Author Affiliations
Abstract
1 College of Optical and Electronic Technology, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China
2 College of Materials and Chemistry, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China
The pandemic of respiratory diseases enlightened people that monitoring respiration has promising prospects in averting many fatalities by tracking the development of diseases. However, the response speed of current optical fiber sensors is still insufficient to meet the requirements of high-frequency respiratory detection during respiratory failure. Here, a scheme for a fast and stable tachypnea monitor is proposed utilizing a water-soluble C60-Lys ion compound as functional material for the tracking of humidity change in the progression of breath. The polarization of C60-Lys can be tuned by the ambient relative humidity change, and an apparent refractive index alteration can be detected due to the small size effect. In our experiments, C60-Lys is conformally and uniformly deposited on the surface of a tilted fiber Bragg grating (TFBG) to fabricate an ultra-fast-response, high-sensitivity, and long-term stable optical fiber humidity sensor. A relative humidity (RH) detecting sensitivity of 0.080 dB/% RH and the equilibrium response time and recovery time of 1.85 s and 1.58 s are observed, respectively. Also, a linear relation is detected between the resonance intensity of the TFBG and the environment RH. In a practical breath monitoring experiment, the instantaneous response time and recovery time are measured as 40 ms and 41 ms, respectively, during a 1.5 Hz fast breath process. Furthermore, an excellent time stability and high repeatability are exhibited in experiments conducted over a range of 7 days.
humidity sensor fullerene derivative optical fiber sensing tilted fiber Bragg grating nanomaterials Chinese Optics Letters
2024, 22(2): 021201
1 上海理工大学能源与动力工程学院/上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093
2 上海航天动力技术研究所, 上海 201109
火焰燃烧参数能直接反映火焰燃烧状态, 并对燃烧过程进行诊断、 预测和优化。 火焰温度及辐射率是燃烧状态的重要表征参数, 火焰温度及辐射率的准确测量对于建立燃烧模型、 优化燃烧过程和控制污染物排放有着非常重要的意义。 随着数字图像技术与光谱学的发展, 多光谱成像技术逐步应用于火焰燃烧温度及辐射率测量。 针对光谱仪空间分辨率低和RGB彩色相机光谱分辨率低的问题, 多光谱成像技术能获得兼顾空间分辨率及光谱分辨率的火焰光谱图像, 实现火焰温度及辐射率分布测量, 具有高时空分辨率、 响应快速及测温范围宽等优点。 因此, 提出了基于多光谱成像技术的火焰温度及辐射率测量方法, 搭建标准高温黑体辐射实验测量系统, 对多光谱相机665～960 nm波段开展高温黑体辐射响应系数标定实验, 获得多光谱相机25波段光谱响应标定系数, 通过四阶多项式拟合建立多光谱相机各波段下仪器响应值与理论辐射强度之间的关系, 并开展多光谱成像技术测量验证实验, 结果显示温度与辐射率测量的相对偏差分别小于1%与4%。 在此基础上, 以蜡烛火焰为研究对象, 建立了火焰多光谱成像测量系统, 获得了蜡烛火焰多光谱辐射图像, 基于普朗克辐射定律参数拟合方法, 实现了蜡烛火焰温度与辐射率分布测量。 测量结果表明： 火焰竖直平面上火焰中心区温度及辐射率均高于火焰上部和底部; 蜡烛火焰温度测量结果范围约为1 350～2 050 K, 火焰中心区最高温度约为2 050 K; 蜡烛火焰辐射率测量结果范围约为0.04～0.36, 火焰中心区最高辐射率为0.36。 测量结果与蜡烛火焰燃烧过程及辐射特性分布规律一致。
多光谱成像 燃烧诊断 辐射测温法 蜡烛火焰 火焰辐射率分布 Multispectral imaging Combustion diagnostics Radiation temperature measurement Candle flame Flame emissivity distribution 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3644
Author Affiliations
Abstract
1 Suzhou Key Laboratory for Nanophotonic and Nanoelectronic Materials and Its Devices, School of Materials Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China
2 State Key Laboratory of Functional Materials for Informatics, Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China
3 School of Electronic & Information Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China
An AgGeSbTe thin film is proposed as a negative heat-mode resist for dry lithography. It possesses high etching selectivity with the etching rate difference of as high as 62 nm/min in mixed gases. The etched sidewall is steep without the obvious lateral corrosion. The lithographic characteristics and underlying physical mechanisms are analyzed. Besides, results of X-ray diffraction, Raman spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy further indicate that laser irradiation causes the formation of Ge, Sb, and AgTe crystals, which is the basis of etching selectivity. In addition, the etching selectivity of Si to AgGeSbTe resist is as high as 19 at mixed gases, possessing good etching resistance. It is believed that the AgGeSbTe thin film is a promising heat-mode resist for dry lithography.
thin film heat-mode resist lithography Chinese Optics Letters
2022, 20(3): 031601
受激拉曼散射 (SRS) 技术是获得相干辐射、探索分子结构的有力手段。利用 Nd: YAG 532 nm 激光作用于水分子, 并与 650 nm 连续 (CW) 激光联用, 极大增强了水分子的 O-H 伸缩振动受激拉曼散射。当有 1 mW CW 激光引入时, 在 3392 cm-1 处的 O-H 伸缩振动 SRS 峰的强度增加了一个数量级。同时, 获得了两个新的低频肩峰 (3 356 cm-1 和 3288 cm-1)。CW 激光不仅降低了 SRS 阈值, 而且提高了 SRS 强度。导致此现象的物理机制是由于 532 nm 泵浦激光和 650 nm CW 激光之间的频率差与水分子 O-H 伸缩振动频率相匹配, 分子振动与两束激光差频形成共振。此研究为共振增强其他弱拉曼模式提供了参考。
非线性光学 共振增强 受激拉曼散射 水分子 连续激光 nonlinear optics resonance enhancement stimulated Raman scattering water molecule CW laser
1 上海理工大学能源与动力工程学院/上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093
2 上海航天动力技术研究所, 上海 201109
光谱消光法广泛应用于颗粒粒径测量领域, 在利用光谱消光法对颗粒粒径进行反演的过程中, 由于颗粒的消光系数存在理论复杂、 计算繁琐、 收敛速度慢以及求解不稳定等问题, 很大程度上影响了整个反演过程的快速性和准确性。 且在众多波长的消光数据中, 存在较多重复冗余的信息, 也很大程度上增加了反演算法的时间。 针对光谱消光法粒径反演算法计算繁琐、 反演效率低的问题, 提出了基于主成分分析(PCA)和BP神经网络的光谱消光颗粒粒径分析方法。 基于Mie散射理论对不同粒径、 不同波长下的光谱消光值进行了仿真计算, 通过对光谱消光数据集的主成分分析及各个波长综合载荷系数的计算, 实现了最优特征波长的选取, 利用降维后的光谱消光数据训练了PCA-BP神经网络模型, 并利用该网络模型计算了粒径颗粒分布。 通过仿真计算, 比较了PCA-BP神经网络模型与传统的BP神经网络模型的预测精度, 并分析了波长数目对两种神经网络模型预测结果的影响。 针对训练得到的PCA-BP神经网络模型开展光谱消光法粒径参数反演算法的验证实验, 搭建了光谱消光法颗粒粒径参数测量实验系统, 测量了粒径范围在0.5~9.7 μm内的6种不同粒径参数的聚苯乙烯标准颗粒。 仿真和实验结果表明: 基于主成分分析方法可确定各个波长向量之间的相关性, 利用综合载荷系数选取最优特征波长对应的消光值对整体的光谱数据具有较好的代表性, 可实现光谱数据的降维。 相比传统的BP神经网络模型, 基于PCA-BP神经网络模型的颗粒粒径分布的分析方法预测精度更高, 对于较分散颗粒系的分布参数的预测有更加明显的优势。 而且, 被选取的波长数较少时, PCA-BP神经网络模型依然有较高的预测精度。 利用训练好的PCA-BP神经网络模型对颗粒粒径参数进行实验验证, 预测结果可瞬时输出, 颗粒粒径分布误差在5%以内, 验证了该算法的可行性。
粒径测量 光谱消光法 最优特征波长 PCA-BP神经网络 Particle size measurement Spectral extinction method Optimal characteristic wavelength PCA-BP neural network 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3639
航天工程大学 宇航科学与技术系 激光推进及其应用国家重点实验室，北京 101416
毫秒脉宽激光打孔过程中靶物质的迁移机制直接影响孔的形貌，因此靶物质的迁移机制研究对于激光加工参数优化具有重要意义。靶物质的迁移主要包括脱靶的气化产物、溅射的熔融物质和非脱靶的熔融物质迁移，熔融物质重新凝固形成重铸层。对于脱靶的物质，采用高速相机直接成像法观察运动规律；对于重铸层，采用金相显微镜观察其形貌；最后，使用分析天平测量烧蚀质量。结果表明：铝合金的相爆炸阈值为1 047.24 J/cm2，能量密度在相爆炸阈值以下时，脱靶的靶物质主要以气化形式迁移，重铸层内部会形成周向和径向的裂纹，而能量密度在相爆炸阈值以上时，熔融物质被冲刷出烧蚀坑，烧蚀坑内部几乎不存在重铸层；气化损失的质量占比很小，靶材的质量损失主要来自相爆炸驱动的熔体喷溅，相爆炸会使单脉冲烧蚀质量增加10.7倍；相爆炸和激光强度的下降均会导致靶材的气化速率下降。
激光烧蚀 高速成像 物质迁移 气化 laser ablation high-speed imaging material migration vaporization 红外与激光工程
2021, 50(S2): 20210264
固体火箭发动机羽流具有高温、 高速与强辐射特征, 羽流温度是发动机工作状态与性能的重要表征参数。 准确测量固体火箭发动机羽流温度对了解发动机内部燃烧情况以及发动机综合性能具有重要的参考价值。 随着激光与光谱学的发展, 激光光谱技术逐步应用于固体推进剂燃烧及发动机羽流温度测量。 辐射光谱测温法通过测量火焰辐射光谱来实现温度的非接触在线测量, 具有测温范围宽、 响应快及可靠性高等优点, 可应用于固体火箭发动机羽流温度测量。 在此提出了基于火焰辐射光谱的固体火箭发动机羽流温度测量方法, 采用350~1 000 nm波段光纤光谱仪搭建了发动机羽流火焰辐射光谱测量系统, 利用标准辐射黑体炉开展光谱仪响应系数标定, 获得响应系数随波长的变化曲线, 并以此用作羽流辐射光谱数据修正。 之后将该测量系统应用于标准?118固体火箭发动机地面试验, 开展典型12%铝质量含量推进剂发动机羽流辐射光谱实验测量, 选取不同时刻羽流辐射光谱分析了发动机羽流辐射光谱特征, 并利用双色法灰性判断原理对羽流火焰灰体特性进行讨论, 验证在675~745 nm波段发动机羽流火焰辐射可近似认为灰体, 该波段辐射率随波长变化最大相对偏差为4.01%, 相对均方差为1.53%。 因此, 基于普朗克辐射定律开展辐射光谱拟合参数获得不同时刻羽流温度与辐射率参数, 并讨论测量结果与发动机工作状态的关系。 最后, 开展12%, 15%与19%铝质量含量的不同推进剂配方固体火箭发动机羽流辐射光谱测量, 将辐射光谱法温度测量值与理论热力计算值进行比较, 两者最大偏差值为5.40%, 讨论了不同铝含量推进剂发动机羽流辐射光谱特征, 并结合温度与辐射率测量结果, 分析了固体推进剂铝含量对辐射光谱、 羽流温度及辐射率的影响。 通过固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究, 为固体火箭发动机性能评估及推进剂配方优化等研究提供了有效的羽流参数测量手段。 分析获得的推进剂铝含量对发动机羽流辐射光谱、 温度及辐射率参数的影响, 为降低固体发动机羽流特征信号提供了重要的实验数据支撑。
辐射光谱 燃烧诊断 测温方法 固体火箭发动机 羽流温度 Radiation spectrum Combustion diagnostics Thermometry Solid rocket motor Plume temperature
1 长春职业技术学院信息技术分院, 吉林 长春 130033
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
为了解决激光通信系统中对信标光捕获、跟踪与对准的高实时性技术难题, 设计了基于FPGA的高速激光光斑采集与处理系统。首先, 采用高速摄像机与FPGA设计了激光光斑采集与处理硬件电路。然后, 采用中值滤波与形态学滤波对图像进行背景抑制和目标增强。最后, 对滤波后的图像分别计算光斑的形心和质心, 并通过加权平均后将光斑中心位置传输至控制系统中, 控制快速反射镜完成对目标的跟踪。所设计系统的实时提取像素分辨率为256×256, 帧频为10 000 Hz。实验结果表明, 所设计系统能够对包含激光光斑目标的超高帧频图像进行实时处理, 能够提高基于快速反射镜的闭环控制带宽。
激光通信 高速采集 现场可编程门阵列 实时处理 laser communication high-speed acquisition FPGA real-time processing
1 东北师范大学 物理学院, 吉林 长春 130024
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
3 江苏大学 食品与生物工程学院, 江苏 镇江 212013
数字微镜器件(Digital Micromirror Device, DMD)作为一种新型的空间光调制器, 具有分辨率高、生产成本低、加工效率高等优点, 使用起来非常灵活, 因此实验室搭建了基于DMD的近红外光谱仪。首先, 介绍了DMD近红外光谱仪的基本工作原理。其次, 对该光谱仪进行了波长标定, 提出基于同一样品吸光度曲线相关系数的方法对其进行了波长台间差标准化, 使得波长的台间差在理论上小于0.1 nm, 在模型转移时符合要求。又通过在强光与弱光条件下对其噪声与信噪比的测试实验对比得出DMD近红外光谱仪不同编码模版的选择准则: 在强光条件下扫描方法优于阿达玛方法, 在弱光条件下相反。最后, 利用该光谱仪对实际样品汽油和柴油进行检测, 测试结果表明该光谱仪性能稳定。该DMD近红外光谱仪检测波长范围为1 330~2 500 nm, 吸光度偏差小于等于0.000 4 AU。
近红外光谱仪 数字微镜器件 波长标准化 模版选择 near infrared spectrometer digital micromirror device wavelength standardization template selection 红外与激光工程
2019, 48(6): 0620002
为了提高多图像加密的安全性, 同时解决多图像加密系统数据量大的问题, 采用了基于分块压缩感知和改进幻方变换的加密方法。加密过程中, 充分利用了混沌序列对初始值的敏感性, 解决基于传统幻方变换的加密算法周期性的问题; 结合分块压缩感知的方法, 减少加密系统的数据量。对4幅256×256的灰度图像进行加密测试。结果表明, 系统加密时间只需要0.98s, 重建图像的质量高, 相关系数值均高于0.99, 峰值信噪比值均大于35dB;该算法在减少加密系统的数据量的同时进一步提高了系统的安全性。该算法实现容易, 能高效安全地完成多图像加密。
图像处理 图像加密 分块压缩感知 幻方变换 image processing image encryption block compression sensing magic square transformation
