Author Affiliations
Abstract
1 CAS Key Laboratory of Quantum Information, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
2 CAS Center For Excellence in Quantum Information and Quantum Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
3 National Key Laboratory of ASIC, Hebei Semiconductor Research Institute, Shijiazhuang 050051, China
Mapping magnetic fields from different materials and structures can provide a powerful means for broad applications of activity probe and feature analysis. Here, we present a high-sensitivity and wide-bandwidth fiber-based quantum magnetometer at the scale of a few hundred micrometers. We propose a fiber-coupled diamond magnetometer. Tracking a pulsed optically detected magnetic resonance spectrum allows a magnetic field sensitivity of and a bandwidth of 2.6 kHz. Additionally, with an approach of coating the diamond surface with silver reflective film, both the fluorescence collection and excitation efficiency are significantly enhanced, and the sensitivity and bandwidth are expected to be further improved to and 4.1 kHz, respectively. Finally, this fiber-based quantum magnetometer is applied as a probe to successfully map the magnetic field induced by the current-carrying copper-wire mesh. Such a stable and compact magnetometer can provide a powerful tool in many areas of physical, chemical, and biological researches.
Photonics Research
2022, 10(9): 2199
Author Affiliations
Abstract
1 CAS Key Laboratory of Quantum Information, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
2 CAS Center for Excellence in Quantum Information and Quantum Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
The nonlinear fluorescence emission has been widely applied for high spatial resolution optical imaging. Here, we studied the fluorescence anomalous saturating effect of the nitrogen vacancy defect in diamond. The fluorescence reduction was observed with high power laser excitation. It increased the nonlinearity of the fluorescence emission, and changed the spatial frequency distribution of the fluorescence image. We used a differential excitation protocol to extract the high spatial frequency information. By modulating the excitation laser’s power, the spatial resolution of imaging was improved approximately 1.6 times in comparison with the confocal microscopy. Due to the simplicity of the experimental setup and data processing, we expect this method can be used for improving the spatial resolution of sensing and biological labeling with the defects in solids.
Photonics Research
2021, 9(1): 01000021
中国科学技术大学量子信息重点实验室, 安徽 合肥 230026
光学显微镜的出现为细胞等微观结构的研究打开了新的大门，然而衍射极限的限制使得更加精细的结构难以探测。近年来，一些充满创造性的方法突破了衍射极限，达到纳米级分辨率。氮-空位（NV）色心是金刚石中一种常见的发光缺陷，由于其具有明亮而稳定的发光性质和较长的电子自旋相干时间而被广泛应用于量子计算与量子测量中；同时，NV色心在超分辨成像技术中也发挥着巨大作用，通过与各种超分辨成像显微镜的结合，实现了对NV色心的纳米级分辨率成像，而且进一步实现高空间分辨率的量子传感。本文简单介绍了NV色心的结构与性质，以及各类成像技术的基本原理；对NV色心与超分辨成像结合的各项技术实验成果进行了归纳与比较，并对其应用进行了总结与展望。
成像系统 超分辨成像 衍射极限 NV色心 荧光显微镜 激光与光电子学进展
2017, 54(3): 030003
1 陕西科技大学环境科学与工程学院, 陕西 西安 710021
2 清华大学环境学院, 北京 100084
原子吸收光谱法（AAS）广泛应用于重金属分析检测领域, 优化测试过程的操作条件, 进而保障分析结果的稳定性和重现性, 直接关系到预期研究目标的有效实现, 建立精准的检测方法往往成为科学研究的首要任务。 以金盏菊为黄土区Pb/Cd复合污染修复植物, 采用湿法消解-AAS法测定金盏菊幼苗体内Pb/Cd含量, 分析所得结果初步揭示金盏菊幼苗对Pb/Cd的富集效应。 研究发现: 湿法消解-AAS法对Pb/Cd的检出限分别为0.104和0.007 mg·L-1, Pb/Cd回收率对应于94.33%～110.78%和97.73%～107.50%之间, 同一样品重复测定（6次）的相对标准偏差（RSD）波动于4.11%～4.75%（Pb）和1.11%～2.77%（Cd）, 表明该方法准确度较好, 精密度较高。 金盏菊幼苗对Pb的富集能力不强, 这可能与Pb的电负性、 植物生长周期较短及环境因子等因素有关; 但在黄土Cd浓度为50 mg·kg-1时, 金盏菊幼苗对Cd的平均富集量已达到104.85 mg·kg-1。 此外, 黄土Pb的共存一定程度上促进了金盏菊幼苗对Cd的吸收, 其间可能存在协同作用。 所建立的分析方法可以对金盏菊幼苗Pb/Cd含量进行有效检测, 预期能为后续研究提供技术支持和质量保障。
原子吸收光谱法 金盏菊 植物修复 黄土 Atomic absorption spectrometry (AAS) Lead Pb Cadmium Cd Calendula officinalis Phytoremediation Loess 光谱学与光谱分析
2016, 36(8): 2625
陕西科技大学环境科学与工程学院, 陕西 西安 710021
植物修复法是新兴的重金属污染土壤修复手段, 也是未来极富应用潜力的主流技术之一。 植物根部细胞壁作为重金属/土壤/植物相的交界面, 天然地成为修复效能调控过程的关键部位和信号通道。 植物细胞壁与重金属离子的作用行为具有物理化学和生理生化的双重属性, 但以光谱技术为切入点, 原位解析植物根部细胞壁对土壤重金属离子的响应关系还不多见。 以黄土区修复植物金盏菊幼苗为研究对象, 分析Pb/Cd复合胁迫对其根部细胞壁形貌的影响, 借助X射线荧光光谱(XRF)、 X射线衍射(XRD)、 傅里叶变换红外光谱(FTIR)和拉曼光谱(Raman)揭示细胞壁对Pb/Cd胁迫的响应信号。 结果发现: Pb/Cd胁迫导致金盏菊根部细胞壁弯曲萎缩, 表面分布若干点状深色沉积物颗粒; XRF证实细胞壁Pb/Cd含量增加, 但XRD图谱没有发现典型Pb/Cd结晶峰。 FTIR图谱中—OH振动峰定位于3 416 cm-1处, 表明Pb/Cd离子与—OH间可能存在配位键合; 1 701和1 593 cm-1处的特征峰分别移动到1 736和1 618 cm-1, 说明Pb/Cd胁迫改变了金盏菊根部细胞壁蛋白质结构属性。 Raman光谱中2 960 cm-1附近峰强增加, 暗示Pb/Cd胁迫影响了细胞壁纤维素分子排列方向。 可以认为, 细胞壁组分(果胶、 蛋白质、 纤维素等)和典型官能团(—OH, N—H, CO等)对于减缓Pb/Cd胁迫引起的金盏菊根部细胞壁毒害效应贡献较大。
细胞壁 红外光谱 拉曼光谱 Pb/Cd胁迫 金盏菊 黄土 Cell wall Fourier transform infrared spectra Raman spectra Lead/cadmium stress Calendula officinalis Loess 光谱学与光谱分析
2016, 36(7): 2076
1 陕西科技大学资源与环境学院, 陕西 西安 710021
2 清华大学环境学院, 北京 100084
制革工业是我国国民经济的传统产业, 制革废水已成为工业废水的重要组成部分。 现阶段对于制革废水的研究多关注于进水和出水的水质状况, 对于废水处理过程溶解性有机物(DOM)的转化规律和净化行为涉及很少。 通过紫外光谱和三维荧光光谱跟踪识别制革废水不同处理工段水体DOM的生成特性, 尝试建立总荧光强度与水质参数的线性关系。 结果表明: 废水DOM的吸光度随着紫外波长的增加先上升后下降, 最大吸收峰位于230 nm附近。 A253/A203比值和SUVA254的参数值先增大后减小, 暗示了废水游离取代基和芳环取代基种类和数量的变化。 废水原水荧光峰主要出现在λex/em=320～350/440～460和λex/em=270～300/390～420区域, 分别归属为可见光区类腐殖酸荧光峰和可见光区类富里酸荧光峰。 随着废水处理过程的进行, 相继检测到类腐殖酸荧光峰蓝移(水解酸化池)、 类色氨酸荧光峰(λex/em=290/340, 二级生化池)、 弱荧光峰(λex/em=350/520, 四级生化池)以及荧光特性趋于稳定(二沉池和出水口)等现象, 证实了废水有机物的降解特性和生成规律对荧光图谱的影响。 制革废水总荧光强度去除率与总有机碳去除率的线性关系更好, 相关系数r为0.835 5。 紫外光谱和荧光光谱能在一定程度上揭示制革废水的净化规律和机制。
制革废水 紫外光谱 三维荧光光谱 溶解性有机物 相关性 Tannery wastewater UV spectra Three-dimensional excitation emission matrix fluor Dissolved organic matter Correlation 光谱学与光谱分析
2015, 35(6): 1587
1 陕西科技大学资源与环境学院, 陕西 西安 710021
2 清华大学环境学院, 北京 100084
土壤污染已成为威胁全球人类生存的重大战略性问题。据统计, 中国至少有1/5的耕地受到重金属污染, 总面积达2 000万ha。由土壤污染引发的食品安全问题、人类健康问题、生态环境问题愈演愈烈, 污染程度有逐年加重的趋势。及时有效地治理污染土壤已成为学者们关注的重点。化学淋洗法是较为有效的污染土壤修复方法, 但土壤淋洗过程组分流失现象不可忽视, 因为这可能在去除土壤污染物的同时, 导致土壤肥力下降、理化属性改变或土壤生态功能的彻底丧失。土壤淋洗过程淋溶组分的光谱特性研究, 可以为污染场地修复工程提供决策参考, 对于恢复土壤生态功能具有重要的指导意义, 但目前来看这方面的研究还略显欠缺。本研究以乙二胺四乙酸(EDTA)为淋洗液, 通过异位柱淋洗实验研究铅/镉复合污染黄土淋洗过程中的组分淋失特性, 主要包括黄土盐基离子、黄土养分、粘土矿物和有机质。借助X射线衍射(XRD) 和扫描电镜 (SEM) 分析淋洗过程对黄土粘土矿物的影响, 同时跟踪识别淋洗液中可溶性有机质 (DOM) 的三维荧光光谱 (3D-EEM) 特性。研究表明: EDTA对污染黄土的淋洗过程能够造成组分淋失。淋洗过程结束的240 min时, EDTA对铅和镉最终淋洗率分别为49.86%和62.25%。盐基离子中的Na离子和黄土养分中的硝态氮最易淋失, 淋洗过程对黄土粘土矿物的影响基本可以忽略。反应前期(10 min) 淋洗液中最先出现的是类富里酸类物质(Eex/em=240～250/320～340, Eex/em=260～290/450~470);到淋洗中期 (60 min) 类胡敏酸类物质荧光峰(Eex/em=290~320/430~490) 开始出现, 同时类富里酸荧光峰(Eex/em=240/320)有减弱趋势;反应后期(120和240 min) 荧光峰强度均明显降低, 这反映了淋洗液中荧光组分组成特性差异。光谱联用技术可以有效表征污染黄土淋洗过程淋失组分特性差异。
黄土淋洗 淋失组分 复合污染 光谱特性 Loess washing Leaching component Co-contamination Spectrum characteristics
1 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室, 武汉 430079
2 武汉大学计算机学院, 武汉 430079
针对传统融合空间和光谱特征方法仅使用单一空间特征, 并未充分利用其双高分辨率的特点, 提出了一种基于纹理特征和形态学特征融合的高光谱影像分类方法.首先利用传统主成份分析变换降低高光谱影像的维数, 消除空间相关性, 然后对每一主成分采用灰度共生矩阵提取纹理特征, 获得扩展纹理特征, 最后结合形态学特征和部分光谱特征进行高光谱影像的分类.实验证明, 本文提出的方法能更好地克服传统光谱特征分类的局限性, 提高高光谱影像的分类准确度.
主成分分析 形态学特征 纹理特征 高光谱 灰度共生矩阵 Principle component analysis Extend morphological profile Texture feature Hyperspectral Gray level co-occurrence matrix
1 武汉大学 计算机学院, 武汉 430072
2 武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室, 武汉 430072
本文提出了一种高光谱图像降维的判别流形学习方法.针对获取的大量遥感对地观测数据存在大量冗余信息的特点, 引入改进的流形学习方法对高光谱遥感数据进行降维处理, 以提高遥感图像自动分类的总体准确度.该方法充分利用遥感图像自动分类中训练样本的判别信息, 将输入样本的类别信息加入到常规流形学习方法的框架中, 从本质上提高输出的特征在低维空间中的判别力.同时, 引入线性化模型以解决流形学习方法中常见的小样本问题.对高光谱遥感图像自动分类的实验表明, 基于判别流形学习的高光谱遥感图像自动分类方法能够显著地提高图像分类准确度.
流形学习 高光谱降维 分类 Manifold learning Hyperspectral dimensional reduction Classification
