期刊基本信息
创刊:
1964年 • 半月刊
名称:
激光与光电子学进展
英文:
Laser & Optoelectronics Progress
主管单位:
中国科学院
主办单位:
中科院上海光机所
出版单位:
中国激光杂志社
主编:
范滇元
执行主编:
邱建荣
副主编:
戴琼海 张龙 张雨东 曹良才
ISSN:
1006-4125
刊号:
CN 31-1690/TN
电话:
021-69918427
邮箱:
地址:
上海市嘉定区清河路390号
邮编:
201800
定价:
120元/期

当前目录 第61卷 第6期

作者单位
摘要
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0600001
马旺 1,2千佳 1王思颖 1马睿 1[ ... ]姚保利 1,2,**
作者单位
摘要
1 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
2 中国科学院大学,北京 100049
将普通光学显微镜的均匀照明替换为光场具有空间结构分布的照明,可为显微镜增添超分辨和光切片的新功能。结构光照明显微(SIM)技术与传统宽场光学显微镜具有良好的结构兼容性,继承了传统光学显微镜非侵入、低光毒性、低荧光漂白、快速成像的优点。其高时空分辨率和三维光切片能力非常适合活体细胞或组织的观测,受到生物医学和光学界的持续关注。快速产生高对比度、高频率的结构光场并进行快速相移和旋转调控是SIM的核心技术。近年来基于数字微镜器件(DMD)调制的SIM(DMD-SIM)发展迅速,它利用DMD高刷新率、高光通量、偏振不敏感的优势,克服了传统器件如物理光栅和液晶空间光调制器在调控速度上的缺点。本综述首先介绍了SIM超分辨和光切片的基本原理,然后着重阐述了DMD-SIM通过光投影和光干涉产生结构光照明及调控光场的方法,对当前的DMD-SIM研究进展进行了归纳评述,总结了DMD-SIM的优缺点,最后对DMD-SIM面临的挑战和发展趋势进行了展望。
光学显微 结构光照明显微 超分辨 光切片 数字微镜器件 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618001
作者单位
摘要
1 西安电子科技大学杭州研究院,浙江 杭州 311231
2 西安电子科技大学光电工程学院,陕西 西安 710071
3 杭州电子科技大学通信工程学院,浙江 杭州 310018
4 康涅狄格大学生物医学工程系,美国 斯托斯06269
叠层成像技术是近年来发展快速的相干衍射成像方法,目前已经成为世界上大多数X射线同步加速器和国家实验室不可或缺的成像工具。光学叠层成像是叠层成像技术在可见光波段的应用,分为基于透镜的傅里叶叠层成像与基于无透镜的编码叠层成像。编码叠层成像作为一种新型无透镜片上显微成像技术,具有大视场、高分辨率、无像差、无标记、便携式,以及缓变相位成像等诸多技术优点。本文介绍无透镜编码叠层显微成像的基本原理及最新研究进展,分析了其成像性能,重点介绍了其在生物医学方面的相关应用,并讨论了编码叠层成像技术未来的发展方向。
叠层成像 编码叠层 无透镜成像 计算成像 显微成像 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618003
作者单位
摘要
深圳大学物理与光电工程学院,光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室,广东 深圳 518060
荧光寿命显微成像(FLIM)已经广泛应用于生命科学研究领域,具有高灵敏和高特异性的特点,在对组织微环境进行定量表征方面具有独特优势,但由于成像速度相对较慢,限制了FLIM的活体应用。近年来,随着光电子器件和人工智能等技术的发展,开启了FLIM活体成像新篇章。介绍通过优化硬件和算法两方面提升时域和频域FLIM技术的成像速度,以及其在生物医学基础研究和临床疾病诊断中的应用研究进展。最后,对活体FLIM成像的未来发展进行展望。
荧光寿命显微成像 人工智能 活体成像 癌症诊断 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618005
马海钢 1,2,3,*吴家辉 1,2,3朱亚辉 1,2,3魏翔 1,2,3[ ... ]左超 1,2,3,**
作者单位
摘要
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院智能计算成像实验室(SCILab),江苏 南京 210094
2 南京理工大学江苏省光谱成像与智能感知重点实验室,江苏 南京 210094
3 南京理工大学智能计算成像研究院(SCIRI),江苏 南京 210019
光声显微成像(PAM)是一种具有无损、多功能、高分辨率等特点的生物医学成像技术,通过检测光声信号进行图像重建可实现高分辨率和高深度的结构和功能成像,在生命科学、基础医学和医疗诊断中发挥着越来越重要的作用。首先概述光声显微技术的发展背景和原理特点,然后对利用光学增强、声学增强、人工智能增强及光学与声学互补的光声显微成像术促进成像性能提升的方法进行论述,最后讨论当前光声显微技术在生物医学研究中的广泛应用,并对未来技术的发展趋势进行展望。
生物医学影像 光声显微成像 高分辨 多功能 无损 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618006
邓师禹 1胡芬 1,*侯梦迪 1杨建宇 1[ ... ]潘雷霆 1,2,3,4,**
作者单位
摘要
1 弱光非线性光子学教育部重点实验室,南开大学物理科学学院,泰达应用物理研究院,天津 300071
2 药物化学生物学全国重点实验室,南开大学生命科学学院,细胞应答交叉科学中心,天津 300071
3 南开大学深圳研究院,广东 深圳 518083
4 极端光学协同创新中心,山西大学,山西 太原 030006
随机光学重建显微术(STORM)基于免疫荧光标记技术,具有原理易懂、光路简单、分辨率极高等特点,一直受到科研工作者的青睐,但分辨率的提升对抗体的特异性提出了更高的要求。相较一抗直接标记,“一抗+二抗”的间接标记法在实际应用中普适性更强。二抗相对一抗存在物种特异性的问题,生产时需要对其进行预吸附来提升物种特异性。为了探究二抗物种特异性对双色STORM成像的影响,基于经典的红细胞骨架模型中血影蛋白N端和C端的互斥位置关系,对二者使用高、低吸附二抗标记后分别进行双色STORM成像,对照模拟中有无信号串扰条件下的互相关分析结果,结果表明低吸附二抗会造成二者共定位的假象。进一步,分别通过高、低吸附二抗对MDA-MB-231乳腺癌细胞CD47和PD-L1两种膜蛋白进行双色STORM成像,结果揭示两种蛋白无共定位关系。本研究为二抗物种特异性的评估提供了一种基于红细胞骨架结构模型的超分辨成像新策略,助力双色STORM成像精准阐明蛋白分子互作关系。
超分辨成像 随机光学重建显微术 免疫荧光 红细胞膜骨架 互相关分析 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618008
作者单位
摘要
华南师范大学华南先进光电子研究院,广东 广州 510006
拉曼技术具有非侵入、分子指纹、不受水干扰、制样简单、光谱分辨率高等优点,在很多领域都是一种广受欢迎的研究工具。尤其在生物医学领域,拉曼技术不仅可以本征地捕捉正常生理或病理所携带的不同化学信息,而且该技术适用于检测各种常见的生物和临床样品(包括细胞、组织、体液和微生物等),目前很多课题组的研究结果都表明拉曼技术在生物医学领域具有巨大的应用前景。本文首先介绍自发拉曼散射和表面增强拉曼散射的基本工作机理,接着介绍分析处理拉曼数据(光谱和图像)的步骤和算法,然后简单总结了近年来非相干拉曼显微技术在生物医学上的研究成果,最后指出拉曼技术目前面临的挑战并展望了其未来可能的发展方向。
自发拉曼 表面增强拉曼 数据分析 生物医学应用 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618009
作者单位
摘要
浙江大学光电科学与工程学院极端光学技术与仪器全国重点实验室,浙江 杭州 310027
生命体是由大量有机排列的分子组成的,其结构不仅与分子的位置分布有关,还与分子的排列方式和空间取向有关。偏振荧光显微成像技术利用荧光的偏振特性,能够对生物结构的分子取向进行观测和成像,进而从分子层面揭示生命活动的功能和代谢信息,有力推动了生物医学相关领域的研究和发展。本文从偏振荧光成像原理出发,对目前存在的多种偏振荧光显微成像技术进行原理介绍和现状分析,列举了其在生物医学领域的相关应用,讨论了其发展趋势及前景,旨在为该领域的科研人员了解偏振荧光显微成像技术提供参考。
偏振荧光显微 偏振调制 分子取向 空间角度传递 超分辨 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618011
作者单位
摘要
中国科学技术大学物理学院光学与光学工程系,安徽 合肥 230026
光学薄膜广泛应用于光学仪器和测控技术中,充斥着我们生活的方方面面,使我们的生活更加丰富多彩。不同于常规的光学薄膜应用场景,本综述重点介绍如何将光学薄膜与光学显微成像结合起来。研究方案主要是:基于负载表面等离子体波的贵金属薄膜、具有光子带隙结构的介质多层薄膜,研制出应用于无标记显微探测的平面薄膜光子元件。得益于其平面结构特性与成熟的制作工艺,该类薄膜光子元件可兼容常规明场、宽场显微成像系统,可以作为被测样品的衬底或成像系统的插件。借助于薄膜与光波的近-远场相互作用特性,该器件可以调控系统的照明光场,如实现暗场照明、全内反射照明、边缘增强照明等。通过照明方式的改变,提升成像的对比度、探测灵敏度,进而发展出多模式、高灵敏度、高对比度、无标记光学显微成像与传感系统。为充分发挥该系统结构简单、宽场、高灵敏度、无标记成像的特点,将其应用于环境光子学领域,实现了真实大气环境中单个超细颗粒物吸湿增长过程的原位、实时、无损表征,有望为大气雾霾溯源与追因研究提供有力的科学支撑和技术工具。
薄膜光场调控,介质多层薄膜 贵金属薄膜 无标记显微探测 大气超细颗粒物 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618012
作者单位
摘要
1 之江实验室,浙江 杭州 311121
2 浙江大学光电科学与工程学院极端光学技术与仪器全国重点实验室,浙江 杭州 310027
作为工业数字图像质量评价在应用领域的重要延伸,光学显微图像定量评价主要通过对图像特征和属性进行分析计算,针对性地量化评估图像的质量。近年来,随着各类光学显微成像技术的蓬勃发展,图像定量化评价的重要性日益凸显,在总体图像处理中具有指导性作用。对现有的光学显微图像定量评价指标及相关算法进行总结,对各个算法的模型结构和性能表现进行讨论说明,阐述显微图像定量评价的应用和发展趋势,并对该领域目前所存在的问题和难点进行分析和展望。
光学显微图像 定量评价 分辨率 信噪比 结构相似度 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618013
张一凡 1,2李辉 1,2杨光 2,*
作者单位
摘要
1 中国科学技术大学生物医学工程学院,江苏 苏州 215163
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏省医用光学重点实验室,江苏 苏州 215163
光片显微镜由于具有强大的光学层切能力、较快的成像速度和较低的光损伤,成为三维成像的重要工具。光片显微镜通常利用两个垂直放置的物镜分别进行照明和成像,这带来了对样品的空间限制并禁用了高数值孔径的成像物镜。以倾斜平面照明和微镜微器件反射技术为代表的单物镜光片显微技术突破上述限制,展示出在高分辨率和体积高速成像方面的优势,并且可与超分辨显微术等多种技术结合,在近年来取得了巨大发展。介绍单物镜光片显微成像技术的原理、关键性能的提升和其在生物医学的应用。
生物光学成像 光片显微镜 三维成像 荧光显微镜 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618014
作者单位
摘要
国家纳米科学中心中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室,北京 100190
超分辨显微成像技术自诞生以来,凭借其优异的纳米级空间分辨率,已成为生命科学研究中精准揭示复杂生命现象的重要成像技术。其中,基于单分子定位的超分辨成像策略,使得定位、观察、研究单个探针分子独特的理、化、光学性能成为可能。偏振作为荧光信号的一个重要特性,近年来伴随着单分子三维取向成像技术的发展,逐步在单分子成像和超分辨领域中展示出诸多新颖且重要的应用特性。本文总结了单分子三维取向超分辨成像技术的最新进展,介绍并分析了两类主要的单分子三维取向荧光显微技术——基于荧光吸收与辐射偏振调制的单分子三维取向成像方法以及利用点扩散函数工程将单个荧光分子的三维取向信息编码到荧光图像上的成像策略。此外,还探讨了应用于活细胞或单颗粒的其他类型的超分辨取向成像技术。最后,针对单分子三维取向超分辨成像技术发展与应用前景面临的挑战,进行了总结与展望。
显微 单分子荧光 超分辨成像 单分子空间取向 单分子定位显微术 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618015
作者单位
摘要
Division of Life Science, The Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong, China
The last two decades have witnessed the invention and development of super-resolution microscopy (SRM) that breaks the diffraction limit of light and pushes the fluorescence microscopy resolution to several nanometers. While SRM is widely used in biological studies, such as resolving subdiffraction structures, molecular mapping, tracking single molecules, probing protein-protein interactions, and observing organelle dynamics, its direct application in translational medicine, such as disease diagnosis, is still preliminary. Despite their small size, cilia play a crucial role as organelles in cell signaling and motility, with defects in cilia leading to ciliopathy. Similar to other miniature organelles and macromolecular complexes, cilia are ideal for super-resolution imaging. In this review, we will 1) introduce cilia and ciliopathy, 2) show how SRM extends our knowledge of cilia, and 3) focus on how SRM improves the diagnosis of motile ciliopathies.
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618016
作者单位
摘要
之江实验室类人感知研究中心,浙江 杭州 311121
光声成像(PAI)是一种结合了光学成像高对比度和超声成像深穿透性的生物医学成像模态,近年来得到了迅速发展。其中,光声显微成像(PAM)作为光声成像的重要实现方式之一,可以在毫米级的成像深度上实现微米级甚至百纳米级的分辨率,能够实现对生物组织结构、功能和分子的高分辨率成像,已在临床诊断、皮肤病检测和眼科等领域得到广泛应用。首先对PAM的工作原理和实现方式等进行基本介绍,之后围绕便携式PAM技术,从手持与半手持式、脑部可穿戴式及集成多模态3方面对其研究进展进行综述,随后探讨便携式PAM技术面临的挑战,最后进行总结与展望。
生物医学成像 光声成像 光声显微成像 便携式光声显微成像 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618017
作者单位
摘要
1 北京航空航天大学物理学院,北京 100191
2 澳大利亚国立大学物理学院电子材料工程研究室,澳大利亚堪培拉 2601
超分辨荧光成像技术因其能够突破光学衍射极限的限制,为生命科学研究带来全新的观察尺度而获得了诺贝尔化学奖。但是,传统的超分辨荧光显微镜需要极为复杂的光学系统来突破衍射极限,通常伴随着明显的光毒性和低时间分辨率,昂贵的造价以及日益复杂的操作限制了其在生物医学领域中的推广应用。因此,全球各大研究团队都在积极寻求具有近红外、高亮度和抗光漂白的替代荧光探针,并通过改善成像装置与算法,进一步拓展超分辨显微技术的应用范围。稀土元素纳米材料由于其独特而优异的物理化学特性,如显著的反斯托克斯光谱位移、无背景噪声、抗光漂白、光稳定性、低毒性和高成像穿透能力等,持续受到化学、物理学和材料学领域的广泛关注,是近期兴起的一种稳定性优异的无机荧光探针。本文首先简要介绍了上转换纳米颗粒的发光机制,然后讨论了纳米结构材料中实现光子上转换的主要限制。此外还介绍了镧系元素掺杂上转换纳米粒子在超分辨生物成像、分子检测等领域的应用,以及介绍了包括降低激光功率要求和耦合技术难度、提高激光直扫成像分辨率与速度、提高多路复用成像效率等应用技术优势。最后重点介绍了颗粒合成方面的主要挑战、可行的改进措施以及对未来发展的展望,为稀土纳米材料在生命科学成像领域的推广应用提供有力的理论基础与技术支撑。
荧光显微 超分辨成像 上转换纳米颗粒 镧系离子掺杂 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618018
周瑶 1,2费鹏 1,2,*
作者单位
摘要
1 华中科技大学光学与电子信息学院,湖北 武汉 430074
2 湖北省高端生物医学成像重大科技基础设施,湖北 武汉 430074
近几十年来,光片荧光显微镜作为荧光显微技术的一种革新,显著提升了生命科学研究中对组织与细胞结构和功能的高时空分辨率成像能力。相较于传统的落射荧光显微技术,光片显微镜通过选择性逐层照明生物样本,大大提高了光子利用效率,降低了光毒性,并显著提升了成像速度。光片显微镜问世以来,其在生命科学研究中的应用范围逐渐拓宽,从胚胎学、神经科学到肿瘤研究等多个领域均有所涉及,不仅可用于观察细胞和组织的基本结构,还可用于实时监测生物过程中的动态变化。同时,其跨尺度的特点使其适用于从宏观到微观的多个尺度上的观察。本文综述了光片显微镜在高通量成像、超分辨成像以及易用性方面的应用及发展,旨在为生命科学研究人员提供全面的了解和参考,推动光片显微镜在更多领域的应用和发展。
荧光显微成像 光片荧光显微镜 高通量成像 超分辨成像 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618019
戴太强 1,2,3,4马英 5杜宇轩 1,2,3,4侯燕 1,2,3,4[ ... ]孔亮 1,2,3,4,*
作者单位
摘要
1 口颌系统重建与再生全国重点实验室,陕西 西安 710032
2 国家口腔疾病临床医学研究中心,陕西 西安 710032
3 陕西省口腔疾病临床医学研究中心,陕西 西安 710032
4 第四军医大学口腔医院颌面外科,陕西 西安 710032
5 西安电子科技大学物理学院,陕西 西安 710171
6 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
分离培养SD大鼠骨髓间充质干细胞,传代纯化后接种至共聚焦培养皿,置于自主研发搭建的平场定量相位显微镜下,利用荧光及相位双通道证实线粒体特征后,进行长时间无标记观察,分析平场定量相位显微镜观察到的线粒体分裂、融合过程,以及细胞凋亡过程中的线粒体变化。平场定量相位显微镜无标记观察到的线粒体可与荧光标记的线粒体完全重叠,表明平场定量相位显微镜可以清晰观察线粒体并进行无标记高分辨率成像。同时,平场定量相位显微镜可以对培养条件下的骨髓间充质干细胞进行长时间无标记观察,并高分辨率记录线粒体分裂、融合过程。此外,还利用平场定量相位显微镜首次完整记录了CCCP作用下线粒体的变化,该变化直观地呈现了线粒体途径的细胞凋亡过程。平场定量相位显微镜可以对培养的细胞进行长时间无标记高分辨率观察,为线粒体动力学的研究提供了一种新的观察手段。
无标记成像 平场定量相位显微镜 骨髓间充质干细胞 线粒体动力学 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618020
李栋梁 1,2蔡红星 1,2,*任玉 1,2李霜 1,2[ ... ]张桁源 1,2
作者单位
摘要
1 长春理工大学物理学院,吉林 长春 130022
2 长春理工大学吉林省光谱探测科学与技术重点实验室,吉林 长春 130022
3 吉林求是光谱数据科技有限公司,吉林 长春 130000
目前的显微光谱成像系统的探测模块主要以推扫型光谱成像仪为主,无法进行动态微观样本的观测。基于超材料宽谱调制型光谱成像技术体制,使用该原理研制的快照式光谱相机作为探测模块,其与显微镜模块形成新型的快照式显微光谱成像系统。该系统可实时获取样本的光谱曲线与光谱图像信息。同时利用该系统获取不同藻类的吸收光谱曲线,进一步使用基于支持向量机的图像分割识别算法,对水中的动态藻类样本进行识别。共测试样本80个,预测结果准确率为100%,召回率为65.52%,为快照式光谱成像技术在显微领域的应用奠定基础。
显微镜 光谱成像 快照式 吸收光谱 目标识别 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618023
作者单位
摘要
1 东北林业大学计算机与控制工程学院,黑龙江 哈尔滨 150000
2 东北林业大学机电工程学院,黑龙江 哈尔滨 150000
光谱共焦显微技术结合了共焦显微镜的高空间分辨率和光谱分析的高波长分辨率,凭借精度高、适用性强、无损检测等特性,广泛应用于工业生产、生物医疗和半导体芯片等领域。首先介绍点光谱共焦系统的原理,指出点光谱共焦检测效率低的缺点。其次,针对光谱共焦显微技术的关键性能指标改善,阐述了在光源、色散物镜和光谱信号检测等方面所取得的主要成果,并对各类光源进行定性对比。随后展示光谱共焦显微技术的扫描方法,梳理了相关研究进展,并总结了相关方法的优点和缺点。最后,展望光谱共焦显微技术未来的发展趋势。
光谱共焦显微技术 精密测量 宽光谱光源 色散物镜 扫描成像 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618024

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