选取对人体有重要作用的三种糖类化合物, 采用高分辨率太赫兹时域光谱系统与傅里叶变换红外光谱系统, 在较宽的频谱范围内, 对样品进行测谱分析; 实验发现无水葡萄糖在1.10, 1.30, 1.45, 1.79, 1.88, 1.97, 2.08, 2.40, 2.55, 2.70, 2.84 , 2.96, 3.24, 3.64和4.23 THz频率处存在特征吸收, 无水果糖在1.09, 1.33, 1.65, 2.14, 2.62, 2.97, 3.24, 4.75, 6.97, 7.35, 7.98, 8.36, 9.16, 9.32, 9.53和9.73 THz频率处存在特征吸收, 无水半乳糖在2.21, 2.33, 2.70, 2.82, 3.17, 3.42, 3.93, 4.51, 5.07, 5.96, 6.60, 6.91, 8.03, 8.71和9.01 THz频率处存在特征吸收。 对掺杂不同比例葡萄糖、 果糖、 半乳糖与聚乙烯样品的实验结果做定量分析, 发现在测得的上述特征吸收频率处, 随化合物样品质量分数的增加, 样品的吸收系数或吸光度呈线性递增。 实验进一步得到无水葡萄糖与无水果糖在2.96 THz存在共同的特征吸收, 无水葡萄糖与无水半乳糖在2.33, 2.70和2.82 THz三处存在共同的特征吸收, 无水果糖与无水半乳糖在8.00 THz处存在共同的特征吸收, 而无水葡萄糖、 果糖、 半乳糖三者在3.20 THz处存在共同的特征吸收。 三种化合物具有相同的分子式, 所以三者都具有的3.20 THz特征吸收频率主要源于分子内相互作用, 反应同分异构体相同的化学键或者基团。 三者特征吸收频率的差异主要源于分子结构以及分子间相互作用的不同, 代表同分异构体结构以及分子间振动模式的差异。 通过分析三种糖类样品的实验测量结果, 预测了葡萄糖在4.70, 5.30, 5.60, 5.98, 7.03, 7.85, 8.26, 8.71和9.01 THz处存在特征吸收。 基于密度泛函理论, 采用CASTEP量子化学计算软件对三种化合物进行理论模拟, 对样品在THz波段的特征吸收进行指认, 计算得到的结果与实验结果吻合, 这表明了CASTEP晶体模拟软件在化合物的THz光谱模拟方面应用的可行性。
太赫兹光谱系统 糖类化合物 透射光谱 特征吸收频率 CASTEP软件模拟 Terahertz spectral system Sugar compounds Transmission spectra Characteristic absorption frequency CASTEP simulation 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2391
1 杭州医学院 医学影像学院, 浙江 杭州 310053
2 云南大学 物理与天文学院, 云南 昆明 650500
3 安徽省繁昌第一中学, 安徽 芜湖 241200
4 同济大学 物理科学与工程学院, 上海 200092
5 昆明物理研究所, 云南 昆明 650223
采用多坩埚温度梯度法(Multi-crucible temperature gradient technology,MC-TGT)制备了Dy3+掺杂氟化镧(Dy3+∶LaF3)晶体。通过电感耦合等离子体发射光谱仪、透射光谱、吸收光谱、荧光光谱等手段对Dy3+在LaF3晶体中的实际掺杂浓度、中红外透过光谱、可见光波段光谱特性等进行了研究。实验结果表明, Dy3+在LaF3晶体中的分凝系数约为0.8; 格位浓度随着Dy3+掺杂浓度提高而增加, 2%Dy∶LaF3晶体中的格位浓度达5.90×1020 ions·cm-3。在1%Dy∶LaF3晶体中, 采用400 nm光激发, 发光中心波长位于601 nm的发射谱带强度最大, 位于511 nm的发射峰最宽, 半高宽达152 nm; 改用450 nm光激发, 最强发射峰移至677 nm, 最宽发射峰位于568 nm处。提高Dy3+掺杂浓度到2%, 采用400 nm或450 nm光激发, 发光中心波长均位于478 nm和571 nm。在透射光谱2.5~9 μm范围内, Dy∶LaF3晶体(厚度为0.96 mm)红外波段透过率达85%以上。Dy∶LaF3晶体有望在可见光、中红外等激光领域得到应用。
温度梯度法 镝离子 氟化镧晶体 中红外透过光谱 荧光光谱 temperature gradient technology Dy3+ LaF3 crystal mid-infrared transmission spectra photoluminescence
1 中国科学院上海技术物理研究所传感技术国家重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
3 上海科技大学信息科学与技术学院, 上海 201210
4 中国科学院大学, 北京 100049
为了研究多层结构高铝组分AlGaN薄膜材料的光学性能,并计算得到相关光学参数,本文基于多层膜传输矩阵方法,对两个样品的透射光谱进行了拟合。根据AlGaN材料对不同波长入射光的吸收机制,并考虑了材料在带外的弱吸收,建立了全波段(200~800 nm)范围内的吸收系数模型,同时引入表面粗糙度均方根参数来表征材料表面粗糙度对透射谱的影响。采用所建模型对结构参数不同的两个Al0.65Ga0.35N样品的透射谱进行拟合,拟合结果与实验结果的一致性较好。本文得到的全波段范围内Al0.65Ga0.35N材料的吸收系数,为研究日盲紫外探测器的响应光谱提供了可靠的实验数据。同时,本文还得到了Al0.65Ga0.35N的膜层厚度、折射率、表面粗糙度等参数。
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 安徽大学, 安徽 合肥 230601
4 合肥学院, 安徽 合肥 230601
水体致病菌的快速识别和检测对于水质安全预警具有重要意义。以大肠埃希菌、肺炎克雷伯氏菌、金黄色葡萄球菌和鼠伤寒沙门氏菌为研究对象,对其多波长透射光谱进行测量,提出了一种基于相似学原理、余弦相似度、皮尔逊相关系数和联合相似度算法的水体细菌种类识别方法。结果表明:不同的相似度算法对不同细菌的光谱差异性的敏感度不同,相似学原理对肺炎克雷伯氏菌的识别率最高,可达98.2%;余弦相似度和皮尔逊相关系数对金黄色葡萄球菌的识别率均为100%;联合相似度算法可实现不同算法的优势互补,有效提高识别结果的可靠性与稳定性,对低浓度肺炎克雷伯氏菌、金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌和大肠埃希菌的识别率分别为98.2%、100%、94.1%和91.4%,对较高浓度的上述4种细菌的识别率分别为100%、100%、100%和96%。
光谱学 水体致病菌 多波长透射光谱 相似度算法 种类识别
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
快速准确获取水体细菌微生物浓度信息,对饮用水卫生安全监管具有重要意义。基于多波长透射光谱技术研究了水体细菌微生物浓度定量反演方法,并重点研究了光谱数据的归一化处理方法(颗粒浓度归一化、最大值归一化、积分归一化、平均归一化)对水体细菌微生物浓度反演结果准确性的影响。基于Mie散射理论建立了大肠埃希氏菌(大肠杆菌)多波长透射光谱解析模型,通过对归一化后的光谱进行解析,获取了大肠杆菌的结构信息,并以此构建出单种细菌的多波长透射参考光谱;根据测量光谱与单种细菌参考光谱的相关性反演细菌浓度,并对比分析了不同归一化处理方法下细菌浓度反演结果的准确性。研究结果表明:与平板菌落计数法相比,平均归一化光谱反演细菌浓度的最大相对误差为0.92%,平均相对误差为0.70%,线性相关系数达到0.9984,其准确性和稳定性均为最优。本研究为水体细菌微生物的快速定量检测与预警提供了基础数据。
光谱学 多波长透射光谱 细菌微生物 光谱归一化处理 定量检测
1 北京农业智能装备技术研究中心, 北京市农林科学院, 北京 100097
2 重庆邮电大学, 重庆 400065
水体COD的光谱学传感技术是现代环境监测的一个重要发展方向, 与传统的分析方法相比, 光谱分析技术更具有可连续监测、 可在线监测和检测快速的明显优势, 适合对环境水样COD的定点实时监测。 分别获取水样的紫外吸收光谱和近红外光谱, 通过不同的光谱预处理方法结合偏最小二乘法、 多元线性回归法建立水样的COD定量预测模型, 对水体COD的紫外和近红外光谱的定量预测及相关模型参数进行分析, 发现用S-G平滑处理后的紫外光谱和近红外光谱建立的PLS模型均得到最佳预测效果, 预测集R2分别为0.992 1和0.987 7, RMSEP分别为10.438 6和5.972 0。 紫外和近红外光谱法的MLR模型预测效果较差, 预测集R2分别为0.928 0和0.957 3。 通过实验结果综合对比分析, 紫外吸收光谱在280～310 nm谱区建模预测性能较好, 近红外光谱在7 250～6 870 cm-1谱区建模预测性能较好, 紫外光谱对应定量预测模型的决定系数较高, 而近红外光谱的稳定性和重复性更好。 研究表明光谱传感技术可用于环境实际水体COD的定量预测分析, 为开发便携式水体检测设备奠定了理论基础。
紫外吸收光谱 近红外透射光谱 预测模型 COD COD Ultraviolet absorption spectrum Near infrared transmission spectra Prediction model 光谱学与光谱分析
2017, 37(9): 2724
1 山西大学物理电子工程学院,山西 太原 030006
2 山西大学计算中心,山西 太原 030006
本文设计并提出一种基于金属-介质-金属结构的带有半环形共振腔的表面等离子体光波导滤波器,利用数值模拟的方法研究了其传输特性。结果表明,在该结构传输谱曲线中形成的滤波阻带位置可以通过改变半环形共振腔的半径来调整。另外由于结构固有的特性,在传输谱曲线上还可以观察到类似等离子体感应透明的传输特性,而且这一特性可以通过改变半环形共振腔与直波导之间的耦合间距和采用面对面放置的双半环结构进行调节。本文所设计的结构可以动态控制光的传输,并可以应用于紧凑型纳米光学器件集成领域。
表面等离子体光波导 滤波器 传输谱 Surface plasmon waveguide filter transmission spectra
兰州大学 信息科学与工程学院 现代通信技术研究所, 兰州 730000
基于表面等离子激元理论与金属-介质-金属波导结构提出一个由开口方环共振空腔、挡板及MIM波导组成的波导结构, 并使用有限元方法系统地研究了该结构的透射特性.仿真计算结果表明：该结构可以产生法诺共振现象, 其共振波长可以通过改变开口方环空腔的长度及开口大小进行调节, 该结构敏感度可达1 600 nm/RIU,品质因数为1.31×105.此外, 通过调整方环共振空腔上开口的位置, 在波导中产生了双重法诺共振现象, 其敏感度可达1 700 nm/RIU, 品质因数为8.3×104.该结构有望在光学集成回路, 尤其是纳米生物传感器方面得到比较广泛的应用.
表面等离子激元 开口方环谐振腔 法诺共振 介质波导 传输谱 品质因数 光学传感与传感器 Surface plasmon polaritons Square split-ring resonance cavity Fano resonance Dielectric waveguide Transmission spectra Figure of merit Optical sensing and sensors
湖南城市学院通信与电子工程学院, 湖南 益阳 413000
为实现多通道光滤波功能，设计对称嵌套式一维光子晶体量子阱(BAB)k (AB)m (BAB)n (BA)m (BAB)k ，采用传输矩阵法计算透射谱，分析了阱的周期数及折射率对透射峰的影响。结果表明，量子阱主禁带内出现三组透射峰，由于外阱(AB)m 和(BA)m 之间的相互耦合，使第2 组和第3 组透射峰具有双线结构，透射峰的数目、位置及双线之间的间隔受阱的周期数和折射率调控。禁带内总计有2m+n+3(m 取奇数)或2m+n+1(m 取偶数)条窄透射峰。无论是内阱还是外阱的周期数增大，双线间距都会减小，且透射峰都向中心频率靠近。随着高折射率介质的折射率增大，双线间距减小，透射峰远离中心频率；随着低折射率介质的折射率增大，双线间距增大，双线透射峰向中心频率靠近。这些特性对多通道光滤波器的设计具有一定的指导意义。
材料 对称嵌套式光子晶体量子阱 传输矩阵法 多通道滤波器 透射谱 激光与光电子学进展
2016, 53(4): 041601
上海理工大学理学院光电功能薄膜实验室, 上海 200093
基于耦合模理论, 首先研究了镀膜长周期光纤光栅(LPFG)高阶包层模的模式转换, 划分了高阶包层模的非模式转换区及模式转换区。 分析了高阶包层模有效折射率随薄膜厚度增加的响应特性, 包层模谐振波长在模式转换区的偏移量要大于非模式转换区。 在此基础上, 研究了不同包层半径下高阶包层模谐振波长随光栅周期的变化情况, 结果表明, 相同包层半径下模式转换区内双峰间距的偏移量大于非模式转换区;无论在模式转换区还是非模式转换区, 包层半径的减小将增加双峰间距的偏移量。 最后分析了不同包层半径下的高阶包层模双峰透射谱在模式转换区及非模式转换区内的折射率响应, 进而提出了薄包层镀膜LPFG的优化设计方案, 当选定敏感膜层厚度及折射率处于镀膜LPFG的模式转换区内, 光栅周期靠近相位匹配转折点时, 将得到灵敏度高于传统LPFG双峰传感器的镀膜LPFG折射率型双峰传感器;而减小包层半径, 将进一步提高传感器的分辨本领。
薄包层镀膜长周期光纤光栅 透射谱 模式转换 双峰谐振效应 灵敏度 Coated cladding-reduce long-period fiber grating Transmission spectra Mode transition Dual-peak resonant Sensitivity 光谱学与光谱分析
2015, 35(11): 3230
