辽宁科技大学计算机与软件工程学院, 辽宁 鞍山 114051
在照明领域中, LED已被证明是一种很有前途的人造光源, 其光谱可以用来合成日光光谱。 目前通过不同种类的LED合成日光光谱的关键问题是如何从LED数据库中选择LED型号和确定各型号LED的工作参数。 针对这一问题, 科学家们提出了通过各种数学模型来表示LED的光谱功率分布, 如高斯函数、 洛伦兹函数、 logistic功率峰函数等。 这些数学模型可以准确地反映出LED的非线性光谱特征, 包括峰值波长、 半高宽、 红移等。 但是通过数学光谱模型模拟的LED光谱与真实的LED光谱并不完全相同, 通过数学光谱模型模拟的LED光谱曲线都是轴对称的。 然而, 真实的蓝色和绿色LED光谱曲线在短波长的一面更陡, 在长波长的一面更缓, 红色LED光谱曲线则相反。 基于现有的多个LED的基础上提出了一个新的模拟日光光谱的方法。 通过设计一个滤光片和调节各个现有的LED光源的辐射量权重（LED光源的辐射量权重为当前LED光源的辐射量与该LED的最大辐射量的百分比）来进行仿真实验, 以此模拟出一个新的光源, 使其光谱与日光光谱相接近。 即将一个滤光片放置在多个LED的混合光源下, 通过滤光片的光谱透射率和各个LED光源的辐射量权重来限制光源的光谱, 使得修正后的多个LED混合光源的光谱尽可能的接近日光光源光谱。 因工业要求需要对滤光片的光谱透射率曲线进行平滑约束。 最后通过优化后的滤光片的光谱透射率求出各个LED光源的辐射量权重的最小二乘解, 从而得到各个最优的LED光源的辐射量权重。 通过仿真实验, 最后该方法得到的模拟日光光源的相关色温(CCT)为6 492 K, 目标光源的相关色温为6 503 K。 模拟日光光源光谱与日光光谱的拟合优度(R2)为0.992 6。 该方法对基于LED的日光光谱拟合的研究有重要的参考价值。
单色LED 日光光谱拟合 约束最小二乘解 平滑约束 Monochrome LEDs Solar spectral fitting Constrained least squares solution Smooth constraint 光谱学与光谱分析
2023, 43(8): 2369
1 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，安徽 合肥 230027
2 中国科学技术大学苏州高等研究院，江苏 苏州 215123
荧光成像仪器的成像性能测试对于提高仪器的性能和临床转化成功率具有重要意义，成像性能测试的标准化需要一种可以精确模拟荧光光谱的长期稳定的样品作为测试工具。本团队提出了一种荧光发光模拟系统，该系统可以模拟荧光样品的激发效率、荧光发射谱特性和荧光空间分布特性，可以替代真实的荧光剂仿体对荧光成像类仪器进行量化表征。该系统采用的是基于线性滤光片和液晶显示器的光谱模拟方法。本团队还设计了一种改进的最小二乘光谱拟合算法，该算法可以自动模拟任意荧光发射谱。使用该系统模拟了近红外荧光造影剂吲哚菁绿(ICG)的发光特性，并对不同荧光成像仪器的成像灵敏度进行了测试。实验结果表明，所设计的荧光发光模拟系统可以稳定精准地模拟荧光样品的发光特性。
光谱学 荧光发光模拟 光谱拟合 近红外荧光成像 成像性能测试 吲哚菁绿 中国激光
2022, 49(24): 2407204
内蒙古科技大学材料与冶金学院, 白云鄂博矿多金属资源综合利用重点实验室, 内蒙古 包头 014010
高能球磨法是材料制备过程中常用的方法, 通过物料在高速运转的过程中进行磨合而产生晶体空位缺陷, 实现元素的掺杂, 进而发生化学吸附或化学反应, 合成产生新的物相, 对于后续合成材料的性能有很大影响。 钡铁氧体具有良好的磁性能, 被用于功能材料制备的诸多领域。 采用高能球磨法制备钡铁氧体前驱体, 利用XRD, SEM和FTIR检测方法考察不同高能球磨时间下钡铁氧体前驱体物相、 微观形貌及官能团的变化规律, 并通过红外二阶导数光谱、 拟合平滑光谱计算法, 定量分析高能球磨过程中物相的变化规律。 XRD及SEM检测结果表明, 随球磨时间增加, 钡铁氧体前驱体各物相的衍射峰宽度变宽, 粉末细化, 晶格逐渐发生畸变, 产生晶体空位缺陷, 从而使Ba溶入Fe2O3晶格中生成BaxFe2-xO3的固溶体, 且产生吸附“团聚”现象; 当球磨时间大于40 h时, 发生“纳米尺寸效应”, 生成有磁性的Fe3O4及BaxFe3-xO4固溶体。 红外光谱分析结果显示, 随着球磨时间的增加, BaCO3和α-Fe2O3的特征峰均存在峰强减小、 峰位发生明显移动的规律, 表明随着球磨时间增加, BaCO3和α-Fe2O3颗粒粒度变小, 且发生化学吸附。 通过红外光谱的平滑拟合光谱和二阶导数光谱计算可知, 随球磨时间的增加, 各吸收峰面积均明显减小。 相对于球磨0 h, 在球磨10, 20和40 h后, 波数473 cm-1的Fe—O键振动吸收峰的峰面积分别减少48.84%, 65.97%和93.54%; 而在波数540 cm-1处的Fe—O键吸收峰的峰面积则分别减少37.11%, 51.76%和82.85%; 同理, 在波数856 cm-1处的O—C—O键的面内弯曲振动吸收峰的峰面积分别减少30.62%, 44.71%和67.10%; 在波数1 446 cm-1处的C—O键不对称伸缩振动峰的峰面积则分别减少0.03%, 27.63%和57.90%。 从定量分析的角度考察了钡铁氧体前驱体高能球磨过程中物相的变化规律并精准确定反应产物含量变化的百分比, 对于后续材料的合成与性能随钡铁氧体前驱体物相不同而发生变化的研究有重要的指导意义。
钡铁氧体前驱体 高能球磨 光谱拟合 二阶导数光谱 Barium ferrite precursors High energy ball milling Spectral fitting Second derivative spectrum 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1634
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大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
精确的甲烷分子实验光谱参数在大气科学和天文探测等领域有着广泛的应用, 特别是谱线的展宽系数及其温度依赖系数对于甲烷分子浓度廓线的研究尤为重要。 精密的实验测量是获得准确谱线参数的重要手段。 采用实验测量获取谱线参数时, 需要在已知实验条件(浓度, 温度, 总压力, 吸收光程以及气体分子种类的混合比等)的情况下, 多次扫描同一波段范围得到多组实验室吸收光谱, 然后利用基于非线性最小二乘法的拟合程序处理这些光谱, 反演获得所需要的光谱参数。 然而, 一般常用的单光谱拟合程序处理实验光谱既费时又容易引起拟合过程中的误差传递。 针对此问题, 采用最小二乘拟合技术和Levenberg-Marquardt迭代算法编写了一款适用于处理由可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)所获得的吸收光谱的多光谱拟合程序。 该程序可同时处理多张实验光谱, 并基于全局拟合方法获得一套光谱参数。 详细介绍了该程序的原理、 使用方法及数据处理过程。 利用多光谱拟合程序中的Voigt线型处理了2 958~2 959 cm-1波数内甲烷(12CH4)分子6条跃迁谱线的实验光谱, 获得了296.0, 251.0, 223.0, 198.0和173.0 K共5组温度下12CH4分子6条谱线的空气展宽系数。 与之前文献报道的该波段内采用单光谱拟合程序得到的相应数据对比结果表明: 获得的各温度下的空气展宽系数与参考文献中相应数据差值的百分比处在-4.97%~1.58%之间, 两者数据整体符合较好, 并且在30组对比数据中, 有4组由单光谱拟合程序得到的空气展宽系数的误差值小于由多光谱拟合程序得到的相应数值, 有2组数据显示由两种方法获得的误差值相等, 其余24组由多光谱拟合程序获得的数据拟合误差小于由单光谱拟合程序获得的相应数值, 表明多光谱拟合程序具有良好的可靠性, 适用于气体分子吸收光谱的处理。
多光谱拟合程序 甲烷 吸收光谱 谱线参数 Multispectrum fitting program Methane Absorption spectrum Line parameter 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3887
华中光电技术研究所-武汉光电国家研究中心， 湖北 武汉 430223
离子束溅射(IBS)系统具有稳定的沉积速率和良好的工艺重复性，然而在沉积初期其速率仍会发生变化。为研究其变化规律，采用离子束溅射技术，以Nb2O5和Al2O3为高低折射率材料，制备了中红外波段高反膜，用傅里叶变换红外光谱仪测试了膜层的反射率光谱曲线，采用扫描电镜测试了膜层的断面形貌，结果显示膜层厚度随着层数的增加而减小。通过光谱反演的方法，建立沉积速率随时间呈指数变化的模型，通过优化设计，使理论曲线与实测结果的吻合程度大大提高，均方根误差由10%下降至1.5%。研究结果为时间监控方式下的膜厚修正提供了参考依据。
离子束溅射 沉积速率 光谱拟合 膜厚监控 中红外 ion beam sputtering deposition rate spectra fitting thickness monitoring mid-infrared
1 深圳大学光电工程学院, 广东 深圳 518061
2 深圳技术大学新能源与新材料学院, 广东 深圳
量子点材料具有发光光谱窄、发光波长可调及荧光量子产率高等特点, 其制成的发光器件在提升色域方面更具潜力。本文介绍了一种由蓝光 LED激发 CdSe红、绿光量子点并结合表色系统计算方法配得白光的计算方法。经多次实验确定, 红、绿光量子点与胶水配比为 (1∶60)和(1∶10), 胶量测试范围为 1.4 μL～2.2 μL和 3.0 μL～5.0 μL。采用传统 LED制作方式和分层结构制得样品, 测试此胶量范围对蓝光的吸收、转化比率, 经 Matlab拟合得到胶量与吸收、转化率的函数关系。取上述测试胶量范围形成的白光区域点 (0.34, 0.3), 得到红、绿光量子点胶量为 1.9 μL和 4.55 μL, 根据光谱计算公式得到对应的理论光谱。再根据上述胶量制作验证样品, 测试得到色坐标点为 (0.3409, 0.2992)且对应的光谱与理论光谱也基本重合。
量子点 白光 LED 光谱拟合 quantum dots white LED Matlab Matlab spectral fitting
兰州空间技术物理研究所 无锡泓瑞航天科技有限公司，江苏 无锡 230000
为了研究准确性更高的复杂多层膜光学参数测量方法，测量实际镀制红外带通滤光片的光学参数，对红外滤光片研制过程的设计优化与工艺的改进具有重要的指导作用。首先,在研究传统薄膜光学参数光谱测量方法的基础上，提出了包-全法，并研究了该方法的基本思想、物理模型以及优化算法;其次,设计制备了2 000~8 000 nm谱段内膜料单层膜和高透射率、宽截止中波带通红外滤光片，通过对比测量单层膜光学参数反演计算光谱与实测光谱的差异，验证了包-全法测量膜料单层膜光学参数的准确度及有效性，依据测量结果确定了膜料色散关系，甄别了膜层工艺的优劣;最后,采用包-全法与全光谱拟合反演法对红外滤光片的光学参数作了对比测量验证。结果证明：该方法能够准确测量红外滤光片的光学参数，测量结果可用于指导修正设计与工艺之间的匹配性，进而研制了性能更好的红外滤光片。
红外滤光片 光学参数 包-全法 全光谱拟合反演法 infrared filter optical parameters envelope-full spectral fitting inversion method full spectral fitting inversion method 红外与激光工程
2019, 48(9): 0913004
1 内蒙古科技大学 机械工程学院, 内蒙古 包头 014010
2 鄂尔多斯市莱福士光科技有限公司, 内蒙古 鄂尔多斯 017000
利用单色LED实现对AM1.5标准太阳光谱可见光(380~780 nm)波段和标准光源CIE-D65的匹配, 提出了通过有效集算法作为目标光谱的匹配算法, 将Epitex公司的大功率单色LED的峰值波长和半高全宽数据作为有效集, 并建立了一个数据库。将相关指数R2最大作为优化目标, 通过MATLAB编程求解超定方程组的最小二乘解求出拟合所需要的单色LED的种类和数量。拟合AM1.5可见光的最佳组合中使用24种单色LED, 相关指数R2高达0.850 2, 拟合标准光源CIE-D65的最佳组合中使用25种单色LED, 相关指数R2高达0.940 5。进行了增加LED和减少LED的优化实验。得出的结果对工程实践中单色LED拟合太阳光谱的研究提供了理论基础。
单色LED 光谱拟合 最佳组合 相关指数 AM1.5 AM1.5 monochromatic LED spectral fitting optimum combination correlation index
航天工程大学激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101416
基于波长调制光谱(WMS)理论,提出一种利用光谱拟合实现燃烧场气体参数测量的方法;通过拟合谱线的谐波信号实现谱线积分吸光度、多普勒线宽和碰撞线宽的测量,进而实现燃烧场内气体温度、压强和水蒸气浓度的测量;通过数值仿真研究了积分吸光度和碰撞线宽对谐波信号的影响,并在样品池中进行实验研究。结果表明:谐波信号光谱对积分吸光度的灵敏度约为1,而对碰撞线宽的灵敏度则随碰撞线宽增大而先增大后基本不变;光谱拟合测量方法具有较高的测量精度,气体温度、压强、水蒸气物质的量分数的测量值与预测值的最大相对偏差分别小于4%、6%、5.5%。
光谱学 气体参数测量 光谱拟合 波长调制光谱 积分吸光度 燃烧场 光学学报
2017, 37(12): 1230001
1 山西大学激光光谱研究所, 量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西 太原 030006
2 极端光学协同创新中心, 山西大学, 山西 太原 030006
燃煤工业指标的在线精确分析对于指导燃煤工业优化生产、 降低燃煤煤耗至关重要。 利用激光诱导击穿光谱(LIBS)分析燃煤煤质时, 因受我国复杂多样煤种所导致的“基体效应”, 测量精度有待提高。 实验中对激光诱导燃煤等离子体光谱至燃煤工业分析指标转化过程中的光谱预处理和定标建模方法进行了优化选择。 实验结果表明, 利用单/多峰Lorentzian光谱拟合计算谱线强度相比于传统计算方法, 谱线强度RSD均值可由12.1%降至9.7%; 对于核函数参数寻优, 相比于网格参数(Grid)和遗传算法(GA), 粒子群算法(PSO)的平均绝对误差(MAE)最小; 采用PSO参数寻优式支持向量机(SVM)回归建模的预测均方根误差(RMSEP)小于偏最小二乘回归分析法(PLS); 采用单/多峰Lorentzian光谱拟合方法和PSO参数寻优式SVM回归建模, 对燃煤工业分析指标预测的平均绝对误差(AAE)为: 灰分为16%～30%时AAE为1.37%, 灰分大于30%时AAE为1.77%, 发热量为9～24 MJ·kg-1时AAE为0.65 MJ·kg-1, 挥发分低于20%时AAE为1.09%, 挥发分大于20%时AAE为1.02%。
激光诱导击穿光谱 燃煤工业分析指标 光谱拟合 支持向量机 Laser-induced breakdown spectroscopy Proximate analysis of coal Spectral fitting Support vector machine 光谱学与光谱分析
2017, 37(10): 3198
