计算光学成像实验教学设计——以基于空间光调制器的计算鬼成像实验为例

依托东北大学秦皇岛分校计算光学成像实验室,设计了“基于空间光调制器的计算鬼成像实验”教学案例。在实验内容方面采用了基础—应用—创新的层次化设计思路,在教学实践方面引入了现代化的实验手段和方法,在平台建设方面整合了软硬件开发资源。实验案例教学有助于学生了解计算光学成像的前沿发展动态,培养学生的实践创新能力和专业综合素质。

基于碳点的小型自校正比率荧光光纤铬(Ⅵ)传感器

荧光比率传感探针检测方法能够克服环境(如样品基质、猝灭剂等)和仪器等外部因素影响,得到更加可靠的检测结果。本文合成用于组成比率型荧光纳米探针的两种荧光碳点(CDs),在365 nm紫外光的激发下,这两种碳点分别在440 nm和570 nm处具有荧光发射峰,且对Cr(Ⅵ)具有相反的响应。通过水凝胶将比率荧光探针包覆在设计的光纤尖端上,能够实现Cr(Ⅵ)浓度的在线检测。利用飞秒激光微加工系统制作的齿形光纤结构,有利于荧光探针的激发和传感器荧光的收集。为进一步降低传感器成本、缩减传感器体积,采用低成本的LED灯珠作为激发光源。采用比率荧光探针包覆,克服LED灯珠光源稳定性差的缺点,使传感器可以实现自校正。实验表明,即使光源强度波动较大,该传感器连续7次测量的相对标准偏差(RSD)仅为3.1%。在0~200μM范围内,该传感器对Cr(Ⅵ)具有良好的线性关系,检出限(LOD)为0.9μM。该传感器能够应用于实际样品中Cr(Ⅵ)的检测,说明该传感器的具有实用性和可靠性。

空心微瓶腔回音壁模式谐振的调谐方法及应变传感特性

提出了一种双柄空心微瓶腔结构,利用微纳光纤耦合激发出了回音壁模式(WGM)谐振,通过控制轴向拉伸应变,实现了回音壁模式的谐振波长和品质因子Q的调谐,通过非对称拉锥的方式改变微腔结构,增大了双柄微腔结构轴向拉伸对腔长和壁厚的改变量,从而使谐振波长的调谐范围达到了0.66 nm。所提结构在激光器、滤波器和传感检测等应用方面具有实际意义。实验中进一步探究了非对称双柄回音壁模式微腔的应变传感特性,结果表明,WGM谐振峰对轴向拉伸应变的灵敏度可达0.795 pm/με,分辨率小于25με,线性度达0.999。由于回音壁模式谐振腔具有极窄的谐振峰,该传感方法能够实现更高的传感分辨率,为高分辨率应变传感提供了新思路。

基于D型光纤光斑图的折射率传感特性研究

本文设计并制备了一种单模-D型-多模光纤结构,利用光纤传导模式间的干涉以及D型光纤的非对称结构,获得对外界变化响应极其灵敏的光斑图,并基于纹理特征算法解调出光斑的特征值,由特征值与折射率之间的一一对应关系实现折射率传感。对传感特性的研究中,从仿真与实验的角度讨论了不同抛磨长度、抛磨深度对传感特性的影响,仿真与实验结果均表明,抛磨长度2 mm和抛磨深度18μm参数的D型光纤结构折射率传感特性最佳,仿真与实验结果一致,证明了研究方法的正确性以及D型光纤光斑传感器进行折射率传感的可行性。实验中,能量值(EN)折射率测量灵敏度最高可达-1.86/RIU,拟合度达到0.964,相关性值(COR)折射率检测灵敏度最高可达-0.23/RIU,拟合度达到0.979。由于光斑检测的分辨力极高,因此,该方法为高分辨力折射率测量提供了很好的思路。

面向血管芯片微通道的红细胞形变学研究

由于红细胞具有双凹形结构和较好的超弹性响应,其能通过大尺度的拉伸和收缩变形穿梭于细长的毛细血管,为维持人体生命活动所需的氧气承担了重要输运工作.本文采用COMSOL有限元软件,依托流-固耦合模块进行了红细胞在不同粗细血管､血浆黏度,以及血液流速等关键影响因素的动态模拟.通过仿真计算可知红细胞能够轻松通过3μm孔径的毛细血管,相比6μm孔径的毛细血管承受了4.5倍的流体剪切力.同时5.5 mPa·s黏度的血浆诱使红细胞形成降落伞形状,并且中间凹陷结构消失逐渐沿着流速方向水平凸出.本文对T型和Y型微通道的流速进行了研究,两者的仿真结果都指出非对称流体环境使红细胞形成镰刀弯钩形状.另外,较高流速的支路通道在汇聚口较快诱发红细胞弯钩形状消失,逐渐演变为呈直杆形平躺流动.

基于双电场叠加效应的诱导电荷电渗调控方法

为了从多种细胞群体中提取纯净细胞群或者从复杂的样本中提取所需成分,提出了一种基于双电场叠加效应的诱导电荷电渗调控新方法,研究诱导电荷电渗漩涡的重塑机理及其颗粒操控性能.首先,建立多物理场耦合仿真模型并研究双电场叠加作用下诱导电荷电渗漩涡的非对称演变机理.其次,设计并加工颗粒操控器件,搭建颗粒操控实验系统.然后,研究不同电压下非对称诱导电荷电渗漩涡对单种颗粒的聚集和纵向偏移特性.最后,研究非对称诱导电荷电渗漩涡对不同颗粒的聚集和分离特性.结果表明:此方法能够以简单的控制方式实现微尺度颗粒的聚集、偏移和分离,其在环境检测、疾病诊断领域方面具有巨大的应用潜力.

在纤式回音壁模式微球谐振腔及其传感特性

提出一种在纤式回音壁模式微球谐振腔,并对其温度和折射率传感特性进行研究。首先,分析了不同尺寸的微球腔与光纤结构耦合时的相位匹配情况,以锥形光纤为探针来拾取并移动钛酸钡微球,将其嵌入空心光纤,形成在纤式谐振腔结构,从而在微球中激发回音壁模式,并与空心光纤端面的反射光相互作用,产生法诺共振。实验结果表明,激发的法诺共振峰曲线的斜率高达-99.3 dB/nm。另外,通过实验证明了此结构对温度和折射率均具有较好的传感特性,灵敏度分别为26.8 pm/℃和-244.97 dB/RIU。该谐振腔性能稳定、结构紧凑、加工简单,在纤式的反射结构使其有望在复杂的传感环境中发挥作用。

一种微粒相互作用及其介电泳动力学仿真新方法

采用有限元法进行粒子电极化强度的计算,以此得到对应的介电泳力和次级介电泳力.粒子的极化强度依托软件COMSOL Multiphysics 5.3a的AC/DC模块计算得到,粒子追踪模块用于实现介电泳力、次级介电泳力、流体力,以及排斥力的粒子动力学仿真.AC/DC模块和粒子追踪模块的多物理场耦合新方法能够满足正、负介电泳效应的粒子运动分析和研究,且粒子轨迹与常用的粒子仿真算法的运算结果有较高的相似性.同时仿真结果还表明,为了更准确地预测实验观测结果,粒子承受金属电极形成的正、负介电泳效应需要考虑次级介电泳力.

自适应人工蜂群优化极限学习机在拉曼光谱血液定量分析中的应用

提出了一种基于自适应差分进化人工蜂群优化极限学习机预测血液各组分浓度的方法。首先应用人工蜂群算法对输入权值和隐含层阈值迭代寻优;其次结合差分进化进一步提高模型精度且避免后期易陷入局部最优等问题;由于差分进化算法交叉率和变异率存在凭经验给定的不确定性,最后引入了自适应调整的思想提出自适应差分进化人工蜂群算法优化极限学习机算法的模型,将其应用于血液成分定量分析中。实验表明,自适应差分进化人工蜂群算法优化的极限学习机模型具有较高的预测精度,模型具有较强的稳健性。

流-固-电多物理场耦合模型的红细胞流变学研究

红细胞(red blood cell,RBC)受到流体应力发生机械形变的研究越发成熟,但在结合电场、声场、光场或热力场等多物理场的研究依旧不足.通过COMSOL有限元软件建立了流-固-电(流场、固体场和电场)的3场物理耦合模型,对球形和正常RBC 2种不同形状的RBC分别进行迁移模拟研究.与流-固耦合模型相比,发现电场形成的电渗流使细胞运动迁移时,球形细胞受到的von Mises应力高于正常细胞.电渗流效应形成180μm/s的流速导致RBC变为卷曲“C”形姿态,因形状差异,球形和正常RBC在遇到针尖障碍物时的旋转方向不同.针对本文提出的多物理场耦合模型,两种细胞运动轨迹的差异显示了电渗流对不同形状细胞实施空间分离的可行性.