1 佛山科学技术学院 物理与光电工程学院，广东 佛山 528000
2 清华大学深圳国际研究生院 海洋工程研究院，广东 深圳 518055
3 清华大学深圳国际研究生院 广东省偏振光学检测与成像工程技术中心，广东 深圳 518055
水中悬浮颗粒是水体物质的重要成分，因此监测它们的种类和浓度对研究和保护水生态系统具有重要科学意义和实用价值。文中研制了一种水中悬浮颗粒分类仪（Suspended Particle Classifier, SPC），旨在现场检测野外采集的水样，快速得出水中悬浮颗粒的种类、数量和比例。SPC采用引流管将颗粒输送至散射体积内，通过同时探测单个颗粒的散射光偏振态和荧光信号，结合机器学习算法对颗粒分类。对沉积物、微塑料和微藻的标准样品做了数据集并训练分类器，SPC能以大于95%的预测正确率对它们进行分类。接着，将SPC和商业水质多参数监测仪（QWA）同时在崖门水道连续布放25个小时。SPC能快速测量现场采集的水样，获取不同水层的沉积物、微塑料和微藻的数量随时间的变化情况。SPC给出的微藻数量与QWA测得的叶绿素a浓度以及藻红蛋白浓度之间存在显著的相关性；此外，SPC给出的沉积物等效时间截面和QWA测得的浊度值也呈现出明显的相关性，由此可以证明SPC分类结果的可靠性。结果表明：SPC能够对水中的悬浮颗粒进行现场快速分类检测，有望成为探索水生态系统的关键技术。
偏振光散射 荧光 悬浮颗粒 现场 快速分类 polarized light scattering fluorescence suspended particles field rapid classification 红外与激光工程
2023, 52(9): 20230030
1 青岛海洋科学与技术试点国家实验室“观澜号”海洋科学卫星工程部, 山东 青岛 266237;
2 中国海洋大学信息科学与工程学部, 山东 青岛 266100
3 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
4 自然资源部第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室, 浙江 杭州 310012
5 清华大学深圳国际研究生院, 广东 深圳 518055
垂向层化是海洋水体的基本特征之一,几乎所有海洋学科的测量与分析都需要直接或间接的剖面信息。激光雷达是目前唯一可以遥感方式获得百米级海洋剖面信息的手段,激光雷达水体回波信号主要受水分子与水体颗粒物吸收、散射作用的共同影响。从激光雷达的后向180°散射信号中反演水体颗粒物成分时,活体浮游植物及其降解物、无机颗粒(悬浮泥沙)、浮游动物、气泡等颗粒物在粒径、组分、形状、内部结构等方面的复杂性决定了水体光学特性的复杂性。180°处的体散射系数β(π)是激光雷达水体探测的基本参数,然而不同浮游植物颗粒的散射相函数在180°处相差10倍。目前的模拟仿真中采用的仅具有普适意义的Petzold体散射函数或Voss & Fry穆勒矩阵偏振参数,与具体的遥感探测水体的体散射函数或穆勒参数有很大的差别。针对这个激光雷达中最重要的基础性问题之一,也是主被动光学海洋观探测中的基本问题,进行了综述,并参考国际相关研究人员近些年的一些研究成果,试图提出后续应当重点解决的理论与技术问题。
光学学报
2022, 42(12): 1200001
1 清华大学深圳国际研究生院, 广东 深圳 518055
2 广东省偏振光学检测与成像工程技术研究中心, 广东 深圳 518055
海洋中各种微小颗粒物无处不在,它们与海洋物理过程、化学过程、生物和地质沉积等几乎都有关联,尤其在海洋碳循环中起着不可忽视的作用。但长期以来人们对海洋颗粒物的原位观测技术,以及对观测数据的细致分类仍不能满足需求。偏振光散射测量对散射颗粒的粒径、形态和亚细胞层次的微观结构特征十分敏感,测量结果可用于对复杂的海洋颗粒物结构特征甚至海洋生物的生理状态进行定量表征和细致分类。实现偏振光散射的原位动态监测已经在海洋环境监测领域展示出诱人的应用潜力。简单介绍海洋颗粒物的检测方法,重点介绍基于偏振光散射的颗粒物细致分类方法和初步应用,并对其未来的发展方向进行展望。
散射 偏振光 海洋颗粒物 细致分类 复合测量 海洋碳循环
1 清华大学深圳国际研究生院, 广东 深圳 518055
2 清华大学生物医学工程系, 北京 100084
3 清华大学物理系, 北京 100084
偏振成像可以获得样本丰富的微观结构信息。通过在传统光学显微镜上加装起偏器模块和检偏器模块,可以将其升级为穆勒矩阵显微镜,实现生物医学样品的特征结构和偏振性质的全面定量测量。介绍了几种以商业显微镜为基础的模块化穆勒矩阵显微镜,包括基于双波片旋转的透射式和反射式系统和基于双线偏振CCD的透射式系统,并对其光路结构、测量原理、校准方法和应用演示进行了详细的阐述。
中国激光
2021, 48(15): 1517002
1 清华大学 深圳国际研究生院 广东省偏振光无损成像与检测工程研究中心，广东 深圳 518055
2 佛山科学技术学院 物理与光电工程学院，广东 佛山 528000
3 中华人民共和国公安部 物证鉴定中心，北京 100038
爆炸犯罪杀伤群众，破坏公私财产，对公共安全造成危害。为快速侦破爆破案件，需要在爆炸现场众多残留物中识别金属，找出爆炸装置碎屑。针对在复杂背景中快速识别金属碎屑的需求，提出了一种基于线偏振成像增强金属对比的方法。基于偏振光成像的原理，搭建了两种多波长偏振图像采集装置。针对多种非金属和金属材料进行实验，发现调整入射光的线偏振角度和入射角，多波长偏振成像方法在复杂现场中可以对金属与非金属快速识别和分类。通过模拟研究了多波长下金属表面反射光的线偏振度和偏振角随入射角度变化的情况，给出识别不同金属的最佳角度和照明偏振光。进一步实验结果显示：多波长线偏振成像方法有区分不同种类金属的潜力。
复杂现场 爆炸物 金属 识别 偏振成像 complicated scenes explosive medal debris identification polarization imaging 红外与激光工程
2020, 49(6): 20201012
1 清华大学深圳国际研究生院广东省偏振光学检测与成像工程技术研究中心, 广东深圳 518055
2 清华大学生物医学工程系, 北京 100084
3 清华大学深圳国际研究生院海洋科学与技术学部, 广东 深圳 518055
4 清华大学物理系, 北京100084
在水体中添加适量絮凝剂和助凝剂将藻类絮凝沉降是藻华治理的常用方法。水体现场环境复杂, 影响絮凝效果因素较多, 能原位监测藻类絮凝过程有利于提高治理效果。以铜绿微囊藻为样本, 添加不同浓度的聚合氯化铝和高岭土形成絮凝体 悬浮液, 并利用偏振光散射技术观察不同絮凝体悬浮液的偏振参数。研究结果表明, 偏振参数可表征随着絮凝剂和助凝剂 用量变化而引起的不同絮凝过程, 显示偏振光散射技术描述藻类絮凝过程的潜力。该方法为藻类絮凝过程研究、藻华治 理监测、污染水处理、药剂开发等提供了一种非接触、无标记、快速的原位监测手段。
藻类 絮凝 偏振散射 监测 algae flocculation polarized light scattering monitoring
1 清华大学深圳研究生院 深圳市无损与微创重点实验室, 广东 深圳 518055
2 清华大学 物理系, 北京 100084
3 清华大学 医学院, 北京 100084
基于光的偏振散射原理提出了一种对大气中炭黑颗粒物进行表征的测量方法.首先利用偏振光子散射的蒙特卡洛模拟方法寻找表征炭黑颗粒物属性的偏振特征参量, 进而通过实验对特征参量进行验证.结果表明, 获取的偏振参量对炭黑有较好的表征效果.此外, 偏振表征不仅可以兼容现有非偏振散射仪器, 提供更多颗粒物属性等信息, 还可以减少探测角度, 优化探测装置.
偏振散射 大气颗粒物 斯托克斯矢量 polarization scattering particulate matter Stokes parameters
1 清华大学 深圳研究生院 深圳市无损与微创重点实验室,广东 深圳 518055
2 清华大学 医学院,北京 100084
3 清华大学 物理系,北京 100084
4 海南大学 机电工程学院,海南 海口 570228
四象限探测器的各探测器互相匹配,被广泛应用于光束准直等应用中,适合于测量和监控快速变化或漂移的光束.通过研究,提出了一种基于四象限探测器的偏振态测量装置.该装置在四象限探测器的每一个探测器前放置经过不同检偏方向的偏振片及特定相位延迟和快轴方向的波片,构成四个检偏通道,并通过探测器上的光强计算得到入射光的斯托克斯向量.不同偏振片的偏振方向以及波片的相位延迟和快轴方向经过优化设计确定,以便降低测量误差并提高测量稳定性.该斯托克斯向量测量仪能够实现入射光偏振态的同时测量与高速输出,对于动态偏振系统的监控具有独特优势.通过类似优化设计,亦可扩展系统使用波段,改善红外波段测量效果.
偏振测量 四象限探测器 斯托克斯向量 polarization measurement four-quadrant detector Stokes vector
1 清华大学深圳研究生院光学检测与成像实验室， 广东 深圳 518055
2 清华大学物理系原子分子与纳米教育部重点实验室， 北京 100084
以两种癌变样品为例，应用多种偏振成像方法得到各偏振参数图像，比较分析不同偏振参数区分癌变组织和正常组织的表征能力。研究表明这些偏振参数不但能够区分各向异性体系癌变，也能够对各向同性体系癌变进行表征，从而说明偏振方法可应用于癌变的检测。根据细胞的生理特征和光学特征，利用简单的球柱散射模型进行蒙特卡罗模拟，很好地解释了实验现象，显示了偏振成像方法在检测癌变方面的潜力。
生物光学 癌变检测 偏振成像 生物组织 中国激光
2011, 38(s1): s104002
1 浙江大学现代光学仪器国家重点实验室光及电磁波研究中心,中国浙江,杭州,310027
2 杭州科尔光信技术有限公司,中国浙江,杭州,310013
本文提出一种利用δ声波场和近红外光漫射理论实现球形乳腺肿瘤精确定位的新颖思路.通过构建一个δ波形的声波场,作用到乳腺组织中从而改变组织内某一点的光学特性参数,这种改变对组织表面光分布的影响可以视为微扰,通过控制其作用点在深度上扫描,测得一系列乳腺组织表面一级微扰光分布,从中提取肿瘤与正常组织的差异特性,实现乳腺肿瘤的精确定位和大小测定.该方法具有广泛的临床医学应用前景,为乳腺癌的早期检测提供一种全新思路.
声波场 乳腺肿瘤 漫射方程 定位检测 found field breast tumor light diffusion localization
