1 华北电力大学数理系，河北 保定 071003
2 华北电力大学机械工程系，河北 保定 071003
采用开放的梯形三能级原子模型及密度矩阵方程理论，数值模拟了不同参数条件下，双色双光场多光子电离过程中粒子数布居随时间的变化。发现两束激光频率失谐量均为零时，基态、第一、第二共振态粒子数布居随时间呈现振幅减小的拉比振荡，第一共振态布居振荡的频率是基态和第二共振态布居振荡频率的两倍，第二共振态和基态之间可存在较大粒子数布居反转，为实现短波长脉冲相干光输出提供了可能，且激光拉比频率越高，布居振荡频率及粒子数布局反转差值越大。两束激光同步作用于系统，亦有利于粒子数布居反转。
非线性光学 双共振多光子电离 密度矩阵方程 布居反转 时间延迟 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0719001
1 华北电力大学数理系，河北 保定 071003
2 华北电力大学机械工程系，河北 保定 071003
基于光和物质相互作用的密度矩阵方程理论，研究了双光场作用下里德伯原子的瞬态吸收特性。当耦合场较弱时，探测吸收随时间增加到最大值后，再单调递减至零；随着耦合场拉比频率的增加，探测吸收的最大值增大；当拉比频率增加到一定程度时，吸收峰值逐渐减小，吸收随时间延长出现振荡。当耦合场拉比频率取值合适时，出现明显的负吸收现象。通过分析粒子数布居及相干项随时间的演变可知，耦合、探测场共同作用引起的相干项导致了负吸收现象的出现。
原子与分子物理学 非线性光学 密度矩阵方程 里德伯原子 负吸收 激光与光电子学进展
2022, 59(11): 1102001
1 河北工业大学机械工程学院, 天津 300401
2 华北电力大学能源动力与机械工程学院, 河北 保定 071003
利用差分吸收光谱法(DOAS)可以实现污染气体的在线监测。 为了提高监测精度, 通常利用傅里叶变换滤波法(FFT)处理差分吸收光谱数据, 但是因其频率分辨率的限制, 影响其幅值精度, 导致气体浓度的测量误差较大。 提出了一种将FFT和FT相结合的差分光谱数据处理方法(FFT+FT), 首先对差分吸收光谱数据做FFT变换, 得到其全景谱, 再对峰值点附近的频谱用改进的连续FT进行细化, 提高特征吸收频段的分辨率, 对幅值误差进行补偿, 从而提高气体浓度在线监测的精度。 实验配制了不同浓度的SO2和NO2气体, 当细化倍数为15时, SO2和NO2气体的最大测量误差不超过3.68%和3.17%, 相对于FFT法, 平均误差分别降低了1.82%和1.45%; 相对于传统的多项式拟合法, 平均误差分别降低了14.9%和1.80%; 对恒定浓度的SO2和NO2气体分别进行了多次测量, 验证了FFT+FT方法的稳定性。 分析了细化倍数对测量精度的影响, 当细化倍数小于15时, 浓度测量误差随着细化倍数的增加而降低; 当细化倍数从15增加到20时, 误差反而逐渐变大, 在大于20以后, 误差出现波动, 且都大于细化倍数为15时的测量误差。 由于细化倍数太大, 使谱线过于密集, 找到频谱序列最大值的概率降低了, 因此在有噪声的情况下采用该法进行频谱校正时, 会出现细化倍数加大而测量精度反而降低的现象。 确定了最优细化倍数, 在确保测量精度前提下, 使频谱细化的计算量最小, 满足DOAS法实时在线监测气体浓度的要求。
差分吸收光谱法 频谱细化 连续细化傅里叶变换分析(FFT+FT) Differential optical absorption spectroscopy Spectrum zoom Fast Fourier transformation and fourer transformation 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2116
华北电力大学机械工程系, 河北 保定 071003
苯-甲苯-二甲苯(BTX)是大气挥发性有机物(VOCs)的重要组成成份, 人类长期暴露在苯系物的环境中致癌风险将极大提高。 利用BTX在紫外波段有明显的光谱吸收特征, 选取250~275 nm作为研究波段, 该波段可将BTX的主要特征吸收包含在内。 设计了一套由标准BTX液体制备标准气态BTX的装置, 采用连续紫外光源和差分吸收光谱技术分别对单组分苯与BTX混合气体进行连续监测研究。 为最大程度去除外界噪声干扰, 分别采用小波变换滤波和多项式平滑滤波法, 并对两种方法的去噪效果进行评价。 研究表明尽管传统处理吸收光谱噪声的方法常采用多项式平滑滤波, 但该方法会使吸收截面上的细节信息或高频分量丢失。 而小波变换滤波具有良好的时频局域化特性, 能通过伸缩和平移对信号进行多分辨率分析并可聚焦到信号的任意细节, 更能保持光谱谱线的特征结构且信噪比优于多项式平滑滤波。 通过实验获得了BTX的吸收截面并与HITRAN数据库吸收截面对比, 发现若直接采用HITRAN数据库中吸收截面值将造成由于温度与压强变化导致的浓度反演误差。 为了能够与实际监测环境相符合, 采用实验室获取的吸收截面作为标准吸收截面。 对单组分苯浓度的反演分别采用积分面积法和最小二乘法, 研究表明两种方法的测量精度均能满足环保监测法规要求, 且最小二乘法更加稳定、 精度更高。 针对BTX混合气体的测量, 采用通过浓度值反演差分吸光度的方法进而逐一反演苯-甲苯-二甲苯的浓度值。 研究发现对BTX混合物的浓度反演时二甲苯测量误差均在2%以下, 但对甲苯和苯的测量误差逐渐增大, 苯浓度的反演最大误差达到了9.07%, 苯的测量精度受到了二甲苯、 甲苯测量精度以及苯光谱特征吸收波段的影响。
苯-甲苯-二甲苯(BTX) 差分吸收光谱法 小波变换滤波 积分面积法 最小二乘法 监测 Benzene-toluene-xylene (BTX) Differential optical absorption spectroscopy (DOAS) Wavelet transform filtering Integral area method Least square method Monitoring
华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北 保定 071000
CS2气体是一种大气恶臭污染物,也是全封闭气体绝缘组合电器故障诊断的重要特征气体。但检测环境的温度变化直接影响监测数据的准确性。研究利用CS2在紫外波段有明显的特征吸收特性,采用连续光源以及差分吸收光谱技术对不同浓度的CS2气体,在不同温度环境下进行监测。CS2气体浓度的反演采用最小二乘法,并对反演结果进行最小二乘法拟合得到温度补偿公式。实验结果显示CS2气体差分吸收强度随温度的上升呈二次曲线式减小,导致浓度误差逐渐增大,在气体浓度较低时尤为明显。将温度补偿公式用于实际浓度的测量,实验浓度的误差由补偿前的最大17%降至5%以内。
CS2气体 紫外差分吸收 温度特性 最小二乘法 CS2 Gas Ultraviolet differential absorption Temperature characteristics Least squares method
1 华北电力大学数理系， 河北 保定 071003
2 华北电力大学机械工程系， 河北 保定 071000
以Nd·YAG激光器的二倍频输出作为激发源， 获得了激光诱导Ni等离子体的发射光谱， 基于发射光谱， 对等离子体电子激发温度和电子密度进行了测量， 其典型值分别为3 714 K， 4.67×1016 cm-3。 测量了等离子体电子激发温度和电子密度的空间分布， 发现沿垂直于激光传播方向的径向， 随到中心点距离的增加， 等离子体辐射的强度减小， 但线型和线宽不变， 表明等离子体电子激发温度和电子密度沿径向均匀分布。 沿激光传播方向， 随到样品表面距离的增加， 等离子体辐射强度、 电子激发温度和电子密度先增加后降低， 在距样品表面1.5 mm处， 达到最大值。 采用激光诱导击穿光谱技术进行相关探测时， 收集距离样品表面1.5 mm处的发射谱， 有利于提高探测灵敏度。
激光诱导击穿光谱 镍板 电子激发温度 电子密度 空间分布 Laser induced breakdown spectroscopy Nickel Electronic excitation temperature Electronic density Spatial distribution 光谱学与光谱分析
2018, 38(8): 2578
1 华北电力大学数理系, 河北 保定 071003
2 华北电力大学机械工程系, 河北 保定 071003
以脉冲Nd·YAG激光器泵浦的光学参量发生/放大器输出为激发源, 获得了一种家庭用煤样品的激光诱导等离子体(laser induced plasma, LIP)发射光谱。 谱线线型呈洛伦兹线型, 表明等离子体加宽以Stark展宽为主。 利用发射谱线的Stark展宽和强度, 通过测量等离子体不同位置的发射光谱, 确定了等离子体温度和电子密度的空间分布, 发现二者在垂直等离子体发光火焰方向相对火焰中心对称分布, 沿发光火焰方向不具有对称分布的特点。 发光火焰中心的等离子体温度和电子密度最大, 且发光强度较大, 因此利用光谱技术测量等离子体特征量时, 宜采集火焰中心的发射光谱。 样品中有些元素的发射谱线线型显示, 等离子体中存在很强的自吸收现象, 自吸收程度和激发波长及激光能量密切相关, 激发波长接近谱线中心波长时, 自吸收现象最明显； 随激光能量的增加, 发射光谱强度增加的同时, 自吸收的程度也增大。 把这些现象归因于原子跃迁概率的增大及激光强度增加引起的等离子体中粒子数密度的增大。 自吸收现象导致实验观测到的发射谱线强度小于LIP的真实辐射强度, 对等离子体进行测量时, 应选取不存在自吸收现象的谱线, 以便于提高测量准确度。
激光诱导等离子体 电子温度 电子密度 自吸收 Laser induced plasma Plasma temperature Electron density Self-absorption 光谱学与光谱分析
2016, 36(5): 1323
华北电力大学能源动力与机械工程学院, 河北 保定 071003
差分吸收光谱法(differential optical absorption spectroscopy, DOAS)是一种常用的污染气体监测方法, 对所监测的光谱数据去噪可以提高反演精度。 可采用傅里叶变换(fast Fourier transform, FFT)滤波法滤除光谱数据中的噪声, 但该算法本身会引入误差。 提出一种线性调频Z变换法(chirp Z transform, CZT), 通过对傅里叶变换之后的频谱进行局部细化, 能够在保留傅里叶变换滤波法去噪效果的基础上, 对算法的误差进行补偿, 从而进一步提高反演精度。 实验配置了SO2及NO2进行浓度反演, 结果表明, 直接采用相除法反演浓度时误差较大且很不稳定, 线性调频Z变换法能够获得比傅里叶变换滤波法更高的反演精度。 模拟了SO2和NO2混合气体实验, 频谱分析结果表明FFT算法无法解决特征吸收结构被扭曲、 削弱等问题, CZT算法能完成特定频段频谱的精细化重构。
差分吸收光谱法 线性调频Z变换 二氧化硫 二氧化氮 Differential optical absorption spectroscopy (DOAS Chirp-z transformation Sulfur dioxide Nitrogen dioxide 光谱学与光谱分析
2015, 35(6): 1633
1 华北电力大学机械工程系, 河北 保定071000
2 华北电力大学电力工程系, 河北 保定071000
以氘灯为激发源, 获得了不同温度、 大气压条件下SO2分子在285.0～320.0 nm波长区间的吸收谱。 光谱图由弥散谱叠加分离谱组成, 弥散谱产生于SO2分子由基态向密集的高振转能级的吸收跃迁, 分离谱主要产生于B1B1←X1A1跃迁, 由分离谱带的间隔, 获得了B1B1激发电子态的对称拉伸和弯曲振动频率分别为: ω1=(665±29) cm－1, ω2=(448±17) cm－1。 通过观测不同温度下的吸收谱, 发现不同温度下吸收谱的结构基本相同, 但吸收截面随温度升高而下降, 不同吸收峰对应的吸收截面随温度呈现三次方规律变化, 但比例系数不同。 所以, 在以吸收截面为基础的SO2差分吸收光谱探测中, 必须考虑温度变化对测量结果的影响。
吸收光谱 吸收截面 温度 Absorption spectrum SO2 SO2 Absorption cross-section Temperature
1 华北电力大学数理系, 河北 保定071003
2 华北电力大学电力工程系, 河北 保定071003
3 华北电力大学机械工程系, 河北 保定071003
共振增强多光子电离光谱技术已成为研究原子、 分子高激发态能级结构的重要方法。 运用光和物质相互作用的速率方程理论, 推导出四能级物质系统1+2+1双共振增强多光子电离概率的解析表达式, 以此为基础, 理论模拟了电离概率随激发光强、 激光脉冲宽度和碰撞弛豫速率的变化, 发现在1+2+1多光子电离机制中, 电离概率随光强的增加而增大, 继而出现单步、 双步激发饱和的现象, 直至饱和值1; 继续增大光强, 电离概率将围绕饱和值1窄幅振荡, 振荡幅度随光强增加而增大。 随激光脉冲宽度的增大, 电离概率从零开始逐渐增大直至饱和值1。 而随碰撞弛豫速率的增大电离概率以线性规律减小。
激光光谱学 多光子电离概率 速率方程 激光强度 碰撞弛豫速率 Laser spectroscopy Multiphoton ionization probability Rate equation Laser intensity Collision relaxation rate
