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期刊信息/Journal information
光谱学与光谱分析
光谱学与光谱分析

高松

月刊

1000-0593

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010-62181070

100081

北京市海淀区学院南路76号钢铁研究总院

光谱学与光谱分析/Journal Spectroscopy and Spectral AnalysisCSCD北大核心CSTPCDEISCI
查看更多>>本刊系中国光学学会会刊，由钢铁研究总院、中国科学院物理研究所、北京大学、清华大学联合承办的学术性刊物。刊登主要内容：激光光谱测量、红外、拉曼、紫外、可见光谱、发射光谱、吸收光谱、X-射线荧光光谱、激光显微光谱、光谱化学分析、国内外光谱化学分析最新进展、开创性研究论文、学科发展前沿和最新进展、综合评述、研究简报、问题讨论、书刊评述。本刊适用于冶金、地质、机械、环境保护、国防、天文、医药、农林、化学化工、进出口商检等各领域的科学研究单位、高等院校、光谱仪器制造厂家、从事光谱学与光谱分析的研究人员、高等院校有关专业教师和研究生、有关专业管理干部。《光谱学与光谱分析》为我国首批自然科学核心期刊，中国科协优秀科技期刊，中国科协择优支持基础性、高科技学术期刊，是中国科技论文、中国科学引文数据库、中物理文摘、中国学术期刊文摘的统计源刊，被国外的SCI，AA，CA，EI，MEDLINE，AJ等文献结构收录。
正式出版
收录年代

    基于水凝胶表面增强拉曼光谱(SERS)基底检测研究进展

    汪德颖盛万里邹明强裴佳欢...
    2701-2708页
    查看更多>>摘要：表面增强拉曼光谱(SERS)具有超高灵敏度、指纹信息、少量样本和无损检测等独特优势,设计和制备具有优异重现性和稳定性的SERS基底是实现SERS检测技术进一步发展的关键因素.水凝胶是一种新型的封装材料,其交联聚合物网络具有能够保留大量水分的三维分层结构,并且对杂质具有良好的阻隔作用和强大的抗干扰能力.水凝胶SERS基底具有低成本、高灵敏度、快速检测、高通量等诸多优点,在这篇综述中,主要从SERS基底研究进程,水凝胶SERS基底优点,水凝胶SERS基底在食品、生物、环境检测领域的应用三个方面进行综述,以期为水凝胶SERS基底制备提供新的参考.首先,针对SERS基底研究进程,早期的固定金属纳米粒子(MNPs)刚性固态基底中,MNPs倾向于氧化和聚集,SERS基底重现性差,无法对表面粗糙样品进行分析;柔性支撑材料上修饰MNPs的SERS基底中,MNPs检测过程中容易分离,SERS基底灵敏度和稳定性差.为获得具有良好均匀性和稳定性的SERS基底,将水凝胶与等离子体纳米结构结合,水凝胶作为MNPs的保护层为SERS分析提供了可靠的尺寸和电荷选择性,同时保持了高渗透性.其次,水凝胶SERS基底可以无需样品预处理对待测物实现原位检测,生物相容性复合水凝胶可以直接体内检测,DNA水凝胶可以精确识别,修饰多重抗体的水凝胶可以同时检测多种分析物,可调网孔尺寸的微凝胶对目标物具有选择筛分作用,三维纳米结构的水凝胶提供更多吸附热点.目前,制备的水凝胶SERS微粒、芯片、贴片等在食品安全、生物医药,环境监测的现场痕量分析方面显示出巨大的潜力.综上,水凝胶SERS基底的制备具有很好的发展前景,能够为今后的分析检测领域提供新的借鉴.

    水凝胶表面增强拉曼光谱基底快速检测

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    聚合物玻璃化转变太赫兹光谱技术研究进展

    柯智林董冰凌东雄魏东山...
    2709-2716页
    查看更多>>摘要：聚合物玻璃化转变作为非晶聚合物的玻璃态和高弹态之间的转变,对材料性能尤其是力学性能具有重要影响.太赫兹光谱作为一种新型的光谱分析技术,具有非接触、快速和高灵敏度等优势,在聚合物玻璃化转变研究中显示出重要的应用潜力.通过对近15年来文献中的研究结果进行总结和分析,旨在全面了解太赫兹光谱技术在该领域的应用现状,并展望其未来发展方向.首先介绍了聚合物玻璃化转变的特性,探讨了传统的测量方法以及它们所面临的限制,如热分析法、动态机械分析法和红外光谱法等.为了弥补这些局限性,研究者们开始寻找新的研究手段.太赫兹光谱技术具有同时提供光谱和相位信息的能力,可以直接测量材料的折射率和介电常数,而折射率的变化可以反映聚合物链的自由体积变化,这是太赫兹光谱可以探测聚合物玻璃化转变的根本原因.接着,总结了近年来太赫兹光谱技术在聚合物玻璃化转变研究中的应用进展,对不同聚合物材料的研究结果进行了详细阐述,包括聚甲醛、聚酰胺、聚e-己内酯、聚乳酸.研究结果表明,太赫兹光谱技术可以精确测定聚合物的玻璃化转变温度,并提供聚合物结构和构象的微观信息,揭示聚合物玻璃化转变机制.进一步,还指出了太赫兹光谱技术存在的问题,包括太赫兹光谱仪的频宽限制和高成本.因此,未来研究需要进一步改进太赫兹源和仪器的性能,开发更有效的数据分析方法,并探索太赫兹光谱技术在工业应用中的潜力.总体而言,太赫兹光谱技术作为一种新兴的研究工具,在聚合物玻璃化转变领域取得了积极的进展,并具备实现聚合物的快速、灵敏检测以及精确结构分析的能力.

    太赫兹光谱聚合物玻璃化温度吸收系数折射率

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    太赫兹技术在复合材料缺陷检测中的研究进展

    蒋玉英温茜茜葛宏义陈浩...
    2717-2726页
    查看更多>>摘要：复合材料制品因具有高强度、低重量、耐腐蚀性等优点,在航空航天、建筑、海洋等多个行业中广泛应用.然而在复合材料的生产或使用过程中,不可避免地会损伤和破坏材料,降低材料性能,带来无法预料的安全隐患.因此,如何对材料内部的损伤类型和程度进行无损检测成为近年来的热点研究课题.常用无损检测技术在复合材料缺陷检测方面有一定的局限性,而太赫兹(Terahertz,THz)技术以其光子能量低、穿透性强的特点,能够实现高分辨率的无损探伤,不会对被测材料造成电离破坏,被广泛应用于复合材料的缺陷检测.THz技术的优势在于其对材料的化学成分和晶体结构的敏感性,通过分析THz波的频谱和相位信息,可获取有关材料内部的细节信息,如缺陷类型、大小和分布等,这对于复合材料的质量控制和性能评估非常重要.文章首先概述了复合材料、常用无损检测技术和THz技术的基本原理;其次对复合材料制造或使用中产生的分层、夹杂、孔隙、冲击损伤、热损伤等缺陷进行分类,并重点阐述了 THz技术在不同类型缺陷检测中的应用;然后总结了 THz技术在复合材料缺陷检测中面临的挑战,包括THz成像分辨率受限,难以提供足够的细节信息、复合材料结构的非均匀性,导致THz波在复合材料内部的传播复杂多样、现有缺陷识别技术和设备,限制了 THz在复合材料缺陷检测中的应用;最后对未来发展方向进行了展望,其中包括改进成像系统,提高THz成像分辨率的同时减少检测时间、结合人工智能和深度学习技术,完善不同类型缺陷的快速精准识别、提高数据处理的实时性,实现复合材料的在线检测,并优化复合材料缺陷检测平台.这些发展方向将进一步推动THz技术在复合材料领域的应用,提高检测效率和准确性,促进复合材料制造和应用的发展.

    太赫兹复合材料缺陷识别无损检测太赫兹成像

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    卡尔曼滤波方法在腔衰荡光谱技术探测气体中的应用

    李德浩王丹李治艳陈浩...
    2727-2732页
    查看更多>>摘要：腔衰荡光谱技术(CRDS)是一种高灵敏度的痕量气体浓度测量技术,其中衰荡时间的处理尤为重要.为减小由采集和实时测量过程中的噪声影响而引入的衰荡信号测量误差,采用了卡尔曼(Kalman)滤波处理腔衰荡光谱.该方法通过传统滤波方法预处理获取卡尔曼滤波参数观测噪声协方差σ2v(R),并调整过程激励噪声协方差δ2w(Q),评估滤波效果来优化测量结果.采用含有白噪声的模拟衰荡信号,利用线性回归总和法(LRS)拟合出本底衰荡时间和衰荡时间并进行卡尔曼滤波处理.从均值、标准偏差、残差标准偏差(RMSE)和不同噪声水平四个方面来比较分析,获取合适的Q值范围,分别是小于1×10-7和0.001.实验条件下,应用基于中心波长405 nm的二极管激光器和反射率达99.99％以上的高反镜搭建的CRDS气体检测系统,进行大气环境下的NO2浓度测量.采用卡尔曼滤波对本底衰荡时间和衰荡时间进行处理分析.实验结果表明:(1)选取Q值小于1 ×10-7的卡尔曼滤波处理本底衰荡时间,滤波后的最低检测限提高了 9.12倍,并达到4.9×10-11;(2)取Q值为0.001处理衰荡时间,保留了时间响应信息,达到明显的降噪作用;(3)系统时间分辨率为1 s,相比于以往降低时间分辨率以提高检测限的方法,卡尔曼滤波方法提升了系统灵敏度.实验结果与模拟结果的吻合度,验证了卡尔曼滤波在稳定性和降噪方面的效果.卡尔曼滤波方法在CRDS光谱探测气体的应用,具有很好的实用性,为其他气体的测量优化提供了方法和参考依据.

    腔衰荡光谱卡尔曼滤波气体检测降噪检测限

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    基于多项式求根的双厚度透射法确定液体光学常数

    杨百愚李磊王伟宇武晓亮...
    2733-2738页
    查看更多>>摘要：光谱反演法可实现液体光学常数(消光系数和折射率)的确定,其中双厚度透射法是有代表性的光谱反演法之一.由于液体自身无法形成确定的形状,需要盛放在透明容器(液体池)中,因而通过实验测量得到的光谱透射率包含了液体池光学常数的影响,这使得基于双厚度透射法所建立的光谱透射率方程极为复杂,难以求得解析解,通常采用反演法来计算液体的光学常数.现有的反演法存在如下问题:一是反演迭代耗费时间,二是反演迭代会引入误差,三是反演法得到的液体折射率存在二值问题.为解决上述问题,基于三层介质结构(液体池),考虑光在两种介质分界面上的多次反射,建立液体厚度满足整数比的光谱透射率方程组.通过代数运算获得与消光系数有关的多项式方程,求解并选择大于0小于1的实数根来计算消光系数;另求解关于液体池光学窗口反射率的一元二次方程,选择大于0小于1的根来计算液体和容器分界面的反射率,进而计算得到液体折射率的两个值.再用另一材料制作的液体池测量液体的光谱透射率,然后结合已经得到的消光系数作相关计算,会另外得到液体折射率的两个值,从四个值中选择相同者即为液体的折射率.作为应用示例,选用文献中水在0.5～1.0μm光谱范围的光学常数作为"理论值"、光学常数已知的石英玻璃和有机玻璃作为液体池材料.在不考虑仪器测量误差的情况下,将上述文献数据代人光谱透射率方程,计算得到的透射率作为"实验数据".然后用多项式求根的方法确定水的光学常数,所得结果与"理论值"完全符合.模拟过程和计算结果表明:新方法是可用的,该方法解决了反演法的计算耗时、迭代误差以及折射率的二值问题,为液体光学常数的确定提供了一个新选择.

    光学常数折射率消光系数衰减系数双厚度透射率模型

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    高速冲击波下的高温空气辐射光谱研究

    唐维鑫丁涛李东鲜张昌华...
    2739-2744页
    查看更多>>摘要：飞行器再入地球大气层过程中,高速飞行器头部的温度可达到10 000 K以上导致飞行器气动性能的变化.空气的辐射加热是飞行器表面传热的主要来源之一,对高速冲击波下的空气辐射光谱进行测量研究,是研究超高速飞行器飞行过程中辐射效应和动力学行为的重要基础.目前高温空气辐射光谱的测量数据依旧较少,还需要大量的实验数据对计算模型进行改进优化.利用氢氧爆轰激波管结合瞬态光谱测量系统获得了速度在3 259～8 218 m·s-1下高温空气在紫外-可见区的辐射光谱,并对典型高温空气辐射光谱进行了特征光谱的光谱识别和模拟,模拟结果和实验结果吻合较好,验证了光谱识别的准确性和可靠性;同时探究了激波速度对于高温空气辐射特性的影响,并对特征光谱进行了动力学行为分析.结果表明,在波长225～675 nm范围内,特征光谱主要存在于波长小于500 nm的区域;不同速度下的辐射光谱中存在不同的特征光谱,通过光谱识别后发现随着激波速度的增加,先后出现OH(A-X)、NO(γ,ε,δ)、NH(A-X)、N2(C-B)、N2+(B-X)和Hα等特征光谱,获得了辐射特性随激波速度的变化情况.还根据辐射光强度随时间变化曲线获得了波后空气激发的弛豫时间,随着速度的增加,弛豫时间在逐渐缩短,与速度近似呈现指数关系.研究了激波速度对高温空气辐射特性的影响,研究结果为飞行器热防护设计和超高声速再人大气层过程的计算模型的验证优化提供实验数据和参考.

    高温空气辐射光谱弛豫时间激波管动力学分析

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    第23届全国分子光谱学学术会议和第五届光谱年会暨黄本立院士百岁华诞学术研讨会(第一轮通知)

    中国光学学会中国化学会中国光学学会光谱专业委员会厦门大学...
    2744,2752,2760页
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    微波吸波材料在太赫兹、红外段反射谱测量研究

    蔡禾李粮生朱先立李进春...
    2745-2752页
    查看更多>>摘要：吸波材料是外形隐身技术的有效补充技术,电磁波进入到吸波材料内部后,应该被迅速地最大限度的衰减掉,因此,在设计吸波材料的电磁参数时,一方面要考虑阻抗匹配,使电磁波最大限度地进入到材料内部,另一方面,要确保进入到材料内部的电磁波尽可能被全部衰减掉.对吸波材料来说,也就是材料要有较大的介电常数虚部和磁导率的虚部,它们会引起电磁波能量的衰减.传统的吸波材料主要针对于微波,随着技术的发展,太赫兹雷达已投入使用,传统的微波吸波材料能否对太赫兹频段、乃至红外段有效衰减,以及这些吸波材料在太赫兹频段的评估成为了有必要研究和探讨的问题.分别基于矢量网络分析仪的微波暗室测量系统、太赫兹时域光谱测量系统、以及傅里叶变换光谱系统对2种微波段吸波材料板开展深入测量研究,在微波段反射率测量基础上,拓展到太赫兹、红外波段,测量了这些材料1 GHz～180 THz的雷达吸波材料反射率.测量结果表明,随着频率的升高,吸波材料表面形态、粗糙度对反射率形成了一定的影响,并针对这种影响在太赫兹、红外波段进一步开展了吸波材料反射特性随角度的变化的研究;为了弄清吸波材料在太赫兹、红外频段的吸波原理,将吸波涂层从金属衬板上剥离后进行了测量,获得了该吸波涂层2～180 THz的反射率、透射率,并基于Kamers-Kronig关系计算了该复合吸波材料等效的介电参数,测试结果证明,微波波段的吸波材料在太赫兹、远红外频段仍具备一定的吸波能力,太赫兹、红外不足以穿透该吸波材料的反射涂层到达金属衬板,其吸收主要来自反射吸收和吸波材料表面的散射.

    吸波材料微波太赫兹红外

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    基于太赫兹时域光谱技术的CFRP薄涂层厚度检测方法

    黄宇蕾李卫星朱美强张楠...
    2753-2760页
    查看更多>>摘要：针对碳纤维增强复合材料(CFRP)上的薄涂层测厚存在的基底各向异性、多重反射、回波重叠、环境噪声等问题,提出基于太赫兹时域光谱技术与稀疏分解的涂层测厚方法,并在仿真波形和实际样品上成功验证.CFRP通常由碳纤维与环氧基体牢固结合并多层复合而成,具有各向异性特点,在光学性质上表现为CFRP上同一位置不同入射方向、同一入射方向不同位置的反射波形均存在差别.这致使基于理论模型的优化算法用于其上涂层测厚时精度有待提高.另外,在涂层较薄时,受噪声与多重反射等因素的干扰,无法直接在时域根据反射波形区分涂层界面,即直接使用飞行时间法(TOF)难以获得涂层厚度.为此,使用稀疏分解法来定位薄涂层的分界面,再结合TOF法计算CFRP上薄涂层的厚度.首先,分析了多层结构上的太赫兹反射信号与信号稀疏分解模型之间的联系,并利用参考信号构成稀疏字典.然后,鉴于太赫兹信号的传播路径只在分界面发生改变这一先验知识,即涂层层数决定了信号稀疏分解后非零脉冲个数,使用前向正交匹配追踪算法(LAOMP)求解太赫兹反射信号的稀疏表示.LAOMP算法可直接指定稀疏度,便于选择稀疏脉冲定位涂层分界面.获得对应于各涂层界面的脉冲后,使用TOF法求得涂层的厚度.最后,在总厚度分别为102和66μm的双涂层仿真数据与实际样品上验证方法的性能,并与经典基于L1范数的谱投影梯度算法(SPGL1)进行了对比.结果表明:在相邻涂层折射率差别较小的情况下,LAOMP算法可以有效检测CFRP上35μm的薄涂层.在总厚度为66μm的双涂层样件上,检测误差在11％以内,具有调参简单、结果稳定的优点.

    太赫兹时域光谱涂层测厚CFRP稀疏分解飞行时间法

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    基于BP神经网络模型的呼出气δ13C、δ18O同位素丰度测量方法研究

    黄文彪夏滑王前进孙鹏帅...
    2761-2767页
    查看更多>>摘要：碳13(13C)尿素呼气试验在国内外作为检测幽门螺旋杆菌的"金标准"已被广泛采用,精准测量CO2中碳(C)和氧(O)同位素特征对疾病诊断具有重大意义.可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)具有结构简单、响应速度快、灵敏度高等众多优点,在多个领域得到广泛应用,同时完全适用于气体同位素的测量研究.该研究面向人体呼出气体中的CO2气体检测需求,基于直接吸收光谱技术,采用中心波长为4.32 μm的量子级联激光器(QCL)结合光程为14 cm/44 mL的小容积气体吸收腔体,完成了同时测量16O12C16O、18O12C16O和16O13C16O的多组分同位素气体浓度的实验系统.基于反向传播(BP)神经网络模型,降低直接吸收光谱系统中光源稳定性和测量样品气体波动带来的噪声干扰.结果表明:基于BP神经网络模型的同位素丰度测量精度与稳定性均优于吸光度峰值比法,16O13C16O与18O12C16O的浓度测量精度分别提高约1.27与1.58倍.Allan方差分析表明,当积分时间为106 s时,采用BP神经网络模型的13C与18O同位素丰度测量精度分别为0.97‰和1.47‰,相比吸光度峰值比法测量精度提高了约2.1倍与1.2倍.充分证明了基于BP神经网络模型的同位素丰度测量方法的可行性,为研制高精度同位素丰度传感器奠定基础.

    可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)量子级联激光器(QCL)反向传播(BP)神经网络模型同位素丰度

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