核酸检测方法可快速鉴定特异基因指标，但其广泛应用受限于多种仪器设备串行使用以及对操作人员的高专业技术要求。本团队开发了一套注射式微流控芯片全集成核酸分析系统，该系统主要包含两大模块，分别是可以为不同类型临床样本提供多种核酸提取方法的全自动注射式核酸提取模块，以及基于微流控芯片的微纳体系多指标联合并行检测等温扩增核酸检测模块。这两大模块既可以单独发挥各自的功能，也可以组合成全集成注射式微流控芯片核酸分析系统，形成全集成自动化、微纳反应体系、快速、多指标联合并行检测的核酸检测分析平台。采用本团队开发的注射式微流控芯片全集成核酸分析系统，分别对热带念珠菌标准株培养菌液和64例外阴阴道念珠菌感染疾病的临床拭子样本进行检测。结果显示：本系统对菌液的最低检测限为3.95×102 CFU/mL，而且样品制备更方便快捷，仅需1次加样操作，核酸提取时间为10 min；64例临床样本检测效果与金标准培养法相比，卡方检验为1，Kappa值为0.950，说明两种方法无显著差异，且一致性很高。本团队开发的注射式微流控芯片全集成核酸分析系统，可以为临床多指标微纳体系核酸快速检测提供一个可靠的平台，为临床医疗应用提供精准快检技术与便捷分析仪器支撑。
医用光学 注射式 微流控芯片 全集成核酸分析系统 精准医疗应用
Author Affiliations
Abstract
1 Research Center for Humanoid Sensing, Zhejiang Lab, Hangzhou 311121, China
2 ZJU-Hangzhou Global Scientific and Technological Innovation Center, Hangzhou 310014, China
3 State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation, College of Optical Science and Engineering, International Research Center for Advanced Photonics, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
Miniaturized fiber-Bragg-grating (FBG) interrogators are of interest for applications in the areas where weight and size controlling is important, e.g., airplanes and aerospace or in-situ monitoring. An ultra-compact high-precision on-chip interrogator is proposed based on a tailored arrayed waveguide grating (AWG) on a silicon-on-insulator (SOI) platform. The on-chip interrogator enables continuous wavelength interrogation from 1 544 nm to 1 568 nm with the wavelength accuracy of less than 1 pm [the root-mean-square error (RMSE) is 0.73 pm] over the whole wavelength range. The chip loss is less than 5 dB. The 1 × 16 AWG is optimized to achieve a large bandwidth and a low noise level at each channel, and the FBG reflection peaks can be detected by multiple output channels of the AWG. The fabricated AWG is utilized to interrogate FBG sensors through the center of gravity (CoG) algorithm. The validation of an on-chip FBG interrogator that works with sub-picometer wavelength accuracy in a broad wavelength range shows large potential for applications in miniaturized fiber optic sensing systems.
Fiber optic sensing on-chip interrogator arrayed waveguide grating center of gravity Photonic Sensors
2024, 14(1): 240126
1 浙江大学极端光学技术与仪器全国重点实验室，浙江 杭州 310027
2 浙江大学杭州国际科创中心，浙江 杭州 311215
3 浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
针对双光子激光直写片上光子引线波导的纳米级对准需求，提出了基于导星数字匹配与纳米智能对准的方法，实现了高精度、高密度片上光子引线互联纳米结构3D直写加工。面向片上光子引线波导的背景与需求，设计了双光子直写光刻系统的光学系统结构，在硬件上设计了独特的导星，在算法上利用机器视觉的智能识别方法，精确定位了片上光子引线波导连接结构。所刻写的光子引线与硅片波导的平均偏差角度为0.19°，绝对位置平均对准精度为29 nm，标准差为17 nm。所提方案为实现高精度、高密度的光学片上互联提供了一种可行的方法，在芯片封装、多材料功能结构制备、复杂结构修饰等高精度加工领域有着重要的科学和应用意义。
光学设计 光刻 机器视觉 片上光子引线 波导加工 双光子激光直写
Author Affiliations
Abstract
1 Tsinghua Shenzhen International Graduate School, Tsinghua University, Shenzhen 518055, China
2 Department of Precision Instrument, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Lens-free on-chip microscopy with RGB LEDs (LFOCM-RGB) provides a portable, cost-effective, and high-throughput imaging tool for resource-limited environments. However, the weak coherence of LEDs limits the high-resolution imaging, and the luminous surfaces of the LED chips on the RGB LED do not overlap, making the coherence-enhanced executions tend to undermine the portable and cost-effective implementation. Here, we propose a specially designed pinhole array to enhance coherence in a portable and cost-effective implementation. It modulates the three-color beams from the RGB LED separately so that the three-color beams effectively overlap on the sample plane while reducing the effective light-emitting area for better spatial coherence. The separate modulation of the spatial coherence allows the temporal coherence to be modulated separately by single spectral filters rather than by expensive triple spectral filters. Based on the pinhole array, the LFOCM-RGB simply and effectively realizes the high-resolution imaging in a portable and cost-effective implementation, offering much flexibility for various applications in resource-limited environments.
lens-free on-chip microscopy LED phase retrieval pinhole array Chinese Optics Letters
2024, 22(2): 021101
1 中山大学电子与信息工程学院，广东 广州 510006
2 华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海 200241
目前光声成像中用于探测超声波的主流器件是基于压电材料的超声换能器，考虑到这类换能器的探测性能随器件尺寸的减小而大幅下降，科研者们近年来开始逐渐关注于小型化光学超声传感器的研究与开发。相较于传统的压电超声换能器，这些小型化的光学超声传感器通常具备较宽的探测带宽和与尺寸几乎无关的高灵敏度，在推动更深和更高分辨率的光声成像方面展现出了巨大的潜力。本文首先对光学超声传感器的发展历程进行了简要回顾，然后比较了3种重要的小型化光学超声传感器以及并行寻址的方法，其次介绍了这些传感器在光声活体成像方面的应用进展，最后展望了光学超声传感器的未来前景。
光声成像 光学超声传感器 片上器件 法布里-珀罗干涉仪 光纤布拉格光栅 微环谐振器 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211032
1 郑州大学物理学院，河南 郑州 450001
2 郑州大学附属肿瘤医院，河南省肿瘤医院，河南 郑州 450003
高速光流控成像是融合了高速光学成像和微流控的新兴交叉技术，能够对高速复杂流体环境中的生物体进行高分辨率、高通量和多信息维度的成像和定量检测分析，在生物能源、食品科学、药物筛选、疾病诊断等领域展现出卓越的应用前景。对高速光流控成像的基本原理、关键技术和前沿进展进行综述，并对该技术未来的发展趋势和面临的挑战进行展望。
成像系统 高速成像 光流控 微流控芯片 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211015
1 国防科技大学前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410073
2 清华大学电子工程系，北京 100084
3 北京信息科学与技术国家研究中心，北京 100084
4 国防科技大学新型纳米光电信息材料与器件湖南省重点实验室，湖南 长沙 410073
5 国防科技大学南湖之光实验室，湖南 长沙 410073
光学神经网络是区别于冯·诺依曼计算架构的一种高性能新型计算范式，具有低延时、低功耗、大带宽以及并行信号处理等优势。片上集成是光学神经网络微型化发展的一种典型方式，近年来片上集成光学神经网络获得了学术界及工业界的广泛关注。对基于不同计算单元结构的片上集成光学神经网络的相关研究工作进行了梳理，并分析了其设计原理、实现方法及系统架构特征。同时结合国内外最新研究进展，进一步分析了片上集成光学神经网络在计算单元大规模拓展、可重构、非线性运算和实用化等方面面临的挑战及其未来发展趋势。
集成光学 光计算 光学神经网络 芯片 人工智能
1 苏州大学光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
2 江苏省先进光学制造技术重点实验室，教育部现代光学技术重点实验室，江苏 苏州 215006
依据热平衡原理设计了以单片机为控制核心，DS18B20数字温度传感器和铂电阻PT100为检温元件，正温度系数（PTC）效应加热器为执行元件的温控及制冷功率测量系统。通过模糊PID（Proportional Integral Derivative）控制算法输出不同占空比的脉宽调制波，控制辐射冷却材料温度和环境温度保持一致性，同时利用3D打印工艺完成装置的搭建，最终测算出辐射制冷功率。实验结果表明，系统测量计算的辐射制冷功率与理论预测值接近，该系统可以有效满足多种辐射冷却材料的测量。
测量 辐射制冷 制冷功率 单片机 温度调控 模糊PID
1 东南大学 电子科学与工程学院，南京20096
2 中国电子科技集团公司第五十五研究所，南京10016
选用半导体LT7911D以及LT9211芯片作为显示桥接芯片，采用Type‑C接口集成供电、数据传输、音视频信号传输功能，调试简便，工艺成熟，无需占用大量面积，有利于整个系统的小型化，实现了一种基于STC单片机的微像源驱动系统以及显示驱动的国产化芯片方案。同时采用一种快速自适应 Gamma校正算法，提高了微像源显示效果，使其更好应用于头戴式显示领域。
微型有机发光二极管 头戴式 国产化芯片 伽马校正 Micro OLED head-mounted domestic chip Gamma correction
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春3003
2 中国科学院大学，北京100190
为了在雷诺数条件不定的小尺寸的芯片内部集成高效的混合功能，根据菲克定律和布朗运动的爱因斯坦关系式提出了一种通过匹配接触面提高浓度差的策略来设计微混合器，对科恩达效应进行了扩展，分析了流体在通道表面的流动方向，从特定微通道模块中抽象出4种具体功能。通过模块的功能来预测和调控浓度梯度并构建微混合器。使用4种功能模块来旋转并匹配流体界面，设计了两种三维结构的被动式微混合器。采用三维Navier-Stokes方程组进行了数值分析，并通过软光刻工艺制作微混合器进行了实验验证。实验和仿真结果表明，在雷诺数为0.1~100内，设计的微混合器在3.3 mm，即22倍水力直径长度处能稳定提供94%~99%的混合效率，在等水力直径条件下具有明显的优势，而且结构易于在芯片上集成，证明了模块化设计的优越性。
微流控 微混合器 分裂合并 旋转效应 片上实验室 microfluidics micromixer split and recombination rotation effect lab on a chip 光学 精密工程
2023, 31(19): 2850
