光学 精密工程
2021, 29(12): 2774
中国科学院空间主动光电技术重点实验室 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
探测月球与行星表面物质化学成分是了解其起源及演化历史的关键，而光谱探测技术则是物质成分识别与定量反演研究的重要手段。原位（In-Situ）光谱探测有别于空间探测中的环绕器遥感及采样返回探测，是指在目标现场进行的近距离光谱探测。我国“嫦娥三号”任务科学研究与资源勘查，需要开展月球表面原位光谱探测技术研究，突破凝视型时序扫描的新型声光光谱探测关键技术，研发适应表面恶劣环境的高性能、轻小型、高可靠仪器，在国际上率先实现月球表面光谱原位探测及分析。论文结合以“嫦娥三号、四号”为典型应用的红外成像光谱仪，介绍据此发展起来的月球表面原位光谱探测技术，包括探测机制、工作模式及仪器的功能、性能与应用；最后，也简要介绍了即将应用的“嫦娥五号”月球矿物光谱分析仪。
月球探测 光谱技术 原位探测 lunar surface detection spectral technology In-Situ spectral detection 红外与激光工程
2020, 49(5): 20201006
中国海洋大学信息科学与工程学院, 山东 青岛 266100
作为一种分析技术, 激光诱导击穿光谱(Laser induced breakdown spectroscopy, LIBS)近年来在各个领域有着快速的发展, 在水下的应用也逐渐受到关注。对LIBS水下研究从实验室模拟到现场试验、从机理研究到技术发展都进行了回顾, 并以 中国海洋大学研制的深海LIBS原位探测系统LIBSea为例, 给出了LIBS系统在海洋探测中获得的典型结果, 最后对未 来5～10年LIBS水下研究方向进行了展望。
激光诱导击穿光谱 水下探测 原位探测 laser induced breakdown spectroscopy underwater detection in-situ detection LIBSea LIBSea
1 中国科学院海洋研究所中国科学院海洋地质与环境重点实验室深海极端环境与生命过程研究中心, 山东 青岛 266071
2 中国科学院海洋大科学研究中心, 山东青岛 266071
3 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室, 山东 青岛 266237
4 中国海洋大学信息科学与工程学院, 山东 青岛 266003
拉曼光谱是一种分子指纹光谱, 在物质成分识别和定量分析领域已得到广泛应用, 近年来也逐渐应用于深海极端环境 的原位探测。回顾了激光拉曼光谱技术的发展历程, 介绍了国内外已经研发的深海激光拉曼光谱探测系统, 并着重介绍 了各系统在深海冷泉、热液等极端区域对喷口流体、沉积物孔隙水、自生碳酸盐岩、水合物等目标物的原位探测和 应用, 最后总结了限制拉曼光谱技术在深海取得更多应用的因素, 可以为拉曼光谱技术未来的发展提供参考。
拉曼光谱 冷泉 热液 原位探测 Raman spectroscopy cold seep hydrothermal vent in situ detection
1 国家光学仪器工程研究中心 浙江大学光及电磁波研究中心, 浙江 杭州 310058
2 浙江大学 宁波研究院, 浙江 宁波 315100
海洋是地球生态环境的重要一环, 但人类对海洋资源的勘探和开采容易对其造成严重破坏, 如油气开采过程造成的大面积溢油、污染和赤潮爆发等。高光谱成像技术可以同时获取图像信息与高分辨光谱信息, 在海洋原位探测上具有重大应用。文中综述了小型高光谱图谱仪与激光雷达及其在海洋应用上的部分近期工作。小型高光谱图谱仪结合荧光技术, 实现了溢油种类的分类和油膜厚度的估计。多模式高光谱海洋原位探测系统可以工作于普通反射或透射成像、望远成像、显微成像三种模式, 实现了海洋不同藻类及鱼类传染病载体孢囊的高光谱探测。高光谱技术结合激光雷达技术在溢油、赤潮等海洋污染物监测方面具有很大潜力。非弹性高光谱沙姆激光雷达系统通过油品的荧光光谱实现了海洋溢油油品的遥测鉴别。形貌沙姆激光雷达系统基于二维沙姆成像原理, 通过空气-水界面折射矫正, 成功的对人体、贝壳、珊瑚等进行了三维形貌重构, 近处恢复精度可达毫米级, 表面纹路清晰可见, 为海洋监测应用提供了新的技术支持。
高光谱图谱仪 沙姆激光雷达系统 沙姆成像原理 溢油 赤潮 海洋原位探测 三维形貌 hyperspectral imager Scheimpflug lidar system Scheimpflug imaging principle oil spill red tide marine in-situ detection 3D shape 红外与激光工程
2020, 49(2): 0203001
1 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京 100049
3 电子科技大学电子科学与工程学院, 四川 成都 611731
高精度空间冷原子钟在基础物理研究、导航定位系统,以及深空探测领域均有重要应用。为此,设计了一种结合激光冷却与原子原位探测方案的新型微波腔,在该微波腔中心可以俘获与冷却铷原子,然后在微重力环境下对冷原子样品开展原子钟操作。该方案相对于已有的空间冷原子钟方案,在减少冷原子损耗、死时间占比和分布腔相移上具有较大的优势。分析了微波腔的详细结构与光学设计,确定了微波腔需要的基本参数,并对微波腔内部的微波磁场进行了仿真分析。在已完成研制的微波腔内开展特性测试,测试与仿真结果说明,所设计微波腔的性能可以满足不确定度优于1×10 -16的高精度空间冷原子钟的要求。
测量 冷原子钟 激光冷却 微波腔 微重力 原位探测
1 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室中国科学院冷原子物理中心, 上海 201800
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京 100049
在空间微重力环境下,应用激光冷却技术的空间冷原子钟有望获得更高精度的时间频率基准。提出了一种基于原位探测的新型空间冷原子钟方案,在开展冷原子俘获、冷却、选态、两次微波探寻与量子态探测等过程中,冷原子都保持在微波腔中,这种设计可以使单个原子钟的周期更短,微波探寻过程有更大的时间占空比,也能使原子钟的整体结构更加紧凑。在使用Boitier a Vieillissement Ameliore (BVA)晶振作为本振的条件下,从Dick效应与量子投影噪声两方面对原子钟的稳定度进行分析预估,然后分析了影响冷原子钟不确定的来源与估值,结果表明:基于原位探测的空间冷原子钟有望达到5.9×10
-14τ-1/2的稳定度以及1×10
-16的不确定度,该结果优于当前使用BVA晶振作为本振的其他冷原子微波钟的性能。
原子与分子物理学 冷原子钟 原位探测 稳定度 不确定度
中国海洋大学 信息科学与工程学院, 山东 青岛 266100
海洋浮游生物原位探测系统对海洋生态研究具有重要意义。研究了一种适合长期在水下观察浮游生物的原位探测系统。系统基于同轴数字全息光路设计, 加入显微放大模块, 使用中心波长525nm的LED光源, 有效降低了激光散斑噪声的同时, 使显微成像的景深达到厘米量级。通过测试得到CCD位置与系统景深的变化关系直方图, 选择合适的光阑直径和CCD位置对标准分辨率板usaf1951和水槽中的浮游生物进行了全息记录和再现;对系统分辨率进行评估, 充分论证LED同轴数字全息显微在海洋浮游生物原位探测中的可行性。
LED同轴全息 海洋浮游生物 水下原位探测 数字全息显微 部分相干光源 LED coaxial holographic marine plankton underwater in-situ detection digital holographic microscopy partially coherent light source
中国海洋大学 光学光电子实验室, 山东 青岛 266100
为了使水下拉曼光谱系统更加易于搭载和布放, 并进一步提高其探测能力, 研制了一套探头式的小型高灵敏度水下拉曼光谱系统并对其探测能力进行了评估。通过优化结构设计和严格的器件选型, 系统的体积和重量得到了有效的控制, 其主体舱尺寸为Φ260 mm×L795 mm, 重量为548 N, 仅为国际上报道的首台深海拉曼光谱系统(DORISS)质量的三分之一。将激光器从主体舱移至探头舱, 有效避免了传统光学探头中激发光耦合进入光纤时产生的耦合损失以及激光在传输过程中引起的杂散光干扰。系统采用了300 mW能量可调激光器配合高衍射效率的体相位全息光栅和半导体制冷CCD, 有效提高了探测灵敏度。实验结果表明, 系统对于硫酸根的检测限在0.4 mmol·L-1以下, 是DORISS探测能力的4倍, 同时能够实现对水下矿石种类的原位鉴定。该深海拉曼光谱系统在海洋原位探测方面展现出了良好的应用前景。
拉曼光谱 水下原位探测 小型化 高灵敏度 Raman spectroscopy underwater in-situ detection compact high sensitivity
