1 精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室，北京理工大学光电学院，北京 100081
2 北京理工大学长三角研究院，浙江 嘉兴 314001
建立了一种以面心立方三维光子晶体为基础的有限元预测模型，研究了纳米粒子折射率、溶剂折射率、粒子直径、粒子间距等参数对反射光谱的影响。根据预测结果制备了优化尺寸的Fe3O4@SiO2纳米粒子电调谐器件。结果表明，有限元模型预测的反射光谱中心波长在680 nm至455 nm范围内移动，与制备器件的测试光谱匹配性良好。与解析预测模型相比，建立的三维有限元预测模型得到的反射光谱中心波长的预测结果准确性更高。对于非核壳结构，两种模型的预测误差范围分别为0.49%~1.70%、0.82%~1.49%，表现相当；对于核壳结构，两种模型的预测误差范围分别为3.51%~6.11%、0.28%~1.34%。本文建立的三维有限元模型将预测误差典型值降低为原来的1/5.9。所提模型可用于准确预测胶体体系下自组装光子晶体反射光谱的动态调谐能力，弥补了解析预测模型在核壳结构光子晶体预测准确性方面的不足，可指导粒子材料参数和结构参数设计，以及可调谐范围的优化区间筛选。对反射光谱幅值和谱宽预测准确性的提升需进一步考虑短程有序结构等随机微扰特性的影响。
光谱学 胶体体系 自组装光子晶体 动态变色器件 有限元预测模型 反射光谱中心波长
1 北京市农林科学院智能装备技术研究中心, 北京 100097
2 贵州大学农学院, 贵州 贵阳 550025
3 北京市农林科学院智能装备技术研究中心, 北京 100097农业部都市农业(北方)重点实验室, 北京 100097
为了探究红、 蓝光在番茄果实着色过程中的作用关系, 在人工光型植物工厂中采用岩棉种植微型番茄, 以各发育阶段番茄果实在不同LED红蓝光模式下的反射光谱为切入点, 通过对纯红光、 红蓝组合光以及不同间隔的交替光照射下番茄果实色相指标和反射光谱的分析, 研究了不同的红蓝光照射模式对番茄果实光谱特性及着色的影响。 结果表明: (1) R6h/RB2h(纯红光/红蓝组合光6 h/2 h)交替供光模式最有利于番茄果实中呈红色素(如β-胡萝卜素和番茄红素)的积累和叶绿素的分解, 最终促成番茄果实更早地转色; R(纯红光)供光模式作用效果仅次于R6h/RB2h; 相比之下, RB(红蓝组合光)供光模式不利于番茄果实呈红色素的积累和果实着色进程。 (2) 在促进番茄果实着色方面, 红光和蓝光之间既存在协同增强效应, 也存在信号串扰引发的削弱效应, 红光与红蓝组合光以一定的间隔进行交替辐射, 能最大化地发挥单一红光与红蓝混合光在番茄果实色素代谢及果实着色方面的积极作用。 (3) 转色期番茄果实红绿区域反射比(Red/Green)、 修正叶绿素吸收比指数(MCARI)、 光化学反射指数绝对值(|PRI|)等光谱参量所反映出的色素含量变化动态与Hue值所反映的番茄果实色相一致, 该时期番茄果实反射光谱特性与果皮着色有较高的统一性, 转色期番茄果实的反射光谱能够更好地反映番茄果实着色程度和着色进程。
反射光谱 植物工厂 LED供光模式 番茄 果实转色 Reflection spectrum Plant factory LED lighting mode Tomato Fruit color conversion 光谱学与光谱分析
2023, 43(6): 1809
1 中国科学院半导体研究所光电子器件国家工程中心，北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049
应用传输矩阵法计算并分析了分布式布拉格反射镜（DBR）的堆叠方式对反射谱的影响，当入射介质为GaAs材料、出射介质为空气时，DBR以低折射率层/高折射率层（LH）的方式排列具有更高的反射率。研究了入射角度对DBR反射率的影响，利用角度相关的传输矩阵模型对DBR反射谱进行计算，结果表明，DBR反射谱随着入射角度的增加而蓝移，最大反射率随着入射角度的增加而增大。建立了940 nm波长下AlxGaAs的材料折射率与铝的原子数分数x之间的线性拟合模型，并通过多层剖分等效法，计算分析了渐变层对DBR反射谱特性的影响。相比于突变型DBR结构，渐变型DBR结构在维持最高反射率基本不变的情况下，反射带宽有所减小。
激光器 传输矩阵法 垂直腔面发射激光器 分布式布拉格反射镜 入射角度 渐变层 反射谱
南昌航空大学 无损检测教育部重点实验室, 江西 南昌 330063
随着直升机技术的发展, 急需对一种新型的直升机桨叶包铁结构做质量检测研究, 该包铁结构外层为不锈钢, 中层为橡胶、加热元件, 内层为玻璃纤维。包铁结构需要分类识别的4类典型结构为上层脱粘缺陷、加热元件、下层脱粘缺陷、无缺陷无加热元件, 但这种包铁结构较常见多层结构层数多、层厚薄、需识别分类多, 超声波在这种结构中会发生严重的混叠现象。因此研究了超声波在薄壁多层结构中的传播规律, 建立了新的包铁结构的超声反射频谱模型, 将测试的不锈钢、橡胶、玻纤的声速、声阻抗、频率-衰减系数曲线、2.25 MHz和5 MHz的探头频谱代入模型进行仿真, 仿真结果表明,2.25 MHz探头可以识别出包铁的4种结构, 5 MHz探头可以识别出除下层缺陷的另外3种结构, 实际检测结果验证了新模型的仿真结果。
超声反射谱 超声信号仿真 多层复合材料 桨叶包铁结构 超声检测 ultrasonic reflection spectrum ultrasonic signal simulation multi-layered composite material blade iron-clad structure ultrasonic testing
西安邮电大学电子工程学院, 陕西 西安 710121
在使用光纤光栅实现皮秒级别时延的基础上, 提出一种光纤光栅与单模光纤相结合的微秒级别级联结构, 该结构可以实现中心波长1 550~1 553 nm范围内, 间距为1 nm的窄波长反射型时延线, 共1, 1.5, 2和2.5 μs四种不同的时延。 将单波长反射的啁啾布拉格光纤光栅与103 m单模光纤连接构成延迟单元, 再利用光环形器将4个延迟单元级联并使用内半径为3 cm的光纤绕线盘, 将四种延时单元的传输光纤进行整合。 借助光纤光栅的反射镜作用, 控制不同波长光信号通过不同的传输距离, 从而达到时延目的。 本文通过对啁啾布拉格光纤光栅的反射谱进行仿真分析, 发现相邻反射谱的旁瓣会出现交叠现象, 因此使用六个切趾函数对旁瓣滤除。 结果显示: 不同切趾函数的滤除效果也不同, 能够完全滤除旁瓣并且对反射谱包络影响最小的是柯西切趾函数, 经柯西切趾后能使不同波长光信号在对应中心波长1 nm范围内反射率达到1, 而其他位置均为0。 由于使用光纤绕线盘整合延迟单元传输光纤会产生一定损耗, 因此对弯曲损耗进行仿真分析, 结果表明: 弯曲半径相同时, 损耗与工作波长成正比; 工作波长相同时, 弯曲损耗与弯曲半径成反比。 当弯曲半径大于2.9 cm时, 弯曲损耗曲线变化平缓并趋于0, 因此当光纤绕线盘内半径为3 cm时保证了在减小延迟模块体积的同时又不会有过大的损耗。 通过TDS784D型示波器对频率为2 000 Hz的信号经不同传输距离后的波形进行测试, 结果显示经3 m和5 km传输线后信号的各项参数基本保持不变, 经过长距离传输后, 依然能保持原信号特性, 因此使用103 m传输线可达到延迟目的。 使用W-GGL型光功率计对不同频率下的输出功率进行测量, 与直光纤的输出功率相比, 当弯曲半径为2~3 cm时偏差较大, 等于3 cm时偏差为0.18 dBm, 大于3 cm时则无限趋近, 因此设置绕线盘内半径为3 cm符合光纤延迟线的损耗范围。
光纤延迟线 光纤光栅级联结构 反射谱 切趾函数 弯曲损耗 Fiber delay line Fiber grating cascade structure Reflection spectrum Apodization function Bending loss 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2241
1 福建师范大学湿润亚热带生态-地理过程教育部重点实验室, 福建 福州 350007
2 福建师范大学地理科学学院, 福建 福州 350007
赤铁矿(α-Fe2O3)和针铁矿(α-FeOOH)是风成沉积物和土壤中常见的两种致色矿物, 具有重要的环境指示意义。 赤铁矿指示干热环境条件, 针铁矿指示湿冷环境条件。 两者同存于沉积物或土壤中, 相互竞争。 在实际研究中, 通过应用两者的比例来指示环境条件的变化。 由于天然样品中赤铁矿和针铁矿含量低、 磁性弱, 传统的X射线衍射方法、 化学分析法以及岩石磁学方法都难以准确、 便捷地检测出二者的含量。 基于两者光学特征, 近年来越来越多的研究者使用漫反射光谱和色度方法尝试进行天然样品中赤铁矿和针铁矿的定量研究。 然而, 这两种方法也存在着一些问题。 漫反射光谱中赤铁矿和针铁矿特征峰强度受基底效应、 晶格离子替代等因素影响; 色度参数的红度同样受晶格离子替代影响, 黄度影响因素更为复杂。 因此, 两种方法的相关参数不能简单地等同于赤铁矿或针铁矿含量。 两种方法的对比研究显得尤为重要。 采用漫反射光谱和色度两种方法分别对干旱区的新疆博乐、 半湿润区的四川金川和湿润区的广东徐闻三个风成沉积剖面进行实验, 分析不同参数对于赤铁矿和针铁矿的指示意义及其适用范围。 在此基础上, 探讨针铁矿与赤铁矿比值的环境指示意义。 研究结果表明: (1)漫反射方法与色度方法是识别风成沉积物中针铁矿和赤铁矿信号的有效方法, 但由于影响因素复杂, 在大范围空间内仅能作为半定量指标; (2)a*能够较好地指示赤铁矿含量, Gt/Hm与b*/a*能够较好地反映针铁矿与赤铁矿之间的比值, 但Gt与b*不能很好地指示针铁矿的含量; (3)大气水热条件不能完全等同于土体水热条件。 大气降水并非完全进入土体, 温度通过蒸发作用影响土壤中水分含量, 土体水热状况受多因素影响。 大范围地理空间尺度上, 温度决定化学反应速率, 对于赤铁矿和针铁矿的生成与保存作用大于降水量。
风成沉积 针铁矿 赤铁矿 漫反射光谱 色度 气候带 Aeolian deposit Goethite Hematite Diffuse reflection spectrum Chroma Climate zone 光谱学与光谱分析
2022, 42(6): 1684
南京信息工程大学地理科学学院, 江苏 南京 210044
反射光谱在近年来广泛应用于土壤属性的估算。 作为一种有效估算土壤全磷含量的手段, 反射光谱技术可以很大程度上减少传统化学测量方法所损耗的人力物力。 以江苏滨海土壤为研究对象, 在30个采样点采集了共147个土样, 测量土壤样品光谱反射率及全磷含量。 利用原始光谱反射率数据及6种不同的光谱变换结果, 通过随机抽样(RS)、 KS、 SPXY三种样本集划分方法, 基于偏最小二乘回归(PLSR)和支持向量机(SVM)方法分别建立土壤全磷含量的估算模型, 对比分析了三种样本集划分方法对估算结果精度的影响。 结果表明: (1)以原始光谱反射率为数据, PLSR模型, RS方法在多数情况下可以获得较为稳定的模型精度, 明显优于KS和SPXY方法; 在SVM模型中, 采用SPXY方法获得的模型结果最优, KS次之, RS结果最差。 (2)不同的样本集划分方法所合适的光谱变换方法不同, 对于三种划分样本集方法, PLSR和SVM对应的最优光谱变换分别是对数的倒数和一阶导数(KS方法), 原始光谱和一阶导数(RS方法), 一阶导数和多元散射校正(SPXY方法)。 其中采用KS方法划分样本集, PLSR和SVM均能获得最佳的预测结果。 并非所有光谱变换方法都可以提高模型精度, 部分光谱变换后PLSR模型预测精度显著降低; (3)在所有的样本集划分方法中, SVM的建模效果优于PLSR, 采用RS方法划分样本集, PLSR的预测精度高于SVM, 而采用KS和SPXY方法划分样本集, SVM的预测精度整体高于PLSR。 综上所述, 本研究区域估算土壤全磷含量的最佳模型是基于KS样本集划分方法和一阶导数光谱变换建立的SVM模型, 此时拟合优度($R_{p}^{2}$)为0.82。 结果表明反射光谱可以对滨海地区的土壤全磷含量进行有效预测, 对土壤磷元素的高效快速反演具有一定的指导意义。
全磷 反射光谱 光谱变换 样本划分方法 偏最小二乘回归 支持向量机 Total phosphorus Reflection spectrum Spectral transformation Sample division method Partial least squares regression Support vector machine
天津城建大学计算机与信息工程学院，天津 300384
针对光纤Bragg光栅（FBG）解调系统中FBG反射谱因包含高斯白噪声、工频噪声而导致解调误差大、解调系统稳定性差的问题，提出一种基于高斯差分（DoG）的FBG峰值检测算法。利用该算法对包含大量噪声的FBG反射谱信号进行峰值检测，平均误差为4 pm，标准差为4.2 pm，相比其他传统算法误差最小。实验结果表明，DoG算法稳定性高，解调误差小，能够明显地降低噪声对FBG反射谱的影响，提高了FBG解调系统的解调精度。
光纤光学 光纤Bragg光栅 反射谱 DoG算法 峰值检测 激光与光电子学进展
2021, 58(7): 0706002
南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003
为了便于导出LED有源层的出射光，本文研究了亚微米厚度LED悬空薄膜的工艺实现、形貌表征和光学性能表征。采用光刻工艺、深反应离子刻蚀技术和快速原子束刻蚀技术相结合的背后工艺，实现了基于硅基氮化镓晶圆的超薄氮化镓基LED悬空薄膜器件。本文利用白光干涉仪观察制备的超薄LED悬空薄膜的变形程度，发现薄膜变形大小与薄膜直径呈正相关，而与薄膜厚度呈负相关。薄膜变形大小低至纳米级，并且为中央凸起边缘平滑的拱形变形。通过反射谱测试发现未经加工的硅基氮化镓晶圆的反射模式数较多，而LED悬空薄膜的反射模式数大幅度减少，且反射谱整体光强明显提高。在光致发光测试中，发现由于应力释放，悬空薄膜的出射光峰值较硅基氮化镓晶圆出现了8.2 nm的蓝移，并且从背面也可以探测到移除了大部分外延层的超薄LED悬空薄膜有明显的出射光。这表明悬空薄膜在光致发光情况下更有利于导出发射光。本研究工作实现了厚度小、面积大、总体变形程度小、光学性能优良的LED悬空薄膜，为氮化镓基LED器件在光微机电领域的应用开辟了新的途径。
氮化镓 悬空薄膜 反射谱 光致发光 gallium nitride freestanding membrane LED LED reflection spectrum photoluminescence
