基于高灵敏激光吸收光谱技术的稳定气态同位素测量及其应用(特邀) 被引量：1

1

作者 张志荣 夏滑 +12 位作者 孙鹏帅 余润磬 杨曦 林雨晴 吴边 庞涛 郭强 李哲 刘旭 蔡永军 SIGRIST Markus W CALSHAW Brain 徐启铭 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期119-135,共17页

稳定同位素测量技术已经在地球化学、地球物理、农业、生物、临床医学和生态科学等领域得到了众多应用。相对于传统的稳定同位素分析方法,基于激光吸收光谱技术的同位素分析技术,作为一种较新的同位素丰度测量方法,具有选择性好、精度... 稳定同位素测量技术已经在地球化学、地球物理、农业、生物、临床医学和生态科学等领域得到了众多应用。相对于传统的稳定同位素分析方法,基于激光吸收光谱技术的同位素分析技术,作为一种较新的同位素丰度测量方法,具有选择性好、精度高、体积小、无需样品预处理、可以实时原位同时测量气体浓度及同位素丰度等众多优点,得到了极大的关注和使用。本文主要以目前同位素测量的可调谐半导体激光吸收光谱技术、积分腔吸收光谱技术、腔衰荡吸收光谱技术三种激光吸收光谱方法为例,阐述了其基本原理、谱线选择、温压影响因素及其控制、系统组成结构以及部分应用测试结果。通过对测量系统的压力与温度的稳定控制的前提下,选取了合适的同位素测量谱线对,实现了大气CO_(2)气体的13C测量精度为0.3‰,煤层气CH4气体的13CH4测量精度为1.25‰,冰川水H_(2)O中18O、17O和2H的测量精度分别为0.3‰、0.2‰和0.5‰,以及呼吸气体中的13CO_(2)判识“金标准”。通过分析验证了激光吸收光谱技术在同位素测量方面的可行性和可靠性,也充分说明了基于激光吸收光谱技术的测量方法具有非常好的技术优势,将是光谱研究领域关注的重点内容,并在后续的科学研究中占据举足轻重的作用。 展开更多

关键词 气态同位素 可调谐半导体激光吸收光谱技术 积分腔吸收光谱技术 腔衰荡吸收光谱技术

下载PDF 职称材料

基于片状光束扫描的激光晶体内在缺陷表征方法

2

作者 钱梦雪 张志荣 +2 位作者 王华东 张庆礼 孙彧 《人工晶体学报》 CAS 北大核心 2024年第2期238-245,共8页

大尺寸激光晶体是高功率全固体激光器的关键组成部分,然而晶体生长过程中不可避免会产生气泡、包裹物等缺陷,影响激光器性能。为了快速、有效地评价晶体缺陷,本文搭建了基于片状光束扫描的晶体缺陷三维成像系统。系统中利用鲍威尔棱镜对... 大尺寸激光晶体是高功率全固体激光器的关键组成部分,然而晶体生长过程中不可避免会产生气泡、包裹物等缺陷,影响激光器性能。为了快速、有效地评价晶体缺陷,本文搭建了基于片状光束扫描的晶体缺陷三维成像系统。系统中利用鲍威尔棱镜对532 nm的点状激光进行整形以获取片状激光,通过远心镜头和CMOS探测器获取晶体缺陷产生的散射光,从而获取晶体缺陷的面分布情况,同时利用高精度位移平台进行面阵的逐一扫描,完成晶体的三维立体分布扫描。进一步结合数字图像处理技术,表征晶体缺陷的面分布特征,并重构晶体缺陷的体分布特征。基于上述系统对尺寸约为50 mm×50 mm×100 mm的Yb∶YAG晶体内在缺陷进行测量,最小缺陷检测分辨率能够达到38.69μm。本文为准确表征晶体的内在缺陷提供了新方法,同时也为晶体坯料的后期高精度加工提供了可视化的数据支撑。 展开更多

关键词 晶体缺陷 三维成像 鲍威尔棱镜 片状光束 图像处理

下载PDF 职称材料

激光吸收光谱气体检测中的干扰因素分析和温度校正方法研究

3

作者 张乐文 王前进 +4 位作者 孙鹏帅 庞涛 吴边 夏滑 张志荣 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期767-773,共7页

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)是一种非侵入式光谱检测技术,具有高选择性、高响应性和高分辨率等特点。根据分子光谱吸收原理,被检测气体所处环境温度的改变会引起分子吸收谱线强度的变化,进而影响气体浓度反演的准确性。为提高气体... 可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)是一种非侵入式光谱检测技术,具有高选择性、高响应性和高分辨率等特点。根据分子光谱吸收原理,被检测气体所处环境温度的改变会引起分子吸收谱线强度的变化,进而影响气体浓度反演的准确性。为提高气体在高温背景下浓度测量的准确性和真实性,选取工业过程常见的一氧化碳(CO)为目标气体,设计了基于波长调制技术多温度梯度(室温14~1100℃)的气体吸收光谱检测实验,与HITRAN数据库中光谱参数进行对比,并对结果进行校正和分析。同时,以探测信号有效扫描区域的线性度、标准差和残差平方和等参数为依据,分析了不同材质的窗片对高温实验的影响,通过升降温实验数据的分析,选择了降温梯度测量作为高温实验的最佳控温顺序。经过对标准浓度的CO进行高温实验,发现随着温度的升高,二次谐波(2f)幅值和吸收线强有相一致的下降趋势,符合理论公式的变化规律。经过分析校正后的2f幅值和温度呈现非相关性,实现了热背景下光谱检测的校正,验证了变温时2f幅值校正的准确性。该研究为光谱检测技术在高温背景下实际应用提供了一定的参考,尤其是对高精度工业炉内气体燃烧效率的动态评估具有极其重要的意义。 展开更多

关键词 可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS) 一氧化碳 窗片材质 二次谐波 温度校正

下载PDF 职称材料

基于目标轮廓自动校正的激光反射层析成像投影配准方法

4

作者 张鑫源 胡以华 +4 位作者 韩飞 石亮 徐世龙 陈友龙 王一程 《红外与毫米波学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期410-417,共8页

激光反射层析成像(Laser Reflective Tomography Imaging,LRTI)技术具有分辨率与距离无关的特点,在空间目标遥感中具有广阔的应用前景。在目标图像重构之前,多角度回波投影数据需要与目标旋转中心对齐,这就是投影配准技术。本文提出了... 激光反射层析成像(Laser Reflective Tomography Imaging,LRTI)技术具有分辨率与距离无关的特点,在空间目标遥感中具有广阔的应用前景。在目标图像重构之前,多角度回波投影数据需要与目标旋转中心对齐,这就是投影配准技术。本文提出了一种基于目标轮廓自动校正的投影配准方法,实验结果表明,该方法易于实现对简单目标旋转中心的自配准,能有效减少激光脉冲发射和探测器接收的随机抖动等造成的干扰,解决了图像模糊的问题,是一种LRTI多角度回波配准的新思路。 展开更多

关键词 激光雷达 反射层析 投影配准 轮廓自动校正

下载PDF 职称材料

目标区域局部特征和局部图像质量相结合的激光干扰效果评估 被引量：12

5

作者 孙可 叶庆 孙晓泉 《国防科技大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期24-30,共7页

为客观描述光电成像系统激光干扰效果,提出目标区域局部特征和图像质量相结合的干扰效果评估算法。图像的局部特征用特征点描述,图像质量用结构相似度指数描述。该算法利用特征点匹配算法确定场景图像中的目标区域,计算干扰前后目标区... 为客观描述光电成像系统激光干扰效果,提出目标区域局部特征和图像质量相结合的干扰效果评估算法。图像的局部特征用特征点描述,图像质量用结构相似度指数描述。该算法利用特征点匹配算法确定场景图像中的目标区域,计算干扰前后目标区域内特征点数量的变化、干扰后目标区域内未饱和面积所占的比重以及目标区域内图像的结构相似度指数,并将上述各参数相乘得到最终的评价指标。利用该方法对典型激光干扰图像进行评估,结果表明:在不同入射功率和不同光斑位置情况下,所提评估指标比单独使用结构相似度的评估指标具有更大的取值范围和更明显的非线性变化特征。这说明:该指标能够反映光电成像系统激光干扰过程的丰富细节,更加适合激光干扰效果的评估。 展开更多

关键词 激光干扰 效果评估 局部特征 图像质量 特征点匹配

下载PDF 职称材料

BaGa_(4)Se_(7)与KTiOAsO_(4)光参量振荡输出3.5μm激光性能对比

6

作者 孔辉 卞进田 +2 位作者 叶庆 徐海萍 孙晓泉 《国防科技大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第5期150-157,共8页

为对比新型非线性晶体BaGa_(4)Se_(7)(简称BGSe)和成熟商用非线性晶体KTiOAsO_(4)(简称KTA)所输出的中红外激光性能,使用1.06μm激光泵浦BGSe(56.3°,0°,type-Ⅰ)和KTA(90°,0°,type-Ⅱ-A)输出3.5μm激光。在泵浦光... 为对比新型非线性晶体BaGa_(4)Se_(7)(简称BGSe)和成熟商用非线性晶体KTiOAsO_(4)(简称KTA)所输出的中红外激光性能,使用1.06μm激光泵浦BGSe(56.3°,0°,type-Ⅰ)和KTA(90°,0°,type-Ⅱ-A)输出3.5μm激光。在泵浦光波长为1064 nm、脉宽为13 ns、光斑直径为4 mm、光参量振荡腔长为90 mm的条件下,实验测得KTA(L=20 mm)和BGSe(L=15 mm)的泵浦振荡阈值分别为52.6 mJ(理论值为46.11 mJ)和20.6 mJ(理论值为18.32 mJ);BGSe输出波长与温度的变化率Δλ_(2)/ΔT为3.20 nm/℃(理论值为2.49 nm/℃),KTA的Δλ_(2)/ΔT为0.073 nm/℃(理论值为0.077 nm/℃);实验测得BGSe的输出线宽为4.71 nm,KTA为2.45 nm。BGSe和KTA的泵浦阈值和温度调谐在理论和实验上吻合得较好,且结果表明:BGSe在这两个方面优于KTA;但KTA在输出窄线宽方面优于BGSe晶体。实验结果表明,BGSe是一种具有广泛应用前景的中远红外非线性晶体。 展开更多

关键词 KTiOAsO_(4) BaGa_(4)Se_(7) 中红外激光 温度调谐 线宽

下载PDF 职称材料

基于高速相位调制的菲涅耳场相位恢复

7

作者 张成 张莉茹 +2 位作者 朱进兵 江劲波 韦穗 《工程科学与技术》 EI CSCD 北大核心 2022年第4期235-243,共9页

多强度相位恢复方法通过改变光学成像系统中的物理参数获得不同的编码衍射图案,无需额外的先验知识即可实现相位的最佳收敛和高精度重建,然而现有多强度相位恢复方法在获取不同测量值的过程中,往往需要不断改变成像系统的物理结构,需要... 多强度相位恢复方法通过改变光学成像系统中的物理参数获得不同的编码衍射图案,无需额外的先验知识即可实现相位的最佳收敛和高精度重建,然而现有多强度相位恢复方法在获取不同测量值的过程中,往往需要不断改变成像系统的物理结构,需要精确移动或调整部分光学元件的空间位置,反复地对齐与校准显著增加了工作量,从而导致成像结构较为复杂。针对上述问题,本文提出基于高速相位调制的菲涅耳场编码衍射图案实时获取方法,该方法主要使用电可调透镜(ETL)或纯相位型硅基液晶(PLCoS)两种纯相位空间光调制器来进行相位的快速动态调制,通过自由空间传播到记录平面,由探测器获取强度信息,无需使用透镜装置或者改变成像系统的物理结构,最后使用WF算法从获取的多幅编码衍射图案中同时重建光场的振幅和相位。通过对远场(FF)和菲涅耳场(FrF)在不同迭代次数、不同掩膜数量、不同噪声水平以及不同算法下分别进行对比实验,验证了本文方法的有效性和鲁棒性。相比于传统多强度相位恢复方法,本文所提出的成像系统更为紧凑和简单,避免了反复对齐与校准的工作量,具有重要的应用潜力,尤其是电可调透镜(ETL)调制系统,可适用于高分辨率场景的高速记录。 展开更多

关键词 多强度 相位调制 菲涅耳场 相位恢复

下载PDF 职称材料

混合气体测量中重叠吸收谱线交叉干扰的分离解析方法 被引量：2

8

作者 王前进 孙鹏帅 +6 位作者 张志荣 张乐文 杨曦 吴边 庞涛 夏滑 李启勇 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2021年第14期157-166,共10页

在基于可调谐二极管激光吸收光谱技术(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)进行多种组分混合气体测量时,经常会遇到吸收谱线之间存在相互干扰的现象,这也是使用该技术测量过程中的主要“瓶颈”.比如在前期的应用中:微... 在基于可调谐二极管激光吸收光谱技术(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)进行多种组分混合气体测量时,经常会遇到吸收谱线之间存在相互干扰的现象,这也是使用该技术测量过程中的主要“瓶颈”.比如在前期的应用中:微量一氧化碳(CO)和甲烷气体(CH_(4))在同时检测时两者的吸收谱线存在严重的重叠干扰现象,特别是在高浓度CH_(4)存在的环境下,微量CO气体吸收信号会被干扰甚至湮没,无法实现有效解调,这是通过谱线选取所不能解决的问题.因此,针对此问题本文提出了基于支持向量回归模型,以CO和CH_(4)吸收谱线的严重重叠干扰问题为例,通过选择线性核函数建立CO支持向量回归模型和CH_(4)支持向量回归模型,可对CO和CH_(4)的混合气体吸收谱线进行解调,最终获得两种气体浓度的准确测量结果.通过实验分别实现了四种不同浓度CH_(4)环境下微量CO气体的检测,得到的CO和CH_(4)浓度(气体的体积分数)测量的绝对误差分别小于2×10^(-6)和0.2×10^(-2);通过不同浓度的固定配比实验分析,CO和CH_(4)气体的测量值与实际值之间的相关系数分别达到了0.998和0.9995,且CO和CH_(4)气体测量结果的绝对误差分别不超过2×10^(-6)和0.1×10^(-2),完全满足了混合气体的精确测量,为实现多场合混合气体目标的实时监测提出了解决方案. 展开更多

关键词 可调谐二极管激光吸收光谱 混合气体 谱线重叠 支持向量回归

下载PDF 职称材料

基于波形分解的激光反射层析成像优化方法

9

作者 刘一凡 胡以华 +4 位作者 徐世龙 王一程 韩飞 石亮 张鑫源 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第18期349-357,共9页

激光反射层析成像技术作为一种新型远距离、高精度的空间目标探测方法,在信噪比足够时具有成像分辨率与探测距离、接收口径相对无关的优势,在远距离空间探测领域的应用前景非常广阔,使得作为激光反射层析成像核心的成像优化方法更是成... 激光反射层析成像技术作为一种新型远距离、高精度的空间目标探测方法,在信噪比足够时具有成像分辨率与探测距离、接收口径相对无关的优势,在远距离空间探测领域的应用前景非常广阔,使得作为激光反射层析成像核心的成像优化方法更是成为了众多研究者关注的焦点。本文提出了一种基于波形分解方法的激光反射层析成像优化方法,该方法旨在通过波形分解方法抑制激光反射层析成像重构图像中的伪影和噪声,实现对激光反射层析成像结果的优化。实验结果表明,在使用同一组投影数据的情况下,优化前后的峰值信噪比分别为16.5和17.8,基于波形分解的激光反射层析成像优化方法能够有效提升重构图像的质量,并能够较好地消除重构图像中绝大部分环状伪影和噪声所带来的影响。 展开更多

关键词 遥感与传感器 反射层析 激光雷达 波形分解 图像优化

原文传递

连续波腔衰荡吸收光谱技术中的模式匹配研究 被引量：2

10

作者 李哲 张志荣 +4 位作者 夏滑 孙鹏帅 余润罄 王华东 吴边 《中国激光》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第4期174-183,共10页

对比了波长调制和腔长调制两种方式实现模式匹配的性能特点,通过测量空腔衰荡时间并进行Allan方差分析,得到两种调制方式的衰荡时间分别为(5.239±0.077)μs和(5.252±0.058)μs,该系统的吸收系数检测限为10^(-10)量级。对于甲... 对比了波长调制和腔长调制两种方式实现模式匹配的性能特点,通过测量空腔衰荡时间并进行Allan方差分析,得到两种调制方式的衰荡时间分别为(5.239±0.077)μs和(5.252±0.058)μs,该系统的吸收系数检测限为10^(-10)量级。对于甲烷气体浓度,通过步进式改变入射激光的波长,描绘了甲烷气体的吸收谱线,其检测限可达10^(-9)量级。利用波长调制和腔长调制方式得到环境中甲烷气体的浓度分别为1.868×10^(-6)和1.870×10^(-6)。实验结果表明,虽然波长调制和腔长调制均能实现模式匹配,完成痕量甲烷气体的测量,但是通过对比可知:腔长调制方式具有更高的测量精度和更低的浓度检测限;波长调制方式发挥了可调谐激光器的优势,结构相对简单,无需压电陶瓷等附加的机械结构。因此,在实际应用中可根据需求在测量性能和装置复杂度及成本之间进行取舍。 展开更多

关键词 光谱学 腔衰荡吸收光谱技术(CRDS) 模式匹配 波长调制 腔长调制 衰荡时间

原文传递

激光诱导表面周期性结构对铜薄膜红外发射特性的改变 被引量：4

11

作者 王田宇 卞进田 +2 位作者 李欣 孔辉 孙晓泉 《中国激光》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第4期264-271,共8页

金属铜在中红外波段的发射率极低,所以铜薄膜是一种性能优异且对抗被动式中红外热探测器隐身的材料,而在铜薄膜表面使用激光诱导表面周期性结构(LIPSS)可以显著提高其在中红外波段的发射率。首先使用双温方程模型模拟LIPSS形成过程中材... 金属铜在中红外波段的发射率极低,所以铜薄膜是一种性能优异且对抗被动式中红外热探测器隐身的材料,而在铜薄膜表面使用激光诱导表面周期性结构(LIPSS)可以显著提高其在中红外波段的发射率。首先使用双温方程模型模拟LIPSS形成过程中材料软化的过程,然后使用波长为1064nm的偏振脉冲激光在融石英基底上的铜薄膜表面诱导产生周期为波长量级的LIPSS,最后基于实验产生的铜薄膜LIPSS搭建仿真模型并对其在近红外和中红外波段的发射率进行分析。模拟结果表明,铜薄膜LIPSS的产生可以显著提高其在中红外波段的发射率,该方法可以实现铜薄膜对被动式中红外热探测器的隐身。 展开更多

关键词 激光光学 激光损伤 激光诱导表面周期性结构 中红外激光 发射率 反隐身

原文传递

激光诱导表面周期性结构的研究进展 被引量：2

12

作者 王田宇 李欣 +1 位作者 卞进田 孙晓泉 《激光与光电子学进展》 CSCD 北大核心 2021年第7期92-105,共14页

激光诱导表面周期性结构(LIPSS)是固体材料的一种普遍特性。材料表面的LIPSS可以改变材料的性质,利用这些特性可以实现许多特殊功能。本文总结近年来关于LIPSS的代表性文章,首先以激光作用下表面能量排布和物质流动方式作为切入点,从理... 激光诱导表面周期性结构(LIPSS)是固体材料的一种普遍特性。材料表面的LIPSS可以改变材料的性质,利用这些特性可以实现许多特殊功能。本文总结近年来关于LIPSS的代表性文章,首先以激光作用下表面能量排布和物质流动方式作为切入点,从理论上解释LIPSS的形成原理;然后阐述薄膜表面与刻蚀材料表面上形成LIPSS的研究工作,以及激光参数对形成LIPSS的影响;最后介绍LIPSS在现代工业中,如制备特殊晶体、超亲水/疏水材料和医学材料等方面的应用情况。本文从以上三个方面对近年来LIPSS相关领域的研究进行了梳理和归纳,对LIPSS相关技术在未来的发展进行展望。 展开更多

关键词 材料 激光损伤 激光诱导表面周期性结构 激光加工 纳米图形制造

原文传递

干燥方法对人工制备生物气溶胶消光性能的影响

13

作者 王新宇 胡以华 +4 位作者 杨星 顾有林 何海浩 丁婉莹 王鹏 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第17期216-226,共11页

通过建立具有丰富结构细节的生物颗粒形态模型,利用Kramers-Kronig算法、离散偶极子近似方法和蒙特卡罗算法计算了冷冻干燥和热风烘干两种干燥方法对BB0819生物气溶胶消光性能的影响,并通过傅里叶变换和红外光谱方法分析了由两种干燥方... 通过建立具有丰富结构细节的生物颗粒形态模型,利用Kramers-Kronig算法、离散偶极子近似方法和蒙特卡罗算法计算了冷冻干燥和热风烘干两种干燥方法对BB0819生物气溶胶消光性能的影响,并通过傅里叶变换和红外光谱方法分析了由两种干燥方法所得孢子形成的生物气溶胶内部组成和蛋白质结构的差异,进一步解释了消光性能变化的原因。通过气溶胶室实验证明了仿真结果的可靠性,实验结果显示:在中红外波段,选用冷冻干燥孢子所形成的生物气溶胶可在3 min内将平均透过率从11.95%降至9.14%;在远红外波段,选用热风烘干孢子所形成的生物气溶胶可在3 min内将平均透过率从34.38%降至26.03%。研究结果阐明了干燥方法对人工制备生物气溶胶消光性能的影响,为在制备过程中提升生物气溶胶消光性能提供了有效参考。 展开更多

关键词 材料 生物气溶胶 消光性能 散射 吸收 干燥方法

原文传递

3.5μm KTiOAsO_(4)光参量振荡器温度调谐特性 被引量：3

14

作者 卞进田 孔辉 +2 位作者 徐海萍 叶庆 孙晓泉 《中国激光》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第4期249-255,共7页

对3.5μm KTiOAsO_(4)光参量振荡器(KTA-OPO)的温度调谐性能进行研究,仿真计算不同温度下KTA的相位匹配曲线,以及光束与z轴的夹角θ与调谐斜率的对应关系。仿真结果表明,随着θ值的增大,闲频光的峰值波长呈单调递增的趋势,调谐斜率呈单... 对3.5μm KTiOAsO_(4)光参量振荡器(KTA-OPO)的温度调谐性能进行研究,仿真计算不同温度下KTA的相位匹配曲线,以及光束与z轴的夹角θ与调谐斜率的对应关系。仿真结果表明,随着θ值的增大,闲频光的峰值波长呈单调递增的趋势,调谐斜率呈单调递减的趋势,且I类相位匹配的调谐斜率普遍大于Ⅱ类。对于非临界相位匹配(NCPM)KTA-OPO,对其温度调谐性能进行理论和实验研究。实验结果表明,当温度从30℃升高到180℃时,在II类相位匹配的条件下,闲频光的峰值波长从3463nm移动到3474nm,调谐斜率为0.073nm/℃,理论上的调谐斜率为0.077nm/℃,实验与理论计算结果相符,说明非临界相位匹配KTA-OPO在不同温度下的中红外闲频光输出波长受到温度的影响小,环境适应性强。 展开更多

关键词 激光器 3.5μm激光 光参量振荡器 KTiOAsO_(4)晶体 温度调谐

原文传递