双光程光声光谱甲烷传感器

利用甲烷(CH₄)气体分子在1.6 μm的吸收特性,使用中心波数为6 046.96 cm-1的蝶形分布反馈式(DFB)激光器和自制的大内径光声池,设计了一款紧凑高灵敏的CH₄气体传感器。为了进一步增强输出光声信号强度,一个具有高反射率的平面镜放置在光声池后,使透射光束被反射后,二次通过光声池,增强了光与被测气体的作用距离,使光声信号提高了1.9倍。传感器各项参数,包括调制频率、调制深度及气体流速被优化。在标准大气压和1 s的积分时间下,该传感器最终获得的探测灵敏度为0.21 ppm,1σ归一化等效噪声系数(NNEA)为2.1×10-8 cm-1·W·Hz-1/2。该甲烷传感器使用性价比高的DFB近红外激光二极管作为激发光源,装置简单,成本低廉可以满足大气环境检测、矿井瓦斯监测、工业过程控制及无创伤医疗诊断等领域的需求。     

siPLS-LASSO的近红外特征波长选择及其应用

近红外技术广泛应用于食品、药品等生产过程和产品质量检测,具有样品无需预处理、成本低、无破坏性、测定速度快等优点。但是,全光谱数据维数高、冗余信息多,直接应用于建模会导致模型复杂性高、稳定性差等问题。siPLS是最常见的光谱数据降维方法,但是难以处理光谱数据的共线性问题。LASSO是一种相对新的数据降维方法,但在小样本应用中具有不稳定性。针对siPLS和LASSO在近红外光谱数据应用中存在的问题,提出了基于siPLS-LASSO的近红外特征波长选择方法,并将其应用于秸秆饲料蛋白固态发酵过程pH值监测。该方法首先采用siPLS算法,实现对光谱波长最佳联合子区间的优选;然后,对优选联合子区间使用LASSO算法进行特征波长选择,在此基础上建立PLS校正模型。同时,将siPLS-LASSO方法与其他传统特征波长选择方法进行了对比。结果表明：建立在siPLS-LASSO方法优选33个特征波长基础上的PLS模型预测结果更好,其预测方差(RMSEP)和相关系数(R_p)分别为0.071 1和0.980 8;所提siPLS-LASSO方法有效选取了特征波长,提高了模型预测性能。     

Chirality Driven by Magnetic Dipole Response for Demultiplexing of Surface Waves

Surface electromagnetic waves are characterized by the intrinsic spin‐orbit interaction which results in the fascinating spin‐momentum locking. Therefore, directional coupling of light to surface waves can be achieved through chiral nanoantennas. Here, we show that dielectric nanoantenna provides chiral response with strong spectral dependence due to the interference of electric and magnetic dipole momenta when placed in the vicinity of the metal‐air interface. Remarkably, chiral behaviour in the proposed scheme does not require elliptical polarization of the pump beam or the geometric chirality of the nanoantenna. We show that the proposed ultracompact and simple dielectric nanoantenna allows for both directional launching of surface plasmon polaritons on a thin gold film and their demultiplexing with a high spectral resolution.     

基于石英增强光声光谱的HCl痕量气体高灵敏度探测研究

HCl是一种有毒有害气体,对其高灵敏度探测具有非常重要的意义,然而到目前为止,采用激光光谱的手段对其探测的研究报道很少。石英增强光声光谱(QEPAS)是近年来发展起来的一种痕量气体探测技术,具有系统体积小、价格低廉、探测灵敏度高等优点。以5 000 ppm HCl∶N₂混合气作为待测目标,采用输出波长为1 742.38 nm的分布反馈连续波单纵模半导体激光器,开展对基于QEPAS技术的HCl高灵敏度探测研究。为了提高信噪比和简化数据处理过程,QEPAS传感器系统采用波长调制和2次谐波探测技术。研究中,首先对声波探测系统中微共振腔强声波增强特性进行了讨论,选择了“共轴”形式的声波微共振腔,并对其尺寸进行了优化,选择的微共振管长度为4 mm、内径为0.5 mm。实验中研究了激光波长调制深度对QEPAS系统产生的信号幅度的影响,当QEPAS系统积分时间为1 s、激光波长调制深度为0.23 cm-1时,获得了815 ppb的优异检测极限,归一化噪声等效吸收系数为7.41×10-9 cm-1·W·Hz-1/2。在后续的实验中,可在待测HCl气体中加入水汽分子,提高HCl分子的热弛豫速率,进一步提高HCl-QEPAS传感器系统的信号强度。     

785nm便携式光栅外腔可调谐半导体激光器的研制和输出特性

针对移频激发拉曼光谱测试系统的小型化需求,在Littrow结构中,采用商用的785nm大功率激光二极管作为增益器件,构建了一款便携式光栅外腔可调谐半导体激光器。该激光器通过采用一种新型的波长调谐方法,即以改变半导体增益器件相对于准直透镜的水平位置来实现波长的连续调谐,实现了尺寸为140mm×65mm×50mm的小型化结构设计。相比于传统的旋转衍射光栅改变光线在光栅上的入射角来实现波长调谐的方式,该方法有效地缩减了增益器件的平移距离,从而有利于便携式外腔激光器波长的快速宽带调谐。实验结果表明,该激光器具有较宽的波长调谐范围,在340~900mA注入电流下均可实现10nm以上的波长调谐,尤其在900mA大注入电流下,其波长调谐覆盖779.40~791.07nm,调谐范围可达11.67nm,且激射线宽小于0.2nm,单波长输出功率最高可达280mW,放大的自发辐射抑制比大于25dB,呈现出较优异的输出性能,满足移频激发拉曼光谱检测系统对光源的基本要求。此外,该激光器可采用一微型压电陶瓷驱动器来实现波长的电动调谐,实验获得了1.35nm的波长调谐范围,证实了所制785nm便携式光栅外腔可调谐半导体激光器适合作为便携式移频激发拉曼光谱检测系统的光源用于减除原始拉曼光谱中的荧光背景。     

WMS的玻璃药瓶内氧气含量检测及其标定方法改进

应用激光波长调制光谱(WMS)技术,建立了一种开放光路短光程检测玻璃药瓶内氧气含量的方法。选择氧气分子位于760.885(13 142.58 cm-1)的吸收谱线,通过多次调试优化了系统相关参数,给出了实时扣背景及实时谱线校正等数据处理的方法和步骤。采集七种不同氧气含量的玻璃药瓶样本,获取相应的二次谐波信号,分别建立二次谐波峰值、半高谱峰面积与浓度的线性回归方程进行定量预测。实验结果表明,其拟合系数分别为0.996 6和0.997 8,后者相比前者的标定方法提高了0.12%。采用完全交互验证的方法来评价两个模型的预测精度,其预测的均方根误差(RMSEP)分别是0.003 1和0.002 0,后者相比前者降低了37.69%。对浓度是4%的气体样品,比较不同时间的20次测量结果,标准差分别为0.002 2和0.001 6,后者相比前者降低了27.3%,同时其测量灵敏度分别为0.198%和0.097%,后者相比前者的灵敏度提高了约51%。证明了该系统及数据处理方法对玻璃药瓶内氧气含量检测是可行的,且利用半高谱峰面积更丰富的幅值信息来反演气体浓度可以降低波峰失真影响,检测精度更高,稳定性更好。     

新型波长解调技术在干涉型光纤传感器输出解调中的应用

提出了一种改进型边缘滤波波长解调技术,解决干涉型或谐振型光纤传感器输出的干涉谱波长的快速解调问题。该波长解调技术基于啁啾光栅和长周期光栅的光谱特点,以啁啾光栅作为矩形滤波器,提取传感器输出干涉谱的一个干涉峰;以长周期作为边缘滤波器,将干涉峰的波长信息转化为光强信息进行检测。该波长解调技术波长解调范围为传感器输出干涉谱的一个自由光谱范围(FSR),解调速度快,克服了当前波长解调技术中存在的测量范围与测量速度难以同时提高的问题,同时还具有系统成本低 ,体积小,能够灵活多路扩展的特点。详细介绍了解调系统的工作原理以及系统结构,并将其实际应用于一种干涉型光纤电流传感器输出干涉谱的波长解调中。通过实验证明电流传感器工作在工频及脉冲电流(脉冲宽度25 μs)情况下,该解调系统对传感器输出干涉谱具有准确、快速的解调效果。该研究对推进干涉或谐振型光纤传感器的实际工程化水平的提高具有重要意义。     

无创血液成分检测中基于VIP分析的波长筛选

自变量筛选是定量光谱分析领域的研究热点,简便且高效的自变量筛选方法不但可以降低分析计算量,提高分析精度,同时还可以减轻对仪器光谱分辨能力的依赖,降低分析成本。波长筛选也是光谱法无创血液成分检测研究的重要环节。动态光谱理论为血液无创检测提供了极佳的思路,但长期局限于使用宽带光源和高分辨率的光谱仪器,分析中需要大量波长限制了动态光谱法的进一步发展。为了去除冗余信息,使检测走向低成本化和集成化,提出了基于变量投影重要性(variable importance in projection,VIP)分析的波长筛选方法。通过分析PLS模型中各维自变量对因变量的解释能力,从而剔除重要性较低的变量保留解释能力强的波长。以232例受试者的临床实验数据为基础,以血红蛋白含量为分析对象,经投影重要性分析后将波长数由586降至64,波长筛选后血红蛋白预测模型的测试集平均相对误差(MREP)为1.82%,使用了极少的波长便可得到满意的结果;结合Bootstrap方法对模型进行显著性检验后验证了波长变量的解释能力。首次指出了使用动态光谱法检测血红蛋白的敏感波长带。基于投影重要性分析的波长筛选迈出了动态光谱走向实用的重要一步,为实现低成本在线分析打下了基础,同时也为其他领域的光谱分析提供了重要的参考和新的思路。     

基于焦耳热的光纤布喇格光栅电压传感器研究

设计了一种基于焦耳热的新型光纤布喇格光栅电压传感器以用于小电压的精确监测.实验中通过真空蒸镀法在光栅周围镀上一层金属镍,并将光栅密闭封装在充满气凝胶的铜管中.电压传感通过所镀金属镍层在通电过程中产生的焦耳热引起栅区温度升高,导致光纤光栅反射谱中心波长漂移,从而实现电压与光纤光栅中心波长漂移量的变换.实验表明,封装后的直流电压灵敏度达到520pm/V2,并可用于较低频率的交流传感,且系统结构简单、精度高、易于实现.     

Priority-based parameter optimization strategy for reducing the effects of four-wave mixing on WDM system

In order to meet the ultra high speed and ultra long-haul transmission distance in wavelength division multiplexing (WDM) systems, the nonlinear impairment affecting the overall spectral efficiency and system performance should be minimized. This paper proposes a strategy to mitigate the four-wave mixing (FWM) effect in WDM system. The strategy determines the effect of both single and combined effects of second, third, and fourth optimization priority parameters such as fiber length, input power, dispersion, channel spacing, and effective area on FWM power. A comparison study was made under different types of optical fiber such as single-mode fiber (SMF), dispersion shifted fiber, non-zero dispersion fiber, and non-zero dispersion shifted fiber. In addition, the system performance in term of bit-error-rate was calculated in the case of single priority (impact of effective area) and combined priority (impact of effective area, input power, fiber length and channel spacing). The results show that the FWM effect was reduced based on the transmission parameters order of optimization, i.e., priority selection proposed. Moreover, the results indicated that increasing sequentially the effective area, fiber length; channel spacing and decreasing the input power provide the most significant sequence in suppressing the effects of FWM. This priority sequence brought the suppression ratio to approximately 26.3% in SMF, which suppressed the FWM effects up to −50 dBm. In term of BER; the combined priority introduces improvement in BER of 2.31 × 10⁻²⁵ in comparison with single priority that has value of BER 4 × 10⁻¹⁴. Finally, this work suggests that the proposed priority-based parameter optimization strategy is an ideal solution for optimum performance of WDM system.