强激光与粒子束
2024, 36(1): 016001
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院,安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所光子器件与材料安徽省重点实验室,安徽 合肥 230031
3 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室,安徽 合肥 230031
4 国防科技大学先进激光技术安徽省实验室,安徽 合肥 230037
使用中心波长为1658.7 nm的可调谐半导体分布反馈式(DFB)激光器,基于离轴积分腔光谱(OA-ICOS)技术,对激光器调谐范围内的甲烷稳定碳同位素分子13CH4和12CH4的光谱进行同时测量。选取光纤耦合助推光放大器(BOA)实现激光器输出光功率的有效放大,在保证积分腔的模式噪声不变的情况下,提高了探测器的可探测光功率,显著增加了有效光程长度,进一步提高了测量结果的信噪比。最后,通过对体积分数为500×10-6的CH4标准气体进行长时间测量,当平均时间达到663 s时,同位素δ(13C)的探测极限达到0.56‰。该技术可为大气环境下甲烷中碳稳定同位素的测量提供参考。
光谱学 光功率放大器 离轴积分腔输出光谱技术 甲烷 碳同位素
1 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光机所 光子器件与材料安徽省重点实验室,合肥 230031
2 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光机所 中国科学院环境光学与技术重点实验室,合肥 230031
3 中国科学技术大学 环境科学与光电技术学院,合肥 230026
4 国防科技大学 先进激光技术安徽省实验室,合肥 230026
5 合肥师范学院 物理与材料工程学院,合肥 230601
6 蚌埠学院 电子与电气工程学院,蚌埠 233030
7 国家管网集团科学技术研究总院分公司,廊坊 065000
8 苏黎世联邦理工大学,量子电子学研究所,瑞士 苏黎世CH-8093
9 思克莱德大学,电气与电子工程系,英国 格拉斯哥G11XW
10 台湾云林科技大学 环境与安全卫生工程系,云林64002
稳定同位素测量技术已经在地球化学、地球物理、农业、生物、临床医学和生态科学等领域得到了众多应用。相对于传统的稳定同位素分析方法,基于激光吸收光谱技术的同位素分析技术,作为一种较新的同位素丰度测量方法,具有选择性好、精度高、体积小、无需样品预处理、可以实时原位同时测量气体浓度及同位素丰度等众多优点,得到了极大的关注和使用。本文主要以目前同位素测量的可调谐半导体激光吸收光谱技术、积分腔吸收光谱技术、腔衰荡吸收光谱技术三种激光吸收光谱方法为例,阐述了其基本原理、谱线选择、温压影响因素及其控制、系统组成结构以及部分应用测试结果。通过对测量系统的压力与温度的稳定控制的前提下,选取了合适的同位素测量谱线对,实现了大气CO2气体的13C测量精度为0.3‰,煤层气CH4气体的13CH4测量精度为1.25‰,冰川水H2O中18O、17O和2H的测量精度分别为0.3‰、0.2‰和0.5‰,以及呼吸气体中的13CO2判识“金标准”。通过分析验证了激光吸收光谱技术在同位素测量方面的可行性和可靠性,也充分说明了基于激光吸收光谱技术的测量方法具有非常好的技术优势,将是光谱研究领域关注的重点内容,并在后续的科学研究中占据举足轻重的作用。
气态同位素 可调谐半导体激光吸收光谱技术 积分腔吸收光谱技术 腔衰荡吸收光谱技术 Gas isotope Tunable diode laser absorption spectroscopy Integrated cavity output spectroscopy Cavity ring-down absorption spectroscopy
1 中国科学院空天信息创新研究院,北京 100094
2 中国科学院大学电子电气与通信工程学院,北京 100049
3 粒子输运与富集技术国家级重点实验室,天津 300180
为了克服高气压CO2激光脉冲放大器增益谱线调制效应、平滑增益谱线包络以及减少次级脉冲输出,笔者以多种CO2同位素混合物为工作介质,建立了超短CO2脉冲放大模型,模拟了不同中心波长的长波皮秒激光脉冲注入不同气压、不同比例CO2同位素的高气压CO2激光放大器后的增益谱线特性和脉冲输出特性。模拟结果表明:在气压为5 bar、13C和18O原子占比均为50%的条件下,10.591 μm附近的增益谱调制度为19.65%,R支较P支增益谱调制度降低了约40%,较好地抑制了次级脉冲输出。在气压为10 bar的条件下,对脉宽为0.3 ps、能量为0.01 J的种子光进行模拟放大,结果显示:在9 μm波段,采用12C和13C的6种CO2同位素放大的激光脉宽相比采用12C的3种CO2同位素放大的激光脉宽压缩了28.14%,拖尾能量占比下降了46.37%;在10 μm波段,采用12C和13C的6种CO2同位素放大的激光脉宽相比采用13C的3种CO2同位素放大的激光脉宽压缩了23.26%,拖尾能量占比下降了40.06%。
激光光学 CO2激光放大器 CO2同位素 增益谱平滑 皮秒脉冲 中国激光
2023, 50(11): 1101017
1 中山大学 中法核工程与技术学院 珠海 519082
2 表面物理与化学重点实验室 绵阳 621908
激光诱导击穿光谱(Laser Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)技术是对材料中元素的组成成分和含量进行测试和分析的一种新技术。针对储氢材料中氢同位素的含量及分布问题,开展了LIBS定量分析技术应用研究。采用体材钛片材料,分别制得不同氢氘原子浓度的氢氘化钛样品,利用LIBS对氢氘化钛样品中氢原子和氘原子含量进行了定量分析。钛元素的发射光谱谱线结合玻尔兹曼图计算得到了等离子体温度为(16 000±1 000)K。利用内定标法,对分别绘制的氢、氘的定标曲线进行积分强度修正,成功地把线性度提高了4%,氢同位素定量分析误差降低了2.8%;同时,根据定标曲线,计算出了相同条件下的氢氘浓度,并与样品制备过程通过压降法得到的浓度值进行了对比。结果显示:采用内定标法的LIBS定量分析技术能够较准确地测量含氢同位素样品的氢氘浓度,氢平均测量误差为3.19%,氘测量平均误差为1.94%,其信号增强效果和数据精确度能够满足定量分析的要求。
储氢材料 氢同位素 激光诱导击穿光谱 定量分析 Hydrogen storage material Hydrogen isotope LIBS Quantitative analysis
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所基础科学研究中心, 安徽 合肥 230031
海水水合物富集区的特征分析可作为深海可燃冰勘探的重要依据。为了实时分析海水溶解气体, 采用离轴积分腔输出光谱技术 (ICOS) 对利用膜分离获得的溶解气体进行了实时检测。实验搭建了适合深海走航观测的精密光谱分析仪器, 并进行了理论分析和实验验证, 实验得到 CH4 的浓度 (体积比) 探测范围为 1.073×10-8~1×10-3, CO2 的浓度 (体积比) 探测范围 为 3.39×10-6~1×10-2, CH4 同位素丰度的测量精度为 1.2‰, CO2 同位素丰度的测量精度为 1.74‰ 。实验结果表明, 系统具有良好的灵敏度和稳定性, 可以实现深海连续走航观测。
光谱学 光谱测量仪器 多参量同时测量 甲烷同位素 二氧化碳同位素 spectroscopy spectral measuring instrument multi-element measurement methane isotopes carbon dioxide isotope
1 特种环境复合材料技术国家级重点实验室(哈尔滨工业大学),哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学分析测试中心,哈尔滨 150001
3 微系统与微结构制造教育部重点实验室(哈尔滨工业大学),哈尔滨 150001
微机电系统、深空、深海探测任务等对于长效、便携电源提出了更高的要求。同位素电池由于其能量密度高、功率输出稳定,可以在高低温、无太阳光照等极端环境下持续不断地为月球车、海底探测器等提供能量。作为同位素电池中的主要类型,辐射伏特效应同位素电池由于其理论能量转换效率高、易于微型化被广泛研究,并已经成功应用于心脏起搏器。宽禁带的半导体换能结器件制作的同位素电池能够获得更高的能量转换效率。宽禁带半导体中的代表金刚石具有5.5 eV的禁带宽度与耐辐射的特性,使其成为制作辐射伏特效应同位素电池换能结器件的最佳选择。随着化学气相沉积技术的发展,金刚石晶体的外延技术突飞猛进,为金刚石半导体器件的发展打下了材料基础。本文对比了常见的同位素电池换能结用半导体材料和辐射源材料的特性,介绍了辐射伏特效应的基本原理,接着对辐射伏特效应同位素电池的关键参数进行了分析,并汇总了有关金刚石辐射伏特效应同位素电池研究的文献,通过各个参数,如开路电压、转换效率等的对比,指出了目前金刚石同位素电池发展的状态与存在的问题。通过分析金刚石与其他n型半导体材料组成的异质pn结目前的性能与应用情况,给出了基于金刚石异质pn结的高性能同位素电池的结构设计,并进行了总结与展望。
同位素电池 辐射伏特效应 金刚石 肖特基器件 开路电压 半导体换能结 转换效率 isotope battery radio-voltaic effect diamond Schottky diode open circuit voltage semiconductor material for energy converter conversion efficiency
中国工程物理研究院表面物理与化学重点实验室, 四川 绵阳 621908
气体监测与我们的生活息息相关, 氢气作为一种理想的研究模型更是受到广泛关注。 拉曼光谱作为一种气体分析手段, 具有无损非接触等优点。 气体拉曼光谱测量存在的一个主要问题是拉曼散射信号弱。 在一些特定场景下, 需要信号采集时间较短, 因此获得的拉曼光谱信噪比低。 压缩感知方法作为一种新发展起来的信号处理手段, 不仅可以压缩采样, 缩短采样时间, 而且可以降噪, 提高信噪比, 以更好地实现原始信号的恢复和重建。 该研究以氢气和氘气为测量对象, 分别采用洛伦兹函数设计原子构建字典OMP(orthogonal matching pursuit)算法重构和傅里叶变换滤波后多个正交基构建正交基字典OMP重构两种压缩感知方法分析氢同位素气体的拉曼光谱。 通过对仿真数据和实际测量数据的处理, 比对了两种压缩感知分析与小波软阈值、 小波硬阈值和SG(Sawitzky-Golay)滤波处理的谱峰强度效果以及信噪比和均方根误差, 证明洛伦兹函数设计原子构建字典OMP算法重构可以用于氢气拉曼光谱降噪。
拉曼光谱 压缩感知 正交匹配追踪 氢同位素气体 Raman spectroscopy Compressed sensing Orthogonal matching pursuit Hydrogen isotope gas