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23003
2 中国科学技术大学，安徽合肥3006
3 香港中文大学 机械和自动化工程系，香港999077
二氧化碳（Carbon dioxide， CO2）是大气中最主要的温室气体，具有大气本底浓度高而年变化量小的特点。因此，对其浓度进行高精度的监测是实现“双碳”目标的重要环节。本文基于连续波光腔衰荡光谱技术，搭建了一套探测灵敏度低至ppb的CO2气体传感装置。系统中选取了中心波长为6 251.760 cm-1的CO2吸收线、设计了超高精细度（>300 000）的石英玻璃型法布里-珀罗谐振腔和高性能的温度、压力控制模块。腔内气体的温度和压力在24 h的变化量分别小于0.07 ℃和15 Pa。Allan方差的结果显示，系统在303 s的最佳积分时间下，可获得0.7×10-12 cm-1的检测限，对应的CO2最低可检测浓度为1.6 ppb。在较大的CO2浓度范围内，系统响应的线性相关系数为0.999 94。最后，系统以10 s的响应时间，对大气中的CO2浓度进行了2天的连续观测，其结果与商用仪器（Picarro， G2401）的监测数据高度一致，排除人体呼气干扰后的相对偏差优于6‰。该系统具有结构简单、成本低、灵敏度极高的特点，在痕量气体监测领域将具有广阔的应用前景。
CO2探测 光学传感 光腔衰荡光谱 极高灵敏度 CO2 detection optical sensing cavity ring-down spectroscopy ultra-high sensitivity 光学 精密工程
2023, 31(20): 2921
1 西南技术物理研究所, 成都 610041
2 四川水利职业技术学院 资源环境工程学院, 成都 611830
3 成都信息工程大学 光电工程学院, 成都 610225
为了研究云粒子微观特性, 采用激光成像技术、高斯光束匀化处理技术、高分辨率阵列探测器以及图像抽帧还原算法, 研制出激光云粒子成像仪。通过地面模拟测量及实际飞行试验, 对仪器性能进行了测试。结果表明, 研制仪器可实现对25 μm~1550 μm云粒子的成像, 分辨率为25 μm, 粒径测量误差小于9.5%; 实测的冰晶粒子形态符合云粒子自然分布规律, 粒子尺度谱符合指数分布, 决定系数在0.58~0.97之间。该研制仪器可为云降水微物理研究提供基础观测数据。
激光技术 云粒子探测仪 线阵成像 尺度谱 laser technique cloud particle probe linear array imaging scale spectrum
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
基于异形孔径光阑的成像系统像方光强分布计算对显微系统自动对焦、景深扩展等成像技术领域发展有极其重要的理论价值，而传统的菲涅耳衍射光强分布计算公式仅适用于轴对称孔径光阑，且在焦平面处光强分布的问题。利用标量衍射理论，通过结合频谱变换与正交分离，推导出适用于异形孔径形状、任意离焦量的像方空间光场强度分布数理关系式；并利用离散傅里叶变换原理，获得了基于异形孔径光阑的光学成像系统像方空间光强分布的数值计算表达式。在圆形孔径光阑、焦平面处，对获得的表达式与传统计算公式进行了对比计算与分析，两组计算结果完全一致。针对半圆形孔径光阑，在相同的系统参数下，在离焦量分别为0，4，8 μm三个像方位置处，数理模型理论计算的结果与实验测试结果基本一致。从而证明所推导数理模型的准确性，其可适用于任意形状的孔径光阑。
异形孔径光阑 光学成像系统 像方空间 傅里叶变换 光强分布 激光与光电子学进展
2023, 60(6): 0611006
1 东北大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110000
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环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230000
3 中国科学技术大学，安徽 合肥 230000
人体呼气中一氧化氮浓度（FeNO）与肺部呼吸道疾病有着紧密的联系，美国食品和药品管理局（FDA）、欧洲呼吸学会（ERS）和美国胸科学会（ATS）等权威机构相继将FeNO作为哮喘生物标志物，并将FeNO列为呼吸系统疾病的常规检查项目。针对FeNO高灵敏监测需求，发展了一套中红外波长调制激光吸收光谱检测仪，利用多元线性回归的方法解决了CO2谱线交叉干扰问题，NO的检测限达到。利用多浓度标准气体对样机性能进行了定标，在体积分数范围内，仪器结果的线性相关性为0.994。最后，对中国中医科学院西苑医院的志愿者呼气样本进行了测量。
光谱学 一氧化氮 激光光谱 中红外波长调制 多元线性回归 光学学报
2022, 42(21): 2130001
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23003
2 中国科学技术大学，安徽合肥3006
针对温室气体CH4的高灵敏探测需求，提出了高精细度光学反馈腔衰荡光谱技术，研究了光学反馈对腔模信号的影响、系统的灵敏度以及光谱扫描法。在精细度大于100 000的V型谐振腔上实现了光学反馈腔衰荡光谱技术，对比了有/无光反馈时腔模信号的差别，验证了光反馈效应可以提高激光到腔的耦合效率。发展了固定腔长的光反馈检测技术，将腔的自由光谱范围FSR用作光谱相对频率标尺，基于HITRAN数据库中两条吸收谱线的绝对波长和测量到的相对位置进行对比分析，得到腔的FSR为0.004 2 cm-1。然后，运用allan方差分析了系统的检测能力，测得系统的噪声等效吸收系数为1.1×10-10 cm-1 Hz-1/2，当积分时间为4.7 s时，系统灵敏度为8×10-11 cm-1。最后，提出了连续电压扫描的激光器频率控制扫描方法，用1.5×10-6的标气对该方法进行了验证，得到测量精度为6.8×10-9。该方法在仪器工程化方面极具潜力。
激光光谱 光学反馈 腔衰荡光谱 CH4高灵敏探测 laser spectroscopy optical feedback cavity ringdown spectroscopy CH4 highly sensitive detection 光学 精密工程
2022, 30(19): 2305
1 有研科技集团有限公司国家有色金属及电子材料分析测试中心，北京 100088
2 国合通用测试评价认证股份公司，北京 101400
3 北京有色金属研究总院，北京100088
4 山东东仪光电仪器有限公司,山东 烟台 264003
5 中国科学院山东综合技术转化中心烟台中心,山东 烟台 264003
6 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 13033
基于自行设计搭建的远程激光诱导击穿光谱(LIBS)系统, 完成了远程LIBS的聚焦特性分析, 并对远程 LIBS技术应用于镍基高温合金成分分析的实验方法进行了研究。 该LIBS系统具备激光发射光路和信号采集光路同轴且独立变焦的特点, 通过自动聚焦, 可实现1~10 m的远程分析。 研究表明: 受激光聚焦焦深的影响, 等离子体光信号可探测范围随系统工作距离的增大而增大, 即系统对聚焦精确度的要求降低; 同时, 烧蚀斑点尺寸增大导致的功率密度减小及信号采集立体角的减小, 会使得谱线强度随工作距离的增大成四次方反比关系衰减。 分别使用无内标的标准曲线法和有内标的标准曲线法建立了GH4169镍基高温合金中Ni, Cr, Nb, Mo, Ti和Al六种元素的标准曲线, 有内标的标准曲线的拟合优度R2(0.999 7, 0.999 4, 0.998 7, 0.999 1, 0.998 1和0.999 7)明显优于无内标的标准曲线(0.953 2, 0.876 6, 0.897 4, 0.914 5, 0.938 4和0.991 6)。 对比了LIBS和X射线荧光光谱(XRF)两种分析技术, 对于常量元素Ni, Cr, Nb和Mo, 两种方法的相对标准偏差分别在1.74%~3.90%以及0.10%~0.52%, 相对误差分别在0.21%~0.92%以及0.64%~2.25%; 对于微量元素Ti和Al, 两种方法的相对标准偏差分别为5.58%, 4.15%以及2.39%, 5.64%, 相对误差分别为2.75%, 2.93%以及4.68%, 2.39%。 由于激光诱导等离子体的不稳定性、 烧蚀样品量少的特点, 远程LIBS方法的精密度稍逊于XRF方法, 但LIBS方法通过重复多次测量, 可以有效减小测量误差, 表明LIBS技术应用于镍基高温合金的远程在线分析具有一定的可行性。
激光诱导击穿光谱 远程 焦深 标准曲线法 Laser-induced breakdown spectroscopy Remote Depth of focus Standard curve method
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
针对导弹口径微小化的需求，为解决微小型导引头无法全方位扫描的问题，提出一种微小型滚仰式红外导引头光机轴系一体化结构。该光机结构把经典滚仰式导引头两根独立俯仰轴与光机结构本体设计成一体，通过红外探测器固定连接的方式让整体结构更加紧凑并兼具焦距微调功能，在保证成像质量的同时大大减小了光机结构的体积。将建模后的光机结构进行有限元热力耦合分析，在导引头温度、位置和角度等 8组极限工作情况下，得到结构件和镜片的热变形。分析结果表明，提出的光机结构满足微小型(80 mm)、抗冲击(10g)和高低温(－40℃～60℃)工作要求，可以预测实际使用时的工作情况，对设计具有重要的指导意义。
红外导引头 滚仰式 有限元 仿真分析 infrared seeker, roll-pitch, finite element, simul
铝合金作为重要的金属材料, 广泛应用于各领域, 但大量的铝合金废料却难以进行分类回收。 二次资源的回收利用是我国工业绿色、 可持续发展的助推器, 如何快速、 简便地对铝合金废料进行识别分类则成为了铝合金废料回收利用的先决条件。 激光诱导击穿光谱(LIBS)是近年来发展快速的一种分析技术, 具有快速、 全元素分析、 实时、 原位、 远距离检测等优点, 已广泛应用于塑料、 土壤、 肉类、 钢铁等识别研究, 大多采用最小二乘判别分析法、 簇类独立软模式、 人工神经网络、 支持向量机、 随机森林等算法来建立模型。 基于迭代型树的XGBoost算法具有正则化、 并行处理运算、 内置交叉验证和高度的算法灵活性等优势, 其模型结构相对简单、 运算量较小, 且准确率较高, 成为近年来机器学习中极受欢迎的算法, 因而被广泛应用。 基于六种铝合金样品的600组光谱数据, 根据NIST原子发射光谱数据库进行光谱特征提取, 确定光谱特征谱线的分类依据。 利用XGBoost算法进行自动分类及排序, 将处理后的光谱数据随机划分为训练集和测试集, 通过训练集构建算法模型, 提取其分类特征; 利用测试集检验模型的稳定性和可用性, 防止出现过拟合。 XGBoost在固定参数下得到的模型具有一定的自适应性, 较少受数据集的影响, 总体准确率可达96.67%。 其分类特征与已知的元素含量信息相吻合, 证明了基于光谱的特征谱线数据, 可为分类识别提供参考; 同时还可根据XGBoost生成的特征评分来对光谱谱线特征的重要性进行排序。 实验结果表明, LIBS可用于不同种类铝合金的快速识别, 为废弃金属的分类回收提供了一种新的技术。
铝合金 激光诱导击穿光谱 识别 决策树 Aluminum alloy LIBS Recognition XGBoost Decision Tree XGBoost
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 中国科学技术大学工程科学学院, 安徽 合肥 230027
3 中国科学技术大学科学岛分院, 安徽 合肥 230031
4 东北大学信息科学与工程学院, 辽宁 沈阳 110000
光腔衰荡光谱(CRDS)技术具有精度高、灵敏度高、线性动态范围大的优势,被广泛应用于环境大气碳和水循环监测、人体呼气监测、深海/海洋溶解气体监测等领域。本文简要介绍了CRDS的基本原理及其发展历程,梳理了近年来国内外研究机构在痕量气体及同位素探测上的应用研究进展,重点介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所在环境大气温室气体探测、青藏高原气体廓线探测和深海溶解气体及其同位素探测应用领域中的研究工作、目前已经取得的研究进展以及还存在的相关问题,最后展望了CRDS技术在痕量气体探测领域的应用前景和未来发展趋势。
光谱学 腔衰荡光谱 高灵敏度 分子探测
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 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春130033
陆地或海洋与大气之间的能量和物质交换的定量研究, 特别是二氧化碳(CO2)交换通量的监测, 对研究全球碳循环以及气候变化具有重要意义。基于直接吸收光谱技术和导数吸收光谱技术, 采用收发一体式光学系统, 研制了开放式CO2在线探测样机, 测量区域可达到km量级。利用Allan方差分析了系统检测限, 当积分时间达到100 s时, 检测限为0.08×10-6。使用不同浓度的标准气体, 验证了二阶导数光谱用于浓度反演方法的可行性, 得到相关性为0.998。样机在深圳市生态环境监测站连续运行1个月, 探测结果具有明显的日变化周期性。与安装于附近不同点位的Licor7550-CO2监测仪进行数据对比, 数据变化趋势吻合, 且样机稳定性更优。
激光光谱 可调谐激光二极管 开放光路 导数吸收光谱 直接吸收光谱 laser spectroscopy tunable laser diode openpath derivative absorption spectrum direct absorption spectrum
