尹志珺 1,2,3,4,5王振兴 1,2,3,4,5李荃 1,2,3,4,5宋仁康 1,2,3,4,5[ ... ]雷李华 6
1 同济大学 物理科学与工程学院，上海 200092
2 同济大学 精密光学工程技术研究所，上海 200092
3 先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092
4 上海市数字光学前沿科学研究基地，上海 200092
5 上海市全光谱高性能光学薄膜器件及应用专业技术服务平台，上海 200092
6 上海市计量测试技术研究院，上海 201203
二维材料由于其独特的物理化学性质，对纳米光子学及光电子学的应用与发展具有重要研究价值。特别是二维材料中声子与光子耦合激发产生的声子极化激元高度局域在纳米尺度，在片上光子学的光学操控和能量传输等前沿研究领域具有极大的应用潜力。同时，光电器件制造进入纳米节点，器件应用对材料表征精度具有纳米级的要求。然而目前对声子极化激元特性分析的关键之一在于测量其干涉条纹周期，测量结果准确性依赖于仪器设备校准。因此，为实现对声子极化激元干涉条纹的精确测量，文中提出构建铬原子自溯源型光栅与二维材料的复合结构，分析金属光栅结构周期性变化对二维材料的声子极化激元耦合增强与调制作用，以及基于该原理实现对声子极化激元干涉条纹周期的精密测量。研究实现了测量干涉条纹周期为(261.01±0.34) nm的亚纳米级高精度测量，相比具有不确定度为4 nm的传统拟合测量方式具有可溯源的计量精度，同时实现了对测量仪器的亚纳米级精密校准。自溯源光栅天然溯源至基本自然常数的特性使得测量结果具备极好的准确性和可靠性，为二维材料在微纳光子学器件领域的应用提供了保障。
自溯源光栅 二维材料 声子极化激元 纳米计量 self-traceable grating two-dimensional material phonon polariton nanometer metrology 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230414
1 燕山大学信息科学与工程学院, 河北省特种光纤与光纤传感重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
2 特种光纤与光接入网省部共建重点实验室, 上海大学, 上海 200444
通过化学法制备了纳米银溶胶基底和微腔型光纤表面增强拉曼散射(SERS)基底, 其中光纤SERS基底的微腔结构是通过氢氟酸(HF)腐蚀得到的。 实验采用湿法检测, 首先将纳米银溶胶基底与罗丹明6G(R6G)混合, 找到增强效果最强时的裸光纤微腔结构, 在此结构的基础上采用溶胶自组装法制备银纳米颗粒包覆的光纤SERS基底, 通过控制自组装时间制备不同光纤SERS基底(Ag/光纤-x, 其中x为自组装时间, 分别为10, 20, 30, 40, 50和60 min)。 以10-3 mol·L-1的R6G为探针分子, 对Ag/光纤-x基底进行初筛, 得到增强效果最强的Ag/光纤-30基底。 通过检测不同浓度的R6G溶液, 对纳米银溶胶基底和Ag/光纤-30基底的SERS性能进行研究。 实验结果表明, 在相同的实验条件下, 纳米银溶胶基底和Ag/光纤-30基底对R6G的检测限(LOD)分别为10-6和10-9 mol·L-1; 在1 362 cm-1拉曼位移处对两种基底的拉曼强度和浓度进行对数转换拟合, Ag/光纤-30基底的拟合优度R2达0.975 3, 远高于纳米银溶胶基底; 拉曼信号的再现性检测结果表明, 两种基底在各个特征峰处的RSD值均在合理范围内, 但Ag/光纤-30基底的RSD值范围更小, 范围最大值仅为10.94%; 两种基底的稳定性测试结果表明, 纳米银溶胶基底35 d后, 在1 362 cm-1位置处的综合拉曼强度下降了45.90%, 而Ag/光纤-30基底35 d后, 综合拉曼强度仅下降了17.58%, 说明Ag/光纤-30基底具有长期稳定性。 同时, 对两种基底增强因子(REF)进行计算, 对浓度为10-6 mol·L-1的R6G溶液, 纳米银溶胶基底和Ag/光纤-30基底的REF数值分别为3.49×106和2.14×107, 说明对于同一浓度的R6G溶液, Ag/光纤-30基底具有更强的增强效果, 且比纳米银溶胶基底高出一个数量级。 通过对比两种基底的SERS性能, 表明Ag/光纤-30基底具有更高的灵敏度、 更好的再现性以及长期稳定性。 因此, 基于银纳米颗粒包覆的光纤SERS基底在农残化学分析、 生物医学检测等痕量检测方面有潜在的应用价值。
表面增强拉曼散射 纳米银溶胶 光纤 溶胶自组法 罗丹明6G Surface enhanced Raman scattering Silver sol Fiber Sol self-assembly method Rhodamine 6G 
燕山大学信息科学与工程学院, 河北省特种光纤与光纤传感重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
提出了一种基于银修饰的微腔型光纤表面增强拉曼散射(SERS)探针, 采用湿法检测, 将光纤SERS探针直接放入待测溶液中, 以罗丹明6G(R6G)溶液为探针分子, 对所制备的光纤SERS探针进行远端实验性能研究。 利用氢氟酸化学腐蚀的方法制备了一种微腔型光纤结构, 通过控制氢氟酸的腐蚀时间得到了一系列不同腐蚀时间、 不同微腔长度的光纤结构。 实验研究了光纤结构的微腔长度对光纤SERS探针性能的影响, 以浓度为10-3 mol·L-1的R6G溶液为探针分子, 通过不断地优化纳米银溶胶与R6G溶液的混合顺序及比例, 采用裸光纤微腔结构对混合溶液进行拉曼检测, 发现当混合溶液的混合顺序及比例为先后混合等体积的纳米银溶胶和R6G溶液时, 此时得到的混合溶液的拉曼信号增强性能最佳。 利用得到的混合溶液去寻找拉曼信号增强效果最高时光纤微腔结构的结构参数, 实验结果表明, 在相同的实验条件下, 当光纤放入氢氟酸中腐蚀时间为5 min时, 此时光纤微腔结构的拉曼信号增强效果最佳。 在显微镜下测量的多组腐蚀时间为5 min的光纤, 其微腔长度平均约为81 μm。 对得到的光纤微腔结构, 采用制备过程可控的磁控溅射技术制备了一系列银纳米薄膜/多模光纤(Ag/MMF)的复合材料。 当磁控溅射时间为10 min时, 获得了光纤SERS探针(Ag/MMF-10)。 实验以去离子水配制了不同浓度的R6G溶液, 以不同浓度的R6G溶液为探针分子, Ag/MMF-10探针的远端检测限(LOD)低至10-7 mol·L-1。 该光纤SERS探针拉曼信号的再现性光谱检测中显示各个特征峰的相对标准偏差(RSD)均小于10%。 同时, 该光纤SERS探针对浓度为10-6 mol·L-1的R6G溶液的增强因子(AEF)可高达2.64×106。 实验结果表明所制备的银修饰的光纤SERS基底具有较高的灵敏度和良好的再现性。 因此, 该光纤SERS探针在生物医学检测、 农残化学分析等痕量检测方面有潜在的应用价值。
光纤光学 光纤探针 表面增强拉曼散射 磁控溅射法 罗丹明6G Fiber optics Fiber probes Surface enhanced Raman scattering Magnetron sputtering Rhodamine 6G 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2800
燕山大学信息科学与工程学院, 河北省特种光纤与光纤传感重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
提出了一种基于拉曼光谱和改进人工蜂群算法优化支持向量机回归(IABC-SVR)算法快速定量检测山羊血清蛋白含量的方法。 传统人工蜂群算法在数据区域规模较大时, 收敛速度逐渐减慢, 出现效率低、 精准度下降、 局部最优解概率高等问题。 所提出的算法解决了这些问题, 使算法在进化前期避免陷入局部最优解, 在进化中后期能够保持解的全局搜索能力。 常规测定血清蛋白总量的方法通常采用凯氏定氮法、 双缩脲法等, 但存在时效慢、 污染样本等缺点。 采用拉曼光谱法进行检测, 具有快速、 无损的优点。 以山羊血清为分析对象, 按一定体积比配置35组待测样本, 用拉曼光谱仪采集拉曼光谱, 光谱采集范围为300~1 300 cm-1, 采用基线矫正去除荧光背景, 使用Savitzky-Golay光谱平滑法对原始光谱进行平滑处理, 归一化处理光谱数据, 并对拉曼光谱特征峰进行归属。 实验结果表明, 拉曼光谱能够表征血清中主要化学集团的信息, 且由于官能团浓度差异, 光谱特征峰强度随浓度变化明显, 因此基于特征峰信息可以测定血清蛋白总量。 实验中, 以购买的山羊血清蛋白含量为基准, 通过配置样本的体积比得到各组待测血清样本的蛋白含量, 配置的单个液体样本体积为3 mL, 随机选取8组实验样本作为模型测试集, 剩余27组作为模型训练集。 以经过处理的光谱特征峰强度和对应的血清蛋白含量分别作为模型的输入值及输出值, 建立IABC-SVR, ABC-SVR和BP三种算法的定量模型, 对测试集血清蛋白总量进行预测。 最后通过均方差(MSE), 相关系数(r)与建模时间分别进行对比, 结果表明通过IABC-SVR建立的山羊血清蛋白定量矫正模型效果最佳, 模型的相关系数为0.990 27, 均方误差为0.244 3, 建模时间为1.9 s, 预测值方差均小于0.001 g·mL-1, 预测准确率为99.8%。 实验结果表明, 应用激光拉曼光谱技术结合IABC-SVR算法, 对快速定量检测山羊血清蛋白含量, 具有较高的准确率和稳定性。
激光拉曼光谱 血清蛋白 改进人工蜂群优化 支持向量机回归 定量分析 Laser Raman spectroscopy Serum protein Improved artificial bee colony optimization Support vector machine regression Quantitative analysis 
长春工业大学电气与电子工程学院, 吉林 长春 130012
猪肉内部结构成分复杂, 各部位的成分相似, 分辨较为困难。 结合激光诱导击穿光谱技术, 通过光谱分析的方式提高分类精度。 以5种不同部位的长白山黑猪肉(里脊肉、 梅花肉、 后腿肉、 前腿肉、 五花肉)作为待测样品, 通过冷藏、 切片等预处理方法, 探究激光诱导击穿光谱技术鉴别猪肉脂肪与肌肉及其不同部位的可行性。 首先通过采集猪肉脂肪样品与肌肉样品的LIBS谱线信息发现, 猪肉中Mg, K, Fe, Cu, Ca和Na等元素较为丰富, 并在脂肪样品光谱中发现C—N键, 与肌肉样品LIBS谱线信息相比, 脂肪样品受其内部水分、 有机质成分影响致使其谱线信息背景和噪声信号干扰较大, 二者谱线信息存在一定差异, 说明LIBS可对脂肪组织与肌肉组织进行鉴别。 通过对目标元素Ca, Na, Mg, K和Al其LIBS特征谱线强度进行检测, 计算Mg/Ca, Al/Ca, Na/Ca和K/Ca比值, 发现与Al/Ca和Mg/Ca相比, Na/Ca和K/Ca各部位元素比值分布差异明显, 在此基础上, 根据Na/Ca和K/Ca比值, 计算猪肉各部位元素分布决策阈值[(1-α)=90%]。 发现与Al/Ca和Mg/Ca比值相比, Na/Ca和K/Ca更能明显的反应出各部位元素分布的不同。 其比值分布阈值基本可对猪肉各部位进行区分。 以前腿肉与后腿肉为例, 前腿肉Na/Ca和K/Ca比值分别分布在1.29~1.58和0.31~0.42, 后腿肉Na/Ca和K/Ca比值分别分布在0.98~1.18和0.15~0.23。 其元素比值分布无明显重叠。 最后, 为提高LIBS技术对猪肉不同组织分类的可靠性, 将光谱元素强度比值数据与主成分分析法相结合, 基本可以实现对猪肉各部位的分类, 说明元素特征谱线强度比值在对猪肉各部位分类时具有一定的预测精度。 该工作证明, 使用激光诱导击穿光谱技术对猪肉进行分类识别等定性分析时具有一定可行性, 有望适用于其他生物组织检测分析。
激光诱导击穿光谱 猪肉分类 元素强度比 主成分分析 Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) Classification of pork parts Element intensity ratio Principal component analysis
中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北 石家庄 050061
重金属污染是一个相当严重的环境问题。 镉具有很强的生物毒性和不可降解性, 对生态环境和人体健康有极大威胁, 被列为优先控制污染物。 环境中镉的主要污染源是电镀、 采矿和化学工业等部门的废水, 如何简单高效去除水中的镉, 有重要的社会意义和经济意义。 目前, 水中重金属的去除方法有化学沉淀、 膜分离、 离子交换、 吸附、 电解等, 其中吸附法因简单高效而广泛应用。 活性炭纤维是一种新型活性炭, 孔径小且均匀, 表面官能团发达, 吸附性能好, 逐步应用于水处理领域。 以电感耦合等离子体光谱为检测手段, 佐以比表面积分析, X射线衍射, 元素分析和傅里叶变换红外光谱, 研究比较了三种活性炭纤维（纤维炭网、 活性炭无纺布、 活性炭纤维毡）的结构特点及其对水中镉的吸附性能。 三种活性炭纤维结构基本类似, 具有较发达的孔隙结构。 活性炭无纺布极性较强, 表面有丰富的羟基、 羧基、 醛基等含氧官能团, 对水中镉的吸附作用最大。 因此, 选择活性炭无纺布为吸附剂进行后续实验。 研究了活性炭无纺布吸附镉的影响因素, 如溶液pH, 吸附时间等。 溶液pH影响吸附剂表面电荷及水中镉的存在状态。 水中镉的去除效率随溶液初始pH的增大而增大, 在较低pH时, 吸附剂与Cd2+间存在静电斥力, 同时H+和Cd2+存在竞争吸附, pH>9时, 镉的去除是吸附与沉淀协同作用的结果, 选择pH为6～7。 在吸附的初始阶段, 活性炭无纺布对Cd2+的吸附量迅速增加, 10 min时, 吸附率达到72%。 随着吸附位点逐渐被Cd2+所填充, 吸附速率逐渐变慢, 300 min时, 吸附容量基本无变化, 吸附趋于平衡。 优化了镉的吸附条件后, 进行等温吸附实验和动力学实验。 结果表明, 25 ℃时, 吸附时间为300 min, pH 6.0条件下, 当镉的平衡浓度在20.00 mg·L-1时, 活性炭无纺布对镉的单位质量吸附量和单位比表面积吸附量分别是3.04 mg·g-1和0.035 mg·m-2。 用Langmuir方程（R2=0.997, KL =1.796 L·mg-1）和Freundich方程（R2=0.895, KF=0.918 L·mg-1, n=2.12）拟合活性炭无纺布对镉的等温吸附数据, Langmuir方程计算的理论吸附量为3.07 mg·g-1, 与实验值相当, 并且线性系数更高, 说明该体系的吸附符合Langmuir方程, 主要为单分子层吸附。 Langmuir分离因子介于0和1之间, 表明活性炭无纺布对镉的吸附容易进行。 用准一级动力学方程、 准二级动力学方程、 颗粒内扩散方程和Elovich方程四种动力学模型拟合吸附过程。 在吸附的前5 min, 镉在活性炭无纺布上的吸附符合颗粒内扩散方程（R2=0.985）, 吸附主要受颗粒内扩散控制。 在吸附的5～300 min, 颗粒内扩散方程拟合较差。 整个吸附过程符合准二级动力学方程（R2=0.999, k2=0.367 g·mg-1·min-1）, Elovich方程（R2=0.981, a=0.271 mg·g-1, b=0.083 mg·g-1·(lg min)-1）和准一级动力学方程（R2=0.927, k1=0.008 8 min-1）次之, 颗粒内扩散方程（R2=0.785）最差。 活性炭无纺布对镉的吸附过程是一种化学作用为主的吸附过程。 对5.00 mg·L-1含镉水样, 活性炭无纺布投放量为10 g·L-1时, 吸附后水中镉的浓度小于0.10 mg·L-1, 符合《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）。 活性炭无纺布可同时吸附镉, 铜, 铅, 铬等重金属离子, 选择性较差。 但在电镀、 采矿等实际废水中重金属种类复杂, 适当提高吸附剂投放量, 可同时去除多种重金属。 利用活性炭无纺布吸附处理含镉水样, 处理效果好、 操作简单, 可以作为去除水中镉的吸附剂, 为含镉废水的处理提供了技术支持和理论基础。
镉 活性炭无纺布 电感耦合等离子体光谱 吸附 Cadmium Activated carbon fiber fabric Inductively coupled plasma optical emission spectr Adsorption
1 工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610
2 哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001
3 东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040
基于多光谱辐射测温技术，提出一种无需假设发射率模型的梯度投影算法，并对6 种发射率模型进行了仿真计算。结果表明：梯度投影法反演结果误差小于20K，发射率反演结果的趋势与模型吻合。梯度投影法属约束优化算法，与多光谱辐射测温技术结合可避开发射率无法确定需要假设模型的难题，开辟了多光谱辐射测温新的研究思路。
辐射测温 梯度投影 模型仿真 radiation thermometry gradient projection model simulation
1 北京理工大学光电学院, 北京 100081
2 北京理工大学激光微纳制造研究所, 北京 100081
3 中自高科(苏州)光电有限公司, 江苏 苏州 215000
设计了基于光纤白光干涉测量技术的折射率测量仪, 用来测量尺寸较小、形状简单的透光材料折射率。与传统折射率检测方法相比较, 光纤折射率测量仪具有设备尺寸小、测量精度高、操作简易、便于携带等优点。实验测得某种石英玻璃的折射率值为1.464, 与标准值偏差为0.02, 误差为1.4%; 测得某种普通玻璃的折射率为1.502, 与标准值偏差为0.002, 误差为0.1%; 测得K9玻璃的折射率为1.507, 与标准值偏差为0.009, 误差为0.6%。
光纤白光干涉测量技术 外腔式Fabry-Perot干涉仪(EFPI) 折射率 optical fiber white-light interferometry technolog EFPI refractive index
温州大学 物理与电子信息工程学院,浙江 温州 325035
本文从量子梯度回声存储器(GEM)存储光脉冲时的麦克斯韦-布洛赫方程组出发,推导了GEM在k空间的极化声子描述及其满足的微分方程。我们解出了k空间行波通解,得到极化声子演化规律的数学表达式,加深了对已有的实验和数值模拟结果的理解。然后,我们考虑了实际原子系综量子态的退相干效应,解出了带有退相干参数的通解,发现了退相干效应对存储失真影响的定量关系。基于此,我们提出了GEM存储的一个优化方案。这个优化方案不但使存储的保真度有所提高,还缩短了翻转梯度外场与回声脉冲读取的时间间隔,为量子存储器走向实际应用提供了理论帮助。
极化声子 行波解 优化存储 GEM GEM polaritonic Wave solution optimize the Storage procedure
温州大学 物理与电子信息工程学院,浙江 温州 325035
基于可控逆非均匀展宽(CRIB)存储技术,利用DLCZ方案中原子系综产生纠缠的思想,我们提出了一个利用单光子实现固态存储器之间纠缠的方案,并将它应用于量子中继器。与传统的方案相比,该方案不需要纠缠光子源,只需要独立的两个单光子源,这样不仅可简化实验过程,还可以节约量子资源,此外在单光子量级上保密性也可得到保障。
CRIB协议 DLCZ方案 单光子 存储器纠缠 量子中继器 CRIB protocol DLCZ scheme single photon entangled memories quantum repeater
