1 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100101
2 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100101中国科学院大学, 北京 100049
目前针对土壤重金属的高光谱反演方法大多集中在单一的研究区域或未考虑土壤类型对反演结果的影响, 而土壤类型和成土因素的不同会对土壤属性参数的高光谱反演模型的普适性产生一定程度影响。 该研究提出一种顾及土壤类型的重金属高光谱遥感反演方法, 根据研究区土壤类型, 从土壤样本的实验室光谱中提取对重金属起主要吸附作用的土壤光谱活性物质的特征谱段, 分别建立基于土壤光谱活性物质特征谱段的重金属含量估算模型。 使用改进的遗传算法（IGA）对特征谱段进行波段优选, 使用偏最小二乘回归算法（PLSR）建模, 使用决定系数（R2）、 相对偏差（RPD）和预测均方根误差（RMSEP）三个指标对不同的建模方法进行评价。 以湖南省郴州市东河流域铅锌矿矿区的黄壤和红壤样本数据为例, 采集38个黄壤样本和35个红壤样本, 从土壤样本的实验室光谱中提取对Zn起主要吸附作用的土壤有机质和黏土矿物的特征谱段, 均采用IGA+PLSR方法进行建模。 结果表明: 不考虑土壤类型即利用全部土壤样本进行建模时, 与全谱段建模结果相比, 基于土壤有机质和黏土矿物特征谱段的重金属Zn含量反演精度的R2由0.624提升到0.755, RPD由1.668提升到2.069, RMSEP减少40.591; 与不考虑土壤类型的建模相比, 黄壤样本特征谱段的估算精度R2由0.761提升到0.879, RPD由2.137提升到3.001, RMSEP减少74.737, 红壤样本特征谱段的估算精度R2由0.866提升到0.939, RPD由2.848提升到4.212, RMSEP减少89.358, 黄壤和红壤样本的反演模型均达到了出色模型的标准。 因此, 土壤光谱活性物质特征谱段的提取以及土壤类型的考虑均有助于提高土壤Zn含量的反演精度, 为应用高光谱遥感图像进行大范围土壤重金属污染监测奠定方法基础。
重金属 土壤类型 高光谱遥感 土壤光谱活性物质 特征选择 Soil heavy metals Soil type Hyperspectral remote sensing Soil spectrally active constituents Feature selection 光谱学与光谱分析
2023, 43(7): 2019
北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室，北京 100876
提出一种具有同心圆形应力区的熊猫型保偏少模光纤结构，该结构可以稳定支持10个传输模式。通过引入低折射率应力区，高阶模式之间的有效折射率差提升了近一个数量级，相邻模式之间的最小有效折射率差在1550 nm处达到210-4，在C波段不低于1.810-4。模式色散不高于|-55.0219| ps/（nm·km），最大弯曲损耗在10-7 dB/m量级（弯曲半径≥9.5 cm）。该研究成果为短距离大容量的光纤设计提供了思路。
光纤光学 少模光纤 空分复用 保偏 简并模 光学学报
2023, 43(20): 2006001
1 北京大学 深圳研究生院，广东 深圳 518055
2 北京大学 材料科学与工程学院，北京 100871
3 深圳北理莫斯科大学，广东 深圳 518172
4 TCL华星光电技术有限公司，广东 深圳 518132
大尺寸薄膜晶体管液晶显示器（Thin Film Transistor Liquid Crystal Display，TFT-LCD）显示器为节省黑色矩阵（Black Matrix，BM）制程降低面板成本，使用黑色膜柱（Black Photo Spacer，BPS）技术替代BM和PS（Photo Spacer）制程，同时为兼顾对组精度提升的需求，采用BOA（BPS on Array）技术，将BPS转移至阵列基板侧。原BM制程是第一道制作，而新的BPS制程则位于阵列最后一道制程。BPS曝光成型需使用阵列前制程的金属标（Metal Mark）进行精准对位，实现精细化图案。BPS的透过率低，致使CCD摄像机透过BPS抓取前制程的金属标进行对位非常困难。针对该技术难题，对曝光设备抓标的原理进行了分析，通过调整材料颜料组成，获取了不同透过率BPS材料。将不同透过率的BPS材料进行曝光成型，研究曝光对位过程对材料透过率的最低要求，同时遮光度尽可能大。实验结果表明，NSK曝光机对位灯源波长位于780~1 000 nm红外区域，在该波段BPS材料透过率低于23%时会导致对位失败。通过使用有机-无机混合颜料组成取代有机混合颜料，在红外波段可获得接近90%的透过率，满足对位需求。同时固化成型后可获得1.2/μm光学密度，满足BPS产品遮光特性需求。以此制作的BPS面板光学指标满足产品规格。
TFT-LCD BPS技术 曝光工艺 抓标对位 透过率 TFT-LCD BPS technology exposure process mark reading transmittance 强激光与粒子束
2023, 35(5): 053001
1 河北地质大学河北省高校生态环境地质应用技术研发中心， 河北 石家庄050031
2 河北地质大学河北省农业干旱遥感监测国际联合研究中心，河北 石家庄050031
针对目前地面目标热红外通道辐射特性及其偏振辐射特性的遥感探测需求，将五大典型地面目标之一——土壤作为研究对象，并利用地物热红外多角度偏振遥感测量平台及仪器获取了不同因素影响下的土壤热红外多角度热辐射与偏振辐射数据。分别从探测角、方位角、波段、偏振角和土壤类型五个方面研究了土壤的热辐射特性及其偏振辐射特性。结果表明，当入射光源固定时，土壤的辐射亮度和亮度温度均随探测角的增大而增大；当方位角为180°时，二者均达到最大值；它们随波段变化呈现不同的规律；偏振角以及土壤类型对辐射亮度的影响不显著，而对亮度温度的影响显著。该研究成果可以为开展热红外土壤遥感应用提供新的思路与方法，并可为热红外遥感和偏振遥感的进一步发展提供重要的理论支撑。
热红外遥感 偏振辐射 多角度 影响因素 土壤 thermal infrared remote sensing polarized radiation multi-angle influence factor soil
北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室, 北京 100876
提出了一种基于底部反射增强的GaAs纳米线径向p-i-n结阵列的太阳能电池,利用有限差分时域法和有限元方法对其光谱吸收和光伏性能进行了研究。结果表明,将聚合物和衬底之间的SiO2替换为低折射率的MgF2介质层,不仅显著降低了衬底的吸收损耗,还显著提高了纳米线阵列在整个波长范围内对光的吸收率。此外,通过优化i区厚度和纳米线长度,可将太阳能电池的光电转换效率提升至13.9%。该研究为实现低成本、高性能的纳米太阳能电池提供了一条可行途径。
集成光学 纳米线 太阳能电池 底部反射 转换效率 光学学报
2021, 41(20): 2013001
曲阜师范大学物理工程学院, 山东省激光偏光技术重点实验室, 山东 曲阜 273165
基于理论、 实验和仿真相结合的方式, 着重研究了金属/介质(MD)薄膜中声子热辐射的空间特性和各向异性。 声子是由于晶格振动产生的元激发, 是物质的内在属性。 尽管声子不易调控, 但是声子与其他光学激发的耦合会产生奇异的光学现象。 特别是红外到太赫兹范围内的光子与极性介质中的声子强耦合产生表面声子激元(SPhP)。 SPhP具有强局域、 低损耗等特点, 与等离子体(plasmon polaritons)形成互补, 使得深亚波长光学成为可能。 为了进一步了解声子吸收的内在理论基础, 首先通过黄昆方程和超晶格连续介电模型在理论上分析了声子吸收。 实验上, 主要以SiO2声子作为研究对象, 利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法, 分别在Si/Al(150 nm)薄膜和Si衬底上制备出500 nm厚的SiO2薄膜。 基于傅里叶红外光谱仪(FTIR), 在垂直入射下得到热辐射光谱, 通过热辐射光谱分析, 并结合由时域有限差分算法(finite-difference time-domain, FDTD)计算得出的仿真光谱图, 对比了MD薄膜结构和非MD薄膜结构中声子的热辐射, 发现MD薄膜结构更能够有利于声子和SPhP的激发。 根据Berreman效应, 纵光学波(LO)声子只在倾斜入射时产生。 光谱线没有呈现洛伦兹线型, 因此, 虽然LO声子在垂直入射时测得的热辐射图中不辐射, 但同样影响横光学波(TO)声子辐射谱的线型。 另外, 利用FTIR对金属(Si/Al)/介质(SiO2薄膜)进行热辐射转角测试, 对热辐射转角图分析证明, Si/Al/SiO2薄膜中SiO2声子遵循LST(lyddano-sachs-teller)关系, 纵横声子成对出现, 且两种声子的空间辐射特性不同。 改变偏振, 发现在S偏振和P偏振下, 声子热辐射呈现不同的模式, 体现出声子的空间各向异性。 并且, 声子与光子耦合可以激发SPhP, 反过来, SPhP可以增强声子的吸收。 基于MD结构, 能够激发并调控SPhP和声子辐射行为, 为红外器件的实现奠定了基础。
表面声子激元 热辐射 偏振 Surface phonon polaritons Thermal radiation Polarization SiO2 SiO2 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2404
上海工程技术大学材料工程学院, 上海 201620
表面增强拉曼散射(SERS)是利用金属或金属纳米颗粒作为检测基底的一种分析测试技术, 可用于表征分子振动的信息, 具有良好的再现性和稳定性。 纳米酶是一种具有催化功能的纳米材料, 近年来, 纳米材料模拟酶催化活性的研究发展迅速, 引起了生物学、 医学等学科的广泛研究兴趣。 与天然酶不同的是纳米酶能够避免生物酶易失活的弱点, 在水或缓冲溶液中表现出较高的稳定性和良好的催化性能, 可调催化活性和制备方法简单的特点, 使其在分析催化化学和酶动力学领域具有广泛的应用前景。 目前SERS技术与模拟生物酶催化活性相结合的研究十分有限, 大部分纳米酶的研究采用紫外可见吸收光谱对纳米酶催化性能进行分析, 检测手法比较单一。 通过一步自组装氧化还原聚合法制备聚苯胺(PANI)基体中的Ag纳米颗粒, 在苯胺的聚合过程中, 利用AgNO3和3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)作为氧化剂和结构诱导剂, 在还原AgNO3的同时进行苯胺的氧化聚合, 制备出了具有SERS增强性能, 且具有模拟过氧化物酶和葡萄糖氧化酶两种模拟酶活性的Ag/PANI纳米复合材料。 经过研究发现, 这种纳米复合材料不仅可以作为单独的过氧化物酶或者葡萄糖氧化酶实现催化功能, 还可以作为串联酶, 直接通过氧化3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)反映葡萄糖的浓度。 因此将SERS技术和模拟酶催化研究相结合, 利用SERS技术实现了对过氧化氢、 葡萄糖以及TMB更加快速有效地检测。
表面增强拉曼散射 Ag/PANI纳米复合材料 纳米酶 串联酶 SERS Ag/PANI nanocomposites Nanozymes Tandem enzymes 光谱学与光谱分析
2020, 40(11): 3399
1 北京邮电大学 信息光子学与光通信国家重点实验室, 北京 100876
2 中北大学 电子测试技术重点实验室, 太原 030051
3 北京市计算中心, 北京 100094
本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 在局域密度近似和广义梯度近似下, 研究了单点缺陷下不同结构氧化石墨烯的电子结构和光学特性。研究结果表明: 文中四种构型的氧化石墨烯为力学稳定结构, 其中包含不饱和氧原子的氧化石墨烯结构在水裂解及制氢中具有重要应用潜力。能带及分波态密度计算结果表明, 包含不饱和氧原子的构型为间接带隙半导体, 其余构型均为直接带隙半导体, 且掺杂类型和带隙值随结构不同而改变。氧化石墨烯的光学吸收表现为各向异性, 且在垂直于平面方向上的吸收边蓝移到近紫外可见光区。包含sp 3杂化形式的结构光学吸收系数比包含sp 2杂化的结构高, 说明碳氧双键和悬挂键的存在对吸收光谱有重要影响。
第一性原理 氧化石墨烯 光学性质 能带 吸收系数 first-principles calculation graphene oxide optical property band absorbance 
