介质微球超分辨光学成像:原理、技术与应用

光学显微技术在生物学、医学、材料学、精密测量学等领域扮演着至关重要的角色,为微纳尺度的探索提供了强大的工具。然而,传统光学显微系统受到衍射极限的制约,最大分辨率极限约为光波长的一半(λ/2)。近年来,突破衍射极限、实现更高成像分辨率成为显微成像领域的研究热点。介质微球透镜通过调控光场,能够将入射光束聚焦于微球底部的极窄区域形成光子纳米射流,打破了阿贝(Abbe)衍射极限,使出射光束半峰全宽小于λ/2。与其他超分辨成像技术相比,微球超分辨成像具有简单直接、无须荧光染料标记、实时成像、可与现有显微系统相兼容等优势,为学术研究和实际应用开辟了新的机遇。该综述首先介绍了介质微球超分辨光学成像原理;随后,详细分析了影响微球超分辨光学成像能力的关键因素,包括微球光学性质、适用环境以及可控性等;最后,探讨了微球超分辨光学成像技术在生物医学、半导体器件、纳米材料科学领域中的应用。此外,还展望了微球超分辨光学成像技术未来发展面临的主要挑战。

高通量激光装置真空系统洁净度控制

在高通量激光装置真空系统运行过程中,泵组润滑油在真空环境下产生的分子污染可能扩散沉积在光学系统元件表面,在高通量激光辐照下诱导损伤,降低光学元件负载能力。针对真空系统洁净度控制开展研究,构建了包括真空泵组优化、增加低温冷阱吸附、增加冷阱在线加热再生工艺的真空系统洁净度控制方法。实验研究结果表明:真空系统经过120 h连续运行后,平均24 h非挥发性残留物表面沉积量维持在2.86×10^(-9)g/cm^(2)洁净水平,熔石英光学试片考核组和对照组在350 nm处的透过率以及12.3 J/cm^(2)通量以下的损伤密度曲线基本一致,证明了该方法的有效性。

利用匹配滤波的调频连续波激光测距技术研究

基于差频解算的调频连续波激光测距技术存在测量距离短、易受噪声干扰、受非线性调频影响大的问题。为了在相同机制条件下解决此问题,提出了基于匹配滤波的调频连续波激光测距方法,改进相干探测光路,加入信号反转单元和信号共轭单元,将混频器换成卷积器,同时满足系统响应与发射波形匹配,并进行了相关仿真实验。结果表明,相比差频解算方法,匹配滤波方法可实现两倍于差频解算方法的测距范围,信噪比提高了9.5 dB,在非线性调频误差为19.8 MHz、198 MHz和396 MHz条件下均能得到较高分辨率的距离谱,表现出较好的抵抗非线性调频的能力。此研究可为该领域的科研工作者提供技术指导和新的思路。

钬、铥激光作用于软组织热效应的实验研究

为了提高激光手术效率和减少激光手术中对周围健康组织的损伤,探究了脉冲钬激光脉冲峰值功率、连续铥激光功率对于软组织热效应的影响。搭建体外模型装置来寻求激光消融组织的最佳参数,实验中脉冲钬激光功率分别为20W、40W、60W、80W,脉冲持续时间为200μs和800μs,脉冲能量分别选择1J、2J、4J。连续铥激光功率分别为20W、40W、60W、80W、100W、110W。最后,将体外模型置于生理盐水中,保持室温一定,对激光消融后的损伤组织进行切片和染色,分析病理切片。脉冲峰值功率对软组织的消融区产生较大影响,脉冲能量为4J×10Hz的激光组合比1J×40Hz的激光组合产生的消融深度提高111.82%,对凝固区的影响不大,改变仅为9.96%。脉冲持续时间对软组织的影响不大,脉宽较短产生的消融深度提高18.49%。组织消融深度随连续铥激光的功率提高而提高,消融效率也相应提高,热凝固区几乎不受影响。100W的消融效率比20W提高88.26%。

端面抽运窄脉宽高转化率全固态532nm激光器

为了得到高转化率与窄脉宽的绿光激光器,利用两个最大功率为80 W、中心波长为878 nm、线宽1 nm的激光二极管抽运源,端面抽运两个Nd∶YVO 4晶体,经过光阑选模和声光Q晶体调制后,利用三硼酸锂晶体将1064 nm基频光倍频后导出腔外,整体采用平凸非稳腔方式控制晶体热透镜效应,得到了在工作模式下稳定输出的532 nm绿光激光器。结果表明,当重复频率为100 kHz、两个抽运模块抽运功率都为70 W时,激光器的输出功率为36.7 W,脉宽7.3 ns,光光转化效率约为26.2%,光斑圆度大于90%且焦点光斑圆度大于97%,在80 kHz~200 kHz工作条件下,脉冲抖动小于2%,该参数绿光激光器在进行玻璃钻孔工艺时,崩边在100μm范围内,优于同类型激光器。该研究对于改善纳秒激光器产品工艺效果、拓展产品应用范围是有帮助的。

基于相干激光雷达的双偏振探测技术

为了在大气遥感中对风场和退偏比进行联合分析,提出了一种双偏振相干探测方法。基于传统相干测风激光雷达(LiDAR),设计了能实现正交偏振信号分集接收的探测系统,并推导了此系统下大气退偏比计算原理;搭建系统并进行了实验,在不同天气条件下,对比观测平行偏振光和垂直偏振光径向风速信息,结合实时大气退偏比参数双维度描述大气状态。结果表明,激光发射能量为100 J、脉宽为400 ns、距离分辨率为30 m时,阴天、雾天、雨天、晴天径向风速测程分别可达6.0 km、5.5 km、3.0 km、3.0 km;大气退偏比测程为2.0 km、2.0 km、1.0 km、1.0 km;测程内双通道径向风速的一致性不随天气而变化。该研究为大气多要素一体化探测提供了参考。

国产掺镱锥形光纤实现百瓦毫焦级窄线宽纳秒脉冲输出

窄线宽大能量纳秒脉冲单模光纤放大器具有高效率、高光束质量和小体积等优点,在激光探测、工业加工等应用领域中具有明显的竞争优势。近期中国工程物理研究院激光聚变研究中心基于国产锥形掺镱光纤和主振荡功率放大器(MOPA),实现了平均功率100 W、脉冲宽度100 ns、单脉冲能量1 mJ、峰值功率10 kW的窄线宽(Δλ_(3dB)=0.49 nm)、线偏振(PER:12.3 dB)、近单模(M^(2)=1.49)全光纤结构1064 nm激光输出。通过优化增益光纤和放大器设计,可进一步提升放大器的输出能量、功率和光束质量。

基于内调制的光纤干涉振动测量系统研究

研制了一种基于内调制的光纤干涉振动测量系统。对分布式反馈激光器(DFB)进行电流内调制,产生正弦频率调制单频激光。经光纤环形器与光纤微探头输出测量光对振动源进行干涉测量,返回的测量光与光纤微探头自反射的参考光进行干涉获得相位生成载波(PGC)干涉信号。基于可编程逻辑门阵列(FPGA)数字信号处理平台设计了PGC干涉信号解调算法,通过5参数椭圆拟合提取附加光强调制等因素引入的误差系数,对相位非线性误差进行补偿,实现振动位移的高精度测量,并采用快速傅里叶变换(FFT)算法对振动位移频谱进行分析。进行了理论分析并搭建了振动测量系统,开展了干涉信号解调实验、位移测量实验和振动测量实验。实验结果表明,该系统的振动频率范围覆盖1142 Hz;在10μm的位移步进实验中,测量结果的平均偏差为0.173μm;振动频率的分辨力为1.221 Hz,谐波失真率小于1.36%;有望应用于精密振动测量领域。

基于色散渐减光纤的自相似子激光器优化设计

为了提高自相似子激光器可容忍的最高增益饱和能量,基于脉冲在色散渐减光纤(DDF)中进行自相似演化时具有较强抗光波分裂特性的原理,采用DDF替代自相似子激光器中的单模光纤(SMF)的方法,进行了理论分析和仿真验证。结果表明,DDF替代SMF后,激光器可容忍的最高增益饱和能量增大33.3%,激光器的输出脉冲能量提高109.2%,脉冲峰值功率提高20.6%,脉宽缩短23.1%,自相似评价因子从0.077降低到0.065;在自相似子激光器中利用DDF替代SMF进行脉冲演化可有效提高激光器的最大增益饱和能量,进而使激光器的输出自相似脉冲的脉冲能量更大、脉冲峰值功率更高、脉宽更窄、脉冲质量更高。此研究对获取高功率自相似脉冲具有一定参考价值。

便携式小型化磁光阱系统

为了实现一种新型且简单的磁光阱(MOT)原子俘获,采用了大口径单光束和多个反射镜组合的方式来简化磁光阱结构,并用永磁体替代线圈提供所需的梯度磁场来增加冷原子俘获装置的便携性。分析了腔室内的偏振光和实验光路构成,并进行了实验验证;采用收集荧光法、及释放和再捕获的方法测得了在不同铷原子释放器电流下的原子数目和电流关闭后原子团寿命的变化。结果表明,俘获的^(87)Rb原子团的大小约为1.5 mm,冷原子数目大约为1.7×10^(7),原子团的温度约为177μK。该MOT结构可以在小型化的基础上实现理想的原子俘获,研究结果为新型量子传感器领域提供了参考。

SERF原子耦合磁强计抽运光功率误差分析

基于无自旋交换弛豫(Spin exchange relaxation-free,SERF)的原子自旋耦合磁强计同时具有敏感角速率和抑制环境磁场扰动的能力,是一种很有前途的长期导航应用工具.抽运光功率误差从标度因数和零偏稳定性两个方面限制了SERF耦合磁强计的长期稳定性,目前针对SERF惯性测量的抽运光误差分析均为分析标度因数误差,缺乏对零偏稳定性的分析.为了分析抽运光功率对系统的零偏稳定性影响,本文基于泰勒展开,将K–Rb–^(21)Ne耦合磁强计动力学系统由非线性系统简化为线性时不变系统,并基于状态空间方法推导了抽运光功率频率响应模型,最后在SERF耦合磁强计上对该模型进行了实验验证.理论和实验结果表明,耦合磁强计的磁光非正交将在光功率传递函数中引入微分环节,导致在耦合磁强计工作带宽里,耦合磁强计的输出信号与抽运光功率近似成比例环节.本文为分析SERF耦合磁强计中抽运光功率波动引起的惯性测量误差提供了精确的模型,为后续进行抽运光功率抑制提供了理论支持.

太赫兹近场高通量材料物性测试装置直线加速器微波系统研制

太赫兹近场高通量材料物性测试系统(NFTHZ)中集成了一台波长可调谐的太赫兹自由电子激光器(THz-FEL),该仪器采用电子能量10~18 MeV可调的直线加速器作为注入器。调节驱动激光的纵向/时间结构,可以形成电子束团的预群聚,通过匹配电子束团的群聚因子、波荡器入口处电子束能量以及波荡器K值之间的关系,能够实现MW级高峰值功率、中心波长0.5~5 THz可调的太赫兹自由电子激光。微波系统为THz-FEL中电子束加速至目标能量提供了高功率微波电场、加速结构以及微波幅度相位控制系统。本文将针对NFTHZ装置微波系统的关键技术以及电子直线加速器的研制进展进行介绍。

1 064nm泵浦乙烷1.55μm拉曼激光研究

受激拉曼散射(SRS)作为一种高效的激光频率改变方法,受到广泛关注。但是拉曼激光也存在着明显的不足,其波长缺少连续调谐的能力,因此需要开发更多的拉曼活性介质,提高拉曼频移覆盖密度。以波长为1 064 nm的激光作为泵浦源,以高压乙烷作为拉曼活性介质,产生了波长为1 550 nm的一阶拉曼(S_(1)),实验过程中未发现明显后向拉曼和高阶拉曼,通过优化实验条件,降低激光诱导击穿(LIB),使S_1的光子转化效率提高到了20.7%,最高脉冲能量达到21.2 mJ。并且首次测量了乙烷对1.55 μm激光的吸收系数和吸收截面,它们分别是5.71×10^(-8) m^(-1)·Pa^(-1)和2.35×10^(-24)cm^(2)。

CO_(2)激光烧蚀对PI表面质量和能量吸收的影响规律

为了探究CO_(2)连续激光对聚酰亚胺(PI)薄膜加工工艺质量和能量吸收的影响规律,用连续激光器的不同功率和速率在PI薄膜上划出线段凹槽,采用单因素试验方法进行了理论分析和试验验证,且用超景深测量仪对凹槽表面进行测量,得到了扫描速率、激光功率对加工质量的影响规律,并对PI薄膜进行了图案烧蚀试验。结果表明,PI薄膜在激光功率为16W和扫描速率为25mm/s时发生穿透,且随着扫描速率的降低以及激光功率的增加,PI薄膜吸收能量增多导致图案完全穿透;设定扫描速度为50mm/s,功率在4~16W范围内变化时,PI薄膜表面颜色逐渐出现了黑色或者棕色条纹,此时表面产生了碳化,残留物较多;分别测量线段的宽度与深度,发现在激光功率为12W、扫描速率为50mm/s时,PI薄膜表面残留物最少,并且划线宽度数值为300.6μm,划线深度数值为44.65μm,加工效果最理想。

全光纤自相似锁模激光器实验及理论研究

在锁模光纤激光器中,本研究基于高集成度器件同时实现了泵浦耦合、光谱滤波和偏振相关隔离损耗,进而在1550 nm波段实现了自相似被动锁模脉冲输出。同时还搭建了全光纤放大器进行非线性增益管理放大,成功将自相似脉冲的10 dB谱宽从25.9 nm拓宽至52.6 nm,然后利用负色散光纤将脉冲宽度压窄至66 fs。最后,基于广义非线性薛定谔方程与激光速率方程的数值模拟,从理论上研究了激光器和光纤放大器的脉冲运转过程。模拟结果表明腔内的窄带滤波器和较长的正色散增益光纤是线性啁啾自相似锁模脉冲产生的必要条件,当自相似脉冲被光纤预压缩后,使用足够长度的正色散增益光纤可同时实现脉冲的自相似放大以及非线性增益管理放大,从而在全光纤结构中输出脉宽小于100 fs的锁模脉冲。

自相似锁模超短脉冲掺铒光纤激光器

设计并搭建了自相似锁模超短脉冲光纤激光器和掺铒光纤放大器,在种子源部分,利用自制的碳纳米管可饱和吸收体结合色散管理的方式,控制腔内净色散为微正色散产生了自相似抛物线型锁模脉冲,并以此作为种子源进行后续的功率放大和光谱展宽。光纤放大级采用的是双向泵浦的方式,通过高增益低色散的掺铒光纤将种子光充分增益后,得到输出功率39.51 mW、光谱宽度38.11 nm、放大增益20.65 dB的激光输出。最后,采用普通单模光纤对放大后的自相似锁模脉冲进行压缩,获得压缩后脉冲宽度283 fs的超短脉冲激光输出。

高光束质量平-凸谐振腔Nd∶YVO_(4)激光器

采用一种由878.6 nm激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YVO_(4)晶体,获得高光束质量的1064 nm脉冲激光输出。使用Matlab软件对晶体热透镜焦距进行模拟分析,并通过软件计算选取合适的平-凸谐振腔腔型,缓解热效应的同时获得最佳输出状态。泵浦功率为48 W时获得平均输出功率15.03 W的1064 nm连续光输出。通过磷酸钛氧铷(RTP)电光调Q的方式,在重复频率为10 kHz时获得了稳定的1064 nm脉冲激光输出,最大输出平均功率为8.78 W,动-静转化比为72.9%,脉宽为8.70 ns,光束质量因子为1.2。实验结果表明:利用波长878.6 nm作为泵浦源并采用平-凸谐振腔的方式,有利于缓解晶体的热效应、提高光束质量、获得基模脉冲激光输出。

面向复杂特征点云的高精高效配准方法

为满足工业生产对航空叶片精铸零件点云配准精度越来越高的需求,并提高配准的速度和精度,提出一种配准方法——组合裁剪迭代最近点(C-TrICP)。首先,使用曲率下采样算法对点云进行下采样,较好地保留原始点云的特征;然后,对裁剪迭代最近点(TrICP)算法进行改进,并与迭代最近点(ICP)及TrICP算法进行对比实验。结果表明:改进算法在各点云模型的配准上均能取得较好的结果,且相比于ICP算法,该算法对Lucy、Bunny及Blade点云的配准效率分别提高了43.03%、43.86%及30.09%,配准精度分别提高了57.90%、99.96%及62.50%,解决了ICP及TrICP算法较为耗时、迭代收敛速度慢的问题,提高了配准精度。最后,将改进算法应用于航空叶片轮廓曲面自测点云的配准上,也取得了较好的配准精度,说明该方法对复杂曲面精密加工的发展具有良好的理论意义和重要的工程应用价值。

面发射激光器的高速性能研究

为了简化工艺,提高面发射激光器的调制带宽与数据传输速率,采用多量子阱有源区设计、介质平面化工艺制备、氧化约束限制等方法,制备了一种发射波长为850 nm的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。工艺上采用低介电常数的聚酰亚胺(PI)进行平面化,而非高速VCSEL芯片上常用的苯并环丁烯,研究了基于PI胶平面化工艺的高速器件的寄生响应。结果表明,在低偏置电流下,具有3μm氧化孔径的VCSEL显示出最大调制带宽为25.2 GHz,谐振频率为24.3 GHz,寄生截止频率为13.2 GHz,调制电流效率因子为22.726 GHz/mA^(1/2),D因子为19.670 GHz/mA^(1/2),阈值电流和微分电阻分别达到0.27 mA和215.965Ω,最大光输出功率为0.9 mW;PI方案可用于调制带宽为25 GHz及以下的产品。这一结果对简化工艺、提高面发射激光器的数据传输速率具有一定的指导意义。

《半导体光电技术》专栏序言

半导体光电技术是与激光技术、光学工程领域密切相关的重要研究课题,对我国高新科技发展具有重大科学意义和战略价值。半导体光电技术近年来在我国受到了空前重视,取得了巨大进展,产生了一系列重要和重大的科研成果,显示了我国在半导体光电技术领域的科技实力和产业应用潜力。为了及时反映我国半导体光电技术的发展状况,促进广大科技工作者进一步做出更大成绩,《激光技术》出版了本期“半导体光电技术”专栏,报道国内半导体光电技术领域的重要进展和最新研究成果。