1 首都师范大学物理系太赫兹光电子学教育部重点实验室，北京 100048
2 中国人民大学物理系，北京 100872
由于液体（尤其是液态水）对太赫兹波的强吸收，以液体为介质的太赫兹波产生和探测长期以来被认为是无法实现的。本文综述了基于液体的太赫兹相干探测方法，此方法能在更低的探测激光能量下实现更高的探测灵敏度，可以解决目前基于固体和空气的探测方法遇到的探测频带受限、探测激光能量过高的问题。该探测方法的工作机理被归结为飞秒激光与太赫兹波在液体等离子体中的四波混频过程，因此太赫兹波与探测激光、产生的二次谐波间的场强、偏振具有简单的依赖关系，这使得此方法具有良好的稳定性，并可用于太赫兹波偏振敏感光谱的检测。液态水对太赫兹波的强吸收限制了检测灵敏度的进一步提高，可以利用其他液体或溶液替代纯水来降低太赫兹波的吸收，提高探测灵敏度，这对于该探测方法的进一步推广具有重要意义。
非线性光学 太赫兹波 相干探测 液体等离子体 四波混频 中国激光
2023, 50(17): 1714006
首都师范大学物理系太赫兹光电子学教育部重点实验室, 北京 100048
最新的实验研究表明通过激光激发液体诱导等离子体可产生宽带太赫兹波, 且液体作为太赫兹波辐射源具有独特的性质。液体具有与固体相当的物质密度, 激光在一定区域内与分子的相互作用比气体多三个数量级; 而与固体相比, 液体的流动性使得每一个激光脉冲可与目标物液体靶的新区域相互作用。这些特性使得液体在高能量密度等离子体的研究中具有广阔的前景, 甚至有可能成为下一代太赫兹波辐射源。本文全面综述了液体的流体状态和种类、激光入射位置和角度、脉冲持续时间以及脉冲能量等因素对产生太赫兹波的影响。
非线性光学 太赫兹波源 液体 等离子体 光致电离 nonlinear optics terahertz source liquid plasma laser-induce ionization
光子学报
2022, 51(10): 1017001
1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院精密光机电一体化技术重点实验室，北京 100191
2 北京大学第三医院肿瘤放射治疗科，北京 100191
3 北京大学第三医院基础医学研究中心，北京 100191
癌症作为一种恶性化程度和致死率很高的疾病，是世界各国共同面对的难题。研究癌细胞的死亡过程，对于研究癌症的病理学机理以及探究有效的癌症治疗方法具有重要意义。本团队采用数字全息显微层析成像技术，对膀胱癌细胞内部的空泡进行了全息记录和衍射再现，获得了癌细胞在不同角度下的复光场数据；然后采用衍射层析重建算法结合非负约束条件，层析重构了癌细胞内部空泡的三维形态和空间位置，证实了数字全息显微层析技术在癌细胞内部空泡三维成像方面的优势和潜力。这一成像方式在研究癌细胞类凋亡过程中的形态变化以及探索新的癌症治疗策略等方面具有重要的应用价值。
医用光学 全息 显微成像 层析技术 癌细胞空泡化 中国激光
2022, 49(20): 2007209
沈阳农业大学信息与电气工程学院, 辽宁 沈阳 110161
纹枯病是水稻的主要病害之一, 其防治对于保证水稻产量、 质量具有重要意义, 以高光谱检测水稻病害得到了广泛应用, 并且高光谱降维是光谱分析的重要环节。 该研究在2019年沈农水稻试验基地获取水稻低空遥感冠层与地面冠层高光谱, 并对其进行以窗口宽度为15和阶数为3的Savitzky-Golay平滑处理和光谱变换(得到原始光谱、 一阶微分光谱和倒数之对数光谱), 分窗口对这3种光谱分别进行Gram-Schmidt变换, 找到投影空间并映射出主基底, 实现高光谱数据降维, 绘制具有显著性概率的主基底, 其极大极小值为特征波段。 此外3种光谱还采用了主成分分析和连续投影法降维。 以降维后的数据与水稻纹枯病病情指数进行支持向量机回归建模, 其中支持向量机回归进行粒子群优化, 并以径向基为核函数, 对比分析了3种降维方式的降维效果。 结果表明: 水稻地面冠层尺度建模效果高于低空遥感尺度建模; 在光谱处理方面, 低空冠层高光谱进行倒数之对数变换效果较好, 地面冠层所得高光谱数据进行一阶微分变换效果较好; 分窗Gram-Schmidt变换算法优于主成分分析和连续投影法; 粒子群算法可以优化支持向量机中的惩罚系数和核函数参数, 提高其反演精度; 无人机低空遥感尺度中, 高光谱进行倒数之对数处理, 以分窗Gram-Schmidt变换降维, 敏感波段为427.3, 539.6, 749.5和825.4 nm, PSO-SVR建模决定系数R2为0.731, 均方根误差RMSE为0.151; 地面冠层尺度中, 高光谱进行一阶微分处理, 以分窗Gram-Schmidt变换降维, 敏感波段为552, 607, 702和730 nm, PSO-SVR模型决定系数R2为0.778, 均方根误差RMSE为0.147。 因此, 高光谱技术可以有效地检测水稻纹枯病, 并且其病情指数可用冠层高光谱进行反演, 分窗Gram-Schmidt变换对于高光谱数据降维有较好的效果, PSO-SVR建模对于水稻纹枯病病情指数的反演有明显提高, 结果可为冠层尺度检测水稻纹枯病与病害发生情况提供一定的理论基础和技术支撑。
水稻纹枯病 病害检测 高光谱降维 Gram-Schmidt变换 粒子群优化 支持向量机回归 Rice sheath blight Disease detection Hyperspectral dimensionality reduction Gram-Schmidt transform Particle swarm optimization Support vector machine regression 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2181
1 深圳技术大学健康与环境工程学院, 广东 深圳 518118
2 深圳大学物理与光电工程学院, 广东 深圳 518060
3 广东省普通高校先进光学精密制造技术重点实验室, 广东 深圳 518118
单分子定位显微成像技术采集的图像中包含大量噪声及样本复杂的背景信息,而现有定位重组计算中常用的去噪算法难以去除结构性噪声,从而影响了超分辨图像的重建效果。本文构建了基于时域迭代小波变换(TDIWT)的背景噪声去除算法,该算法可针对不同信噪比的单分子数据集自适应选取合适的分解层数和迭代次数进行批量去噪处理。在模拟数据验证中,所提算法相比空域小波和时间极值发射极恢复算法在结构相似性指数、峰值信噪比上分别高出226%、50.8%和58.5%、16.6%。此外,利用自行搭建的easySTORM系统采集的实验数据和单分子显微成像测试网站提供的实验数据进行了不同算法的背景去噪比较,结果发现,TDIWT处理后重建的超分辨图像可使受噪声影响断裂的微管蛋白呈现为连续状态,验证了其优秀的结构性荧光噪声去除效果。TDIWT算法为单分子显微成像重建过程中结构性背景噪声的去除提供了新的自适应批量处理方案。
图像处理 单分子定位显微成像 超分辨成像 时域迭代小波变换 背景去噪 中国激光
2021, 48(13): 1307001
1 深圳大学物理与光电工程学院,光电子器件与系统广东省/教育部重点实验室, 广东 深圳 518060
2 深圳技术大学健康与环境工程学院, 广东 深圳 518118
随机光学重建显微镜(STORM)关键技术包括大量随机闪烁图像的数据定位与重建算法,而现有的常用开源算法在大数据量情况下存在用时过长或内存受限等限制,影响了STORM技术的进一步推广应用。基于MATLAB和并行计算的方法构建了WindSTORM PLUS开源算法,采用该算法进行单分子定位数据处理。在模拟数据集下,对比WindSTORM和ThunderSTORM,WindSTORM PLUS算法的处理速度提高了1000%,且对比WindSTORM,内存需求降低了60%。此外,搭建了easySTORM系统,在实验数据的处理耗时对比中,WindSTORM PLUS只有WindSTORM和Gauss-WLS的9%,验证了其在超大数据集下处理速度的优越性。WindSTORM PLUS开源算法为超分辨图像处理提供了一个新的高速处理方案。
显微 随机光学重建显微镜 并行计算 超分辨成像 图形处理器
1 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
2 北京大学人民医院 妇产科, 北京 100191
针对动态观察活体细胞形态的数字全息显微应用, 提出了一种结合划线拟合和深度学习的自动相位像差补偿方法.首先在全息面提取中心十字线上的物光场相位值, 通过二次多项式数值拟合构建相位掩模完成相位像差初步补偿.然后在成像面运用卷积神经网络生成二值化图像掩膜, 提取物光场中无物体区域的相位值, 再次通过高阶多项式进行数字拟合构建相位掩模完成相位像差精确补偿.最后得到无相位像差的再现相位像.该方法通过在全息面划线取值和数字拟合有效补偿物光中的主要相位像差, 降低了成像面物光场的图像轮廓复杂性, 利用有限的训练数据集获得能够准确建立图像分割的深度学习模型, 从而实现了准确的无需人工干预的数字全息显微自动相位像差补偿.基于离轴数字全息显微成像系统对多种具有不同形态特征的活体细胞开展动态观察实验, 并进一步应用该方法进行子宫内膜癌细胞抗药性筛选.结果表明该方法可以很好地用于动态显微观察, 从而为生物学细胞动态研究提供实验依据.
数字全息显微 像差补偿 深度学习 生物细胞 图像分割 Digital holographic microscopy Aberration compensation Deep learning Biological cell Image segmentation 光子学报
2018, 47(12): 1210001
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191
抑制数字全息中相干噪声可以获得更高质量的数字全息再现图像。本文提出一种结合双边滤波和小波邻域阈值的数字全息相干噪声抑制方法。对再现像进行小波变换，利用小波邻域方法对高频分量小波阈值去噪，对低频分量做双边滤波处理，最后做小波逆变换得到去噪再现像。通过仿真分析将该方法与中值、均值、维纳滤波等方法进行了比较，去噪后所得图像的峰值信噪比提高了 0.4 dB ～2 dB，与原始图像的相关性更高。利用全息实验数据验证了方法，结果表明本文方法能够有效抑制散斑噪声，同时更好的保留再现像的细节信息。
数字全息 相干噪声 散斑抑制 小波变换 双边滤波 digital holographic coherent noise speckle suppression wavelet transform bilateral filtering
