1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院微小卫星创新研究院，上海 201200
为了实现差分吸收激光雷达对臭氧浓度和气溶胶的同时探测，对常见的三通道分光光谱仪进行改进优化。确定光谱仪初始结构后，使用光栅方程对四通道的摆放位置进行计算分析。使用球面镜和全息光栅，通过添加距离约束，将四个光谱通道控制在合理的机械结构范围内，最终设计了一款四通道分光、低F数的光谱仪系统。该系统使用圆阵列转线列光纤，提高了接收系统对大气回波信号的接收强度，实现了对266，289，316，532 nm回波信号强度的精确探测。设计结果表明，光谱仪系统可连接0.12数值孔径的线列光纤，在266，289，316 nm光谱分辨力优于0.5 nm，在532 nm处光谱分辨力优于1 nm，满足激光雷达探测光谱分辨率的要求。分析了光谱仪出射狭缝的曲率半径和圆心位置。该设计可实现激光雷达对气溶胶和臭氧的同时探测，简化了系统结构。
激光雷达 臭氧 紫外 光栅 光谱仪和光谱仪器 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0411012
Author Affiliations
Abstract
1 The University of Tokyo, Department of Bioengineering, Tokyo, Japan
2 The University of Tokyo, Department of Precision Engineering, Tokyo, Japan
3 The University of Tokyo, Medical Device Development and Regulation Research Center, Tokyo, Japan
4 Saitama University, Department of Electronics and Information Sciences, Saitama, Japan
Spatiotemporal shaping of ultrashort pulses is pivotal for various technologies, such as burst laser ablation and ultrafast imaging. However, the difficulty of pulse stretching to subnanosecond intervals and independent control of the spatial profile for each pulse limit their advancement. We present a pulse manipulation technique for producing spectrally separated GHz burst pulses from a single ultrashort pulse, where each pulse is spatially shapable. We demonstrated the production of pulse trains at intervals of 0.1 to 3 ns in the 800- and 400-nm wavelength bands and applied them to ultrafast single-shot transmission spectroscopic imaging (4 Gfps) of laser ablation dynamics with two-color sequentially timed all-optical mapping photography. Furthermore, we demonstrated the production of pulse trains containing a shifted or dual-peak pulse as examples of individual spatial shaping of GHz burst pulses. Our proposed technique brings unprecedented spatiotemporal manipulation of GHz burst pulses, which can be useful for a wide range of laser applications.
pulse stretching spatiotemporal shaping ultrashort pulse trains ultrafast imaging burst laser ablation transmission spectroscopic imaging Advanced Photonics Nexus
2024, 3(1): 016002
1 北京科技大学科技史与文化遗产研究院, 北京 100083
2 中国文化遗产研究院, 北京 100029
3 包头市五当召综合保障中心, 内蒙古 包头 014070
报道了X射线衍射光谱、 拉曼光谱、 红外光谱、 高光谱等多种光谱技术在五当召剌弥仁殿壁画制作材料与工艺研究中的应用。 五当召位于包头市阴山山脉腹地, 是内蒙古地区现存规模最大的格鲁派召庙, 剌弥仁殿是其六大经殿之一。 殿内壁画具有清代以来藏传佛教壁画的鲜明特点, 但受多种病害影响, 亟需保护修复。 使用多种光谱技术对壁画各结构层材质进行分析, 了解其制作工艺, 为壁画保护修复提供依据。 X射线衍射及激光粒度分析结果表明, 壁画泥质地仗的物相组成以石英、 钠长石、 方解石为主, 比例与当地生土基本一致, 仅通过物理筛分和掺加不同植物纤维的方式区分粗、 细泥层。 拉曼光谱分析结果表明, 壁画所用颜料有朱砂、 铅丹、 巴黎绿、 群青、 铬黄等, 后三种人工颜料于19世纪中后叶进入中国; 结合相关文献档案, 可推断壁画的绘制时代。 红外光谱结合色谱、 质谱联用技术分析结果表明, 壁画颜料层胶结材料是动物胶, 表面涂层是一种干性油薄膜, 但油料来源与加工工艺的判断仍需要更多的线索。 壁画纸张上的红色藏文印记通过高光谱成像技术提取后, 经最小噪声分离和波段运算处理, 文字的可识读性大幅提高。 针对复合材质类文物, 多种光谱分析技术的联合应用可以较为全面地揭示其结构、 材料、 影像等多元信息, 是目前深入研究彩绘类文物的基本手段。
五当召 壁画文物 光谱分析 Wudang Lamasery Mural Spectroscopic techniques 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2849
1 南华大学电气工程学院, 湖南 衡阳 421001 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 23003
2 南华大学电气工程学院, 湖南 衡阳 421001
3 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 23003
4 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 23003中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230031
5 合肥师范学院物理与材料工程学院, 安徽 合肥 230601合肥综合性国家科学中心能源研究院, 安徽 合肥 230031
6 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 23003南华大学核科学技术学院, 湖南 衡阳 421001
近红外波段(NIR, 波长范围: 780～2 500 nm)在线光谱分析技术具有小型化、 快速检测、 结果稳定可靠等优点, 在工业现场检测领域有着广泛的应用。 由于近红外光谱分析系统受温度影响较大, 传统的光栅分光在线光谱分析系统所采用的光谱仪通常仅对探测器制冷, 光路部分仍然会受到温度影响产生波长漂移等测量误差。 此外, 系统也多采用PC计算机来进行数据采集和控制, 并通过配备独立的工业通讯模块实现光谱分析系统与产线总控系统的通讯, 不仅增加了设备成本与体积, 也显著降低了系统的稳定性。 针对这些问题, 基于STM32单片机开展了在线恒温光谱分析系统研制与测试。 系统采用STM32单片机来控制近红外光谱仪, 通过设定和修改采集间隔时间并采集光谱数据, 对光谱数据进行预处理, 来计算得到目标样品的理化指标。 对于温度控制, 开发了在STM32单片机上运行的基于比例-积分-微分(PID)控制算法的恒温控制系统, 对光谱仪整体(包含光路和电路部分)实现了闭环恒温控制。 同时, 开发了基于STM32单片机的工业通讯接口(包含Modbus协议通讯和4～20 mA电流信号通讯)。 系统实验测试结果表明, 该设计能够长时间稳定运行, 并有效降低了环境温度变化对光谱数据带来的干扰。 在长达48小时的系统运行过程中, 光谱仪温度稳定控制在5 ℃左右, 温控精度优于0.25 ℃。 相对于未恒温控制的运行模式, 恒温控制条件下的平均吸收光谱强度相对标准差显著减小, 并实现了数据采集、 预处理、 样品理化指标计算、 工业信号通讯及温度控制的一体化设计, 以满足工业现场在线检测需求。
在线光谱分析系 STM32单片机 比例-积分-微分控制 数据采集控制 On-line spectroscopic system STM32 single-chip microcomputer Proportional-integral-differential (PID) control Pctra data acquisition 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2734
东北农业大学水利与土木工程学院, 国际持久性有毒物质联合研究中心, 黑龙江 哈尔滨 150030
研究新降雪中溶解性有机质（DOM）的光谱特征有利于探究其与大气污染物的响应关系。 采用紫外-可见吸收光谱（UV-Vis absorption spectroscopy）、 三维荧光光谱（three dimensional fluorescence spectroscopy）结合平行因子分析（PARAFAC）技术, 分析了哈尔滨市新降雪样品中DOM的光谱特征及其来源。 新降雪中有色溶解性有机质（CDOM）浓度与荧光溶解性有机质（FDOM）强度变化呈现相同趋势, 其中CDOM含量因DOM来源、 大气云团运移、 大气污染情况及发色团光漂白性质的不同而与其他环境介质中CDOM浓度存在差异; 而FDOM强度则因环境介质中盐分含量及DOM的降解动力学速率存在差异而小于土壤和海洋。 新降雪中DOM的吸收光谱呈现指数递减趋势, 与冬季大气颗粒物中水溶性有机物发色团的吸收光谱相似, 在200~220 nm处存在明显吸收峰（由于受到水分子和溶解氧影响）, 表明DOM存在较多的不饱和双键共轭结构。 E2/E3值（250和365 nm处的吸光度比值）结果表明, 新降雪中DOM具有结构简单、 分子量小和芳香性弱的特征, 类富里酸为其主要组成物质; 通过PARAFAC共解析出类腐殖质和类蛋白质两类荧光组分, 其对荧光强度的贡献分别为66.78%和33.22%。 荧光参数分析结果表明, 该研究新降雪中DOM同时受陆源输入和微生物活动的影响, 并且具有较强的自生源特征（BIX>1）和较弱的腐殖化特征（HIX<0.8）。 荧光组分与大气污染物的相关性分析表明, 哈尔滨市新降雪中的荧光组分具有相同来源, 化石燃料、 生物质燃烧、 交通及工业等排放的细颗粒物（PM2.5）为新降雪中DOM的重要来源, 并通过类腐殖质组分的最大荧光强度初步建立了PM2.5浓度值的预测方程。 新降雪中DOM光谱特征分析可为揭示其来源组成及深入探寻其载体行为机制提供参考价值, 亦可为大气环境污染快速诊断识别提供新的研究思路和技术保障。
新降雪 溶解性有机质 来源解析 光谱特征 大气污染物 Fresh snow Dissolved organic matter Source analysis Spectroscopic characterization Air pollutants 光谱学与光谱分析
2023, 43(12): 3937
1 哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 东北林业大学机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
温度是评估弹药热辐射毁伤的重要参数。 弹药在引爆后会在极短时间内压缩周围空气并向四周猛烈释放出大量能量, 伴随着能量释放弹药介质会急剧升温并形成火焰场, 通过测量、 分析火焰场的真温值, 便可以得到爆炸火焰的空间热辐射毁伤效应。 由于爆炸过程的强破坏性和瞬态性, 爆炸火焰的测量主要是依靠辐射测温法。 在以往研究中, 已有学者针对爆炸火焰测量研制了相应的辐射测温仪器, 但目前所研制的仪器只能测量出爆炸火焰在单波长下的亮温场, 而单波长亮温场无法实现真温值的计算。 针对这一问题, 研制了一套多光谱热成像仪, 该仪器采用多幅分光技术, 可实现爆炸火焰在同时刻、 不同波长下的分光成像, 并利用高速CCD相机进行数据采集, 最后依据多光谱辐射测温理论反演出爆炸火焰真温场。 多幅分光技术是由远距离多孔分光镜头所完成的, 该镜头主要分为两个部分: 主成像镜头和分光镜头。 主成像镜头的功能是对远距离爆炸火焰进行聚焦成像, 其所成图像经由单凸透镜汇聚到正后方的多孔分光镜头上。 多孔分光镜头内置分光光栏, 光栏上可镶嵌不同波长的窄带滤光片, 当入射光透过光栏上的窄带滤光片后, 透射光便为被测目标的单波长辐射能量。 远距离多孔分光镜头可对500 m以内的爆炸火焰进行成像, 并依据实际需求将分光光栏设计为四分光结构, 同时为方便滤光片更换将分光光栏做成了可插拔的形式。 该镜头自重约为0.75 kg, 可通过法兰片直接安装在高速CCD相机上, 完全满足野外测量要求。 为验证仪器的有效性, 对1.660 9 kg的TNT进行了爆炸火焰真温场实验。 实验结果表明: 在爆炸后0.1 ms时出现最高温度值3 251 K, 随着时间推移, 真温场逐渐扩大, 但其最高温度值在逐渐降低; 当时间为0.6 ms时, 最高温度值为2 483 K。
爆炸火焰真温场 多光谱热成像仪 远距离多孔分光镜头 Explosive flame true temperature field Multi-spectral thermal imager Long-range multi-aperture spectroscopic lens 光谱学与光谱分析
2023, 43(12): 3885
1 温州商学院信息工程学院, 浙江 温州 325035
2 温州职业技术学院人工智能学院, 浙江 温州 325035
3 西安交通大学数学与统计学院, 陕西 西安 710049
为提高利用红外光谱数据鉴别中药材产地的预测模型效果, 应该选用合适的数据预处理方法和合适的算法。 针对具有3 448个特征（波长551～3 998 nm）的658条红外光谱中药材数据, 借助于支持向量机(SVM)算法, 研究了10种基于样本预处理方法（不做预处理、 最大最小归一化、 标准化、 中心化、 移动平均平滑、 SG平滑滤波、 多元散射校正、 正则化、 一阶导数和二阶导数法）与5种基于特征波长预处理方法（不做预处理、 中心化、 最大最小归一化、 标准化和正则化）的组合（共50种）对产地模型预测精度和稳定性的影响。 结果表明: 合适的数据预处理对提高模型精度是必要的; 标准化和最大最小正则化方法光谱的预处理建模效果较好, 其预测系数值约85%; 基于特征的预处理对模型预测效果改进小。 只做光谱预处理或基于特征预处理的预测稳定性值近似相等（两类方式的决定系数平均值都近64%）; 基于样本+特征的组合预处理方法中, 二阶导数+标准化处理和二阶导数+正则化组合处理方法的模型预测效果好, 其决定系数R2达到近94%; 而中心化+正则化组合处理达不到直接采用原始数据（不做数据预处理）的建模效果, 该方法预测效果最差。 该研究的方法和结论为具有高维光谱特征的药材产地鉴别和选取有效的预处理方法提供了参考, 对进一步分析药材药效和化学成份有重要的意义, 也可供其他光谱数据分析借鉴。 也为高维小样本数据建模的前期数据处理提供了思路。
中药材产地鉴别 光谱数据 数据预处理 小样本高维特征数据 SVM算法 Origin identification of Chinese medicinal materia Infrared spectroscopic data Data preprocessing High dimensional small sample SVM algorithm 光谱学与光谱分析
2023, 43(7): 2238
曲阜师范大学 物理工程学院 物理系，曲阜 273165
为了研究多步旋涂法制备的CsPbBr3薄膜的光学常数，以溴化铅和溴化铯为原料，采用多步旋涂法在硅和FTO衬底上制得CsPbBr3薄膜。利用光弹调制式椭偏光谱仪对硅衬底上的薄膜进行了椭偏光谱分析，使用Tanguy和Tauc-Lorentz 3组合模型对变角度的椭偏光谱进行参数拟合，得到了薄膜光学常数在1.00 eV~5.00 eV范围内的色散关系，并利用荧光发射光谱、吸收谱验证椭偏拟合结果。结果表明，多步旋涂法制备的CsPbBr3薄膜的光学常数与其它方法相比具有一定的差异性，其中折射率可能与薄膜表面粗糙度呈负相关; 椭偏拟合所得带隙为2.3 eV，验证了荧光光谱、吸收谱的计算结果。该研究为多步旋涂法制备的CsPbBr3薄膜椭偏光谱拟合分析提供了参考。
光谱学 光学常数 椭圆偏振光谱 CsPbBr3薄膜 多步旋涂法 spectroscopy optical constants spectroscopic ellipsometry CsPbBr3 film multi-step spin-coating method
1 河南科技大学食品与生物工程学院, 食品加工与安全国家级教学示范中心, 食品加工与质量安全控制河南省 国际联合实验室, 功能食品资源研究与利用河南省教育厅科技创新团队, 河南 洛阳 471023
2 中原食品实验室, 河南 漯河 462300
乙醇脱氢酶(ADH)在酒精代谢过程中起着关键作用, 通过激活ADH活性可以促进人体对乙醇的吸收, 进而解酒保肝。 对ADH与表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)的相互作用进行探究, 采用紫外可见光谱、 荧光光谱、 傅里叶变换红外光谱等多光谱法和分子对接法研究了ADH与EGCG的结合机理, 采用差示扫描量热仪测定ADH 和EGCG-ADH复合物的热变性温度, 进而分析二者的热稳定性变化, 并通过扫描电镜表征EGCG-ADH复合物的形貌和结构。 研究表明, EGCG激活了ADH的催化活性, 激活率为33.33%。 EGCG作用于ADH引起其微环境变化和二级结构变化, 形成了结合位点数接近于1的复合物, 范德华力和氢键对其稳定性起着重要作用; 相较于ADH, EGCG-ADH的二级结构中α-螺旋含量降低而β-折叠含量升高; 分子对接结果进一步证实了EGCG苯环羟基与周围氨基酸之间的氢键有利于保持配合物的稳定性, 而EGCG和ADH之间存在的范德华力和正烷基是ADH活性被激活的主要原因。 结果证明EGCG通过与ADH结合, 激活ADH的催化活性, 可为制备更加安全高效的解酒剂替代品提供理论指导。
乙醇脱氢酶 表没食子儿茶素没食子酸酯 相互作用 光谱法 分子对接 Alcohol dehydrogenase (ADH) Epigallocatechin gallate (EGCG) Interaction Spectroscopic Molecular docking 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3622
红外与激光工程
2023, 52(10): 20230038
