1 西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西西安70054
2 陕西省煤火灾害防治重点实验室，陕西西安710054
3 中石化安全工程研究院有限公司 化学品安全全国重点实验室，山东青岛266000
H2S，CH4多组分气体浓度测量技术的研究对石油石化行业的安全生产有重要意义。基于中红外TDLAS技术， 选用中心波长为8.309 μm的量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)为检测光源，搭建30 m长距离的遥测实验系统，使用WMS波长调制法对H2S，CH4气体的吸收谱线进行连续调谐与扫描，并对高频正弦载波进行了最优深化调制，实现了H2S，CH4多组分气体的同时测量。实验将H2S与5%体积分数的高浓度水汽进行混合测量，分析并验证了该波段的水汽吸收难以对测量造成交叉干扰的优良特性，并利用Savitzky-Golay平滑滤波器提高了检测信号的信噪比。通过遥测实验，分析了15 m，30 m不同遥测距离对检测信号的影响，并利用增加积分时间与计算信噪比的方法，得到了128.75×10-9 m的遥测最低限。最后，Allan方差的计算结果表明，当积分时间为183 s，142 s时，系统对H2S，CH4气体的最低检测下限分别为0.593×10-9和1.160×10-9。本文的研究结果为中红外波段H2S，CH4多组分气体的高灵敏度、同时测量提供了一种有效途径，为多组分气体的遥测应用提供了参考。
中红外 硫化氢 量子级联激光器 多组分气体遥测 mid-infrared hydrogen sulfide Quantum Cascade Laser(QCL) multi-component gas sensing
1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004
2 广西自动检测技术与仪器重点实验室，广西 桂林 541004
橡胶添加剂含量是判断橡胶质量好坏的一个重要标志。现有的检测方法不能满足橡胶中添加剂快速、准确、无损的检测需求，而且当检测对象为多组分混合物时，混合物的吸收光谱会出现重叠和失真现象，从而导致预测结果不准确。针对此问题，本文提出了一种基于太赫兹时域光谱结合化学计量学方法、数据融合的定量分析方法。以丁腈橡胶、白炭黑、氧化锌、防老剂H和防老剂MB制成五组分混合物并将其作为实验样品，利用太赫兹时域光谱系统获取并计算了五组分混合物在0.3~1.6 THz范围内的吸收光谱，然后通过求一阶导数的方式获得样品的导数光谱数据。低层数据融合直接将吸收光谱数据与导数光谱融合；中层数据融合将蒙特卡罗无信息变量消除法和连续投影算法进行特征提取后的变量进行融合；高层数据融合使用多元线性回归法进行融合。基于蒙特卡罗无信息变量消除法的中层数据融合的预测精度高于单一光谱的预测精度，而且预测性能最好。研究结果表明，太赫兹光谱结合支持向量回归、数据融合的方法可以实现多组分混合物中防老剂MB的快速、准确、无损检测，对于促进橡胶工业的快速发展具有十分重要的意义。
光谱学 橡胶及添加剂 多组分混合物 太赫兹光谱 定量检测 数据融合
激光诱导击穿光谱技术目前已用于国内大科学装置EAST托卡马克壁诊断。 在真空环境下， 如何提升LIBS定量分析准确性是其进一步发展的瓶颈问题之一。 在真空中， 激光诱导等离子体具有高度时空非均匀性， 对等离子体时空演化行为的研究， 理解各个物种的演化规律， 是进一步改进LIBS定量分析准确性的重要内容。 针对托卡马克第一壁和偏滤器的材料相关的不同元素， 该工作在真空环境下利用波长为1 064 nm、 脉宽5 ns、 功率密度6.3 GW·cm-2的脉冲激光对三元合金-碳化钨铜((WC)70Cu30)进行烧蚀产生多组分等离子体， 使用线性阵列光纤实现了对发射光谱的时空分辨测量。 以三种元素C Ⅰ 833.51 nm， C Ⅱ 657.81 nm， Cu Ⅰ 515.32 nm， Cu Ⅱ 512.45 nm， W Ⅰ 429.46 nm， W Ⅱ 434.81 nm六条谱线为研究对象， 研究了激光烧蚀等离子体不同辐射机制的时间尺度以及多组分等离子体在扩张过程中发生的元素“空间分离”现象和“离子加速”现象。 根据连续背景和六条谱线的时间演化规律， 观察到连续辐射主要发生在等离子体膨胀早期80 ns内， 离子谱线在30～300 ns， 原子谱线在100～1 000 ns。 空间分辨实验研究发现， C、 Cu、 W元素对应原子及离子的空间分布均有所不同， 即真空中激光烧蚀多组分等离子体在扩张过程中发生了元素“空间分离”现象。 将六条谱线的峰值位置和时间进行线性拟合， 获得了对应物种的扩张速度， 其速度范围在4.2～34.9 km·s-1。 结果表明， 相对原子质量越小， 对应粒子的速度越快（C Ⅰ>Cu Ⅰ>W Ⅰ， C Ⅱ>Cu Ⅱ>W Ⅱ）; 对应元素的离子速度大于其原子速度（C Ⅱ>C Ⅰ, Cu Ⅱ>Cu Ⅰ, W Ⅱ>W Ⅰ）。 利用元素“质量分离效应”和“瞬态鞘层加速”的物理机制， 对激光等离子体元素“空间分离”以及“离子加速”现象进行了讨论和解释。 该研究结果为LIBS理论模型建立提供了重要的实验数据参考， 也为提高真空LIBS定量分析准确性提供了新思路。
激光诱导击穿光谱 碳化钨铜 多组分等离子体 时空演化 质量分离效应 离子加速 Laser-induced breakdown spectroscopy Copper tungsten carbide alloy Multicomponent plasma Temporal-spatial evolution Mass separation effect Ion acceleration 光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1394
为实现混合体系中多组分有机磷农药的定性识别和定量检测, 采用紫外-可见吸收光谱法结合平行因子分析法(PARAFAC), 对水体中多组分有机磷农药混合溶液进行快速分析测定。 在纯净水中配置毒死蜱、 甲基对硫磷、 丙溴磷的单组分、 2组分和3组分农药溶液为实验样本, 采用紫外-可见光谱仪获取各组样本的吸收光谱。 将测得的纯净水-有机磷农药吸收光谱数据构建为不同的三维数据矩阵, 经核一致诊断法确定因子数后采用PARAFAC算法对三维数据进行分解, 结果发现2组分和3组分混合农药经分解后得到的光谱图与实际单组分光谱图相似度很高, 表明算法可以实现水体中多组分有机磷农药的定性分析。 进一步地, 利用算法分解得到的得分矩阵与各组分的真实浓度构建线性回归模型, 再对不同的数据集(包括农田水为稀释背景的光谱数据集)进行预测。 模型的预测结果表明, PARAFAC算法具有显著的二阶校正优势, 即使是光谱重叠严重、 预测集中存在校正集中不存在的干扰信息, 算法依然可以有效地从混合体系中检测出目标物农药。 模型对2组分混合溶液均实现了定性分析与定量检测, 预测集决定系数R2都大于0.9, 预测残差RPD也都大于3; 对3组分混合溶液的毒死蜱、 甲基对硫磷、 丙溴磷实现了定性分析, 其中毒死蜱和甲基对硫磷均达到了定量检测要求, 只有丙溴磷的定量检测结果不理想, 可能是由于丙溴磷溶液的整体光谱强度水平显著低于相同浓度的毒死蜱和甲基对硫磷溶液, 其光谱贡献最小, 以致算法对其混合体系中丙溴磷的分辨效果较差。 PARAFAC算法实现了“数学分离”代替“化学分离”的效果, 不需要复杂的预处理即可对光谱重叠严重的多组分有机磷农药混合物进行定性识别和定量检测, 这一方法为水体中有机磷农药残留的快速检测分析提供了理论依据。
紫外-可见吸收光谱 有机磷农药 多组分 平行因子分析法 定性定量分析 UV-Vis absorption spectroscopy Organophosphorus pesticides Multicomponent Parallel Factor Analysis method Qualitative and quantitative analysis 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3452
1 宁波大学高等技术研究院 红外材料与器件实验室，浙江 宁波 315211
2 浙江省光电探测材料及器件重点实验室，浙江 宁波 315211
3 浙江省海洋研究院，浙江 宁波 315211
4 吉林大学 集成光电子学国家重点实验室，吉林 长春 130012
基于空分复用技术的多芯光纤通信核心指标之一是信道串扰，该问题的存在极大地影响着传输距离及信号质量，尤其是在宽带光纤放大系统中。本文重点讨论了弱耦合19芯光纤的串扰问题，同时提出了一种利于多组分碲酸盐玻璃挤压制备的沟槽辅助型19芯光纤，并采用耦合功率理论和有限元法对模型进行了相关性能的数值仿真，系统研究了沟槽尺寸、折射率分布及相关光纤参数对芯间串扰的影响。仿真结果表明，优化设计后的光纤在1 550 nm处拥有-156 dB/100 m的低串扰值，可以满足大容量光纤通信用宽带光放大器的应用需求。
低串扰 19芯光纤 沟槽辅助型 多组分碲酸盐玻璃 low crosstalk 19-core fiber trench assisted multicomponent tellurite glass 强激光与粒子束
2022, 34(7): 075011
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所光子器件与材料安徽省重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
3 蚌埠学院电子与电气工程学院, 安徽 蚌埠 233030
4 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
5 中国科学院合肥物质科学研究院中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
近红外波段的气体吸收强度低,不利于痕量气体的测量。利用分子在中红外波段的基频吸收特性,使用单个新型室温连续输出量子级联激光器(CW-QCL)结合波长调制光谱技术(WMS)和长程光学吸收池,建立了一套高灵敏度和高精度的大气多组分温室气体同时检测的激光光谱系统。该系统的输出波数范围为2202.8~2205.6 cm -1,覆盖了CO、N2O和H2O的中心吸收谱线。实验测试结果表明:在1 s的时间分辨率下,CO、N2O和H2O的测量精度分别为1.83×10 -8,1.86×10 -9,1.19×10 -4;当满足最佳积分时间(100 s)时,系统的最低检测限可以达到1.8×10 -9(CO),0.16×10 -9(N2O),1.5×10 -5(H2O)。通过长时间测量和分析可知,所提系统部件简单,使用方便,满足大气多组分气体长时间测量要求,可广泛应用于大气化学和温室气体等领域的高灵敏检测研究。
光谱学 连续输出量子级联激光器 激光光谱 波长调制 多组分气体
1 中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室, 陕西 西安 710119
3 深圳市盐田港集团有限公司, 广东 深圳 518081
水是一种有限的资源, 对农业、 工业乃至人类的生存都是必不可少的, 良好的水环境是可持续发展的重要保障。 对水质信息的科学监测, 是实现水资源优化配置与高效利用的基础。 联合国环境署(UNEP)与世界卫生组织(WHO)指出, 应当加强发展中国家的水质监测网络, 包括数据质量的保证和分析能力的提高。 光谱法作为一种新兴的水质分析方法, 相比传统的化学水质监测方法, 具有“响应速度快、 多参数同步、 绿色无污染”的特点。 传统单波长、 多波长的线性模型依赖于水体对特定波长的吸收特征, 不适用于多组分混合溶液且普适性较差。 因此, 提出了一种基于IERT的非线性全光谱定量分析算法, 建立适用于多组分混合溶液浓度预测模型, 达到利用全光谱信息来预测浓度信息的目的。 利用实验室配置的COD, BOD5和TOC多组分混合溶液与NO3-N、 浊度、 色度多组分混合溶液作为实验样本, 使用光谱仪采集样本的光谱曲线, 通过全光谱数据进行浓度预测实验, 结果显示, 对于COD, BOD5和TOC多组分混合溶液, 本算法对于三种组分的决定系数(R2)分别为0.999 3, 0.991 4和0.999 3, 均方根误差(RMSE)分别为0.024 4, 0.057 7和0.000 4; 对于NO3-N、 浊度、 色度多组分混合溶液, 决定系数(R2)分别为0.983 4, 0.868 4和0.981 0, 均方根误差(RMSE)分别为0.100 5, 0.326 4和0.120 2。 通过对比本算法与偏最小二乘(PLS)、 支持向量机回归(SVR)、 决策树(DT)、 极端随机树(ERT)对于同一组数据的实验结果, 表明: 在两组多组分混合溶液的实验中, 本算法对于其中各组分的决定系数(R2)均为最优, 相比于其他对比算法均方根误差(RMSE)均有大幅减少。 本算法可利用光谱信息对多组分混合溶液进行定量分析, 在计算时间相当的情况下, 可有效的提高浓度预测精度, 减少定量分析的均方根误差, 可为光谱法水质监测提供一种新的有效途径。
光谱法水质监测 紫外可见光谱技术 光谱定量分析 多组分混合溶液 极端随机树 Spectroscopic water quality monitoring Ultraviolet visible spectroscopy technology Spectral quantitative analysis Multi-component mixed solution Extreme random trees 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3922
