Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Modern Optics, Eye Institute, Nankai University, Tianjin 300350, China
2 Tianjin Key Laboratory of Micro-scale Optical Information Science and Technology, Tianjin 300350, China
3 Tianjin Key Laboratory of Optoelectronic Sensor and Sensing Network Technology, Tianjin 300350, China
The effects of turbulence intensity and turbulence region on the distribution of femtosecond laser filaments are experimentally elaborated. Through the ultrasonic signals emitted by the filaments, it is observed that increasing turbulence intensity and an expanding turbulence active region cause an increase in the start position of the filament and a decrease in filament length, which can be well explained by theoretical calculation. It is also observed that the random perturbation of the air refractive index caused by atmospheric turbulence expands the spot size of the filament. Additionally, when the turbulence refractive index structure constant reaches , multiple filaments are formed. Furthermore, the standard deviation of the transverse displacement of filament is found to be proportional to the square root of the turbulent structure constant under the experimental turbulence parameters in this paper. These results contribute to the study of femtosecond laser propagation mechanisms in complex atmospheric turbulence conditions.
femtosecond laser filamentation turbulence Chinese Optics Letters
2023, 21(11): 110004
1 南开大学软件学院，天津 300350
2 南开大学现代光学研究所，天津 300350
盐气溶胶是大气污染监测的重要对象。使用基于高功率超快激光的光丝诱导荧光光谱（FIFS）技术可以实现大气气溶胶的远距离快速定量分析，该技术有望成为下一代激光雷达的核心技术。用NaCl气溶胶模拟大气气溶胶污染物，针对自吸收效应导致光强与物质质量浓度偏离线性关系的问题，提出基于一维卷积神经网络的NaCl气溶胶质量浓度预测模型，并将其与多元线性回归模型、偏最小二乘回归模型、BP传播神经网络模型和定标曲线模型进行了对比实验。在各质量浓度（0.33~6.61 mg/m3）NaCl气溶胶全波段光谱数据集和特征波段光谱数据集上的实验结果表明：所提一维卷积神经网络模型在特征波段光谱数据集上的预测准确率为1，在泛化预测实验中的准确率为0.87，优于其在全波段光谱数据集上的结果，同时也优于其他模型。该模型对自吸收效应下的非线性定量分析具有良好的准确性和鲁棒性，为FIFS技术应用于大气气溶胶质量浓度预测分析提供了可靠的定量分析技术。
光谱学 光丝诱导荧光光谱 NaCl气溶胶定量分析 卷积神经网络
1 南开大学现代光学研究所，天津 300350
2 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室，天津 300350
3 天津市光电传感器与传感网络重点实验室，天津 300350
高强度的飞秒激光在非线性介质成丝过程中会产生一系列非线性效应，如强场电离、转动拉曼、高次谐波、激射等，这些非线性效应与强场下分子的复杂运动有关。研究强场作用下的分子动力学问题将有助于更好地理解飞秒激光成丝过程中非线性效应背后的物理机制。综述了近年来飞秒激光在空气中成丝时主要分子动力学特性的研究进展，包括分子准直、分子电离、电子-离子复合以及分子能级的粒子数布居。最后对强场与分子相互作用研究所面临的机遇以及挑战进行了展望。
非线性光学 飞秒激光成丝 强激光场 分子准直 强场电离 光丝诱导荧光
1 南开大学软件学院，天津 300350
2 南开大学现代光学研究所，天津 300350
大气污染对人类的生产生活有极大影响，气溶胶作为污染物的重要部分，不容忽视。提高对大气气溶胶浓度检测的精确性，尤其是低浓度气溶胶，具有十分重要的意义。本文基于光丝诱导荧光光谱技术，对NaCl气溶胶数据进行预处理，并结合偏最小二乘法建立预测模型，探索不同预处理方法对模型检测精度的影响。讨论如何科学合理地选择预处理方法，按照预处理方法效果分为散射校正、平滑去噪、基线校正3个方面，并提出波峰显著度算法。通过无预处理、单一预处理以及组合预处理进行最优预处理方法的选择，并分析其建模精度的影响。实验结果表明，应用多个预处理方法的组合，与无预处理相比，均方根误差降低至0.03，预测相对误差减少60%；与直接观察光谱信号选择预处理方法相比，根据光谱信噪比的提升及预测组分的建模效果可以更为准确地选择最佳预处理方法。该研究为开展低浓度大气污染物的分析研究提供了一定的参考。
大气光学与海洋光学 光丝诱导荧光光谱 光谱处理 低浓度氯化钠气溶胶检测 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0101001
Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Modern Optics, Tianjin Key Laboratory of Micro-Scale Optical Information Science and Technology, Nankai University, Tianjin 300350, China
2 School of Physical Science and Technology, Tiangong University, Tianjin 300387, China
The spatial distribution of the forward-propagating amplified spontaneous emission (ASE) of nitrogen molecular ions during femtosecond laser filamentation in air is studied via numerical simulations. The results suggest that the divergence angle and signal intensity are extremely sensitive to the external focal length. Concurrently, we show that the optical Kerr effect plays a significant role in concentrating the directivity of ASE signals, particularly in cases of loose focusing. Furthermore, the simulations demonstrate that ASE signals are enhanced for a tight focus, although the corresponding filament length is shorter. The main physical mechanism underlying this process is the competition between the plasma defocusing and optical Kerr effects. The result is important for filamentation-based light detection and ranging applied to remote sensing.
air laser amplified spontaneous emission femtosecond laser filamentation Chinese Optics Letters
2021, 19(8): 081402
1 华北电力大学 环境科学与工程学院, 资源环境系统优化教育部重点实验室, 北京 102206
2 南开大学 现代光学研究所, 天津 300350
研究采用分子动力学模拟(Molecular dynamics simulation, MD)的方法, 以苯酚、α-萘酚和4-辛基酚为代表, 研究了酚类有机污染物(Phenolic Organic Pollutants, POPs)在氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)上单独和竞争吸附过程。通过自由能计算得到三种POPs在GO表面的吸附能分别为: 4-辛基酚(41.34 kJ/mol)>α-萘酚(33.23 kJ/mol)>苯酚(19.31 kJ/mol)。吸附过程中的主要作用力为POPs的疏水作用, 而分子团簇、范德华相互作用、静电相互作用以及氢键等在一定程度上增加了GO对POPs的吸附能力。在混合体系中, POPs之间存在明显的竞争吸附现象, 吸附过程包含了直接吸附和形成分子团簇的间接性吸附两个过程。本研究结果为含POPs水体的治理以及GO材料的设计和筛选提供了一定的理论依据。
酚类有机污染物 氧化石墨烯 竞争吸附 分子动力学模拟 phenolic organic pollutants graphene oxide competitive adsorption molecular dynamics simulation
南开大学现代光学研究所, 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室, 天津 300071
在大气污染物中有害气体成分众多,运用太赫兹、红外等振动光谱检测所得不同成分的吸收峰较难辨别。设计了一种根据所测光谱中可能包含的物质的理论光谱分析所测光谱中不同物质所占比重的算法。利用实验峰值与不同理论峰值的对应关系构建超定方程组,分别基于遗传算法和模拟退火算法进行求解,得到实验光谱中各物质理论光谱的贡献。为了验证所提算法的准确性,利用该算法对已知水团簇组成的水汽系统的实验光谱进行了分析,结果表明:所提算法能够得到不同成分的比重,具有较强的实用性。
光谱学 振动光谱 成分分析 超定方程组 遗传算法 模拟退火算法 激光与光电子学进展
2020, 57(9): 093001
南开大学现代光学研究所天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室, 天津 300350
青霉素类药物在临床上的应用十分广泛,此类药物的真伪鉴别以及药物含量的鉴定是极其重要的。利用自主搭建的太赫兹时域光谱系统,对纯青霉素钠和三种不同厂家的阿莫西林胶囊进行了测试分析,获得了四种药品在0.2~1.4 THz波段的吸收谱,发现它们均存在明显的吸收峰。同时,在相同质量下测试了纯青霉素钠和不同含量的阿莫西林在吸收峰强度上的变化,分别得到了四种药品的质量和强度的对应关系。最后将阿莫西林三种药品的强度放在一起进行对比,可直观地看到含量和强度之间的对应关系。对纯青霉素钠和阿莫西林的光谱研究结果表明:利用太赫兹光谱可对青霉素类药物进行定性鉴定和定量分析,这对青霉素类药品的物质鉴别等有重要意义。
光谱学 太赫兹时域光谱 青霉素类 定性鉴别 定量分析
1 南开大学 现代光学研究所 天津市光电传感器与传感网络重点实验室, 天津 300350
2 中国科学院上海应用物理研究所 微观界面物理与探测重点实验室 物理生物学研究室, 上海 201800
研究了锗基单层石墨烯结构宽带光控太赫兹调制器。利用实验室搭建的太赫兹时域光谱系统, 实验证明了在1 550 nm 飞秒光泵浦下, 该太赫兹调制器工作带宽为0.2~1.5 THz。当泵浦光功率从0增加到250 mW时, 该太赫兹波调制器的平均透过率从40%下降到22%, 平均吸收系数从19 cm-1增加到44 cm-1, 在0.2~0.7 THz, 调制深度均高于50%, 最大调制深度为62%(0.38 THz)。实验结果表明, 相比于纯锗基太赫兹调制器, 单层石墨烯的引入能增强对太赫兹波的调制效果。
太赫兹调制器 石墨烯 光控 terahertz modulator graphene THz-TDS THz-TDS optically-control 红外与激光工程
2019, 48(1): 0125001
南开大学 现代光学研究所 光信息技术科学教育部重点实验室，天津 300350
高性能的太赫兹器件在控制太赫兹波方面起到重要的作用，因此寻求一种简单有效的太赫兹器件加工方案非常必要。本文以太赫兹波导和太赫兹滤波器为例，分别选用Kagome型光子晶体结构的波导和一维光子晶体结构的滤波器，运用商用的3D打印机加工样品，并采用透射式太赫兹时域光谱系统对样品的参数进行测量。实验结果表明: 加工的波导在02~10 THz范围内传输损耗平均值约为002 cm-1，最小值可达到0002 cm-1，且可运用机械拼接的方式将多个波导进行简单的连接从而获得更长的波导而不引起严重的损耗; 滤波器的透射谱在01~05 THz之间有两个明显高损耗带; 这两组实验结果均与理论预计非常接近。本文运用太赫兹波导和滤波器的实例证实了3D打印技术加工太赫兹器件的可行性，将会成为获取性能可控、价格低廉的太赫兹器件的有效途径。
3D打印 太赫兹波导 太赫兹滤波器 太赫兹光谱 3D printing terahertz waveguide terahertz filter terahertz spectroscopy
