1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院 科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
4 航天系统部驻绵阳地区军事代表室，四川 绵阳 621000
针对激光传输实验中传输内通道空间狭小、CO2浓度低的特点，结合波长调制TDLAS技术，设计了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的数字锁相放大器，实现锁相放大和数据采集功能一体化，并将其成功应用于低浓度CO2检测中。为解决低浓度CO2吸收微弱、噪声强等问题，设计了高精度ADC模块，电压分辨率可达0.3 mV；基于DDS原理内部产生正余弦参考信号，保证谐波信号单一性，且实现参考信号频率可调节，覆盖范围1~40 kHz；改进了CIC滤波器，并通过降采样级联FIR滤波器的方式，以较少的硬件资源消耗实现窄带低通滤波，积分时间200 μs~20 ms可调；基于CORDIC算法实现平方和开根运算，相较于JPL算法精度更高。为系统更加小型化，基于Qt实现上位机并结合串口通信，使锁相放大器兼具数据采集处理功能。常温常压光程30 m条件下，测量了CO2在2 μm波段的吸收光谱，获得波长调制吸收光谱信噪比为102.6，相较于直接吸收信噪比8.8，提高约11.7倍；设计并开展低浓度CO2标定实验，获取二次谐波信号幅值和CO2浓度之间的线性关系，相关度为0.996；在纯氮气条件下，利用Allan方差评估了系统性能，平均时间为2 s时，系统检测下限1.30 ppm (1 ppm=10−6)，平均时间为180 s时，系统检测下限0.19 ppm；分析了系统响应时间，可在0.5 s内获取气体浓度。实验结果表明，设计的数字锁相放大器具有测量灵敏度高、参数可调节、能够实时处理和小型化的特点，可满足传输内通道中低浓度CO2的检测需求。
数字锁相放大器 激光传输 FPGA TDLAS 数字滤波器 CORDIC算法 digital lock-in amplifier laser transmission FPGA TDLAS digital filter CORDIC algorithm 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230023
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
4 航天系统部驻绵阳某部，四川 绵阳 621000
以2 μm窄线宽分布式反馈（DFB）激光器为光源，搭建了一套新型V形结构离轴积分腔吸收光谱实验装置。利用LightTools光学仿真软件对实验光路进行模拟仿真和优化分析，获得了V形腔内的高反射镜表面光斑分布规律，选择合适的入射角度可很好地提高镜面利用效率，并进一步确定了在V形结构双边对称且单边臂长为25 cm的情况下，腔体最佳夹角为23.06°。根据设计加工腔体并搭建吸收光谱实验装置，使用体积分数为400×10-6的CO2标准气体在4991.258 cm-1处对装置进行了实验研究，标定了高反镜的实际反射率和V形腔的有效光程。通过测量装置的Allan方差评估了实验装置的性能，实验结果表明，当平均时间为375 s时，装置检测限可达0.35×10-6。利用该装置在 4986.9955 cm-1处对室内NH3分子进行测量，获得了NH3的吸收谱线，同时使用Savitzky-Golay算法对光谱数据进行平滑处理，获得了46.06的信噪比，展示了V形结构的离轴积分腔装置优异的弱检测能力，为复杂环境下离轴积分腔装置的搭建提供了新的结构选择。
光谱学 离轴积分腔 V形结构 模拟仿真 NH3检测 Savitzky-Golay平滑 中国激光
2023, 50(19): 1911002
Author Affiliations
Abstract
National Key Laboratory of Shock Wave and Detonation Physics, Institute of Fluid Physics, CAEP, P.O. Box 919-102, Mianyang, Sichuan 621900, People’s Republic of China
Electrides are an emerging class of materials with excess electrons localized in interstices and acting as anionic interstitial quasi-atoms (ISQs). The spatial ion–electron separation means that electrides can be treated physically as ionic crystals, and this unusual behavior leads to extraordinary physical and chemical phenomena. Here, a completely different effect in electrides is predicted. By recognizing the long-range Coulomb interactions between matrix atoms and ISQs that are unique in electrides, a nonanalytic correction to the forces exerted on the matrix atoms is proposed. This correction gives rise to a longitudinal acoustic-transverse acoustic splitting in the acoustic branch of lattice phonons near the zone center, similar to the well-known longitudinal optical–transverse optical splitting in the phonon spectra of ionic compounds. The factors that govern this splitting are investigated, with isotropic fcc-Li and anisotropic hP4-Na as the typical examples. It is found that not all electrides can induce a detectable splitting, and criteria are given for this type of splitting. The present prediction unveils the rich phenomena in electrides and could lead to unprecedented applications.
Matter and Radiation at Extremes
2021, 6(3): 038403
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
从重叠情况严重的混合气体光谱中解析出单一纯光谱数据,一直是光谱解析的难点。为了 得到理想的解混精度,采用改进的非负矩阵分解算法,引入光谱的相关性约束与平滑性约束,并给出优化的梯度下降法的迭代步长, 以避免算法收敛到局部不稳定点带来的影响。改进的算法既综合了矩阵的分解误差,又考虑了混合光谱特性的影响。实验数据表明, 改进的非负矩阵分解得到的解混结果能够准确解析出各源光谱的特征峰形状,并且各解混结果之间几乎没有混合叠加影响部分,可以满 足后续的光谱识别工作。
光谱学 非负矩阵分解 盲源分离 梯度下降法 spectroscopy non-negative matrix factorization blind source separation gradient descent
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽, 合肥 230026
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽, 合肥 230031
以输出波长为1578 nm的分布式反馈半导体激光器作为激发光源,结合波长调制及二次谐波技术对H2S痕量气体进行基于石英增强光声光谱技术(QEPAS)的检测研究。采用有限元分析法对QEPAS中常用的石英音叉进行仿真计算,得到石英音叉的前6阶模态振型与共振频率。实验中,添加了长为4 mm、内径为0.7 mm的声波微共振腔,优化了跨阻放大电路,在最优实验条件下对H2S气体进行检测,检测结果表明,QEPAS系统的二次谐波信号与H2S浓度具有良好的线性关系,获得的探测极限为19.3×10 -6。
光谱学 微量气体检测 波长调制 石英音叉 微共振腔 激光与光电子学进展
2019, 56(21): 213001
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
提出一种根据环境温度变化量补偿红外光谱仪系统输出灰度值的辐射定标方法。首先分析了在辐射定标和测量过程中红外光谱仪系统输出灰度值漂移的原因,推导出漂移变化量和环境温度辐射度变化量的函数关系;然后利用自主研发的非制冷型长波红外光栅光谱仪进行辐射定标实验,确定了实验室辐射定标方程和环境温度改变后通过补偿得到的辐射定标方程;最后通过实验验证了在不同环境温度下利用补偿后的辐射定标方程进行辐射测量的准确性。结果表明:在不同的环境温度下,通过漂移补偿可使光谱仪系统输出灰度值误差明显减小,其误差不超过2.4%,显著提高了非制冷型长波红外光谱仪对红外辐射的测量精度。
探测器 辐射定标 漂移补偿 黑体辐射 长波红外
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥230031
红外光谱仪内部背景辐射在长波红外波段(8~12 μm)影响比较显著, 会严重降低光学系统的分辨率和信噪比。利用TracePro光学分析软件, 对基于交叉非对称Czerny-Turner(C-T)型平板波导红外光谱仪进行了背景辐射分析, 包括机械构件表面发射率以及光学元件表面温度对背景辐射的影响。引入了杂光系数作为评价指标, 根据仿真分析结果, 在高低温箱中, 对该红外光谱仪的背景辐射影响采取抑制措施并进行了实验测量, 实验结果证明: 采取背景辐射抑制措施后, C-T型平板波导光谱仪系统的杂光系数在常温下(298 K)能达到5%以下。
红外光谱仪 平板波导 背景辐射 杂光系数 infrared spectrometer planar waveguide background radiation stray light coefficient 红外与激光工程
2019, 48(8): 0803001
Author Affiliations
Abstract
Institute of Atomic and Molecular Physics, Sichuan University, Chengdu 610065, China
High-pressure solid-state metathesis (HPSSM) reaction is an effective route to novel metal nitrides. A recent advance in HPSSM reactions is presented for a number of examples, including 3d transition metal nitrides (ε-Fe3N, ε-Fe3_xCoxN, CrN, and Co4Nx), 4d transition metal nitrides (MoNx), and 5d transition metal nitrides (Re3N, WNx). Thermodynamic investigations based on density functional theory (DFT) calculations on several typical HPSSM reactions between metal oxides and boron nitride indicate that the pressure could reduce the reaction enthalpy DH. Highpressure confining environment thermodynamically favors an ion-exchange process between metal atom and boron atom, and successfully results in the formation of well-crystalized metal nitrides with potential applications.
High-pressure High-pressure Solid-state metathesis reaction Solid-state metathesis reaction Metal nitrides Metal nitrides Matter and Radiation at Extremes
2018, 3(3): 95
辽宁石油化工大学 理学院, 辽宁 抚顺 113001
单频光纤激光器是光纤通信中最具前途的一种光源, 在光纤传感、激光雷达和激光测距等方面具有重要的应用, 而相位噪声是衡量其性能的关键指标之一。采用示波器和动态信号分析仪方法对单频光纤激光器的相位噪声进行测量。利用功率谱、积分谱对不同泵浦源功率、种子源功率和波长的光纤激光器的相位噪声进行定性分析, 结果表明: 泵浦功率越大, 低频相位噪声所占比重越大; 而对于不同种子源功率, 相位噪声在测试频段的比例基本处于同一水平; 对于测试的不同种子的波长, 相位噪声高频段所占比例不同, 其中种子波长为1 560.48 nm比例最大。
相位噪声 单频光纤激光器 泵浦功率 积分谱 phase noise single frequency fiber laser pump power integral spectrum 红外与激光工程
2017, 46(3): 0305005
