福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室，福建 福州 350007
近几年新型冠状病毒COVID-19的迅速传播，引起了全球对传染病防控和快速病毒检测技术的高度关注。表面增强拉曼光谱（SERS）作为一种光学分析技术，凭借其独特的分子指纹特性和高检测灵敏度的特点，成为生物医学检测领域的有力工具，对可能大规模暴发的流行性病毒灵敏迅速的检测以及监控提供新颖、高效的光学解决方案。本文对从2021年以来开展的DNA、RNA病毒，尤其是威胁人类生命健康的流行性病毒检测工作当中使用的标记、非标记SERS技术进行梳理，从SERS基底结构建构及功能化修饰，分子探针的设计，高速响应、高灵敏度检测模型构建，生物技术、机器学习方法的联合使用等方面，特别是基于便携式、手持式拉曼光谱仪的研究，对SERS技术在病毒检测领域的应用进展进行了总结和展望。
医用光学 表面增强拉曼光谱 病毒检测 生物传感器 纳米光子学 纳米医学
1 浙江大学材料科学与工程学院，杭州 310058
2 之江实验室，杭州 311121
3 浙江大学光电科学与工程学院，杭州 310027
超快激光直写技术由于其灵活性、高效性和良好的方向性，可以三维选择性地在材料内部进行加工，被广泛应用于玻璃的微晶化及其器件的制备中，在光储存、波导激光器、光子电路和集成光子芯片等领域有着广泛的应用前景。本文简要概述了超快激光在玻璃内部诱导析晶的原理，晶态/非晶态自组织周期性结构的形成机制，以及超快激光在玻璃三维空间中诱导析晶的最新研究进展，总结了通过控制激光参数和玻璃成分等实现对结晶形态、结构及光学性质调控的相关研究，并对所直写的微纳结构在非线性器件、光储存、激光器等领域的应用和发展方向进行了概述与展望。
微晶玻璃 超快激光直写 析晶原理 自组织周期性结构 热积累效应 光存储 glassceramics ultrafast laser direct writing crystallization principle selforganized periodic structure heat accumulation effect optical storage
1 长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022
3 长春理工大学 电子信息工程学院，吉林 长春 130022
在远距离激光通信系统中，为抑制复杂大气信道环境的影响，有必要对激光束散角进行实时调控。而传统光学变焦系统对激光束散角的调控精度不高，需要机械移动透镜组间距离，导致其灵活性和实时性差。本文提出了利用液晶空间光调制器（Liquid Crystal Spatial Light Modulator，LC-SLM）控制激光束散角的方法。通过LC-SLM模拟变焦透镜，由计算机生成不同焦距的相位灰度图并导入LC-SLM，利用不同的相位灰度图的灰度信息控制LC-SLM的外加电压以实现变焦透镜的功能；再利用变焦透镜与已知焦距的匹配透镜共同构成束散角控制系统，变焦透镜与匹配透镜距离恒定不变，通过改变变焦透镜的焦距实现束散角控制。研究结果表明，在基于液晶空间光调制器的激光束散角控制方法中，束散角变化值与理论值误差在5%以内，束散角的RMSE为0.017 5。与传统机械移动透镜组间距离控制束散角的方法相比，束散角均方根误差降低了22%，为激光参数动态调整提供了重要技术支撑。
液晶变焦透镜 LC-SLM 束散角 光斑分析 liquid crystal zoom lens LC-SLM laser beam angle spot analysis
1 山东农业大学机械与电子工程学院, 山东 泰安 271018
2 农业农村部南京农业机械化研究所, 江苏 南京 210014
3 College of Agriculture, Food and Natural Resources, University of Missouri, Columbia 65211, USA
4 Biological Systems Engineering, Washington State University, Washington 99350, USA
货架期是影响果蔬品质和供应安全的重要因素, 快速准确预测果蔬货架期已成为消费者、 生产者和管理者共同关注的问题。 猕猴桃含有多种有机物和氨基酸, 具有丰富的营养价值, 深受广大消费者的喜爱。 但由于猕猴桃表面颜色变化不明显, 人们仅凭感官难以准确判断猕猴桃的货架期和质量等级。 采用高光谱成像结合化学计量学方法对不同储存条件下的保鲜猕猴桃进行了货架期预测。 首先采集了4 ℃和(18±2) ℃下保鲜时间为0, 2, 4天各120个猕猴桃样本在400～1 000 nm的高光谱数据, 测定其硬度值和可溶性固形物含量(SSC), 获取猕猴桃切片高光谱图像。 对猕猴桃平均光谱提取并进行Savitzky-Golay卷积平滑预处理后, 通过光谱数据主成分分析(PCA), 发现不同货架期和储存温度的猕猴桃样本在前2个主成分空间形成一定的聚类, 4 ℃下猕猴桃样本出现少量重叠。 为了减少波长变量, 提高运算速度, 使用载荷系数法(XL)与连续投影算法(SPA)选择特征波长。 其中, 4 ℃猕猴桃样本的XL和SPA特征波长分别7个(481, 501, 547, 665, 723, 839, 912 nm)和10个(406, 428, 520, 617, 665, 682, 723, 818, 878和983 nm); (18±2) ℃猕猴桃样本XL特征波长为508, 545, 665, 672, 720, 839和909 nm, SPA特征波长为575, 622, 731, 756, 779, 800, 828, 865, 920和983 nm。 基于3∶1的光谱数据集划分三个货架期虚拟等级值1, 2和3, 以全光谱数据、 特征波长为输入, 建立非线性最小二乘支持向量机(LS-SVM)预测模型。 结果表明, 对于4 ℃下3种货架期猕猴桃样本, 在全光谱和XL, SPA特征波长上的预测集准确度分别达到92.2%, 92.2%, 91.1%; (18±2) ℃时预测准确度均为100%。 猕猴桃切片图像PCA分析显示, 除PC5中有部分噪声影响外, 其他主成分图像均能完整反映猕猴桃切片信息, PC2图像可以明显呈现出猕猴桃切片在不同货架期的变化程度。 进一步分析猕猴桃硬度和可溶性固形物含量发现, 随着货架期延长, 猕猴桃可溶性固形物含量逐渐增加, (18±2) ℃时二者存在正相关性, 相关系数为0.557 6。 硬度则随货架期延长逐渐减小, 4和(18±2) ℃下硬度值和货架期之间存在负相关性, 相关系数分别为-0.335 6和-0.562 0。 结合猕猴桃光谱信息, 可以发现猕猴桃光谱反射率与其单个理化指标不成线性关系, 而是多个指标的综合反映。 因此, 采用高光谱成像技术可以全面、 准确、 快速的预测猕猴桃货架期, 为猕猴桃的生产、 销售提供技术指导。
猕猴桃 货架期 近红外高光谱技术 化学计量学 Kiwifruit Shelf-life Near-Infrared hyperspectral imaging technique Chemometrics methods 光谱学与光谱分析
2020, 40(6): 1940
1 合肥师范学院电子信息系统仿真设计安徽省重点实验室, 安徽 合肥 230061
2 合肥师范学院计算机学院, 安徽 合肥 230061
为了提高腔体器件电磁特性的计算效率,基于压缩感知理论,提出了一种时域不连续伽略金快速求解方法。该方法采用节点基函数和蛙跳策略对麦克斯韦方程进行时空离散处理,并在电磁场迭代更新的初始阶段,采用传统方法对区域内的所有单元进行循环计算。当电磁波布满整个区域后,将所有单元视为整体进行全域求解。首先,针对全域质量矩阵,按行进行随机抽取以构建欠定方程;其次,将少量的前时间步结果作为先验知识,以构造待求场值的稀疏变换;最后,利用恢复算法求解欠定方程,从而实现腔体器件电磁特性的快速分析。
激光器 腔体器件 时域不连续伽略金 压缩感知 先验知识 欠定方程 激光与光电子学进展
2020, 57(19): 191405
1 长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心, 长春 130022
2 长春理工大学 光电工程学院, 长春 130022
在大气信道激光传输中, 大气湍流对系统性能会产生较大影响, 主要体现为降低传输速率和增加误码率。在具有信道互易性的双向激光传输链路中, 两终端光斑信号强度的变化相关, 可以在终端提取信道状态信息, 以对信道影响进行补偿, 从而提高传输速率。本文首先在弱湍流条件下, 根据Rytov近似理论推导了平面波双向传输链路接收到的光斑信号的相关系数与传输路径的关系, 并给出解析式。结果表明, 两终端接收的光斑信号的光通量具有相关性, 且相关系数与传输路径有关。进一步搭建了双向收发共轴激光传输系统, 并进行了外场试验, 试验结果不仅验证了双向大气信道激光传输链路具有互易性, 且两接收端光斑信号光强的实时变化趋势相同。本文结论对实现大气信道高速率、低误码率激光传输具有重要意义。
信道互易性 大气湍流 光通量起伏 相关系数 channel reciprocity atmospheric turbulence light-flux fluctuation correlation coefficient
1 全球能源互联网研究院有限公司 电工新材料研究所, 先进输电技术国家重点实验室, 北京 102211
2 西南科技大学 材料科学与工程学院, 绵阳 621000
3 中国工程物理研究院 流体物理研究所, 冲击波物理与爆轰物理重点实验室, 绵阳 621900
4 清华大学 材料科学与工程学院, 北京 100084
5 国网浙江省电力有限公司, 杭州 310007
陶瓷电击穿问题涉及热、光、电多场耦合效应, 一直是非平衡物理学研究的重点和热点。本工作在不同烧结温度下制备了晶粒尺寸大小不同的氧化锌陶瓷, 采用脉冲高压发生装置对陶瓷进行击穿实验, 通过对陶瓷击穿过程的分析和对比, 研究了ZnO陶瓷体击穿的时间步骤。结果显示, 不同晶粒大小的陶瓷击穿过程均在7 μs之内, 典型的压降曲线分为三个阶段。第一个阶段对应于材料中的气孔击穿和击穿通道初步形成; 第二阶段对应于晶界击穿; 第三个阶段是导电通道的完全形成。研究数据显示, 晶粒击穿过程的持续时间最长, 晶界次之, 气孔的击穿时间最短。不同烧结温度下, 样品晶界和晶粒的击穿时间以及气孔的击穿速度均存在差异。
ZnO陶瓷 多晶材料 击穿过程 脉冲电压 ZnO ceramics polycrystalline materials breakdown process pulse voltage
1 西南科技大学 信息工程学院, 四川 绵阳 621900
2 中国空气动力研究与发展中心 低速空气动力研究所, 四川 绵阳 621900
3 中国空气动力研究与发展中心 气动噪声控制重点实验室, 四川 绵阳 621900
对层析粒子图像测速(PIV)技术中示踪粒子成像部分进行理论分析, 并结合真实风洞的相应参数, 通过搭建模拟粒子成像平台的方法来进行研究。设计了一套体积为80 mm×100 mm×100 mm的激光照明系统, 以提供粒子场的入射光强。建立了示踪粒子的三维成像模型, 从而得到层析PIV系统的模拟图像。分析了影响PIV系统成像质量的相关因素。在单像素粒子数为0.007 7的情况下, 通过真实粒子图像和模拟粒子图像比较, 验证了该方法的正确性。
层析粒子图像测速 风洞 激光照明 示踪粒子 粒子成像 tomography particle image velocimetry wind tunnel laser lighting tracer particles particle imaging 强激光与粒子束
2018, 30(11): 114003
北京理工大学 光电学院 精密光电测量仪器与技术重点实验室, 北京 100081
基于高速飞行器流场光传输数据和变形镜系统, 提出了一种气动光学效应半实物仿真方法。根据流体力学、统计、几何和物理光学等理论, 建立远场目标的光学传输模型, 获得气动光学效应引起的目标光波的波前畸变数据, 控制变形镜系统调制光波来仿真生成畸变。完成了初步验证, 建立了一个超音速飞行模型(马赫数Ma=5)并进行了仿真实验, 计算了实验的波前仿真误差, 并分析了成像偏移和模糊特性。对高速飞行中的气动光学效应进行仿真, 在实验室条件下实现对相关成像系统性能和校正技术的测试。
气动光学效应 变形镜 波前畸变 aero-optics deformable mirror wavefront aberration
长春理工大学 空地激光通信技术国防重点学科实验室, 长春 130022
介绍了采用液晶空间光调制器产生部分相干光的基本理论和方法；用分离变量的方式对算法进行了并行优化，对部分相干光生成线程进行了并行序列优化并测试了生成速度；设计了双孔干涉实验检测本方法所产生的部分相干光相干长度的准确性.实验结果表明：针对256×256像素的液晶空间光调制器，生成相干长度为0.15 mm、0.9 mm以及1.5 mm的相位屏，图形处理器所用时间分别为0.9 ms、1.75 ms以及2.4 ms，相比于采用中央处理器所用的计算时间16.5 ms、37.8 ms以及52.4 ms，效率提升明显；考虑中央处理器读取、发送数据及液晶响应的时间，采用图形处理器并行加速的部分相干光实时生成方法的频率可达312Hz.实验生成相干长度为0.15 mm和1.5 mm的部分相干光束，光束相干度均方根误差分别为0.022 011和0.020 883，峰谷值分别为0.0743 25和0.072 998.
相干光学 实时部分相干光生成 并行加速 光场调制 相干检测 Coherent optics Real-time partially coherent beam generate Parallel computing Light field modulation Coherent measurement
