Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, Department of Precision Instrument, Tsinghua University, Beijing 100084, China
2 Cole Eye Institute, Cleveland Clinic, Cleveland, Ohio 44195, USA
Brillouin microscopy, which maps the elastic modulus from the frequency shift of scattered light, has evolved to a faster speed for the investigation of rapid biomechanical changes. Impulsive stimulated Brillouin scattering (ISBS) spectroscopy has the potential to speed up measurement through the resonant amplification interaction from pulsed excitation and time-domain continuous detection. However, significant progress has not been achieved due to the limitation in signal-to-noise ratio (SNR) and the corresponding need for excessive averaging to maintain high spectral precision. Moreover, the limited spatial resolution also hinders its application in mechanical imaging. Here, by scrutinizing the SNR model, we design a high-speed ISBS microscope through multi-parameter optimization including phase, reference power, and acquisition time. Leveraging this, with the further assistance of the Matrix Pencil method for data processing, three-dimensional mechanical images are mapped under multiple contrast mechanisms for a millimeter-scale polydimethylsiloxane pattern immersed in methanol, enabling the identification of these two transparent materials without any contact or labeling. Our experimental results demonstrate the capability to maintain high spectral precision and resolution at a sub-millisecond integration time for one pixel. With a two-order improvement in the speed and a tenfold improvement in the spatial resolution over the state-of-the-art systems, this method makes it possible for ISBS microscopes to sensitively investigate rapid mechanical changes in time and space.
Photonics Research
2024, 12(4): 730
Author Affiliations
Abstract
1 Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Wuhan 430074, China
2 Biomedical Engineering Department, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
3 RAYQUANT Technology Co., Ltd., Ezhou 436044, China
4 RAYSOLUTION Healthcare Co., Ltd., Hefei 230000, China
5 RAYMEASURE Technology Co., Ltd., Suzhou 215000, China
6 RAYCAN Technology Co., Ltd., Suzhou 215000, China
7 College of Computer Science and Software Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China
Modern scintillator-based radiation detectors require silicon photomultipliers (SiPMs) with photon detection efficiency higher than 40% at 420 nm, possibly extended to the vacuum ultraviolet (VUV) region, single-photon time resolution (SPTR) < 100 ps, and dark count rate (DCR) < 150 kcps/mm2. To enable single-photon time stamping, digital electronics and sensitive microcells need to be integrated in the same CMOS substrate, with a readout frame rate higher than 5 MHz for arrays extending over a total area up to 4 mm × 4 mm. This is challenging due to the increasing doping concentrations at low CMOS scales, deep-level carrier generation in shallow trench isolation fabrication, and power consumption, among others. The advances at 350 and 110 nm CMOS nodes are benchmarked against available SiPMs obtained in CMOS and commercial customized technologies. The concept of digital multithreshold SiPMs with a single microcell readout is finally reported, proposing a possible direction toward fully digital scintillator-based radiation detectors.
silicon photomultiplier complementary metal-oxide semiconductor digital SiPM 
Chinese Optics Letters
2024, 22(2): 020021
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Electronic Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
2 State Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Technologies, School of Physics, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China
Virtual reality (VR) and augmented reality (AR) are revolutionizing our lives. Near-eye displays are crucial technologies for VR and AR. Despite the rapid advances in near-eye display technologies, there are still challenges such as large field of view, high resolution, high image quality, natural free 3D effect, and compact form factor. Great efforts have been devoted to striking a balance between visual performance and device compactness. While traditional optics are nearing their limitations in addressing these challenges, ultra-thin metasurface optics, with their high light-modulating capabilities, may present a promising solution. In this review, we first introduce VR and AR near-eye displays, and then briefly explain the working principles of light-modulating metasurfaces, review recent developments in metasurface devices geared toward near-eye display applications, delved into several advanced natural 3D near-eye display technologies based on metasurfaces, and finally discuss about the remaining challenges and future perspectives associated with metasurfaces for near-eye display applications.
metasurface near-eye display virtual reality augmented reality 3D display 
Opto-Electronic Science
2023, 2(8): 230025
作者单位
摘要
1 东北农业大学资源与环境学院, 黑龙江 哈尔滨 150030
2 北京市农林科学院植物营养与资源环境研究所, 北京 100097
3 东北农业大学资源与环境学院, 黑龙江 哈尔滨 150030北京市农林科学院植物营养与资源环境研究所, 北京 100097
当前水土流失问题严重, 侵蚀环境下土壤生态系统的健康至关重要, 而植被覆盖具有固碳保水的作用, 利用人工径流设备与人工降雨设备, 在6°有无植被种植坡地模拟降雨(暴雨: 50 mm·h-1), 结合三维荧光光谱技术耦合平行因子法, 分析土壤不同坡位径流液中的溶解性有机质(DOM)的来源和组分结构, 探究DOM对土壤固碳保水的响应关系。 结果表明: ①与裸地相比, 植被覆盖下不同坡位DOM中泥沙含量、 可溶性碳(DOC)含量呈现相同的变化趋势: 地上径流>壤中流>地下径流; 土壤侵蚀量和径流量的变化趋势分别为: 壤中流>地下径流>地上径流, 地下径流>壤中流>地上径流。 ②根据荧光指数分析, FI与BIX的表征结果基本一致, 地上径流DOM来源受内源物代谢影响最大, 其次是壤中流, 地下径流影响最小, 植被覆盖与裸地相比腐殖化来源由内源转变为内源、 外源共同作用。 腐殖化系数(HIX)与径流液腐殖化程度成正相关关系, 植被覆盖下的HIX指数大于裸地的HIX指数, 表明径流液腐殖化程度地上径流>壤中流>地下径流, 因此植被覆盖可以提高径流液腐殖化程度。 ③平行因子分析表明, 不同径流液DOM包括4种荧光组分: 类胡敏酸(C1: Ex/Em=260/455 nm)、 紫外类富里酸(C2: Ex/Em=240/395 nm)、 类色氨酸(C3: Ex/Em=230~275/335, 230~275/400 nm)及类酪氨酸(C4: Ex/Em=215/395 nm)。 ④对不同处理荧光强度与Fmax值分析发现, 有植被覆盖处理的Fmax值均大于裸地, C1、 C2和C4组分的Fmax值变化趋势一致: 地上径流>壤中流>地下径流, C3组分的Fmax值变化趋势: 地上径流<壤中流<地下径流。 植被覆盖影响土壤中类胡敏酸和类蛋白质物质, 对土壤侵蚀起到保护作用, 保护幅度: 地上径流>壤中流>地下径流。 ⑤相关分析表明径流量、 侵蚀量、 泥沙含量相互呈正相关, 而C1和C4组分与径流量和侵蚀量呈显著负相关。 基于此, 根据坡面降雨径流DOM荧光光谱特性, 植被覆盖通过改变土壤中的有机质组分, 类胡敏酸和类蛋白质物质的稳定性和含量对土壤固土保水有重要作用。
坡面径流 溶解性有机质 荧光光谱 平行因子分析 Slope surface runoff Dissolved organic matter Fluorescence spectra Parallel factor analysis 
光谱学与光谱分析
2023, 43(6): 1921
作者单位
摘要
1 哈尔滨学院, 黑龙江省寒区湿地生态与环境研究重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150086
2 北京市农林科学院植物营养与资源环境研究所, 北京 100097
3 东北农业大学资源与环境学院, 黑龙江 哈尔滨 150038
溶解性有机质(DOM)是土壤中活跃的有机成分, 其来源和组成可指示土壤腐殖化程度及与外部环境间的相关关系。 为科学地监测与评价湿地土壤环境质量, 采集黑龙江省碾子山雅鲁河国家湿地公园内不同植被条件下的表层(0~20 cm)土壤, 应用三维荧光光谱-平行因子分析法, 测定DOM荧光光谱, 并进一步分析土壤理化指标对DOM组成的影响。 结果表明: 5种植被类型(包括9种群系)条件下土壤DOM腐殖化指数在2.562~9.052之间, 落叶阔叶林和落叶阔叶灌丛土壤腐殖化程度高于草甸, 其次为沼泽, 水生植被最低; 荧光指数介于1.407~1.586, 土壤DOM来源兼具外生源和自生源特征, 落叶阔叶林和芦苇[Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud.]沼泽表现为明显的外生源特征, 而水生植被及稗[Echinochloa crus-galli (L.) P. Beauv.]沼泽具有明显的自生源特征; 生物指数在0.482~0.662范围内, 新近自生源贡献率均较低。 土壤DOM中识别出3类5种有机组分, 类腐殖质(紫外类富里酸和可见类富里酸)相对比重最大, 外生源特征明显的土壤样品中含量多; 其次为类蛋白质(类酪氨酸和类色氨酸), 自生源特征较强的土壤样品中含量多; 类腐殖酸(胡敏酸)最低, 多存在于旱生-中生环境中。 土壤含水量、 pH值、 总有机碳含量对DOM组成具有显著或极显著的影响, 3项理化指标与类蛋白质含量成正相关, 与类腐殖质含量成负相关, 含水量、 总有机碳含量与类腐殖酸含量成负相关。 总体上看, 在该湿地公园内, 落叶阔叶林、 落叶阔叶灌丛土壤偏弱酸性, 含水量、 总有机碳含量低, 腐殖化程度高, 外生源特征明显, 类腐殖质和类腐殖酸含量高, 其次为草甸及沼泽植被, 而水生植被条件下土壤近中性, 含水量、 总有机碳含量高, 腐殖化程度低, 自生源特征明显, 类蛋白质含量高。 本研究结果可为以该湿地公园为代表的北方寒区永久性河流湿地土壤环境质量监测与评价提供基础数据。
三维荧光光谱 溶解性有机质 湿地土壤 植被 Three-dimensional fluorescence spectroscopy Dissolved organic matter Wetland soil Vegetation 
光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1517
作者单位
摘要
1 深圳大学 计算机与软件学院, 广东 深圳 518060
2 深圳北理莫斯科大学 电子与计算机工程系, 广东 深圳 518172
3 季华实验室, 广东 佛山 528251
4 中国科学技术大学 电子工程和信息科学学院, 合肥 230026
5 华中科技大学 生物医学工程学院, 武汉 430074
SAR ADC每个转换周期的大部分时间被分配给ADC的量化操作, 而只剩下少量的时间用来进行信号采样。在短时间内完成高精度的采样, 需要前级电路具有更大驱动能力, 同时要求ADC的采样开关具有更低的导通电阻。提出了一种交替采样结构, 可以在不减少ADC量化时间的前提下, 使得SAR ADC的采样时间等于量化时间, 由此极大地降低ADC驱动电路的功耗。本文采用上述技术基于Fujitsu 55 nm工艺, 实现了40 Msps 10 bit的异步SAR ADC, 测试显示ADC有效位可达97 bit。
逐次逼近转换器 交替采样 混合切换 successive-approximation-register time-interleaved sampling hybrid switching 
微电子学
2023, 53(3): 366
柳启航 1,2,*何明霞 1,2赵晋武 1,2李岩 1,2
作者单位
摘要
1 天津大学测试计量技术及仪器国家重点实验室,天津 300072
2 天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津 300072
龋病是发病率最高的口腔疾病,也是全世界最流行的疾病之一。太赫兹光谱成像技术因具有宽频带光谱分析能力强、空间分辨率高、电离辐射低等优势,有望成为龋病诊断的新技术手段。本文以含牙本质龋的牙齿切片为研究对象,进行反射式太赫兹光谱扫描,以频域幅值为参数对样品的光谱数据做二维重构成像,获得多幅不同频率下的龋齿太赫兹光谱图像。为了解决单一参数所得的龋齿太赫兹图像动态范围小、对比度低,边缘和细节位置模糊不清的问题,采用小波梯度域重建的融合方法,将多幅图像中梯度幅值较大的部分集中于一幅图像上,得到了一幅细节特征更加清晰完整的新图像。实验结果表明,融合后的图像相较于融合前的图像在信息熵、平均梯度以及对比度上均有所提高,不同组织之间的区分效果更加显著。
龋齿检测 太赫兹光谱成像 小波梯度域重建 图像融合 caries detection, terahertz image, gradient domain 
红外技术
2023, 45(8): 890
作者单位
摘要
1 山东高速建设管理集团有限公司, 济南 250002
2 山东高速工程检测有限公司, 济南 250002
3 山东高速济青中线公路有限公司, 潍坊 261599
4 东南大学土木工程学院, 南京 211189
利用足尺试验与有限元模型, 研究了采用聚氨酯(PU)材料制备的桥梁无缝伸缩缝的服役性能。首先, 制备了3种不同配合比的改性PU材料, 测试并对比了它们的初凝时间、拉伸强度、撕裂强度、硬度、路面附着力、吸水率、抗车辙及老化性能, 确定了最适用于桥梁无缝伸缩缝的最优PU配合比方案。然后, 采用所选的PU材料设计制作了4个足尺无缝伸缩缝试验件, 并建立了与之相匹配的有限元模型。最后, 通过对比分析试验实测与有限元计算结果, 表现出所设计的无缝伸缩缝在单轴拉伸/压缩、竖向变形及低周疲劳荷载工况下均能保持优异的服役性能。此外, 研究结果还表明在改性PU无缝伸缩缝与路面之间设置45°倾角可以显著改善受力状态, 避免接缝处早期开裂。
聚氨酯 无缝伸缩缝 足尺试验 疲劳性能 变形 有限元分析 polyurethane seamless expansion joint full-scale test fatigue property deformation finite element analysis 
硅酸盐通报
2023, 42(11): 3853
作者单位
摘要
中国电子科技集团第二十七研究所, 河南 郑州 450047
从光学工程应用的角度对全国云量情况进行了研究,重点分析了全国陆地主要地区云量总体平均情况、冷暖半年、昼夜变化等三个方面云量历史数据,研究结果表明:全国陆地主要地区总云量和低云量分布区域基本呈北少南多的情况;冷暖半年云量分布有较明显的差别,暖半年云量高于冷半年的站点区域占全国较大面积;昼夜云量分布区别主要体现在西部地区白天低云低值区会有中高云存在。在云量总体平均情况、冷暖半年、昼夜变化的分析基础上进而讨论了全国云量区域的分级情况,结果表明适合光学工程应用的1级区主要分在北方。结果有助于了解全国适于开展光学工程应用的区域,并可为进一步研究云量对光学工程应用产生的定量影响提供参考。
光学工程 云量级别 总云量 低云量 冷暖半年 昼夜变化 optical engineering cloud cover levels total cloud cover low cloud cover cold and warm of half year diurnal variation 
大气与环境光学学报
2023, 18(5): 445
作者单位
摘要
郑州航空工业管理学院 材料学院, 河南 郑州 450046
提出一种基于银纳米颗粒等离激元共振和耦合效应的彩色透明显示屏。对银颗粒优化设计,说明在红、绿、蓝三波段能够出现三个散射峰,可用于增强彩色显示性能;接下来,通过溶液热法制备出该屏幕;经投影仪对屏投影测试发现确实具有彩色、高透、高亮和宽视角。另外,研究发现在等离激元共振及耦合作用下,银颗粒在红、绿、蓝三个共振位置均具有偶极子的远场散射形貌,充分解释了显示屏高亮和宽视角的原因。提出的透明显示屏具有透明度和亮度高、观察视角宽、制备工艺简单、成本低等特点,在透明显示领域将有大的应用潜力。
物理光学 表面等离激元 等离激元耦合效应 彩色透明显示 physical optics surface plasmons plasmonic coupling effect full-color transparent display 
光学技术
2023, 49(3): 270

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