光声成像是在最近一段时间里发展飞速的一种非侵入式的三维成像技术, 它不仅包含纯光学成像的高对比度的特性, 也有纯超声成像的高穿透深度的特性, 因此光声成像可以得到高分辨率和高对比度的组织成像。这种技术为研究生物组织的结构形态、代谢功能、生理特征以及病理特征等提供了非常重要的手段, 在整个组织结构以及功能成像上有着非常广泛的应用前景。本文主要是对光声成像技术的原理、光声成像技术和方法、光声成像在生物医学上的应用情况作一个简单介绍。

油纸绝缘电力设备的稳定运行是保证电力系统可靠的重要环节, 现有技术下油纸绝缘系统的老化诊断仍是一个难点, 大都停留在实验室分析的阶段, 缺乏一种快速、有效的诊断手段。本文基于IEEE推荐的导则在实验室中进行了加速热老化实验, 获取了不同老化程度的油纸绝缘样本, 然后利用自主搭建的拉曼光谱检测平台建立了油纸绝缘老化拉曼光谱数据库。构建了老化初期、老化中期、老化末期3个类别中心拉曼谱线。分别利用欧氏距离、卡方距离、简森仙农散度三种光谱相似度判别方法构建了基于光谱曲线逐点比对的油纸绝缘老化拉曼光谱诊断方法。对本文实验中获取的10个待测样本进行诊断分析, 诊断准确率最高达100%(10/10)。

为区分不同种类花粉, 采用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM) 和表面增强拉曼光谱对雪松花粉和茶花蜂花粉、荷花蜂花粉、玫瑰蜂花粉、荞麦蜂花粉、五味子蜂花粉、益母草蜂花粉、油菜蜂花粉等七种蜂花粉进行形貌观察和光谱表征。结果显示: 花粉间的形态差异微小, 扫描电子显微镜难于区分各种花粉, 而表面增强拉曼光谱可以简单快速的鉴别不同种类花粉。七种蜂花粉在1800~400 cm-1范围存在明显差异。相比蜂花粉, 雪松花粉的拉曼信号更清晰可辨, 其主要特征谱带出现在1701、1657、1572、1522、1397、1293、1208、810和565 cm-1附近。

表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering, SERS)是一种高效快速的物质检测方法。其检测灵敏度高, 有效地克服了常规拉曼散射信号弱难以得到推广应用的问题。研究SERS基底的结构及特性有助于理解增强机理, 同时也为制备高性能的SERS基底奠定基础。本文以旋涂自组装的聚苯乙烯(PS)胶体球为基本结构, 采用离子溅射镀膜的方式制备了Au@PS阵列结构的SERS基底。通过调整膜层厚度实现对球结构大小及间隙的调控, 进而研究该种SERS基底在不同膜层厚度下的增强性能及表面形貌特征。扫描电镜图显示, 当膜层厚度为50nm时, 膜层外表面形成了明显的金颗粒; 以罗丹明6G为探针分子, 对制备的SERS基底进行拉曼表征, 结果表明, 膜层厚度50nm的SERS基底增强效果最强, 对R6G溶液的检测极限达到了10-9mol/L; 另外, 采用FDTD软件对制备的SERS基底进行了电磁场仿真, 仿真发现, 强电磁场分布在球体间隙及金颗粒附近, 同时发现, 膜层厚度为50nm的模型电磁场强度最强, 该结果与拉曼表征实验的结果一致。

本文利用表面增强拉曼光谱技术(SERS)实现了抗肿瘤药物5-氟尿嘧啶(5-FU)的灵敏检测。通过种子生长法制备不同粒径的银纳米颗粒(Ag NPs), 利用结晶紫(CV)作为探针分子评估基底的增强能力。将优化的Ag NPs作为SERS基底, 结合便携式拉曼光谱仪器, 对不同浓度的5-氟尿嘧啶(5-FU)标准溶液进行检测, 考察其检测限。最终利用标准加入法测定人体血清中5-FU。通过有机相沉淀去除蛋白质, 降低检测干扰。结果表明, 血清中5-FU检测限为3.125 μg/mL。

采用DFT和TD-DFT方法研究了取代基对meso-四苯基卟啉(H2TPP)的八种衍生物几何结构, 振动频率及电子光谱的相关影响。研究发现在四个苯环上引入各种取代基后, 只有衍生物8受到了较轻微的影响, 总体而言对卟啉环的中心结构造成变形较小, 主要影响的是Cm原子。由于衍生物8具有甲氧基亚氨基这种强的电子给体基团, 其HOMO和LUMO能级显著增加, 前线轨道能隙值降低到4.49eV, 提高了Q带(500～750nm)的强度, 电子从取代基到卟啉环上的转移会产生持续的紫外至红外吸收光谱, 因此该衍生物在太阳能电池中可作为高效的卟啉类感光剂。

对二甲苯吸附塔进料液主要由乙苯(EB)、对二甲苯(PX)、间二甲苯(MX)、邻二甲苯(OX)和其它非芳烃组分(记为NA)构成, 其中NA占3~10%左右。然而, 由于NA本身是一类烷烃类混合物, 具体构成未知, 所以是进料液在线分析中的难点。为此, 本文提出了一种基于分段拉曼光谱分解的进料液成分分析方法。针对对象特性, 选取两段特征光谱。对于特征谱段650~900 cm-1, 认为NA光谱分量可忽略, 基于直接光谱分析算法分解得到了四种主要芳烃组分的峰面积; 而在1350~1550 cm-1段, NA光谱分量较大, 本文引入结合洛伦兹函数的拉曼光谱自动分解算法, 可分解得到用洛伦兹谱峰拟合的NA组分的峰面积。最后, 基于训练样品各组分的峰面积和浓度建立光谱定量分析模型。实验结果表明: 对于NA含量, 标准预测误差为0.242%, 复相关系数达到0.993, 本方法的预测精度显著高于PLS算法与直接光谱分解法, 富有实际应用价值。

本文对玻璃晶圆加工过程中常见的三种缺陷类型——颗粒缺陷、气泡缺陷、三角形划痕的散射光强进行分析, 发现不同缺陷结构在空间中有不同的散射光强分布特点, 可以建立缺陷结构与散射光强空间分布的对应关系; 同时针对产线中晶圆表面微米量级缺陷, 进行了不同尺寸颗粒缺陷的散射光强度计算, 得出了微米级别缺陷尺寸与散射光强度之间的关系曲线。从而提出一种非成像缺陷检测方法: 检测获取缺陷散射光强值与空间分布, 利用散射光空间分布结构确定缺陷结构以及利用散射光强计算缺陷尺寸, 从而间接确定缺陷信息, 达到缺陷检测的目的。为晶圆产业应用过程中的缺陷快速检测提供方法参考。

利用有限元(Finite element method, FEM)方法系统研究Au-ITO-Ag对称性破缺三层纳米核壳二聚体的近场增强特性, 并采用等离激元杂化理论对其局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR)特性进行解释。研究结果表明, 对称性破缺三层纳米核壳二聚体光谱中等离子体共振峰峰位对Au内核半径的变化极为敏感; 对称性破缺三层核壳纳米颗粒的电场主要分布在纳米核壳二聚体的表面上, Ag外壳纳米杯缺口部分的电场强度最为突出, 其高度可调节的光学特性为提高生物传感技术提供了坚实的理论基础。

本工作采用自主设计的低温高压装置, 在77 K的低温条件下对纤锌矿型GaN进行了高压拉曼光谱、高压光致发光(PL)光谱以及第一性原理计算研究。拉曼光谱数据表明GaN的拉曼振动模在77 K下发生蓝移约5 cm-1, 但由温度引起的蓝移现象随压强的增加逐渐消失。PL光谱测量得到GaN在77 K常压下带隙为3.470 eV, 并且随着压力增加带隙增大。采用第一性原理杂化泛函HSE方法, 得到了同样的变化趋势。 GaN的激子(ΓBX)特征峰能量随着压强的增加而增加, 拟合得到77 K的条件下激子能量随压强变化关系为: E(P)=3.470+2.89×10-2P+1.1×10-3P2 eV。

本文提出了一种在晶硅薄膜太阳能电池Si层中嵌入金属纳米颗粒的结构, 通过控制金属纳米颗粒的形状、材料以及间距等因素, 利用金属纳米颗粒表面激发出的局域表面等离激元共振效应(LSPR)提高晶硅薄膜太阳能电池对光的吸收。使用微纳光学仿真软件(FDTD)对不同条件下的Si层吸收率以及光生电子密度分布进行了仿真研究。研究发现, 相较于未嵌入纳米颗粒的薄膜太阳能电池, 当嵌入球形Ag纳米颗粒时, Si层吸收率在0.8~1.1μm波段范围内有显著的提高, 整体吸收率比未嵌入纳米颗粒Si层吸收率提高了23.1%, 光生电子密度在纳米颗粒周围显著升高。嵌入Ag、Au、Cu、Al四种纳米颗粒的情况下, 在0.45~1.1μm波段范围内, 吸收率曲线均出现波动, 且嵌入Al纳米颗粒时可以激发出更宽波段范围内的吸收峰, 当Al纳米颗粒存在时Si层的光生电子密度整体分布最好。在对两个Al纳米颗粒间距T为0.1μm、0.15μm和0.2μm三种情况的分析中, 当波段在0.45~0.75μm波段范围内时, T为0.1μm时吸收率表现较好; 而在0.9μm和1.0μm波段附近T=0.15μm时会激发出更宽的吸收峰, 且高于T为0.1μm和0.2μm时的吸收率, Si层上部区域整体光生电子密度更高。

布里渊光时域分析(BOTDA)系统中, 不同的脉冲宽度对应不同的空间分辨率, 但不同脉冲宽度下的布里渊信号会重叠在同一位置。首次对该现象进行了理论分析, 并基于该现象提出了一种新的布里渊光时域定位技术。通过正反两次测量对应变或温度段的端点进行定位, 无需降低脉冲宽度就能提高空间分辨率, 克服了泵浦脉冲宽度对空间分辨率的限制。实验在24711 m的光纤上分布使用20~100 ns的脉冲均实现了1 m应变段的定位, 并通过双峰洛伦茨拟合测得其应变为1880 με, 其应变测量不确定度为36 με。该技术相比于其它BOTDA定位技术, 无需通过降低脉冲宽度来提高空间分辨率, 操作简单有效, 将在分布式传感领域具有广泛的应用前景。

本研究以唐卡《威罗瓦金刚画像贴落》脱落的蓝色和绿色颜料样品为研究对象, 利用三维视频显微镜、激光拉曼光谱、红外吸收光谱、X射线衍射光谱等方法开展形貌观察和成分分析。通过显微观察可了解颜料颜色、形貌、颗粒尺寸分布、杂质情况等信息; 从多种光谱分析结果互相印证, 可知蓝色颜料主要成分为蓝铜矿, 绿色颜料主要成分为孔雀石, 晶体结构较好。光谱学方法可为唐卡的保护修复和预防性保护工作中材料的选择和保护提供参考依据。

本文利用便携式激光拉曼光谱仪分析比较了牛油果油、棕榈油、玉米油、芥花籽油、核桃油及亚麻籽油的原始拉曼光谱与归一化拉曼光谱, 发现: 牛油果油具有位于1115 cm-1和1523 cm-1处峰强较弱且独有的两个特征拉曼峰, 而且牛油果的不饱和度参数值I1296/I1260比其他5种油高出很多。同时利用拉曼光谱对21份牛油果油实际样品进行检测, 发现有1个样品拉曼光谱与牛油果原油拉曼光谱在特征峰强度及不饱和度参数值I1296/I1260等方面存在较大差别, 被判定为疑似掺假样品。利用脂肪酸组成测试进一步验证该样品为掺伪品。实验结果显示便携式激光拉曼光谱仪可以用于快速无损鉴别牛油果油。