基于TDLAS技术的井下多组分气体浓度监测(特邀)

采用可调谐半导体激光吸收光谱技术分析了气体浓度与谐波强度之间的关系,并设计了多组分气体长距离输送系统对矿山有害气体进行远程实时监控,实现千米外对矿井环境内多种气体的实时浓度监测。在理论推导的基础上,对矿井中可能出现的一氧化碳气体(CO)、二氧化碳气体(CO_(2))、甲烷气体(CH_4)和乙烯气体(C_(2)H_4)四种气体进行了标定,获得了浓度标定曲线及检测下限,检测下限均可达到10^(-4)以下。对甲烷气体标定得到的线性相关系数R达到0.99554,检测下限为2.2×10^(-6),探测的稳定度为0.137%。在矿井应用中,长时间监测结果与矿方所拥有的气体检测系统检测到的数据变化趋势一致,随机抽取样本与第三方检测结果误差在5%以内。该多组分气体监测系统具有准确度高、监测限低和稳定性好等优点,可为矿山气体安全提供可靠的数据支持。

闪烁体光束准直光学系统设计

为更好地实现对闪烁光的高效率收集和高质量准直,提升探测效果,便于进行后续的闪烁体光束控制或偏转等实验,分别提出了同轴光束准直系统和离轴光束准直系统,设计优化了该系统中的自由曲面透镜、二次曲面反射镜等器件的参数。采用光学软件LightTools对闪烁体光束准直系统进行仿真。结果表明:所设计的同轴光束准直系统和离轴光束准直系统均能有效地实现对闪烁光的准直,其中自由曲面透镜离轴反射镜系统将光束发散角从±40°压缩为±5°,光能利用率可达96%以上,光束角内光能利用率达83%以上,实现了对光束传播方向的调控,提高了闪烁光的收集效率。

金属镜面上纳米光学天线阵列自发辐射增强与定向辐射

本文提出一种金属镜面上纳米光学天线阵列结构,天线采用金纳米立方体,单个点辐射源位于天线和金镜面之间的纳米间隙内.天线和金镜面之间的纳米间隙支持间隙表面等离激元,能够增强自发辐射速率;同时,周期排布的纳米天线支持表面晶格共振(surface lattice resonance,SLR),通过适当设计阵列周期,可实现沿垂直于基底方向的远场定向辐射.本文结合阵列扫描法(array scanning method,ASM)和全波严格数值方法,计算了辐射源的自发辐射速率.对于远场辐射强度角分布的计算,本文给出了互易定理方法的严格表述和证明过程,该证明过程不同于已有文献中的证明过程,对于无限大周期结构具有更严格的适用性,或者具有更低的计算量.本文提出的天线结构和设计方法可用于指导设计高速、高亮度、定向辐射光源.

基于准连续域束缚态的全介质超构表面双参数传感器

本文设计了由不对称半圆柱对阵列组成的全介质超构表面,获得了两个高品质因子的准连续域束缚态模式(quasi-bound states in the continuum,QBIC).通过选择不同形式的对称破缺,在近红外频段均可产生两个稳健的QBIC,并且二者的谐振波长、品质因子、偏振依赖等表现出不同的特性.模拟计算表明,通过测量两个QBIC的谐振波长,能够实现折射率和温度的双参数传感;通过调节不对称参数,利用QBIC的品质因子依赖于不对称参数的二次方反比关系,理论上能够提高品质因子到任意的数值,从而实现传感性能的提升和调节.该超构表面的折射率传感灵敏度、品质因子和优值分别达到194.7 nm/RIU,45829和8197,其温度传感灵敏度达到24 pm/℃.

基于自适应大气光值补偿的改进暗通道煤矿井下图像去雾算法(特邀)

视频监控是保障工业生产和人员安全的重要手段。但在一些特殊领域,监控图像常会受到粉尘散射的影响而产生雾化现象、导致图像质量退化。此外,由于这些生产环境在照明、目标景物方面具有特殊性,常用的暗通道去雾算法存在色彩偏移、过暗、光晕等现象。以煤矿井下监控图像为目标,针对井下粉尘、水雾导致图像模糊、照度低、色彩信息不丰富的问题,提出一种改进的快速暗通道算法。该算法对大气光值进行基于像素自身颜色信息的自适应补偿校正,以减小色偏的产生,并针对井下图像提出了自拟合的亮度和饱和度增强函数。除对井下图像进行处理外,还将该算法用于常用去雾图像数据集,结果表明该算法对多种场景在有效去雾的同时很好地矫正了色偏及光晕现象,并提高了亮度和色彩饱和度。该算法为井工煤矿等产业以及生活场景的去雾提供了一种新的手段。

煤矿井下散射环境雾化图像的气室仿真方法

在粉尘环境中,井下监控图像会出现雾化退化现象,而在井下难以进行环境控制实验开展图像雾化的研究。因此,文章利用相对平均梯度定义图像雾化程度、分析了井下粉尘粒径构成、提出了井下粉尘配比方法、设计并搭建仿真气室模拟井下雾化图像。结果表明:利用平均梯度定义的雾化程度优于其他常用评价参数,其评价结果与人眼判断结果相符,而井下图像的雾化退化程度可以达到80%,此时图像的细节信息基本被雾化影响所掩盖;井下粉尘样本的测试结果显示:99%的井下粉尘粒径小于30μm,粒径小于10μm的粉尘的粒子数占比约为93%;利用仿真气室生成的雾化图像不仅可以涵盖井下图像雾化程度范围,相较于雾化算法生成的结果,具有更准确地模拟粉尘下的光散射扩散效果的优点。

利用深度学习扩展非接触扩散光学层析成像系统中探测器的动态范围

非接触式扩散光学层析成像(Diffuse Optical Tomography,DOT)技术和传统DOT技术相比具有更高的空间采集密度,系统中探测器的动态范围对实验结果有很大的影响。通过仿真和实验研究了探测器动态范围过小对重建结果的影响,并提出了一种利用深度学习拓展探测器动态范围的方法。在NIRFSAT软件包中设置不同的吸收散射的仿体及入射光场参数,批量生成训练样本,搭建全连接网络进行模型训练,并利用该模型修复仿真和光学实验条件下探测器获得的数据。实验数据修复及重建结果表明,该模型修复了低动态范围探测器获得的数据,将探测器的动态范围从256扩展到109。该方法能够有效地减小探测器动态范围过小带来的重建误差,为使用普通低动态范围探测器进行非接触式DOT提供了一种有效的技术解决方案。

基于太赫兹光谱的物质检测研究进展(特邀)

近年来,太赫兹光谱因其独特的生物安全性、指纹光谱性和良好的穿透性等特性而受到广泛关注。介绍了近几年太赫兹光谱技术在物质检测方面的研究进展,首先介绍了太赫兹光谱技术的基本原理,然后概述了太赫兹光谱技术在气体物质、固体物质和液体物质中的检测应用。最后,对太赫兹光谱技术在物质检测中的发展趋势进行了展望。

电离辐射调控二维材料物性的机理与应用(特邀)

在后摩尔时代,二维材料因其在高性能光电集成器件中的潜力而成为研究的焦点。尽管这些材料展现出优异的物理性能,但其在极端环境下的稳定性和可靠性,尤其是电离辐射对其性能的影响,仍是一个未被充分解决的问题。深入探讨了电离辐射对二维材料微观结构和物性的影响,揭示了辐射引起的缺陷和掺杂如何改变材料的电学、光学和机械特性。强调了辐射类型和能量在决定二维材料器件性能中的重要性,指出适当的辐射参数可以提升材料性能,而过量辐射则可能导致性能下降。通过精确控制辐射参数,可以实现对二维材料性能的有效调控。还详细讨论了辐射处理后的二维材料在光刻和光传感等技术领域的应用,并对未来在空间探索、能源和国防等领域的应用前景和挑战进行了展望。

金属基底上光学偶极纳米天线的自发辐射宽带增强:表面等离激元直观模型

本文提出一种具有宽波段自发辐射增强性能的金属基底上光学偶极纳米天线,实现的总辐射速率与远场辐射速率增强因子分别达到5454和1041,在近红外波段,自发辐射增强(Purcell因子超过1000)波长范围达到260 nm,并且能够实现远场定向辐射.为了阐明天线性能背后的物理机制,本文考虑天线臂上表面等离激元激发和多重散射的直观物理过程,基于Maxwell方程组第一性原理,建立了一个半解析模型,能够全面复现天线的辐射特性,包括总辐射速率、远场辐射速率、远场辐射方向图等.该模型提供了一个直观的物理图像,即在模型导出的两个相位匹配条件下,表面等离激元在天线臂上形成了一对Fabry-Perot共振获得增强,然后传播到纳米间隙内点辐射源位置和散射到自由空间,由此分别提高了总辐射速率和远场辐射速率.并且,这一对Fabry-Perot共振产生了一对相互靠近的谐振峰,由此形成了宽波段自发辐射增强.本文提出的偶极纳米天线可以应用于荧光增强、拉曼散射增强及高速、高亮度纳米光源等领域,所提出的模型可用于光学天线的物理理解和直观设计.

基于纳米印刷技术的双螺旋太赫兹可调超表面

由人工构造超表面所制成的电磁器件能够实现太赫兹频段的滤波、调控、传感、探测等功能,对太赫兹波在通信、成像领域的应用至关重要.基于纳米印刷技术设计制备了一种柔性透明双螺旋超表面,并利用该超表面构建了一款太赫兹旋转可调滤波器,通过旋转超表面实现太赫兹波透射率的有规律调谐.在旋转90°后,0.52 THz处的透射率由8%增至67%,而0.92 THz处的透射率由68%降至3%,实现调制深度大于88%的主动调控.并且,所提出的纳米印刷超表面具有超薄、柔性、可见光透明的优良性质,有利于太赫兹可调器件的小型化、轻量化及大面积制备.

基于双层金属光栅的高消光比高透过率太赫兹偏振器

本文设计了一种基于双层金属亚波长光栅的太赫兹偏振器,其可以实现高透过率和良好消光比的特性.该偏振器是通过微加工技术在薄石英衬底的上下表面上制备而成的.实验和模拟结果均表明,双层金属光栅具有与单层金属光栅相近的透过率、更高的偏振度和更高的消光比.在0.3~2.0 THz的频率范围内,测量的透过率在83.4%到62.7%之间,偏振度大于99.7%,消光比大于29 dB.此外,设计的两种双层金属光栅偏振器件成功地应用于太赫兹时域光谱(TeraHertz Time Domain Spectroscopy,THz-TDS)系统中,获得了超过96.2%的偏振度和超过17.1 dB的消光比.通过调整金属亚波长光栅的参数(例如间距、线宽和金属膜厚度),可以进一步提高透过率、偏振度和消光比等特性.

高能量掺镱飞秒激光多薄片非线性压缩的数值模拟

对高能量掺镱激光器进行腔外压缩,是获得高能量少数周期脉冲的重要方式。通过数值模拟研究了单脉冲能量为250 mJ,波长为1 030 nm的高能量掺镱激光器通过固体多薄片介质进行非线性脉冲压缩的过程,及介质周期、厚度对频谱展宽的影响。在优化频谱展宽条件的过程中发现,不超过介质损伤阈值的情况下,固体薄片组的周期和厚度对频谱展宽具有正向影响。通过选取合适的介质厚度及周期,激光频谱通过熔融石英介质进行展宽,最终输出的光谱带宽达229 nm,补偿色散后,激光脉冲由500 fs压缩至16.2 fs,压缩比达到30。研究结果为实现高能量激光脉冲的非线性压缩提供了理论参考。

矢量像差理论在成像系统像差补偿中的应用(特邀)

随着应用光学领域的蓬勃发展,对于成像光学系统的像质需求越来越高。自由曲面的多设计自由度使其具有优异的像差补偿能力,常被用于高效像差补偿器件,而设计出具有良好像差补偿效果的自由曲面是提升系统像质的关键。这里基于矢量像差理论,介绍了一种针对成像系统像差补偿的Zernike型自由曲面设计方法。并以望远偏心系统作为实例,利用所提出方法设计了该系统的像差补偿自由曲面,并借助空间光调制器开展实验研究。仿真与实验结果均表明,所提出方法能够得到有效补偿望远偏心系统像差的自由曲面,像差补偿后光斑尺寸降低至补偿前的43.9%,其像差补偿效果优于传统标量像差理论优化法设计结果,该方法在自由曲面成像系统设计方面具有一定的应用研究价值。

基于偏振敏感光学相干层析术的脑胶质瘤成像

脑胶质瘤是一种侵袭性的恶性原发性脑肿瘤,术中准确区分胶质瘤和正常脑组织极具挑战性。基于高分辨偏振敏感光学相干层析术(PS-OCT)对正常小鼠脑和胶质瘤模型小鼠脑进行成像,计算了强度、累积相位延迟和累积光轴信息。结果表明,从PS-OCT图像中可以清楚地显示出鼠脑中的纤维结构及其取向;借助PS-OCT图像中丰富的偏振信息,可以准确区分鼠脑胶质瘤区和正常区;基于计算的光轴标准差可以有效区分胶质瘤和正常脑组织。研究结果表明,高分辨PS-OCT在脑组织成像及脑胶质瘤识别方面具有很大的临床应用潜力。

三次谐波显微成像在肿瘤诊断中的应用进展

三次谐波源于强脉冲激光照射样品时产生的三倍频光响应,可对生物组织实现无标记、亚细胞量级分辨率、近乎实时的成像。通过与二次谐波信号和双/三光子荧光信号相结合,三次谐波显微成像可在肿瘤术中揭示肿瘤组织的典型病理特征信息,比如细胞增生与血管增生等,从而为医生判断肿瘤边界进而做出肿瘤组织彻底切除与否的决策提供实时帮助。本文阐述了三次谐波显微成像的基本原理,讨论了它在肿瘤术中诊断方面的应用,探讨了基于三次谐波的小型化便携术中诊断仪器,并总结了三次谐波内窥成像的发展现状,这些内容的讨论有望推动三次谐波成像技术的临床化。

基于四瓣高斯飞秒激光的多丝阵列产生与调控

基于亥姆霍兹波动方程和非线性传输波动方程,模拟了四瓣高斯飞秒激光在空气中线性传输和非线性传输的光强空间分布,以期获得规则的多丝阵列稳定传输。研究结果表明,当初始入射激光功率相对较强时,基于四瓣高斯飞秒激光光束可获得规则的多丝阵列产生。通过改变初始束腰半径和光束阶数,实现对光丝阵列间距的调控。光丝阵列间距大于背景能量池尺寸时,光丝阵列将稳定传输且间距保持不变;小于背景能量池尺寸时,多丝相互融合进而形成稳定的单丝。当初始入射激光功率相对较弱且大于自聚焦阈值功率时,将会出现多次自聚焦现象,最终形成稳定的单丝传输。该研究提供了一种产生二维规则飞秒激光光丝阵列的方法,将为基于飞秒激光多丝阵列的实际应用,如太赫兹波增强、空气激光增强、遥感探测、微波通道以及微粒捕获等,提供理论依据。

金属-介质-金属多层结构可调谐Fabry-Perot共振及高灵敏折射率传感

顶层透光、底层不透光的金属-介质-金属多层结构可以产生窄带完美吸收共振,用于测量介质层待测液体的折射率变化.本文通过构建Fabry-Perot共振解析模型,准确复现了该结构的响应光谱,给出了其共振波长、品质因子、半高全宽和灵敏度的解析表达式,并分析了介质层厚度对光谱的谐振波长和线宽的调谐机制,明确了其物理机理.基于8阶Fabry-Perot共振的金属-介质-金属多层结构,用于折射率传感时的品质因子及优值分别达到2162.8和1648.1 RIU-1.针对极小的折射率扰动,通过在奇异点状态叠加Fabry-Perot共振的调谐机制,提出了通过测量奇异点波长处反射系数的增加量或散射矩阵本征值的分裂量,实现对待测液体折射率的可调谐式传感的方案.Fabry-Perot模型解析结果显示,当待测液体的折射率变化为10-4 RIU时,基于8阶Fabry-Perot共振的金属-介质-金属多层结构的前向反射系数增加量和本征值分裂量分别达到0.319和1.1279.

三角形金属纳米粒子的光力特性研究

基于麦克斯韦应力张量理论,对多边形金纳米粒子在聚焦场下的光力特性进行了研究。以三角形金纳米粒子为例,从粒子在聚集场中的受力情况出发,分别研究了具有圆对称能量分布的聚焦场和具有三角形能量分布的聚焦场对三角形金纳米粒子的捕获特性。研究结果表明,当使用圆对称聚焦场时,可对边长为50~350 nm的三角形金纳米粒子实现稳定捕获;当使用三角形聚焦场时,在粒子以和聚焦场形状匹配的角度进入聚焦场的情况下,可对边长为100~350 nm的三角形金纳米粒子实现稳定捕获。将圆对称聚焦场和三角形聚焦场对三角形金纳米粒子的捕获特性进行比较,发现三角形聚焦场在x方向的捕获力要强于圆对称聚焦场;而在y方向,三角形聚焦场对粒子的捕获范围要大于圆对称聚焦场。该工作研究了三角形的金属纳米粒子在不同形状聚焦场下的光力捕获特性,为基于非球形金属粒子的光学操纵在拉曼光谱超分辨成像、粒子微加工等领域的应用奠定了理论基础。

口腔癌筛查与诊断的影像学技术及发展趋势

目前,口腔黏膜病的筛查和诊断主要依靠临床医生的目视观察和触诊,组织病理学仍然是口腔癌诊断的金标准.目视观察、触诊和组织病理学方法都存在不同的局限性.近年来,随着影像学技术的不断发展,X射线计算层析、核磁共振、超声、荧光、光声、光学相干层析等技术逐渐被应用于口腔黏膜病的成像研究.不同影像学技术的成像原理、成像能力及性能各不相同,在口腔癌的筛查与诊断中可以发挥不同的优势,具有极大的临床应用潜力.本文主要总结了现有影像学技术在辅助口腔癌筛查和诊断中的研究进展,分析了它们的临床适用性,并预测了口腔癌筛查与诊断影像学技术未来的发展趋势.