1 华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640
2 威凯检测技术有限公司，广东 广州 510663
3 广东省能源高效低污染转化工程技术研究中心，广东 广州 510640
4 广东省能源高效清洁利用重点实验室，广东 广州 510640
燃煤飞灰碳含量是影响锅炉工作效率的重要特性指标之一，文中开展激光诱导击穿光谱技术（LIBS）实现飞灰未燃碳的定量分析方法研究，为LIBS应用于飞灰含碳量的快速/在线检测奠定基础。根据所探测的LIBS特征光谱，将线性和非线性化学计量学方法，包括多元线性回归（MLR）和偏最小二乘回归（PLSR）线性分析分析方法，以及非线性的极限学习机（ELM）和支持向量机回归（SVR）模型应用于飞灰未燃碳的预测分析中，结合交叉验证法对模型进行验证。对比线性和非线性模型的结果可以看出，非线性模型的预测结果明显优于线性模型，其中采用基于K-CV参数优化的非线性SVR模型具有比较理想的分析结果，有助于提高飞灰碳含量分析的精确度和准确度，采用三折叠交叉验证法对模型进行验证，得到模型的决定系数R2均为0.99，相对偏差的平均值ARD分别为1.54%、3.45%、3.51%，相对标准误差RSD的平均值分别为7.53%、2.89%、7.18%。
光谱分析 激光诱导击穿光谱 燃煤飞灰 未燃碳 化学计量学方法 spectroscopy laser-induced breakdown spectroscopy fly ash unburned carbon chemometrics method 红外与激光工程
2021, 50(9): 20200441
1 华南理工大学电力学院, 广东 广州 510640
2 广东省能源高效低污染转化工程技术研究中心, 广州 广东 510640
3 广东省能源高效清洁利用重点实验室, 广东 广州 510640
热值是煤质特性的重要参数之一, 很大程度上影响着燃煤锅炉的运行。 为了克服传统检测方法所存在的问题, 将激光诱导击穿光谱(LIBS)应用于燃煤热值的定量分析。 煤的结构复杂, 所含的元素种类众多, 包括了主量元素、 次量元素和痕量元素, 致使煤的LIBS光谱信息复杂。 如何有效提取LIBS光谱信息, 实现准确的定量化测量是LIBS在煤特性检测中发挥作用的前提和基础。 近年来, 随着人工智能技术的发展, 相关的分析技术也开始应用于煤的工业指标分析和热值预测中。 为实现煤样品中LIBS光谱信息的有效提取, 同时为克服常规的分析方法易出现的过渡拟合、 收敛性不好等问题, 提出采用结合K-fold Cross Validation(K-CV)参数优化的支持向量机(SVM)回归方法, 实现LIBS定量分析煤中的热值。 SVM方法是结构风险最小化的近似实现, 可用于模式分类和非线性回归。 为了得到有效的LIBS分析模型, 实验选用44种电厂常用的热值含量不同的煤样作为实验对象, 选择其中33个作为训练集, 剩余11个为测试集。 利用搭建的LIBS实验系统获取所选煤样品的等离子体发射光谱数据, 首先分析了SVM热值回归模型的参数-惩罚因子C、 核函数参数g与模型精度的关联, 确定C和g最佳取值范围, 然后分别建立了基于LIBS全谱和某些元素(非金属元素和金属元素)特征光谱的SVM回归模型。 利用训练集光谱数据, 结合K-CV法得到热值SVM回归模型的最优参数C和g的值, 建立基于SVM最优参数的煤热值定量分析模型。 然后将测试集的光谱数据作为输入量用于测试所建立模型的可靠性, 得到分别采用全谱、 非金属元素特征光谱、 非金属与金属元素特征谱相结合的热值定量分析模型, 其决定系数R2均达到0.99以上, 均方误差分别为0.12, 0.17和0.06 (MJ·kg-1)2, 预测平均相对偏差分别为1.2%, 1.23%和0.69%。 结果表明： 基于K-CV参数优化SVM回归方法可用于LIBS技术实现燃煤热值的定量分析, 且可得到较高的分析精确度和准确度; 同时通过对比选用不同的光谱特征的定量分析模型可知, 采用非金属与金属元素的特征光谱所建立的基于K-CV参数优化SVM的热值定量模型, 能够有效提高LIBS应用于快速检测煤热值的精度和准确度, 实现煤热值的准确预测。
煤 热值 激光诱导击穿光谱 支持向量机 定量 Coal Heat value Laser-induced breakdown spectroscopy Support vector machine Quantitative K-CV K-CV 光谱学与光谱分析
2019, 39(7): 2202
1 华南理工大学 电力学院, 广州 510640
2 广东省能源高效低污染转化工程技术研究中心, 广州 510640
选用碳元素常见的有机形态(C6H7O2)和碳酸盐形态(CaCO3)样品为实验对象, 配置一系列不同含碳量的样品进行激光诱导击穿光谱实验, 实验分析了不同形态碳元素样品在空气气氛条件下的激发特性.研究结果表明, 碳酸盐形态中可探测到明显的碳元素的原子谱线, 且与碳元素含量有良好的线性关系, 但较难探测到碳元素的分子光谱; 对于有机形态, 不仅能探测到碳的原子谱线, 还能探测到碳的CN分子谱线和C2分子谱线, 且分子光谱与碳元素含量具有较好的相关性, 说明碳元素分子光谱的形成与有机形态有关.将两种形态混合后, 发现CN分子光谱与有机形态中的碳元素含量具有较好的相关性, 说明利用探测到的CN分子光谱可以实现有机形态的鉴别.同时利用CN分子光谱的形成机制, 在两种形态混合后的样品中添加一定量的氮元素, 在氩气条件下, CN分子光谱与样品中有机碳元素含量存在较好的线性关系.进一步说明来源于空气中N和样品中N所形成的CN, 均可用于有机形态碳元素的鉴别.
光谱学 激光诱导击穿光谱 有机形态碳 碳酸盐形态碳 分子光谱 Spectroscopy Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) Organic carbon Carbonate carbon Molecular spectroscopy
1 中北大学（朔州校区）, 山西 朔州 036000
2 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 太原 030051
为确定硅基片上系统半导体光电器件集成中绝缘层材料对器件整体性能的影响, 设计并制备了带有覆层的纳米波导谐振腔.谐振透射谱功率测试表明顶层覆盖Si3N4薄膜和SiO2薄膜绝缘层没有削弱环形谐振腔的品质因素, 沉积后的最佳耦合间距为70～110 nm.覆层为SiO2时谐振点波长附近的谐振峰消光比达16.5 dB, 3 dB带宽为0.12 nm；覆层为Si3N4时谐振点波长附近的谐振峰消光比达13.9 dB, 3 dB带宽为0.18 nm.该研究为片上系统集成设计中最佳绝缘层材料的选择提供参考.
光电器件 片上系统 纳米光波导 微环谐振腔 Photoelectric device System on Chip(SoC) Nanophotonic waveguide Microring resonator
1 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 太原 030051
2 中北大学 电子测试技术国防科技重点实验室, 太原 030051
在片上光互连系统中, 电光调制器起到将电信号调制为光信号的作用, 是光互联系统中的核心部件之一。调制器的3 dB带宽决定着载波所能携带的最大信息量,是衡量调制器性能的核心参数。利用石墨烯和高Q环形谐振腔设计成具有CMOS结构的新型调制器, 其集成了石墨烯的宽带吸收、载流子迁移率高等材料优势和高Q值环形光学谐振腔的光程放大的结构优势, 通过理论计算, 其3 dB调制带宽可以达到100 GHz。同时, 基于微环谐振腔的石墨烯电光调制器结构可以方便的与光互联系统中的波分复用器相集成, 从而提升片上光互联系统的集成度和降低技术复杂性。
电光调制器 微环谐振腔 石墨烯 3 dB带宽 electro-optic modulator micro-ring waveguide resonator graphene 3 dB bandwidth 强激光与粒子束
2015, 27(2): 024109
刘耀英 1,2,3,*薛晨阳 1,2,3崔晓文 1,2,3崔丹凤 1,2,3[ ... ]李艳娜 1,2,3
1 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室
2 电子测试技术重点实验室
3 山西 太原 030051
设计了一种基于InP材料的纳米光栅耦合器, 运用FDTD算法分析了周期长度、刻蚀深度以及占空比变化时该光栅耦合器的耦合效率。计算结果表明, 周期长度为800 nm, 刻蚀深度为0.3 μm, 占空比接近0.5时, 耦合效率可以达到13％。本文所设计的光栅耦合器对构建基于InP材料的谐振腔、激光器和陀螺结构具有一定的理论指导意义。
InP材料 光栅 FDTD算法 耦合效率 indium phosphide material grating Finite difference time domain algorithm coupling efficiency
1 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室
2 中北大学电子测试技术重点实验室，太原 030051
基于量子相干效应中的电磁诱导透明，设计了一种四环级联谐振腔结构，并对其产生的耦合诱导透明现象进行了理论分析.利用时域有限差分法和束传输法对结构的关键参量进行了仿真模拟，采用电子束光刻与感应耦合等离子刻蚀工艺相结合的方式完成了结构的加工制备.实验中利用垂直光栅耦合法对结构进行测试，测试结果表明：由于相消干涉，该结构可以引起一个狭窄的透明峰；每个环形腔之间相互干涉，产生了两个透射峰，从而实现对光传输的延迟，其中一个透射谱半高全宽为0.022 nm，对应的品质因数为0.72×105，且两个谐振峰之间的距离相隔0.084 nm.波导直通端与下载端的谐振谱线吻合，与理论分析相符.
光波导 色散 谐振诱导透明 四阶环形腔结构 品质因数 Optical waveguide Dispersion Coupled-Resonator-Induced-Transparency (CRIT) Fourth-order ring resonator Quality factor (Q)
1 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 太原 030051
2 中北大学 朔州校区, 山西 朔州 036000
3 中北大学 电子测试技术国家重点实验室, 太原 030051
为在硅基光波导上实现类电磁诱导透明效应, 设计并加工了基于绝缘体上硅的串联双环结构.通过300℃到1 200℃热氧化退火、缓冲刻蚀液湿法腐蚀以及1 000℃高温氮气退火等波导结构的后期处理, 利用垂直光栅耦合的方式输入及输出信号, 观测到了类电磁诱导透明效应.分析了两环间不同间距对类电磁诱导透明效应的影响,结果表明: 工艺中单环Q值达到5.1×104, 类电磁诱导透明效应透明峰的带宽约为500 MHz.
集成光学 硅基光波导 热氧化退火 垂直光栅耦合 类电磁诱导透明 微环谐振腔 绝缘体上硅 Integrated optics Optical waveguides Oxidizing annealing Vertical grating coupling Electromagnetically Induced Transparency Ring resonator Silicon-on-insulator
1 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051
2 中北大学 朔州校区，山西 朔州 036000
3 中北大学 电子测试技术国家重点实验室，太原 030051
针对高频电光调制器的应用需求，提出了一种基于绝缘体上硅微环谐振腔的PIN型电光调制器.利用散射矩阵法描述了微环谐振腔谐振特性机理，结合等离子体色散效应中载流子浓度对硅有效折射率变化的影响，系统分析了微环谐振腔电光调制器的理论模型.在此基础上，利用Rsoft仿真软件对脊型波导截面光场分布进行了仿真分析，得到了光场局域性能较优的脊型纳米波导微环谐振腔设计；结合Sentaurus TCAD仿真软件对不同掺杂浓度下的PIN型二极管性能进行了仿真计算，理论得出了Q值仅为5×103时频移量达58.74 GHz的微环谐振腔最优电光调制器结构，为电光调制器的深入研究提供了理论参考.
等离子体色散效应 微环谐振腔 电光调制器 脊型波导 PIN型二极管 Plasma dispersion effect Microring resonator Electrooptic modulator Rib waveguide PIN type diode
