光波复振幅中相位信息的恢复是科学与工程领域的重要研究热点之一。相位携带了光传播中的重要信息，对成像与智能感知技术的发展有着重要的意义。相位恢复波前重构技术通过优化算法和设计特定成像装置，从光电探测器采集的强度信息中恢复出难以被直接感知的相位信息，是探测微观和宏观世界的重要技术手段之一，已广泛应用于生物显微、工业检测和天文观测等领域。概述基于干涉和非干涉的波前重构技术及其应用，梳理相位恢复波前重构算法的基本原理和发展历程，对常见相位恢复技术手段如交替投影相位恢复算法、基于调制约束和基于深度学习的相位恢复波前重构技术等进行初步的探讨。针对相位恢复波前重构技术的未来发展提出若干可能的研究方向，包括相位恢复算法的进一步优化、新型系统和器件的开发等。
相位恢复 波前重构 计算成像 深度学习 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211001
1 南京信息工程大学江苏省大气海洋光电探测重点实验室, 江苏 南京 210044
3 新疆师范大学物理与电子工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830054
作为现代农业的重要工具, 农药凭借其高效的灭病虫害能力在农业生产中应用广泛, 然而其灭杀虫害的同时对大气环境和人体健康等方面也会造成危害。 使用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对农药的气溶胶喷雾进行了在线探测, 研究了使用LIBS技术对农药使用过程的实时监测。 首先检测了清洁环境下的空气LIBS光谱, 在空气的光谱中探测到大量的氮(N)、 氧(O)原子发射谱, 这个结果与空气成分是相吻合的; 同时还观察到了氢(H)的两条巴尔默系原子谱线, 这主要是来源于空气中的水蒸气。 值得注意的是, 在空气谱中还发现了两条氩(Ar)的原子谱线, 这也表明LIBS技术在微量元素检测方面有着重大潜力。 选用农药敌杀死作为研究对象, 对其有效成分溴氰菊酯(C22H19Br2NO3, CAS: 52918-63-5)进行了LIBS检测。 在溴氰菊酯的LIBS光谱中观察到了卤素元素溴(Br)的存在, 标记出了两条Br的原子发射谱线(827.294和833.470 nm)。 对农药样品进行探测时也发现了包括CN分子发射谱与C2分子发射谱等大量空气光谱中没有检测到的特征谱线; 同时还检测到了空气谱中没有观测到的元素纳(Na)以及钙(Ca); 尤其是Ca, 农药中不仅仅检测出了Ca的存在, 而且相比于溴氰菊酯光谱中Ca谱线的能量以及数量都有着非常明显的上升。 最后, 实验中对CN分子的温度进行了研究; 拟合得到溴氰菊酯与农药的CN分子的振动温度分别为8 800和6 200 K, 转动温度分别为8 600和5 500 K。 以上结果表明了使用LIBS技术对农药的在线监测是可行的, 是有发展前景的。
激光诱导击穿光谱 农药 敌杀死 溴氰菊酯 Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) Pesticide Decis Deltamethrin 光谱学与光谱分析
2022, 42(6): 1711
1 南京信息工程大学江苏省大气海洋光电探测重点实验室, 江苏 南京 210044
3 新疆师范大学物理与电子工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830054
作为一种主要的大气污染物, 挥发性有机物(VOCs)因其对大气环境极强的破坏性和生理毒性而受到广泛的关注, 在线探测大气中挥发性有机物是一个极具挑战性的工作。 将激光诱导击穿光谱(LIBS)与Raman光谱相结合, 分别从原子发射光谱及分子结构信息角度对挥发性有机物进行了分析。 在线原位检测得到的LIBS光谱观测到了Br元素特征谱线及N, O和H等空气所含元素特征谱线。 实验成功探测到了挥发在空气中的邻氟溴苯, 对于大气中溴的探测及其相关反应机理研究提供了支持。 对于高能激光作用下产生的CN和C2自由基分子, 具体分析了二者产生机理。 激光脉冲使空气中的氮气和邻氟溴苯的苯电离分解, 邻氟溴苯中的碳原子与空气中的氮发生反应, 会形成高温的等离子体, 其中的碳氮原子再重新自由组合从而形成CN自由基并自发辐射, 通过光谱仪可采集到该自由基的自发辐射的分子谱。 待测样品邻氟溴苯分子含有苯环, 分子中存在多个碳原子。 在强激光作用下邻氟溴苯分子发生光解离, 易于形成C2自由基分子, 并辐射产生C2自由基光谱。 实验验证了C2自由基来自于邻氟溴苯样品里的苯环基团。 为增加对挥发性有机物分子结构信息的了解, Raman光谱在线探测的引入很有必要。 在样品Raman光谱实验结果的基础上, 结合了密度泛函理论(DFT)对其振动模式及分布进行了计算拟合, 对其振动产生的特征峰进行了标定并获得了其特征光谱指纹。 强度较高的4个峰(310, 833, 1 036和1 244 cm-1)是C—Br键及C—F键振动表征, 特别是前二者(310和833 cm-1)显示存在溴、 氟原子位移, 可作为该分子的特征光谱指纹对其进行识别。 实验证明, LIBS与Raman光谱相结合应用至VOCs的在线探测具有很好的效果, 对相关探测工作具有重要参考价值。
激光诱导击穿光谱 拉曼光谱 挥发性有机物 Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) Raman spectroscopy Volatile organic compounds 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2729
焚烧秸秆对大气环境具有很大的危害, 燃烧过程中重金属元素会随着烟尘飘散到空气中, 严重污染大气环境, 探测随秸秆燃烧烟尘扩散到空气中的重金属元素具有重要意义。 采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对秸秆燃烧烟尘进行原位在线探测, 对其中的重金属元素进行在线分析。 实验仪器由Nd:YAG单脉冲激光器(波长1 064 nm, 激光能量为290 mJ·pulse-1, 重复频率10 Hz), Avantes光谱仪(AvasSpec-ULS2048-4Channel-usb2.0, 光谱检测范围200~890 nm, 分辨率0.13 nm)、 反射镜、 聚焦透镜(焦距为150 mm)、 时序发生器组成, 光谱仪的延迟时间设定为6 μs。 激光器发射出的激光经反射镜与聚焦透镜聚集到烟尘中, 并产生高温等离子体, 经光谱仪采集信号获得LIBS光谱。 实验样品为华东地区成熟水稻茎叶。 首先对空气进行LIBS探测, 可以从光谱图中观察到N, O, Hα和Hβ等元素, 同一实验条件下再对烟尘进行LIBS探测并得到光谱图, 观察到秸秆燃烧产生的烟尘中含有C, Mg, Ca, Mn, Na和K等元素, 其中Mn为重金属元素, 验证了LIBS探测秸秆燃烧烟尘中重金属元素的可行性。 在烟尘光谱图中同时观察到CN分子(自由基)谱线的存在, 秸秆燃烧过程中产生的CO2分子在激光的辐射下与空气中的N2发生反应生成CN分子(自由基), 在同一条件下对激光焦点进行人工吹气, 得到的光谱图中同样探测到了CN分子谱线。 利用LIFEBASE软件拟合烟尘中的CN分子谱线, 获得拟合数据, 同时得到CN分子的振动温度为8 000 K, 转动温度为7 700 K。 制备含铅的秸秆样品, 将相同质量的两份样品分别浸泡在不同浓度的乙酸铅溶液中, 并进行烘干处理。 对两种样品进行LIBS探测并得到光谱图, 通过对比含铅秸秆样品与原始秸秆样品, 含铅秸秆样品的光谱图中多出波长为357.261, 363.898, 368.370, 373.945和405.747 nm的五条谱线, 与NIST数据库对比发现五条谱线都为铅元素的光谱线。 以CaⅡ(393.329 nm)谱线为参考线对含铅样品的光谱图进行归一化处理, 观察到含铅浓度高的样品光谱图中铅的特征峰值强度比含铅浓度低的样品光谱图中铅的特征峰值强度高, 验证了激光诱导击穿光谱技术对秸秆燃烧烟尘中重金属元素的半定量分析的可行性。
激光诱导击穿光谱 秸秆燃烧 重金属 元素分析 Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) Straw burning Heavy metal Elemental analysis 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 3292
1 江苏省大气海洋光电探测重点实验室（南京信息工程大学）, 江苏 南京 210044
2 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 江苏 南京 210044
3 Advanced Technology Core, Baylor College of Medicine, Houston, TX 77030, USA
煤灰的成分指的是煤中矿物质的完全燃烧, 产生各种金属和非金属氧化物和盐, 这是使用煤时的重要参数。 煤被广泛用于生产和人民生活, 作为重要的能源物质。 大量来自燃煤燃烧的煤尘（煤灰）被释放到大气中并与大气中的各种物质相互作用而形成雾霾。 煤灰中的金属氧化物和空气中的小液滴之间发生一系列物理化学反应, 这导致了雾霾的形成。 在实验中, 采用激光诱导击穿光谱（LIBS）分析煤灰中的元素。 实验样品由某钢铁公司提供, 分为七个样品, 并标上序号。 样品分别加入蒸馏水和0.1‰, 0.2‰, 0.2％, 0.4％, 0.8％, 1％硫酸锌溶液, 分别用1～7号标记。 为了获得更好的LIBS信号, 样品被研磨为粉末状, 并使用蒸馏水使硫酸锌与煤灰充分混合。 通过使用压片机将煤灰压制成10 mm直径和10 mm厚的煤灰块。 为获得准确的元素结果, X射线荧光光谱也被用作参考, 并且原始样品不含锌元素。 由于光谱分析和波长漂移现象的不确定性, 因此实验中, 分别选择了铁, 钙, 钛和铝四种高纯单质。 在相同的实验条件下, 将四条测量的元素谱线与NIST原子光谱数据库中相应的谱图比较。 实验中的所有光谱根据波长差或偏移进行校正。 此时, 纯单质的元素谱线可以与样品的光谱对齐。 当元素谱中的特征线与样品中的谱线对齐时, 样品就可以被识别和确认。 由于铝元素与目标元素具有相似的化学和物理性质, 铝元素是煤灰和地壳中的主要元素之一, 具有中等的光谱强度。 因此将铝元素作为内标元素, 运用内标校准方法来确定样品中锌的浓度。 模拟含锌大气气溶胶是通过向煤灰中添加含锌元素来实现的。 还有一些其他的金属元素, 包括铁, 钙, 锰, 钛和铝也被用来加入煤灰中, 用以模拟大气气溶胶。 两种方法的相对差异分别为1.78％, 3.39％, 5.17％, 0.20％。 造成差异的原因可能是由于光谱仪缺乏分辨率或背景噪声的影响, 这是可能导致测量误差的原因之一。 由于实验室条件的限制, 无法确定基底是否会影响实验结果, 这将在未来的实验中得到进一步的证实。 实验拟合曲线测得煤灰中锌的线性相关系数为0.995 72, 这表明可以通过粗略估算锌的激光强度来估计煤灰中的锌含量的实现。 实验结果证明LIBS技术可用于煤灰中金属元素的快速检测, 为基于锌含量的大气环境检测提供了一种新方法。 在建立元素的校准曲线后, LIBS技术将来可以用来进行更快速, 更准确的定量分析。
激光诱导击穿光谱 煤灰 重金属 锌 气溶胶 定量分析 Laser-induced breakdown spectroscopy Coal ash Metal Zinc Aerosols Quantitative analysis 光谱学与光谱分析
2019, 39(6): 1980
1 江苏省大气海洋光电探测重点实验室(南京信息工程大学), 南京 210044
2 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 江苏 南京 210044
3 Advanced Technology Core, Baylor College of Medicine, 德克萨斯 休斯顿 77030, USA
大气颗粒物中的重金属对人体健康具有巨大危害,对其中的重金属元素进行快速检测具有重要意义。利用激光诱导击穿光谱技术对大气颗粒物样品中的重金属元素进行快速分析,结果显示在大气颗粒物样品中含有Na、Al、Si、Cu、Mg、Fe等元素。以Ca元素为参考元素,采用内标法对大气颗粒物中的Pb元素进行定量分析,通过拟合得到定标曲线,计算出Pb元素的检出限为34.3×10
-6。分析了Pb元素的等离子体温度、电子数密度等相关特性。实验结果验证了LIBS技术用于大气颗粒物中重金属元素定性与定量分析的可行性,为监测大气颗粒物重金属污染提供了实验依据。
光谱学 激光诱导击穿光谱 大气光学 颗粒物 重金属 定量分析 激光与光电子学进展
2018, 55(12): 123002
1 江苏省大气海洋光电探测重点实验室(南京信息工程大学), 江苏 南京 210044
2 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 江苏 南京 210044
3 中南民族大学电子信息工程学院, 湖北 武汉 430074
激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy)作为一种极具前景的分析和测量技术应用日益广泛。 对四种香(艾草香、 藏香、 檀香、 沉香)样品进行了激光等离子体光谱测量和分析, 得到了样品中元素的成分; 并且对四种香样品中的Cu, Mn, Ca和Fe四种金属元素典型谱线的强度进行了统计分析和元素含量的对比。 基于等离子体的局域热动力学的平衡模型, 计算了Ca元素的等离子体温度。 实验结果为采用激光诱导击穿光谱对香品成分进行快速检测和分析的可行性提供了依据。
激光诱导击穿光谱 快速检测 元素分析 等离子体 Laser-induced breakdown spectroscopy Rapid determination Elemental analysis Plasma 光谱学与光谱分析
2018, 38(9): 2957
1 南京信息工程大学江苏省大气海洋光电探测重点实验室, 江苏 南京 210044
2 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 江苏 南京 210044
3 中国科学院近代物理研究所, 甘肃 兰州 730000
4 河南师范大学物理与材料科学学院, 河南 新乡 453007
采用密度泛函理论的BPV86方法, 在6-311G++(d, p)基组水平上优化了不同外电场(0～0080 au)下氧化锌分子的基态稳定构型, 在此基础上利用同样的方法计算了氧化锌分子的分子结构、 偶极矩、 总能量、 能隙以及红外光谱和紫外-可见吸收光谱强度。 结果表明, 在外电场的作用下, 分子结构变化明显, 与电场呈现强烈的依赖关系。 随着正向外加电场的增加, ZnO分子键长一直在增大, 电偶极距也是一直增大, 分子总能量不断减小, 分子能隙不断减小, 红外光谱吸收峰出现红移现象。 随着外电场的加强, 分子紫外可见吸收光谱振子强度先增大后减小再增大再减小反复变化, 其波峰则出现蓝移现象。
辐射场 光谱 激发特性 Zinc oxide ZnO Radiation field Spectrum Excited character 光谱学与光谱分析
2018, 38(5): 1348
