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Abstract
National University of Singapore, College of Design and Engineering, Optical Bioimaging Laboratory, Department of Biomedical Engineering, Singapore
Three-dimensional (3D) imaging is essential for understanding intricate biological and biomedical systems, yet live cell and tissue imaging applications still face challenges due to constrained imaging speed and strong scattering in turbid media. Here, we present a unique phase-modulated stimulated Raman scattering tomography (PM-SRST) technique to achieve rapid label-free 3D chemical imaging in cells and tissue. To accomplish PM-SRST, we utilize a spatial light modulator to electronically manipulate the focused Stokes beam along the needle Bessel pump beam for SRS tomography without the need for mechanical z scanning. We demonstrate the rapid 3D imaging capability of PM-SRST by real-time monitoring of 3D Brownian motion of polystyrene beads in water with 8.5 Hz volume rate, as well as the instant biochemical responses to acetic acid stimulants in MCF-7 cells. Further, combining the Bessel pump beam with a longer wavelength Stokes beam (NIR-II window) provides a superior scattering resilient ability in PM-SRST, enabling rapid tomography in deeper tissue areas. The PM-SRST technique provides ∼twofold enhancement in imaging depth in highly scattering media (e.g., polymer beads phantom and biotissue like porcine skin and brain tissue) compared with conventional point-scan SRS. We also demonstrate the rapid 3D imaging ability of PM-SRST by observing the dynamic diffusion and uptake processes of deuterium oxide molecules into plant roots. The rapid PM-SRST developed can be used to facilitate label-free 3D chemical imaging of metabolic activities and functional dynamic processes of drug delivery and therapeutics in live cells and tissue.
stimulated Raman scattering tomography deep tissue Raman imaging spatial light modulation Advanced Photonics
2024, 6(2): 026001
1 江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013
2 江苏大学微纳光电子与太赫兹技术研究院，江苏 镇江 212013
3 中国科学院上海光学精密机械研究所，上海 201800
基于空间光调制器外光路分束进行并行加工是提高超快激光加工效率的有效方法。高均匀度分束算法是实现外光路分束的关键。在实际光路中，由于光路不完全满足理论条件，经典的GS算法生成的多光束均匀度远低于理论值，不满足阵列化激光加工的要求。基于GS?GA算法的思想与图像处理技术，在程序设计中引入了实时反馈的功能，以达到提高分束均匀度的目的。并采用加载菲涅耳透镜相位的方式分离零级光，避免重建光场离轴带来的畸变。最终实现了均匀度接近94%的分束，并通过加工实验验证了高均匀度分束算法在精密加工中的应用效果。
激光技术 空间光调制 分束整形 超快激光精密加工 遗传算法 GS算法 中国激光
2023, 50(16): 1602401
光子学报
2022, 51(12): 1223001
1 佛山科学技术学院 物理与光电工程学院， 广东 佛山 528225
2 粤港澳智能微纳光电技术联合实验室， 广东 佛山 528225
3 香港科技大学 物理学系， 香港 九龙
近年来，人们对散射光调控的研究取得了极大的进展，产生了许多有趣的应用。其中透过散射介质的成像和光学幻像是两个极为引人注目的方向，但它们不经常同时被研究。文中将深入探索散射光成像和光学幻像的内在联系，在此基础上提出一种新颖的双功能散射光调控方法以在同一实验装置中根据需求实现散射成像和光学幻像。通过优化光路，结合相位恢复技术检测散射波前，利用相位共轭技术和高分辨率的纯相位液晶空间光调制器可以实现补偿散射的影响或实现特定衍射波前的产生。该系统只需要数秒即可完成散射光调控，因此可以对变化缓慢的散射环境实现动态散射成像或对缓慢变化的物体实现稳定的动态光学幻像。理论分析和实验演示证实了该调控方法的可行性。这一散射光调控方法有望在浑浊介质中的光学成像、光学伪装、反侦察、复杂光场调控等领域找到潜在的应用。
散射光调控 散射成像 光学幻像 相位恢复 相位共轭 scattering light modulation imaging through turbid layer optical illusion phase retrieval phase conjugation 红外与激光工程
2022, 51(8): 20220266
1 河北工业大学 先进激光研究中心，天津
2 河北省先进激光技术与装备重点实验室，天津
全固态脉冲激光器因其大能量、短脉冲等特点在医疗、**、工业和科学研究领域都发挥着重要作用。被动调Q和锁模是产生全固态脉冲激光的两种最有效的技术，其中，饱和吸收体是对激光输出参数有很大影响的关键器件。近年来，以碳纳米管、石墨烯和黑磷等作为代表的新型低维材料饱和吸收体因其制备过程简单、制作成本低廉、光学响应带宽较宽等优点得到了广泛的研究。综述了一些新型低维饱和吸收体材料：新型过渡金属二硫化物、三元硫族化合物、MXene、单元素烯类材料以及低维纳米结构在全固态脉冲激光调制领域的研究进展，并对新型低维材料饱和吸收体的未来发展进行了展望。
饱和吸收体 全固态激光器 新型低维材料 光调制 脉冲激光 saturated absorber all-solid-state laser novel low-dimensional materials light modulation pulsed laser
兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070
针对我国现有铁路信号机存在的色衰以及色品坐标偏移的问题，提出了一种单灯多显示发光二极管（LED）混光智能信号机的设想。首先，根据格拉斯曼定律及国际照明委员会标准色度系统混光原理建立了RGB（Red，Green，Blue）三色混光调制系统。然后，建立了占空比与色品坐标、相关色温的函数关系，并采用脉冲宽度调制方式分别对RGB三通道中的月白色、黄色、紫色灯光进行调节。最后，完成了占空比可调的三通道混光调制系统的设计与构建，并结合相对光通量衰减数据进行了仿真及实验验证。结果表明，RGB三色光系统可精确设定各色灯光的相关色品坐标，实现不同情况下的色品调节，满足铁路信号显示的需求。
视觉光学 铁路信号机 色品坐标 混光调制 脉冲宽度调制 激光与光电子学进展
2022, 59(11): 1133002
1 河南科技大学 物理工程学院，河南 洛阳 471023
2 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西 西安 710119
3 河南科技大学 化工与制药学院，河南 洛阳 471023
轨道角动量（OAM）的发现为光镊的研究开辟了新的道路。但具有OAM的光束在操纵微粒时，由于生物细胞不可能大小形状完全相同，所以当其进行旋转等操作时，粒子运动速度的不均匀会导致粒子之间的间距不可控。针对该问题，首先通过任意曲线塑形技术，并为传统摆线公式附加曲率调控参数提出了一种调控模式丰富的摆线光束，理论分析了该光束的OAM和梯度力，证明了解决上述问题的可能性。最后在实验中实现了粒子在运动过程中的启停，且成功操纵三个粒子进行等间距旋转，实验测得三个微粒在整个旋转过程中间距变化的误差可以维持在纳米级。这项工作为未来光捕获和操纵多种微粒在其他领域的应用铺平了道路，特别是在生物科学领域。
物理光学 全光光镊 计算全息 空间光调制 physical optics all-optical tweezers computational holography spatial light modulation 红外与激光工程
2021, 50(9): 20210380
1 河南科技大学 物理工程学院, 河南 洛阳 471023
2 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安710119
提出一种基于非对称涡旋光束的动态光镊, 实验中基于计算全息技术, 通过对涡旋光束的动态调控, 实现了酵母菌细胞的分离与聚合, 探究了非对称动态涡旋光束对酵母菌细胞的操纵特性。计算了用此光镊系统操纵酵母菌细胞时的光阱刚度, 在激光器出射功率为230 mW时, 光阱刚度统计均值为0.098 5 pN/μm。
光镊 非对称涡旋光束 计算全息 空间光调制 光阱刚度 optical tweezers asymmetric vortex beam computational holography spatial light modulation optical trap stiffness
1 清华大学 精密仪器系, 北京 100083
2 中国科学院 宁波材料技术与工程研究所, 浙江 宁波 315201
3 吉林大学 电子科学与工程学院, 吉林 长春 130012
作为最基本的微光学元件, 微透镜在多个领域都有非常广泛的潜在应用, 然而常见的面向透明硬脆材料微透镜的制备方法效率低下, 且对作业环境的要求较高, 极大地限制了透明硬脆材料微透镜阵列的大面积制备。空间光调制器作为一种对光场进行调制的设备, 可以方便地实现多焦点或者结构化的光场, 在光通讯、激光加工等领域具有重要的应用潜力。本文介绍了利用飞秒激光烧蚀结合湿法刻蚀制备硬脆材料微透镜阵列的基本方法, 并系统地分析了影响所制备微透镜形貌的关键因素。通过在加工过程中对聚焦光斑的数量和位置进行精细调控, 极大地提高了透明硬脆材料微透镜阵列的加工效率, 且可以在加工过程中动态地调整飞秒激光烧蚀改性的形貌, 从而实现不同尺寸微透镜阵列的高速制备, 展现了空间光场调制技术在微光子集成芯片加工领域的应用前景。
飞秒激光 湿法刻蚀 空间光场调制 微透镜阵列 femtosecond laser wet etching spatial light modulation microlens
