1 山西大学 激光光谱研究所 量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西 太原 030006
2 山西大学 极端光学协同创新中心, 山西 太原 030006
3 中石油化工股份有限公司石油化工科学研究院, 北京 100083
4 中国兵器科学研究院, 北京 100089
5 山西新华防化装备研究院有限公司, 山西 太原 030041
6 西安工业大学 光电工程学院, 陕西 西安 710021
7 山西格盟中美清洁能源研发中心有限公司, 山西 太原 030032
为了消除激光诱导击穿光谱技术（laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）中的自吸收效应，提高元素定量分析的精确度，同时满足工业中便捷分析元素的要求，需将自吸收免疫激光诱导击穿光谱技术（self-absorption free laser-induced breakdown spectroscopy，SAF-LIBS）的装置小型化。本文提出了一项新型的高重频声光门控SAF-LIBS定量分析技术，使用高重频激光器产生准连续的等离子体以增强光谱强度，并将声光调制器（acousto-optic modulator，AOM）作为门控开关，从而使微型CCD光谱仪和AOM能够代替传统大型SAF-LIBS装置中的像增强探测器（intensified charge coupled device，ICCD）和中阶梯型光栅光谱仪，实现自吸收免疫的同时缩小了装置的体积，降低了装置的成本。将该系统参数进行优化选择后，对样品中的Al元素进行了定量分析和预测。实验结果表明，等离子体的特性受激光重复频率的影响进而会影响光谱信号的强度。在1 ~ 50 kHz激光重复频率范围内，Al I 394.4 nm和Al I 396.15 nm的双线强度先增强后减弱，确定最佳的激光重复频率为10 kHz。在不同的光纤采集角度下，Al的双线强度比随延迟时间的增加而减小，在45°处信噪比最高，且在一定的积分时间下，最佳光学薄时间tot为426 ns。在激光重复频率为10 kHz、光纤采集角为45°、延迟时间为400 ns的条件下，对Al元素进行定量分析和预测结果表明，Al元素定标曲线的线性度R2为0.982，平均绝对测量误差相对于单一LIBS的0.8%可以降低至0.18%。定量分析结果与传统大型SAF-LIBS装置的测量精度相持平。因此本高重频声光门控SAF-LIBS装置不仅有效地屏蔽了光学厚等离子体中的连续背景辐射和谱线加宽，同时具备小型化、低成本、高可靠性的优点，有助于推动SAF-LIBS技术由实验室走向工业应用。
激光诱导击穿光谱 自吸收免疫 光学薄 高重频激光器 声光门控 laser-induced breakdown and spectroscopy self-absorption free optically thin high repetition rate laser acousto-optic gating
首都师范大学物理系北京市超材料与器件重点实验室，北京 100048
结构光束是指在空间和时间上“定制”的光场，其振幅、相位和偏振态在空间和时间上有着特殊的分布。近些年，结构光束的研究发展迅速，光学参量的特殊分布从特定的空间横向结构、纵向结构，发展到定制的时空结构。这种具有不同时空结构的光束为众多领域带来了突破，包括光学通信、光学传感、光学微操作、量子信息处理和超分辨率成像。因此，人们提出了许多方法，并制造了相关器件，通过调整光束的各种光学参量在空间域和时空域的分布来生成结构化光束。本文主要介绍不同类型结构光束（包括空间结构光束以及时空结构光束）的制备方法，对已产生的结构光束进行了总结，并进一步讨论和展望了结构光束在未来的发展方向。
结构光束 空间结构 时空结构 器件 光学参量 激光与光电子学进展
2024, 61(1): 0126001
1 西安工业大学 光电工程学院，陕西 西安 710021
2 西安工业大学 计算机科学与工程学院，陕西 西安 710021
为了解决单色视频和彩色视频的全自动高精度配准问题，设计了针对视频配准的首帧及后续帧配准方法，在保证配准速度的同时提高了配准精度。对于首帧，首先在尺度不变特征变换（SIFT）基础上，基于双摄像头的特点进行了改进，进而对单色视频和彩色视频进行了粗配准，增加了粗配准矩阵的获取稳定性和精确性；随后根据粗配准矩阵系数，使用尺度金字塔模式对单色视频和彩色视频的配准矩阵进行了配准修正。对于视频中的后续帧，采用具有步长金字塔的平移修正方法，对首帧中得到的修正配准矩阵进行再利用，并通过平移修正方法弥补了由不确定时差波动和相机摆动带来的平移误差，最终提高了单色视频和彩色视频的配准效率和配准精确度。实验结果表明，对于640×480大小的单色视频和彩色视频，本文算法相比传统SIFT算法将首帧配准均方根误差减少了0.79%，首帧标记点误差由约为1像素缩小到不可察，且连续视频帧的平均配准时间为0.357 s，同时仍然保持标记点误差不可察，较好地满足了单色视频和彩色视频配准的全自动、精度高、速度快、鲁棒性强等要求。
计算机视觉 视频配准 时空相似性 高精度修正 computer vision video alignment spatio-temporal similarity high-precision correction
液晶材料是信息显示设备中的重要组成部分, 其在外场作用下所表现的高双折射特性是其被用于显示的关键条件。利用强太赫兹波作为外场, 激发液晶5CB材料的双折射效应。结合太赫兹时域光谱系统通过测量不同偏振的太赫兹波的透过率, 研究了太赫兹场致液晶在太赫兹波段的双折射效应。分析了液晶的双折射效应与外场强的变化关系、频率响应特性等方面。研究结果表明在强场太赫兹波激发下, 液晶的双折射现象随场强的增大而增大, 双折射值与外部场强平方成正比, 且液晶5CB对于太赫兹激发的双折射效应存在一定的阈值。
物理光学 液晶 双折射 太赫兹强场 偏振 阈值 physical?optics liquid crystal birefringence terahertz strong field polarization threshold
1 河北工程大学 数理科学与工程学院, 河北省计算光学成像与光电检测技术创新中心, 河北省计算光学成像与智能传感国际联合研究中心, 河北 邯郸 056038
2 首都师范大学 物理系, 北京 100048
快速、精确地对粒子进行三维定位在生命科学、材料科学、工业检测等领域具有重要的应用价值。传统的粒子定位方法由于运算量繁重, 难以满足快速、精确的需求。文章提出了一种新的基于相位掩模的粒子三维定位方法。采用Fienup优化算法设计位于4f系统频谱面上的相位掩膜, 针对不同深度的点光源获得一系列点扩散函数; 结合粒子位置和所成图像进行神经网络训练, 可在8 μm轴向范围内经单次测量实现目标粒子在三维空间中的高精度定位。两组模拟设计的数值结果表明所提方法能够快速高效地完成稀疏粒子的三维定位, 在细胞粒子成像定位等方面具有重要的应用价值。
三维定位 点扩散函数 Fienup优化算法 神经网络 4f系统 three-dimensional positioning point spread function fienup optimization algorithm neural network 4f system
太赫兹技术在过去数十年间发展迅速, 作为一种强大的生物大分子表征工具, 太赫兹光谱和成像技术展现了其在诊断医学和临床医学中的广阔前景。通过太赫兹光谱系统可以对生物样本的特定成分进行定量分析, 类似地, 太赫兹成像系统可以给出样品中待测成分的空间分布。以太赫兹光学系统的类型为索引综述了太赫兹诊断医学方面一些具有代表性的研究, 并从生物个体、组织、细胞到生物大分子的层面介绍了一些太赫兹生物效应的研究。尽管太赫兹临床医学领域仍处于尝试和初步探索的阶段, 但已经呈现了很多具有应用潜力的开创性研究, 如太赫兹辅助靶向药物跨膜运输和太赫兹癌细胞 DNA去甲基等, 为太赫兹技术的生物医学应用奠定了基础。最后总结太赫兹生物效应的研究现状, 对该领域的重点研究方向和可能的突破点进行分析展望。
太赫兹 太赫兹光谱 太赫兹成像 太赫兹医学 太赫兹生物效应 terahertz terahertzspectroscopy terahertzimaging terahertzmedicine terahertzbiologicaleffects
强激光与粒子束
2023, 35(9): 099004
1 1.西北工业大学 凝固技术国家重点实验室, 辐射探测材料与器件工信部重点实验室, 西安 710072
2 2.首都师范大学 超材料与器件北京市重点实验室, 北京 100048
3 3.中国电子科技集团公司 第四十六研究所, 天津 300220
太赫兹(Terahertz, THz)技术在工业无损检测、科学研究和**领域发挥着越来越重要的作用。作为太赫兹产生和探测最常用的电光晶体材料, ZnTe晶体在生长中依然面临众多挑战。为了制备大尺寸、均匀性好、高性能的ZnTe单晶, 本研究在温度梯度溶液法生长ZnTe晶体过程中引入坩埚旋转加速技术, 制备具有高结晶质量的ZnTe晶体。模拟计算得到不同坩埚旋转速度下生长界面处对流场和溶质分布, 研究了坩埚旋转对晶体生长过程中的固液界面稳定性和晶体内Te夹杂分布的影响规律, 证明坩埚旋转加速技术可以有效地促进熔体流动, 改善溶质传质能力, 稳定溶液法晶体生长的固液界面, 不仅避免出现尾部混合相区, 也减少了ZnTe晶体内Te夹杂相的数量并减小其尺寸。通过进一步优化坩埚旋转参数, 制备出具有较高结晶质量的大尺寸ZnTe晶体(ϕ60 mm)。同时, 得益于晶体良好的均匀性, 晶体对太赫兹的高响应区域超过90%, 边缘效应小, 满足太赫兹成像要求。研究表明，引入坩埚旋转加速技术为制备大尺寸ZnTe基电光晶体提供了新的思路。
ZnTe 坩埚旋转加速技术 固液界面 太赫兹探测 ZnTe accelerated crucible rotation technique solid-liquid interface terahertz detection 陈薇竹 1,2,3张翠玲 1,2,3邵麟杰 1,2,3何敬锁 1,2,3张岩 1,2,3,*
1 首都师范大学物理系北京市超材料与器件重点实验室，北京 100048
2 首都师范大学太赫兹光电子学教育部重点实验室，北京 100048
3 首都师范大学北京市成像理论与技术创新中心，北京 100048
随着太赫兹技术的发展以及全球对6G通信的研究和期望，太赫兹通信技术获得了广泛的关注。但是太赫兹波具有很强的方向性，常常进行端对端的传播，且传播过程中容易被障碍物阻挡，太赫兹通信中的广角和定向传播成为技术难点。设计一种新的广角反射超构表面，其可将入射角为5°~45°的太赫兹波反射聚焦在同一位置，该位置距离样品600 mm，方向为13°。采用共振相位调制原理设计单元结构，利用透镜聚焦原理和相位补偿原理对单元结构进行排布并进行加工。在220 GHz工作频率下进行实验验证，实验结果证实了该器件的功能。所提方案为解决太赫兹6G通信难题提供了一个有效途径，具有一定的应用前景。
6G通信 太赫兹 超构表面 广角 聚焦 激光与光电子学进展
2023, 60(18): 1811020
