1 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
2 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，安徽 合肥 230031
针对我国多行业水分检测需求，近红外光谱法虽具备非接触测量优势，但现有设备普遍存在体积大、功耗高、光信号调制困难等问题，且核心技术仍受国外垄断。本文提出了一种以1450 nm为检测波段、1200 nm为参比波段的LED作为测量光源的检测方案，通过非分散红外技术研制了一种便携式近红外水分检测仪，并针对农作物进行了相关梯度的水分检测实验。实验结果表明，该仪器对农作物麦仁的含水率测试表现较好，水分含量区分度高，且仪器工作稳定。同时仪器响应速度快，光源频率调制方便，进一步优化后可广泛应用于无损、实时在线水分检测领域。
非分散红外 水分检测 LED光源 便携式 non-dispersive infrared moisture detection LED light source portable type
Author Affiliations
Abstract
1 Guangdong Key Laboratory for Biomedical Measurements and Ultrasound Imaging, National-Regional Key Technology Engineering Laboratory for Medical Ultrasound, School of Biomedical Engineering, Shenzhen University Medical School, Shenzhen 518060, China
2 Key Laboratory of Opto-electronic Information Science and Technology of Jiangxi Province, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China
3 College of Physics and Optoelectronics Engineering, Key Laboratory of Optoelectronic Devices and Systems of Ministry of Education and Guangdong Province, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China
4 Department of Bioengineering and COMSET, Clemson University, Clemson SC 29634, US
Wide-field linear structured illumination microscopy (LSIM) extends resolution beyond the diffraction limit by moving unresolvable high-frequency information into the passband of the microscopy in the form of moiré fringes. However, due to the diffraction limit, the spatial frequency of the structured illumination pattern cannot be larger than the microscopy cutoff frequency, which results in a twofold resolution improvement over wide-field microscopes. This Letter presents a novel approach in point-scanning LSIM, aimed at achieving higher-resolution improvement by combining stimulated emission depletion (STED) with point-scanning structured illumination microscopy (psSIM) (STED-psSIM). The according structured illumination pattern whose frequency exceeds the microscopy cutoff frequency is produced by scanning the focus of the sinusoidally modulated excitation beam of STED microscopy. The experimental results showed a 1.58-fold resolution improvement over conventional STED microscopy with the same depletion laser power.
stimulated emission depletion structured illumination microscopy superresolution microscopy Chinese Optics Letters
2024, 22(3): 031701
1 安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽芜湖 241002
2 中国科学院合肥物质科学研究院，安徽合肥 230031
二氧化碳（carbon dioxide, CO2）浓度监测是实现碳达峰、碳中和的重要基础，非分散红外（non-dispersive infrared, NDIR）检测技术作为温室气体测量领域应用最为广泛的技术之一，如何有效抑制温度漂移、确保长期监测数据的稳定性和可靠性是研究重点。实验表明，光源光功率、气体吸收线强、滤光片中心波长等容易受到环境温度影响。文中提出一种红外气体检测的温度补偿方法，研制了用于大气二氧化碳浓度红外检测的分析仪。选取以 4.26.m为中心波长的 CO2气体吸收线；利用高低温试验箱，对分析仪进行温度补偿实验研究；配置标准 CO2气体浓度，对分析仪进行浓度标定实验研究。测量结果表明，红外 CO2气体分析仪浓度测量稳定，温度补偿显著，具有快速响应、应用范围广等优点。该红外 CO2气体分析仪为陆地生态系统碳收支监测等领域提供可靠数据支撑。
二氧化碳 非分散红外 温度补偿 浓度标定 carbon dioxide non-dispersive infrared temperature compensation concentration calibration
1 安徽师范大学物理与电子信息学院, 安徽 芜湖 241002
2 中国科学院安徽光学精密器械研究所, 安徽 合肥 230031
在我国碳达峰、碳中和的政策背景下, 对植被碳吸收过程中硫化碳(COS)和二氧化碳(CO2)进行高精度长时间在线监测具有重要的社会意义和市场价值。针对植被碳吸收气体可调谐半导体激光吸收光谱术(TDLAS)检测需要, 基于TDLAS长程吸收池设计了一种用于植被碳吸收气体TDLAS检测的气压控制系统。该系统采用STM32作为主控, 使用气压传感器采集长程吸收池内实际气压, 气体比例阀和真空气泵作为执行器件, 在实现长程吸收池内气体置换的同时保证低压稳定, 同时采用缓冲气室和隔离阀以减小真空气泵的冲击造成的干扰。经过气体梯度控制测试和野外长时间稳定性测试后, 该系统工作稳定、控制精度高、可适应野外环境, 可以满足植被碳吸收气体TDLAS检测的需求, 同样适用于其他基于长程吸收池的检测系统中。
气体比例阀 气压控制 COS COS CO2 CO2 TDLAS TDLAS gas proportional valve air pressure control
1 安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽 芜湖241002
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥230031
二氧化碳(CO2)是温室气体的重要组分之一，实时检测其浓度变化对缓解温室效应等方面具有非常重要的意义。非分散红外(Non-dispersion infrared, NDIR)法具有稳定性好、响应速度快、测量范围宽等优点，广泛应用于便携式气体检测等领域。首先分析了NDIR法应用在CO2检测领域的优点，并对NDIR检测原理进行了简单的概述。然后对NDIR气体分析仪的基本结构进行了详细阐述，并对测量系统的经典气体标定方法进行了综述。最后综合分析了NDIR的特点，并展望了未来的发展趋势。
二氧化碳 非分散红外 气体检测 气体标定 carbon dioxide non-dispersion infrared gas detection gas calibration
深圳大学物理与光电工程学院, 光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室, 广东 深圳 518060
二次谐波产生(SHG)成像技术是一种针对非中心对称生物组织的免标记成像技术,已经成为生命科学研究的重要手段。衍射极限使得SHG技术无法分辨衍射极限以下的精细结构。虽然超分辨显微技术取得了突破性进展,但是SHG的相干非线性过程限制了SHG超分辨显微技术的发展。提出了一种点扫描结构光照明SHG超分辨显微(SHG-psSIM)技术,实现了氧化锌颗粒和小鼠尾腱的超分辨SHG显微成像。在传统的SHG显微系统的激发光路中引入电光调制器,通过对激发光正弦调制产生点扫描结构照明图案。基于点扫描结构照明图案与样本结构相互作用产生的莫尔条纹效应,将原本不可探测的样本高频信息搬移到显微镜通频带内,并利用光电倍增管探测。最后,利用软件重构出超分辨率图像。对比传统SHG系统,SHG-psSIM分辨率提高了1.86倍。
显微 二次谐波产生 二次谐波产生显微 结构光照明显微 超分辨显微 光学学报
2022, 42(10): 1018001
1 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所高超声速冲压发动机技术重点实验室, 四川 绵阳 621000
2 浙江大学热能工程研究所能源清洁利用国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
基于光线轨迹跟踪,提出一类内表面保形、外表面修正,且双侧窗口对称的异形面光学窗口设计方法,设计了异形面光学窗口。搭建异形面光学窗口实验系统,研究了通过光学窗口观测到的流场图像畸变特性及其修正方法,提出了二阶多项式成像畸变的修正模型,并对畸变图像进行修正。结果表明:平行光经过异形面光学窗口后有明显的偏折,导致亮度分布不均匀,存在亮带和暗斑;同时,使棋盘格标定板的图像发生平移、缩放和旋转,不同位置处的畸变特征不同。构建畸变图像修正模型,对畸变图像进行修正,修正后的图像与原图像基本重合,各角点坐标差值小于1 pixel(7.4 μm),说明修正模型具有较高的精度。异形面光学窗口的设计及修正模型的发展有助于获得精确的内转式进气道异形曲面的流道内部流场结构和流动特性。
图像处理 内转式进气道 异形面光学窗口 成像畸变 标定板 光学学报
2019, 39(12): 1211004
中国科学院安徽光学精密机械研究所, 大气物理化学研究室, 安徽 合肥 230031
窄线宽稳频激光器在工业生产控制中具有广泛的应用, 但自由运转的半导体激光器的频率漂移限制了激光器的使用。 为稳定半导体激光器的频率, 提出了一种基于二次谐波吸收特性来实现窄线宽二极管激光器的稳频新方法, 利用1.396 μm的DFB二极管激光器测量水汽的二次谐波信号来实现激光的稳频, 实验结果表明在100 h内激光器输出波长漂移有效的抑制在±0.16 pm范围内, 激光稳频后, 其吸收峰的位置不随环境温度的变化而漂移。 该方法具有简单、 可靠等优点, 对二极管激光频率的稳定具有广阔的应用前景。
激光光学 稳频 二次谐波 分布反馈激光器 比例微分控制器 Laser optics Frequency stabilization Second harmonic Distributed feedback laser Proportion integral differential controller 光谱学与光谱分析
2019, 39(10): 2989
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, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230031
报道了一套适用于激光外差辐射计的高精度太阳跟踪仪, 为激光外差辐射计提供用以反演大气成分的柱浓度和垂直廓线的太阳光。 太阳跟踪系统采用太阳运行轨迹跟踪与光电跟踪相结合的跟踪方式, 具有精度高、 全时空特点。 测量了该太阳跟踪仪的跟踪精度, X和Y轴方向跟踪精度分别达到0.068°和0.06°, 能够满足激光外差辐射计在大气和天文领域中对太阳光收集的要求。 进而把太阳跟踪仪与实验室研制的激光外差辐射计集合起来, 测量了3.5 μm附近的太阳光谱, 得到了CH4在整层大气中的吸收情况, 为下一步反演整层大气中CH4的柱浓度和垂直廓线奠定了基础。
太阳跟踪系统 激光外差辐射计 柱浓度 垂直廓线 Solar tracker Laser heterodyne radiometer Column concentration Vertical profile 光谱学与光谱分析
2017, 37(11): 3626
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, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230031
乙炔气体作为判断变压器运行状态的一种故障气体, 其浓度的高低反映了变压器的运行状况, 因此对其浓度的探测在变压器的维护中具有重要意义。 为了准确探测变压器运行过程中产生的乙炔气体浓度, 为变压器的维护提供技术参数, 针对基于DFB激光器的共振型光声光谱技术痕量乙炔气体检测技术开展研究, 对传统的光声光谱探测系统进行改进。 根据光声光谱技术的理论可知, 光声信号的强度与入射激光的功率成正比, 所以在光声池的出射窗口采用一个平面反射镜将红外光再次反射到光声池中以增加入射光功率, 增强光声信号强度, 进一步提高了光声系统的探测灵敏度。 通过一定浓度的乙炔气体在不同调制频率和不同调制深度下光声信号强度的变化, 确定光声探测系统的最佳调制频率和最佳调制深度为767 Hz和0.3 mV。 利用不同浓度乙炔气体对系统进行标定, 然后采用最小二乘法对光声信号与气体浓度进行拟合, 二者具有很好的线性度。 通过Allan方差计算可知, 系统在平均时间达到200 s时, 能够达到最低探测极限浓度。 实验表明, 在一个大气压下, 积分时间为10 ms时, 改进后的共振型光声光谱探测系统对乙炔气体的最低探测极限浓度达到了0.3 μL·L-1。 还将小波去噪技术引入到低浓度下乙炔气体的光声信号处理中, 有效消除了低浓度气体光声信号中的噪声, 提高了信噪比。 设计的共振型光声光谱探测系统操作简单, 最低探测浓度符合国标中对变压器维护过程中对乙炔气体的探测需求, 在变压器维护领域具有广阔的应用前景。
光声光谱 小波去噪 气体探测 灵敏度 Photoacoustic Wavelet denosing Gas detection Sensitivity 光谱学与光谱分析
2017, 37(9): 2673
