光子学报
2022, 51(11): 1114005
华东交通大学机电与车辆工程学院, 水果智能光电检测技术与装备国家地方联合工程研究中心, 江西 南昌 330013
茶叶是我国重要的经济作物, 对茶叶病害的及早发现与诊断, 有利于农业生产者及时采取有效的防护措施。 为了实现对茶叶病害的准确判别, 采用叶绿素荧光光谱对茶叶的光谱特性展开研究。 实验采集了健康茶叶样本90片, 藻斑病轻度病害叶片90片, 藻斑病重度病害叶片90片, 并根据Kennard-Stone算法将样本数按3:1划分训练集和预测集样本数, 其中校正集为200个、 验证集为70个。 采用叶绿素荧光光谱采集系统对茶叶藻斑病、 正常叶片进行光谱采集, 其中采集参数设置为: 积分时间20 ms, 激光功率40 mW。 分别分析了患病叶片和正常叶片的光谱响应特性, 总体上看, 三种叶片光谱主要存在吸收强度差异, 光谱走势基本一致。 在685和740 nm附近存在叶绿素的荧光峰, 其差异主要表现在正常叶片光谱较另外两种叶片光谱吸收强度较高, 而重度病害强度最低。 然后使用多项式平滑(Savitzky-Golay)对原始光谱进行平滑和降噪处理, 建立了偏最小二乘判别模型(PLS-DA), 在PLS-DA建模集模型中, 误判样品数为3个, 误判率为3%; PLS-DA预测集模型中, 误判样品个数为5个, 误判率为7.1%。 然后建立4种不同核函数的支持向量机模型进行比较得到, 由RBF作为核函数, 经主成分分析法(PCA)降维后的变量建立的SVM模型误判率最低, 准确率达到95.72%, 最后采用PCA结合线性判别分析方法(LDA)建立的模型效果最好, 准确率达到98.9%。 其中最优主成分数的选取由留一验证法取得, 选用前10个主成分进行建模时, 交叉验证准确率最高, 达98%。 通过模型对比得到PLS-DA建模集和预测集精度都达到90%以上, 以四种核函数建立的支持向量机模型中, 径向基核函数模型效果较优, 达到95.72%。 经主成分分析后建立的LDA效果最好, 识别率为98.9%。 该研究采用叶绿素荧光光谱结合化学计量学对茶叶病害进行识别, 为茶叶病害的快速、 准确预测提供一种新方法。
荧光光谱 主成分分析 偏最小二乘判别法 支持向量机 线性判别分析 藻斑病 Fluorescence Spectroscopy Principal component analysis Partial least squares discrimination Support vector machines Linear discriminant analysis Cephaleuros virescens Kunze 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2129
1 西南大学 物理科学与技术学院，重庆40075
2 西南大学 数学与统计学院，重庆400715
基于二极管泵浦Nd：LaMgAl11O19无序晶体激光器实现了被动调Q激光以及脉冲幅度混沌激光的输出。当泵浦功率在4.8 ~8.6 W范围内时，激光器运转在被动调Q状态；当泵浦功率为8.6 W时，调Q激光的平均输出功率为613 mW、重复频率为157.1 kHz、脉冲宽度为2.2 μs。当泵浦功率增加到8.7~10.5 W范围内时，输出激光的脉冲幅度呈不规则随机分布现象；通过分析脉冲峰值序列的自相关曲线、相位图、功率谱、随机直方图，判定激光器运转在脉冲幅度混沌状态；当泵浦功率功率为10.5 W时，脉冲幅度混沌激光的平均输出功率为814 mW。
Passively Q-switched Pulse amplitude chaos Nd：LaMgAl11O19 disorder crystal Diode-pumped All-solid-state laser 被动调Q 脉冲幅度混沌 Nd：LaMgAl11O19无序晶体 二极管泵浦 全固态激光器
华东交通大学光机电技术及应用研究所, 江西 南昌 330013
茶叶叶片叶绿素含量的准确监测对茶树的营养状况和生长态势具有重要意义,为此基于叶绿素荧光光谱技术提出一种快速无损检测叶片叶绿素含量的方法。利用叶绿素荧光采集装置对茶叶叶片进行光谱采集,并测量叶绿素相对含量。采用S-G(Savitzky-Golay)平滑法对光谱进行预处理,可以消除大量的噪声信号;对所提方法与传统方法进行比较。实验结果表明,采用所提方法能够有效消除无关变量,对模型的优化可以得到较好的效果;简化变量后所建立的偏最小二乘模型在预测集上的相关系数为0.96,方均根误差为0.87,在建模集上的相关系数为0.96,方均根误差为0.95;荧光光谱结合化学计量学方法可以为茶叶叶片叶绿素含量的定量分析提供一种快速简便的分析方法。
光谱学 荧光光谱 连续投影算法 后向区间偏最小二乘法 叶绿素 激光与光电子学进展
2021, 58(8): 0830001
华东交通大学机电与车辆工程学院, 光机电技术及应用研究所, 江西 南昌 330013
油茶产业具有良好的经济和生态效益, 深受国家重视。 目前, 炭疽病侵害油茶树日益加重, 严重地降低了产量, 导致油茶产业的效益直接受损。 所以找到一种快速、 准确、 方便的油茶炭疽病检测方法是非常必要的。 激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种低成本、 微损伤、 无残留的技术, 能够对多种成分快速实时检测。 采用LIBS结合化学计量学方法对油茶炭疽病的定性检测方法进行研究。 实验样品采摘于油茶种植区, 分别采集了100片健康油茶叶片和100片感染炭疽病的油茶叶片。 将采集的叶片进行微处理, 即首先进行反复冲洗去除叶片表面污渍, 然后进行分类、 装袋和标号, 最后进行LIBS光谱采集实验。 实验设备为海洋光学的MX2500+, LIBS实验参数设置为激光能量50 mJ, 最优延迟时间2 μs, 每个叶片采集6条光谱数据, 并求其平均。 在油茶叶片LIBS光谱的波长251.432 nm处观察到Si的特征峰、 分别在252.285, 259.837和385.991 nm处观察到Fe的特征峰、 分别在260.568, 279.482和280.108 nm处观察到Mn的特征峰。 实验结果: 油茶叶片中的微量元素Si, Fe, Mn的LIBS信号与油茶叶片的健康程度有直接关系, 健康油茶叶片中Si, Fe和Mn的特征峰强度明显高于感染炭疽病的油茶叶片中Si, Fe和Mn的特征峰强度; 此外, 利用LIBS技术结合MSC光谱预处理和PCA分类法, 对油茶叶片的健康和感染炭疽病的两个状态进行分类处理。 PC1, PC2和PC3的贡献率分别为80%, 12%和6%, 建立三维模型分类, 可以清晰地将油茶叶片的两种状态区分出来。 同时, 还利用PLS-DA建立模型, 模型的识别率高达90%以上, 可以对油茶叶片两种类别进行较好的分类。 以上两种化学计量方法都可以区分油茶叶片的健康和染病两种状态。 研究表明了利用LIBS技术检测油茶炭疽病是可行的。 可以利用LIBS技术对油茶叶片的微量元素和营养元素进行定量检测, 为定量检测提供了参考。 提出了一种快速检测油茶炭疽病的新方法。
激光诱导击穿光谱技术 油茶炭疽病 微量元素 多元散射校正 主成分分析 Laser-induced breakdown spectroscopy Anthracnose of camellia oleifera Microelements Multiplicative scatter correction Principal component analysis 光谱学与光谱分析
2020, 40(9): 2815
华东交通大学光机电技术及应用研究所, 江西 南昌 330013
炭疽病是油茶最常见的病害之一,因此对油茶炭疽病进行快速检测具有重要意义。提出了一种检测油茶叶片炭疽病的新方法,采用激光诱导击穿光谱检测技术,快速无损诊断正常和感染炭疽病油茶叶片中的Mn元素含量,根据火焰原子吸收光谱法对样品中Mn元素的真实含量进行了分析。分别采用平滑、去噪、归一化、基线校正、一阶求导降噪、二阶求导降噪对光谱数据进行预处理,使用偏最小二乘方法(PLS)建立定量模型,采用间隔偏最小二乘法(iPLS)对光谱数据进行波段筛选。最终结合7点平滑和一阶导数降噪进行预处理,根据iPLS建立定量模型。实验结果表明,平分为24个子区间时,第6个子区间的建模效果最佳,建模相关系数为0.9076,建模均方根误差为0.2090 μg/mg,预测相关系数为0.8947,预测均方根误差为0.2100 μg/mg。
激光诱导击穿光谱 炭疽病 油茶叶片 Mn元素 激光与光电子学进展
2020, 57(9): 093006
1 西南大学 物理科学与技术学院, 重庆 400715
2 中国科学院半导体研究所 半导体材料重点实验室, 北京 100083
实验研究了一种由一个分布反馈半导体激光器、一个相位控制部分和一个半导体光放大器组成的三段式单片集成半导体激光器的动力学特性. 采用常规的动力学分析方法, 对不同相位控制电流下激光器输出的光谱、时间序列、相图及功率谱进行了分析, 考察了其进入混沌的路径及阵发混沌的特性。研究结果表明, 在适当的运行参数下, 单片集成半导体激光器可呈现混沌态与稳定态随机交替出现的阵发混沌状态输出.在固定分布反馈半导体激光器电流和半导体光放大器电流不变的情况下, 连续地增大相位区的电流IP, 单片集成半导体激光器将先后经历稳定态、单周期态、阵发混沌态, 最后再回到稳定态的过程.在确定了激光器处于阵发混沌态时相位区电流IP的取值范围之后, 进一步的分析结果表明, 随着相位区电流IP的增加, 平均层流时间先减小, 达到一个极小值后再迅速增大.
非线性光学 激光物理 实验研究 单片集成半导体激光器 阵发混沌 动力学态 平均层流时间 Nonlinear optics Laser physics Experimental investigation Monolithically integrated semiconductor laser Intermittent chaos Dynamical state Average laminar time
基于自旋反转模型, 数值研究了光抽运下1300 nm自旋垂直腔面发射激光器(Spin-VCSEL)输出激光的圆偏振转换(PS)及偏振双稳(PB)特性。研究结果表明: 对于一定的抽运光偏振椭圆率PP, 抽运光功率能在一定程度上控制激光器输出光的偏振椭圆率Pout, 其绝对值随抽运光功率的增加而逐渐增大; 对于一定的归一化抽运光功率η, 采用正向扫描(逐渐增加)和反向扫描(逐渐减小)PP时, Spin-VCSEL输出的左旋圆偏振光与右旋圆偏振光之间会发生PS, 并可观察到PB现象。对于较小的η, 双稳环宽度随η的增加先增加到一个最大值然后减小到0; 对于较大的η, 双稳环宽度随η的增加总体上呈现出逐渐减小的趋势。激光器的线宽增强因子α和有源区介质的双折射系数γp等内部参数对由PP变化引起的PS和PB均有较大的影响。此外, 确定了双稳环宽度在某些激光器关键内部参数和η构成的参数空间中的分布图。
激光光学 自旋垂直腔面发射激光器 光抽运 圆偏振转换 双稳
西南大学 物理科学与技术学院, 重庆 400715
结合光注入半导体激光器的单周期动力学态与光电环路, 提出了一种可获得频率大范围可调、窄线宽的光子微波信号的方案并进行了实验研究.结果表明, 光注入半导体激光器在一定条件下能够实现单周期振荡, 且光子微波信号的频率在8~67 GHz范围内连续可调; 在合适的注入参数下, 获得了频率为24.3 GHz且光谱具有单边带结构的光子微波信号; 通过引入光电环路结构, 能够有效地将该光子微波的线宽由8.6 MHz压缩至30 kHz, 并获得了40 dB以上的信噪比.
非线性光学 微波光子学 光注入 半导体激光器 单周期振荡 光子微波 光电环路 窄线宽 可调谐 Nonlinear optics Microwave photonics Optical injection Semiconductor laser Period-one oscillation Photonic microwave Optoelectronic loop Narrow linewidth Tunable
1 西南大学 物理科学与技术学院,重庆 400715
2 重庆师范大学 初等教育学院,重庆 400715
实验和数值模拟了外部光反馈作用下分布反馈半导体激光器(DFB-SL)的各种非线性动力学行为。实验结果表明,在不同的反馈强度下,DFB-SL输出呈现出稳态、单周期、倍周期、多周期等多种非线性动力学动态行为。当处于一系列周期态时,激光器的输出光谱、频谱呈现强烈特征频率峰,且背景噪声极低。当外部光反馈达到一定强度后,激光器各模式发生激烈的相互作用而导致相干崩塌,激光器输出光谱、频谱演化为连续谱,并最终实验获得谱宽达10 GHz的宽谱混沌。对相关实验进行了数值模拟,计算结果与实验结论基本符合,均表明反馈强度是控制DFB-SL处于不同非线性动力学态的一个关键参量。
激光技术 半导体激光器 光反馈 混沌
