光学CT图象重建的数值模拟研究─Kosenbrock坐标轮换法

时间分辨光学 ＣＴ技术因其对生物组织体的无损性，在生物成象领域引起了广泛的兴趣和研究，已提出许多方案，意在克服由于生物组织体中的多光散射效应所造成的成象障碍．本文简述了基于扩散方程近似的光学ＣＴ正向问题有限元解法，提出采用直接搜索优化算法一Ｒｏｓｅｎｂｒｏｃｋ坐标轮换法求解时间分辨光学 ＣＴ中的图象重建问题，给出了基于积分光强和光子平均飞行时间及其加权组合的二维图象重建问题的数值模拟结果，证实了该方法的可行性．     

光学CT技术在大坝位移自动检测中的应用研究（一）

介绍采用光学ＣＴ和ＣＣＤ技术的大坝移位自动检测系统，建立适合本课题特点的光学ＣＴ数学模型，在数字信号处理上结合实际，采用了利用信号自卷积的信息提取方法，对这一 在各种情况下对信号处理的结果进行详细分析。     

光学CT中的图像重建算法

从理论上研究了利用正向模型求解逆问题的迭代算法，特别是其中Ｊａｃｏｂｉ矩阵的有限元解法，引入了图像恢复了领域广泛采用的规则化方法用于处理逆问题中的奇异性问题；作为总结，最后给出了ＦＥＭ法求解光学ＣＴ问题的完整步骤。     

光学CT技术在大坝位移自动检测中的应用研究（二）

介绍采用光学ＣＴ及ＣＣＤ技术的大坝位移自动检测系统中结合采用数字信号的信息提取方法，对该方法在各种具有情况下处理信号的结果进行分析。     

两层生物组织光学特性参数无损测量的模拟研究

生物组织的光学特性参数是与疾病的无损光诊断有关的重要的光学参数，一般的测量所应用的模型是假设生物组织为半无限厚的均匀结构。为了更能反映生物组织的真实特性，本文应用两层结构模型，即假设第一层为有限厚的均匀组织，第二层为半无限厚，由漫射方程经过傅立叶变换得到传输方程的漫射解。为检验漫射解的准确性，将漫射解的表面漫射光分布与Monte Carlo模拟结果进行了比较，结果表明两者符合得很好。为了研究由漫射解是否可以获得两层组织的光学特性参数，将漫射解与Monte Carlo模拟数据进行了非线性拟合，反演获得组织的光学特性参数，结果表明，由漫射解可以获得两层组织的有效散射系数和吸收系数。     

超短激光脉冲作用下生物组织体光学响应的时域和频域分析──Dirichlet边界条件和无向点激励源

生物组织体在超短激光脉冲激励下的表面光学响应特性，如光子平均飞行路径、光通量、相移和调制深度等，在光学时域及频域无损测量、组织体光谱学和光学三维成象研究中具有重要的意义，而生物组织体对近红外和可见光呈现的高散射特性使得激励光子在组织体内的传输行为复杂化，精确地测定和计算上述光学响应量一直是人们感兴趣的问题．本文基于描述组织体内光子传输的扩散方程模型，阐述了时域、频域测量的等效性，从无限空间几何结构出发，逐次导出了常见几何形状均匀组织体光学响应的解析表示，在此基础上给出了典型参数下的计算结果并讨论了计算中可能出现的问题及其解决方法．     

超短激光脉冲作用下生物组织体光学响应的时域和频域分析──Dirichlet边界条件和无向点激励源

生物组织体在超短激光脉冲激励下的表面光学响应特性,如光子平均飞行路径、光通量、相移和调制深度等,在光学时域及频域无损测量、组织体光谱学和光学三维成象研究中具有重要的意义,而生物组织体对近红外和可见光呈现的高散射特性使得激励光子在组织体内的传输行为复杂化,精确地测定和计算上述光学响应量一直是人们感兴趣的问题.本文基于描述组织体内光子传输的扩散方程模型,阐述了时域、频域测量的等效性,从无限空间几何结构出发,逐次导出了常见几何形状均匀组织体光学响应的解析表示,在此基础上给出了典型参数下的计算结果并讨论了计算中可能出现的问题及其解决方法.     

光学CT图象重建的数值模拟研究─Kosenbrock坐标轮换法

时间分辨光学CT技术因其对生物组织体的无损性,在生物成象领域引起了广泛的兴趣和研究,已提出许多方案,意在克服由于生物组织体中的多光散射效应所造成的成象障碍.本文简述了基于扩散方程近似的光学CT正向问题有限元解法,提出采用直接搜索优化算法-Rosenbrock坐标轮换法求解时间分辨光学CT中的图象重建问题,给出了基于积分光强和光子平均飞行时间及其加权组合的二维图象重建问题的数值模拟结果,证实了该方法的可行性.     

超声反射CT中多体位置和形状参数的最大似然估计

将超声反射ＣＴ（ＵＲＣＴ）方法与最大似然估计方法相结合，用于对多体目标定位和对物体形状参数进行估计，给出了迭代方法及模拟结果，并作了某些讨论。     

热作用过程中生物组织特性变化的光学监测

基于热作用下生物组织特性的理论，描述了最新的理论研究进展，介绍了将光学监测技术用于热致组织特性变化研究的原理与方法，并给出了典型的实验结果；生物组织的散射系数与损伤特性的关联：生物组织的吸收系数对脱水量的依赖性；热作用下血液灌注的光学成像监测。将光电技术用于热作用过程中生物组织特性变化的监测，对进一步完善热疗理论、实现热疗的在体监测具有重要的理论意义与实践意义。     

Twin-Bladed Microelectro Mechanical Systems Variable Optical Attenuator

The design and evaluation of a microelectro mechanical systems (MEMS) based variable optical attenuator is reported. The device contains two blades, which are each driven by a separate electrostatic comb microactuator, and move independently to form a variable slit. This device has been fabricated in silicon-on-insulator material which has been back-etched. Electro-mechanical design considerations, including factors to minimise the side instability of the comb drive, are described. Finite element modelling (FEM) of the variable optical attenuator (VOA) is backed up by theoretical results, and the results from the theoretical work verify the findings from the FEM. Optical modelling of the VOA using near field diffraction theory is also reported. Experimentally, the device was driven from 0-34V DC to measure its static characteristics. For dynamic characterisation, the device was operated from 0-28 V AC and its fundamental resonant frequency was measured to be 3 kHz. Optical measurements including wavelength dependent attenuation are also presented.     

快速多极边界元法用于扩散光学断层成像研究

在求解扩散光学断层成像中的正向问题时, 目前普遍采用有限元法, 但是随着实际模型规模的增大, 有限元法的计算量问题日益显著, 而边界元法则由于可以降低计算维度使计算量减少而备受关注. 本文以均匀的高散射介质为模型, 研究了将快速多极边界元法用于扩散光学断层成像的正向问题. 快速多极边界元法利用核函数的多极展开, 将常规边界元法中系数矩阵和迭代矢量的乘积项等价为相应四叉树结构的一次递归, 再结合广义最小残量法进行迭代求解. 将计算结果和蒙特卡罗法的模拟结果进行了比较, 表明利用快速多极边界元法的模拟结果和蒙特卡罗法的结果有很好的一致性. 研究结果验证了快速多极边界元法可以用于扩散光学断层成像, 为其大规模和实时成像带来可观的前景. 关键词： 扩散光学断层成像 边界元法 快速多极边界元法     

光学窗口形变对平行光管光学性能影响分析

由于环境工况的多变性,光学窗口设计交叉了光、机、热等多种学科。在压差、轴向温差及径向温差工况下,分析光学窗口形变对某大口径、长焦距平行光管光学性能的影响,建立了光学窗口的有限元模型,与理论结果进行对比,验证了该有限元模型的有效性。以有限元分析得出的光学窗口变形数据为输入数据,带入改进了的Zernike多项式光机分析接口程序,获得了与像差对应的Zernike系数。用得到的Zernike系数表示光学窗口面型,以波像差作为光学系统成像质量评价指标,分析光学窗口变形对大口径、长焦距平行光管系统光学性能的影响。结果表明:光学窗口变形对平行光管系统光学性能的影响可以忽略不计。     

基于SPPs-CDEW混合模式的亚波长单缝多凹槽结构全光二极管

全光二极管是集成光子回路上最基本的光子器件,如何有效增强全光二极管的单向透射性,提高消光比一直是学者们研究的重点.当前,利用表面等离极化激元(surface plasmon polaritons,SPPs)和复合衍射衰逝波(composite diffracted evanescent wave,CDEW)的亚波长金属微纳结构构建全光二极管器件还鲜有研究.因此,开发出一种可调制的全光二极管,对未来制备复杂的光子回路具有重要意义.本文提出了一种基于SPPs-CDEW混合模式设计全光二极管的方法和结构,该结构结合纳米缝中的类法布里-珀罗共振效应,利用结构参数对SPPs进行调控,实现了光束单向透过的功能.首先,利用理论推导和有限元算法分析了单缝-对称双凹槽纳米结构的透射增强现象,提出了透射增强和削弱的物理机理.其次,计算出规约化透射率随单狭缝和凹槽对之间距离变化的远场透射谱,给出的理论和数值计算结果符合得很好.最后,通过此透射谱精确确定凹槽的位置和数量,得出上表面对称分布五对增强透射凹槽、下表面六对抑制透射凹槽的最优全光二极管结构,有效增强了全光二极管的单向透射性,提高了消光比,最大消光比可以达到38.3 dB,即正向透射率是反向透射率的6761倍,比已有文献提高了14.6 dB,并在850 nm左右有70 nm宽的工作波长带宽(20 dB).本文提出的光二极管结构简单,宽带宽工作,易于集成,耦合效率高,研究结果对光学信号传输、集成光回路、超分辨率光刻等相关领域具有潜在的应用价值.     

A MEMS Tunable Optical Ring Resonator Filter

In this work, a new architecture for a ring resonator tunable optical filter is proposed. In this architecture, two rings are connected to each other by a directional coupler and tuning is achieved through the control of the separation between the coupler two parallel guides using a micro-electro-mechanical systems (MEMS) actuator. The optical performance of the filter is tested using the FDTD and an analytical model is developed to predict its performances. A good agreement between the analytical and numerical results is obtained. The MEMS design is also presented and verified using an finite element method (FEM) analysis.     

Optical Computed Tomography Based on Extraction of Quasi-Straight forward Propagating Photons Using Sum-Frequency Generation Technique

Aiming at the realization of optical computed tomography (optical CT), a compact system comprised of two cw-lasers and a detector was proposed for the extraction of quasi-straightforward propagating photons from scattered light transmitting through a scattering medium. The extraction ability of the system based on the sum-frequency generation technique was investigated using a standard scattering medium of Intralipid-10% aqueous solution and was found to be 78 dB in dynamic range. The optical CT image of absorbers placed in the scattering medium was successfully obtained with high contrast using the proposed system.     

基于热膨胀效应的可调光功率分束器设计

可调光功率分束器是集成光子系统中的重要功能器件,其光功率输出具有动态可调控特性,诸多光子系统对其有着广泛需求.本文基于空隙槽型Y分支波导结构,利用热膨胀效应,提出了一种新型可调光功率分束器实现方法,通过调控温度来改变分支处空隙槽的宽度,以实现其分支波导的光功率输出的动态变化.采用有限元方法,对其热膨胀形变和光学性能进行了模拟分析.其模拟结果表明,该器件能实现大范围光分束调控,且对波长和偏振态依赖性低;同时,该器件具有结构简单、易于设计和制作、易于调控等优点,这种新型器件在各种光子系统中具有重要应用前景.