本期栏目 2022, 49(24)

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第49卷 第24期

作者单位
摘要
中国矿业大学(北京)理学院,北京 100083

在激光等离子体相互作用中,各种不同的物理机制将会激发产生强度高达100 T量级的自生磁场。针对前人开展的纳秒激光与等离子体相互作用中自生磁场的质子成像诊断实验,通过分析实验结果并提取磁流体力学模拟中所呈现出的磁场基本特征,对磁场形式进行了假设,并应用蒙特卡罗粒子输运程序FLUKA对质子成像过程进行了大量模拟,得到了与实验结果吻合度较高的磁场分布。通过比较发现:FLUKA模拟得到的磁场的峰值强度以及峰值强度随时间的演化规律与前人LASNEX模拟结果基本吻合,而磁场分布范围大于LASNEX模拟中的结果,这可能是由于磁扩散的影响和欠稠密等离子体的存在。

激光器 质子成像 自生磁场 激光等离子体相互作用 
中国激光
2022, 49(24): 2401001
作者单位
摘要
1 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室,上海 201800
2 上海科技大学物质科学与技术学院,上海 201210
3 中国科学技术大学物理学院,安徽 合肥 230026
研究了当激光增益介质存在热效应时,腔长变化对4F简并激光腔最大横模阶数及光谱结构的影响。计算和实验结果表明,当简并腔中存在热效应时,腔长偏离理想位置会引起横模拍频带宽变宽,输出光谱的精细结构发生变化;同时腔中光阑位置处的基模半径随之变大,最大横模阶数减小,光场空间相干性增大。进一步分析发现,最大横模阶数对激光腔长非常敏感,腔镜与理想位置的微小距离会导致最大横模阶数的显著减少。通过在腔内加入负透镜或者将增益介质端面加工成曲面并对热效应进行补偿,可以增加腔内模式数量,这有利于降低激光光场的空间相干性。
激光器 空间低相干 简并腔 热效应 
中国激光
2022, 49(24): 2401002
作者单位
摘要
无锡学院电子信息工程学院,江苏 无锡 214105
SiC雪崩光电二极管(APD)是用于探测微弱紫外光的优选器件。通过研究器件在高压下的光响应行为,发现随着偏压的增加,器件响应峰值和截止波长始终稳定在280 nm和380 nm处,表明SiC APD在雪崩击穿状态下仍具有可见光盲特性。这说明SiC APD在进行微弱紫外光探测时,凭借材料本身性质便可屏蔽可见及红外光的影响,有利于降低器件复杂度和成本。另外,为了增大器件的感光面积,将SiC APD直径增大到500 μm,器件在95%击穿电压下,暗电流仅为2×10-10 A,当暗计数为1 Hz/μm2时,器件单光子探测效率为0.7%,实现了SiC APD尺寸上的突破。
激光器 SiC 雪崩光电二极管 可见光盲 大面积 
中国激光
2022, 49(24): 2401003
作者单位
摘要
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094
2 上海市计量测试技术研究院,上海 201203
五棱镜扫描法通过沿扫描方向连续采集子孔径光束会聚点的坐标,由斜率反演波前分布,是检测大口径准直波前的常用方法。在传统的一维五棱镜扫描法的基础上,提出添加多个五棱镜,形成一组并联的五棱镜和一组串联的五棱镜,实现了一种基于非均匀采样的五棱镜阵列扫描测量大口径准直波前三维分布的方法。该方法通过三个平行于扫描方向的并联五棱镜同时测量准直波前X方向的斜率,三个垂直于扫描方向的串联五棱镜同时测量准直波前Y方向的斜率,采用Zernike多项式中4~11项的导函数拟合测量得到的斜率,继而获得用Zernike多项式表征的准直波前三维分布。该方法只需要一次扫描测量,就能同时获得待测波前三条线上的斜率,避免了传统方法测量全口径准直波前时需要在XY方向进行的多次扫描,优化了扫描机构,缩短了扫描检测时间,实现了全口径准直波前的快速检测。通过仿真验证了使用待测波前三条线上斜率复原待测波前的可行性与准确性。应用该方法对1 m口径准直波前进行了检测,并与干涉法检测结果进行了对比,两种方法得到的准直波前数值与分布形式基本一致,证明了该方法的可行性。
测量 五棱镜扫描法 波前检测 非均匀采样 波前复原 
中国激光
2022, 49(24): 2404001
王柯威 1,2,3肖康 2,3孙静 2,3,*王中阳 1,2,3,**
作者单位
摘要
1 上海科技大学物质科学与技术学院,上海 201210
2 中国科学院上海高等研究院基础交叉研究中心,上海 201210
3 中国科学院大学,北京 100049
合成孔径技术是一种能够有效实现超分辨成像的技术。目前的合成孔径成像技术大多以标量衍射理论为基础,但当成像目标的尺寸小于波长时,标量衍射理论中的近似与假设不再成立。因此,本团队在高斯光束照明条件下,以更为严格的耦合波理论为基础,分析了亚波长光栅的合成孔径成像技术。通过模拟仿真280 nm周期、140 nm线宽的一维矩形光栅的合成孔径成像,分析了光栅有界情况下,模式个数对光栅重构的影响以及恢复光栅结构所需的最少模式个数。接下来讨论了标量衍射理论相对于耦合波理论可能产生的误差。分析了照明光以±90°入射的理想情况下对光栅进行合成孔径成像的最小分辨率,并认为其仅与波长有关,可分辨的光栅周期最小为λ/2,线宽分辨率为λ/4。本文为合成孔径技术在亚波长光栅中的应用提供了更严格的理论基础。
全息 合成孔径成像 亚波长光栅 严格耦合波分析 超分辨成像 
中国激光
2022, 49(24): 2406001
作者单位
摘要
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津 300072
2 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室,天津 300072
黏膜组织病变的早期诊断和治疗是遏制黏膜组织癌变的有效手段。利用光谱检测技术,以实时、在体、无创的方式检测黏膜组织细胞的形态变化引起的光学特性改变,通过合理算法进行客观分析,可实现低成本大规模黏膜组织病变的筛查。为了提高面向黏膜组织病变诊断的光谱检测系统的灵敏度和特异性,开发了一套亚扩散域漫反射与荧光联合光谱测量系统,实现对不同深度黏膜组织的漫反射光谱和自体荧光光谱的高效采集,进而通过对光谱信息进行特征抽取,实现黏膜组织病变的快速筛查和恶性肿瘤等级的实时诊断。为了评估所开发系统的性能,开展了仿体实验、离体组织实验和在体实验:仿体实验证明了系统具有良好的测量稳定性;离体组织实验证明了该系统对离体组织具有优异的分类能力(不同类型组织的分类精度>98%,同类组织不同部位的分类精度>74%);在体实验初步验证了该系统在黏膜组织诊断和分类领域中的应用潜力。
医用光学 黏膜组织诊断 亚扩散域 漫反射光谱 自体荧光光谱 支持向量机 
中国激光
2022, 49(24): 2407101
作者单位
摘要
南京航空航天大学自动化学院生物医学工程系,江苏 南京 211106

近年来,乳腺癌已成为威胁女性健康的头号恶性肿瘤,对其实现快速精准的筛查和诊断变得尤为重要。针对现有临床病理学检查需要染色突显细胞形态并依赖医生主观经验判断的局限性,立足于明场显微成像和偏振显微成像构建多模态显微成像技术,获取正常与癌变乳腺组织未染色冰冻切片的形态结构及其异质性信息并对之进行分析和诊断研究。首先对正常与癌变组织切片进行多角度正交偏振成像、明场显微成像并分析图像差异性;然后实施像素级图像融合;接着利用卷积神经网络模型,对多模态融合图像进行深度学习的特征提取与分类,有效提升准确率(0.8727)和受试者特征曲线下面积(AUC,0.9400)等参数,进而实现精准的乳腺癌智能诊断。该技术有助于医生进行快速准确的临床诊断,为实施乳腺癌术中快检以辅助精准手术治疗提供有效的技术手段,具有突出的临床潜力和应用前景。

医用光学 显微 多模态显微成像 偏振显微成像 明场显微成像 深度学习 乳腺癌病理诊断 
中国激光
2022, 49(24): 2407102
王敏 1孟硕 1,2郭江辉 2,3李婷 2,4,*
作者单位
摘要
1 天津工业大学生命科学学院,天津 300387
2 中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所,天津 300192
3 电子科技大学光电科学与工程学院,四川 成都 611731
4 北京脑科学与类脑研究中心,北京 102206
肺动脉数字减影血管造影技术是现阶段临床检测肺动脉栓塞的主要手段,但该技术是一种有创的检查,且易对血管及周围组织造成损伤。在目前的心血管医学研究中,肺动脉栓塞的无创检测具有一定挑战性。本课题组运用蒙特卡罗方法模拟研究了光在人体胸部组织中的传输规律,探讨了近红外光谱技术在肺动脉栓塞无创检测中的可能性。结果表明:在2.8~3.1 cm的光源与探测器距离下,检测到信号对肺动脉部位激活的灵敏度可达到0.073%的峰值;不同栓塞水平下的归一化光照强度差异显著,且二者之间呈线性关系(R2=0.998, p<10-5)。这些结果表明,近红外光谱技术在肺动脉栓塞定量检测中具有巨大潜力。本研究为无创光学方法诊断肺动脉栓塞提供了参考。
医用光学 肺动脉栓塞 近红外光谱技术 蒙特卡罗模拟 无创检测 
中国激光
2022, 49(24): 2407103
杨婷 1,2,3孙丽娜 1,*代国朋 1,2,3吕孝峰 1,2,3王晓朵 2,3,**
作者单位
摘要
1 东北大学机械工程与自动化学院,辽宁 沈阳 110819
2 中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室,辽宁 沈阳 110016
3 中国科学院机器人与智能制造创新研究院,辽宁 沈阳 110016
基于飞秒激光单脉冲多光子聚合原理加工出了高纵宽比的微柱阵列,将其与毛细力自组装相结合,有效实现了单细胞阵列的原位限域捕获;通过优化激光加工参数,实现了锥状微柱阵列的高效率加工,并研究了不同激光功率下微柱直径随高度的变化规律;通过优化微柱阵列参数,实现了基于毛细力自组装原理的三维图案化微结构阵列的高通量制备。在此基础上,本团队进行了二氧化硅微球、乳腺癌细胞(MCF-7)单细胞阵列的原位限域捕获实验验证。荧光成像及扫描电子显微镜的表征结果显示,所提方法可以简单、高效地实现单细胞阵列的高通量原位捕获。本研究提供了一种简便、高效的单细胞阵列原位捕获方法,有望应用于生物医学领域单细胞尺寸的相关研究上。
激光技术 医用光学 光学制造 多光子聚合 毛细力 自组装 单细胞 原位捕获 
中国激光
2022, 49(24): 2407104
周聪聪 1,2姚晓天 1,2苏亚 1,2,*郝鹏 1,2[ ... ]何松 1,2
作者单位
摘要
1 河北大学物理科学与技术学院,河北 保定 071002
2 河北省光学感知技术创新中心,河北 保定 071002
糖尿病是影响人类健康的重大疾病之一,患者需要长期监测并控制自身血糖浓度以防止并发症的发生。相比于传统的有创检测方法,光学无创血糖检测能够极大地减轻病人的采血痛苦,通过增加测量次数来精确控制血糖。基于光学相干层析成像(OCT)的无创血糖检测是近些年来极具发展潜力的技术之一,但目前存在的问题是被测试者在仪器图像采集过程中,自身不自觉的轻微抖动会造成被采集皮肤区域的三维图像在空间范围内前后不一致,从而影响无创血糖测量的准确度。针对这一问题,提出了一种基于OCT无创血糖检测的皮肤三维图像校正补偿方法。经此方法处理后的人体临床实验数据表明,无创血糖预测值的准确度提升了36.57%。该研究对光学无创血糖检测具有重要的参考价值。同时该方法也适用于其他需要进行精确定量计算的光学成像应用。
医用光学 光学相干层析成像 补偿算法 无创血糖检测 模板匹配 
中国激光
2022, 49(24): 2407201
贾仁庆 1,2殷高方 1,2,*赵南京 1,2,**徐敏 2[ ... ]马明俊 2
作者单位
摘要
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院,安徽 合肥 230026
2 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
3 合肥学院,安徽 合肥 230601
4 安徽省合肥生态环境监测中心,安徽 合肥 230088
5 安徽大学,安徽 合肥 230601
通过融合浮游植物藻类细胞显微明场图像和荧光图像对浮游植物进行鉴定可以有效提高浮游植物鉴定的精度,然而在图像采集过程中存在明场图像与荧光图像中藻细胞位置不匹配的问题。为此,本文以刚体变换作为明场图像与荧光图像的空间变换模型,以明场HSV颜色空间S通道二值化图像与荧光灰度二值化图像的归一化互信息作为明场图像与荧光图像的相似度,利用粒子群优化算法对小波五级分解的低频分量进行粗配准,然后将初步配准的平移量和旋转角度作为初始值,利用鲍威尔算法对小波三级分解的低频分量进行配准精度微调。栅藻、羊角月牙藻和念珠藻的实验结果表明:对明场图像与荧光图像进行处理后的归一化互信息具有明显的峰值,可以更好地表征浮游藻细胞明场图像与荧光图像的相似度;将粒子群优化算法与鲍威尔算法结合的多分辨率图像配准方法,对栅藻、羊角月牙藻、念珠藻显微明场图像与荧光图像配准的误配率分别为0、9.4%、6.5%,平均配准时间分别为10.43、27.98、17.02 s,配准后的归一化互信息分别为0.673、0.495、0.631。研究结果验证了所提方法在配准精度、运行时间等方面的优势,为融合显微荧光图像和明场图像进行浮游植物鉴定奠定了基础。
生物光学 浮游植物 明场图像 荧光图像 图像配准 互信息 
中国激光
2022, 49(24): 2407202
吴彤 1,*周鑫康 1刘友文 2,**王吉明 2[ ... ]赫崇君 1
作者单位
摘要
1 南京航空航天大学空间光电探测与感知工业和信息化部重点实验室,南京航空航天大学航天学院,江苏 南京 211106
2 南京航空航天大学物理学院,江苏 南京 211106
3 南京医科大学江苏省口腔疾病研究重点实验室,南京医科大学附属口腔医院儿童口腔预防科,江苏 南京 211106
本文提出了一种基于谱域偏振敏感光学相干层析(SD-PSOCT)成像系统的局域偏振属性提取算法,并将其用于生物组织烧伤深度的定量测量。该SD-PSOCT系统采用全单模光纤器件,使用光纤型偏振控制器实现单偏振态入射样品,利用线性波数光谱仪实现偏振敏感探测,基于逐层迭代算法恢复局域偏振属性信息。测量了四分之一波片的相位延迟和光轴方位角,重建了不同程度烧伤牛腱组织的OCT强度图像、累积相位延迟层析图像、累积光轴方位角层析图像、局域相位延迟层析图像和局域光轴方位角层析图像。基于局域相位延迟层析图像定量测量了不同程度烧伤牛腱组织的烧伤深度,验证了该系统用于定量测量生物组织烧伤深度的可行性和临床应用潜力。
医用光学 偏振敏感探测 光学相干层析成像 局域偏振属性提取 烧伤深度测量 
中国激光
2022, 49(24): 2407203
作者单位
摘要
1 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系,安徽 合肥 230027
2 中国科学技术大学苏州高等研究院,江苏 苏州 215123
荧光成像仪器的成像性能测试对于提高仪器的性能和临床转化成功率具有重要意义,成像性能测试的标准化需要一种可以精确模拟荧光光谱的长期稳定的样品作为测试工具。本团队提出了一种荧光发光模拟系统,该系统可以模拟荧光样品的激发效率、荧光发射谱特性和荧光空间分布特性,可以替代真实的荧光剂仿体对荧光成像类仪器进行量化表征。该系统采用的是基于线性滤光片和液晶显示器的光谱模拟方法。本团队还设计了一种改进的最小二乘光谱拟合算法,该算法可以自动模拟任意荧光发射谱。使用该系统模拟了近红外荧光造影剂吲哚菁绿(ICG)的发光特性,并对不同荧光成像仪器的成像灵敏度进行了测试。实验结果表明,所设计的荧光发光模拟系统可以稳定精准地模拟荧光样品的发光特性。
光谱学 荧光发光模拟 光谱拟合 近红外荧光成像 成像性能测试 吲哚菁绿 
中国激光
2022, 49(24): 2407204
作者单位
摘要
温州医科大学眼视光学院(生物医学工程学院),浙江 温州 325035
针对目前临床上尚缺乏有效可行的烧伤程度精准诊断的难题,本课题组研究了基于空间频域成像的烧伤程度无创定量评估方法。本课题组通过基于单次快照多频解调方法的空间频域成像技术,实时、大面积、高分辨地反演出了与烧伤组织结构、生理特性紧密相关的光学参数(吸收系数与约化散射系数),并结合系统聚类方法与多参数降维分析,提高了烧伤程度分类的准确性,缩短了分类时间。鼠烧伤模型的实验结果表明:动态监测光学参数的变化趋势可以显著区分出三种不同的烧伤程度,系统聚类分析缩短了分类时间,基于主因子的多参数降维分析表现出了更强的抗干扰性。本文方法为临床烧伤的早期诊断提供了一种极具潜力的实现途径。
医用光学 医学生物成像 空间频域成像 烧伤程度评估 组织光学参数 
中国激光
2022, 49(24): 2407205
作者单位
摘要
南方科技大学生物医学工程系,广东 深圳 518055
单分子定位显微成像广泛应用于亚细胞结构的三维空间解析。传统的单分子定位分析方法依赖于点扩展函数(PSF)模型拟合,制约了一些较为复杂的PSF模型的应用。深度学习的出现正在逐渐改变单分子定位的分析方法,有望用来分析复杂的PSF模型,并能提供新的方向和思路。介绍了深度学习在单分子定位、稀疏图像重建、PSF设计和高内涵信息提取等方面的应用,并介绍了目前主流的数据模拟方法。最后对深度学习在单分子定位显微成像领域内的发展方向进行了展望。
显微 单分子定位显微镜 深度学习 超分辨 点扩展函数 
中国激光
2022, 49(24): 2407206
刘昊鑫 1,2,3,4赵源萌 1,2,3,4,*张存林 1,2,3,4朱凤霞 1,2,3,4杨墨轩 1,2,3,4
作者单位
摘要
1 首都师范大学物理系,北京 100048
2 太赫兹光电子学教育部重点实验室,北京 100048
3 太赫兹波谱与成像北京市重点实验室,北京 100048
4 北京成像理论与技术高精尖创新中心,北京 100048
锥形束计算机断层扫描(CT)成像技术在口腔疾病诊断中发挥了重要作用。如何从复杂的原始扫描图像中获取牙齿的准确信息,成为口腔医学的一个重要研究问题。引入空间注意力机制,提出一种基于改进U-net网络的分割算法,结合等值面提取算法,实现对牙齿锥形束计算机断层扫描图像的准确分割和三维重建。首先对图像进行分割,得到只保留牙齿信息的图像,再对结果进行三维重建,创建出牙齿的三维模型。实验结果表明,该方法能够有效地提取牙齿信息,有助于对口腔疾病特别是牙齿疾病的诊断和治疗。
成像系统 锥形束计算机断层扫描 神经网络 三维重建 空间注意力机制 
中国激光
2022, 49(24): 2407207
郑恒毅 1,2尹富康 1,2王铁军 1,2,*刘尧香 1[ ... ]冷雨欣 1,2
作者单位
摘要
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室,上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心,北京 310027
3 中国工程物理研究院激光聚变研究中心等离子体物理重点实验室,四川 绵阳 621999
提出了一种用于模拟探测光穿过等离子体通道后衍射成像过程的分段衍射模型,该模型考虑了等离子体对探测光的散焦效应。将分段衍射模型与现有计算模型进行对比,并将模拟结果与基于纵向衍射测量法的实验结果进行拟合,获得了不同衍射环结构下的电子密度分布。结果表明:分段衍射模型可以拓展探测范围,实现对较高电子密度等离子体的测量。基于分段衍射模型测量电子密度和光丝尺寸的方法为精确诊断光丝提供了一种新思路。
非线性光学 飞秒激光成丝 等离子体诊断 衍射理论 电子密度 
中国激光
2022, 49(24): 2408001
付俏俏 1,2,5刘鹏翔 1,2,4,*祁峰 1,2,4李惟帆 1,2,4[ ... ]刘朝阳 1,2,4
作者单位
摘要
1 中国科学院沈阳自动化研究所,辽宁 沈阳 110169
2 辽宁省太赫兹成像与感知重点实验室,辽宁 沈阳 110169
3 沈阳化工大学信息工程学院,辽宁 沈阳 110142
4 中国科学院机器人与智能制造创新研究院,辽宁 沈阳 110169
5 中国科学院大学,北京 100049
纳秒脉冲泵浦的平行平面腔光学参量振荡器(OPO)是一种便捷的相干光源,适用于指定波长范围内的不间断调谐输出。作为一种临界腔,平行平面腔对腔镜准直角度的扰动较为敏感。本文以532 nm绿光泵浦KTiOPO4晶体临界相位匹配OPO为例,定量研究了这类光谐振腔的失谐特性。通过在理想准直位置附近扫描腔镜的偏角,观察了OPO输出随失谐角的变化。结果表明:该谐振腔对临界方向失谐的敏感程度远高于对非临界方向失谐的敏感程度;扩宽泵浦光束和提高泵浦光强都可以增大对准容限。此外,本文分析并解释了不同条件下OPO腔长对腔镜对准容限的影响。
非线性光学 光学参量振荡器 平行平面腔 对准容限 临界相位匹配 
中国激光
2022, 49(24): 2408002
作者单位
摘要
1 深圳技术大学工程物理学院,先进材料测试技术研究中心,深圳市超强激光与先进材料技术重点实验室,广东 深圳 518118
2 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室,陕西 西安 710119
中国激光
2022, 49(24): 2416001
孙焰 1王璠 1王亚飞 1阳求柏 1[ ... ]胡丽丽 1,2,**
作者单位
摘要
1 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光单元技术实验室,上海 201800
2 国科大杭州高等研究院,浙江 杭州 310024
中国激光
2022, 49(24): 2416002
施建宏 1,2,*杜天怡 2马盖明 2祝启欣 1,2[ ... ]闫大鹏 1,2,**
作者单位
摘要
1 华中科技大学武汉光电国家研究中心,湖北武汉 430074
2 武汉锐科光纤激光技术股份有限公司,湖北武汉 430073
中国激光
2022, 49(24): 2416003
郝修路 1李阳 1范晨晨 1潘志勇 1,2[ ... ]周朴 1,**
作者单位
摘要
1 国防科技大学前沿交叉学科学院,湖南 长沙 410073
2 国防科技大学南湖之光实验室,湖南 长沙 410073
中国激光
2022, 49(24): 2416004

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