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。

光谱成像具有良好的多维信息获取能力，广泛应用在食品安全、医学诊断、环境监测、伪装识别及**遥感等领域。传统光谱成像系统受到分光器件的限制，其存在体积大、成本高和集成度低等问题。基于新型超构表面的成像光谱芯片可为传感器小型化、低成本提供有效解决方案。随着光谱分析需求的持续攀升，加速了超构表面成像光谱芯片的快速发展。本文综述了近年来超构表面成像光谱芯片研究进展。在此基础上，介绍了本团队最新研究成果，通过创新设计成像光谱芯片体系架构，可同时实现高能量利用率、高空间分辨率、高光谱分辨率，为芯片级光谱成像系统的应用打下良好的基础。最后论述了成像光谱芯片的发展趋势及应用前景，为实现光谱成像系统小型化提供参考。

痤疮是属于丙酸杆菌皮肤病脉的一种慢性炎症, 它危害着人体健康。虽然市面上存在痤疮识别手段, 但其仪器较大且费用昂贵, 目前尚无民用级别的痤疮识别系统投入使用。本文提出一种基于多光谱成像技术的面部痤疮识别方案, 即利用多光谱相机设备, 分别对面部正常与不同严重程度痤疮皮肤进行多光谱图像信息采集, 通过图像处理方法对采集的信息进行多光谱图像分析, 并通过光谱反演算法获取光谱信息。然后将反演出的正常和不同严重程度痤疮皮肤的反射率谱线, 与高精度光谱仪在同等实验条件下探测的谱线趋势进行对比。最后建立支持向量机(support vector machine, SVM)面部痤疮三度四级分类模型, 准确率为90%, 验证了基于多光谱成像技术对面部痤疮无创识别与分类的可行性。

文章在理论方面利用亚波长孔阵结构透射峰位关系公式, 针对光谱探测器件所需要的具备单峰窄带透射特性的介质-金属-介质的三层结构”双玻孔阵”结构模型的窄带单峰透射结果, 基于现有的加工工艺对较常出现的上沿过刻、孔底残留和孔底过刻三种实验误差进行了潜在失效模式分析, 与标准双玻孔阵模型对比结果, 分析得到加工误差对窄带单峰透射的各种影响及产生的机理。对利用双玻孔阵结构的异常透射原理对入射光进行选择性透过制备出的新型像素级滤光膜系的制备工艺有一定的指导意义。

中波红外器件从单色、双色, 向多光谱方向发展, 金属微纳结构是实现中波红外光谱功能的核心器件, 为研究中红外透射光谱特性并实现透射光谱的调制, 基于表面等离激元共振(SPs)理论, 结合有限时域差分法(FDTD)对薄膜型金属微纳孔阵列的透射光谱进行了模拟研究。深入分析了入射光源在中红外3.0~5.0μm波段内, 孔洞的形状和大小、孔阵列周期、金属膜层厚度以及金属材质对光谱透射特性的影响。通过设计模拟不同结构, 发现透射光谱强度主要由孔洞结构的大小决定, 改变阵列的周期可以调制透射峰位, 同时透射强度随着金属膜厚度的减小而快速增大, 金属材质Ag更易于中红外光的透射; 进一步依据圆孔半径(方孔边长)、阵列周期以及透射峰位, 用最小二乘法拟合得到了不同结构模型对应的设计关系式, 即在理论层面实现了3.0~5.0μm波段金属微纳结构透射光谱的调制功能, 为多通道孔阵滤波器以及光谱探测设备的设计提供了理论依据。

小型化的光谱探测设备有低载荷、低成本、高集成度等诸多应用优势。而滤光/分光模块是光谱探测设备的核心组件。本文利用亚波长金属孔阵模型设计出一种有别于传统滤光片的滤光组件, 将对应的近红外波长的光进行选择性透过。一直以来基于超透射现象的亚波长金属孔阵滤光膜因上下介质的介电常数不同而产生两个强透射峰, 难以实现单通道滤光, 针对此缺陷设计了两层对称介质的双层玻璃透射形结构, 在近红外波段成功实现了单波长透射的特性。通过时域有限差分法进行仿真运算, 成功实现了1.25μm、1.40μm、1.55μm、1.70μm, 透射率约45(±3)%四种窄带透射, 半波峰宽度50nm的结果。并总结出结构参数的相应设计公式, 在1~2μm波长近红外区可以实现任一波长的滤光调制, 且透射率与频宽可调。

金属纳米颗粒的等离激元共振引起的局域场增强效应, 对显微成像、光谱学、半导体器件、非线性光学等诸多领域都具有极大的应用潜力。尤其是在光学纳米材料领域, 通过亚波长金属纳米颗粒与电介质的组合引起局域场增强效应, 提高了纳米材料的光学性能, 并促进纳米材料在光学领域的应用。本文主要综述几种常见纳米结构所产生的局域场增强效应及其应用, 详细介绍并总结了金属纳米材料的不同结构参数与局域场增强的关系及局域场增强在非线性光学、光谱学、半导体器件等领域的应用。未来, 随着对金属纳米材料的研究愈发深入, 局域场增强的应用将更加广泛, 这将对诸多领域的发展产生重要影响。

基于金属量子点的局域等离激元效应,提出一种新的固体介质表面微结构的制备方法。利用飞秒激光辐照涂有Cu2S量子点的K9玻璃,在其表面制备出了类似光栅结构的亚波长周期性条纹。当飞秒激光的中心波长为1300 nm、脉宽为50 fs、激光功率为230 mW时,玻璃表面的亚波长周期性条纹结构尺寸为34 nm。通过模拟得到了附有Cu2S量子点玻璃表面的近场分布,模拟结果表明, 出现这种周期性条纹结构是入射飞秒激光与量子点产生的等离激元场之间产生干涉引起的。该制备方法可以降低透明介质微构造的激光功率阈值,改善了透明基质表面的微纳结构加工工艺。

随着纳米加工和制备技术的不断发展，金属纳米粒子的等离激元光学特性已得到了广泛的研究与应用。本文基于金属纳米颗粒等离激元共振特性，分析了金属纳米颗粒等离激元共振对介质谐波的增强机制，综述了该增强机制在近几年所取得的最新研究成果及其在生物成像领域的应用。金属纳米颗粒等离激元共振在增强介质非线性特性领域的发展趋势是从简单的金属纳米颗粒向复杂形状纳米颗粒和金属纳米颗粒组装体的发展，这些新型金属纳米颗粒在非线性光学、生物医学上的疾病诊断和治疗有良好的实际应用前景。

成功制备出高品质的三元AgInS2量子点。通过配体交换法将油溶性AgInS2量子点转为水溶性量子点, 通过dBSA修饰水溶性量子点形成配位体壳, 使量子点具有更好的稳定性(4周)。从透射电子显微镜(TEM)观察到dBSA修饰后的量子点的粒径增加, 分散性较好, 并且在可见光区域有明显的光致发光。用叶酸对dBSA-MPA量子点进行修饰, 并通过傅立叶变换红外光谱进行了验证。将得到的FA-dBSA-MPA纳米复合材料应用于能与叶酸受体特异性结合的乳腺癌细胞中, 并在荧光倒置显微镜中检测到量子点成功对乳腺癌细胞进行了标记。与dBSA-MPA量子点相比, 表面被叶酸修饰后的量子点与癌细胞的结合效率显著提高。