量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2021年第5期

• 飞秒瞬态吸收光谱技术及应用

  王野,张嵩,∗,张冰

  超快激光技术的出现极大地促进了人们对众多研究领域中超短时间尺度 (例如飞秒) 的微观过程的深入理解。详细介绍了基于飞秒时间分辨的瞬态吸收光谱技术与原理, 并结合本课题组的工作, 展示了该方法在凝聚相分子体系中量子态演化过程及其相互作用研究中的应用, 特别是对激发态电子能量弛豫、波包演化过程、能量转移过程、质子/电荷转移以及分子激发态结构动力学等微观机制的研究，表明该方法可以广泛应用到物理、化学、材料、生物、环境等交叉研究领域。最后, 对该技术的发展前景以及未来研究方向进行了展望。

• 基于光学调频连续波的气体光谱检测技术研究进展

  娄秀涛,王玥,卢辉辉,董永康∗

  激光吸收光谱 (LAS) 技术具有定量性好和操作便捷的优势, 已成为目前最为广泛使用的激光光谱气体检测技术, 但在许多实际应用中, 传统的 LAS 在光程精确测定、多点气体检测和大动态范围检测等方面的指标仍不能满足需求。介绍了一种基于光学调频连续波 (FMCW) 技术的气体光谱检测方法, 该方法将 FMCW 技术引入到 LAS 中, 在充分利用 FMCW 精确定位能力的同时, 挖掘光学 FMCW 信号中的吸收光谱信息。详细介绍了光学FMCW 气体光谱检测技术的基本原理, 总结了本课题组采用该技术在多通池内气体吸收光谱和光程同步测量、多点式气体检测和大动态范围气体检测三个方面的最新研究进展, 并对下一步研究工作做了展望。

• NO2 差分吸收激光雷达技术研究进展

  成远,张振,华灯鑫,宫振峰,梅亮∗

  二氧化氮 (NO2) 是一种重要的大气污染物, 严重危害人体健康以及生态系统, 实现 NO2 浓度空间分布探测对大气环境监测与治理具有重要意义。作为一种主动式光学遥感探测技术, 差分吸收激光雷达 (DIAL) 技术可实现大气痕量气体水平和垂直空间分布探测、高架源排放气体监测等, 在大气环境监测领域具有重要应用价值。 DIAL 技术通过可调谐激光器向大气中交替发射两束波长相近的激光, 一束激光的波长位于待测气体吸收峰 (λon) , 另一束激光的波长偏离待测气体吸收峰 (λoff)。根据待测气体对波长为 λon和 λoff 的激光的吸收程度不同, 可通过分析大气后向散射信号的比值从而获得待测气体浓度。详细介绍了 NO2-DIAL 技术的基本理论及测量误差, 并系统性地回顾了 NO2-DIAL 技术的发展历程, 最后对 NO2-DIAL 技术进行了总结和展望。

• 光声光谱测量气溶胶光吸收研究进展

  曹渊,彭杰,王瑞峰,刘锟∗,高晓明,

  气溶胶与太阳辐射以及气溶胶与云之间的复杂相互作用, 使得气溶胶对气候有着重要的影响。评估气溶胶对气候效应的影响依赖于气溶胶光学特性的准确信息。由于缺乏合适的仪器和方法, 气溶胶的光吸收一直是一个难以准确测量的参量, 从而导致当前气溶胶对气候效应影响的评估仍带有很大的不确定性。光声光谱因其信号只与样品的光吸收有关, 不受散射的影响, 因此非常适合气溶胶光吸收的测量, 被认为是测量气溶胶光吸收特性最有效的方法之一。对光声光谱测量气溶胶光吸收特性的研究进展进行了综述, 并对近年来发展的新技术进行了重点介绍和分析, 可为相关领域的研究人员提供参考。

• 微型多通池的设计及研究进展

  胡勇勇,崔茹悦,武红鹏,董磊,∗

  多通池 (MPC) 作为可调谐半导体激光吸收光谱 (TDLAS) 技术的核心器件, 用于增加探测光束与待测气体样品之间的相互作用距离, 从而提高探测灵敏度。近年来, 随着激光光谱传感器对小型化、便携性的需求逐渐增加, 小体积且长光程的多通池成为当前的研究热点。对当前主流发展的多通池设计原理和应用研究进行了综述, 首先介绍了目前国际上常用的赫里奥特多通池理论计算模型和基于球面镜像差理论的双球面镜多通池计算模型, 进而讨论了基于微型多通池和可调谐半导体激光的吸收光谱传感系统的搭建，以及小体积、长光程多通池的性能优势, 最后展望了微型多通池的发展方向与应用前景。

• 光学多通池的研制及应用

  方波,赵卫雄∗,杨娜娜,王春晖,周昊,张为俊,

  光学多通池具有结构简单、光路对准容易、光谱通用性高、鲁棒性好及成本低等优势，是增加吸收光程最有效的手段之一, 可以显著提高吸收光谱的探测灵敏度。简要总结了不同类型光学多通池的基本原理,重点介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所张为俊研究员团队使用光线追迹研制的 200 m光程像散镜池、59.7 m 光程 Herriott 池、大于 200 m 光程密集光斑型球面镜池以及带有便携稳定调节机构的 Chernin 池，详述了这些多通池的研制方法及其在激光吸收光谱探测中的应用。

• 基于连续波腔衰荡光谱的CO2气体分析装置研制

  马维光周晓彬许非田建飞周月婷刘建鑫赵刚

  连续波腔衰荡光谱技术 (CW-CRDS) 可以实现对痕量气体的高灵敏检测。基于 (CW-CRDS), 采用近红外分布反馈式二极管激光器 (DFB-DL) 和半导体光放大器 (SOA), 使用自主设计的高精细度 Fabry– Perot ´ 腔、激光驱动器、阈值检测电路, 实现了紧凑型气体分析装置的设计。其中 SOA 在放大激光功率、提升衰荡信号信噪比的同时, 还作为光开关, 用于触发衰荡事件。整个系统集成在一个 700 mm × 300 mm × 185 mm 的定制机箱中, 基于该装置测量了位于 6359.97 cm−1 处的 CO2 气体, 对空腔衰荡的时间序列分析结果显示系统的探测极限为 3.85×10−8 cm−1。

• 椭球形共振光声池设计及性能评估

  张楚,潘浩,尹翔宇,王巧云,∗

  提出一种新型椭球形共振光声池, 利用有限元分析软件建立其声学特征模型, 对光声池的共振频率、谐振腔内的声压分布进行仿真。根据乙炔 (C2H2) 气体在近红外区吸收谱线的分布, 选取 1532.83 nm 作为 C2H2 的测量谱线, 采用可调谐分布式反馈 (DFB) 半导体激光器作为光源。利用法布里-珀罗(F-P)光纤声波传感器对声压信号进行采集, 开展对椭球形光声池性能指标的测试。实验结果表明: 椭球形光声池信噪比为 34, 检测极限灵敏度达到1:47 × 10−9, 品质因数为 45.5。由此得出, 该结构提高了系统的灵敏度, 使光声池的性能有了明显提升, 有助于提高光声光谱法痕量气体的检测灵敏度。

• 基于中红外激光吸收光谱技术的微量乙炔检测研究

  刘立富,冯雨轩,陈东,晏明月,吴强∗

  基于可调谐半导体中红外激光吸收光谱技术与长光程多次反射技术的有机结合, 利用乙炔 (C2H2) 气体位于中红外波段 3025.7 nm 附近的吸收谱线, 实现了 nmol/mol 级微量 C2H2 气体的快速实时检测。通过 DDS 芯片 AD9958 产生高频正弦波与三角波信号叠加, 经恒流电路实现对带间级联激光器的稳定驱动, 采用 HgCdTe 光电检测器接收中红外激光, 通过集成锁相放大器提取目标信号。基于 White 型多次反射与平面反射的组合设计了一款长光程吸收池, 测量光程达到 19.2 m, 进一步降低了 C2H2 检出限。在实验室对 0 ∼ 1000 nmol/mol 微量C2H2 进行了初步测试, 结果表明线性误差不超过 ±1% F.S., 检出限达到 0.29 nmol/mol, 表明该方法具有测量准确性高、测量不受背景气体交叉干扰和使用方便等优势。

• 基于 EMD 的中红外 TDLAS 检测低浓度 NO 优化方法研究

  田川,邹丽昌,阮斌,黄俊,邓瑶,阮真,卢志民,姚顺春,∗

  为了实现低浓度 NO 的高灵敏检测, 选用中心波长位于 5.18 µm 的量子级联激光器 (QCL) 和光程为25 cm 的单光程气体池, 设计并搭建了 NO 的可调谐二极管激光吸收光谱 (TDLAS) 检测系统。为降低系统噪声的影响, 以提高 NO 的检测灵敏度, 并降低检测下限, 研究了对波长调制光谱 (WMS) 的二次谐波 (2 f ) 信号进行滤波降噪的经验模态分解 (EMD) 算法, 识别并去除被检测信号中隐藏的高频噪声和光学条纹, 并与其他几种常用的滤波方法对 2 f 信号的降噪效果进行了比较。在此基础上开展了NO连续监测实验, 采用 Allan方差分析比较了EMD滤波降噪前后系统的稳定性和检测下限。研究结果表明: EMD 降噪后检测系统的响应线性度达到 0.999; 体积浓度为 30 × 10−6 的 NO 检测浓度波动范围由 29:424 × 10−6 ∼ 33:184 × 10−6 缩小至29:585 × 10−6 ∼ 31:273 × 10−6, 相对误差范围由 0.17%∼10.61% 降低至 0 ∼ 4:24%; 在 1.5 s 的平均时间内, 系统检测下限由 653 × 10−9 降至 442 × 10−9 ; 在最佳平均时间下, 系统检测下限由 272:7 × 10−9 降至 185:5 × 10−9 , 证明了此方法可以有效提高检测系统的 NO 检测准确度、灵敏度, 进一步降低了检测下限。

• 腔增强拉曼光谱方法检测痕量氢气

  仰青颖,程存峰,孙羽,刘安雯,胡水明,∗

  氢气作为潜在的能源载体和工业材料，在众多领域发挥着日益重要的作用。在很多应用中, 对氢气的检测需要有更高的灵敏度、更快的响应和更大的动态测量范围。腔增强拉曼光谱法 (CERS) 通过 Pound-DreverHall (PDH) 稳频技术将激光和高精细度的光学谐振腔锁定, 实现了 1900 倍的腔内功率增益, 用于痕量氢气的检测。在 7 mW 的激光输入功率下, 当积分时间为 100 s 时, 自行搭建的腔增强拉曼光谱装置对 H2 的检测限为 2Pa。实验结果还表明拉曼散射强度与激光功率和气体压力具有良好的线性关系, 示范了 CERS 方法高精度气体定量分析的潜力。

• 甲烷/氮气辉光放电产物的红外吸收光谱研究

  钱佳丽,黄晓东,刘珂,邓伦华∗

  甲烷 (CH4) 和氮气 (N2) 是很多类地星体的主要气体成分, HCN、 CN、 C2H2 等分子是以这两种混合气体为母体的主要产物。实验利用 CH4/N2 放电等离子体模拟主要产物分子的形成过程, 并基于中红外波长调制吸收光谱技术, 通过测量 HCN 和 C2H2 的吸收光谱研究了其浓度演化过程。实验结果表明 HCN 和 C2H2 的相对浓度依赖母体分子中的 C/N 比例。母体分子中 N2 过量有利于 HCN 的生成, 而 CH4 过量有利于 C2H2 的形成。 CH4 和 N2 的浓度配比实验表明, HCN 的主要生成途径为 CH3+N!HCN+H2。此外, CH4/N2 辉光放电生成的 C2H2 也可能进一步与 N2 结合生成 HCN。

• 激光吸收光谱技术在大肠杆菌生长测量中的应用

  卢俊城,杨朝凤,管祖光,陈达如,邵杰,∗

  将高灵敏的激光吸收光谱技术应用于微生物生长测量领域, 实现了对以大肠杆菌为例的微生物生长过程实时监测和生长曲线的绘制。设计并搭建了一套实验测量装置, 对大肠杆菌生长过程中新陈代谢产生的 CO2的二次谐波信号进行实时监测并拟合, 测量获取了大肠杆菌在 25、 26、 29、 32、 34、 37、 43 ◦C 培养条件下的生长曲线。实验结果表明测得的生长曲线能够准确反映大肠杆菌在不同温度下生长调整期、对数期、稳定期及衰亡期的时间, 证明了基于激光吸收光谱技术的微生物生长代谢产物 CO2 法可以很好地应用于微生物生长测量领域。

• 三氯化硼离子C2A′′2 态光电子谱的理论研究

  宁小寒,于同坡,陈燕,单宝坤,周晓国∗,刘世林

  应用密度泛函理论对 BCl+ 3 离子 C2A′′ 2 态的电子能谱进行了深入研究。在 aug-cc-pvtz 基组下, 分别使用PBE0、 !B97XD、 M06-2X 三种泛函优化了中性 BCl3 分子、 BCl+ 3 离子基态 X2A′ 2 以及 C2A′′ 2 态的分子结构, 并计算了相应振动频率和电离过程 BCl3(X1A1) →BCl+ 3 (C2A′′ 2 ) 跃迁的 Franck-Condon 因子, 从而得到了该跃迁对应的拟合电子能谱。通过与已有的高分辨实验电子能谱对比, 实现了 BCl+ 3 离子 C2A′′ 2 态实验光谱的高精度光谱拟合, 进而对实验振动序列做了清晰可靠的归属, 得到 BCl+ 3 离子 C2A′′ 2 态的绝热电离能 AIE、垂直电离能 VIE 分别为 (14.298±0.028) eV、 (14.405±0.028) eV, 从而修正了已报道电离能的错误数据。