Author Affiliations
Abstract
1 Hunan Key Laboratory of Nanophotonics and Devices, School of Physics and Electronics, Central South University, Changsha 410083, China
2 Key Laboratory of Hunan Province for Statistical Learning and Intelligent Computation, School of Mathematics and Statistics, Hunan University of Technology and Business, Changsha 410205, China
Two-dimensional (2D) nonlinear optical mediums with high and tunable light modulation capability can significantly stimulate the development of ultrathin, compact, and integrated optoelectronics devices and photonic elements. 2D carbides and nitrides of transition metals (MXenes) are a new class of 2D materials with excellent intrinsic and strong light-matter interaction characteristics. However, the current understanding of their photo-physical properties and strategies for improving optical performance is insufficient. To address this issue, we rationally designed and in situ synthesized a 2D Nb2C/MoS2 heterostructure that outperforms pristine Nb2C in both linear and nonlinear optical performance. Excellent agreement between experimental and theoretical results demonstrated that the Nb2C/MoS2 inherited the preponderance of Nb2C and MoS2 in absorption at different wavelengths, resulting in the broadband enhanced optical absorption characteristics. In addition to linear optical modulation, we also achieved stronger near infrared nonlinear optical modulation, with a nonlinear absorption coefficient of Nb2C/MoS2 being more than two times that of the pristine Nb2C. These results were supported by the band alinement model which was determined by the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) experiment and first-principal theory calculation. The presented facile synthesis approach and robust light modulation strategy pave the way for broadband optoelectronic devices and optical modulators.
MXenes optical properties modulation in situ growth carriers transfer nonlinear optical absorption Opto-Electronic Advances
2023, 6(10): 220162
1 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
2 安徽理工大学电气与信息工程学院, 安徽 淮南 232001
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安徽理工大学电气与信息工程学院, 安徽 淮南 232001
4 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 信息材料与智能感知安徽省实验室, 安徽 合肥 230601
多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）结合计算机断层重建算法可获取目标痕量气体的空间分布情况。 为研究在具有背景浓度的条件下, 如城市背景下某个竖直截面上重建NO2空间分布的可行性, 设计了气体浓度可控条件下的验证性实验; 证明了利用MAX-DOAS在竖直平面重建NO2气体分布的可行性。 将充入标准气体的JGS1石英玻璃样品池作为研究对象, 使用两台MAX-DOAS采集光谱数据。 将气体浓度的梯度作为先验信息, 利用经典的ABOCS算法和Barzilai-Borwein算法重建了竖直平面内的NO2气体分布, 验证了利用MAX-DOAS在竖直平面内重建NO2气体空间分布的可行性, 同时确定了背景浓度对重建结果的影响。 研究结果表明, 以天空为背景的光谱作为参考谱和以空样品池为背景作为参考谱, 反演得到的NO2浓度非常接近, 因此研究对象中的样品池容器在NO2竖直平面分布重建方法中对实验结果的影响可以忽略。 实验中以市区为背景的MAX-DOAS具有较高的背景浓度, 特别是在仰角较低的情况下NO2背景浓度几乎达到6×1016 molec·cm-2, 以城市郊区没有明显的污染源为背景的MAX-DOAS, 背景浓度较低可以忽略。 重建结果显示, 当仰角为28°时, 气体沿光路的平均分子数密度为3.932 7×1015 molec·cm-2, 且在样品池内下部密度大, 上部密度小; 重建得到的SCD和测量得到的SCD符合比较好, 计算结果显示重建得到的气体分子数密度的峰值为5.77×1015 molec·cm-2, 与以城市郊区为背景的MAX-DOAS反演结果较为接近, 而以市区为背景时, 特别是仰角较小时, NO2背景浓度特别明显, 重建结果比测量结果的值小很多。 结果表明, 背景浓度在重建图像中表现为伪影, 影响对气体分布的观察, 而如果在重建算法时加入利用样品池内外气体存在浓度突变这一先验信息, 能够减轻背景浓度对重建结果造成的影响。
差分吸收光谱 浓度重建 多轴差分吸收光谱 迭代算法 数据拟合 Differential optical absorption spectrometer Gas reconstructing MAX-DOAS Iterative algorithms Data fitting 光谱学与光谱分析
2023, 43(8): 2413
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 中国科学院安徽光学与精密机械研究所， 环境光学与技术重点实验室， 安徽 合肥 230031
2 张之栋
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院， 安徽 合肥 230026 中国科学院安徽光学与精密机械研究所， 环境光学与技术重点实验室， 安徽 合肥 230031中国科学院城市环境研究所中科院城市大气环境卓越中心， 福建 厦门 361021
4 中国科学院安徽光学与精密机械研究所， 环境光学与技术重点实验室， 安徽 合肥 230031
5 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230039
二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）作为大气中重要的一次排放物， 人为活动造成SO2， NOx的过度排放会对生态环境和人体健康产生巨大危害， 2018年环境保护部就规定了“2+26”城市需要执行大气污染物的特别排放限值， 如: 燃煤锅炉排放限值规定的二氧化硫、 氮氧化物均为200 μg·m-3， 因此了解这些城市中SO2和NOx的分布与排放对大气污染防控管制具有重要意义。 唐山市作为“2+26”城市中大气污染最为严重的重工业城市之一， 近年来实施了多项大气污染防治措施， 但空气质量问题仍然严峻。 2021年2月26至3月1日， 使用基于车载差分吸收光谱技术的移动污染气体监测系统对于唐山市区开展了走航观测实验， 获取了走航路径上NOx和SO2的空间立体分布以及走航区域的排放通量。 实验结果表明唐山市一环存在多处NO2高值区域， 均位于车辆较为集中的立交和路口处。 工业园的走航中部分企业存在高NO2、 SO2的排放， 且获取的NO2和SO2VCD均值较高， 分别是一环的1.75~1.99倍和2.21~3.44倍。 结合垂直柱浓度SO2/NO2的比值以及近地面浓度CO/NO2的比值， 并用Pearson相关系数确定SO2和NO2柱浓度以及NO2近地面浓度和柱浓度之间的相关性， 进一步分析不同区域的主要污染源， 结果表明， 一环走航获取的SO2/NO2最低为0.42， CO/NO2最高为10.88， NO2地表与柱浓度之间的相关性r达到0.56， 3月1日丰南工业园区走航中， 获取的SO2/NO2最高为0.81， CO/NO2最低为7.13， SO2与NO2VCD之间有良好的相关性r为0.787， 唐山市一环区域大气污染物以车辆交通尾气排放为主， 丰南工业园区大气污染物来源以工业生产过程中高架点源（烟囱）释放的大量NO2和SO2为主。
空间分布 排放通量 污染源 走航观测 差分吸收光谱 Distribution Emission flux Pollution source Cruise observation Differential optical absorption spectroscopy 光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1651
1 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，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
3 中国科学院大学，北京 100049
针对快速、高分辨获取CO2排放量并有效识别CO2排放源分布的需求，集成了近红外差分吸收光谱遥测系统，研究了反演CO2浓度信息的近红外差分光学吸收光谱算法，并结合通量算法估算了典型排放源的排放通量。分别选取电厂和合肥市科学岛为观测点，开展了对典型点排放源和复杂背景下面排放源的CO2浓度分布研究，分析了参考光谱的选择对于结果反演的影响，选择背景光谱为参考谱，获取了CO2柱浓度信息，柱浓度反演误差可达到0.79%，并利用双三次插值算法得到了高空间分辨的CO2柱浓度二维浓度分布结果，结合浓度分布结果和观测参数计算了电厂CO2的排放通量为1925 kg，其中测量距离估算误差为主要误差源。初步开展了对合肥市边界层CO2浓度分布的研究，获得了合肥市大气边界层郊区、电厂区和城市区的CO2浓度分布特点，该研究对下一步开展城市温室气体排放的评估具有重要意义，为城市碳排放遥测提供了一种可靠的技术和方法。
光谱学 近红外差分吸收光谱 光学遥测 二氧化碳浓度分布 排放通量 光学学报
2023, 43(24): 2430004
大气与环境光学学报
2023, 18(5): 401
1 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, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 安徽新华学院城市建设学院, 安徽 合肥 230088
发光二极管(LED)发射光谱窄限制了差分吸收光谱反演波段, 难以实现多种气体的同时测量。 采用光纤束组合两种紫外LED形成组合式LED宽带光源, 应用于DOAS系统实现大气SO2和O3的同步探测。 光谱分析显示两种LED灯谱在280～295 nm处发生叠加, 275～301 nm有明显的灯结构。 该灯结构会随着双峰光强比增加而增强, 同时向短波方向漂移。 实际测量时, 外界环境改变会引起两个LED光谱各自独立变化, 且二者发射光谱波段内大气消光存在差异。 这将导致大气吸收光谱的双峰光强比不断变化, 且与灯谱不一致, 二者相除难以抵消灯结构。 光谱反演结果显示宽带光源灯结构为参考谱参与拟合无法较好地扣除干扰。 为扣除测量时LED光谱独立变化对光谱反演的影响, 提出采用各LED独立灯结构作为参考谱参与拟合, 结果显示SO2和O3拟合残差分别由1%、 6‰降低至4‰左右, 扣除效果较好。 该方法与避开干扰结构相比, 拓宽了SO2和O3的反演波段, SO2和O3吸收峰分别增加了1.75倍和1倍, 平均拟合误差分别降低了67.5%和37.3%, 测量精度明显提高。 SO2和O3测量结果与同时段同地区的传统氙灯长光程DOAS系统比较, 结果显示二者保持较高一致性, 相关性系数R高于95%。 结果表明DOAS反演时组合式LED宽带光源灯结构可以通过各LED独立的灯结构来拟合扣除。
差分吸收光谱技术 组合式LED宽带光源 光谱结构扣除 同步探测 Differential optical absorption spectroscopy Combined LED broadband light source Spectral structure removal Simultaneous 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3339
Author Affiliations
Abstract
1 National Laboratory of Solid-State Microstructures, Jiangsu Key Laboratory of Artificial Functional Materials, College of Engineering and Applied Sciences, Nanjing University, Nanjing 210093, China
2 Collaborative Innovation Center of Advanced Microstructures, Nanjing 210093, China
Interfacial solar steam generation (ISSG) is a novel and potential solution to global freshwater crisis. Here, based on a facile sol-gel fabrication process, we demonstrate a highly scalable Janus aramid nanofiber aerogel (JANA) as a high-efficiency ISSG device. JANA performs near-perfect broadband optical absorption, rapid photothermal conversion and effective water transportation. Owning to these features, efficient desalination of salty water and purification of municipal sewage are successfully demonstrated using JANA. In addition, benefiting from the mechanical property and chemical stability of constituent aramid nanofibers, JANA not only possesses outstanding flexibility and fire-resistance properties, but its solar steaming efficiency is also free from the influences of elastic deformations and fire treatments. We envision JANA provides a promising platform for mass-production of high-efficiency ISSG devices with supplementary capabilities of convenient transportation and long-term storage, which could further promote the realistic applications of ISSG technology.
plasmonics interfacial solar steam generation broadband optical absorption aerogel Opto-Electronic Advances
2023, 6(5): 220061
1 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
2 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
利用差分吸收光谱技术（DOAS）反演了我国第二代星载大气痕量气体差分吸收光谱仪（EMI-Ⅱ）的SO2斜柱浓度（SCD），并通过辐射传输模型SCIATRAN建立了SO2大气质量因子（AMF）的查找表，经去条带处理后获得SO2的垂直柱浓度（VCD）。以2021年10月底拉帕尔马岛火山区域为研究对象，基于EMI-Ⅱ数据反演的SO2 VCD与国外同类型载荷TROPOMI的结果一致，相关性系数R分别为0.89、0.90、0.92。此外，还将汤加海底火山的SO2反演结果与TROPOMI的监测数据进行对比，结果表明，EMI-Ⅱ观测结果与TROPOMI一致，都观测到此次SO2羽流的自东向西的传输过程。结合风场数据，计算了2022年1月14—15日汤加海底火山爆发产生的SO2排放通量，结果表明，利用EMI-Ⅱ载荷反演的火山区域SO2 VCD可靠性高，可实现全球火山爆发预警。
大气光学 差分吸收光谱 EMI-Ⅱ SO2垂直柱浓度 汤加海底火山
1 华北电力大学电子与通信工程系，河北 保定 071003
2 华北电力大学河北省电力物联网技术重点实验室，河北 保定 071003
在光声内窥成像中，不均匀或不稳定的照明，以及生物组织的复杂光学特性均会导致成像平面内光通量分布不均匀，从而造成重建图像质量和成像深度的下降。提出了一种校正光通量变化的定量光声内窥成像方法，对光吸收能量分布进行稀疏分解，采用贪婪算法重构得到光吸收系数和光通量的稀疏表示，并通过稀疏矩阵分解实现光吸收系数与光通量分布的联合重建。仿真和体模实验结果表明，与一步法和基于模型的定量重建方法相比，采用所提方法估算光吸收系数的均方根误差（RMSE）可降低约48%，重建图像的归一化平均绝对距离（NMSAD）和结构相似度（SSIM）可分别降低约25%和提高约24%。与其他校正光通量的重建算法相比，所提方法估计光吸收系数的RMSE可降低约22%、NMSAD可降低约20%、SSIM可提高约10%。
成像系统 图像重建技术 光声成像 内窥成像 光吸收系数 光通量 定量成像
北方民族大学化学与化学工程学院, 银川 750021
本文使用两步法, 通过控制PbI2(DMSO)溶液的浓度制备了不同厚度的有机-无机杂化钙钛矿(MAPbI3)光吸收层薄膜, 并组装了大面积基于碳电极且无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池。对不同厚度MAPbI3光吸收层薄膜的晶相、光吸收性质、表面形貌、元素组成进行分析, 并进一步测试了基于MAPbI3薄膜制备的钙钛矿太阳能电池的光伏性能。结果表明, MAPbI3光吸收层薄膜厚度与PbI2(DMSO)浓度呈正相关关系, 浓度为1.3 mol/L的PbI2溶液制备的MAPbI3薄膜厚度约为350 nm, 具有较好的结晶度和光吸收强度, 且薄膜表面致密平整, 无明显缺陷, 基于350 nm MAPbI3光吸收层的钙钛矿太阳能电池获得了8.48%的光电转换效率。
碳电极 钙钛矿 太阳能电池 无空穴传输层 光吸收层 光伏性能 carbon electrode perovskite solar cell hole-free transport layer optical absorption layer photovolatic performance
