Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Modern Optics, Tianjin Key Laboratory of Micro-scale Optical Information Science and Technology, Nankai University, Tianjin 300350, China
2 Nanophotonics Research Centre, Institute of Microscale Optoelectronics & State Key Laboratory of Radio Frequency Heterogeneous Integration, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China
Cell identification and sorting have been hot topics recently. However, most conventional approaches can only predict the category of a single target, and lack the ability to perform multitarget tasks to provide coordinate information of the targets. This limits the development of high-throughput cell screening technologies. Fortunately, artificial intelligence (AI) systems based on deep-learning algorithms provide the possibility to extract hidden features of cells from original image information. Here, we demonstrate an AI-assisted multitarget processing system for cell identification and sorting. With this system, each target cell can be swiftly and accurately identified in a mixture by extracting cell morphological features, whereafter accurate cell sorting is achieved through noninvasive manipulation by optical tweezers. The AI-assisted model shows promise in guiding the precise manipulation and intelligent detection of high-flux cells, thereby realizing semi-automatic cell research.
AI algorithm cell identification and sorting optical tweezers microfluidic chip Chinese Optics Letters
2023, 21(11): 110009
Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Modern Optics, Eye Institute, Nankai University, Tianjin 300350, China
2 Tianjin Key Laboratory of Micro-scale Optical Information Science and Technology, Tianjin 300350, China
3 Tianjin Key Laboratory of Optoelectronic Sensor and Sensing Network Technology, Tianjin 300350, China
The effects of turbulence intensity and turbulence region on the distribution of femtosecond laser filaments are experimentally elaborated. Through the ultrasonic signals emitted by the filaments, it is observed that increasing turbulence intensity and an expanding turbulence active region cause an increase in the start position of the filament and a decrease in filament length, which can be well explained by theoretical calculation. It is also observed that the random perturbation of the air refractive index caused by atmospheric turbulence expands the spot size of the filament. Additionally, when the turbulence refractive index structure constant reaches , multiple filaments are formed. Furthermore, the standard deviation of the transverse displacement of filament is found to be proportional to the square root of the turbulent structure constant under the experimental turbulence parameters in this paper. These results contribute to the study of femtosecond laser propagation mechanisms in complex atmospheric turbulence conditions.
femtosecond laser filamentation turbulence Chinese Optics Letters
2023, 21(11): 110004
1 上海理工大学太赫兹技术创新研究院，上海 200093
2 南开大学现代光学研究所，天津 300350
3 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
飞秒激光成丝辐射太赫兹波兼具宽频带和高强度特性，其物理机制研究已成为近年来的前沿课题。在此领域，本课题组发现太赫兹波沿激光等离子体光丝被限制在亚波长空间尺度内进行传输，即“太赫兹波空间强束缚效应”，并据此提出了能够全面阐述太赫兹波辐射机理的三过程模型，为统一当前主流宏观与微观理论、化解相关文献中重要结论的矛盾奠定了基础。本文以太赫兹波空间强束缚效应为中心，综述了本课题组近年来的一系列研究工作，包括实验探测技术、物理机理解释及多项创新应用等，并对未来的工作进行了展望。
中国激光
2023, 50(17): 1714010
1 南开大学现代光学研究所，天津 300350
2 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室，天津 300350
3 北京空间机电研究所，北京 100094
针对使用光纤光谱仪探测远距离宽光谱弱信号的应用需求，基于成像光学与非成像光学的混合设计方法，设计了大口径菲涅耳透镜聚光系统。系统由直径为1.1 m的菲涅耳透镜、匀光棒、全反射准直器和中继透镜组组成，接收端为直径为2 mm、数值孔径为0.22的光纤束。大口径菲涅耳透镜具有质轻体小的优点，解决了传统大口径透镜体积大质量大的问题。由匀光棒和全反射准直器组成的非成像光学元件后组可减小由菲涅耳透镜口径增大引起的球差和宽光谱色差，使光信号能量分布更加均匀且出射角度减小；中继透镜组进一步控制光束发散角和光斑尺寸，使光信号在光纤束端面高效率耦合，提高系统的光能利用率。仿真和实验结果均表明，所设计的后组系统能够减小像差影响，有效控制光束发散角度和光斑尺寸，提高光能利用率，满足光纤光谱仪对远距离宽光谱弱信号进行光谱探测的需要。
遥感 光学设计 聚光系统 大口径菲涅耳透镜 非成像光学理论 光能利用率
1 南开大学电子信息与光学工程学院现代光学研究所，天津 300350
2 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室，天津 300350
3 北京空间机电研究所，北京 100094
为满足激光雷达收集系统对远距离荧光信号探测要求，提出了一种基于多软件协同循环优化各环带面形的非球面环带菲涅耳透镜设计方法，并进行了透镜面形误差分析及透镜样件性能测试。利用该方法设计了一个直径为300 mm、焦距为670 mm的高收集效率菲涅耳透镜，使用LightTools软件对设计的菲涅耳透镜进行了光学仿真，收集效率可达52.2%。仿真和实验结果均表明：在400~950 nm光谱范围内，设计的菲涅耳透镜减小了透镜球差和色差对收集系统的影响，具有较高的能量收集效率，提高了系统光能利用率，满足系统性能指标要求。
非线性光学 光学设计 菲涅耳透镜 光丝激光雷达 收集系统 非球面透镜
1 北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室，北京 100871
2 南开大学现代光学研究所，天津 300350
3 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室，天津 300350
4 天津市光电传感器与传感网络重点实验室，天津 300350
飞秒激光成丝表征是光丝调控及应用的基础，成丝过程中光、声和热信号之间丰富的能量转换效应为利用声学和光学等方法探索和诊断光丝打开了大门。由于成丝过程中声波和荧光辐射微观物理机制的区别，两种信号与光丝物理参数之间的定量关系存在差异，然而目前仍缺乏两种方法的准确性对比研究。基于此，实验上通过研究脉冲能量对光丝空间分布的影响，系统对比了声学及荧光法两种光丝表征方法的异同。结果表明：两种方法都可以实现对光丝空间特征的表征，相比于荧光法，声学法对光丝起始和结束位置表现出更高的灵敏度，光丝内自由电子动能对光场强度的依赖性是造成差异的主要原因。
非线性光学 飞秒激光成丝 声学 荧光 空间特征 电子动能
1 南开大学软件学院，天津 300350
2 南开大学现代光学研究所，天津 300350
盐气溶胶是大气污染监测的重要对象。使用基于高功率超快激光的光丝诱导荧光光谱（FIFS）技术可以实现大气气溶胶的远距离快速定量分析，该技术有望成为下一代激光雷达的核心技术。用NaCl气溶胶模拟大气气溶胶污染物，针对自吸收效应导致光强与物质质量浓度偏离线性关系的问题，提出基于一维卷积神经网络的NaCl气溶胶质量浓度预测模型，并将其与多元线性回归模型、偏最小二乘回归模型、BP传播神经网络模型和定标曲线模型进行了对比实验。在各质量浓度（0.33~6.61 mg/m3）NaCl气溶胶全波段光谱数据集和特征波段光谱数据集上的实验结果表明：所提一维卷积神经网络模型在特征波段光谱数据集上的预测准确率为1，在泛化预测实验中的准确率为0.87，优于其在全波段光谱数据集上的结果，同时也优于其他模型。该模型对自吸收效应下的非线性定量分析具有良好的准确性和鲁棒性，为FIFS技术应用于大气气溶胶质量浓度预测分析提供了可靠的定量分析技术。
光谱学 光丝诱导荧光光谱 NaCl气溶胶定量分析 卷积神经网络
1 南开大学现代光学研究所，天津 300350
2 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室，天津 300350
3 天津市光电传感器与传感网络重点实验室，天津 300350
超快激光在透明介质传输中会导致长程无衍射传输的成丝现象。伴随着丰富的非线性光学效应，激光脉冲光谱会被极大展宽，覆盖从微波到紫外的超宽范围，被称为超连续谱。飞秒光丝辐射超连续谱具有宽光谱、高方向性和可调谐等优势，在吸收光谱检测、远程气体检测、脉冲压缩和少周期脉冲形成等领域中具有重要应用，近年来被广泛关注，并取得一系列研究成果。基于此，围绕飞秒光丝辐射超连续光谱，从物理机制到调控方法，系统梳理了该领域的研究历程及最新进展。
非线性光学 飞秒激光成丝 超连续谱产生 超连续调控
1 南开大学现代光学研究所，天津 300350
2 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室，天津 300350
针对飞秒激光远距离成丝系统所产生的像差，基于光学自由曲面较强的像差补偿能力，提出了在飞秒激光成丝系统中使用透射式自由曲面相位板补偿系统像差的方法。首先，在光学设计软件中对实际系统像差特性进行了仿真建模。然后，对透射式自由曲面相位板进行了优化设计，优化后系统的像差得到了有效补偿，飞秒激光光斑质量得到了改善。最后，对优化设计后的自由曲面相位板进行了公差分析，并利用加工后的透射式自由曲面相位板开展了实验研究。结果表明，飞秒激光聚焦系统引入光学自由曲面相位板后，聚焦光斑形状规则，在聚焦位置处光斑的均方根（RMS）半径小于0.5 mm，飞秒激光成丝系统的像差得到了有效补偿，远距离飞秒激光的成丝强度得到了有效提高。
光学设计 像差补偿 飞秒激光成丝 光学自由曲面
