一、音叉共振实验的改进（论文文献综述）
胡立恩[1]（2021）在《基于石英增强光声/光热光谱的气体传感技术研究》文中指出石英音叉于2002年首次应用于光声光谱技术,由于其独特的优势,如体积小、品质因数高、成本低廉等,近年来在激光吸收光谱技术中得到了非常广泛的应用。石英音叉不仅可以作为声学换能器应用于石英增强光声光谱技术,还可以基于热弹性效应应用于石英增强光热光谱技术。论文围绕基于石英音叉的气体传感技术,即石英增强光声/光热光谱技术,展开理论及实验研究,具体开展了如下研究工作:首先,介绍了目前在光学类气体传感器中普遍采用的吸收光谱技术及其对应的检测原理,引出了本论文研究的光声/光热光谱技术,紧接着对石英增强光声/光热光谱技术的研究现状及发展方向进行了阐述,并系统地研究了石英增强光声/光热光谱技术的基础,包括石英音叉的理论模型及特性参数的测量方法、光声/光热信号的产生与增强方法、系统的响应时间、系统噪声及性能评估方法等。论文还详细介绍了石英增强光声/光热光谱技术中采用的数值分析方法,进而提出了应用于仿真分析的三个数值分析模型,即石英音叉振动模态分析模型、光声测声器的数值优化模型和光热激发参数的数值优化模型等,并给出了部分仿真结果,为后续的实验研究提供了必要的仿真分析基础。然后,提出了嵌入型离轴石英增强光声光谱技术。给出了该技术的研究背景及意义,并结合数值仿真和实验细致地优化了该技术中所采用的测声器的结构参数。实验结果表明:嵌入型离轴石英增强光声光谱技术同时具有较低的组装和准直难度（本质上为离轴配置的变形方式,激光束无需穿过石英音叉叉指间隙）、较高的检测灵敏度（双共振管配置的信噪比增益可以达到～40,优于传统双共振管共轴实现的信噪比增益～30）和声学耦合强度（通常通过品质因数的变化来评估共振管与石英音叉的声学耦合强度,双共振管嵌入型离轴配置下品质因数由>10000降至～2500,与传统共轴配置下的声学耦合强度相当）。基于水汽检测实验,定量地评估了嵌入型离轴石英增强光声光谱技术的检测性能。当积分时间为1 s时,实现的1σ（σ为标准差）检测下限为0.159 ppmv（百万分之一的体积比）,对应的归一化噪声等效吸收系数（Normalized Noise Equivalent Absorption coefficient,NNEA）为6.59×10-9 cm-1·W?Hz-1/2,证实了嵌入型离轴石英增强光声光谱技术具有较高的检测灵敏度。之后,提出了全光纤石英增强光热光谱技术。该技术有效地提高了石英增强光热光谱传感系统的紧凑性。介绍了该技术的研究背景及意义,并通过仿真和实验,详细地优化了光纤导光的情况下,激光光束在石英音叉表面的激励参数。研究了全光纤石英增强光热光谱技术的特性,如功率特性、响应特性、背景噪声等。通过甲烷检测实验,定量地评估了全光纤石英增强光热光谱技术的检测性能。不同于传统自由空间石英增强光热光谱技术,全光纤石英增强光热光谱技术的主要噪声源为模式干扰噪声。得益于光纤传感的优势,基于全光纤石英增强光热光谱技术所研制的传感系统通常结构更加紧凑,易于集成,且可以应用于远程和多点检测。最终实现的1σ检测下限和NNEA分别为48.8 ppmv和9.66?10-9cm-1·W·Hz-1/2。最后,研制了四种可以应对不同检测需求的光声/光热光谱气体传感系统:（1）基于嵌入型离轴石英增强光声光谱技术,采用双管增强的测声器结构,研制了高灵敏度的甲烷气体传感系统。在该传感系统中,选择了中心发射波数为6046.9 cm-1的分布反馈型半导体可调谐激光器作为光源。基于三维激光打印技术设计并研制了体积仅3?2?1 cm3、总重量仅9.7 g的光声检测模块。结合波长调制光谱技术和二次谐波检测原理,研制了甲烷传感系统。细致地优化了传感系统的调制深度、光路结构等。系统中锁相放大器的积分时间为0.3 s,低通滤波器的衰减斜率为18 d B/oct,最终实现的1σ检测下限和NNEA分别为8.62 ppmv和1.80?10-8 cm-1·W·Hz-1/2。（2）基于嵌入型离轴石英增强光声光谱技术和时分复用技术,采用双通道的测声器结构,研制了双组分（甲烷/乙炔）气体传感系统。选择的甲烷和乙炔的气体吸收峰波数分别为6046.9 cm-1和6521.2 cm-1。通过光纤准直器将两个半导体可调谐激光器的出射光分别引导后无接触地穿过测声器的两个分立的检测通道,采用单个石英音叉和单个锁相放大器实现了双组分气体的分时检测。介绍了整个传感系统的研制过程。针对双通道检测的需要,采用三维激光打印技术重新定制了光声检测模块。当积分时间为1 s时,甲烷和乙炔的1σ检测下限分别为7.63 ppmv和17.47 ppmv,对应的NNEA分别为7.24?10-8cm-1·W·Hz-1/2和3.73?10-8cm-1·W·Hz-1/2。（3）基于石英增强光热光谱技术,采用光纤耦合探针作为气室,研制了远程原位甲烷气体传感系统。首先,介绍了光纤耦合探针的结构,然后设计了对应的传感系统。通过实验细致地优化了传感系统的性能。为了缩短系统响应时间,制定了波长锁定的检测方案。通过在吉林大学校内开展现场气体泄漏检测实验,证实了传感系统具有远程监测能力和较短的响应时间（<12 s）。当积分时间为0.3 s时,系统的1σ检测下限为～11 ppmv,对应的NNEA为6.03?10-9 cm-1·W·Hz-1/2。（4）基于石英增强光热光谱技术,采用双光程赫里奥特多通池作为气室,研制了高灵敏度的甲烷气体传感系统。通过结合双光程赫里奥特型气室,分析了两种不同光程下的石英增强光热光谱传感系统的检测性能。传感系统中锁相积分时间为30 ms。当光程从6 m提高到20 m时,系统的1σ检测下限由7.19 ppmv降低到2.59 ppmv,对应的NNEA分别为3.68?10-9 cm-1·W·Hz-1/2和8.06?10-10 cm-1·W·Hz-1/2。实验结果表明:在一定范围内,系统检测下限会随着光程的提高而降低。理论分析表明:随着光程的变化,影响系统性能的因素可能包括光路传输损耗、吸光度以及背景噪声等多个因素。因此,为了实现较好的检测性能,要根据实际系统的光学传输损耗情况合理选择光程,以平衡传输损耗、吸光度和背景噪声的影响。本论文的创新点在于:（1）针对传统石英增强光声光谱技术无法同时实现较高的检测灵敏度、较高的声学耦合强度和较低的组装及准直难度的问题,提出了嵌入型离轴石英增强光声光谱技术。通过仿真和实验细致地优化了嵌入型离轴石英增强光声光谱技术中测声器的结构参数,并通过气体检测试验定量地评估了该技术的检测性能,证实了该技术具有较好的应用前景,从而在一定程度上推动了石英增强光声光谱技术的发展;（2）针对传统石英增强光热光谱气体传感系统存在体积庞大,紧凑性差的问题,提出了全光纤石英增强光热光谱技术。通过仿真和实验细致地优化了全光纤石英增强光热光谱技术中的光学激发参数,并通过试验证实了全光纤石英增强光热光谱传感系统的检测灵敏度较好,并探讨了进一步提高检测灵敏度的方法;（3）针对传统石英增强光热光谱气体传感系统不适用于气体远程监测的问题,将光纤耦合探针引入到石英增强光热光谱技术中,并通过将激光器的中心波长锁定在目标气体吸收线提高了传感系统的响应速度,进而研制了远程实时甲烷监测系统。通过现场气体泄漏监测实验,证实了研制的传感系统具有远程监测能力,且具有较短的响应时间（<12 s）。
张秦端[2]（2021）在《石英音叉气体检测系统性能提升的关键技术研究》文中指出近些年来,气体传感器已经广泛应用于石油化工、大气环境监测、深海深地勘测、航空航天、生物医学和食品安全等民用和国防领域,随着应用场景和市场需求的增多,对检测精度和种类的要求也日益增高。在石油勘探、油气田开发利用、煤炭开采这些传统行业中,气体传感器用于确保安全,监控原料并测量产品生产过程中产生的关键物种;“十四五”中指出要实现生态文明建设的新进步,持续减少主要污染物排放总量,改善生态环境,使生态安全屏障更加牢固,明显改善城乡人居环境,这就需要一种高灵敏度的气体传感器对大气环境中的有毒有害气体进行实时监测,用于测量和了解不同种类气体的分布和含量;随着国家工业自动化和人工智能产业的发展,蛟龙探海、墨子传信、天宫遨游、神舟飞天、悟空探秘、嫦娥探月等深海深地,航空航天工程的开展与实施,为了保障人员和设备的安全和正常运转,迫切需要在检测气体浓度和成分方面进行技术改进;此外,为保障药品、食品安全,需要对药品、食品包装材料的气体阻隔性能和包装内气体的残留含量进行检测,通常要求在百万分之一量级甚至更低,这就要求所使用的气体传感器检测精度非常高。因此对高精度气体传感器的研发一直是科学领域内备受关注的研究内容之一。基于石英音叉的气体传感器除了具有传统光纤传感器所拥有的检测极限低、耐腐蚀、高灵敏度、低损耗、抗电磁干扰、本质安全和适用于远程在线测量等优点,还具有全波长响应,信号与入射光强正相关,免疫外界不相关噪声,响应带宽窄,高Q值,低成本,结构紧凑等优势,并且已经被科研人员验证可用于数十种气体的检测,使其在近年来发展高性能气体传感器方面具有很大的潜力。本文对基于石英音叉的气体传感器的性能提升和关键问题的解决展开了一系列的研究,为推动基于石英音叉的气体传感器的产品化提供了技术支持。本学位论文的具体研究内容如下:（1）简单介绍了几种常见的气体传感器的检测原理以及优势和不足,详细介绍了目前光声光谱气体检测技术的发展现状及三种技术分支,重点介绍了石英音叉气体检测技术的国内外研究现状。（2）阐述了红外光谱气体检测技术的基本理论和谐波检测理论,以及QEPAS信号的探测过程,并对石英音叉进行了介绍,包括音叉的振动模式,能量的累积时间和共振频率的计算等。（3）对QEPAS气体传感系统进行了结构改进和性能提升,提出了一种基于二次谐波的波长校准技术,有效地克服了在恒定波长驱动模式下由于环境温度改变引起的激光器输出波长漂移带来的检测信号不稳定的问题,并且实现了短时间内对信号的多次平均,与传统的波长调制技术相比,检测精度提升了 12.87倍;对石英音叉声音探测模块进行了优化,设计了一种防气流干扰且易对准的光接收式石英音叉声音探测模块,并且对石英音叉声音探测模块中所使用的共振管的长度、内径、和到石英音叉顶部的距离进行了优化,测试了石英音叉的共振频率和声电转换效率在长达6个月时间内的漂移;发明了一种四离轴共振管石英音叉声音探测模块,与裸音叉相比,信号提升了 25.84倍;介绍了所设计的石英音叉的前置放大电路;对锁相放大器的工作原理进行了简单介绍,提出了一种双路锁相差分消除二次谐波剩余幅度的方法,使光声光谱气体传感系统中二次谐波的不对称因子大幅度降低。（4）对调Q光纤激光器进行了介绍,模拟了 QEPAS气体检测系统中激励光源功率对光声信号的影响。提出了基于声光调Q的内腔石英音叉光声光谱气体检测系统和种子注入式扫描波长内腔石英音叉光声光谱气体检测系统,分别对两个系统中影响光声信号大小的参数进行了优化,例如第一个系统中的光栅的中心波长、泵浦源的输出功率、调制信号的调制占空比和第二个系统中的种子源的扫描时间、光纤耦合器的耦合比、泵浦源的泵浦功率等。对两个内腔系统的性能进行了实验评估,并且比较了二者的优缺点。（5）设计了基于光致热效应的石英音叉光探测器,从光斑入射在音叉臂上的纵向位置、光纤准直器与音叉臂之间的距离、调制信号的占空比等方面对石英音叉探测器进行了优化来获得最大信号,并通过实验验证了石英音叉探测器具有响应波长范围广、功率不易饱和、高灵敏度等优点。基于石英音叉探测器的自身特性提出了石英音叉自差分技术,并将该技术应用于扫描直接吸收光谱气体检测系统中,直接利用石英音叉对探测信号和参考信号进行差分,相比于传统的差分技术,信噪比提升了 5.1倍。在石英音叉探测器气体检测系统中,长有效吸收光程和高激光功率对提升系统的信号幅值都是有益的,设计了一种基于光纤激光器和石英音叉探测器的长光程高功率气体检测系统,利用该系统对乙炔气体进行了检测,最小检测极限达到了 6.1ppb。（6）设计了基于石英音叉频分复用技术的多组分气体检测系统,利用三个不同频率的石英音叉实现了对水蒸气、甲烷、乙炔三种气体的同时检测,对应的最小检测极限分别为1.3ppm,79ppm和5ppm。研发了 QEPAS气体检测仪和多组分光声光谱气体检测仪,并且进行了实地测试。本文的创新点:（1）从结构和信号处理方法上对QEPAS气体检测系统进行了优化。在结构上,设计了一种四离轴共振管石英音叉声音探测模块,三个直角棱镜使光四次经过待测气体并被吸收,产生声波信号,利用四个离轴共振管对声波进行放大;在信号处理上,提出了基于双路锁相差分消除二次谐波剩余幅度调制的方法,分别调整两路锁相放大器的参考信号相位,其中一路得到含有剩余幅度调制的二次谐波信号,另一路得到只含有由一次谐波和三次谐波引起的剩余幅度调制信号,通过调整两路信号的大小,使二者剩余幅度调制项大小相等后,然后将两路信号进行差分,二次谐波信号的剩余幅度调制被消除。（2）在光声光谱气体传感系统中,光声信号的大小与激励光源功率正相关,基于这一特性,提出了内腔光声光谱气体检测系统,将石英音叉声音探测模块放在调Q光纤激光器环形腔内,利用环形腔内的高功率脉冲作为光源对气体进行检测。设计了两种内腔光声光谱气体检测系统,第一种方法是将利用光纤布拉格光栅对波长进行选择的光纤激光器用作QEPAS气体检测系统的激励光源,这种方法能够充分利用光纤激光器腔内的功率,系统的最小检测极限理论上可以达到ppt量级;另一种方法是利用注入种子激光器作为波长选择器件的光纤激光器作为QEPAS气体检测系统的激励光源,该系统需要一个耦合器将种子源接入到光纤激光器环形腔内,增大了谐振腔的腔内损耗,与前一个内腔系统相比,在相同条件下,腔内功率有所降低,但是该方法可以得到整个气体吸收谱线,减少了温度对系统的影响。（3）发现了石英音叉探测器的自差分特性,并将石英音叉探测器应用于扫描直接吸收光谱气体检测系统中,利用石英音叉的自差分特性直接对探测信号和参考信号进行差分,相比于传统的差分技术,有效地提升了检测精度;设计了基于石英音叉探测器的长光程高功率的气体检测系统,在该系统中,光纤激光器作为激励光源,在激光形成的过程中,多次经过气室,达到了增大有效吸收光程的目的,另外调Q光纤激光器还具有高功率的特点,在该系统中,充分利用了石英音叉探测器气体检测系统中高功率和长有效吸收光程会有效增大信号的特性。（4）设计了基于石英音叉频分复用技术的多组分气体检测系统,三个调制频率分别为15.346kHz,15.987kHz,16.373kHz的不同波长的DFB激光器经过光纤耦合器合束后,依次经过三个共振频率分别为30.692kHz,31.974kHz,32.746kHz的石英音叉,并通过实验验证了三种气体同时被不同共振频率的石英音叉检测时之间不会存在交叉干扰,利用该系统同时检测了水蒸气、甲烷、乙炔三种气体。
郭茂森[3]（2021）在《扫描金刚石氮-空位色心显微镜的研制及其应用》文中认为发展高灵敏度与高分辨率的磁成像技术对于凝聚态物理、生命科学等领域有着极为重要的作用。金刚石中的氮-空位（Nitrogen-Vacancy,NV）色心是一种重要的测磁传感器,其在室温下显示出优异的光学性质与量子相干性质。基于NV色心的磁成像技术具有高空间分辨率和高灵敏度的综合优势,近年来被广泛研究与应用。NV色心作为量子磁传感器,测量静磁场时灵敏度一般为～μTHz-1/2,测量交变磁场时灵敏度一般为～10nTHz-1/2。由于NV色心电子自旋局域在原子尺度内,结合原子力显微镜（atomic force microscope,AFM）搭建的扫描NV探针显微镜（scanning probe microscopy using NV center,NV-SPM）可以实现纳米级的空间分辨率。通过NV色心的塞曼效应可以定量得知磁性样品表面杂散磁场矢量信息;NV色心可稳定工作在低温4K到高温1000 K的环境中,并且其自身产生的磁场在距离10 nm处时仅为1 μT,因此对样品的磁性特征几乎无干扰。正因如此,近年来NV-SPM技术在多个领域都取得了丰硕的成果并展现巨大的应用潜力。本人博士期间主要精力集中在三个方面:扫描NV探针显微镜的研制和建设,探针的制备和装配,以及NV-SPM的科学应用。本论文主要分为以下几个研究阶段。1.结合基于石英音叉的AFM和光探测磁共振（optically detected magnetic resonance,ODMR）技术,自主搭建并完善了扫描NV探针显微镜,对其工作模式、稳定性、成像方法等技术作出了详细的讨论。2.基于NV色心的探针是决定NV-SPM成像质量的关键要素之一,其中结合石英音叉的金刚石探针近几年应用最为广泛。在本论文中,我们把金刚石探针基片设计成阵列纳米柱子（nanopillar）的样式,具有等效NV产率高、可简单处理成单nanopillar探针以及可以方便拆解清洗后重新使用等优势。因此,我们设计的新型探针具有高度灵活性,比较适合商用。3.基于NV-SPM平台与实验室制作的NV探针,本人博士期间开展了以下几个领域的研究工作:·在生物领域,对肝癌细胞HepG2中内源铁蛋白进行了高空间分辨磁成像。铁蛋白产生的磁噪声引起NV的T1降低,基于此实现了对铁蛋白～10 nm空间分辨率,采用合适模型定量得知了磁噪声强度。这一成果有潜力应用在疾病的早期诊断。·在凝聚态物理领域,由于NV-SPM平台对磁畴具有高分辨成像的优势,研究了电场对CoFeB体系下单个磁斯格明子的调控机制。结果表明电场可以引起磁斯格明子的形变与产生湮灭,且调控具有非易失性和一定的可逆性,同时我对这一现象做出合理的唯象解释。这一研究有助于低功耗自旋电子学器件的研发。·在宇宙学领域,NV-SPM平台甚至可以探索超出宇宙标准模型的速度相关的新奇自旋相互作用——类轴子作为其相互作用媒介,是暗物质候选者之一。石英音叉粘连熔融石英作为速度源,NV色心作为自旋,对自旋与速度相互作用模型的耦合参数做出了进一步的限定——在200μm力程下提升了超过4个数量级。
张明辉[4]（2021）在《基于石英增强光声光谱技术的甲烷检测系统研究》文中研究表明近几年来,对痕量气体的检测已深入到各个领域,如环境监测、矿下作业、医学诊疗、汽车行业和航空航天等。甲烷是瓦斯的主要成分,同时也是温室气体之一,检测甲烷的浓度对于工业生产安全和人员的生命健康意义重大,精准测量低浓度的甲烷至关重要。石英增强光声光谱技术作为一种快速发展的新型光谱检测技术,是痕量气体检测技术领域的热点之一。不同于直接吸收光谱技术,它通过光声效应检测气体浓度,可以克服传统光声光谱技术中麦克风和悬臂梁易于受到环境噪声干扰的缺点,具有响应时间短、灵敏度高、稳定性好等优势。本论文内容主要分为以下四部分:首先,阐述了石英增强光声光谱技术的国内外研究现况,介绍了该技术的相关原理,如红外吸收光谱原理和光声光谱原理,说明了石英音叉和光声探测器的特性。同时,将其与波长调制光谱技术相结合,推导了光声信号的表达式,利用MATLAB分析得出了调制系数与二次谐波信号之间的关系。其次,建立了石英音叉和共振管的理论模型,对音叉的机械振动、压电响应以及共振管的最佳长度进行分析。同时,建立了光声探测器的数值模型,利用有限元软件COMSOL对传统共轴和离轴光声探测器进行仿真建模。计算了最佳光源激发位置、共振管与音叉端面的最佳距离、不同内径共振管的最佳长度等,并在理论和实验的基础上,选取最佳参数设计光声探测器。然后,研制了基于共轴光声探测器的石英增强光声光谱甲烷检测系统。建立了基于锁相放大器SR830和信号发生器AFG-2225的音叉测试系统,通过Lab VIEW程序测试实验用音叉。同时编写了锁相放大器数据采集程序,提取二次谐波信号。对甲烷的吸收谱线进行了选择,通过实验分析了系统性能,当平均时间为5 s时,系统的1σ检测下限为43.37 ppmv,计算出的归一化噪声等效吸收系数为7.2×10-8 W·cm-1·Hz-1/2。最后,我们在研制的共轴石英增强光声光谱系统的基础上引入了光纤倏逝波技术,采用锥形光纤替代块状光学准直结构,构建了光纤倏逝波型石英增强光声光谱甲烷检测系统。首先利用COMSOL软件,仿真了锥形光纤的二维光场分布,计算了倏逝场占比,阐明了光纤锥腰直径对系统性能的影响。同时,介绍了锥形光纤的制备方法,设计了锥形光纤熔融拉锥平台,用此平台拉制了尖端直径为1.3μm的锥形光纤。通入甲烷气体开展实验,系统的探测下限为105.6 ppmv,对应的归一化噪声等效吸收系数为1.6×10-7 W·cm-1·Hz-1/2。
陈博[5]（2020）在《基于STEAM教育理念的探究科学校本课程开发与实践研究 ——以八年级上学期课程为例》文中认为STEAM教育作为一种跨学科融合的新型教育形式日渐受到人们的关注。在这种大背景下,2016年,国务院办公厅印发了《全民科学素质行动计划纲要实施方案（2016-2020年）》,文件中明确提出:完善基础教育阶段的科技教育,增强中小学生的创新意识、学习能力和实践能力,増强中学数学、物理、化学、生物等学科教学的横向配合。由此可见,科学教育改革方向越来越体现了学科之间的融合。本研究结合初中科学课程目标、STEAM教育理念,提出进行基于STEAM教育理念的初中探究科学八年级上学期课程的开发与实践。基于STEAM教育理念的初中探究科学校本课程的课程目标分为四个方面,它们分别是:培养科学探究能力,增强科学知识与技能,促进形成正确的科学态度、情感与价值观,并且充分联系科学、技术、工程、艺术与数学这五个方面。用校本课程丰富学生学习,满足学生多样化发展需求。本研究通过文献分析法界定了主要概念校本课程、初中科学课程以及STEAM教育,了解基于STEAM教育理念的初中探究科学校本课程之间的留念关系,掌握校本课程开设的一般流程。再对广西师范大学附属外国语学校科学教学现状进行调查,提出研究问题。然后以广西师范大学附属外国语学校八年级6个班的学生为研究对象,在STEAM教育理念的指导下,对6个班的学生进行校本课程教学实践,并对教学案例进行分析。最后以校本课程目标为标准,通过访谈法和调查问卷法对课程进行评价。本研究结果显示:1、学生基本表示喜欢上探究科学课并喜欢探究科学课的授课方式;2、基于STEAM教育理念的初中探究科学校本课程一定程度上提高了学生的实验探究能力;3、基于STEAM教育理念的初中探究科学校本课程使学生学习并运用到了科学、技术、工程、艺术及数学方面的知识。4、基于STEAM教育理念的初中探究科学校本课程初始学生形成了正确的科学态度、情感价值观。
杨玉龙[6]（2020）在《基于单量子点修饰微金字塔光纤探针的扫描近场光学显微镜研究》文中认为扫描近场光学显微术（Scanning Near-field Optical Microscopy,SNOM）是一种基于扫描探针的光学显微技术,其核心思想是用一个亚波长直径尖端的探针,将光近场的高空间频率分量转换为可探测的远场信号,从而实现超分辨的光学成像。探针是近场光学技术中一个核心部件,探针的性能在很大程度上会决定整个系统的成像能力,纳米发光体探针是近场光学探针中的一个重要分支。纳米发光体是指如量子点、荧光分子、上转换纳米荧光颗粒、色心等荧光颗粒,在一定波长的泵浦光激发下,纳米发光体会发出荧光信号,其荧光特性会受到光场、温度、力、电磁场、局域态密度等多种物理场和物理因素的调控,这使得纳米发光体成为了进行多物理场探测的有力工具。此外,纳米发光体的尺寸普遍较小,量子点（～10nm）,色心（～1nm）,理论上可以得到优于10nm的空间分辨率。纳米发光探针SNOM结合了纳米发光体的荧光探测特性与SNOM技术的空间扫描能力,可以实现对于空间内多物理场的扫描成像。本文围绕纳米发光探针SNOM两个关键性的问题展开。第一个问题是光学探针的通光效率问题。传统的光纤探针,如热拉法和化学腐蚀法探针制备的光纤探针,为了实现较小的通光孔径,往往制备的探针锥角都会较小,通常小于40°,这不仅会导致探针通光效率较低,而且会使得探针尖端易碎,鲁棒性较差,且通光距离过长。此外,化学腐蚀法制备的探针还会出现表面粗糙的问题。这些问题都会导致光在探针中传播时效率降低。这里,我们提出了一种新型的金字塔型光纤探针。通过模板复制的方法,在微光纤端面制备出金字塔结构。金字塔结构的锥角可以达到70.2°,且颈部长度较短,可以有效提高探针通光效率。同时,其尖端直径小于50nm,可以实现较高的形貌扫描分辨率,且具有良好结构稳定性。第二个问题是探针扫描过程的稳定性问题。近场光学显微术的分辨能力不仅取决于探针孔径或者纳米发光体的尺寸,扫描过程中探针与样品稳定的相互作用对于分辨率的提升同样有着很大的重要性。我们采用石英音叉作为力传感器,通过外部电路对其共振情况的检测来实现探针-样品的稳定控制。同时,我们尝试使用PECVD的方法对探针尖端进行氧化物镀膜,以增强探针与样品间的反馈作用,提升扫描的稳定性。通过制备的探针对Au纳米阵列进行荧光扫描成像,实现了20nm的光学分辨率。本文内容安排如下,第一章介绍了扫描近场光学显微术的发展历程与重要技术节点,第二章介绍了量子点修饰的金字塔型光纤探针的制备,第三章介绍了量子点修饰的金字塔型光纤探针的近场扫描成像,第四章对整体工作进行了总结与展望。
张明烨[7]（2020）在《可用于原子力显微镜的石英音叉结构优化及工艺研究》文中指出近些年来,随着原子力显微镜（AFM）技术的发展,其对显微镜测头部分的力传感器要求越来越高,而传统AFM中的硅悬臂力传感器由于品质因数低、稳定性差、检测装置复杂、探测范围有限等缺点,已经不能满足AFM对于高精度、高稳定性的进一步追求。与此同时,基于石英音叉的AFM相关研究已取得一些进展,且将石英音叉用作AFM测头的力传感器时,可以实现品质因数高、稳定性好、自激励自检测、探测范围广等功能,因此,将石英音叉作为AFM测头的力传感器是一种较为理想的选择。然而,到目前为止大部分基于石英音叉的AFM研究所用的音叉都是来自于市场上已经存在的音叉晶振,这就限制了音叉的频率和尺寸选择,而且小尺寸石英音叉的批量加工工艺尚未成熟,使得定制生产满足AFM要求的各类石英音叉变得困难。因此,本论文针对上述问题,先通过有限元仿真得到优化后的石英音叉结构,再对优化后的石英音叉进行制造,具体研究如下:1.通过对市售的石英音叉进行ANSYS有限元模态仿真分析,得到仿真结果符合实际需求,进而得出音叉有限元仿真一系列规律。基于这些规律,对石英音叉的尺寸进行调整,得到满足AFM要求的石英音叉尺寸和对应的工作频率;然后将音叉的部分结构进行优化改变,确定改变结构之后的音叉尺寸,并且对各种样式的音叉表面设置电极,最后用Auto CAD绘制出带有各种样式和各种尺寸音叉的基板版图,用来作为后续光刻掩模版版图。2.选择Z切向的石英基片作为加工材料,通过对石英音叉加工工艺进行实验摸索,确定一整套基本工艺流程,按照工艺流程进行石英音叉谐振器的制造;在进行加工工艺过程中,主要对掩模层的镀制、光刻工艺、石英湿法刻蚀工艺以及表面电极的制作进行研究,尤其是石英的湿法刻蚀工艺的研究,设计并进行了多组探究性实验,以此来对各项实验参数进行优化,最终得到侧壁相对平整、表面电极相对完好的石英音叉。
都伯林[8]（2019）在《针尖增强拉曼光谱系统关键技术研究》文中进行了进一步梳理针尖增强拉曼光谱技术（TERS）作为纳米新材料分析领域内的重要部分,具有丰富的应用场景和巨大的研究潜力。其同时具有表面增强拉曼光谱技术（SERS）和近场光学的优势,通过纳米尺度针尖对拉曼散射信号的增强并获得样品表面形貌信息和近场光谱信息。其中形貌信息依赖SPM控制系统性能,光谱信息分辨率突破光学衍射极限、探测灵敏度较高。为了进一步开展TERS的实验和研究,本文旨在设计搭建一套完整的针尖增强拉曼光谱检测系统。将微区拉曼光谱技术与音叉式AFM技术联用,通过对TERS系统关键技术的研究,优化系统结构、入射光场以及适配性金属探针,实现系统性能提高。最终在此基础上对纳米材料进行光谱检测研究。首先通过TERS技术增强机制的研究,明确了系统的关键影响因素包括针尖表面材料、针尖形貌尺寸、入射光场、基底选择等,并依此进行TERS系统的设计搭建。整个系统分为微区拉曼光谱检测单元和音叉式AFM控制单元,并对各个单元模块设计搭建。特别的,为解决TERS系统中最困难的针尖-样品-焦点三点精确对准问题,本文使用差动共焦模块配合音叉式AFM反馈控制解决。最终完成TERS系统搭建,各模块精确配合稳定工作。其次,对TERS系统中最关键部分金属探针进行研究,并设计制备了一种新型适用于TERS研究的金属探针。通过增强机制分析和FDTD仿真手段,设计了一种内弧形二氧化硅-金颗粒双层镀膜修饰钨丝探针。通过调节实验室自主研制电化学腐蚀探针装置关键参数,完成内弧形钨探针制备。在此基础上通过电感耦合等离子体化学气相沉积技术进行二氧化硅涂层镀制;电子束加热物理气象沉积技术进行金涂层镀制。双层镀膜后针尖曲率半径达30-80 nm,形状、镀层符合要求,可稳定批量制备。使用新型探针,TERS系统对比度提高三倍,增强因子提高一个数量级。最后使用自制TERS系统对单壁碳纳米管进行针尖增强拉曼光谱检测,得到完整光谱,特征谱峰明显且位置准确。通过对检测结果分析,确定系统的光谱分辨率为20 nm,对比度为4.8,增强因子达到4×103。并通过对比实验确定了新型探针、调制光场、增强基底的增强作用。该TERS系统具有较高稳定性、分辨率和探测灵敏度,可为后续拉曼光谱的深入研究提供坚实基础。
佟瑶[9]（2019）在《基于石英增强光声光谱技术的一氧化碳痕量气体检测研究》文中研究表明一氧化碳（CO）是环境污染物的重要组成部分,同时也是一种无色无味的剧毒气体,它产生于发电、化石燃料或其他含碳燃料的不完全燃烧活动中。环境中的CO能与羟基发生反应,间接加剧全球变暖;医疗中,CO可作判断哮喘、糖尿病等疾病的指标。因此,对于CO的高灵敏度探测在各个方面都具有重要的影响。石英增强光声光谱技术（Quartz Enhanced Photoacoustic Spectroscopy,QEPAS）是一种基于光声效应的新型气体探测技术,具有成本低、灵敏度高、响应时间快等优点,目前是探测易燃易爆或有毒气体的常用手段。本文以CO位于2330.19nm(4291.5 cm-1)处的气体吸收线为目标谱线,以提高传感器的探测能力和实用性为出发点,采用新型尺寸的石英音叉、3D打印小型化单元、定制的梯度折射率透镜（Gradient index lens,Grin透镜）,对气体传感器进行了优化。在基础理论部分,对气体分子吸收理论进行了简要介绍;对光声光谱的技术原理进行了具体的阐述;对石英音叉的压电效应与物理参数进行了相关的讨论;对共振腔增强原理进行了深入的分析。在仿真计算部分,基于有限元计算方法和COMSOL软件对音叉振动幅度进行了计算,以标准石英音叉和定制小间隙音叉为仿真目标,计算了不同光束位置与共振管长度下的振动幅度。理论仿真计算结果得到两种音叉的最佳参数,在最佳条件下,小间隙音叉的振动幅度大于标准音叉。分别利用标准音叉和小间隙音叉对CO进行了探测,实现对仿真结果的实验验证。首先,搭建基于准直聚焦透镜组实现空间光传输的QEPAS传感器对CO进行探测,并优化实验参数。随后针对传统QEPAS系统中透镜组结构稳定性差、透镜尺寸难以小型化等限制,采用3D打印技术和Grin透镜将系统体积缩小至3.5 cm3,实现CO-QEPAS传感器的小型化。接着,首次开展了基于小间隙音叉的气体探测,最终实现了高灵敏度、小体积的痕量气体检测,且实验结果与仿真结果吻合度良好。本课题提出了基于标准音叉和定制小间隙石英音叉的高灵敏度、小型化CO-QEPAS传感器,可以满足对传感器体积要求较高的探测环境,如瓦斯矿井、医疗诊断等领域,一定程度上提高了传感器的实用性。
施慧[10]（2019）在《基于音叉探针的原子力显微镜系统的研究》文中提出原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）作为一种重要的测量手段,可以实现器件表面纳米级分辨力的尺寸表征,在纳米加工、试样形貌检测和纳米计量等方面有广泛应用前景。本文以基于音叉探针的原子力显微镜系统为研究对象,进行以下几个方面的探讨:理论研究了音叉探针的振动特性。基于简化的三弹簧两质点力学模型,通过模态分析和谐响应分析,确定探针的音叉振荡形式;采用原子力模型及Derjaguin-Muler-Toporov（DMT）模型,计算探针针尖与样品之间的相互作用力,通过动力学方程模拟针尖接近样品过程中探针振幅响应特性。设计了小型自感应音叉测头。测头的探针由石英音叉和钨丝组成,共振频率达到25kHz以上,品质因数达到1000以上;研制测头电路模块,实现探针的振动激励及探针输出信号108级别的放大和寄生电容的补偿。搭建了基于音叉探针的原子力显微镜系统实验装置,装置主要包括信号提取模块、多运动平台控制系统和显微观测模块。信号提取模块采集探针信号的振动幅值信息;多运动平台控制系统用于实现探针和样品的移动;显微观测模块用于采集探针针尖和样品接近过程的图像;编写了基于C++的装置控制软件,实现对多个设备的控制和测试结果的输出。实验测试了音叉测头在幅值调制模式下的噪声特性和探针针尖接近样品表面的力-位移曲线,实验结果表明该装置的垂直分辨力达到0.1nm;通过该装置,对台阶和栅格试样进行扫描测量,获得了样品的表面形貌图,实验结果表明该实验装置能有效应用于纳米级样品表面测量。
二、音叉共振实验的改进（论文开题报告）
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
三、音叉共振实验的改进（论文提纲范文）
（1）基于石英增强光声/光热光谱的气体传感技术研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 课题的研究背景与意义 |
| 1.2 气体吸收光谱技术 |
| 1.2.1 直接吸收光谱技术 |
| 1.2.2 波长调制光谱技术 |
| 1.2.3 腔增强吸收光谱技术 |
| 1.2.4 光声/光热光谱技术 |
| 1.3 石英增强光声/光热光谱技术及其发展现状 |
| 1.3.1 石英增强光声光谱技术的发展现状 |
| 1.3.2 石英增强光热光谱技术的发展现状 |
| 1.4 本论文的主要内容 |
| 第2章 石英增强光声/光热光谱技术基础 |
| 2.1 石英音叉的理论模型 |
| 2.1.1 机械及电学模型 |
| 2.1.2 石英音叉的压电效应 |
| 2.2 石英音叉的特性参数 |
| 2.2.1 特性参数及其测量方法 |
| 2.2.2 基于电激励方法的石英音叉电学参数测量系统 |
| 2.3 石英增强光声/光热光谱技术特性研究 |
| 2.3.1 光声/光热信号的产生及检测 |
| 2.3.2 光声/光热信号的增强方法 |
| 2.3.3 系统的最短响应时间 |
| 2.3.4 系统噪声 |
| 2.3.5 系统性能评估 |
| 2.4 石英增强光声/光热光谱技术的数值分析方法 |
| 2.4.1 石英音叉的振动模态仿真 |
| 2.4.2 光声测声器的数值优化模型 |
| 2.4.3 光热激发参数的数值优化模型 |
| 2.5 本章小结 |
| 第3章 新型石英增强光声/光热光谱气体传感技术 |
| 3.1 嵌入型离轴石英增强光声光谱技术 |
| 3.1.1 嵌入型离轴石英增强光声光谱技术背景 |
| 3.1.2 测声器结构设计 |
| 3.1.3 测声器参数的数值仿真优化 |
| 3.1.4 测声器参数的实验优化 |
| 3.1.5 检测性能评估 |
| 3.1.6 对比分析 |
| 3.2 全光纤石英增强光热光谱技术 |
| 3.2.1 全光纤石英增强光热光谱技术背景 |
| 3.2.2 光纤耦合方案设计与验证 |
| 3.2.3 传感结构设计 |
| 3.2.4 光激励参数的数值仿真优化 |
| 3.2.5 光激励参数的实验优化 |
| 3.2.6 检测性能评估 |
| 3.2.7 对比分析 |
| 3.3 本章小结 |
| 第4章 基于石英增强光声光谱技术的气体传感系统 |
| 4.1 双管增强型高灵敏度甲烷传感系统 |
| 4.1.1 甲烷分子的吸收谱线选择 |
| 4.1.2 激光器及其调谐特性 |
| 4.1.3 声学检测模块设计 |
| 4.1.4 传感器结构 |
| 4.1.5 调制深度优化 |
| 4.1.6 甲烷气体检测结果与系统性能 |
| 4.1.7 小结 |
| 4.2 基于时分复用的双组分气体传感系统 |
| 4.2.1 甲烷及乙炔分子的吸收谱线的选择 |
| 4.2.2 激光器及其调谐特性 |
| 4.2.3 声学检测模块设计 |
| 4.2.4 传感器结构设计 |
| 4.2.5 调制深度优化 |
| 4.2.6 甲烷及乙炔气体检测结果与系统性能分析 |
| 4.3 本章小结 |
| 第5章 基于石英增强光热光谱技术的气体传感系统 |
| 5.1 基于光纤耦合探针的远程甲烷传感系统 |
| 5.1.1 光纤耦合探针 |
| 5.1.2 传感系统结构 |
| 5.1.3 光束质量评估 |
| 5.1.4 调制深度优化 |
| 5.1.5 波长锁定过程 |
| 5.1.6 系统线性度 |
| 5.1.7 系统检测下限及稳定性分析 |
| 5.1.8 现场气体泄漏检测实验 |
| 5.2 多通气室增强型高灵敏度甲烷传感系统 |
| 5.2.1 双光程赫里奥特多通池 |
| 5.2.2 传感系统结构设计 |
| 5.2.3 调制深度优化 |
| 5.2.4 系统信噪比评估 |
| 5.2.5 系统线性度 |
| 5.2.6 系统检测下限及稳定性分析 |
| 5.2.7 光程影响分析 |
| 5.3 本章小结 |
| 第6章 总结与展望 |
| 6.1 主要研究工作总结 |
| 6.2 石英增强光声/光热光谱技术对比分析 |
| 6.3 论文创新点 |
| 6.4 下一步工作展望 |
| 参考文献 |
| 作者简介及在学期间所取得的科研成果 |
| 致谢 |
（2）石英音叉气体检测系统性能提升的关键技术研究（论文提纲范文）
| 中文摘要 |
| ABSTRACT |
| 符号说明 |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 气体传感技术的分类 |
| 1.2.1 非光谱法气体传感器 |
| 1.2.2 光谱法气体传感器 |
| 1.3 光声光谱气体检测技术概述及发展现状 |
| 1.4 石英音叉气体检测技术国内外研究现状 |
| 1.4.1 国外研究现状 |
| 1.4.2 国内研究现状 |
| 1.5 论文研究内容与章节安排 |
| 参考文献 |
| 第二章 石英音叉气体检测系统相关理论 |
| 2.1 红外光谱气体检测技术理论 |
| 2.2 石英音叉 |
| 2.2.1 石英音叉振动模式 |
| 2.2.2 石英音叉的能量累积时间 |
| 2.2.3 石英音叉共振频率的计算 |
| 2.3 QEPAS信号的探测 |
| 2.3.1 石英音叉的机械振动 |
| 2.3.2 石英音叉的压电效应 |
| 2.4 谐波检测理论 |
| 2.5 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第三章 QEPAS气体检测系统优化及性能提升的研究 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 激光器波长校准技术 |
| 3.2.1 波长校准技术原理 |
| 3.2.2 实验结果分析 |
| 3.3 石英音叉模块的优化 |
| 3.3.1 石英音叉声音探测模块 |
| 3.3.2 共振管的优化 |
| 3.3.3 石英音叉长期稳定性的研究 |
| 3.3.4 四离轴石英音叉结构 |
| 3.4 前置放大电路的设计 |
| 3.5 双路锁相差分消除剩余幅度调制系统 |
| 3.5.1 锁相放大技术原理介绍 |
| 3.5.2 双路锁相差分技术理论分析 |
| 3.5.3 实验方案及结果分析 |
| 3.6 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第四章 基于调Q光纤激光器的新型内腔石英音叉光声光谱气体检测系统 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 光纤激光器 |
| 4.2.1 光纤激光器介绍 |
| 4.2.2 调Q技术 |
| 4.3 激光功率对QEPAS气体检测系统的影响 |
| 4.4 基于声光调Q的内腔石英音叉光声光谱气体检测系统 |
| 4.4.1 系统结构 |
| 4.4.2 系统的优化及性能测试 |
| 4.5 基于种子注入式扫描波长内腔石英音叉光声光谱气体检测系统 |
| 4.5.1 系统结构 |
| 4.5.2 系统的优化及性能测试 |
| 4.6 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第五章 石英音叉探测器气体检测系统的研究 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 石英音叉探测器参数优化及性能测试 |
| 5.3 基于石英音叉探测器的自差分技术的研究 |
| 5.3.1 石英音叉自差分气体检测系统实施方案 |
| 5.3.2 石英音叉自差分气体检测系统性能测试 |
| 5.4 长光程高功率石英音叉探测器气体检测系统 |
| 5.4.1 石英音叉探测器气体检测系统理论分析 |
| 5.4.2 实验装置设计 |
| 5.4.3 实验结果及分析 |
| 5.5 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第六章 多组分石英音叉光声光谱气体检测系统的研究及工程化应用 |
| 6.1 引言 |
| 6.2 石英音叉频分复用技术 |
| 6.2.1 多音叉气体检测系统的基本原理 |
| 6.2.2 基于石英音叉频分复用技术的多组分气体传感器的设计 |
| 6.2.3 实验结果及分析 |
| 6.3 工程化应用 |
| 6.3.1 石英音叉增强型光声光谱气体检测仪 |
| 6.3.2 多组分光声光谱气体检测仪 |
| 6.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第七章 全文总结 |
| 7.1 已研究的内容和创新点 |
| 7.2 待研究问题展望 |
| 致谢 |
| 攻读学位期间取得的学术成果及奖励和参加的科研项目 |
| 发表的学术论文 |
| 已授权的发明专利 |
| 参加的科研项目 |
| 所获奖励 |
| 学术贡献 |
| 附: 外文论文两篇 |
| 学位论文评阅及答辩情况表 |
（3）扫描金刚石氮-空位色心显微镜的研制及其应用（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 磁性材料成像方法 |
| 1.1.1 克尔显微镜 |
| 1.1.2 电子显微镜 |
| 1.1.3 中子散射 |
| 1.1.4 X射线显微镜 |
| 1.1.5 扫描探针显微镜 |
| 1.2 本章小结与论文结构 |
| 第2章 金刚石NV色心 |
| 2.1 金刚石 |
| 2.2 NV色心的形成 |
| 2.3 NV色心的电子结构 |
| 2.4 NV色心的性质 |
| 2.4.1 光学性质 |
| 2.4.2 自旋性质 |
| 2.5 NV色心弛豫过程 |
| 2.5.1 纵向弛豫时间 |
| 2.5.2 横向弛豫时间 |
| 2.6 空间定位 |
| 2.6.1 利用梯度磁场量子调控超分辨 |
| 2.6.2 利用硅针尖定位NV色心 |
| 2.7 NV-N耦合 |
| 2.8 NV测磁学 |
| 第3章 扫描NV探针显微镜 |
| 3.1 原子力显微镜 |
| 3.2 基于QTF的AFM |
| 3.2.1 用于形貌成像 |
| 3.2.2 用于磁场成像 |
| 3.2.3 线路图 |
| 3.3 光探测磁共振ODMR |
| 3.3.1 共聚焦光路 |
| 3.3.2 微波 |
| 3.3.3 外磁场 |
| 3.4 扫描NV显微镜 |
| 3.4.1 工作模式 |
| 3.4.2 调平分析 |
| 3.4.3 机械稳定性 |
| 3.5 扫描NV显微镜磁成像方法 |
| 3.5.1 采样方法 |
| 3.5.2 扫描方法 |
| 3.5.3 空间分辨率 |
| 3.5.4 NV-样品距离的定位 |
| 3.5.5 技术难点 |
| 3.6 金刚石探针 |
| 3.6.1 金刚石纳米柱 |
| 3.6.2 金刚石探针基片 |
| 3.6.3 石英音叉 |
| 3.6.4 金刚石探针的装配及测试 |
| 3.6.5 金刚石探针进一步处理 |
| 第4章 单细胞铁蛋白纳米磁成像 |
| 4.1 背景 |
| 4.2 实验原理 |
| 4.3 单细胞内铁蛋白的纳米磁成像 |
| 4.3.1 细胞样品的制备 |
| 4.3.2 实验设备 |
| 4.3.3 NV磁成像与透射电子显微镜联合成像 |
| 4.3.4 铁蛋白簇的高分辨磁成像 |
| 4.4 数据分析 |
| 4.4.1 重构磁场强度 |
| 4.4.2 分辨率分析 |
| 4.5 结论与展望 |
| 4.5.1 结论 |
| 4.5.2 展望 |
| 第5章 电场调控磁斯格明子动力学 |
| 5.1 斯格明子 |
| 5.1.1 背景 |
| 5.1.2 分类 |
| 5.1.3 产生机制 |
| 5.1.4 调控 |
| 5.1.5 扫描NV显微镜研究斯格明子 |
| 5.2 实验 |
| 5.2.1 材料体系以及研究方法 |
| 5.2.2 观察斯格明子的产生 |
| 5.2.3 单个斯格明子的高分辨磁成像 |
| 5.2.4 斯格明子的跳变 |
| 5.2.5 斯格明子随外磁场精细演化 |
| 5.2.6 电场调控形变 |
| 5.2.7 电场调控产生 |
| 5.3 展望 |
| 第6章 展望与总结 |
| 6.1 自旋-质量相互作用的探索 |
| 6.1.1 背景 |
| 6.1.2 实验 |
| 6.2 低温扫描NV显微镜 |
| 6.3 总结 |
| 参考文献 |
| 附录A NV-~(14)N体系 |
| A.1 理论计算 |
| A.2 Hz精度测量 |
| 附录B 重构磁场矢量 |
| 致谢 |
| 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果 |
（4）基于石英增强光声光谱技术的甲烷检测系统研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 课题研究背景及意义 |
| 1.2 国内外研究进展 |
| 1.2.1 国外研究现状 |
| 1.2.2 国内研究现状 |
| 1.3 论文主要研究内容 |
| 第二章 石英增强光声光谱技术相关原理 |
| 2.1 红外吸收光谱原理 |
| 2.1.1 气体分子吸收光谱 |
| 2.1.2 朗伯-比尔定律 |
| 2.2 光声效应 |
| 2.3 压电效应和石英音叉的性质 |
| 2.4 石英增强光声光谱技术 |
| 2.5 波长调制技术 |
| 2.6 本章小结 |
| 第三章 光声探测器模型的建立与仿真分析 |
| 3.1 光声探测器理论模型 |
| 3.1.1 音叉模型 |
| 3.1.2 共振管模型 |
| 3.2 光声探测器有限元模型 |
| 3.2.1 有限元法 |
| 3.2.2 共轴光声探测器模型 |
| 3.2.3 离轴光声探测器模型 |
| 3.3 本章小结 |
| 第四章 共轴石英增强光声光谱甲烷检测系统 |
| 4.1 LabVIEW程序 |
| 4.2 共轴石英增强光声光谱甲烷检测系统的设计 |
| 4.2.1 甲烷吸收谱线的选择 |
| 4.2.2 系统框图 |
| 4.2.3 调制深度优化 |
| 4.3 探测系统性能 |
| 4.3.1 二次谐波信号 |
| 4.3.2 浓度标定 |
| 4.3.3 信噪比 |
| 4.3.4 系统稳定性 |
| 4.4 本章小结 |
| 第五章 光纤倏逝波型石英增强光声光谱甲烷检测系统 |
| 5.1 锥形光纤的模拟 |
| 5.1.1 模拟实例 |
| 5.1.2 倏逝场的计算与结果分析 |
| 5.2 锥形光纤的加工方法与制备 |
| 5.2.1 加工方法 |
| 5.2.2 锥形光纤的制备 |
| 5.3 光纤倏逝波型石英增强光声光谱甲烷检测系统的设计 |
| 5.3.1 系统框图 |
| 5.3.2 调制深度优化 |
| 5.4 探测系统性能 |
| 5.4.1 系统标定 |
| 5.4.2 归一化噪声等效吸收系数 |
| 5.5 本章小结 |
| 第六章 总结与展望 |
| 6.1 工作总结 |
| 6.2 工作展望 |
| 参考文献 |
| 作者简介及科研成果 |
| 致谢 |
（5）基于STEAM教育理念的探究科学校本课程开发与实践研究 ——以八年级上学期课程为例（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 研究背景 |
| 1.1.1 基础教育课程改革的需要 |
| 1.1.2 科学新课标的要求 |
| 1.1.3 STEAM教育的出现与兴起 |
| 1.1.4 基于STEAM教育理念的探究科学课程研究现状 |
| 1.2 研究目的和意义 |
| 1.3 研究的问题和思路 |
| 1.4 研究方法 |
| 1.4.1 文献研究法 |
| 1.4.2 问卷调査法 |
| 1.4.3 行动研究法 |
| 1.4.4 教育观察研究法 |
| 2 概念界定 |
| 2.1 校本 |
| 2.2 课程 |
| 2.3 校本课程 |
| 2.4 初中科学课程 |
| 2.5 STEAM教育 |
| 3 探究科学校本课程开发与设计方案概述 |
| 3.1 学校情境分析 |
| 3.1.1 学校政策支持 |
| 3.1.2 课程教学设施 |
| 3.1.3 课程开发团队成熟 |
| 3.1.4 2018年秋季学期课程分析 |
| 3.2 学习者特征分析 |
| 3.3 探究科学校本课程大纲 |
| 3.2.1 课程性质和理念 |
| 3.2.2 课程目标设计 |
| 3.2.3 八年级上学期课程内容设计 |
| 3.2.4 八年级上学期课程安排 |
| 4 探究科学校本课程的教学设计与实践案例-以八年级上学期为例 |
| 4.1 红蓝3D眼镜的原理及制作教学设计 |
| 4.2 奇妙的声音之旅系列教学设计 |
| 4.2.1 奇妙的声音之旅(上)教学设计 |
| 4.2.2 奇妙的声音之旅(中)教学设计 |
| 4.2.3 奇妙的声音之旅(下)教学设计 |
| 4.3 八年级上学期课程实践与反思 |
| 4.3.1 红蓝3D眼镜的原理及制作课堂实录与反思 |
| 4.3.2 探究科学课剪影 |
| 5 八年级上学期探究科学校本课程评价 |
| 5.1 学生对课程的满意程度以及学生的自我评价 |
| 5.1.1 学生对课程的满意程度 |
| 5.1.2 学生的自我评价 |
| 5.2 教师的专业成长评价 |
| 5.2.1 教师教学方面成长评价 |
| 5.2.2 教师校本课程开发方面成长评价 |
| 5.2.3 教师对校本课程整合优化方面成长评价 |
| 5.3 课程内容评价 |
| 6 结论与展望 |
| 6.1 研究结论 |
| 6.1.1 学生层面的收获 |
| 6.1.2 教师层面的收获 |
| 6.2 研究的价值 |
| 6.2.1 学生科学探究能力的培养 |
| 6.2.2 促进了多学科的融合 |
| 6.3 研究不足之处 |
| 6.3.1 实际教学与教学计划之间的矛盾 |
| 6.3.2 学生实际学习能力与预期学习能力的差距 |
| 6.4 研究的展望 |
| 参考文献 |
| 附录 |
| 致谢 |
| 在读期间公开发表论文(着)及科研情况 |
（6）基于单量子点修饰微金字塔光纤探针的扫描近场光学显微镜研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 近场光学概述 |
| 1.2 扫描近场光学显微术 |
| 1.2.1 扫描近场光学显微术发展历程 |
| 1.2.2 扫描近场光学显微镜的基本构造 |
| 1.3 扫描近场光学探针 |
| 1.3.1 扫描近场光学探针的分类 |
| 1.3.2 扫描近场光学显微镜探针的制备方法 |
| 1.4 基于纳米发光体探针的扫描近场光学显微镜概述 |
| 1.5 本论文研究的目的和内容 |
| 第二章 量子点修饰的金字塔型光纤探针的制备 |
| 2.1 制备过程概述 |
| 2.2 金字塔型光纤探针的制备 |
| 2.2.1 材料准备 |
| 2.2.2 实验装置介绍 |
| 2.2.3 金字塔倒锥的制备过程介绍 |
| 2.2.4 制备结果与分析 |
| 2.3 针尖-样品距离的控制方案 |
| 2.3.1 基于Tuning Fork的针尖-样品距离控制方法 |
| 2.3.2 光纤探针与音叉侧壁的粘接 |
| 2.3.3 制备过程中常见问题的分析与讨论 |
| 2.4 对于金字塔型光纤探针的量子点修饰 |
| 2.4.1 单分散量子点或上转换荧光颗粒样品的准备 |
| 2.4.2 探针尖端化学处理 |
| 2.4.3 实验装置介绍 |
| 2.4.4 实验流程 |
| 2.4.5 实验结果与讨论 |
| 2.4.6 探针镀膜保护 |
| 2.5 本章小结 |
| 第三章 量子点修饰的金字塔型光纤探针的近场扫描成像 |
| 3.1 制备探针的通光性能测量 |
| 3.2 量子点修饰的金字塔型光纤探针的近场成像实验装置介绍 |
| 3.3 实验步骤 |
| 3.4 结果与讨论 |
| 3.5 本章小结 |
| 第四章 总结与展望 |
| 4.1 总结 |
| 4.2 展望 |
| 参考文献 |
| 攻读硕士期间学术成果 |
| 致谢 |
（7）可用于原子力显微镜的石英音叉结构优化及工艺研究（论文提纲范文）
| 致谢 |
| 中文摘要 |
| ABSTRACT |
| 序 |
| 1.引言 |
| 1.1 课题背景和研究目的及意义 |
| 1.2 原子力显微镜概述 |
| 1.2.1 原子力显微镜工作原理 |
| 1.2.2 针尖与样品间的作用力 |
| 1.2.3 悬臂梁微位移检测方法 |
| 1.2.4 原子力显微镜操作模式 |
| 1.3 本论文的主要研究内容 |
| 2.石英音叉的研究基础 |
| 2.1 石英晶体特性 |
| 2.1.1 石英晶体物理特性 |
| 2.1.2 石英晶体压电效应 |
| 2.2 石英音叉机电特性 |
| 2.2.1 振动模态 |
| 2.2.2 石英音叉电气特性及相关理论推导 |
| 2.3 石英音叉的激发方法 |
| 2.3.1 电激发 |
| 2.3.2 机械激发 |
| 2.3.3 光热激发 |
| 3.石英音叉结构优化 |
| 3.1 有限元法概述 |
| 3.2 ANSYS分析软件简介 |
| 3.3 石英音叉振动模态的有限元分析 |
| 3.3.1 石英音叉有限元分析规律性研究 |
| 3.3.2 石英音叉尺寸确定 |
| 3.4 石英音叉表面电极确定 |
| 3.5 石英基片的版图设计 |
| 3.6 本章小节 |
| 4.石英音叉谐振器的加工工艺 |
| 4.1 基本工艺流程设计 |
| 4.2 石英音叉谐振器的制作 |
| 4.2.1 掩模层的镀制 |
| 4.2.2 光刻工艺的研究 |
| 4.2.3 石英的湿法刻蚀工艺 |
| 4.2.4 表面电极的制作 |
| 4.3 本章小节 |
| 5.总结与展望 |
| 5.1 总结 |
| 5.2 展望 |
| 参考文献 |
| 作者简历 |
| 学位论文数据集 |
（8）针尖增强拉曼光谱系统关键技术研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 课题研究背景、目的及意义 |
| 1.2 针尖增强拉曼技术 |
| 1.3 国内外发展现状 |
| 1.4 本文主要研究内容 |
| 第2章 TERS基本原理和影响因素研究 |
| 2.1 TERS的基本原理及其评价方法 |
| 2.1.1 TERS的基本原理 |
| 2.1.2 TERS系统的评价方法 |
| 2.2 针尖增强效应的物理机制 |
| 2.2.1 局域表面等离激元效应 |
| 2.2.2 避雷针效应 |
| 2.2.3 基底镜像效应 |
| 2.2.4 局域电磁场增强效应总结 |
| 2.3 针尖增强效应的影响因素 |
| 2.3.1 探针金属材料 |
| 2.3.2 探针几何形貌 |
| 2.3.3 激发光场 |
| 2.4 本章小结 |
| 第3章 TERS系统的方案选择和系统构建 |
| 3.1 TERS系统的基本结构 |
| 3.2 微区拉曼光谱探测单元 |
| 3.2.1 微区拉曼光谱探测单元的总体设计与分析 |
| 3.2.2 微区拉曼光谱探测单元中关键部分 |
| 3.3 SPM控制单元 |
| 3.3.1 SPM系统选型及整体设计分析 |
| 3.3.2 音叉式AFM关键部分 |
| 3.4 TERS系统的构建 |
| 3.5 本章小结 |
| 第4章 TERS系统适配针尖设计及制备 |
| 4.1 金修饰钨丝针尖的设计与仿真 |
| 4.1.1 基于FDTD数值计算方法的仿真模型建立 |
| 4.1.2 针尖形状的研究与选择 |
| 4.1.3 针尖表面修饰的研究与仿真 |
| 4.2 特定形状的钨丝针尖制备 |
| 4.3 针尖的表面修饰 |
| 4.4 本章小结 |
| 第5章 TERS系统检测结果及针尖增强效果 |
| 5.1 实验流程与样品选择 |
| 5.2 针尖增强拉曼光谱实验研究 |
| 5.2.1 单壁碳纳米管针尖增强光谱检测 |
| 5.2.2 TERS系统光谱分辨率分析 |
| 5.2.3 TERS系统对比度分析 |
| 5.3 针尖对针尖增强拉曼光谱检测的影响 |
| 5.4 基底对针尖增强拉曼光谱检测的影响 |
| 5.5 本章小结 |
| 第6章 总结与展望 |
| 6.1 全文总结 |
| 6.2 创新点 |
| 6.3 工作展望 |
| 参考文献 |
| 发表论文和参加科研情况说明 |
| 致谢 |
（9）基于石英增强光声光谱技术的一氧化碳痕量气体检测研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 课题研究的背景与意义 |
| 1.2 痕量气体检测技术 |
| 1.3 国内外进展及分析 |
| 1.3.1 国外研究现状 |
| 1.3.2 国内研究现状 |
| 1.3.3 国内外研究进展简析 |
| 1.4 本课题研究的主要内容 |
| 第2章 石英增强光声光谱基本理论 |
| 2.1 气体分子吸收基本理论 |
| 2.2 光声光谱原理 |
| 2.2.1 光声效应 |
| 2.2.2 光声光谱技术 |
| 2.3 石英增强光声光谱技术 |
| 2.3.1 压电效应 |
| 2.3.2 石英音叉 |
| 2.3.3 石英增强光声光谱技术 |
| 2.3.4 共振管增强原理 |
| 2.4 本章小结 |
| 第3章 石英音叉振动幅度的仿真计算 |
| 3.1 有限元方法 |
| 3.2 石英音叉模型的建立 |
| 3.2.1 声探测系统的仿真优化理论 |
| 3.2.2 基于石英音叉的光声探测器模型建立 |
| 3.3 音叉振动幅度计算结果 |
| 3.3.1 不同光束位置下音叉振动幅度的计算 |
| 3.3.2 不同共振管长度下音叉振动幅度的计算 |
| 3.4 本章小结 |
| 第4章 基于标准音叉的CO-QEPAS传感器研究 |
| 4.1 基于2.3μm半导体激光器的CO-QEPAS传感器 |
| 4.1.1 CO谱线选择 |
| 4.1.2 基于2.3μm半导体激光器的CO-QEPAS实验装置 |
| 4.2 基于标准音叉的小型化全光纤CO-QEPAS传感器研究 |
| 4.2.1 梯度折射率透镜 |
| 4.2.2 3D打印小型化气室 |
| 4.2.3 基于标准音叉小型化全光纤CO-QEPAS传感器研究结果.. |
| 4.3 本章小结 |
| 第5章 基于小间隙音叉的CO-QEPAS传感器研究 |
| 5.1 小间隙音叉介绍 |
| 5.2基于小间隙音叉的H2O-QEPAS探测实验 |
| 5.3 基于小间隙音叉的CO-QEPAS传感器 |
| 5.4 本章小结 |
| 结论 |
| 参考文献 |
| 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果 |
| 致谢 |
（10）基于音叉探针的原子力显微镜系统的研究（论文提纲范文）
| 致谢 |
| 摘要 |
| abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 纳米测量技术及国内外研究现状 |
| 1.2 原子力显微镜的发展与应用 |
| 1.3 原子力显微镜的基本原理及工作模式 |
| 1.3.1 原子力显微镜的工作原理 |
| 1.3.2 原子力显微镜的工作模式 |
| 1.4 课题主要研究内容 |
| 2 系统的基本原理和特性研究 |
| 2.1 基于音叉探针的原子力显微镜系统的工作原理 |
| 2.1.1 近场力检测方式 |
| 2.1.2 基本工作原理 |
| 2.2 探针与样品表面接近力-距离曲线分析与建模 |
| 2.3 探针针尖与表面接近特性建模与分析 |
| 2.3.1 音叉模态分析 |
| 2.3.2 探针接近样品表面的力-位移曲线特性分析 |
| 2.4 本章小结 |
| 3 基于音叉探针的原子力显微镜系统测头研制及装置设计 |
| 3.1 音叉测头探针的研制 |
| 3.1.1 钨针尖的制备 |
| 3.1.2 粘接剂特性分析 |
| 3.1.3 石英音叉的选用 |
| 3.2 音叉测头的电路模块设计 |
| 3.2.1 测头电路设计需求 |
| 3.2.2 测头电路的实现 |
| 3.3 基于音叉探针的原子力显微镜系统装置设计 |
| 3.3.1 显微观测模块 |
| 3.3.2 多运动平台控制系统 |
| 3.3.3 信号提取模块 |
| 3.4 本章小结 |
| 4 基于音叉探针的原子力显微镜系统的程序设计 |
| 4.1 系统软件的编程技术 |
| 4.2 系统控制程序设计 |
| 4.2.1 显微观测模块程序 |
| 4.2.2 纳米位移台的上位机控制程 |
| 4.2.3 信号采集模块的上位机控制程序 |
| 4.3 系统功能程序设计 |
| 4.3.1 探针接近样品表面的测量功能实现 |
| 4.3.2 探针扫描样品表面的测量程序实现 |
| 4.4 系统的软件界面设计 |
| 4.5 本章小结 |
| 5 基于音叉探针的原子力显微镜系统的性能测试及应用实验 |
| 5.1 音叉探针的性能测试 |
| 5.2 系统的噪声测试及分析 |
| 5.2.1 纳米位移台的定位噪声测试 |
| 5.2.2 音叉测头的噪声测试 |
| 5.3 测头的进退针测试与分析 |
| 5.4 样品表面测量实验及分析 |
| 5.4.1 标准台阶样品的测量及分析 |
| 5.4.2 一维栅格样品的测量及分析 |
| 5.5 本章小结 |
| 6 总结与展望 |
| 6.1 全文总结 |
| 6.2 展望 |
| 参考文献 |
| 作者简介 |
四、音叉共振实验的改进（论文参考文献）
- [1]基于石英增强光声/光热光谱的气体传感技术研究[D]. 胡立恩. 吉林大学, 2021
- [2]石英音叉气体检测系统性能提升的关键技术研究[D]. 张秦端. 山东大学, 2021(11)
- [3]扫描金刚石氮-空位色心显微镜的研制及其应用[D]. 郭茂森. 中国科学技术大学, 2021(09)
- [4]基于石英增强光声光谱技术的甲烷检测系统研究[D]. 张明辉. 吉林大学, 2021(01)
- [5]基于STEAM教育理念的探究科学校本课程开发与实践研究 ——以八年级上学期课程为例[D]. 陈博. 江西师范大学, 2020(12)
- [6]基于单量子点修饰微金字塔光纤探针的扫描近场光学显微镜研究[D]. 杨玉龙. 南京大学, 2020(04)
- [7]可用于原子力显微镜的石英音叉结构优化及工艺研究[D]. 张明烨. 北京交通大学, 2020
- [8]针尖增强拉曼光谱系统关键技术研究[D]. 都伯林. 天津大学, 2019(01)
- [9]基于石英增强光声光谱技术的一氧化碳痕量气体检测研究[D]. 佟瑶. 哈尔滨工业大学, 2019(02)
- [10]基于音叉探针的原子力显微镜系统的研究[D]. 施慧. 中国计量大学, 2019