聚焦光谱前沿 共谋创新发展 光谱仪及核心元器件技术创新论坛召开(下)

　　经过简单休整，下午的学术报告精彩依旧，中国科学院上海技术物理研究所靳爱军、中国科学院长春精密机械与物理研究所吉日嘎兰图，河北大学质量技术监督学院李红莲教授，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吕金光，中北大学张瑞教授等专家学者依次带来前沿研究进展。
 

会议现场
 

报告人：中国科学院上海技术物理研究所 靳爱军
 报告题目：红外显微光谱分析仪器研发及应用探讨
 

　　靳爱军汇报了团队开展的红外显微光谱分析技术研究进展，主要包括突破的宽谱高光谱分辦率光源技术与高空间分辨率的显微光谱探测技术，以及国产红外显微成像光谱分析仪等仪器样机的研制情况；并探讨了上述技术及仪器在目前在我国深空地外探索中珍贵地外土壤岩石样品成分分析、半导体芯片和集成电路的缺陷分析与材料均匀性检测、生命科学领域中生物分子识别与组织动态监测等方面的潜在应用前景。
 

报告人：华东师范大学 闫明研究员(万卓仁代讲)
 报告题目：光梳分子指纹光谱及应用
 

　　万卓仁在报告中介绍了双光梳分子光谱技术，探讨基于光腔力共振增强的双光梳分子光谱测量新方法，通过纳米薄膜与分子振动共振的方式，实现高灵敏度的气体分子檢测，以及基于时间拉伸的超高速频率上转换红外光谱技术。万卓仁还在会上展示了自主研制的光梳，获得多项国家专利，并通过了质量认证，灵敏度提升3~4个量级，在同类技术中具备较高水平。
 

报告人：中国科学院长春精密机械与物理研究所 吉日嘎兰图
 报告题目：高性能光栅制造技术及产业化
 

　　中科院长春光机所是我国光栅的发源地，2007年成立了“国家光栅制造与应用工程技术研究中心”。吉日嘎兰图向在场的观众介绍了光栅制造的成果展示和产业发展情况。光栅是众多仪器的核心元件。由于它的色散、分束、偏振和相位匹配等光学性能已成为光谱仪器重要核心元器件。国家光栅中心建有复制各种平面、球面和非球面光栅的生产线，具备年产5万块复制光栅能力、在国内拥有200多家用户。
 

报告人：香港中文大学 教授 任伟(王震代讲)
 报告题目：高灵敏红外激光气体分析仪
 

　　痕量气体检测广泛应用于环境监测、化学分析和医疗诊断等领域，红外激光光谱技术是实现痕量气体精准测量的重要方法。气体浓度可以通过测量高分辨率分子吸收光谱或光声光谱获得，在直接吸收光谱测量中，气体的吸光度与吸收路径长度呈线性关系，可以通过增加有效吸收长度的方法提高探测灵敏度；在光声光谱测量中，气体吸收引发的光声信号与入射激光强度相关，提高激光功率是实现高灵敏光声光谱探测的重要手段。高精细度光学谐振腔可以实现超长有效光程，当入射光是与腔共振且模式匹配时，可以实现腔内光功率的累积放大。本报告将介绍我们在中红外腔增强吸收光谱和双谐振光声光谱技术的研究进展，实现光腔内气体ppb-ppt量级的探测灵敏度，为高精密痕量气体检测提供重要参考。
 

 

　　高驰介绍近红外空间外差拉曼光谱仪系统特点，分析系统辐射灵敏度优势；针对光谱采集过程中产生的基线漂移和噪声干扰等问题，介绍基于深度神经网络的拉曼光谱智能预处理算法，从特征压缩的角度出发，介绍基于隐式编码特征回归的拉曼光谱精准定量分析算法；以无创血糖检测为应用场景，介绍拉曼光谱技术在生物医学领域的探索性研究。
 

 

　　近期，李红莲教授的课题组提出了N2气氛与圆柱腔体约束结合的双重机制，建立了多光谱融合内标分析模型，显著提升了光谱质量和灵敏度；研究了不同基底对液滴干燥过程毛细流动的影响，如壳聚糖 石蜡膜、超疏水微凹槽结构、墨纸吸附及PMMA沟壑基底等，以提高光谱稳定性和检测精度；还提出了一种基于微流控原理的LIBS水体无机有害微量元素检测方法，为水体微量元素检测和环境问题防控提供了新思路和数据支持。
 

 

　　空间探测、航空遥感、地面造测等应用提出了一种像场调制傅里叶变换红外成像光谱仪结构，研制了原理样机获取了远距离目标场景的干涉图像数据立方。吕金光及其团队对空域图像重建方法与波数域光谱重建方法进行了研究，实现了目标场景成像与气体分辨的定性识别与定量分析，为安全生产与环境保护提供了有效的技术手段。
 

报告人：中北大学 教授 张瑞
报告题目：弹光调制超高速傅立叶光谱测量技术
 

　　针对瞬态光谱分析、燃烧、爆炸试验过程试验测试需求，结合弹光调制高速调制优势，进行超高速傅里叶光谱测量，采用大光程差弹光调制器产生干涉信号，快速非均匀傅里叶变换实现光谱反演，研制弹光调制微秒级超高速傅里叶光谱仪，实现对爆炸、燃烧场瞬态光谱、燃烧产物和温度等测量分析。
 

 

　　张善文研究员研究超波长-亚波长光栅的吸收，发现光栅的吸收强度由强吸收(近90%)过渡到100%的吸收、光栅吸收强度曲线的对称性也更加明显，将光栅槽形由三角形扩展至正弦形和矩形，由此将光栅槽形的等效规则从近波长光栅推广至亚波长光栅，实现了SPR入射条件下金属光栅吸收理论在不同周期尺度的统一，为超波长光栅理论的提出和新型生化传感器的应用奠定了基础。
 

 

　　大气压辉光放电(APGD)是一种在大气压下、两个固态电极间产生的、尺寸在毫米量级的稳定微等离子体。APGD具有良好的激发能力，有望成为LIBS信号增强新技术，具有装置简易、定性好、低成本、低功耗的优点。
 

　　张国霞在现场介绍了激光诱导击穿光谱-大气压辉光放电系统装置搭建，改善传统LIBS的检测性能。对LIBS-APGD-CC系统的关键参数进行优化，使系统发挥最佳检测性能。耦合大气压辉光放电或圆柱约束可以大幅提高元素信号发射强度，并显著改善对各元素的检出限，验证了该系统的准确度。
 

 

　　王嘉宁指出，结合可调谐半导体激光光谱技术(TDLAS)与离轴积分腔增强吸收光谱技术的优势，将大气背景下碳交易关键气体组分甲烷、二氧化碳作探测目标，展开地面点源、遥测、无人机搭载等多种方式的区域性气体探测，并对影响探测性能的多种干扰因素进行分析，如温度、压力、激光器漂移、湍流等。本研究方向的顺利展开可以作为国外垄断产品的一种国产化替代，同时为天基遥感数据标定提供地面数据参考。
 

 

　　光谱测量及分析在诸多领域应用广泛，宽光谐、高分辨率是商用光谱分析仪的重要发展目标。会上，张尹馨的学生介绍了快照式高光谱超分辨显微成像、基于量子点标记的高光谱SIM、高光谱3DSIM成像。
 

　　围绕这个目标，张尹馨及其团队提出了多次衍射双级联单色器分光方法，在宽光谱范围内进行波长扫描，实现了皮米量级的超高光谱分辨率，该技术已成熟应用于光通信密集波分复用系统的信道和器件性能的检测。
 

报告人：西安电子科技大学 副教授 刘丽娴
报告题目：谐振型光声光谱气体传感器
 

　　刘丽娴副教授提出了新型频分复用T型光声调制解调技术，构建多波长激光激励和同一光声传感器多组分气体信号调制解调模型，建立多阶共振模式光声光谱检测系统，实现多种类气体的短光程探测和高灵敏度检测，可有效识别气体种类和精确检测组分浓度，在煤电安全、环境监测、医疗诊断等领域的多组分痕量气体同时在线监测需求具有重要的研究价值和应用前景。
 

 

　　衍射光栅是光谱仪器的核心分光元件。光栅型光谱仪光谱分辨率高、光谱纯度高、稳定性高、无活动机构、可实现大幅宽，是定量化空间光谱探测载荷的主流，在提升光谱仪性能的同时减小其体积，具有重要意义。
 

　　面向高光谱光谱仪，刘全及其团队创新地开发了同质掩模技术，实现了对闪耀光栅闪耀角和反闪耀角的精确控制，并成功制作了多种高性能凸面闪耀光栅。可见/近红外凸面闪耀光栅，已成功应用于海洋一号C星和D星定标光谱仪中。
 

 

　　张天龙副教授及其团队搭建了金属材料以及金属单颗粒物精准分析的LIBS光谱智能采集平台，开展了基于人工智能的LIBS金属材料精准分析方法研究，重点研究了多光谱数据融合、智能分辨与表征、数据挖掘、模型迁移等关键技术，建立了基于LIBS技术结合人工智能的金属材料智能精准分析技术及系统。目前已在实际工艺现场得到了初步应用验证，获得了较好的分析及应用结果。
 

 

　　拉曼积分球光谱仪通过光学设计，提高了检测限，对于透明气体、液体、固体的检测限达到ppm量级，具有样品用量少(3毫升)，检测速度快，样品无破坏，准确定性和定量等优点。
 

　　黄保坤高级工程师提出通过检测挥发气体来检测液体，检测溶解物来检测固体等技术，广泛应用于刑侦饮品投毒，燃烧场的温度及废气成分检测，气相/液相化学反应原位监控，应急环境检测，大气/水质量监控，白酒的品质检测，光学材料的纯度等领域。
 

报告人：中国工程物理研究院化工材料研究所 副研究员 李海波
报告题目：面向工况和植入式检测场景的拉曼光谱仪技术
 

　　为克服目前的便携式拉曼光谱设备灵敏度低、背景高等缺点，李海波副研究员及其团队自主研制了多种高性能便携式拉曼光谱设备，实现了在工况条件下金属铀、LiH等核材料腐蚀产物的无损分析。
 

　　为实现内部复杂气氛组分的无损监测，李海波副研究员及其团队还开发了基于空芯光纤的气氛传感器。光纤增强拉曼技术能够以很小的体积实现极长的光程实现大幅度的信号增强，其抗电磁干扰能力强、轻细柔韧和重量轻，便于内置于设备中实现气体组分的实时监测与传感。
 

 

　　潘再法副教授介绍上转换纳米粒子(UCNPs)和长余辉纳米粒子(PLNPs)等新型荧光探针的荧光特性，以及课题组利用这些荧光探针来实现生物标志物检测的相关工作。包括用于高灵敏度检测胸腔积液等复杂生物样本中的肿瘤标志物，所建立的传感器在其它疾病标志物或蛋白质共存条件下仍具有很高的特异性。
 

　　潘再法阐述了利用长余辉材料的长时间余辉发光特性，结合时间分辨光谱技术可有效消除胸腔积液样本的自体荧光，实现无荧光背景干扰检测，并开发针对生物标志物超灵敏检测的单分子免疫检测仪器平台。
 

 

　　针对AFS荧光激发过程中由于水汽、气溶胶等带来的光谱干扰问题，应用航天紫外单光子成像技术，开展了基于HSI的AFS空间光谱数据联合探测及分析方法研究。陶琛副研究院提出结合航天用面阵单光子计数器在紫外波段高灵敏度、低噪声的优势和数字微镜器件(DMD)小像元尺寸、高空间光调制速率的特点，研制一种高性能紫外成像探测器。
 

报告人：大连理工大学 副教授 陈珂
报告题目：基于高速光谱解调的光纤光声气体传感技术
 

　　陈珂副教授设计了多种新型高灵敏度光纤声波传感器，其信噪比相比电学麦克风提高了1-2个数量级，通过高速干涉光谱探测和实时解调，实现了声波信号的高灵敏、高稳定和大动态范围探测；将光纤声波传感器用于光声探测，设计了新型的光纤悬臂梁增强型光声光谱气体检测仪器。
 

　　在工程应用方面，突破了微弱光声信号探测难度大、现场振动/噪音干扰大、单点测量成本高等关键技术瓶颈，已在高电压电气设备状态监测、煤矿安全监测、环境气体监测等领域获得了推广应用。
 

 

　　闫晓娟副教授的研究采用了光反馈腔增强技术，并结合波长调制技术和电子伺服系统锁定反馈光相位，实现激光到高精细度谐振腔的精确频率锁定，腔内激光功率增益可达1700倍以上，并能保持长期稳定。
 

　　闫晓娟副教授及其团队分别检测了CO2，CO，H2，CH4，C2H2，C2H4，C2H6等标准气体，获得了ppm的探测极限。将该装置应用到矿井火灾束管监测领域，并检测了标准矿井混合气体，结果表明，由于每种气体对应多条拉曼特征谱线，因此多组分气体彼此之间能够克服拉曼谱线干扰的问题。
 

报告人：西安电子科技大学 副教授 宦惠庭
报告题目： 基于光热光谱的非接触式应力强度检测研究
 

　　合金材料的应力应变状态与其局部的热物态参数相关联。宦惠庭副教授提出基于光热红外辐射光谐非接触式应力检测技术，通过采用一定调制激光注入被测合金样品，在其中诱导热扩散场分布，通过光学探测器对红外辐射的测量获取合金局部热参数的分布，基于测量结果反映合金的应力应变状态。
 

　　在实验研究中，通过单点式测量与面阵红外成像两种方案对置于不同载荷状态的铝合金样品开展研究，通过推导一维/三维广义热扩散方程，采用非线性参数拟合算法实现了主应力方向上热扩散率及热导率的标定，间接测定了材料的受力状态。该测量方法不使用任何接触式传感器，具备快速、准确等优势，在航空航天领域零部件结构强度和服役状态的现场测量需求提出全新的解决方案。
 

 报告题目：基于腔增强拉曼光谱的大气痕量氢分子检测
 

　　氧气作为一种清洁能源在工业和商业领域中的需求正不断增长。为了在生产、储存、运输和使用过程中有效监测H2的泄漏，对大气环境下痕量H2的检测非常关键。然而，痕量氢气的光学检测具有挑战，拉曼光谱测量痕量气体具有极大潜力，但受到灵敏度方面的限制。
 

　　王进副研究员介绍了一种结合PDH锁频的腔增强拉曼光谱技术，通过测量偏振拉曼光谱，实现了对大气中氢气的直接采样连续测量。该方法的检测限可达60ppbv(1大气压下)，测量相对精度 5%，展示了其在复杂气体环境中对痕量H2进行定量测量的能力。