Resolution of ghost imaging with entangled photons for different types of momentum correlation

We present an analytical analysis of the spatial resolution of quantum ghost imaging implemented by entangled photons from a general, spontaneously parametric, down-conversion process. We find that the resolution is affected by both the pump beam waist and the nonlinear crystal length. Hence, we determined a method to improve the resolution for a certain imaging setup. It should be noted that the resolution is not uniquely related to the degree of entanglement of the photon pair since the resolution can be optimized for a certain degree of entanglement. For certain types of Einstein-Podolsky-Rosen(EPR) states——namely the momentum-correlated or momentum-positively correlated states——the resolution exhibits a simpler relationship with the pump beam waist and crystal length. Further, a vivid numerical simulation of ghost imaging is presented for different types of EPR states,which supports our analysis. This work discusses applicable references to the applications of quantum ghost imaging.

宽波段平场复消色差显微物镜设计

目前商品化的显微物镜的适用波段范围无法满足360~1000 nm波段范围的相关光子光斑的测量要求。从复消色差基础理论出发,研究了复消色差玻璃组合的选择方法,得到了二级光谱校正效果较好的玻璃组合。采用全球面折射式、无穷远校正的结构型式,设计出一款放大倍率为20倍、数值孔径为0.3、工作距离为10 mm、齐焦距为60 mm、视场为0.66 mm、工作波长范围为360~1000 nm的平场复消色差显微物镜。调制传递函数曲线在80 lp/mm处接近衍射极限,场曲校正满足平场的国际标准,其余成像指标也接近衍射极限。公差分析结果表明,该显微物镜满足设计和实际加工要求。

荧光寿命成像及其在生物医学中的应用

荧光寿命取决于荧光分子所处的微环境, 通过对样品荧光寿命的测量和成像可以定量获取样品的功能信息. 介绍荧光寿命成像(fluorescencelifetimeimaging, FLIM) 技术原理、实现途径、发展现状及其在生物医学中的应用. 提出一种基于皮秒扫描相机、梯度折射率微透镜阵列、棱镜分光光谱仪、飞秒钛宝石激光器和荧光显微物镜的新型五维荧光显微成像技术, 该系统具有多光谱分辨功能以及很高的时间和空间分辨率, 能够实现三维多光子荧光强度、光谱分辨强度和寿命测量, 将在高通量生化分析、组织鉴别、胞内生理学和荧光共振能量转移(fluorescenceresonanceenergytransfer, FRET) 等领域获得广泛应用.

面向乳腺肿瘤诊断的时域扩散荧光―光学层析成像系统

为了解决传统乳腺扩散光学层析成像可靠性低的问题,设计了一套基于多通道时间相关单光子计数的时域扩散荧光―光学层析成像系统.该系统采用32根同轴光纤均匀分布于组织体表面,作类似X射线层析工作方式的同层扫描,由此获得多角度下的时间分辨投影.通过测量不同仿体,应用相应的迭代图像重建算法,获得了可靠的重建结果.研究表明,该系统工作可靠,是进行乳腺肿瘤早期诊断研究的理想模式之一.

傅里叶变换的多光子关联成像理论的研究

首次从理论上提出了利用非相干光场(经典热光场)在无透镜的情况下,得出高阶干涉光的三阶关联函数解析式,并证明了非相干光场通过傅里叶变换,完全能够实现多光子的关联成像.

基于电容分割的光子计数成像探测器读出阳极优化设计及仿真

本文提出了一种基于电荷电容分割位置分辨原理的光子位置读出阳极,能够大幅提高该类探测器的空间分辨率和光子计数率。首先,介绍了影响现有光子计数成像探测器成像性能的关键因素,分析了采用电容分割位置分辨方法的优势;其次,对电荷电容分割原理展开了理论推导,分析了光子位置与阳极读出信号变化的空间位置的相关性;再次,在理论推导的基础上,分析了电容分割读出阳极相关物理参数对其空间位置分辨能力的影响;然后,提出了电容分割位置分辨阳极的优化设计原则,并设计了一种新型的基于电容分割的二维光子位置读出阳极。最后,利用有限元仿真工具COMSOL建立了该电容阳极的模型,进行了位置分辨原理仿真,并评估了空间分辨的准确性。仿真结果表明:阳极的位置分辨误差小于50μm,中心区域的位置分辨误差小于5μm,阳极的位置分辨性能优良。

基于时间相关单光子计数的荧光寿命成像技术

采用时域法中的时间相关单光子计数方法记录荧光寿命,时间相关单光子计数采用多波长通道同时记录荧光光子数,可以提高计数效率和信息量,还可以在稳态图像中分离不同荧光团,形成4维图像。并采用多光子激发技术,利用长波长光源发出的两个或多个光子可以激发出一个短波长的光子。多个光子必须几乎同时到达激发点,才能提供被激发分子足够的能量以产生荧光。多光子激发波长较长,生物组织对其散射减小,因而可以穿透到更深层的组织,从而提高荧光成像深度和空间分辨力,并减少对活体样品的损伤。

量子光谱成像技术及其在对地观测中的应用前景

综述了量子光谱成像技术的发展概况,简述了量子光谱成像原理的理论,详细介绍了纠缠双光子源的鬼成像,亚波长干涉以及热光的无透镜成像和热光的非定域双缝干涉实验及其原理。最后对量子光谱成像技术在未来的军用和民用对地观测的应用方面做出了展望。

基于微波光子的复杂景观三维场景重构设计

传统方法重构效果差,为了解决这一问题,提出基于微波光子的复杂景观三维场景重构设计方法。运用微波光子的DOM数据获取方法,获取景观三维场景重构基础数据。根据摄影测量原理,匹配未标定影像。完成上述操作后,设计景观三维场景重构流程,通过形态筛处理图像、估计景观三维场景参数、拆分和纹理映射这4个步骤,重构景观三维场景。由此,完成基于微波光子的复杂景观三维场景重构设计。实验结果表明,所提方法的重构效果较好、效率较高,最长重构用时未超过15 s,说明该方法在重构的过程中,对特征点进行了高度的匹配。

时域光学拓扑成像方法的模拟和实验研究

针对现有的以修正的朗伯-比尔定律(modified Lambert-Beer law,MLBL)为理论模型的光学拓扑方法存在量化度不准确的问题,提出了一种基于最小二乘拟合算法的时域光学拓扑成像方法.该方法利用时域扩散方程在半无限空间条件下的解析解和测量曲线实现最佳匹配以计算相邻的源点与探测点之间的待测组织吸收系数变化值.对该时域光学拓扑成像方法进行了一系列的模拟验证,并以基于时间相关单光子计数(time-correlated single photon counting,TCSPC)技术的多通道时间分辨测量系统为平台进行了实验验证.结果表明:所提出的最小二乘拟合算法总体上优于传统的基于经验值光程的MLBL方法.

细胞研究的光学显微成像

介绍了在细胞及亚细胞结构与功能研究中发挥至关重要作用的各种现代光学显微镜,包括近场显微镜、共焦扫描显微镜、双光子成像显微镜、图像恢复显微镜及时间相关单光子计数技术,着重描述了后两种系统的工作原理及先进功能。

基于偏振的时间相关单光子计数成像实验研究(特邀)

采用时间相关单光子计数技术的激光雷达具有更高的灵敏度,而利用偏振探测技术可以增加对目标的识别能力。搭建了基于偏振检测的时间相关单光子计数成像系统,对不同材质、相同和不同深度的目标进行了成像。结果表明,在单脉冲回波光子数0.04个的情况下,能够利用偏振探测方法获得目标回波的偏振信息,且对比强度图像和深度图像,偏振图像中目标的边缘更加清晰。

单光子激光雷达的时间相关多深度估计

单光子激光雷达广泛应用于获得三维场景的深度和强度信息。对于多表面目标,如激光经过半透明表面上时,一个像素上探测到的回波信号可能包含多个峰。传统方法在低光子或相对较高的背景噪声水平下无法准确估计多深度图像。因此,提出了一种单光子激光雷达时间相关多深度估计方法。该方法利用信号响应的时间相关性,对点云数据进行多深度快速去噪,能够从背景噪声中识别每个像素上来自多个表面的信号响应。并基于该信号响应集合的泊松分布模型,通过全变分正则化引入像素之间的空间相关性,建立多深度估计成本函数。使用快速收敛的交替方向乘子算法从成本函数中估计深度图像。实验结果表明,所提方法在距离约为1 km处的多深度目标上,相较于常规方法估计深度图像的均方根误差减少了至少27.05%,信号重建误差比提高了至少18.39%,同时数据量减少至原来的4%。证明该方法能够以更小的内存需求和计算复杂度提高单光子激光雷达的多深度图像估计性能。

改进型DIC技术在静压桩模型试验中的应用

目前数字图像匹配(digital image correlation, DIC)技术在岩土工程领域中的应用越来越广泛.在室内模型试验中采用DIC分析技术可实现对沉桩过程中桩周土体位移的测量,进而对桩周土体位移分布规律进行研究.但是位于桩-土界面处的薄层土厚度较小,其位移无法利用DIC技术进行测量,因此对DIC分析技术进行改进,可记录并计算桩-土界面土体位移场情况,从而研究沉桩过程中压桩速度和桩端深度对桩-土界面土体位移的影响规律.研究结果表明,桩体贯入时桩-土界面土体位移的规律可分为初始阶段和稳定阶段,初始阶段土体位移表现为急剧增大然后迅速减小,而稳定阶段土体位移在0 mm附近波动.总体来说,在砂土中压桩,桩-土界面土体随桩体贯入发生的位移较小.在同一桩端深度处,压桩速度越快,桩-土界面土体位移越大;当压桩速度相同时,桩体贯入深度越深,桩-土界面土体累计位移越大,稳定阶段反弹位移越小.研究结果对进一步揭示桩-土相互作用机理和桩-土界面受力变形机理具有一定的参考价值.

基于关联光子对的双缝量子成像实验

双缝量子成像实验利用参量下转换过程产生的光子之间的关联性,扫描双缝量子成像.通过采集光子符合计数,绘制扫描位置和光子符合计数关联图,在一维方向重现双缝.根据实验采集数据和绘图结果计算双缝缝间距.

一种基于LSTM神经网络的荧光寿命还原算法

为解决宽寿命范围内荧光寿命成像效果不佳的问题,提出了一种基于长短时记忆神经网络的荧光寿命还原算法。该算法采用具备时序记忆功能的长短时记忆神经网络来实现对时间相关单光子计数的荧光寿命衰减直方图的特征提取,利用深度学习技术进行荧光寿命衰减信息的学习。采用网格搜索法选取神经网络模型的超参数并进行模型的训练和测试,以1~100 ns荧光寿命进行预测的精确度作为评价标准,选取最优模型进行荧光寿命还原,最终实现宽寿命范围的荧光寿命成像。蒙特卡罗仿真结果表明,所提出的还原算法在1~90 ns的荧光寿命范围内的还原准确度可达95%,与质心法相比可还原的荧光寿命范围提升了4.5倍,与最小二乘法相比有更高的长荧光寿命还原精度,同时还原速度提高了8倍。该算法适用于不同应用领域的精确时域荧光寿命成像。

单光子探测器阵列级读出电路与接口显示系统

采用0.18μm CMOS工艺设计了一种用于单光子探测器的紧凑型阵列级读出电路,利用两次相关双采样(CDS)技术,有效消除了像素单元与读出电路中的固定模式噪声。仿真结果表明:在3.3 V电源下阵列级读出电路的线性输出范围达到2.8 V,读出时间为80 ns,具有面积小、成本低、读出速度快等优势。此外还设计并实现了一种基于ARM的模拟图像采集与显示系统。测试结果表明:该系统能够优质还原输入的模拟图像信号。

量子纠缠与经典关联在双光子关联成像中的作用

关联成像引起了人们广泛的兴趣,特别是,二阶关联成像是一种纯粹的量子效应还是也可能是一种经典效应还存在争议。本文分析了三种关联成像方案,其中前两种方案中用经典关联和量子纠缠的双光子光源都能成像,而第三种只能用量子纠缠的双光子光源才能成像。对比发现,纠缠双光子同时存在动量和坐标两个自由度上的关联,在三种成像方案中都可用作光源。而经典关联的双光子不具有动量和坐标的双重关联,而仅仅存在其中一种关联(经典关联),关联成像的方式也因此受到限制。

一种基于光子计数激光雷达的去噪方法

光子计数激光雷达具有灵敏度高、时间分辨率好、功耗低的优点。在低信噪比的情况下,直接计算被测目标的距离会引入较大误差。分析了信号光子和噪声光子在时间相关性上的差异,提出了一种去噪方法。实验结果表明,该方法能够减小测距误差,改善成像质量。

时间相关单光子计数记录快速荧光寿命图像(英文)

基于时间相关单光子计数(TCSPC)的荧光寿命成像(FLIM)的获取时间取决于成像的图像尺寸、样品寿命的精度及样品计数率.对于高密度荧光团样品,如染色组织或植物细胞,当前可用的样品计数率与TCSPC荧光寿命成像技术最高的计数率接近.该文描述了在高计数率下TCSPC性能,并估计计数损失及堆积效应.结果表明,整个体系的寿命误差比预料的要小.因此, TCSPC FLIM可在获取时间低于1s的情况下记录寿命图像.为增加FLIM时间序列记录,利用存储交换技术,在采集下一个光子期间读取正在记录的数据,使用两个平行TCSPC模块,可以每秒两幅图像记录荧光寿命时间序列.该技术可应用于活体植物组织叶绿素的瞬态测量.