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 山西大学极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
核孔复合物（NPC）是细胞核膜上由多种蛋白组装而成的复杂结构，在细胞核质交换和信息传递中起着关键作用。单分子定位超分辨成像（SMLM）以其特异性和高成像分辨率成为研究NPC超微结构的主要方法之一。然而，由于抗体标记不完全等因素导致的数据丢失，给后续分析带来了困难。笔者使用SMLM提供的定位信息，结合基于密度的空间聚类算法（DBSCAN）和层次聚类算法进行数据的提取和分类，建立了NPC筛选和定位的分析流程，并采用该处理流程得到了缺失较少且形貌比较均匀的核孔。进一步，基于最小二乘法原理对筛选得到的大量NPC进行质心对齐的重构处理，成功复现出了其经典的八重对称结构，并揭示了核孔蛋白Nup133与Nup98的精确相对位置关系。本研究通过建立核孔筛选和重构的标准流程，填补了SMLM数据的缺失。采用该流程对多种核孔蛋白进行分析，揭示它们的结构特性。所建流程为理解核孔的复杂结构提供了一种高通量的定量分析方法。
生物光学 超分辨成像 单分子定位 核孔复合物 聚类算法 重构
1 北京大学 化学与分子工程学院，稀土材料化学及应用国家重点实验室，北京大学⁃香港大学稀土材料与生物无机化学联合实验室，北京分子科学中心，北京 100871
2 兰州大学 化学化工学院，甘肃 兰州 730000
近年来，将近红外光转换为短波长的可见或近红外光的稀土纳米晶上转换发光研究吸引了生物成像、纳米温度传感、太阳能电池等领域研究者的广泛关注。面向多领域的应用需求，稀土纳米晶上转换发光需提高其发光强度、发光波长以及激发波长的选择性。本文综述了纳米尺度上，通过组成、结构以及核壳结构的设计，在理解上转换发光过程的能量传递路径和上转换发光过程的基础上，提高对上转换发光的颜色、各跃迁的比例以及发光强度、发光寿命等调控的研究进展。此外，还关注了纳米晶与贵金属表面电场、表面有机分子以及环境温度的耦合在提高辐射跃迁几率、减少无辐射能量损失等方面提高其上转换发光强度的研究发展趋势。
稀土纳米晶 上转换发光 核壳结构 rare earth nanocrystals upconversion emission core/shell structure
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 药物化学生物学国家重点实验室，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
成熟人红细胞膜骨架是由膜下多种蛋白组成的三角晶格网状结构，在维持红细胞形态、变形性、运动和代谢等功能方面扮演着重要角色。单分子定位超分辨成像（SMLM）技术在解析骨架超微结构方面展现出了强大的能力，但分辨率的提升对成像分析手段提出了更高要求。作为一种常用的空间分析方法，Vorono?分割在SMLM图像聚类分析中已被广泛应用。笔者利用自主搭建的SMLM超分辨成像系统获得红细胞膜蛋白和骨架蛋白的超分辨点簇图像，对点簇质心进行Vorono?分割，并对Vorono?多边形面积分布进行伽马函数拟合，发现自由膜蛋白CD59的伽马分布峰值对应的x轴坐标xpeak为0.78。结合模拟结果，验证了自由膜蛋白CD59呈随机分布。进一步，肌动蛋白、血影蛋白N端和原肌球蛋白的Vorono?分析结果显示它们的xpeak均为0.86，而锚蛋白的xpeak为0.84，说明骨架膜蛋白呈相对均匀的分布状态，但锚蛋白较其他骨架蛋白更具随机性。Vorono?方法可助力阐释红细胞膜骨架蛋白的空间分布特性，同时也为点簇状SMLM超分辨图像数据的深入提取提供了新思路和新方法。
生物光学 超分辨成像 单分子定位 红细胞膜骨架 图像分割 Voronoï分析 中国激光
2023, 50(15): 1507104
1 青岛理工大学山东省激光绿色智能制造与设备协同创新中心，山东 青岛 266520
2 工业流体节能与污染控制教育部重点实验室，山东 青岛 266520
3 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
4 北京长峰科威光电技术有限公司，北京 100195
5 中国科学院大学，北京 100049
6 中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东 青岛 266555
为抑制光学系统内部的杂散光反射，设计了一种具有非对称特征的新型微结构。该微结构通过减少镜面反射的方式，防止外部杂散光到达光学系统像面位置。为实现对非对称微结构的激光高速加工制备，提出了激光振镜加工系统进行倾斜加工的新方式。设计了新型的高速激光加工平台，制备了非对称的铝基微结构，并搭建了镜面反射测试实验和仿真综合实验对样品进行对比测试。结果表明，加工样品对杂散光具有良好的抑制效果。当设定入射角度为15°、照明光束为650 nm激光时，该微结构与常规的阳极氧化表面相比，抑制杂散光的性能提高了10倍，相对反射率仅为0.008%。
光学设计 微结构制备 纳秒激光 激光材料加工 杂散光抑制 光学学报
2023, 43(11): 1122001
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of High Field Laser Physics and CAS Center for Excellence in Ultra-intense Laser Science, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 School of Physical Science and Technology, ShanghaiTech University, Shanghai 201210, China
The plasma mirror system was installed on the 1 PW laser beamline of Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF) for enhancing the temporal contrast of the laser pulse. About 2 orders of magnitude improvement on pulse contrast was measured on picosecond and nanosecond time scales. The experiments show that high-contrast laser pulses can significantly improve the cutoff energy and quantity of proton beams. Then different target distributions are assumed in particles in cell simulations, which can qualitatively assume the expansion of nanometer-scale foil. The high-contrast laser enables the SULF-1PW beamline to generally be of benefit for many potential applications.
ultraintense laser plasma mirror high-contrast laser proton acceleration Chinese Optics Letters
2023, 21(4): 043802
1 南开大学弱光非线性光子学教育部重点实验室，物理科学学院，泰达应用物理研究院，天津 300071
2 南开大学细胞应答交叉科学中心，药物化学生物学国家重点实验室，生命科学学院，天津 300071
3 南开大学深圳研究院，广东 深圳 518083
4 山西大学极端光学协同创新中心，太原 山西 030006
膜蛋白在细胞膜上的时空分布形式决定了其活性状态及功能，在调控细胞生命活动过程中起着重要作用。单分子定位超分辨成像（SMLM）技术为在纳米尺度解析膜蛋白的空间分布提供了可能，但分辨率的极大提升对图像准确聚类分割提出了更高要求。基于密度的空间聚类算法（DBSCAN）是常用的聚类方法之一，但其对于膜蛋白分布不均匀的SMLM超分辨图像的分割效果往往不太理想。本文提出了一种结合多次DBSCAN和层次聚类的混合聚类算法，该算法以DBSCAN方法为分割基础，通过进一步的面积阈值分析和层次聚类，在保持超分辨点簇图像精确聚类识别的前提下，仍能保留每个点簇内的多次定位信号。将该算法应用于模拟数据集和实验数据分割得到的轮廓系数等性能普遍优于传统DBSCAN算法。这种混合聚类方法为膜蛋白SMLM超分辨图像的聚类分割提供了新思路和新方法，有助于更精准地分析膜蛋白在纳米尺度上的空间分布信息。
生物光学 单分子定位超分辨成像 超分辨图像分割 膜蛋白 基于密度的空间聚类算法 层次聚类算法
1 北京大学材料科学与工程学院，北京 100871
2 北京大学化学与分子工程学院，北京 100871
稀土类发光材料由于其丰富的光学特性而具有重要的研究与应用价值。其中，稀土上转换发光材料在近年来尤为受人瞩目，与之相关的研究成果遍布物理、化学、生物、材料和多个交叉领域。有别于大多数发光材料的共性，上转换材料的激发-发射谱峰波长呈现为反斯托克斯位移，因此能够在短波长谱带范围绕过背景噪声且传输发光信息。作为对这一光物理机制的理解运用，人们通过化学方法合成了纳米尺度的稀土上转换发光材料，并且在生物样品荧光显微成像中成功证实了上转换发光标记物的高信噪比检测。以上转换发光微纳材料的光物理性质研究为主题，介绍和梳理了稀土上转换纳米材料在偏振光谱解析、单纳米颗粒超分辨发光成像、微型激光器构筑方面的研究进展。
材料 稀土上转换发光 发光偏振性 超分辨成像 微型激光
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 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230031
细菌拉曼光谱信号弱、相似度高且易被噪声干扰，使用传统机器学习方法对其分类时必须进行繁杂的光谱预处理，效率低下。为提高细菌拉曼光谱分类的准确率和效率，提出了一种基于密集连接的一维卷积神经网络模型Raman-net，无需额外的光谱预处理就能有效完成光谱分类。实验结果表明，Raman-net对Bacteria-ID公开数据集中30种细菌低信噪比拉曼光谱的分类准确率为84.26%，显著高于传统机器学习方法及对比方法。对于碳青霉烯类抗生素敏感和耐药的2种肺炎克雷伯菌表面增强拉曼光谱，Raman-net取得了99.16%的分类准确率。这表明对于细菌的普通拉曼光谱和表面增强拉曼光谱，Raman-net无需光谱预处理就能取得较好的分类效果，为致病菌的拉曼光谱鉴定提供了一种快速有效的方法。
光谱学 拉曼光谱 光谱鉴别 机器学习 致病菌 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0130003
1 天津大学 电气自动化与信息工程学院，天津 300072
2 天津津航技术物理研究所，天津 300308
近年来，基于深度学习的目标检测技术在机器人、自动驾驶和交通监控等领域有着广泛的应用。然而，由于训练集和测试集样本分布偏差的原因，将现成的预训练检测器应用到实际开放场景时通常会出现明显性能下降。针对该问题提出了一种频域内的领域自适应方法，利用离散余弦变换的频域能量集中特性，通过在频域内对少数重要频率系数进行处理，实现了面向目标检测的领域自适应，降低了对存储和计算资源的要求并减少了领域差异。该方法可以分为两个阶段：第一阶段使用无监督图像转换方式，将源域已标注的训练数据向目标域作转换；第二阶段采用基于对抗的领域自适应方法训练目标检测模型，对转换后的训练数据与目标域内的数据作特征适配。针对不同天气场景的目标识别实验表明：所提的频域内领域自适应方法在4种领域自适应对比算法中排名第一，与仅用源域数据训练的模型相比，mAP值提升了33.9%。
领域自适应 目标检测 图像转换 频域 domain adaptation object detection image translation frequency domain 红外与激光工程
2022, 51(7): 20210638
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 230027
3 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥 230031
4 航天东方红卫星有限公司，北京 100094
针对搭载于环境减灾二号A/B（HJ-2A/B）卫星的偏振扫描大气校正仪（PSAC），详细分析了信号链路中各噪声项及其与信号的相关性，建立了信号-总噪声功率线性（S-TNPL）模型，通过实验测量获得了各通道的噪声功率只随信号变化的模型系数，以及与信号无关而与工作条件有关的本底噪声功率（截距）；使用在轨实测的本底噪声，建立了不依赖于均质性区域场景的在轨信噪比评估方法，并与星上漫射板法进行了对比验证。结果显示，利用S-TNPL模型与星上漫射板法获得的PSAC在轨信噪比评估结果的相对偏差为-0.62%~6.27%，具有较好的一致性，验证了所提在轨信噪比评估方法的合理性。该信噪比评估方法不仅能适应在轨辐射性能衰退的情况，同时能方便实现不同辐亮度条件下的信噪比转换，并可直接对任意单次观测结果的信噪比进行评估。该信噪比分析方法理论上同样适用于其他光学遥感器，可为其在轨信噪比评估提供参考。
大气光学 环境减灾二号卫星 大气校正仪 噪声模型 信噪比评估 太阳漫射板 光学学报
2022, 42(24): 2401005
