1 河南农业大学机电工程学院，河南 郑州 450002
2 河南省农业激光技术国际联合实验室，河南 郑州 450002
3 上海微小卫星工程中心，上海 201203
4 中国科学院微小卫星创新研究院，上海 201203
基于多孔散射介质具有独特的光程增强特性，纳米孔陶瓷材料可以作为一种潜在的微型气体吸收室，应用于可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）气体传感中。为了探索纳米孔陶瓷介质自身物理参数对光程增强特性的影响，采用TDLAS技术开展了纳米孔陶瓷中氧气的吸收光谱测量实验，并研究了陶瓷介质厚度和孔隙率对光程增强系数的影响。实验结果表明，厚度和孔隙率与有效光程增强系数都是正相关的，其中厚度与有效光程增强系数成正比，孔隙率与有效光程增强系数呈指数规律变化，该研究结果为陶瓷介质光程增强机理研究提供了实验依据。因此，优化陶瓷材料的物理参数可以提高其光程增强系数，进而设计一种适用于TDLAS现场检测应用的纳米孔陶瓷微型气室。
光谱学 可调谐半导体激光吸收光谱 散射 光程增强 纳米孔陶瓷 激光与光电子学进展
2022, 59(16): 1630002
1 河南农业大学机电工程学院，河南 郑州 450002
2 河南农业大学理学院，河南 郑州 450002
3 河南省农业激光技术国际联合实验室，河南 郑州 450002
4 郑州市农业仿生材料与低碳技术重点实验室，河南 郑州 450002
5 郑州市农业装备智能设计与绿色制造重点实验室，河南 郑州 450002
铝离子光钟跃迁谱线的自然线宽为8 mHz，因此，需要用线宽为1 Hz左右的激光探测光钟跃迁谱线。半导体激光器的线宽为500 kHz，长期漂移量为90 MHz/h，为了满足铝离子光谱探测的要求，将激光频率稳定在法布里-珀罗（F-P）腔上。振动噪声为F-P腔的主要噪声之一，为了降低F-P腔的振动敏感性，理论分析了激光频率稳定的F-P腔振动敏感性。通过有限元方法模拟分析了F-P腔的弹性形变与其形状和支撑位置的关系，设计了激光波长为534 nm时激光振动敏感性为0.53 kHz/（m⋅s2）的F-P腔，为实现低振动噪声激光提供了理论依据，在原子钟和精密谱测量领域具有重要的应用价值。
激光光学，法布里-珀罗腔 振动敏感性 有限元方法 弹性形变 激光与光电子学进展
2022, 59(7): 0714003
1 河南农业大学机电工程学院，河南 郑州 450002
2 河南省农业激光技术国际联合实验室，河南 郑州 450002
3 小麦玉米作物学国家重点实验室，河南 郑州 450002
植物激素脱落酸(ABA)是植物通过自身代谢产生的有机信号小分子, 在极低浓度下可对植物自身产生明显的生理效应, 是植物体内五大内源激素之一, 因能促进植物叶片的脱落而得名, 主要存在于植物干枯的叶子, 根茎、 种子等部位。 由于对植物生长的调节能力, ABA在农业工程领域有着极大的应用前景。 然而, ABA在植物体内的浓度很低, 实现超低浓度检测是ABA应用的关键。 关于ABA的检测, 文献中已经报道的方法有很多, 但是利用拉曼光谱技术对ABA的理论和实验研究还未见报道, 拉曼光谱技术有着样品前处理简单、 分析速度快、 对于检测人员要求低, 更适合于原位和现场检测等特点, 因此对ABA拉曼光谱的机理和实验研究可为在植物激素检测及鉴定中提供可靠的依据。 利用软件Gaussian09和GaussView5.0构建优化ABA的分子结构, 计算了ABA的分子能级、 前线轨道、 拉曼光谱(Raman)、 红外光谱(IR)及核磁共振谱(NMR)。 为了验证理论计算的准确性, 检测了ABA分子的IR、 Raman、 表面增强拉曼光谱(SERS)和NMR谱。 结果表明: ABA的拉曼特征峰理论计算值位于616, 1 056, 1 272和1 689 cm-1处, 实验测得的拉曼特征峰位于612, 1 048, 1 272和1 635 cm-1处, SERS实验获得的特征峰位于598, 1 032, 1 268和1 625 cm-1处, 理论计算和实验结果吻合较好; 同时对ABA在400~4 000 cm-1波长区间的IR和Raman特征峰进行了指认, 指出了其在相应的峰位置上较强拉曼光谱的分子振荡模式, 其中拉曼最强峰1 635 cm-1主要来自于ABA分子碳碳双键和碳碳单键的伸缩振动, 其中碳碳双键的伸缩振动引起的拉曼散射最强。 最后, 对比ABA的计算和实验核磁共振谱, 并进行原子归属指认和原子相对位移分析, 进一步研究了ABA的分子结构, 为ABA的痕量检测提供了一定的实验参考和理论依据。
脱落酸 拉曼光谱 红外光谱 核磁共振谱 密度泛函理论 Abscisic acid Raman spectrum Infrared spectrum NMR spectrum Density functional theory (DFT) 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2859
江苏科技大学 材料科学与工程学院, 江苏 镇江 212003
该文利用固相反应法制备了(Ca0.97Ba0.03)Cu3Ti4-xNbxO12 (x=0, 0.01, 0.03, 0.05, 0.07, 0.10, 0.15, 0.20, 摩尔分数)陶瓷。借助X线衍射仪及扫描电子显微镜研究了Nb5+的摩尔分数对(Ca0.97Ba0.03)Cu3Ti4O12陶瓷的相结构及表面微观形貌的影响, 借助高低温介电测试系统和阻抗测试仪获得了(Ca0.97Ba0.03)Cu3Ti4-xNbxO12陶瓷电性能变化规律。结果表明, 各组分(Ca0.97Ba0.03)Cu3Ti4-xNbxO12陶瓷均为单相立方钙钛矿结构; Nb5+摩尔分数的增加可抑制(Ca0.97Ba0.03)Cu3Ti4-xNbxO12陶瓷晶粒的生长并消除其晶粒异常长大; 适量掺杂 Nb+能够有效提高(Ca0.97Ba0.03)Cu3Ti4-xNbxO12陶瓷的晶界电阻, 从而降低其介电损耗, 且可提高(Ca0.97Ba0.03)Cu3Ti4-xNbxO12陶瓷相对介电常数的温度稳定性。
固相法 钛酸铜钙 陶瓷 微观形貌 电性能 solid state reaction method copper calcium titanate ceramics surface micromorphology electric property
1 河南农业大学机电工程学院, 河南 郑州 450002
2 河南农业大学理学院, 河南 郑州 450002
3 郑州轻工业学院材料与化学工程学院, 河南 郑州 450001
构建了一套由宽带光源、多通道精确定位机构及光纤光谱仪等组成的光学局域表面等离子体共振(LSPR)分析装置。采用Savitzky-Golay平滑算法对原始光谱数据进行预处理并建立拟合曲线,研究了粒径为5.0,13.5,25.5,41.0 nm的球形金纳米粒子(AuNPs)LSPR波长在不同折射率介质环境下的响应。结果表明:在相同的介质环境下,LSPR波长与粒径具有较好的正相关性,且共振波长与环境介质的折射率密切相关;对于粒径为25.5 nm和41.0 nm的AuNPs,得到的折射率灵敏度分别为59.46 nm/RIU和70.38 nm/RIU。该装置将多通道定位机构与光纤光谱仪相结合,光谱信号的获取无需进行冗长的波长扫描过程,为开展LSPR研究提供了一种低成本、快速的光学检测系统。
传感器 光学传感 局域表面等离子体共振 多通道分析装置 精确定位 环境介质 金纳米粒子
1 吉林大学工程训练中心, 吉林 长春130025
2 吉林大学材料学院, 吉林 长春130025
3 宁德时代新能源科技股份有限公司先进产品开发部, 福建 宁德352100
将TiBCN粉末用于45钢激光熔覆, 为激光3D打印等增材制造探索新陶瓷添加材料, 把TiBCN粉末和合金粉末混合作为熔覆材料, 采用5 kW CO2激光进行激光熔覆。用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析熔覆层TiBCN颗粒形貌和组织结构。激光熔覆层的TiBCN颗粒发生部分熔化, 相互连接, 自动组装成枝晶状组织; 熔覆层底部与基体金属呈冶金结合状态; 熔覆层的硬度随TiBCN含量增加而提高, 含量为90%时达到1 200 HV, 耐磨性比基体明显提高, 4 000 W激光熔覆层的硬度和耐磨性优于3 500 W。研究结果表明, TiBCN粉末是一种适合激光熔覆的新陶瓷材料, 有希望用于激光3D打印等其它激光增材制造。
TiBCN粉末 激光熔覆 熔覆层 组织结构 显微硬度 耐磨性 TiBCN powder laser cladding cladding layer microstructure microhardness wear resistance
1 河南农业大学机电工程学院, 河南 郑州 450002
2 江西省烟草公司抚州市公司, 江西 抚州 344000
3 生物质能源河南省协同创新中心, 河南 郑州 450002
农业领域中对植株元素的快速检测和实时监控十分重要。 采用Nd∶YAG激光器和中阶梯ICCD光栅光谱仪获取金属元素Cu等离子体谱线。 为研究激光诱导击穿光谱(laser induced break-down spectroscopy, LIBS)金属元素Cu定量分析的标定曲线和等离子体参数, 制备Cu含量范围为8.59～156.35 μg·g-1烟叶样品进行实验。 实验结果表明烟叶中金属元素Cu特征谱线324.75 nm处干扰小、 谱线明显。 烟叶样品受激发产生等离子体温度为39 458.94 K, Cu等离子体电子密度为0.74×1016, 谱线强度和样品浓度建立的标定曲线相关系数r为0.98, 平均相对标准偏差RSD(relative standard deviation)为2.59%, Cu含量理论最低检测限为7.72 μg·g-1, 谱线信噪比(SNR)为7.86。 激光诱导击穿光谱方法可以应用于卷烟生产线在线检测金属元素Cu含量和监测烟叶中金属元素Cu对烟草生长的影响。
激光诱导击穿光谱(LIBS) 烟叶 等离子体 最低检测限 Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) Tobacco leaves Plasma Limit of detection (LOD) 光谱学与光谱分析
2017, 37(10): 3214
1 吉林大学 材料科学与工程学院 教育部汽车材料重点实验室,吉林 长春 130025
2 吉林省激光研究所,吉林 长春 130012
3 Physics faculty,Belarusian State University,4,Nezalezhnasti Ave.,220030,Minsk,Belarus
建立了脉冲激光辐照金属材料表面的热学模型,通过拉普拉斯变换法求解了热传导方程,得出金属材料在激光辐照下加热和冷却过程瞬态温度场分布的精确解析解。基于Visual C++编程并实现界面化,实现对于具体材料激光辐照下瞬态温度场的预测和分析。并以纯铝的激光熔覆和镁合金的激光熔凝实验为例,验证了瞬态温度场的分布。结果表明,金属材料在一个脉冲时间内温度随激光辐照时间的增加而升高,辐照结束后,表面温度迅速下降,内部温度下降较慢。分析结论与相关实验结果基本吻合,证实了所建模型的合理性。该结论对其它激光表面处理过程具有一定的指导作用。
脉冲激光 金属材料 瞬态温度场 解析计算 界面 pulse laser metal materials transient state temperature field analysis calculation Visual C++ Visual C++ living window
浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，光及电磁波研究中心，杭州 310027
利用几何光学方法研究了由左手性介质制成的简单透镜的光学特性．推理分析了左手性介质透镜处球形界面的负折射规律，并依此表明了常用光学公式仍适用于左手性介质．指出了左手性介质透镜相对于用传统介质制作的普通透镜所具备的固有优点，最后证实了利用单块左手性介质透镜即可完全消球差，并相应提供了零球差左手性介质透镜的设计实例．
左手性介质 负折射率 左手性介质透镜 球差 Left-handed materials Negative refractive index LHM lens Spherical aberration
浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，光及电磁波研究中心，杭州 310027
根据几何光学中的费马原理和完善成像原理研究了光线经过正负折射率界面时的传播特性，推导了单负折射率完善成像的曲面方程，讨论了单块负折射率透镜成像特性的一些缺陷及改进方案，依此指出了最短时间原理的适用范围的局限性和利用左手性介质制作光学器件的优越性，为进一步研究左手性介质的光学特性和相关光学器件设计提供了理论基础．
左手性材料 费马原理 最短时间原理 完善成像条件 平板透镜 Left-handed materials Fermat's principle Least-time principle Perfect imaging condition Slab lens
