Bacterial infection is an acute infection caused by pathogens or conditional pathogens, which leads to severe disease and even death. It has become a significant reason for diseases and deaths worldwide. Therefore, rapid and precise detection, diagnosis, and treatment in the early stage are the key to deal with bacterial infections. Over recent years, along with the advances in biomaterials and nanotechnology, numerous nanomaterial-based multifunctional probes have been extensively explored in the biomedical field. Because of their excellent optical properties, inorganic optical nanoprobes are used to rapidly detect bacterial infection in the early stage and show excellent antibacterial properties, which has a great application prospect in antibacterial therapy expected to reduce the risk of bacterial infection. In this mini-review, we generally overviewed and summarized recent progress on inorganic nanoparticle-based optical imaging techniques as a platform to construct functional theranostics for the efficient treatment of bacterial infections. The opportunities and challenges in the application of fluorescent optical nanoprobes are prospected.

梯度折射率(Gradient-index,GRIN)光纤探头是一种全光纤型超小光学镜头, 在心血管等狭小空间组织内窥影像检测中具有广阔的应用前景。但其发展一直缺少系统的理论体系。本文讨论探头设计、制作和性能测试等方面的关键问题。基于GRIN光纤探头聚焦性能的特征参数, 对解析设计方法与数值仿真设计方法进行比较分析。针对超小GRIN光纤探头的制作难题, 研究一种光纤熔接和切割的高精度一体化集成装置, 描述GRIN光纤探头的制作方法。此外, 分析了超小GRIN光纤探头聚焦性能检测的方法及装置。本文为超小GRIN光纤探头的设计、制作及性能测试提供了一个方法体系。

提出一种利用镀有金属薄膜的V形无孔光学探针构建的扫描近场光学显微镜, 将圆偏振光注入镀有金属薄膜的V形槽内在针尖处形成近场照射光源, 并利用探针收集样品表面近场光信号。理论分析表明: 探针收集的近场和远场反射光之间存在一定的相位差, 该相位差与探针机械结构、探针与样品的距离有关, 可通过探针与样品之间的距离加以控制, 因此利用偏振性器件可有效抑制远场光强。实验中, 探针与样品之间的距离通过范德华力回馈控制, 探针操作在接触模式, 实验结果显示所测近场与远场光相位相差57°, 近场光学图像横向分辨率优于12 nm。

研究了基于微波光子技术的相控阵雷达天线现场校准技术。介绍了微波光子技术进行相控阵天线现场校准的基本原理, 通过利用架设在相控阵天线阵面上的光学探针中的电光晶体的泡克尔斯效应, 使得自探针反射的光学信号携带有天线单元的近场辐射信息, 在将其进行光电转换后采用外差相干检测的方法来获得信号中所携带的天线单元的幅相信息, 便可实现对天线阵面天线单元辐射场信息的快速检测, 实验验证系统的电场幅度和相位测量精度可以分别达到0.3 dB和2°, 同时该方法对被测天线单元具有侵入性低、抗干扰能力强、体积小等优点, 满足相控阵天线现场校准的实际需要, 具有很强的工程实用价值。

提出了基于曲线拟合的光纤透镜聚焦常数的测试方法，用于超小自聚焦光纤探头研制过程中聚焦常数的直接测试。基于自聚焦光纤透镜模型及其折射率分布特征，研究了测量自聚焦光纤透镜聚焦常数的二次多项式拟合和线性化拟合算法。论述了聚焦常数对超小自聚焦光纤探针传光性能的影响。利用光纤端面折射率测试仪测试自聚焦光纤的折射率分布轮廓曲线，根据二次多项式拟合和线性化拟合算法分别求得聚焦常数和中心折射率。实验结果显示，利用二次多项式拟合算法和线性拟合算法求出的聚焦常数分别为5.587 mm-1和5.513 mm-1，与厂家的标称值5.5 mm-1基本吻合，表明曲线拟合算法适用于对自聚焦光纤透镜聚焦常数的测量与分析。

为了快速、准确地获得大尺寸工业产品或带有深槽孔工件的关键点三维坐标, 本文基于工业近景摄影测量理论、立体视觉技术等, 研究并实现了两种工业便携式、接触式光学探针测量系统。研究了测量系统涉及的探针设计、探针标定以及三维点解算等关键技术, 设计了点阵式和手持相机式两种适用于不同工业场合的工业探针。针对点阵式探针的测量, 提出了一种用于解算探针坐标系与世界坐标系相对关系的点云匹配方法。此外, 采用拟合虚拟球的方法准确标定了两种探针的内部参数。最后, 通过对比标准球与三坐标测量机的测量结果, 得到系统的测量精度可达0.1 mm/m。该精度满足一般大、中型工件的三维点测量精度标准。

手持式拉曼光谱仪的探头系统为光照明和光收集共光路系统，由此产生了除瑞利散射杂散光之外的由于照明激光多次反射的杂散光，成为此类探头系统必须解决的问题。根据获得的实际样机的结构数据，运用实际光线追迹的方法，通过建立合理的杂散光分析模型和理论计算，获得了杂散光聚焦大小和位置、出射方向、到达狭缝处能量大小等信息。根据对杂散光的分析，提出了在探头系统中采用黑点板遮挡杂散光的新方法，并确定了黑点板的大小和位置。光学仿真分析结果表明，此方法对激光反射杂散光的抑制水平达到10-13数量级，满足手持式拉曼光谱仪系统对杂散光的抑制要求。采用黑点板技术，还可以将到达滤光片上的入射角大于2°的约50%的激光反射光滤除。

针对便携式拉曼光谱仪的小型化、高分辨率需求及弱信号能量探测问题，设计了基于高分辨率光栅光谱仪和物方大数值孔径光学探头的便携式拉曼光谱仪的光学系统，完成了样机性能测试。利用Czerny-Turner (C-T)结构光栅光谱仪的像差特性，在实现消彗差的条件下，建立了像面大小与光栅光谱仪系统参数的关系，保证了系统的像面大小与线阵CCD尺寸之间的完善匹配，完成了新型消彗差C-T结构光栅光谱仪系统。通过采用厚双胶合透镜形式的摄远光学结构，完成了物方数值孔径为0.33，并与光栅光谱仪入射光瞳完善匹配的紧凑型光学探头系统。实现了光谱分辨率优于0.6 nm、拉曼光谱范围为781~1014 nm的便携式拉曼光谱仪的优化设计和样机研制，样机尺寸为243 mm×25 mm×71 mm。通过样机实验成功获得了CCL4的5个拉曼光谱特征峰，验证了整机拉曼光谱仪系统光学设计的可行性和合理性。