1 长春电子科技学院 光电工程学院，吉林 长春 130114
2 清华苏州环境创新研究院，江苏 苏州 215163
3 吉林工程技术师范学院 量子信息技术交叉学科研究院，吉林 长春 130052
4 吉林省量子信息技术工程实验室，吉林 长春 130052
显微成像技术作为研究细胞和生物组织的主要工具，对生物医学的发展起到了极大的推动作用。生物样本的复杂化和生物医学领域对时间和空间分辨率的多样化需求决定了单一功能生物成像系统应用的局限性。为满足生物医学领域的多样化需求，解决成像质量与成像时间之间的矛盾，设计了一种基于深度学习的多分辨显微关联成像系统。该系统通过对显微镜进行硬件设计改造和软件处理，将深度学习与关联成像技术有效结合，当采样率仅为60%时，成像系统能够较好地恢复图像细节，大幅降低欠采样带来的噪声，同时显著提升系统成像的时间分辨率。另外，为了满足所设计的小型多分辨显微关联成像系统的实际需求，采用基于重参数化思想的超高效轻量超分网络，在资源受限的设备下实现实时高质量成像。所提出的成像系统可以在保证成像质量的同时显著缩短成像时间和减少内存占用。不同类型生物样本和分辨率板的测试结果进一步表明了系统的鲁棒性和抗噪性能，研究结果对生物医学领域具有重要意义。
显微成像 关联成像 深度学习 多分辨成像 microscopic imaging correlation imaging deep learning multi-resolution imaging 红外与激光工程
2023, 52(4): 20220461
中国地质大学(武汉)珠宝学院, 湖北 武汉 430074
“达碧兹”宝石具有由内含物或者致色元素的分布不均导致的类似于“六射星光”的六方对称的特殊现象, 具有该现象的宝石可成两类, 即由内含物将主晶体分隔为不同区域而形成的“达碧兹”宝石, 以及由于内部其他原因形成的外观上与“达碧兹”宝石近似的“类达碧兹”宝石。 紫外可见近红外光谱显示四块样品中均出现的375与450 nm附近的几个窄吸收峰, 均为Fe3+所产生的晶体场场谱。 560 nm附近的宽吸收带则应当为Fe2+与Ti4+两种离子发生电荷转移时产生的电荷移动谱, 这是在黄色蓝宝石之外绝大部分蓝宝石中都会出现的吸收带。 拉曼(Raman)光谱测试发现, 在具有“类达碧兹”图样的山东蓝宝石内部的各个部位的矿物相均为刚玉相。 其拉曼位移峰集中于位于在378、 417及576 cm-1等处, 证明其并没有被矿物包裹体分隔为不同的生长区域, 应当属于“类达碧兹”系列。 能量色散型X射线荧光光谱(EDXRF)分析测试发现其内部各处的铝元素含量远远高于其他元素, 且符合刚玉矿物的理论值97%以上。 激光剥蚀等离子体质谱(LA-ICP-MS)结果证实在的“核心”与“臂”等区域Fe、 Ti等微量元素含量均明显高于其他元素, 造成了上述区域的颜色加深。 山东“类达碧兹”蓝宝石出现“类达碧兹”图样的原因是致色元素差异分布导致的, 故而仍然属于“类达碧兹”系列。
“类达碧兹”蓝宝石 紫外-可见-近红外光谱测试 激光拉曼光谱 X射线荧光光谱 激光剥蚀等离子体质谱 Trapiche-like sapphire UV-VIS-NIR spectra Raman spectra EDXRF LA-ICP-MS 光谱学与光谱分析
2023, 43(4): 1199
乙酸乙烯酯-乙烯共聚物乳胶粉(EVA)应用广泛，其检测技术的发展至关重要。本研究利用热重-质谱联用技术(TG-MS)，在质量维度上建立了一种对EVA进行定量分析的方法。通过热重-红外-气质联用仪探究了EVA的热解过程，结果表明EVA的热解可分为三个阶段，其中第二阶段脱乙酰化步骤产生大量的乙酸能被清晰识别，同时在此步骤中也有低分子量的(CH)n碎片和丙酮产生。随着热解温度升高，分子量较大的苯环衍生物和(CH)n碎片在高温下被检测到。这表明在脱乙酰过程中聚合物主链末端发生了断链反应，随着温度的升高，不饱和烯烃结构热解产生芳香挥发物。通过在线质谱监测等温脱乙酰化反应，确定酮类物质的生成并不会影响脱乙酰化反应的进行，因此使用乙酸对EVA进行定量分析是合理的。通过MS信号与乙酸质量关联，建立了EVA的定量分析方法，为分析样品中EVA的定量检测提供了一种新方案。
水泥砂浆 热重-质谱联用技术 脱乙酰化 定量分析 热解机理 EVA EVA cement mortar TGA-MS deacetylation quantitative analysis pyrolysis mechanism
1 中国地质大学(武汉)珠宝学院，湖北 武汉 430074
2 中国地质大学(武汉)先进制造研究所，湖北 武汉 430074
3 华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
金属蒸气、飞溅和熔池是激光选区熔化(SLM)增材制造过程中的重要物理现象，与成形质量关联密切。本文基于高时空分辨原位成像系统，研究了SLM成形过程中金属蒸气与飞溅的相互作用。实验发现：金属蒸气不仅可以间接作用于粉末颗粒，即通过卷吸作用诱导的惰性卷吸气流形成粉末飞溅，还可以直接作用于粉末颗粒，即通过抬升力或反冲力使粉末颗粒进入蒸气羽流或落回粉床。得到了从熔池“液基”出射的熔滴飞溅以及从基板“固基”出射的粉末飞溅的速度阈值。将SLM成形过程中的飞溅作为示踪粒子，原位测量获得了蒸气反冲压。研究蒸气反冲力作用下金属蒸气与飞溅的“气-固”相互作用，为深入理解金属蒸气与熔池的“气-液”相互作用等现象奠定了基础。
激光技术 激光选区熔化 金属蒸气 飞溅 动力学 相互作用 增材制造 中国激光
2022, 49(14): 1402202
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 国家环境保护环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
针对傅里叶变换红外光谱仪因信号噪声干扰较大而导致仪器性能下降的问题, 提出了一种基于巴特沃斯带通滤波器的傅里叶变换红外光谱处理方法。首先对带通滤波电路的传递函数进行了理论推导, 随后结合光谱仪参数并经电路软件 Multisim 仿真确定电路元件的具体值, 并通过实验进一步优化直至满足设计要求指标, 最后将设计的带通滤波器用于光谱仪中, 对比分析了增加滤波板前后测量得到的仪器信噪比。实验结果表明: 基于巴特沃斯滤波器的红外光谱处理方法在 2100 ～ 2200 cm-1和 2500 ～ 2600 cm-1 波段得到的仪器信噪比分别为未加滤波器由传统处理方法得到的仪器信噪比的 1.83 倍和 1.96 倍。表明新处理方法有效提高了仪器信噪比, 改善了仪器的性能指标。
光谱学 傅里叶变换红外光谱 巴特沃斯带通滤波器 幅频特性 信噪比 spectroscopy Fourier transform infrared spectroscopy Butterworth bandpass filter amplitude-frequency characteristic signal to noise ratio
中国地质大学(武汉)珠宝学院, 湖北 武汉 430074
玛瑙在世界各地分布广泛, 有关玛瑙矿物学和光谱学特征的研究颇丰, 但对产自马达加斯加安楚希希市和马哈赞加省的玛瑙的光谱学和产地特征研究甚少。 采用正交偏光显微镜、 红外光谱和拉曼光谱仪对5块来自安楚希希市和马哈赞加省具有纹带结构的玛瑙样品进行光谱学特征分析。 结果表明: 这两个产地玛瑙的主要矿物成分一致, 均为α-石英和斜硅石。 来自马哈赞加省的样品靠近中心的白色、 红色部分斜硅石的特征拉曼峰(501cm-1)缺失, 根据前人研究发现是与玛瑙内部的结构水之间发生脱水反应形成中性水分子, 而这些中性水分子与斜硅石反应生成了石英颗粒有关。 然而两产地玛瑙的致色矿物不同, 马哈赞加省玛瑙棕色和红色部分具有222, 294, 410以及1 316 cm-1的特征拉曼位移峰, 与赤铁矿的拉曼特征峰相符, 确定这部分的致色矿物是赤铁矿, 而安楚希希市玛瑙黄色部分只具有400和1 160 cm-1的特征峰, 与六方纤铁矿的拉曼特征峰相符, 因此此部分的致色矿物是六方纤铁矿(δ-FeOOH)。 部分来自安楚希希市的玛瑙具有少量的杂质矿物, 通过拉曼测试发现杂质矿物的成分也是六方纤铁矿(δ-FeOOH)和α-石英。 结合六方纤铁矿的特性推测来自安楚希希市的四块样品是处于低温(<80 ℃)、 Fe2+含量很少(β<0.03)且空气不流通的偏酸性的环境当中形成的。 红外光谱测试发现两个产地的玛瑙均有液态水(3 400 cm-1左右)和结构水(3 750~3 500 cm-1)的红外特征峰, 安楚希希市的结构水红外特征峰位于3 740 cm-1处, 可推测该结构水位于结构缺陷处。 结合马达加斯加玛瑙的光谱学特征和纹带结构的讨论, 对推测马达加斯加玛瑙的形成机制有着重要的意义; 并且六方纤铁矿(δ-FeOOH)可以作为区别于其他产地的标型矿物, 具有产地特征意义; 同时为研究马达加斯加玛瑙形成的地质环境提供了数据支持。
马达加斯加玛瑙 纹带结构 光谱学特征 成因机制 六方纤铁矿(δ-FeOOH) Madagascar agates Spectral characteristics Banded structure Formation mechanism Feroxyhyte (δ-FeOOH) 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3227
中国地质大学(武汉)珠宝学院, 湖北 武汉 430074
近年来, 墨西哥蓝珀备受欢迎, 在市场上占有量越来越大。 红蓝料琥珀作为蓝珀的品种之一, 因其表层通常具有一层褐红色的氧化皮层, 内层琥珀在紫外光下具有蓝绿色荧光, 被称为“红皮蓝珀”。 但墨西哥琥珀中的红蓝料由于形成条件的限制非常稀少。 通过宝石学常规测试、 显微放大观察、 傅里叶红外光谱和光致发光光谱等, 对墨西哥红蓝料琥珀的宝石学特征和谱学特征进行研究, 并与墨西哥的黑皮料琥珀展开对比研究。 墨西哥红蓝料琥珀红皮常呈微透明, 内部为半透明—微透明, 红皮厚度不均, 由黑色点状包裹聚集流动组成。 长波紫外灯下红皮部分显示弱至无的荧光, 内部显示较强的蓝色荧光。 红外光谱中墨西哥红蓝料红皮部分位于1 723和1 233~1 046 cm-1处的吸收峰分别是由含氧基团C=O及C—O所致, 由—CH3所致的吸收峰位于2 928 cm-1, 其中含氧基团C=O是使红蓝料琥珀呈现红色的生色团。 红蓝料琥珀红皮部分C=O峰与—CH3峰的吸收强度比约为4/5, 而内部约为2/5~1/2, 红蓝料琥珀表层红皮部分的氧化程度较内部强, 并且红蓝料琥珀内部氧化程度高于黑皮料内部。 光致发光光谱结果表明红蓝料琥珀的红皮部分和内层的发光中心不同, 红皮部分以562和506 nm为发光中心, 而内层大多以467和472 nm为发光中心。 随着氧化程度的增加, 发光中心逐渐红移, 荧光强度明显降低, C=O对墨西哥红蓝料琥珀的荧光起到了淬灭作用。 黑皮料琥珀内部特征谱峰具489和466 nm两个宽的发光中心, 黑皮料琥珀内部的荧光强度较红蓝料琥珀更高。 该研究为墨西哥红蓝料琥珀的鉴别提供了依据, 有助于墨西哥红蓝料琥珀与其他产地、 其他品种琥珀的区分, 具有重要的理论意义和市场运用价值。
红蓝料琥珀 墨西哥 红外光谱 光致发光光谱 荧光 Red blue amber Mexico Infrared spectroscopy Photoluminescence spectroscopy Fluorescence 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2618
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
相位误差校正是恢复高质量光谱图的关键环节之一。常用的 Mertz 法利用过零采样的单边干涉图数据, 可以快速进行相位校正。针对该方法中对非对称干涉图利用不均匀导致的光谱图高频分量恢复不准确的问题, 提出基于改进 Mertz 法的相位校正方法。利用奇次多项式对非对称干涉图加权, 使得改进的 Mertz 法均衡利 用 “小双边" 干涉图的光谱信息。实验结果表明: 采用所提出的改进 Mertz 法能有效恢复光谱的细节信息, 提升仪器的信噪比。相比于线性函数加权法, 所提出的奇次多项式加权在 900～1100 cm－1 波段 和 2500～2600 cm－1 波段, 平均峰- 峰值信噪比分别提升了 1.2%、2.3%, 均方根值信噪比分别提升了 3.6% 、1.1%。
光谱学 相位校正 改进的 Mertz 法 干涉图 奇次多项式加权 spectroscopy phase correction improved Mertz method interferogram odd polynomial weighting
Author Affiliations
Abstract
1 School of Science and Technology, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China
2 State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks, School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
3 Jiangxi Key Laboratory of Photoelectronics and Telecommunication, Department of Physics, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China
4 Collaborative Innovation Center of Light Manipulations and Applications, Shandong Normal University, Jinan 250358, China
Based on nonlinear wave mixing, we experimentally propose a scheme for directly generating optical orbital angular momentum (OAM) by a spirally structured fundamental wave interacting with a nonlinear medium, in which the nonlinear susceptibilities are homogenous. In the experiment, the second-harmonic generation of a fundamental wave carrying positive (negative) integers and fractional OAM states was investigated. This study presents a convenient approach for dynamic control of OAM of vortex beams, which may feature their applications in optical manipulation and optical communication.
vortex beams optical orbital angular momentum spirally structured fundamental wave Chinese Optics Letters
2021, 19(6): 060005
1 中国地质大学(武汉)珠宝学院, 湖北 武汉 430074
2 中国地质大学(武汉)珠宝检测中心, 湖北 武汉 430074
近年来绿松石市场上出现了俗称“绿松石伴生矿”的天然矿物, 颜色丰富, 有紫色、 白色、 褐黄色、 黄绿色、 绿色等, 其中黄绿色-绿色系绿松石伴生矿相对其他颜色绿松石伴生矿与绿松石外观较为相似, 鉴别难度较大。 为探究其鉴别特征, 选取两块来自湖北省竹山县市场的黄绿色-绿色系伴生矿原石(样品E和F), 对其进行基础宝石学、 电子探针、 X射线粉晶衍射、 显微激光拉曼光谱及紫外-可见分光光谱测试。 测试结果显示该色系绿松石伴生矿的主要矿物成分为氟磷灰石(Ca5(PO4)3F)、 白云母(KAl2(AlSi3O10)(OH)2)等。 电子探针背散射照片显示样品为结晶颗粒细小的多物相混杂的混合物, 化学成分定量测试结果表明深色物相为含铝的硅酸盐, 而浅色物相为含钙的磷酸盐, 此外两样品含有2.27～6.22 Wt%的CuO和2.43～4.99 Wt%的FeO; 有损测试X射线粉晶衍射可准确测试样品主要矿物为氟磷灰石和白云母及少量绿松石; 样品的氟磷灰石和白云母典型拉曼谱峰可作为有效鉴别依据, 其中964 cm-1附近氟磷灰石的典型拉曼谱峰以及203, 432, 709和3 626 cm-1附近白云母的典型拉曼谱峰可将其与绿松石有效鉴别。 紫外-可见吸收光谱测试结果表明样品的颜色成因与绿松石相似, 主要是由Cu2+和Fe3+的电子跃迁所致。 通过对该色系样品相对较系统的谱学测试, 笔者认为拉曼光谱是鉴别绿松石伴生矿中不同矿物相的无损、 快速、 有效的方法, 氟磷灰石和白云母典型拉曼谱峰可将其与绿松石有效区分。
绿松石 伴生矿 拉曼光谱 X射线粉晶衍射 Turquoise Associated mineral Ranman spectrum X-ray powder diffraction 光谱学与光谱分析
2020, 40(6): 1815
