1 长春理工大学物理学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学吉林省光谱探测科学与技术重点实验室，吉林 长春 130022
3 吉林求是光谱数据科技有限公司，吉林 长春 130000
目前的显微光谱成像系统的探测模块主要以推扫型光谱成像仪为主，无法进行动态微观样本的观测。基于超材料宽谱调制型光谱成像技术体制，使用该原理研制的快照式光谱相机作为探测模块，其与显微镜模块形成新型的快照式显微光谱成像系统。该系统可实时获取样本的光谱曲线与光谱图像信息。同时利用该系统获取不同藻类的吸收光谱曲线，进一步使用基于支持向量机的图像分割识别算法，对水中的动态藻类样本进行识别。共测试样本80个，预测结果准确率为100%，召回率为65.52%，为快照式光谱成像技术在显微领域的应用奠定基础。
显微镜 光谱成像 快照式 吸收光谱 目标识别 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618023
1 长春理工大学物理学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学吉林省光谱探测科学与技术重点实验室，吉林 长春 130022
光谱成像具有良好的多维信息获取能力，广泛应用在食品安全、医学诊断、环境监测、伪装识别及**遥感等领域。传统光谱成像系统受到分光器件的限制，其存在体积大、成本高和集成度低等问题。基于新型超构表面的成像光谱芯片可为传感器小型化、低成本提供有效解决方案。随着光谱分析需求的持续攀升，加速了超构表面成像光谱芯片的快速发展。本文综述了近年来超构表面成像光谱芯片研究进展。在此基础上，介绍了本团队最新研究成果，通过创新设计成像光谱芯片体系架构，可同时实现高能量利用率、高空间分辨率、高光谱分辨率，为芯片级光谱成像系统的应用打下良好的基础。最后论述了成像光谱芯片的发展趋势及应用前景，为实现光谱成像系统小型化提供参考。
集成光学器件 成像光谱芯片 超构表面 分光器件 激光与光电子学进展
2023, 60(11): 1106014
稀土掺杂发光材料一直是科研领域研究的热点, 被广泛应用于白光LED、 温度传感、 显示显像、 新能源和激光等领域。 基质的结构对于稀土离子光致发光特性有非常重要的影响, 在众多发光基质材料中, 硼酸盐具有透光范围宽、 光学损伤阈值高、 较好的热稳定性和化学稳定性等优点。 碱土-稀土金属硼酸盐Sr3Y2(BO3)4具有出色的光学性能, 对其发光性能的研究具有重要意义。 稀土离子Eu3+具4f6电子层, 是一种典型的下转换发光中心离子, 常被选作红色发光材料的激活剂。 Dy3+具4f9电子层, 也是一种典型的下转换发光中心离子, 在紫外光激发下, 在蓝色光区和橙色光区有较强的荧光发射。 采用高温固相法合成了Sr3Y2(BO3)4∶Eu3+/Dy3+荧光粉, 通过XRD和SEM对样品的结构和形貌进行了表征, XRD结果表明, 1 000 ℃烧结5 h, H3BO3过量20%为最佳制备条件, 且少量的Eu3+和Dy3+掺杂并未改变Sr3Y2(BO3)4的晶格结构。 SEM图像表明Sr3Y2(BO3)4基质的平均晶粒尺寸为2~4 μm, 10%Eu3+单掺和5%Eu3+/5%Dy3+双掺样品与基质Sr3Y2(BO3)4的SEM图像相比, 形貌和尺寸并没有发生明显的改变。 Sr3Y2(BO3)4∶Eu3+荧光粉的发光结果表明, 分别在395和466 nm激发下, 浓度为5%, 10%和15%的Eu3+单掺Sr3Y2(BO3)4荧光粉的主要发光位于593和613 nm的红光发射, 峰强度随着Eu3+浓度的增加呈现先增加后降低的变化形式, 掺杂浓度为10%时发光强度最大, 说明存在浓度猝灭现象。 色坐标结果显示, 激发波长由395 nm变化到466 nm, Sr3Y2(BO3)4∶Eu3+荧光粉的发光颜色从橙红色向红色转变。 引入Dy3+后, Sr3Y2(BO3)4∶Eu3+/Dy3+样品的发射光谱出现Dy3+的486 nm的蓝光发射(4F9/2→6H15/2)和576 nm的橙光发射(4F9/2→6H13/2), 并且随着Dy3+浓度的增加, 对Eu3+的5D0→7F1, 2, 3, 4跃迁有抑制作用。 色坐标结果显示通过调整掺杂离子Eu3+和Dy3+的比例可实现Sr3Y2(BO3)4∶Eu3+/Dy3+荧光粉的颜色从红色区域向橙色区域转变, 说明其在显示方面具有良好的应用前景。
颜色可调 下转换发光 Sr3Y2(BO3)4∶Eu3+/Dy3+; Color adjustable Downconversion luminescence Sr3Y2(BO3)4∶Eu3+/Dy3+; 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2063
氮化硅陶瓷具有耐高温、 耐腐蚀和耐磨损等优异性能, 可应用于金属材料和高分子材料难以胜任的极端工作环境。 但具备这些优良特性的同时也给其加工带来了不便, 传统的磨削加工方法效率低, 设备损耗严重, 激光辅助加工为其提供了一种新途径。 将等离子体光谱法和显微成像法相结合, 对脉冲激光辐照氮化硅陶瓷的损伤阈值进行了测量, 并分析了损伤机理。 实验选用热压烧结氮化硅陶瓷为靶材, 参考ISO21254国际损伤阈值测试标准搭建试验系统, 采用1-on-1法利用Nd3+∶YAG固体脉冲激光分别在纳秒和微秒脉宽下辐照氮化硅陶瓷, 两种脉宽分别选取10个能量密度梯度进行激光辐照, 每个能量密度辐照10个点。 利用光纤光谱仪采集光谱信息, 利用金相显微镜获取显微图像信息, 将光谱结果与显微成像结果对比分析, 发现纳秒脉宽下材料一旦损伤光谱上就会出现等离子体峰, 通过分析光谱中等离子体峰, 元素指认是否含有材料中特征元素即可判断损伤, 为了区别空气电离击穿同时测量了空气等离子体光谱对比分析剔除干扰。 微秒脉宽下显微图像观察到刚开始损伤时, 光谱中只出现较强热辐射谱线并未出现等离子体谱线, 进一步增加激光能量密度, 光谱中会出现少量等离子体峰, 因此不能直接以等离子体峰判断材料损伤阈值。 利用金相显微镜观察损伤形貌, 纳秒脉宽下在损伤区域内部观察到明显的烧蚀冲击状损伤, 光谱呈现出大量等离子体谱线, 说明纳秒激光辐照氮化硅损伤机制主要为等离子体冲击波引起的力学损伤效应。 微秒脉宽在辐照区域边缘发现热烧蚀痕迹, 损伤区内观察到大量熔融物, 出现明显热辐射光谱, 说明微秒激光辐照氮化硅损伤机制主要是由于长脉宽热积累引起的热损伤效应, 随着能量密度增加热辐射谱上叠加有等离子体峰, 等离子体峰值强度与损伤程度一致。 利用零几率损伤阈值法对两种方法测得结果进行了拟合, 分析发现等离子体光谱法更适用于纳秒脉宽下损伤阈值测量, 得到结果为0.256 J·cm-2; 显微成像法适用于微秒脉宽下损伤阈值测量, 得到结果为6.84 J·cm-2。
损伤阈值 氮化硅 等离子体光谱法 Damage threshold Silicon nitride Plasma spectrometry 光谱学与光谱分析
2019, 39(11): 3433
1 长春理工大学理学院, 吉林 长春 130022
2 西安应用光学研究所, 陕西 西安 710000
发射率是辐射测温的重要参数, 基于普朗克定律, 针对辐射测温中n个方程, n+1个未知数这一病态方程组问题, 利用发射率的缓变特性提出一种新的计算方法, 以此来减少未知数的个数, 简化计算过程。 对该计算方法进行了理论及实验验证。 结果表明无论是基于理论热辐射谱还是实验数据, 均能反演出与材料发射率线形一致的发射率谱及材料真实温度, 当T=1 173 K时, 反演所得温差最大13 K, 发射率的最大绝对误差0.05; 且缓变程度越大, 波长间隔越小, 计算的准确度越高。 所述方法可应用于基于多光谱数据提取温度和发射率。
光谱学 材料发射率 缓变特性 温度 Spectroscopy Material emissivity Slowly varying characteristics Temperature
1 长春理工大学理学院, 吉林 长春 130022
2 西安应用光学研究所, 陕西 西安 710000
针对基于光谱数据进行温度与发射率分离过程中存在的n个方程包含n+1个未知数这一欠定问题, 提出利用牛顿迭代法来实现材料表面真温及发射率的反演计算, 通过给定温度和发射率初值, 利用泰勒级数的线性项建立迭代公式, 通过迭代得到温度和发射率的近似解。 分别利用理论热辐射谱和腔黑体的实验数据进行验证, 结果表明, 任意给定温度和发射率初值均可获得与真实温度接近的计算温度值, 相对误差小于0.09。 发射率反演结果与真实发射率线形一致, 当温度和发射率初值越接近真实温度和发射率时, 发射率反演结果越精确。 该方法消除了发射率假定模型限制, 有望应用于高温及超高温下各种材料真实温度和光谱发射率研究。
温度反演 材料发射率 牛顿迭代法 高温光谱 Inversion temperature Material emissivity Newton’s method Thermic spectral 光谱学与光谱分析
2017, 37(5): 1471
1 沈阳农业大学食品学院, 沈阳110866
2 中国检验检疫科学研究院, 北京100123
3 江西出入境检验检疫局, 南昌330002
三甘醇是具有强烈吸湿性的粘稠液体, 被用作石油天然气产品的新型干燥剂及脱水剂, 在对三甘醇品质进行评价时, 水分的含量是非常重要的指标。本文利用拉曼光谱技术, 对三甘醇样品的拉曼光谱图进行采集, 三甘醇标准品在波数129 cm-1、321 cm-1、531 cm-1、830 cm-1、886 cm-1有较强的拉曼信号, 以特征波数886 cm-1的信号强度与对应的水分含量做标准曲线, 得回归方程为y=-42.95x+4583.5, 相关系数R2=0.9986, 说明拉曼信号强度与三甘醇水分含量有良好的线性关系。选择水分含量为10%、15%、85%、95%的三甘醇溶液作为回测, 平均回收率在90.1%~115.86%, 相对标准偏差在0.43%~10.1%, 该方法可准确检测三甘醇中的水分含量, 且快速、操作简便、样品用量少, 可用于现场检测。
拉曼光谱 三甘醇 水分含量 检测 raman spectrometer moisture content TEG detection
1 长春理工大学理学院, 吉林 长春 130022
2 吉林大学物理学院, 吉林 长春 130012
不同的不饱和脂肪酸各自具有其不同的生理功能, 但常见的不饱和脂肪酸产品大部分为几种脂肪酸的混合物, 故在应用前对不纯的脂肪酸产品进行组成分析是必须的。 测量了不饱和脂肪酸产品组分中最常见的油酸和亚油酸的拉曼光谱, 确定了各拉曼谱线的振动模归属, 分析了其分子的构象特征。 该结果为研究长链不饱和脂肪酸的振动能级结构及能级间跃迁等做了基础工作, 丰富了有机物分子的价键数据和性质。 同时详细分析比较了油酸和亚油酸拉曼光谱的差异, 为定性鉴别脂肪酸产品的成分提供了一种简便有效的方法, 对拉曼光谱在地沟油检测方面的应用具有重要的指导意义。
油酸 亚油酸 拉曼光谱 Oleic acid Linoleic acid Raman spectroscopy 光谱学与光谱分析
2013, 33(12): 3240
1 长春理工大学 理学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林 长春 130022
采用水热法制备了ZnS∶Mn量子点, 探讨了掺杂离子浓度对ZnS∶Mn量子点的晶体结构和发光性质的影响。 通过荧光光谱对样品进行表征。结果表明: 掺杂离子的摩尔分数达到2%时, ZnS∶Mn量子点在595 nm附近的发光最强; 继续增加掺杂浓度反而出现荧光猝灭的现象。本文还研究了表面修饰对量子点形貌和发光性质的影响。通过透射电子显微镜(TEM)观察样品的形貌, 发现经过3-巯基丙酸(MPA)修饰后的样品表面团聚现象得到改善, 并且尺寸单一、单分散性较好, 平均粒径约为5 nm。经过修饰后的样品减少了表面非辐射性缺陷中心, 使掺杂Mn2+所引起的595 nm附近的发射峰强度增大。 将MPA修饰后的ZnS∶Mn量子点与牛血清白蛋白(BSA)分子进行生物偶联, 并利用BCA法对偶联上的蛋白含量进行定量检测, 结果显示经过修饰后的量子点偶联蛋白的能力更强。
表面修饰 发光 BCA法检测 ZnS:Mn ZnS∶Mn surface modification luminescence BCA detection
1 长春理工大学理学院, 长春 130022
2 吉林大学物理学院, 长春 130021
鉴于光合作用对人类生存和发展的极其重要的作用, 本文选取其关键载体--叶绿素进行其光谱的分析研究。在理论分析的基础上, 使用WGD-8A型多功能组合光谱仪测量并分析了叶绿素的紫外吸收谱。结果表明, 叶绿素溶液在紫外波段230 nm左右有一较强的吸收峰, 且随溶液浓度的增大向长波方向移动; 另外在270 nm和330 nm处有两个较宽的吸收带, 其位置不依赖于溶液浓度。
光合作用 叶绿素 吸收光谱 光谱分析 photosynthesis chlorophyll absorption spectrum spectral analysis
