出射表面形成一个亚波长的小孔。采用三维时域有限差分 (FDTD)方法对方形阶梯型纳米孔径及三角形阶梯型纳米孔径进行了数值模拟计算。结果表明 ,由于近场光学很强的局域场增强效应 ,其通光效率与输出光强极大值在具有相同近场光斑尺寸情况下 ,较普通的非阶梯型纳米孔径提高了两个数量级 ,甚至更高 ,有效地提高了输出光功率。采用四台阶三角形阶梯型纳米孔径 ,当光斑半峰全宽为 97nm× 74nm时 ,出射光强极大值达到 10 4 9.76 ,较入射光增强了 10 0 0倍 ,而通光效率大于 1,达到 1.6 7。这种阶梯型纳米孔径可以直接作为纳米孔径激光器的出射孔径提高其输出光功率 ,也可以作为独立的光学屏对入射光进行整形得到具有高输出功率的亚波长尺度光源 ,在纳米尺度光学成像、光谱探测、数据存储、光刻、光学操作等近场光学应用领域具有潜在的应用前景。     

基于中红外光谱吸收技术的一氧化碳气体检测系统

基于中红外光谱吸收技术,利用一氧化碳(CO)气体分子在4.6 μm处的基频吸收带,采用新脉冲的红外光源和双通道的热释电探测器,研制了一种CO浓度检测系统。该系统主要由脉冲调制式宽带热光源、开放式椭球聚光镜/气室、双通道探测器、主控及信号处理模块构成。通过优化开放式椭球聚光镜/气室,气体吸收光程达到40 cm, 探测器输出电信号的幅度增加约为原来的2~3倍。因此,采用椭球聚光镜后,将在一定程度上提高系统的信噪比从而改善系统的性能指标。利用配备的CO气体样品,研究了该系统对CO气体的传感特性。实验结果显示,该系统的最小检测下限为10 ppm,在该浓度点的测量误差约为14%;在20~25 000 ppm范围内的测量误差小于7.8%;对0 ppm气体样品的连续50分钟测量结果的最大偏差约为3 ppm,标准差约为0.18 ppm。同基于量子级联激光器和分布反馈激光器的CO检测系统相比,该系统具有性价比高、光路结构简单等优势,从而在煤矿、环保等场合下的CO检测方面具有较好应用前景。     

基于嵌入式多尺度分解和可能性理论的多波段纹理图像融合

将多尺度变换和“高频取大、低频加权平均”融合规则相结合是融合双波段图像的有效方法。但用该类方法融合多波段图像时,序贯式加权常常会导致原图像间固有的差异信息在融合图像中被弱化,从而影响后续的目标识别和场景理解。该问题在融合具有纹理特征的多波段图像时更为突出。为此,提出了一个基于嵌入式多尺度分解和可能性理论的多波段纹理图像融合新方法。首先,利用一种多尺度变换方法把多波段原图像分别分解为高频和低频成分,并对多波段图像中标准差最大的一幅原图像的低频成分利用另一种多尺度方法进行分块,再以该分块图像的大小和位置为标准对其余波段的原图像进行分块。然后,基于可能性理论的相关融合规则逐一融合对应的多波段块图像,再把块融合图像进行拼接,以拼接结果作为低频融合图像。最后,将该低频融合图像和利用取大规则融合得到的高频成分一起通过多尺度逆变换获得最终的融合图像。这种方法不仅将像素级和特征级融合方法综合在一起, 而且将空间域和变换域技术综合在一起, 并通过对大小块采用不同融合规则解决了目标边缘的锯齿效应问题。实验表明该方法效果显著。     

苝聚集体随机激光的近场散射增强

本文通过物理模拟发现苝聚集体纳米粒子有很强的近场散射. 苝聚集体由异丁基取代聚倍半硅氧烷(POSS)苝(DPP)构成,其理论模拟得到的近场散射增强被实验证实. 同时,由聚集体的二硫化碳溶液激发出相干随机激光. 近场增强源自于通过化学键连接的POSS基团,相干随机激光源自于苝发射团. 本文通过分子设计发展出一种新的随机激光体系,为后续一系列交叉研究打开了大门,相关交叉研究主要涵盖无序光子学的分子设计等领域.     

基于局域场加强的近场纳米加工技术

介绍了一种全新的基于飞秒激光局域场加强效应的纳米加工技术,通过使用了微焦级别脉宽为130 fs、波长800 nm的飞秒激光照射于原子力显微镜的探针针尖,利用其局域场加强效应在金薄膜表面加工出各种纳米图形。对加工参数对加工线宽的影响中,我们发现了随着加工能量的减小和加工速度的不断增大将导致加工线宽不断减小,最终达到了极限线宽(～10 nm)。这项技术可以广泛的应用与各种材料的加工中,尤其适合各种金属薄膜的加工,特别是结合了现有的自动化控制系统更是可以加工出任意复杂的二维纳米图形。     

基于听觉掩蔽效应的(ψ)阶STSA-MMSE语音增强算法

提出人耳掩蔽效应与阶STSA- MMSE(Short Time Spectral Amplitude-Minimum Mean Square Error)算法动态结合的语音增强算法.该算法通过引入参量提高了STSA-MMSE 算法的实时性,同时结合人耳掩蔽效应,动态的确定增强滤波器的传递函数以适应语音信号的变化,来提高语音质量.实验结果表明,和STSA-MMSE 算法相比,该算法在实时性方面有很大改善,并使降噪后的语音信号有较小的失真,同时很好地抑制了音乐噪音.     

Phenomenon of Frustrated Total Internal Reflection in the Near-Field Interference Microwave Sounding

Russian Physics Journal - A new approach is proposed in solving the problems of active near-field microwave probing of materials, objects and media. According to this approach, the probing near...     

Multifunctional Sulfur-Hyperdoped Silicon Nanoparticles with Engineered Mid-Infrared Sulfur-Impurity and Free-Carrier Absorption

Si nanoparticles (NPs), which are innovative promising light-harvesting components of thin-film solar cells and key-enabling biocompatible theranostic elements of infrared-laser and radiofrequency hyperthermia-based therapies of cancer cells in tumors and metastases, are significantly advanced in their near/mid-infrared band-to-band and free-carrier absorption via donor sulfur-hyperdoping during high-throughput facile femtosecond-laser ablative production in liquid carbon disulfide. High-resolution transmission electron microscopy and Raman microscopy reveal their mixed nanocrystalline/amorphous structure, enabling the extraordinary sulfur content of a few atomic percents and very minor surface oxidation/carbonization characterized by energy-dispersive X-ray spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy. A 200-nm thick layer of the nanoparticles exhibits near−mid-infrared absorbance, comparable to that of the initial 380-micron thick n-doped Si wafer (phosphor-dopant concentration ≈10¹⁵ cm⁻³), with the corresponding extinction coefficient for the hyperdoped NPs being 4–7 orders higher over the broadband spectral range of 1–25 micrometers. Such ultimate, but potentially tunable mid-IR structured, multi-band absorption of various sulfur-impurity clusters and smooth free-carrier absorption are break through advances in mid-infrared (mid-IR) laser and radiofrequency (RF) hyperthermia-based therapies, as envisioned in the RF-heating tests, and in fabrication of higher-efficiency thin-film and bulk photovoltaic devices with ultra-broad (UV−mid-IR) spectral response.     

变压器油中颗粒污染物的中红外光谱检测

配制了含不同颗粒污染等级的变压器油样,利用中红外光谱扫描获得油样的红外光谱数据,再采用连续投影算法提取油样红外光谱的有效波长变量,分别应用偏最小二乘法和支持向量机法方法建立了颗粒污染等级与中红外光谱有效波长的模型.所配置的油样红外光谱经过连续投影算法提取的有效波长具有特定颗粒污染物特征波长的特点,所建两种模型的预测效果均优于全谱的偏最小二乘法和支持向量机法模型,对验证集样本数据预测的决定系数分别为0.892 9、0.934 3,均方根误差为6.372×10-3、3.07×10-3,获得了较好的预测效果,为变压器油中颗粒物的检测提供了借鉴.     

基于吸收光谱和激光干涉技术的气体压力测量方法研究

气体压力光学非接触测量是目前激光技术重要应用领域之一,其中气压测量过程中温度耦合问题是现在面临的研究难点。故而提出一种光谱测量技术与激光干涉技术组合测量方法,通过积分吸光度和折射率融合的方式实现气体压力、温度解耦的目的。分析可调谐半导体激光光谱技术(TDLAS)的直接吸收法测量原理和基于折射率的激光干涉测量原理,建立基于吸收光谱的气压测量模型和基于折射率的激光干涉气压测量模型,通过利用三次多项式拟合吸收谱线强度函数的方式,建立了基于积分吸光度和折射率的气体压力、温度解耦的数学模型。实验搭建了基于TDLAS技术和激光干涉技术的气体压力检测系统,采用中心波长为2 004 nm的可调谐半导体激光器和波长为632.8 nm的激光干涉仪,气室长度为24.8 cm,将CO₂作为研究对象,并以高精度压力控制器和温度传感器的测量结果分别作为压力温度参考值,以真空为背景信号,在室温环境中测量并计算出气体压力变化后积分吸光度值和折射率值,进而解算得到气体压力和温度值。实验结果显示：压力测量结果最大相对误差为3.61%,最小相对误差为0.5%,测量平均相对误差为1.99%;在以开尔文温度为前提下,温度解算结果最大绝对误差为7.66 K,最小绝对误差为0.78 K,测量平均绝对误差为3.29 K,测量结果与参考结果具有较高的吻合度,该研究可为以后光学法测量气体压力温度影响分析提供参考。     

多波段激光雷达植被光谱分析

多波段激光雷达是获取光谱的一种新型手段。与传统的光谱仪仅能获取二维层面上的光谱不同,它基于超连续谱激光光源,利用激光的穿透性和高集中性,依靠光栅分光系统能够获得植被垂直方向上的光谱信息,从而得到植被在三维层面上的光谱分布。利用32波段激光雷达,首先在暗室条件下,将多波段激光雷达获取的光谱与ASD光谱仪获取的光谱进行了比较,发现在458～865 nm内,两者有相同的形状特征,能准确的表示出植被的反射特征,然后通过对光谱指数与叶绿素含量的相关性分析发现,基于两者的光谱指数与叶绿素含量均有较好的拟合关系,其中,基于多波段激光雷达光谱的优化比值植被指数(MSR)与叶绿素含量存在极显著相关关系,决定系数R2达到0.780 2,均方根误差(RMSE)仅为0.508 1。最后,利用多波段激光雷达,实现了垂直方向上的光谱获取,通过多次扫描的方式,得到了植被光谱的三维点云分布,并利用MSR与叶绿素含量之间的最优拟合方程,反演得到了叶绿素含量的三维分布图。     

以衍射理论为基础考虑双光子吸收的Z-扫描理论

以菲涅尔-基尔霍夫衍射理论为基础,建立了非线性介质对高斯光束的衍射模型,对高斯光束通过非线性介质后的传输行为进行了详细的理论推导和数值计算,从一种新的角度解释了Z-扫描现象.理论推导出了考虑双光子吸收的闭孔和开孔Z-扫描曲线的统一公式,是计算非线性折射率和双光子吸收系数的一种新方法.数值模拟计算表明,对于考虑双光子吸收的闭孔Z-扫描曲线,其结果与经典的Z-扫描理论完全一致.而对于已给定的开孔Z-扫描曲线,用该理论计算出的双光子吸收系数是经典开孔Z-扫描理论计算值的1/3,其它结论与传统Z-扫描理论完全吻合.该理论的近似条件只要求薄样品和小非线性吸收,比传统理论具有更好的准确性.     

基于波段带宽的谱段测温的优化测量分析

基于窄波段内普适性的线性发射率模型,采用具有Gauss分布的传感器设计,将三波长(单色)辐射温度测量拓展到三波段(谱段)辐射温度测量,提出了使测量具有最佳温度分辨精度的优化准则。讨论优化测量的主要方式是通过改变Gauss分布的半宽度,实现从单色测量到谱段测量的逐渐递进,因而优化分析从传统的分析波长选择上,过渡到分析波段带宽的选择上。对于特定的辐射情形,依据优化准则,数值模拟结果给出了最佳温度分辨精度的波段带宽(即Gauss分布半宽度)分布。最优半宽度的分析表明,单色辐射测量往往并非是最优测量,文章的分析将给辐射优化测量提供重要的理论指导。     

基于TDLAS-WMS的中红外痕量CH_4检测仪

为了对痕量甲烷(CH4)进行非接触式检测,采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)与波长调制光谱(WMS)的检测技术,利用CH4位于中红外波段1 332.8cm-1吸收谱线,设计并研制出痕量CH4检测仪。该仪器使用中心波长为7.5μm的中红外量子级联激光器(QCL),通过调谐系数-0.2cm-1·A-1,采用固定工作温度调节其注入电流(0.6~1.6 A)的方式使其发光光谱扫描CH4气体吸收谱线(1 332.8cm-1)。在光学结构方面,该仪器采用光程为76m的herriott长光程密闭气体吸收气室,配合差分检测光路,降低了由激光光源波动引起的噪声,确保对痕量CH4进行检测。实验中,实现了40×10-9最低检测下限,检测结果的相对误差为0.09%,稳定度优于2.8%,验证了该仪器的可行性。     

中红外波段大气碳同位素激光吸收光谱研究

大气碳同位素在环境污染源汇示踪和地球化学发展等方面的应用越来越广泛,在其探测技术方面,激光吸收光谱技术具有体积小、可在线、灵敏度高等优点,在气体同位素探测中越来越受到重视。工作中研究了2.7 μm波段的分布式反馈激光器(distributed feedback laser, DFB)可调谐半导体激光器的性能,在遵循12CO₂和13CO₂同位素分子吸收谱线特征和同位素分子谱线选择原则的基础上,确定了合适的激光器输出波长。结合光程390.3 m的新型多次反射池,实现了大气中CO₂分子的δ13C同位素丰度探测。     

基于微流控芯片的电解质溶液太赫兹吸收特性研究

由于许多生物分子的振动和转动能级均在太赫兹波段,且太赫兹波具有电子能量低（约4 meV）,不会破坏待测样品的特性,因此可以采用太赫兹光谱技术检测生物样品。然而许多生物分子在液体环境中才能保持其生物活性,需要在盐溶液中来探究酸碱环境对其的影响,以及在盐类缓冲液中研究其生物特性。但水作为极性液体对太赫兹波有强烈的吸收,因此,探究如何减少水对太赫兹吸收的方法非常必要。水对太赫兹的吸收主要因水分子间氢键造成,现阶段最常见的方法是减少水与太赫兹波的作用距离以及破坏水分子间的氢键。利用夹心式微流控芯片在太赫兹时域光谱系统下通过观察光谱强度变化来探究电解质对水分子间氢键的影响,既减少了水和太赫兹波的作用距离,又探究了电解质对水分子间氢键的作用。在微流控芯片中分别加入不同种类以及不同浓度的电解质,通过观察其在0.1～1.0 THz范围内的光谱强度变化来分析不同电解质对水分子间氢键的影响。部分电解质促进氢键的缔合,而另一部分则破坏氢键的形成,在太赫兹光谱范围内表现为光谱强度的变化。若促进氢键的缔合则对太赫兹吸收变大,光谱强度减弱;若破坏氢键的缔合则对太赫兹吸收减弱,光谱强度增加。研究结果发现：在水中加入KCl和KBr时,太赫兹光谱强度增加,表明二者对氢键有破坏作用,使得光谱强度变大;然而当加入MgCl₂和CaCl₂时,太赫兹光谱强度减弱,表明二者对氢键有缔合作用,从而使光谱强度变小。利用太赫兹技术在0.1～1.0 THz范围内研究KCl,KBr,MgCl₂和CaCl₂这四种不同浓度的电解质溶液特性,发现它们只会对光谱强度造成一定影响,不会引入新的特征吸收峰以及对待测样品造成干扰。这对于研究诸如大肠杆菌、枯草芽孢杆菌等在0.1～1.0 THz范围内有特征吸收谱的生物分子具有一定的实用价值。在溶液中加入所需的电解质并借助微流控芯片不仅可以识别待测样品、研究待测样品的光谱信息、探究其生物特性,而且为进一步推动太赫兹技术在生化方面的应用研究提供了先决条件。     

基于Retinex理论JPEG2000压缩图像增强方法

在增强压缩图像过程中,采用传统图像增强方法存在细节恢复困难,易产生块状效应等局限性,针对此问题,本文将Retinex理论引入JPEG2000压缩框架中,提出一种新的JPEG2000压缩图像增强方法.它将小波变换后的低频系数看作入射光分量,高频系数看作反射光分量,通过对低频系数进行两次非线性映射,来调整场景光照的动态范围;通过调整高频系数,提高对比度,实现图像细节的整体拉升;通过判断各子块的活动性,自适应来修改亮度量化表,达到可以保留更多的细节,抑制块状效应的目的.实验结果表明,该算法在增强效果、压缩质量等方面都有着较好的优势.     

基于多检测器最大熵融合的多通道光谱图像异常检测

提出了一种多检测器最大熵融合的多通道光谱图像异常检测算法.选择多个不同的异常检测器,并利用自适应窗宽非参核密度估计方法估计其各自的输出分布,保留了多通道光谱图像数据的“长尾”特性,且避免了先验模型假设带来的模型误差.将各原始检测器的输出投影到具有标准正态边缘分布的变换空间中,利用变换空间中模型化的最大熵融合规则实现多检测器的决策级最优概率融合.在原数据空间通过似然函数的检验完成多通道光谱图像的目标检测.利用机载EPS-A航拍多通道光谱图像进行了实验,实验结果表明了算法的有效性.