1 长春理工大学物理学院, 吉林 长春 130022
2 吉林工程技术师范学院数据科学与人工智能学院, 吉林 长春 130052
杀草强是一种白色结晶粉末状的化学除草剂, 对环境有极强的破坏性, 大量使用会造成农残污染, 对生物体具有致癌作用。 目前利用密度泛函理论探究杀草强分子的拉曼增强机理的相关研究相对较少, 开展了Au聚体吸附位点对杀草强分子表面增强拉曼光谱的影响研究。 采用Multiwfn软件结合VMD软件探究了杀草强分子表面静电势分布, 得出N1, N4和N6是杀草强分子与Au原子配位的最佳位置。 基于密度泛函理论, 运用GaussView5.0和Gaussian09软件, 在B3LYP/6-31++G（d, p）基组水平上对杀草强分子进行几何构型优化, 并对C, H, N原子使用6-31++G（d, p）基组, Au原子使用LANL2DZ赝式基组, 计算了杀草强分子的常规拉曼散射光谱和杀草强分子与Au4聚体以及Au6聚体吸附的表面增强拉曼散射光谱, 并进行特征峰指认和比较。 结果发现在Au与N1配位形成的复合物中, 在1 064, 1 200, 1 392和1 592 cm-1处杀草强分子的拉曼活性明显; Au与N4配位形成的复合物中, 在1 304 cm-1处杀草强分子的拉曼活性明显; Au与N6配位形成的复合物中, 在1 064, 1 520和1 592 cm-1处杀草强分子的拉曼活性明显。 经过比较得出Au与N1和N6配位形成的复合物增强效果较好。 Au4聚体以及Au6聚体与N1吸附得到拉曼特征峰最大增强因子分别达到41和81倍; Au4聚体以及Au6聚体与N6吸附得到拉曼特征峰最大增强因子分别达到55和96倍。 杀草强分子与Au原子结合有很明显的拉曼增强效应, 当Au聚体由四个增加到六个时, Raman光谱增强效果明显。 该研究结果为杀草强分子的实验研究打下了理论基础。
表面增强拉曼光谱 密度泛函理论 金聚体 杀草强分子 Surface enhance Raman spectroscopy Density functional theory Gold clusters Amitrole molecule 光谱学与光谱分析
2022, 42(12): 3709
激光等离子体极紫外光源具有体积小、 稳定性高和输出波长可调节等优势, 在极紫外光刻领域发挥着重要的作用。 Bi靶激光等离子体极紫外光源在波长9~17 nm范围内具有较宽的光谱, 可应用于制造极紫外光刻机过程中所需的极紫外计量学领域。 利用平像场光谱仪和法拉第杯对Bi靶激光等离子体极紫外光源以及离子碎屑辐射特性进行了实验研究。 在单脉冲激光打靶条件下, 实验中观察到Bi靶激光等离子极紫外光谱在波长12.3 nm处出现了一个明显的凹陷, 其对应着Si L-edge的吸收, 是Bi元素光谱的固有属性。 相应地在波长为11.8和12.5 nm位置处产生了两个宽带的辐射峰。 研究了两波长光谱特性以及辐射强度随激光功率密度的变化。 结果表明, 在改变聚焦光斑大小实现不同激光功率密度(0.7×1010~3.1×1010 W·cm-2)过程中, 当功率密度为2.0×1010 W·cm-2时两波长处的光辐射最强, 其原因归结为Bi靶极紫外光辐射强度受激光能量用于支撑等离子膨胀的损失和极紫外光被等离子体再吸收之间的平衡制约所致。 在改变激光能量实现不同激光功率密度过程中, 由于烧蚀材料和产生两波长所需高阶离子随着功率密度的增加而增加, 增强了两波长处的光辐射。 进一步, 研究了双脉冲激光对Bi靶极紫外光谱辐射特性影响, 实验发现双脉冲打靶下原来在单脉冲打靶时出现在波长13~14 nm范围内的凹陷消失。 最后, 对单脉冲激光作用Bi靶产生极紫外光源碎屑角分布进行了测量。 结果表明, 当探测方向从靶面法线方向移动到沿着靶面方向上的过程中, 探测到Bi离子动能依次减小, 并且离子动能随激光脉冲能量降低而呈线性减小。 此项研究有望为我国在研制极紫外光刻机过程所需的计量学领域提供技术支持和打下夯实的基础。
Bi靶激光等离子体 极紫外光辐射 双脉冲 离子碎屑 Laser produce Bi plasma Extreme ultraviolet emission Dual pulses Ion debris 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2056
1 长春理工大学理学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学化学与环境工程学院, 吉林 长春 130022
为了提高铝合金定量分析的精度, 将激光诱导击穿光谱技术与多变量线性回归、 中值高斯核支持向量机回归及标准化偏最小二乘回归等方法相结合, 建立铝合金中 Cu元素定量分析模型。 对采集的LIBS光谱进行三阶极小值去背景和小波阈值降噪处理, 从而提高LIBS光谱的信背比。 将处理后数据筛选最佳训练集、 预测集并用多变量线性回归、 中值高斯核支持向量机回归法和标准化偏最小二乘拟合回归等建立定标模型。 选用 Cu Ⅰ 324.80 nm, Cu Ⅰ 327.43 nm两条特征谱线以及323~329 nm范围内的LIBS光谱数据进行定量分析, 对比分析三种LIBS定量分析模型的拟合系数(R2)、 定标均方根误差(RMSEC)、 预测均方根误差(RMSEP)和平均相对误差(ARE)等。 结果表明, 相对于多变量线性回归和中值高斯核支持向量机回归法两种LIBS定量分析模型, 对于铝合金中的Cu元素定量分析, 标准化PLSR模型的精度和准确度都有明显的提高, 并且LIBS定标曲线的R2, RMSEC, RMSEP和ARE分别为0.997, 0.014 Wt%, 0.129 Wt%和3.053%。 研究结果表明在提高定标模型精确度与泛化性方面, 标准化PLSR方法更具有优势, 能够有效地减小参数波动和自吸收效应对铝合金定量分析的影响。
激光诱导击穿光谱 标准化偏最小二乘回归 中值高斯核支持向量机回归 多变量回归 铝合金 Laser-induced breakdown spectroscopy Standardized partial least squares regression Medium Gaussian kernel support vector machine regression Multivariate regression Aluminum alloy
1 长春理工大学物理学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学化学与环境工程学院, 吉林 长春 130022
铝合金中Fe元素的浓度会影响铝合金的软硬程度, 从而影响铝合金器件的工作使用寿命, 因此铝合金中Fe的含量检测精度非常重要, 开展了空间约束结合支持向量机提高毫秒激光诱导击穿光谱的铝合金中的Fe元素成分检测精度研究。 在平板空间约束条件下, 毫秒激光诱导铝等离子体光谱出现了光谱增强, 并且提高了等离子体辐射光谱稳定性, 光谱辐射中的Fe Ⅰ 345.99 nm, Fe Ⅰ 369.51 nm, Al Ⅰ 394.40 nm, Al Ⅰ 396.15 nm四条特征谱线的增强因子分别为2.20, 2.14, 2.28, 2.41。 建立了基于外标法和支持向量机(SVM)的铝合金中Fe元素定量分析定标模型, 采用外标法得到有无平板空间约束下ms-LIBS对Fe元素的定标曲线的拟合相关系数R2, RMSEC, RMSEP和ARE分别为0.893, 0.261 Wt%, 0.156 Wt%, 40.977%和0.852, 0.337 Wt%, 0.274 Wt%, 42.947%。 在约束条件下SVM模型的RMSEC为0.086 2 Wt%, RMSEP为0.043 1 Wt%; 采用SVM方法得到有无平板空间约束下ms-LIBS对Fe元素的定标曲线的拟合相关系数R2, RMSEC, RMSEP和ARE分别为0.984, 0.086 Wt%, 0.043 Wt%, 3.715%和0.941, 0.134 Wt%, 0.051 Wt%, 12.353%。 结果表明, 在空间约束条件下, 采用ms-LIBS结合SVM方法能够大幅度提高ms-LIBs的定量分析精度和实验重复性, 且有效降低了铝合金的基体效应, 能够满足铝合金的痕量元素快速检测。
激光诱导击穿光谱 支持向量机 空间约束 毫秒激光 铝合金 Laser-induced breakdown spectroscopy Support Vector Machine Spatial constraint Millisecond laser Aluminum alloy
1 长春理工大学理学院, 吉林 长春 130022
2 长春工业大学机电工程学院, 吉林 长春 130012
3 包头师范学院物理科学与技术学院, 内蒙古 包头 014030
近年来, 激光诱导击穿光谱(LIBS)与算法相结合分类、 识别生物组织逐渐兴起。 由于猪肉各部位组织光谱特性相似, 仅通过分析光谱信息很难达到准确识别的效果, 采用来自于同一个体、 四个不同部位的猪肉进行研究, 并将其进行切片、 压平, 应用LIBS技术对4种部位的组织(里脊, 梅花, 前腿, 五花)进行了样品光谱的采集, 每种样品采集100幅光谱进行分析, 选取Ca, Na, K等6条谱线进行了初步光谱分析, 观测谱线发现除脂肪含量较多的五花组织C—N以及C含量较其他组织高以外, 其他组织很难区分, 进一步对这6个成分进行主成分分析(PCA), 得到PC1, PC2, PC3累计贡献率达到95%, 通过特征分数作为支持向量机(SVM)模型输入源, 建立SVM分类模型, 得到几种部位样品的混淆矩阵图, 通过观察混淆矩阵可以清楚分辨出每个种类样品的分类整准确率, 发现四种样品准确率分别为96%, 98%, 97%, 100%, 平均准确率达到了97%以上。 研究证明LIBS结合PCA-SVM可作为一种快速鉴别猪肉不同组织部位的检测方法。
激光诱导击穿光谱 主成分分析 支持向量机 猪肉组织 Laser-induced breakdown spectroscopy Principal component analysis Support Vector Machines Pork tissue 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3572
具有润湿功能的微纳结构表面因在生物工程、防覆冰等领域的潜在应用价值,近年来吸引了大量的关注,但亲水微纳结构表面的润湿不稳定性成为了其应用中的一大阻碍。本文通过飞秒激光直写的方式在不锈钢表面制备了具有亲水性质的微纳结构表面并研究其经一定时间跨度后润湿性变化规律及机制。研究表明,在表面化学成分方面,不锈钢微纳结构表面通过浸泡氢氧化钠溶液处理后可有效抑制其润湿变化。通过X射线光电子能谱分析表明,这是由于处理前后润湿机制发生转变导致的。从微纳形貌方面,当不锈钢表面粗糙度增加时,可以通过保持长效毛细效应实现较长时间范围内的稳定超亲水状态。本文的研究结果为润湿性微纳结构表面的应用提供了一定的性能改善策略新思路,特别在亲水特性微纳结构表面的应用上具有重要的研究意义。
光学设计 微观结构制造 飞秒激光 润湿性 微纳结构 润湿转变 中国激光
2021, 48(18): 1802001
开展结构Sn靶激光等离子体极紫外光辐射特性研究,对波长为1064 nm的脉冲激光等离子体产生的极紫外光谱进行研究。实验结果表明,当激光能量为500 mJ,结构靶凹槽深度为100 μm、宽度为300 μm时,结构靶凹槽产生13.5 nm(2%带宽)带内光辐射积分强度的增强倍率约为平面靶的1.57倍。同时发现,凹槽对激光等离子体膨胀具有抑制作用,导致不同凹槽宽度产生最佳增强倍率所对应的激光能量不同。研究聚焦光斑尺寸对结构靶产生极紫外光辐射的影响。实验结果表明,当聚焦光斑直径与凹槽宽度接近时,凹槽的13.5 nm(2%带宽)带内光辐射积分强度的增强倍率最高。此项研究对提高极紫外光辐射强度及转换效率具有重要意义。
光谱学 极紫外辐射 激光等离子体 结构靶 光刻光源 中国激光
2021, 48(16): 1601005
开展了入射角度对1064 nm纳秒激光诱导水下等离子体声波信号特性影响的研究,结果表明:当激光垂直入射时,激光诱导水下等离子体声波信号强度最大;随着入射角度增大,激光诱导水下等离子体声波信号强度逐渐减弱。由等离子体发光图像可知,激光诱导水下等离子体产生了多次聚焦。随着入射角度增大,水等离子体长度逐渐增加,等离子体腔体半径逐渐减小,且水等离子体发光辐射强度逐渐变弱。这是因为空气-水界面处的光学折射效应导致透镜的等效焦距变大,延长了聚焦透镜的瑞利长度,从而使激光诱导水下等离子体声信号的强度变弱。研究结果对激光水下声波探测以及激光通信具有重要意义。
激光光学 激光诱导水等离子体 声波信号 激光入射角度 等离子体腔体半径
纳秒激光诱导空气等离子体存在从紫外、 可见、 近红外乃至射频微波的宽谱段辐射, 但目前的研究大多关注紫外到可见波段的光谱辐射。 激光等离子体作为一种新型的红外辐射源具有很多优势, 相比于红外干扰弹以及红外干扰手段而言, 空气等离子体红外辐射源可以灵活布置, 成本低廉, 因此研究空气等离子体的红外辐射特性就很有必要。 针对目前脉冲激光诱导空气等离子体的红外干扰研究需要, 对激光波长为532 nm的纳秒脉冲激光诱导空气等离子体的红外辐射特性进行实验研究, 探讨激光能量对空气等离子体红外辐射强度的影响规律, 以及空气等离子体红外辐射的角度分布特性, 分析了等离子体红外辐射的可能产生机制。 实验结果表明, 激光诱导空气等离子体在950～1 700 nm范围内的红外光谱为线状谱和连续谱的叠加。 其中线状谱主要是氮和氧的中性原子谱线, 并且氮原子红外辐射占主导。 随着激光能量的增加, 由于空气击穿产生的氧和氮原子数量增加, 导致空气等离子体红外辐射的谱线强度逐渐增大。 随着红外探测角度的变化, 在探测角度为75°时, OⅠ 1 12863 nm和NⅠ1 24696和1 36242 nm谱线强度达到最大, 在探测角度为120°时, NⅠ 1 01146和1 05396 nm谱线强度达到最大, 这是因为空气等离子体红外辐射强度随探测角度变化呈现空间非对称性, 表明空气等离子体内不同粒子的空间分布呈现非对称性。
纳秒脉冲激光 空气等离子体 红外辐射 Nanosecond pulsed laser Air plasma Infrared radiation 光谱学与光谱分析
2019, 39(9): 2698
采用飞秒激光等离子体丝（飞秒光丝）在金属铝箔表面以不同飞秒光丝扫描速度（5, 15, 25, 35和45 mm·s-1）制备了微纳结构表面, 并在太阳光能量主要覆盖的光谱范围（330～890 nm）内对其进行了反射率测量, 发现飞秒光丝制备的微纳结构表面具有显著的高光谱吸收特性, 并且飞秒光丝扫描速度越慢, 光谱吸收率越强, 5 mm·s-1条件下微纳结构表面光谱吸收率达97%以上。 将制备的高光谱吸收微纳结构表面作为温差发电片（TEG）光吸收体, 以此为基础构建了考虑太阳光辐照及温差发电模块（即TEG模块: 结合微纳结构表面的TEG）散热情况的仿真实验环境并进行发电功率测量。 研究结果表明, 具有微纳结构的铝表面（5 mm·s-1制备条件下）与抛光铝箔或裸发电片相比, 光电转化效率（发电效率）可分别提高43.3和10.7倍。 进一步研究了TEG模块的温差发电的过程与机理, 将TEG模块的温差发电过程分为光热（光能转化为热能）与热电（热能转化为电能）两个转化过程分析: 首先在光热转化过程中, 微纳结构表面增强了太阳光吸收效率, 为光热转化提供更多的光子能量, 实现了其在表面更多的热量沉积, 进而在之后的热电转化过程中, 更多的热能沉积使得TEG模块的载流子迁移率得到了很大提升, 这样在同样的温差（发电片冷热端的温度差值）条件下, 微纳结构表面与普通表面相比可以获得更高的热电转化效率。 因此, 微纳结构表面的高光谱吸收性能使得TEG模块经光热转化后得到的高热能沉积使载流子迁移率得到了提高, 进而显著提升了TEG模块发电性能, 这是微纳结构表面增强TEG温差发电效率的主要原因。 这一机理的揭示, 为TEG模块发电性能的进一步优化和提升提供了理论依据, 对TEG模块的实际应用具有重要的意义。
飞秒激光 微纳结构 温差发电 Femtosecond laser Micro-nano structure Thermoelectric generation 光谱学与光谱分析
2019, 39(6): 1892
