光学生物学应用

Q63 2004032398 新型门控光子计数法测量高散射介质的光学参量=Recovery of optical parameters in diffusive media with a newgated photon counting method[刊,中]/余江胜(华中科技大学生物医学光子学教育部重点实验室.湖北,武汉     

门控下InGaAs/InP单光子探测器用于符合测量的时域滤波特性研究

基于砷化镓/磷化铟雪崩光电二极管(InGaAs/InP APD)的半导体单光子探测器因工作在通信波段,且具有体积小、成本低、操作方便等优势,在实用化量子通信技术中发挥了重要作用.为尽可能避免暗计数和后脉冲对单光子探测的影响,InGaAs/InP单光子探测器广泛采用门控技术来快速触发和淬灭雪崩效应,有效门宽通常在纳秒量级.本文研究揭示了门控下单光子探测器可测量的最大符合时间宽度受限于门控脉冲的宽度,理论分析与实验结果良好拟合.该研究表明,门控下InGaAs/InP单光子探测器用于双光子符合测量具有显著的时域滤波特性,限制了其在基于双光子时间关联测量的量子信息技术中的应用.     

时间分辨技术测量高散射介质光学参量

采用曲线拟合反演算法来恢复时间分辨系统中的真实光脉冲信号,从中可提取出介质光学参量.在模拟人体组织光学参量的模型介质试验中,利用时间相关的单光子计数系统测量光子的逸出曲线,拟合的结果验证了算法的可行性.     

一维光子晶体与光学多层介质膜

本文阐述了一维光子晶体和光子禁带的概念,对比了一维光子晶体与光学多层介质膜在结构和特性方面的联系和差别,运用薄膜光学的理论和方法讨论了多层介质膜的高反射带与光子禁带和膜系结构参量的关系.     

光学相干层析信号的模拟分析与计算

对传统的模拟介质散射响应函数的蒙特卡罗算法的计算过程进行了改进，提出光子不可分割的假设，这样可以避免人为选定光子被吸收阈值的不确定性；同时采用双曲线法模拟入射高斯光束，解决了对表面为非平面介质的传输信号进行模拟的问题.通过对盖玻片（平面）与眼角膜（曲面）的光学相干层析探测信号及层析图的数值模拟，并与相应实验结果进行比较，证实了该方法与假设的可行性. 关键词： 光学相干层析 蒙特卡罗法模拟 散射     

基于快速蒙特卡罗的散射介质光学参量干涉测量方法研究

提出了一种散射介质光学参量的干涉测量方法.在蒙特卡罗数值模拟的基础上引入聚焦高斯光源模型和基于比例缩放的压缩算法,实现了对光子后向散射分布和干涉特性的快速模拟.利用计算数据训练了前向人工神经网络进行了介质光学参量的反向求解.实验中以脂肪乳注射剂和生物染色剂印度墨水组成的悬混液为样本,通过光学干涉系统测量得到了后向散射光依赖于深度的干涉光强分布,并对其中散射和吸收系数进行了反向计算.所得结果能够正确反映散射和吸收系数与散射和吸收物质浓度之间的线性关系,验证了该方法的可行性.     

基于快速蒙特卡罗的散射介质光学参量干涉测量方法研究

提出了一种散射介质光学参量的干涉测量方法. 在蒙特卡罗数值模拟的基础上引入聚焦高斯光源模型和基于比例缩放的压缩算法, 实现了对光子后向散射分布和干涉特性的快速模拟. 利用计算数据训练了前向人工神经网络进行了介质光学参量的反向求解. 实验中以脂肪乳注射剂和生物染色剂印度墨水组成的悬混液为样本, 通过光学干涉系统测量得到了后向散射光依赖于深度的干涉光强分布, 并对其中散射和吸收系数进行了反向计算. 所得结果能够正确反映散射和吸收系数与散射和吸收物质浓度之间的线性关系, 验证了该方法的可行性.     

化学发光检测光子计数的统计特性

对于增强化学发光酶联免疫分析而言，检测结果、计数效率、信噪比等重要参数不仅与光子计数装置有关，而且与光学发光体系的光子脉冲发射统计过程相关。本文实验测量了增强鲁米诺化学发光体系的光子脉冲的统计特性，并根据其脉冲发射时间统计特性对化学发光光子计数检测装置的设计进行了理论分析。研究结果表明，化学发光的光子脉冲发射间隔呈Weibull分布。     

抽运能量对受激布里渊散射光限幅特性的影响

采用布里渊噪声起源模型,数值模拟了受激布里渊散射介质CCl4对波长1064nm的Nd：YAG纳秒激光脉冲的传输特性及光限幅特性。入射抽运脉冲能量较低时,非线性介质对纳秒激光脉冲呈光学透明。入射抽运脉冲能量高于受激布里渊散射产生阈值后,透射脉冲峰值受限,脉宽压缩,能量趋于饱和,说明该光学系统同时具有光功率限幅和能量限幅的光限幅特性。利用理论模型模拟了如下光限幅参量：透射脉冲峰值功率、透射能量、能量透射率、脉宽压缩率依赖抽运光能量的变化关系。相应的理论模拟计算结果由实验进行验证,实验结果与理论模拟相符合。     

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．     

高散射介质中光子扩散成像的线性平移不变性

运用微扰理论探讨了光子扩散成像的线性平移不变性,阐明了光子扩散成像用于生物组织这一高散射介质结构与功能成你的信号形成机理.光子扩散成像所得的图像是介质内部异常结构通过光子扩散成像系统的响应.光子扩散成像系统的作用可用一个脉冲响应函数来表征.     

皮秒时间相关单光子计数光谱仪的核心技术

研制的皮秒时间相关单光子计数光谱仪利用时间相关单光子计数(TCSPC)技术,采用了具有分光时间弥散动态和静态补偿特性的光栅分光系统,解决了传统分光系统的光信号时间弥散问题;使用多道谱分析仪开设时间窗口,测量荧光衰减曲线和时间分辨光谱;用荧光衰减曲线的多指数拟合方法处理数据。给出了光谱仪的原理和总体方案,介绍了系统的集成和工作流程。通过各种标准样品的试验数据分析和对比,得出系统所测荧光寿命可达到ps量级,而且具有最高的灵敏度——单光子计数,时间分辨率达到8．8ps。     

单分子光子源光子统计的非平衡探测

研究了在Hanbury Brown Twiss探测方式下，非平衡探测系统对光子统计测量的影响。通过记录2个单光子计数器响应的单分子光子源输出的每一个事件，分析具有泊松统计背景的实际单分子光子源的光子统计特性，讨论并给出了非平衡探测系统的单分子光子源Mandel参数。研究表明：非理想的50／50分束器、非理想的线性传输效率和非理想的探测器都会使单分子光子源Mandel参数的实际测量结果小于平衡系统的Mandel参数，最后给出了单分子光子源Mandel参数的非理想探测的校正表达式。     

Detection of ultrasound-modulated photons in diffuse media using the photorefractive effect

Ultrasound-modulated optical tomography is a dual-wave sensing technique in which diffusive light in a turbid medium interacts with an imposed acoustic field. A phase-modulated photon field emanates from the interaction region and carries with it information about the optomechanical properties of the medium. We present a technique for detection of ultrasound-induced optical phase modulation using an adaptive, photorefractive-crystal-based interferometry system. Experimental results are presented demonstrating detection of ultrasound-modulated signals in highly scattering media by use of pulsed ultrasound insonation.     

微光光子数字化摄象机

美国自适应光学联合公司(AOA)在哈佛大学 PAPA 探测器的基础上研制成功的光子数字化编址摄象机是一种具有极高探测灵敏度的光子计数式二维微光摄象机。采用多通道光学编码方法,可对光电倍增管探测到的每一个光电于事件产生相应的(x,y,T)时-空坐标数据,微机采集来自光子摄象机的数据流供实时图象显示和处理。     

光子计数成像技术及其应用

介绍光子计数实时图像采集实验系统，其中的高亮度增益的光子成像头通过超强光力中继透与高帧频电荷耦合器摄像机耦合；分析和介绍了单光子成像模式下系统工作的受限条件和多光子工作模式下系统的主要综合性能指标－读出噪声的测定方法。文中给出在自适应光学弱光波前传感中的应用，光子噪声分布规律以及光的波粒二象性实验验证等例子。     

微光图像光子计数器像管等效背景测试研究

在论述单通道光子计数技术原理的基础上，提出了微光图像光子计数器像管等效背景的测试原理，方法、装置，实验及结果，对测试结果进行了较为深入的讨论，并提出了进一步降低等效背景的主要技术途径。     

Photon counts modulation in optical time domain reflectometry

The quantum fluctuation of photon counting limits the field application of optical time domain reflection. A method of photon counts modulation optics time domain reflection with single photon detection at 1.55 μm is presented. The influence of quantum fluctuation can be effectively controlled by demodulation technology since quantum fluctuation shows a uniform distribution in the frequency domain. Combined with the changing of the integration time of the lock-in amplifier, the signal to noise ratio is significantly enhanced. Accordingly the signal to noise improvement ratio reaches 31.7 dB compared with the direct photon counting measurement.     

微光像增强器光子增益的测试研究

在图像光子计数探测系统中，微光像增强的光子增益是一个重要参数，本文讨论光电探测器入射光子速率与出射光子脉冲速率之间的关系，并以光子计数技术为基础，提出了一种测量像增强器光子增益的方法，还给出了实验装置与测试结果。