突破强干扰的精密测量
谱光讲堂│强背景干扰下的精密光谱测量
前言
在科学与工程的浩瀚海洋中，光谱测量如同一盏明灯，照亮了物质与电磁辐射相互作用的奥秘。从微观的原子结构到宏观的宇宙现象，光谱技术为我们揭示了无数未知的领域。然而，强背景干扰和微弱信号的存在，常常成为实验精度提升的“拦路虎”。如何在复杂环境中提取有效信号？如何突破噪声的束缚，实现高精度的测量？本文将带您走进前沿光学降噪技术的世界，探索荧光光谱、燃烧诊断、红外测温、等离子体分析等领域的突破性进展。这些技术不仅推动了科学研究的边界，更为工业应用开辟了新的可能。让我们一起揭开这些创新方法的神秘面纱，感受科技的力量！
光谱测量作为解析物质与电磁辐射相互作用的核心技术，已在现代科学与工程中发挥着不可替代的作用。它通过分析光的波长成分与强度变化，提供了关于材料结构、化学组成、电子态分布、温度场与动力学过程的丰富信息。
但是，在现代光谱与成像检测中，强背景光干扰与信号微弱性常成为实验精度提升的关键障碍。下面介绍了多种光学调制与信号提前放大技术在光学降噪中的多元化应用，包括强噪声下的荧光与瞬态反射率探测、燃烧火焰与红外热辐射的光谱测量、等离子体发光诊断，以及复杂环境下的红外视觉感知系统。
应用一
强噪声荧光光谱
在2018年，刘新风团队于《Science》期刊发表题为“High ambipolar mobility in cubic boron arsenide revealed by transient reflectivity microscopy”的突破性研究[1]，研究首次实验验证了c-BAs在室温下具有极高热导率（>1300 W/m·K）。与此同时，c-BAs也被预测具有高载流子迁移率：电子为1400 cm²/V·s，空穴为2100 cm²/V·s。在施加1%微应变条件下，空穴迁移率甚至被预测可超过3000 cm²/V·s。如此高的迁移率源于其弱的电子-声子相互作用以及小的有效质量。正如对其热导率的预测一样，这些计算假设了无缺陷、高晶体质量、极低杂质浓度的理想材料。
c-BAs同时具备高热导率和高迁移率，使其成为电子和光电子领域中极具吸引力的候选材料。但尽管具备这些潜力，其高迁移率此前尚未获得实验验证。
在本研究中，作者利用超快时空分辨瞬态反射显微技术，观测到约1550 cm²/V·s的双极迁移率，并对光激发热载流子获得了超过3000 cm²/V·s的迁移率。通过光致发光（PL）与拉曼光谱，研究了样品中的p型掺杂水平，发现高空穴浓度将显著降低双极迁移率。研究所使用的c-BAs单晶通过种子辅助化学气相传输法（CVT）生长，具有高晶体质量，适用于无接触、高分辨率的迁移率测量。
为有效从强烈背景中提取出微弱的泵浦诱导反射率变化信号，研究团队采用了500 Hz的光学斩波器对泵浦光进行调制，并与激光系统的1 kHz重复频率精确锁相同步。借此，在成像系统中可交替记录“泵浦开启”与“泵浦关闭”两个状态下的图像帧。通过帧差处理，可获得对应的反射率变化信号图。该策略显著抑制了由环境光波动与探测器暗噪声带来的影响，从而使微弱的载流子动力学过程得以被稳定分辨。
另一项关键优化是设计了一个用于同步参考的光斑信号通道。研究人员将泵浦光的一小部分分光，经分光镜（BS）与反射镜耦合导入成像系统边缘，在CMOS探测器上形成一个稳定的参考光斑。这一参考通道在每帧中都与主信号同步记录，作为系统强度基线校准标尺，用于实时监测与消除系统噪声与功率波动对主探测信号的影响。这种双通道设计确保了即使在复杂实验条件下，也能稳定提取时间分辨的微弱光学响应，对提升信号可靠性与重复性起到了关键作用。
图1.使用瞬态反射率显微术（TRMI）测量的c-BAs晶体载流子迁移行为。(A)实验系统示意图。(B)不同延迟时间下反射率变化的二维图像（ΔR/R）。(C)在不同时间点，图像中反射率变化的空间分布曲线（散点），以及相应的高斯拟合曲线（实线）。(D)高斯分布拟合得到的方差随时间演化的图像。(E)多种温度和激发功率下测得的扩散方差与时间的关系。通过线性拟合斜率计算扩散系数D，并据此获得ambipolar迁移率μ。
应用二
火焰燃烧光谱测量
在能源效率与环境保护越来越重要的背景下，对燃烧过程的详细可视化与定量诊断越来越受到重视。传统的火焰测量技术，如红外热像仪和强度传感器，只能提供有限的空间或波长信息。而光谱技术，尤其是高光谱成像（HSI），已成为燃烧研究中的一种关键工具，因为它能提供空间、时间和光谱三维数据，帮助识别火焰中的化学种类与热辐射机制。
尽管如此，目前的大多数高光谱成像系统主要用于静态或准静态目标，对于快速变化或动态燃烧现象，时间分辨率仍存在不足。火焰在点火、灭火、燃料/空气变化等情况下会表现出强烈的时变性，这种变化若无法准确采集，会影响对燃烧过程的理解与控制。
Devashish Chore等人在《photonics》期刊发表题为“Comparison between Different Optical Configurations of Active-FRAME Setup in Multispectral Imaging of Flames”的文章[2]，该文章中研究了一种基于结构化激光片（structured laser sheet）的多光谱成像方法，称为“多曝光频率识别算法”的不同配置方式。利用FRAME方法，能够在单张FRAME图像中同时获取由283.5 nm激光激发的多环芳香烃（PAH）的激光诱导荧光（LIF）与由532 nm激光激发的烟尘颗粒的激光诱导热辐射（LII）信号。
应用三
红外绝对温度测量
绝对温度分布的测量在许多工业应用中至关重要，例如增材制造、材料成型和热处理过程。然而，在实际应用中，工艺本身或其所处环境（极端条件、高温范围、环境复杂等）常常限制了使用传统热电偶、热堆或其他接触式测温技术。因此，在此类应用中，特别是在面向未来工业4.0的发展背景下，亟需开发适用于复杂几何形状和非均质样品的非接触式成像测温方法。
在红外（IR）波段的非接触式测温技术中，高温计（pyrometry）和热成像（thermography）是最常用的方法，它们都依赖于辐射计模型与方法。但无论使用何种辐射计技术，仅通过测量表面或热场场景的辐射通量，往往难以直接获得其绝对温度。
材料的光谱和方向性辐射特性取决于其光学性质（如折射率）、表面粗糙度及其随温度变化而产生的差异。此外，场景中的辐射通量不仅受这些材料属性影响，还受到温度分布、场景几何结构及参与性大气（本文中假设为透明）的共同影响。因此，即使在只考虑不透明表面（本研究所采用的假设）时，红外探测器测得的辐射通量也同时受到发射、吸收、多次反射和多次散射的影响。
Thomas Lafargue‑Talle等人在《scientific reports》期刊发表题为“Active thermo‑reflectometry for absolute temperature measurement by infrared thermography on specular materials”的研究[3]，在该研究中，作者提出了一种基于热反射测量（pyro-reflectometry）方法以及材料镜面反射模型的非接触式红外成像技术，以解决发射率和反射带来的问题。该方法能够通过使用一个等效黑体比值，实现材料发射率分布的原位实时识别，并对样品所发出的辐射强度进行自校准，从而获得任意镜面材料在红外波段下的绝对温度场。所提出的系统既适用于红外相机，也适用于光学高温计，并且不受光谱范围的限制。
应用四
等离子体发光光谱测量
激光诱导荧光（LIF）是诊断低温等离子体中中性原子、离子或分子的重要非侵入式技术。为提高荧光信号在强背景噪声中的可检测性，常采用调制激光功率并使用锁相放大器（LIA）提取相干响应信号。这种方法在高信噪比测量中表现优异。然而，当调制频率与粒子的自然寿命（荧光寿命）接近时，传统假设（如瞬时响应）不再适用。
作为一种基于脉冲激光诱导等离子体的多功能元素分析技术，激光诱导击穿光谱（LIBS）由于具备几乎可分析任意样品中大多数元素、无需复杂样品前处理、可实现远程和原位分析以及适用于现场应用等优点，在过去几十年中受到了广泛关注并取得了显著发展。然而，由于激光诱导等离子体本身的特性以及可用信号检测技术和/或仪器的限制，LIBS的分析灵敏度相比传统元素分析技术仍相对较低。
Juan Kang等人在《Spectrochimica Acta Part B》期刊发表题为“Sensitive elemental analysis with high repetition rate laser-ablation sparkinduced breakdown spectroscopy combined with lock-in signal detection”的研究[4]，该研究中提出并开发了一种高重复率激光烧蚀火花诱导击穿光谱技术（HRR LA-SIBS）结合锁相信号检测的方法。为验证该技术的分析灵敏度，实验分析了黄铜样品中的痕量铅和铝，以及铝合金样品中的痕量铬和锰。元素检出限通过构建的校准曲线进行评估，结果显示该方法具有较高的分析灵敏度。文中还简要讨论了一些实用的技术建议。
图9：采用HRR LA-SIBS技术结合锁相信号检测所构建的校准曲线。(a)黄铜中Pb和Al元素；(b)铝合金中Mn和Cr元素。所选分析谱线分别为：Pb I 405.78 nm、Al I 394.40 nm、Cr I 425.44 nm和Mn I 403.08 nm。误差棒表示在相同实验条件下重复测量所产生的数据偏差。
仪器介绍
谱光慧联公司的Excipolar Trion共聚焦显微多维光谱仪囊括多种常规光谱和新颖特色的光谱模式。此外，考虑到某些样品在光学信号测量时可能会伴有强烈的本征发光或强环境光干扰背景，导致目标信号极易被淹没在复杂的光噪声中。为应对这一挑战，我们在共聚焦显微多维光谱仪中引入了光学降噪技术：
帧间差分微弱信号提取技术
为了从强背景中准确提取出微弱信号，我们通过帧间差分（frame-by-frame subtraction），计算出差分反射率信号。该方法有效滤除系统光源的低频功率漂移、环境背景光波动以及探测器本身的热噪声，大幅提高系统信噪比，使得微弱的光谱信号得以清晰提取。
主动锁相降噪技术
基于锁相同步调制-解调机制的主动降噪策略，构建了一套在强干扰条件下仍具高可靠性的信号探测平台。通过将激发光进行周期性强度调制，并将该调制频率作为系统参考，将探测器所采集的全场信号在时间域上与参考调制信号进行锁相同步，实现了频率选择性地提取目标信号分量。该方法本质上将原始光谱信号从强噪声背景中提取特定调制频段，再通过解调手段显著抑制非同步背景噪声、环境光干扰以及探测器低频漂移等因素的影响。
基于以上技术，我们开发了系统级降噪模块，和共聚焦显微多维光谱仪器主机深度融合，有效提升了在复杂样品与多模态成像条件下的谱图清晰度和参数稳定性，为高通量、高对比、高保真数据采集提供了保障。在面对如高强度本征发光材料、复杂背光成像、或强非目标散射场等典型“低信噪比”测量场景时，我们的产品展现出优异的抗干扰能力，能够在不依赖复杂光学滤波器或大幅增加积分时间的前提下，实现对微弱调制信号的高效提取，极大提升了光谱测量系统的动态范围、定量精度与环境适应性。
科技之光｜照亮未来
光谱测量技术的每一次突破，都是人类对自然规律认知的深化。从刘新风团队揭示的c-BAs晶体高迁移率，到火焰燃烧的多光谱成像，再到红外绝对温度测量和等离子体发光分析，这些研究展现了光学降噪技术在多个领域的卓越应用。通过帧间差分、锁相降噪等创新方法，科学家们成功克服了强背景干扰的挑战，为精密测量打开了新的大门。
这些成果不仅是实验室里的辉煌，更是未来工业、环保、能源等领域的基石。随着技术的不断进步，我们相信，光谱测量将在更多场景中发挥不可替代的作用，为人类社会的可持续发展贡献力量。让我们期待更多创新技术的涌现，共同迎接一个更加清晰、精确的科学未来！
延伸思考：
1️⃣ 这些技术如何应用于您的领域？
2️⃣ 未来光学降噪技术还可能解决哪些难题？
3️⃣ 欢迎在评论区留言分享您的见解！
文章引用
[1] Shuai Yue et al., High ambipolar mobility in cubic boron arsenide revealed by transient reflectivity microscopy. Science 377,433-436(2022).
[2] Chorey, Devashish, et al. "Comparison between Different Optical Configurations of Active-FRAME Setup in Multispectral Imaging of Flames." Photonics. Vol. 11. No. 2. MDPI, 2024.
[3] Lafargue-Tallet, T., Vaucelle, R., Caliot, C. et al. Active thermo-reflectometry for absolute temperature measurement by infrared thermography on specular materials. Sci Rep 12, 7814 (2022).
[4] Kang, Juan, et al. "Sensitive elemental analysis with high repetition rate laser-ablation spark-induced breakdown spectroscopy combined with lock-in signal detection." Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy 155 (2019): 50-55.
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