拉曼显微成像技术无需样本制备，具有无损、无创、对水溶液不敏感的优点，可在微米或纳米尺度下表征样本的生化组分及分布，成为生命科学领域重要的研究工具。随着对复杂生物样本研究的不断深入，拉曼显微成像也被期待能够实现对生物样本中的分子组成与分布的动态立体观测。首先，系统性地梳理近年来三维拉曼显微成像技术的研究进展，包括基于自发拉曼散射、相干拉曼散射、表面增强拉曼散射以及拉曼标签的不同三维成像方法的技术手段、改进策略与实验结果。然后，总结了不同成像技术在细胞生物学、发育生物学等方面的应用进展。最后展望了不同三维拉曼显微成像技术在生物医学光学显微成像技术应用中所面临的挑战和发展前景。

我们利用周期性极化铌酸锂(PPLN)波导模块演示了从铷原子D1线(795 nm)到光通信L波段(1 621 nm)的频率下转换,并将1 621 nm的转换光子通过15 km光纤进行长距离传输。为了降低由泵浦光引起的宽带自发拉曼散射噪声,我们用两个标准具级连方法将噪声带宽压窄至256 MHz。我们研究了下转换光子远距离传输后的信噪比随脉宽和平均输入光子数的变化关系,表明在低的器件外部转换效率(0.84%)下,当脉宽为30 ns,平均输入光子数为2个时,信噪比为1.5。

本文在87Rb冷原子系综中开展了腔增强量子存储, 研究了光学厚度对读出效率的影响。我们通过改变冷却光的失谐量得到了原子系综不同的Optical Depth(OD), 测量了读出效率随着原子系综光学厚度的变化。结果显示: 当冷却光处于负失谐18.5 MHz的情况时, 可使冷原子系综的OD达到最大值14, 读出效率的增强倍数为1.6倍, 本质恢复效率最大可达43.2%。

在87 Rb 冷原子系综中, 通过自发拉曼散射过程产生了光子与原子自旋波的关联对。利用光学腔增强光与原子的相互作用, 使光子和原子自旋波关联对的产生率增加了3.8倍。同时, 我们也研究了光学腔对原子自旋波读出效率的影响。结果表明, 腔使自旋波的读出效率提高了1.5倍。本文的研究结果为下一步产生高恢复效率的光与原子量子纠缠提供了实验基础。

在87Rb冷原子系综中,利用自发Raman散射过程实现了光与原子纠缠。通过选择两个不同的跃迁频率的读光对存储的自旋波进行读出,在两种不同读光频率下测量了读出效率以及Bell参数S值。结果发现在读光功率相同的条件下其中一种读光频率的读出效率为18％,Bell参量S值为2.68。另一种读光频率的读出效率达到38％,Bell参量S值为2.5。本文的研究成果为产生高质量的光与原子纠缠源提供了实验基础。

在冷原子系综中,利用自发拉曼散射过程产生光与原子纠缠,测量了恢复效率随存储时间的关系。实验结果显示在没有施加轴向磁场时的存储寿命仅仅只有40 μs。而在施加轴向磁场的情况下,存储时间在50 μs以后甚至在400 μs时都可以测量到明显的恢复信号,存储寿命明显高于100 μs,远高于未施加轴向磁场时的情况。对这个实验现象进行分析认为:原子所处的环境中存在磁场噪声的影响,当没有轴向磁场时,噪声会扰乱自旋波信号的相位;当有轴向磁场时,磁场噪声对自旋波相位的影响便被抑制了。

在量子-经典混合光网络中,量子信号和经典信号波长如何分配决定了量子 密钥分发(QKD)性能受经典光信号噪声影响的程度。针对基于量子信号所受噪声最小化原则的波长分配优化方案,研究了 QKD性能的优化程度;分析了波长间隔、信道数目等因素对QKD性能的影响。仿真结果表明,优 化方案提升了网络的密钥生成率以及最远安全传输距离;在量子信道和经典信道数目均一定的情况下,网络的量子 密钥生成率和最远安全传输距离随着波长间隔的增大而减小;在经典信道数目和波长间隔一定的情况下,随着量子 信道的增多,网络的总密钥生成率增大,而每个量子信道的平均密钥生成率和最远安全传输距离均减小。

针对长距离分布式拉曼测温系统(R-OTDR)中数据量大影响系统实时性的问题, 提出通过并行运算实现高次累加平均算法提高系统信噪比和系统实时性能的方法。采用中央处理器(CPU)与图形处理器(GPU)协同合作的方式来提高系统的数据处理速度。传感数据由CPU控制数据采集端读取, 然后使用累加平均算法对传感数据进行去噪。在统一计算设备架构(CUDA)中, 通过调用GPU上的kernel函数对累加平均算法次数进行多线程分配, 以10线程的模式进行并行运算以提高数据处理速度。实验结果表明, 在10km传感距离下, 相比于原系统30000次累加平均算法, 采用50000次累加平均算法使系统测量误差由±1.1℃降至±0.5℃, 并且采用CPU和GPU协同合作的方式使50000次累加平均算法的运算时间由3890ms降至1.472ms, 提升了系统实时性能。

由于经典电磁理论对散射光强表征不足,提出并推导了基于自发拉曼散射的量子模型。将物质系统和电磁波分开处理,并将它们之间的相互作用作为微扰处理。通过对光纤纤芯中散射现象的分析,研究了光纤量子传感理论,建立了基于拉曼散射的光纤量子温度传感模型。在此基础上,研究了基于拉曼散射的分布式量子温度传感器的工作原理,提出了分布式光纤量子传感器的系统结构,搭建了基于拉曼散射的分布式光纤量子传感实验系统。测量了分布式量子温度传感实验系统的技术参数,并验证了系统性能。实验结果表明此系统可以对监测点进行精确定位,温度测量精度较高。

光纤中的随机散射现象凭借其在不同应用场景中的重要影响成为了一个非常热门的研究主题，但到目前为止，还没有理论方法能够准确描述光纤中散射现象的随机性及其影响。文章提出一种能够分析光纤散射现象随时间和散射点位置随机变化的较为准确的数值模型，并用该数值模型分析了分布式拉曼放大系统中的瑞利散射和自发拉曼散射噪声的频谱。之后，将仿真分析结果与现有模型的仿真分析结果和实验测量的结果进行了对比分析。文中模型计算得到的功率密度谱与实验结果误差在5 dBc/Hz以内，而现有模型在高频区的误差往往>10 dBc/Hz，说明文中结果与实际测量结果相比误差更小，证明了模型的准确性。文中模型可作为一种分析优化分布式光纤系统，特别是分析具有分布式光放大的系统的工具，例如具有双向拉曼放大的超长跨距光纤电力通信系统、光纤传感器系统以及光纤随机反馈激光器等。