1 华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
2 湖北光谷实验室，湖北 武汉 430074
介绍了无线通信和涡旋电磁波的基本概念及相关技术，详细回顾了近年来基于涡旋电磁波的无线通信技术实验研究进展，包括微波涡旋电磁波通信、太赫兹涡旋电磁波通信、中红外涡旋电磁波通信、近红外涡旋电磁波通信和可见光涡旋电磁波通信等。同时，介绍了卫星涡旋激光通信技术的理论研究进展以及拓展结构光（如贝塞尔光和矢量光等）通信在抵抗障碍物和湍流影响方面的实验研究进展。最后也讨论了涡旋电磁波无线通信技术的挑战与展望。多频段和多维度融合的涡旋电磁波及拓展结构化电磁波，可以为多场景、跨尺度、大容量、远距离、高鲁棒性的无线通信提供潜在解决方案，也有望应用于未来卫星通信中。
无线通信 自由空间光通信 轨道角动量 涡旋电磁波 结构化电磁波 卫星通信 激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706001
1 华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
2 湖北光谷实验室，湖北 武汉 430074
回顾了水下轨道角动量（OAM）模式光通信的研究进展，简要介绍了OAM模式的原理和产生、测量方法，全面综述了水下OAM模式的多种光通信方式（编码、复用、广播）以及涉及空水界面的光通信和快速自动对准辅助的光通信，同时介绍了水下其他结构光通信和基于OAM模式的复杂介质光通信。讨论了该领域的未来发展趋势。作为一种空间结构光场，将OAM模式引入水下光通信可开发空间新维度资源，为光通信可持续扩容提供新途径，提高无线光通信在水下短距互连的优势；OAM模式与水下传统通信方式及水下感知技术相结合，有望更好地满足未来高速海洋环境通信和高效海洋资源开发的发展需求。
光通信 水下无线光通信 轨道角动量 结构光 空间维度 光场调控
1 上海科技大学物质科学与技术学院，上海 201210
2 中国科学院上海高等研究院基础交叉研究中心，上海 201210
3 中国科学院大学，北京 100049
合成孔径技术是一种能够有效实现超分辨成像的技术。目前的合成孔径成像技术大多以标量衍射理论为基础，但当成像目标的尺寸小于波长时，标量衍射理论中的近似与假设不再成立。因此，本团队在高斯光束照明条件下，以更为严格的耦合波理论为基础，分析了亚波长光栅的合成孔径成像技术。通过模拟仿真280 nm周期、140 nm线宽的一维矩形光栅的合成孔径成像，分析了光栅有界情况下，模式个数对光栅重构的影响以及恢复光栅结构所需的最少模式个数。接下来讨论了标量衍射理论相对于耦合波理论可能产生的误差。分析了照明光以±90°入射的理想情况下对光栅进行合成孔径成像的最小分辨率，并认为其仅与波长有关，可分辨的光栅周期最小为λ/2，线宽分辨率为λ/4。本文为合成孔径技术在亚波长光栅中的应用提供了更严格的理论基础。
全息 合成孔径成像 亚波长光栅 严格耦合波分析 超分辨成像 中国激光
2022, 49(24): 2406001
1 中国科学院上海高等研究院基础交叉研究中心, 上海 201210
2 中国科学院大学微电子学院, 北京 100049
超分辨荧光显微技术一直是研究热点,各种超分辨荧光成像技术的出现打破了光学衍射极限,将空间分辨率提高到纳米尺度。但随着时间、空间分辨率要求的不断提高,目前超分辨荧光显微技术仍然面临着空间分辨率、时间分辨率和视场存在三角制约关系及探测灵敏度较低的问题。随着近年来基于量子关联的新型成像机制的发展,基于荧光量子特性与量子关联成像的超分辨荧光显微镜应运而生,新成像模式及新物理量的引入不仅增加了信息量也提高了图像信息获取的效率,为超分辨荧光显微技术的研究提供了新思路。介绍了目前超分辨荧光显微镜的技术原理、优缺点与面临的主要技术问题,以及基于量子关联的新型超分辨荧光显微镜,并探讨了未来超分辨荧光显微镜的发展方向,以期为该领域的科学研究提供参考。
成像系统 荧光显微镜 超分辨显微镜 量子关联 探测灵敏度 时间分辨率 激光与光电子学进展
2021, 58(10): 1011012
1 上海大学理学院物理系, 上海 200444
2 中国科学院上海高等研究院宏观量子中心, 上海 201210
超分辨荧光成像实验的分辨率和成像质量与实验过程中收集到的荧光分子光子数和背景噪声有着密切的关系。为了实现低光子数、高背景光下的快速超分辨荧光显微成像,利用所提卷积神经网络算法实现了对极低信噪比信号的恢复,并结合重构网络进行了超分辨成像。结果表明:利用该方法可以实现荧光信号在低信噪比下的有效恢复,峰值信噪比可达27 dB,明显优于同类的其他两种算法。该方法还可以配合Deep-STORM重构网络在低信噪比下实现快速的超分辨成像。重构结果的归一化均方误差为7.5%,分辨率相较其他算法有明显提升。实验条件下的重构结果验证了该方法的能力,为弱信号下的荧光快速超分辨成像提供了可行方案。
显微 超分辨 深度学习 弱信号 中国激光
2020, 47(10): 1007002
Author Affiliations
Abstract
1 Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Shanghai Advanced Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201204, China
4 e-mail: wuyanqing@zjlab.org.cn
5 e-mail: tairenzhong@zjlab.org.cn
High-resolution lens-coupled indirect X-ray scintillator imagers are required by many imaging applications. However, the severe weakening of image details prevents its further performance improvement. Through our research, this image degradation is attributed to the broadband loss of the high-spatial-frequency information caused by the high refractive index. A technique known as high-spatial-frequency spectrum enhanced reconstruction is thus proposed to retrieve this information. A two-dimensional high-density array is covered on the scintillator’s exit surface and operates as an encoder based on which high-frequency information can be shifted to the low-frequency region to improve the signal-to-noise ratio. The experimental results show that the middle-high-frequency signal intensities can be increased by an order of magnitude or more, up to times. Therefore, the image details can be effectively enhanced to break through the performance bottleneck of such widely used X-ray imagers for synchrotron radiation facilities or tabletop X-ray tubes.
Photonics Research
2020, 8(7): 07001079
1 上海大学 上海先进通信与数据科学研究院 特种光纤与光接入网重点实验室，上海 200444
2 中国科学院 上海高等研究院，上海 201210
为了发展能够同时兼顾超分辨、快速成像和视场的荧光显微镜，以促进其在活细胞或微观动态过程成像的应用，将压缩感知应用到超分辨荧光显微镜中，利用投影梯度稀疏重构算法对单帧荧光宽场图像重构，并进行了理论分析、仿真和实验验证。结果表明，该方法能够突破光学衍射极限，成像分辨率达到180nm，相比衍射极限提高1.8倍。此结果说明压缩感知能够实现单帧宽场超分辨荧光显微成像，相比现有的方法在成像速度上有巨大的提升。
显微 超分辨 压缩感知 投影梯度稀疏重构算法 microscopy super-resolution compressed sensing gradient projection for sparse reconstruction
1 中国科学院上海高等研究院 宏观量子研究中心, 上海 201210
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 上海科技大学 物质科学与技术学院, 上海 201210
以溴化铅、溴化铯为原料, 通过化学气相沉积法(CVD)在Si/SiO2衬底上制备得到全无机钙钛矿CsPbBr3微米棒。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对CsPbBr3微米棒的晶体结构、形貌和组分进行表征, 并通过光致发光光谱(PL)对样品的荧光偏振特性进行了测试。测试分析表明, 制备的CsPbBr3微米棒具有三角形截面, 长度为15~25μm可控, 形貌规则, 结晶质量高, 沿[001]方向结晶生长, 室温下为立方相晶体结构; 微米棒样品展现出良好的偏振依赖荧光发射, PL光谱呈现出180°偏振周期性变化, 发射荧光偏振度为0.30, 光电场限域效应是产生偏振荧光的主要机制。
CsPbBr3钙钛矿 微米棒 光致发光光谱 偏振各向异性 CsPbBr3 perovskite microrods photoluminescence spectrum polarization anisotropy
1 上海大学理学院物理系, 上海 201900
2 中国科学院上海高等研究院宏观量子现象与应用研究中心, 上海 200120
利用表面增强拉曼散射(SERS)技术可增强金属表面某些位置(热点)的电场强度。选定Ag纳米颗粒二聚体这一金属纳米结构体系,研究其作为超分辨SERS成像基底的可行性。采用时域有限差分(FDTD)法,计算分析Ag纳米颗粒二聚体在不同波长和偏振方向的激发光作用下的电场分布特点。结果表明:Ag二聚体的电场分布具有高度局域化的特点,并且Ag二聚体中热点的电场强度可由激发光的偏振方向调控,这使其可以作为实现超分辨SERS成像的基底。
表面光学 Ag二聚体 时域有限差分(FDTD)法 表面增强拉曼散射(SERS) 超分辨成像 激光与光电子学进展
2019, 56(20): 202412
1 中国科学院上海光学精密机械研究所激光与光电子功能材料中心, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院上海高等研究院宏观量子现象与应用中心, 上海 201210
4 中国科学院化学研究所光化学实验室, 北京 100190
利用开环态双光子吸收转化荧光光谱、荧光淬灭光谱等探究了二芳基乙烯的光学记录特性及参数, 得到其非线性吸收系数为3.46×10-13 m/W, 双光子吸收转化的阈值功率密度为107.36 GW/cm2, 荧光淬灭的阈值功率密度为2.89 GW/cm2。基于所得到的测试参数, 理论计算出其在超分辨光存储中的分辨率可达60.0 nm, 并设计了一种基于二芳基乙烯的双光子双光束超分辨光存储信息记录和读出方法。研究结果表明, 二芳基乙烯具有光诱导-光抑制、非线性吸收及荧光淬灭等特性, 是一种优异的超分辨光存储备选材料。
材料 光数据存储 光学分辨率 超分辨光学记录 光诱导-光抑制 二芳基乙烯
