相向成丝荧光增强光谱检测技术研究

探索了一种基于两束相向传播飞秒光丝诱导荧光的光谱检测方法。实验结果表明，该方法能够延长荧光衰减时间，增强物质特征谱线强度。将该方法应用于盐水溶液中金属离子(K⁺、Na⁺、Mg²⁺)特征峰及含量的检测，其对Na⁺含量的检测灵敏度为4.3×10^-6，较相同激发脉冲能量下的单丝诱导荧光检测技术提升了4倍，且具有良好的线性度。该方法有望为污染物检测提供新途径。     

土壤中微量重金属元素Pb的激光诱导击穿谱

从实验上测定了土壤在可见光谱区的激光诱导击穿光谱(LIBS),对测定的光谱结构进行了分析,并对可观测的谱线进行了归属,得出土壤所含的主要元素和部分微量元素;测定了不同Pb掺杂浓度下土壤中微量元素Pb405.78 nm谱线的强度,采用内标法拟合得到了该分析谱线的激光诱导击穿光谱定标曲线,由定标曲线的拟合结果计算得到Pb元素的检测限质量分数为36.7×10-6。     

液体中Cu元素双脉冲激光诱导击穿光谱测量研究

为了研究液体中重金属元素的双脉冲激光诱导击穿光谱,文章通过双脉冲激光诱导击穿光谱(Double Pulse Laser Induced Breakdown Spectroscopy)技术,对竖直流动的CuSO4水溶液样品中Cu元素激光诱导击穿光谱的特性进行测量和分析。实验中使用两台532nm Nd:YAG激光器作为激发光源,等离子体信号通过光栅光谱仪和CCD进行采集。实验考察DP-LIBS积分延时、激光脉冲间隔等参数对LIBS信号的影响。研究结果表明Cu元素双脉冲激发时的等离子体特征谱线发射强度是单脉冲激发时特征谱线发射强度的2倍左右,信噪比约为3.3倍,当两束激光脉冲间隔2~3μs时,谱线发射强度有最大增强,最后由定标曲线拟合结果得到Cu元素在双脉冲检测限为9.87mg/L,比单脉冲LIBS提高了约6倍,实验结果为双脉冲LIBS技术应用于水体中重金属快速检测提供了依据。     

液体中Cu元素双脉冲激光诱导击穿光谱测量研究

为了研究液体中重金属元素的双脉冲激光诱导击穿光谱,通过双脉冲激光诱导击穿光谱(Double pulse laser induced breakdown spectroscopy,DP-LIBS)技术,对竖直流动的CuSO_4水溶液样品中Cu元素激光诱导击穿光谱的特性进行测量和分析。实验中使用两台532 nmn Nd:YAG激光器作为激发光源,等离子体信号通过光栅光谱仪和CCD进行采集。实验考察了DP-LIBS积分延时、激光脉冲间隔等参数对LIBS信号的影响。研究结果表明Cu元素双脉冲激发时的等离子体特征谱线发射强度是单脉冲激发时特征谱线发射强度的2倍左右,信噪比约为3.3倍,当两束激光脉冲间隔2~3μs时,谱线发射强度有最大增强,最后由定标曲线拟合结果得到Cu元素在双脉冲检测限为9.87 mg/L,比单脉冲LIBS提高了约6倍,实验结果为双脉冲LIBS技术应用于水体中重金属快速检测提供了依据。     

AlCl_3水溶液和混合溶液中Al元素的双脉冲激光诱导击穿光谱

利用自建的液相射流和双脉冲激光诱导击穿光谱技术(LIBS)实验装置,测定了AlCl3水溶液和混合溶液中Al元素的单脉冲和双脉冲激光诱导击穿光谱,给出了单、双脉冲下的最优LIBS实验参数,在最优化实验条件下,得到AlCl3水溶液和混合溶液中Al元素质量分数的单、双脉冲LIBS检测限分别为26.79×10-6、28.85×10-6和11.93×10-6、14.46×10-6,双脉冲LIBS检测灵敏度比单脉冲明显提高。     

土壤中铅元素的激光诱导击穿光谱测量分析

利用Nd∶YAG脉冲激光器(波长:1064 nm)作光源,以高分辨率、宽光谱段的中阶梯光栅光谱仪和ICCD为谱线分离与探测器件,测量并分析土壤中铅元素的激光诱导击穿光谱(LIBS)特性。以铅的(Pb:405.78 nm)特征谱线作为分析线,测定不同铅浓度下的特征谱线强度。结果表明铅的质量分数在40×10-6~1350×10-6范围内,谱线强度随浓度的增加而增加。给出铅元素的定标曲线,并计算得到铅元素的检测限约为25.82×10-6质量分数。LIBS测量值与X射线荧光光谱(XRF)测量值的相对误差最大值为8%。     

激光诱导击穿钢液等离子体有效信号提取研究

将激光诱导击穿光谱技术应用于高温熔融钢液的直接检测.搭建了适应高温辐射环境下的激光诱导击穿光谱实验系统,用电感熔炉模拟炼钢现场,得到了高温熔融钢液在175～1050nm波段范围内的光谱全图,合理选取了Si元素和Mn元素的分析谱线,通过计算,对比分析了Si元素和Mn元素谱线信噪比随延迟时间的演化曲线.实验结果表明,通过选取合适的分析谱线及延迟时间,可以减少强烈的高温辐射及丰富的Fe元素谱线的干扰,并有利于实现钢液中激光诱导击穿光谱方法的多元素同时检测.     

基于菲涅耳透镜和法布里-珀罗干涉仪的飞秒激光光丝NaCl气溶胶荧光光谱探测

设计并制备了口径为20 mm的法布里-珀罗干涉仪，该干涉仪在632.8 nm处的光谱分辨率为0.5 nm，自由光谱范围为9.0 nm。将口径为1.1 m的低成本菲涅耳透镜用作集光元件，使用自行搭建的法布里-珀罗干涉仪和工业电荷耦合器件(CCD)相机成功探测到30 m外平均功率为0.7 mW的汞灯光谱，实现了μlx量级的弱光光谱探测。采用增强型互补金属氧化物半导体(ICMOS)相机，可在10 m外检测到飞秒激光光丝诱导的质量分数为13×10^-6的NaCl气溶胶的时间分辨荧光光谱。建立的基于菲涅耳透镜和法布里-珀罗干涉仪的光谱测量装置在空气污染物和有害物质远程检测中具有广阔的应用前景。     

对偏振反应灵敏的相干反斯托克斯喇曼光谱学

我们证明，由于采用偏振的相干反斯托克斯喇曼光谱学，弱喇曼模的接收灵敏度得到极大的提高。共振非线性极化率的实部、虛部和绝对值谱能够分别予以测量。截面低至苯992厘米^-1、模2×10^-4倍的喇曼模用小于10千瓦峰值功率的激光器即可检测到。     

激光诱导荧光实验系统设计及其对叶绿素a的检测研究

叶绿素a不仅是植物光合作用的重要物质,而且水质中叶绿素a的含量也是衡量水体富营养化程度的重要依据。而激光诱导荧光(Laser Induced Fluorescence, LIF)技术以检测灵敏度高、检测速度快被广泛应用到各个领域。为此,搭建了一款基于激光诱导荧光技术的检测系统,该系统以355 nm激光为光源,在无水乙醇中检测叶绿素a样品时可以发现在671 nm处有明显的荧光特征峰。利用RBF神经网络和BP神经网络对采集到的光谱数据进行建模和分析。所建立的RBF神经网络模型预测所得到的相对误差为2.966 8×10^-9,决定系数为0.937 71,平均回收率为94.103%。所建立的BP神经网络模型预测得到的相对误差为1.581 1×10^-9,决定系数为0.987 56,平均回收率为100.883%。结果表明,BP神经网络预测的各项指标优于RBF神经网络预测的各项指标。     

利用LIBS技术对电烙铁的烟雾进行在线分析

为了研究电烙铁工作时焊接含铅锡线产生的烟雾对局域空气的污染, 设计了一套基于激光诱导击穿光谱技术(LIBS)的实验系统, 对电烙铁焊接含铅锡线的烟雾进行在线分析, 在烟雾的光谱中发现了重金属元素铅的特征谱线。使用元素内标法对铅元素进行定量分析, 通过分析铅元素的等离子体温度与电子数密度的相关特性, 验证了实验所得光谱的有效性。结果表明, 通过拟合曲线获得铅元素的检出限为19.35×10-5; 对比传统化学的化验方法, 基于激光诱导击穿光谱的电烙铁焊接锡线的场景检测实验系统和方法具有在线、原位、快速的优越性。该研究对解决电烙铁工作时室内空气的污染, 减轻对使用者健康造成的危害是有帮助的。     

基于单个槽波导微环谐振器法诺共振的折射率传感

法诺线型的不对称和窄线宽特性有利于实现具有高传感灵敏度和低可探测极限的折射率传感。采用三维时域有限差分法,基于槽波导设计了微环谐振器和法布里-珀罗腔的耦合结构,实现了法诺线型谱线,并利用其提升折射率传感器的性能。不同于已报道的多微环级联等复杂结构,基于单个槽波导微环实现了法诺线型谱线,并在波长探测传感方案下得到传感灵敏度为500 nm/RIU,可探测极限为4.00×10^-5 RIU;在强度探测传感方案下,传感灵敏度为7.24×10⁴ dB/RIU,可探测极限为5.52×10^-6 RIU。     

连续波腔衰荡吸收光谱技术中的模式匹配研究

对比了波长调制和腔长调制两种方式实现模式匹配的性能特点,通过测量空腔衰荡时间并进行Allan方差分析,得到两种调制方式的衰荡时间分别为（5.239±0.077）μs和（5.252±0.058）μs,该系统的吸收系数检测限为10^-10量级。对于甲烷气体浓度,通过步进式改变入射激光的波长,描绘了甲烷气体的吸收谱线,其检测限可达10^-9量级。利用波长调制和腔长调制方式得到环境中甲烷气体的浓度分别为1.868×10^-6和1.870×10^-6。实验结果表明,虽然波长调制和腔长调制均能实现模式匹配,完成痕量甲烷气体的测量,但是通过对比可知：腔长调制方式具有更高的测量精度和更低的浓度检测限;波长调制方式发挥了可调谐激光器的优势,结构相对简单,无需压电陶瓷等附加的机械结构。因此,在实际应用中可根据需求在测量性能和装置复杂度及成本之间进行取舍。     

LIBS对钢液中多元素同时辨识优化方法研究

激光诱导击穿光谱技术具有多元素同时检测的优点,基于钢液成分比较复杂,这一技术越来越多的应用于冶金行业。如果检测到某元素的特征谱线,即可以定性判断激发样品内存在该元素;但因为光谱检测仪器、激发条件与元素探测浓度极限的影响,某元素的谱线在光谱中不存在,并不能说明该元素在激发样品中就不存在,为提高钢液中多元素同时测量的精密度和灵敏度的研究,提出了将数理统计的多元统计分析与激光诱导击穿光谱技术定性分析相结合的优化方法。利用多元中心极限定理,无论总体分布如何,许多多元统计量的分布是近似正态的,选取多元素的若干特征谱线,建立多元素同时辨识的模型与方法,通过实验验证了此方法的可行性。     

基于激光诱导击穿光谱技术的金属基体辅助测量研究

为了降低土壤中基体效应对激光诱导击穿光谱技 术(Laser-induced breakdown spec troscopy,LIBS)定量分析的影响,采用了Cu、Al、Zn三种金属作为基体辅助LIBS检测土壤 中的重金属元素。以Cd I 288.08 nm为特征谱线进行定量分析,得到 了三种金属基体的原子 谱线图,计算出等离子体特征参数。相比于压片条件,在三种金属基体辅助条件下的谱线强 度均有明显的增强,定标曲线拟合系数R²都在0.97以 上,且相对标准偏差RSD低于7%。实验 结果表明采用金属基体辅助LIBS检测的方法,提高了LIBS在土壤重金属检测的灵敏度,这对 土壤中重金属元素的检测具有重要意义。     

以滤纸为基质利用LIBS定量分析水溶液中铅元素

为了提高激光诱导击穿光谱(LIBS)技术检测水溶液的灵敏度和重复性,利用激光诱导击穿光谱对水溶液中Pb元素进行检测分析。采用滤纸作为固体基质,选取Mn作为Pb的内标元素,将配置好的不同浓度的Pb溶液滴入滤纸中,比较采用内标法与无内标法定标的分析结果,表明选取Mn作为Pb的内标元素的定标曲线拟合相关系数R2达到0.998,检测限与实际测量值的相对误差较小。通过对实验系统的探测延时、门宽等参数的优化,在更低的激发能量下,经线性拟合计算得到Pb元素的检测限为3.87mg/L质量浓度,与以往实验中利用喷流方式检测相比,检测灵敏度提高了大约10倍,而且与同类方法比较检测限也相对较低。该实验系统样品处理简单,节省检测时间,为LIBS应用到现场快速检测重金属元素提供了一种较为实际的方法。     

用红外激光吸收光谱学进行同位素分析

研究了用红外激光光谱学作为测量低丰度的稳定和放射性同位素的技术的可能性。提出了对于两种激光系统的理论考虑和初步实验结果：(1) CO2激光器的发射线和13C替代的乙烯的吸收线的一致可用来测定C2H4的13C浓度。（2)在CO2的旋-振带的4.3微米光谱区内发射的可调谐PbS二极管激光器可用来测定CO2的小样品中12C，13C, 16O，17O和18O的丰度。在性能最佳化时，高达10^-9~10^-19,的灵敏度看来是可能的，对于较高的丰度，精度为10^-3。这就可以进行地球物理同位素研究，而且这种技术有希望最终可用来测量长寿命放射性同位素的放射性。     

远紫外电离层高光谱成像仪杂散光抑制研究

电离层空间环境复杂，紫外波段辐射能量微弱，如何抑制远紫外高光谱成像仪杂散光是研究远紫外电离层高光谱载荷的重要环节。依据系统技术要求，给出单超环面光栅型高光谱成像仪杂散光抑制方法，首先分析杂散光的主要来源和传播路径，利用UG软件设计消杂光结构，使用LightTools软件仿真不同视场和不同光栅衍射级次下接收面的能量响应，评估杂散光抑制效果。结果表明：视场外杂散光能量和视场内光线能量量级相差10^-5～10^-7，光栅非工作衍射级次光线能量和工作级次能量量级相差10^-6～10^-8，中心波长处光谱杂光系数为0.9975%，所提方法满足空间远紫外高光谱遥感指标要求。     

国产金刚石实现峰值功率MW的拉曼激光输出

<正>金刚石晶体作为自然界最坚硬的物质，不但其化学性质稳定，且具有极宽的光谱透过范围(>0.23μm)、超高的热导率(>2000 W·m^-1·K^-1)和低热膨胀系数(～1.1×10^-6 K^-1)等优异的光学性能和热物性。结合金刚石晶体高的拉曼增益系数(～10 cm/GW@1μm)和大的拉曼频移(1332.3 cm^-1)等突出的非线性光学特性，金刚石晶体在产生高功率特殊波长激光方面具有巨大的优势。     

基于TDLAS-WMS的甲烷泄漏遥测系统研制

针对甲烷气体泄漏高精度、非接触和远距离探测的需求，提出一种基于TDLAS-WMS的甲烷泄漏遥测系统。该系统采用高级精简指令集机器(ARM)和现场可编程门阵列(FPGA)双核架构，FPGA实现数字锁相解调提取一次谐波(1f)和二次谐波(2f)信号，ARM通过串行外设接口(SPI)实时接收FPGA解调的1f、2f信号并传送至Labview进行谐波信号分析和甲烷浓度在线解调。通过2f/1f信号处理技术消除光强与靶标反射系数的变化对系统测量结果的影响。研究同等实验条件下0～90 m范围内谐波信号与探测距离的关系，结果表明，2f/1f信号处理技术对噪声抑制效果显著。测量不同积分浓度的谐波信号，采用最小二乘法对2f/1f和气体积分浓度数据进行线性拟合，获得系统标定线性度，为0.9966。对系统误差进行实验测量和分析，在0～2000×10^-6 m范围内，系统测量最大相对误差为-3.66%，最小为-0.23%。利用1500×10^-6 m甲烷浓度的二次谐波信号评估系统的检测下限为70.5×10^-6 m。结果表明，设计和研制的甲烷泄漏遥测系...