表面增强拉曼光谱（SERS）是一种高灵敏的分子振动指纹光谱技术。光辅助化学还原制备SERS衬底具有成本低、环境适用性强等优势，但在微纳结构多样化制造方面存在局限性，限制了SERS衬底的检出性能。笔者系统研究了介质微球独特的聚焦特性，揭示了微球直径对聚焦光场分布的调控规律，在微球底部实现了可控的光场空间分布，实现了多级银微纳结构的快速光还原合成。进一步，通过优化制备参数（前驱液浓度比、激光辐照功率及辐照时间），成功制备了具有优异拉曼增强效果的多级银纳米颗粒/银微环/介质微球（AgNPs/AgMRs/MS）复合结构。通过介质微球和多级银微纳结构（AgNPs/AgMRs）中的光场耦合，即微球聚焦、多级银微纳结构局域表面等离激元共振以及复合结构定向发射等，实现了10^-14 mol/L的痕量检测，增强因子可达9.50×10⁹，为光化学还原制备高性能介质-金属复合SERS衬底提供了新思路。

设计了一种涂覆六边形氮化硼材料的多凹槽型中红外线吸收器。这是一种光栅型吸收器,单元结构中包括多个在电介质中挖出的空气凹槽。凹槽的侧面和底部均匀涂覆了六边形氮化硼材料,并且凹槽的深度是线性渐变的。该吸收器的吸收特性是由表面等离子共振效应和电介质腔共振效应共同作用引起的。采用有限元算法研究了结构参数、工作波长及入射角度对吸收器吸收性能的影响。结果表明:在优化的结构参数条件下,吸收器的吸收率在5.5~15 μm的波长范围和在0°~75°的入射角范围内可以达到90％。

为了合理降低液晶显示器的背光功耗, 抑制像素补偿导致的截断噪声, 减少显示图像的颜色和亮度失真, 对基于图像特征的液晶显示器动态调光算法进行研究。首先, 根据液晶显示器特性介绍了区域调光算法处理过程, 分析了截断噪声产生的原因。提出了基于图像局部亮度的液晶显示器动态调光算法, 即基于最大值法得到初始背光值, 根据图像局部区域亮度与初始背光分布图对应区域亮度的相似程度修正初始背光值, 通过模糊-掩模方法模拟背光的混光扩散过程, 结合像素补偿得到调光图像。实验结果表明, 使用基于图像局部亮度的液晶显示器动态调光算法处理后, 背光功耗平均降低约31.54%; 截断噪声平均低至像素总和的1.17%; L*a*b颜色空间峰值信噪比(LabPSNR)平均达到3711dB。应用该算法能够合理降低显示器的背光功耗, 使图像的截断噪声得到显著抑制, 颜色和亮度失真明显改善, 对于各类图像都具有良好的适用性。

孔雀石绿（MG）是一种有毒的三苯甲烷类物质, 由于其价格低廉, 抑菌效果好, 曾在水产养殖中被作为抑菌剂广泛使用。 但是长期大量的使用孔雀石绿将会对人体产生致癌、 致畸、 致突变的危害。 传统检测水中孔雀石绿的方法需要复杂的前处理, 花费大量时间, 且需要昂贵的仪器设备, 技术难度高, 因此发展一种快速简便的MG检测方法十分必要。 核酸适配体是一种能与靶标分子特异性结合的DNA或RNA片段, 它具有高特异性、 高亲和力、 易于化学合成和修饰、 稳定性高等特点, 是比抗体更为有潜力的靶标识别元素, 目前被广泛应用于传感检测中。 胶体金（AuNPs）具有高消光系数和表面等离子体共振现象, 可用于可视化检测体系中。 研究了一种基于胶体金和RNA适配体的可视化快速检测孔雀石绿的方法。 当有盐（NaCl）存在时, AuNPs会受到盐的作用而发生团聚, 其吸收光谱峰由520 nm处移到690 nm处, 溶液颜色由红色变成蓝色。 由于RNA适配体可以通过静电作用吸附在AuNPs表面, 对AuNPs起到保护作用, 可使AuNPs在盐溶液中不发生聚集而呈红色; 而当体系中有MG存在时, 由于MG与RNA适配体的特异性结合, 使得RNA适配体从AuNPs表面脱离, 游离的AuNPs遇盐发生聚集呈蓝色。 随着MG浓度的升高, 520 nm处吸光度值逐渐降低, 690 nm处吸光度值逐渐升高, 且溶液颜色逐渐由红色变为蓝色。 因此, 目标物MG的含量可通过肉眼观察溶液颜色或通过可见吸收光谱来确定, 整个检测过程不超过1小时。 以有或无MG时AuNPs于520及690 nm处吸光度比值的差值Δ（A690/A520）作为检测信号, 发现在NaCl浓度为0.2 mol·L-1、 RNA浓度为10 μmol·L-1及AuNPs的浓度为7 nmol·L-1时, MG浓度的线性范围为0.6~12.5 μmol·L-1［线性方程为Δ(A690/A520)=0.06ｃ-0.01, R2为0.993］, 检出限为0.04 μmol·L-1 (3α/κ, n=9)。 该方法对MG检测具有良好的选择性, 将此方法应用于养殖水样中孔雀石绿的检测, 加标回收率为92%~108%, 说明该方法能够准确、 灵敏、 快速检测水产养殖中的孔雀石绿。

为了将超分辨率重建算法应用于医学影像领域, 提升各类医学影像的分辨率, 针对当前主流算法网络结构和分辨率提升倍数的尺度单一性问题, 提出了一种应用于CT图像的多尺度残差网络模型。首先, 通过级联多层残差块构建模型框架, 残差块内采用3种尺度的卷积核提取低分辨率图像的细节特征。然后, 将特征图融合在一个维度进行特征映射和数据降维, 并将多尺度特征信息导入下一残差块。最后, 将网络学习到的残差图与低分辨率图像融合, 重建高分辨率图像。采用经过多种放大倍数处理的CT图像对网络进行混合训练, 实现了一个模型可以同时支持多种倍数的分辨率提升。实验结果表明: 在2, 3, 4倍放大因子下, 该模型重建的CT图像PSNR平均较VDSR算法高0.87, 083, 1.16 dB。因此, 本文模型有效提升了CT图像的超分辨率重建效果, 更锐利地恢复了其细节特征, 同时大大提升了算法实用性。

设计了一种基于六方氮化硼材料的中红外线吸收器。该吸收器是由截断的金字塔型单元结构构成的一维光栅,其吸收机制是磁激元共振效应和法布里-珀罗谐振腔共振效应。运用有限元算法分析该吸收器的结构参数、工作波长及入射角度对其吸收性能的影响。结果表明:在优化的结构参数条件下,在入射波长为5.6~14.5 μm,入射角度为0°~75°范围内,该吸收器的吸收率可以达到80%以上。所设计的吸收器有望应用于中红外波段的传感和隐身等领域。

本文设计了一种由磷化铟(InP)、砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)三种半导体材料以及电介质材料堆叠而成的锥形光栅等离子体超宽带红外线吸收器,利用表面等离子体共振效应对入射电磁波实现吸收。我们采用频域有限差分法(FDFD)对此吸收器性能进行探究,在经过大量计算后得到了最优化结构参数,在入射角范围0～80°和入射波长为28～60 μm红外波长范围内实现了92％以上的高效吸收。此外,我们还研究了各结构参数对吸收效果的影响,结果表明:复合层数以及半导体材料的厚度对吸收率的影响相对较大,而复合层宽度、电介质材料厚度对吸收率的影响较小。本文所设计的吸收器有望在红外探测、光谱学等方面得到应用。