原位显微拉曼测温系统的设计及实现

拉曼光谱仪是一种常用的光学分析手段,目前国内市场上存在许多小型的便携式拉曼光谱仪,虽然操作简单,但光谱分辨率及探测范围有限.文章设计并搭建了一台具有显微原位测温功能的大型拉曼光谱仪系统,测试结果表明,系统能够探测的波数范围为-6 000～325 cm-1、275～6 000 cm-1,光谱分辨率可达到0.7cm-1.将其与已经商业化的便携式拉曼光纤探头对比,对标准样品硅片及其他样品的测试结果表明:该系统具有更高的信噪比及灵敏度,对激发光、杂散光的滤除效果更优,能够探测到样品的反斯托克斯拉曼信号,具有原位探测样品表面温度的能力.     

全息光纤探头给样品探测带来新希望

全息光纤探头给样品探测带来新希望困难样品的遥测光谱学监视往往被吹嘘为是光纤取样探头的一大优点。然而，对拉曼光谱学应用而言，由于激发激光束往往产生很大拉曼信号，有时光纤本身也产生荧光并传向样品或从样品反射日来，使取样探针设计复杂化美国凯瑟光学系统公司的...     

基于掺TiO2光纤的拉曼放大器特性研究

为探索能够应用于集总式拉曼放大的新型光纤材料,采用掺TiO₂光纤作为增益介质分别设计了一阶、二阶拉曼放大器。给出了高功率转换效率且增益平坦的泵浦参数配置方案,在总泵浦光功率不变的情况下对比了掺TiO₂光纤的一阶、二阶拉曼放大器与掺GeO₂光纤的二阶拉曼放大器的增益特性。仿真结果表明,在L波段60nm的谱宽范围内,32dBm的泵浦光前向注入长达6 km的掺TiO₂光纤对3 dBm的信号光进行二阶拉曼放大,其功率转换效率可达41.57%,增益平坦度仅为1.14 dB,对比掺GeO₂光纤的二阶拉曼放大器具有更平稳的输出增益。     

大气环境NO3自由基探测技术研究进展

相对于OH自由基是白天大气化学的驱动力,NO₃自由基则是夜间大气中重₃自由基寿命短、浓度低（几百ppt）,使得对其测量具有挑战性。上世纪八、九十年代,主要采用差分光学吸收光谱（DOAS）技术和基质隔离电子顺磁共振光谱（MI-ESR）技术对NO₃自由基进行测量.随着科学技术的快速发展,本世纪初逐渐发展出腔衰荡光谱（CRDS）技术、腔增强吸收光谱（CEAS）技术、激光诱导荧光光谱（LIF）技术和化学电离质谱（CIMS）技术来探测NO₃自由基。综述了国内外大气NO₃自由基探测技术的研究现状和发展趋势,对各种方法的原理、优缺点及应用进行了较为详细的介绍,并总结了其在大型外场观测中测量NO₃自由基所取得的研究进展。     

石英增强光声光谱在氢气纯度分析中的应用

设计了一种基于石英增强光声光谱技术的痕量气体传感器,用来检测非纯氢气中的痕量甲烷浓度。传感器被配置了一个微型谐振腔,能够在空间上对声波进行限制,用以增强信号幅值。在这种配置和27 kPa的最优气压下,获得的甲烷探测灵敏度为3.2 ppm（1 s平均时间）,相应的归一化噪声等效吸收系数（1σ）为2.45×10^-8cm^-1W/Hz^1/2。     

远距离物质拉曼光谱探测系统

为了实现远距离物质的识别检测,设计和建立了脉冲门控非接触式的拉曼光谱探测系统,利用强脉冲激光的高能量密度（~106 W）增强被探测物质的拉曼散射信号,通过大口径透镜系统提高拉曼光收集效率,同时采用同步延时系统控制ICCD的开启和积分时间,有效地去除背景光和荧光的干扰,提高信噪比,从而显著增加拉曼光谱探测距离。初步研究了不同通光口径对探测能力的影响,以及在950 mm的探测距离上获得了清晰的硫元素和纯净水的拉曼光谱信号。     

针尖增强拉曼光谱术原理与系统设计关键

最近10年,针尖增强拉曼光谱技术(TERS)以其极高的空间分辨率和探测灵敏度受到了人们的重视。针尖增强拉曼光谱技术为纳米科学与生命科学等学科的研究提供了强有力的工具,使得纳米尺度光谱学研究成为现实。简述了针尖增强拉曼光谱技术的基本原理,着重讨论了针尖增强拉曼光谱系统的结构、设计方法和评价指标。介绍了针尖增强拉曼光谱技术的最新应用和研究进展,并对目前面对的前沿问题和今后的发展方向进行了分析。     

基于可调谐CO2激光器的SF6差分光声检测研究

为了对电力场所SF₆气体浓度进行有效监测,采用光声光谱气体检测技术,基于波长可调谐CO₂激光器,设计了一套大气环境下的SF₆痕量气体检测系统,并提出一种差分光声光谱技术以提升光声系统的检测灵敏度。结果表明,所设计的SF₆气体检测光声系统的共振中心频率为1066Hz,品质因数为32.04,光声池常数为89.74Pa·m·W-1;利用单谱线光声法,在激光谱线10P12处检测SF₆气体的灵敏度为0.06×10-6（体积分数）;采用差分光声光谱气体技术后,在激光谱线10P12和10P16处3W强度调制光的照射下,光声系统的灵敏度提升到0.02×10-6（体积分数）。差分光声光谱技术能有效降低噪声影响,提升光声检测系统的灵敏度,具有一定的实用价值。     

萨格纳克干涉仪级联的高灵敏度温度传感器

设计了一种由两个萨格纳克干涉仪（SI）级联组成的光纤温度传感器,并用实验证明了传感器在游标效应下的温度灵敏度放大特性。该传感器由两段不同长度的熊猫保偏光纤构成两个SI,然后两个SI旋转一个角度级联在一起组成一个温度传感装置,其中SI₁用着温度传感,SI₂用着参考。由于两个SI具有相近的自由光谱范围,级联时它们干涉谱叠加形成一个自由光谱范围很大的低频包络线。利用包络线漂移来考察温度变化,能够获得放大的灵敏度。实验结果显示级联后传感器的温度灵敏度为11.03 nm/℃,而单个SI₁单独测量温度的灵敏度为-1.01 nm/℃。因此利用游标效应后,灵敏度增加了10.9倍,而且实验测量结果与理论计算结果基本吻合。     

Ag纳米粒子修饰多模光纤的拉曼增强特性实验

为了分析研究光纤表面增强拉曼散射(SERS)探针 的拉曼增强特性,采用简单廉价的化学方法制备Ag纳米颗粒修饰 光纤SERS探针,采用罗丹明6G(R6G,Rhodamine 6G)作为探针分子进行了不同浓度R6G溶 液(10－7~10－9M)的拉曼测试实 验和浓度为10－6M的R6G溶液的Time-course SERS Mapping实验,研究了该光纤 SER S探针的拉曼增强特性,制备的光纤SERS 探针样品检测R6G的极限浓度低至10－9M;在Time-course SE RS Mapping实验中,分 析验证了探针分子溶液蒸发过程对光纤 SERS探针的拉曼增强特性的影响。研究表明,由于制备的光纤SERS探针对荧光噪声没有抑 制作用,导致所测得探针分子 的拉曼光谱受探针分子溶液状态、测试方式的极大影响。当溶液充足时(浸泡状态),所测 光谱信号荧光噪声与有效拉曼光 谱信号都比较大;在溶液干燥过程中,所测光谱信号荧光噪声与有效拉曼光谱信号都减少, 但荧光噪声减小幅度远大于拉曼光谱信号。     

蓝紫光的腔增强空气喇曼光谱

喇曼光谱是一种无损、快速检测物质成分的方法。为了提高监测灵敏度, 对408nm波段半导体激光器的腔增强自发喇曼散射进行了研究。利用输出功率500mW、线宽0.9nm的408nm半导体激光器作激发光, 把激光耦合入共焦球面镜腔, 两面共焦球面镜的反射率分别为96.5%和99.5%, 部分激光返回半导体激光器形成光反馈, 半导体激光器与共焦腔形成共振。对装置的光反馈过程进行了探讨, 并对外腔的模式匹配和频率匹配分别进行了分析。结果表明, 共焦腔内功率达到15W, 功率增强了30倍; 用90°探测构型收集喇曼信号, 完成了空气喇曼信号检测; 1s积分时间, 获得N₂信号900个计数。此共振增强腔大大增强了喇曼散射信号, 有潜力应用于多种气体的在线检测或高灵敏度检测。     

基于Re:YAG-SiO2光纤的单频光纤激光器研究进展（特邀）

Re:YAG-SiO₂多组分玻璃光纤是以Re:YAG作为纤芯材料,以石英管作为包层材料,采用熔芯法利用拉丝塔在高温下拉制的特种光纤,具有掺杂浓度高、增益大、机械强度高、易与石英光纤熔接等优点,适用于短腔单频光纤激光器。文中介绍了Re:YAG-SiO₂光纤的制备工艺,结合笔者课题组在该领域的研究工作,综述了近年来基于Re:YAG-SiO₂光纤的单频激光技术在1.0 μm,1.5 μm及2.0 μm波段的研究进展,并对Re:YAG-SiO₂光纤的制备及基于该类光纤单频激光器所存在的问题进行了归纳分析,对未来的发展进行了展望。     

液芯波导对溶液拉曼光谱探测灵敏度的放大

采用折射率比石英(1．46)低的Teflon-AF(n=1.29)液芯波导系统。研究了乙醇和四氯化碳溶液的拉曼光谱，通过利用液芯波导的内全反射特性。延长激发光对波导管内的溶液试样的总的有效激发光程。并有效增强对光谱信号的收集，成功地采集到四氯化碳和乙醇的拉曼光谱。并与采用常规90度几何散射结构获得的拉曼光谱进行了对比，表明液芯波导系统可以使拉曼光谱信号强度增强200倍以上，并大大提高探测灵敏度和信噪比。展示了液芯波导拉曼光谱应用于化合物溶液的微量分析、生物医药成分的定量检测、临床医学诊断中对病理样本的微量分析和定量检测等领域的可行性，为进一步采用液芯波导拉曼光谱进行定量标定的研究工作和实际应用提供了实验依据。这项技术也适合于对其它包含多种成分的复杂的生物体系和化学药品进行定量分析，具有巨大的应用前景和实际价值。     

液芯波导在拉曼光谱研究中的应用及其研究进展

采用液芯波导系统进行液体样品的光谱研究具有相当高的探测灵敏度，本文对液芯波导系统在拉曼光谱中的应用及其研究进展作了比较全面的综述．分析了液芯波导系统的特点及其影响液芯波导拉曼光谱强度的主要因素及其激励采集方法、液芯波导中的光漂白效应及其对荧光背景的消除作用，以及液芯波导中的光散射机制问题，并对液芯波导的主要应用做了详细介绍．     

变压器油中溶解一氧化碳气体的光纤传感技术

为了满足变压器中绝缘纸板因过热或者放电故障产生的一氧化碳气体的在线监测需求, 提出了一种基于光纤光声传感的油中溶解一氧化碳气体检测技术。采用光声光谱气体检测技术、并结合光纤传感和膜分离技术, 设计了集成油气分离和气体检测功能于一体的光纤光声传感探头, 油中溶解的一氧化碳气体通过油气分离膜进入到光纤探头中的微型气腔; 采用两根光纤将探头连接到解调仪器, 分别传输近红外激发光和探测光; 气体吸收光能产生的光声信号被光纤法布里-珀罗传感器探测, 并被设计的光纤光声解调模块进行信号处理, 获得系统对一氧化碳气体体积分数的检测灵敏度为0.345pm/10-6。结果表明, 所设计的光纤传感系统对油中溶解一氧化碳气体体积分数检出限达到5×10-6。该研究具有精度高、抗电磁干扰、脱气简单的优势, 为变压器油中溶解一氧化碳气体的检测提供了新方法。     

拉曼-荧光联合水下探测系统及初步试验

深海热液环境中存在着巨大的化学和热梯度,快速剧烈的混合和生物合作过程产生了多种多样的矿物合作过程,并培养了大量的化学合成微生物。激光拉曼光谱非常适合于深海热液环境矿物过程的探测,然而要对矿物与微生物作用过程进行研究,还需要与荧光光谱技术进行联合。针对深海热液的探测需求,研发了一套拉曼-荧光联合光谱水下原位探测原理样机。该联合系统主要通过双波长激光器和两个微型光谱仪实现,双波长激光器同时发射266 nm和532 nm激光,其中532 nm激光用来激发拉曼光谱,266 nm激光用来激发荧光光谱。根据波长不同,双波长激光被分为两束分别经两片石英玻璃窗口照射到海水或液体样品上。产生的拉曼和荧光光谱经后向散射收集并分别耦合到拉曼和荧光光谱仪中。整个系统集成于L790 mm270 mm的舱体内,在舱体前端有光学窗口和水密插头,舱体内部主要包括双波长激光器、光谱仪、嵌入式计算机和供电装置,甲板控制终端通过电缆实现对系统的供电、控制和数据采集。利用搭建的原理样机在实验室对海水和拟棱形藻样品进行探测,实验结果初步证明拉曼-荧光联合光谱探测装置的可行性,之后系统在青岛近岸进行了实验并获得了实验数据。下一步将优化系统并应用于深海热液环境探测。     

Transmission limitations due to self-phase modulation in opticalPSK heterodyne detection systems employing chromatic dispersionequalization

Even if the amplitude of a phase-modulated optical signal is constant before transmission, amplitude modulation is caused by fiber chromatic dispersion. As a result, self-phase modulation (SPM) is induced. In optical heterodyne detection, SPM cannot be compensated for by the delay equalizer (electrical domain) used to compensate fiber chromatic dispersion. However, the transmission distance limitation of multi-repeatered coherent transmission systems has not been investigated in the presence of SPM. This paper theoretically and experimentally investigates the transmission distance achievable with a phase-shift-keying (PSK) heterodyne detection system employing in-line optical amplifiers and delay equalization. The calculated results show that equalization is effective when γP₀/2B²|β₂|<10 in the normal dispersion regime, and γP₀/2B²|β ₂|<15 in the anomalous dispersion regime. Furthermore, the increase in transmission distance achieved by using equalization is experimentally shown in an 8 Gb/s PSK heterodyne transmission experiment using a conventional single-mode (SM) fiber and in-line fiber amplifiers     

32通道光纤阵列式高灵敏飞秒激光光谱分析仪

针对飞秒激光光谱学研究中对微弱光信号的多通 道光谱分析的需求,提出了一种32通道光纤阵列- 锁相放大光谱分析仪(OSA)设计方案。32通道光纤阵列用于传输线型分布光谱信号,经光电 探测器(PD)转换的电信号 由32通道同步数字锁相放大器进行处理。基于现场可编程门阵列(FPGA)设计的32通道同步 数字锁相放 大器,实现了各路独立的微弱光谱信号同时检测功能。针对飞秒激光光谱测量中重复频率为 1kHz的强干 扰,设计1kHz陷波器,提高信号测量的动态范围。设计的OSA的测量光谱范围 为400～1100nm,通 道光谱间隔为4nm。实验结果表明:32通道光纤阵列OSA的通道隔离度大于80dB,输入光噪声密 度为37.9fW/Hz,各通道极限检测灵敏度可达 18.9fW,动态储备达到120dB。应用于飞秒时间分辨荧光 光谱测量,对超荧光干扰抑制效果明显,同时极大地提高了测量灵敏度并缩短动力学测量时 间至6min。 本文实现的OSA具有灵敏度高、体积小和性价比高等优点,适用于对微弱光谱 信号的高灵敏与快速检测分析。