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
长春理工大学物理学院 吉林省光谱探测科学与技术重点实验室,吉林 长春 130022
痤疮是属于丙酸杆菌皮肤病脉的一种慢性炎症, 它危害着人体健康。虽然市面上存在痤疮识别手段, 但其仪器较大且费用昂贵, 目前尚无民用级别的痤疮识别系统投入使用。本文提出一种基于多光谱成像技术的面部痤疮识别方案, 即利用多光谱相机设备, 分别对面部正常与不同严重程度痤疮皮肤进行多光谱图像信息采集, 通过图像处理方法对采集的信息进行多光谱图像分析, 并通过光谱反演算法获取光谱信息。然后将反演出的正常和不同严重程度痤疮皮肤的反射率谱线, 与高精度光谱仪在同等实验条件下探测的谱线趋势进行对比。最后建立支持向量机(support vector machine, SVM)面部痤疮三度四级分类模型, 准确率为90%, 验证了基于多光谱成像技术对面部痤疮无创识别与分类的可行性。
多光谱成像 反射率谱 图像识别 图像二值化 痤疮识别 Multispectral imaging Reflectance spectrum Image identification Image processing
氮化硅陶瓷具备耐腐蚀、耐磨损和耐高低温冲击的优良性能，常用于高超声速飞行器的热防护材料，激光**是未来高超声速目标拦截和打击的主要技术手段。采用Nd3+:YAG固体脉冲激光器作为辐照源，热压烧结氮化硅陶瓷为靶材，中阶梯光栅光谱仪为探测器搭建实验系统，采集激光波长1 064 nm，脉宽15 ns，不同能量（50 mJ～500 mJ）作用靶材的辐射光谱。基于美国标准技术与研究院原子光谱数据库对谱线指认，利用玻尔兹曼斜线法计算得到等离子体电子温度范围为6 203 K～6 826 K，斯塔克展宽法计算等离子体电子密度范围为8.40×1015 cm−3～1.14×1016 cm−3，等离子体电子振荡频率为8.23×1011 Hz～9.58×1011 Hz，随着激光能量增加电子温度整体呈上升趋势，电子密度变化存在波动。
1 长春理工大学理学院，吉林 长春 130022
2 中国科学院大连化学物理研究所中国科学院化学激光重点实验室，辽宁 大连 116023
3 无锡中科光电技术有限公司，江苏 无锡 214115
采用1064 nm脉冲激光作为泵浦光，通过高压氘气的受激拉曼散射变频实现1.56 μm拉曼激光输出，并建立了计算受激拉曼散射与聚焦特征之间关系的模型，实现了对实验工作的指导。采用两次聚焦的设计，通过氘气气压以及聚焦参数等变量的优化，实现最高82.4%的光子转换率。为了提高1.56 μm拉曼激光的单脉冲能量，采用降低气压、提高泵浦光脉冲能量等方式，实现了最高245 mJ的脉冲能量，并通过倍频实现了780 nm激光输出，从而获得一种产生780 nm波长高峰值功率脉冲激光的方法。
激光物理 脉冲激光 受激拉曼散射 氘气 转换率 中国激光
2022, 49(11): 1101001
长春理工大学 理学院 吉林省光谱探测科学与技术重点实验室, 吉林 长春 130022
文章在理论方面利用亚波长孔阵结构透射峰位关系公式, 针对光谱探测器件所需要的具备单峰窄带透射特性的介质-金属-介质的三层结构”双玻孔阵”结构模型的窄带单峰透射结果, 基于现有的加工工艺对较常出现的上沿过刻、孔底残留和孔底过刻三种实验误差进行了潜在失效模式分析, 与标准双玻孔阵模型对比结果, 分析得到加工误差对窄带单峰透射的各种影响及产生的机理。对利用双玻孔阵结构的异常透射原理对入射光进行选择性透过制备出的新型像素级滤光膜系的制备工艺有一定的指导意义。
近红外 双玻孔阵 带通滤光膜 表面等离激元 near infrared double glass hole array band pass filter surface plasmon
长春理工大学 理学院 吉林省光谱探测科学与技术重点实验室, 吉林 长春 130000
中波红外器件从单色、双色, 向多光谱方向发展, 金属微纳结构是实现中波红外光谱功能的核心器件, 为研究中红外透射光谱特性并实现透射光谱的调制, 基于表面等离激元共振(SPs)理论, 结合有限时域差分法(FDTD)对薄膜型金属微纳孔阵列的透射光谱进行了模拟研究。深入分析了入射光源在中红外3.0~5.0μm波段内, 孔洞的形状和大小、孔阵列周期、金属膜层厚度以及金属材质对光谱透射特性的影响。通过设计模拟不同结构, 发现透射光谱强度主要由孔洞结构的大小决定, 改变阵列的周期可以调制透射峰位, 同时透射强度随着金属膜厚度的减小而快速增大, 金属材质Ag更易于中红外光的透射; 进一步依据圆孔半径(方孔边长)、阵列周期以及透射峰位, 用最小二乘法拟合得到了不同结构模型对应的设计关系式, 即在理论层面实现了3.0~5.0μm波段金属微纳结构透射光谱的调制功能, 为多通道孔阵滤波器以及光谱探测设备的设计提供了理论依据。
透射光谱 中红外 金属微纳结构 表面等离激元 时域有限差分法 transmission spectrum mid infrared metal micro nano structure surface plasmon FDTD
莫西沙星作为第四代氟喹诺酮类抗生素被大量的使用, 在人体以及家畜体内会有药物残留, 危害每个人的生命健康。 为了避免人体二次摄入, 能够快速检测肉制品中是否含有莫西沙星残留的方法尤为重要。 为此, 采用振动光谱技术结合密度泛函理论方法为莫西沙星的振动光谱检测与鉴定提供基础数据, 为其在药品检测领域的应用提供参考。 具体研究内容和结果如下: 第一步以密度泛函理论为基础(DFT), 构建莫西沙星分子空间结构, 利用B3LYP/6-311+G(d)基组优化结构并计算其理论拉曼光谱与红外光谱。 理论计算结果发现莫西沙星分子在3 700~2 800与1 800~400 cm-1范围内具有明显的拉曼与红外活性, 前者主要是官能团上键的振动, 后者为指纹区上键的振动。 由于两种光谱信息互补的优越性, 首先通过对比理论拉曼光谱与红外光谱, 标记出同时具有两种或只具有一种振动活性的振动峰频率, 结合Gaussian view显示莫西沙星分子中每个键对应的振动频率进行全面的归属, 同时给出莫西沙星分子的键长、 键角和二面角等空间结构参数。 第二步通过实验测量了莫西沙星(Moxifloxacin, MXF)的自然拉曼光谱(NRS)与红外光谱(IR)。 理论计算结果误差由频率校正因子0.973修正, 再与实验数据相比较, 峰值波数相差大多在0~10 cm-1范围内, 计算结果与实验数据基本一致, 该结果为莫西沙星的振动光谱检测与鉴定提供基础数据, 为其在药品检测领域的应用提供参考。
莫西沙星 拉曼光谱 红外光谱 密度泛函理论 Moxifloxacin NRS IR DFT
1 长春理工大学理学院光谱探测科学与技术省重点实验室, 吉林 长春 130012
2 吉林省求是光谱数据科技有限公司, 吉林 长春 130012
孔雀石绿作为一种化学制剂, 因其杀菌性较好、 价格便宜以及少量添加不易察觉等特点, 一些商家将其作为杀菌剂在水产品中使用。 然而, 因孔雀石绿代谢产物隐性孔雀石绿具有稳定性以及高毒性的化学性质, 其已被我国列为禁用药物。 该研究深入讨论了如何使用三维荧光光谱法检测水产品中的隐性孔雀石绿, 利用三维荧光光谱技术, 探究隐性孔雀石绿的三维特征, 并进一步分析其荧光强度与pH变化关系, 以研究其最佳检测环境。 最后针对鱼肉样品进行荧光光谱检测, 以讨论三维荧光光谱技术的可行性。 为三维荧光光谱法检测水产品中隐性孔雀石绿进行积累数据和奠定基础。 经初步实验可以得出: 隐性孔雀石绿乙醇溶液荧光强度最高峰值在激发波长324 nm/发射波长355 nm处, 隐性孔雀石绿甲醇溶液荧光强度最高峰值在激发波长320 nm/发射波长355 nm处; 且在pH 7的环境中检测效果最为明显。 针对鱼肉样品的检测结果表明: 隐性孔雀石绿浓度和荧光强度呈良好线性关系, 经计算得到加标回收率为96.65%, 证明实验结果有较好的稳定性。 因此水产品中的隐性孔雀石绿可以通过三维荧光光谱技术准确快速的进行检测。
三维荧光光谱 隐性孔雀石绿 水产品 鱼肉检测 Three-dimensional fluorescence spectrum Recessive malachite green Aquatic products Fish detection 光谱学与光谱分析
2020, 40(5): 1478
加替沙星作为第四代氟喹诺酮类抗生素被大量的使用, 在人体以及家畜体内会有药物残留, 危害每个人的生命健康。 为了避免人体二次摄入, 能够快速检测肉制品中是否含有加替沙星残留的方法尤为重要。 为此, 进行了振动光谱和密度泛函理论研究, 以期为加替沙星的振动光谱检测与鉴定提供基础数据, 为其在药品检测领域的应用提供参考。 具体研究内容和结果如下: 第一步以密度泛函理论(DFT)为基础, 构建加替沙星分子空间结构, 利用B3LYP/6-311+G(d)基组优化结构并计算其理论拉曼光谱与红外光谱。 理论计算结果发现加替沙星分子在3 700~2 800与1 800~400 cm-1范围内具有明显的拉曼与红外活性, 前者主要是官能团上键的振动, 后者为指纹区上键的振动。 由于两种光谱信息互补的优越性, 首先通过对比理论拉曼光谱与红外光谱, 标记出同时具有两种或只具有一种振动活性的振动峰频率, 结合Gaussian view显示加替沙星分子中每个键对应的振动频率进行全面的归属, 同时给出加替沙星分子的键长、 键角和二面角等空间结构参数。 第二步通过实验测量了加替沙星(Gatifloxacin, Gati)的自然拉曼光谱(NRS)与红外光谱(IR)。 理论计算结果误差由频率校正因子0.977修正, 再与实验数据相比较, 峰值波数相差大多在0~10 cm-1范围内, 计算结果与实验数据基本一致。
加替沙星 拉曼光谱 红外光谱 密度泛函理论 Catifloxacin NRS IR DFT 光谱学与光谱分析
2020, 40(5): 1372
