纳米光学和生物单分子探测

纳米光学技术展示了纳米级探测本领，同时生物单分子探测所需要分辨尺度也是纳米数量级的，因此在生物单分子探测过程中，纳米光学发挥了巨大的作用．文章介绍了与生物单分子探测技术相关的纳米光学技术，包括量子近场光学探针技术、近场光学成像技术(包括扫描近场光学显微术及全内反射荧光显微术)和激光光钳测控技术及它们在生物单分子探测上的进展，从而在染色、成像、测控三个方面展示了纳米光学技术在生物方面的应用，并对其未来的发展方向进行了展望．     

纳米集成光路中的光源、光波导和光增强

使用近场光学显微术(scanning near-field optical microscopy, SNOM)研究了ZnO亚微米线端面出射性质,不同空间形貌Ⅱ-Ⅵ族半导体荧光器件光波导特性,二维光子晶体、准晶光子晶体对LED的出射增强作用以及表面等离激元(surface plasmon polariton, SPP)与半导体纳米荧光器件的相互作用,对纳米集成光路中的光源、光波导、光增强三个重要问题做了实验和理论上的分析.研究发现半导体微纳米线端面出射光束的质量与样品的直径有密切关系.通过合理地设计其直径和 关键词： 纳米集成光路 扫描近场光学显微术 光波导 光增强     

多变视场的多焦点多光子激发荧光显微技术

发展了一种新型的多焦点多光子激发荧光显微技术,通过软件控制空间光调制器,在所需要的成像区域产生相应的激发光点阵,通过扫描入射角实现激发点阵快速并行扫描激发,通过CCD并行记录所产生的荧光信号,获得任意视场图像。分别实现了10×10和50×50点阵激发下的全视场双光子荧光图像,并且实现了同时多个区域寻址的多焦点激发成像。对比其他多焦点显微技术,该技术具有明显的灵活性,不但保持了多焦点激发的快速成像的优点,而且还增加了任意数量成像区域同时寻址和阵列点密度变化,所有这些变化只需要通过软件加载相应的相位图案给空间光调制器,而不需要任何硬件更改。     

超分辨荧光显微成像染料结构与生物应用（特邀）

荧光显微成像技术的生物医学应用离不开荧光染料的设计与开发。有机小分子荧光染料因其易于修饰、生物相容性好、光物理性质优异等特点,在细胞生物成像领域受到了广泛关注。随着超分辨荧光显微镜的发展和技术的进步,使得荧光显微成像突破了光学衍射极限,可以获得更为精准的生物分子学信息,观察纳米尺度下亚细胞器之间的相互作用。根据不同的成像原理,科学家开发出了单分子定位成像技术、受激辐射损耗成像技术、结构光照明技术等超分辨荧光显微技术。这些技术在细胞荧光显微成像领域的应用与发展,同时对有机小分子荧光染料的设计与开发提出了新要求。本文介绍了主流超分辨荧光显微技术的原理,总结已发表的超分辨荧光显微成像荧光染料的结构和光物理性质特点,归纳了其设计要求,旨在为新型荧光染料的设计提供参考。     

共焦扫描荧光显微镜的信噪比与测量精度

激光扫描共焦显微术和多光子显微术等新的显微成像技术可以对厚的生物样品实现光学断层成像 ,因而在生物医学诊断领域具有重要的应用前境。在Fried的一维分辨度理论的基础上 ,系统地讨论了运用共焦扫描荧光显微术在进行光学断层成像时 ,其光学断层平面分辨度与信噪比之间的定量关系 ,建立了实际显微成像系统平面测量精度的定量计算方法。所得出的结果对于选择共焦扫描显微成像系统的最佳参数及评价所设计的显微成像系统的性能具有重要的意义。     

激光扫描成像的纳米分辨技术

阐述一种新型激光近场扫成像系统──光子扫描隧道显微镜的实验成像显示技术。利用本系统对多种光学表面、聚合物、生物病毒等透光样品进行三维显微成像分析，获得了样品表面结构的纳米级空间化辨。     

激光技术在生命科学中的地位

激光技术在生命科学中的地位许松林（上海第二医科大学）激光技术已深入到生命科学的各个领域，尤其在医学方面取得了广泛的应用。如眼科，激光改变了传统的手术治疗方法，提高了疗效；激光内腔镜的使用免除了病人开刀手术的痛苦；激光革新了传统的显微成像术；激光技术促...     

大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统

现代生物学和生物医学领域迫切需要研制兼顾大视场、高分辨率的显微成像技术和仪器以对生物样品实现跨尺度观测,满足重大科学问题的研究需求。受限于系统的空间带宽积,传统商业显微镜无法满足这一需求,且现有高空间带宽积显微成像系统存在体积庞大、实施成本高昂等问题。本文基于HiLo光切片技术和自主设计的大视场高分辨显微物镜,研发了具有高空间带宽积特点的大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统,测试了系统的成像视场和分辨率。应用该系统对小鼠脑切片开展了白光照明明场成像实验,并与OLYMPUS商业显微镜成像结果做了对比;对小麦种子荧光切片开展了光切片成像和宽场荧光成像对比实验。实验结果表明,大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统的成像视场达到4.8 mm×3.6 mm (对角视场为6.0 mm),横向分辨率达到0.74μm,轴向分辨率达到4.16μm。大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统兼有大视场和高分辨率成像的优势和快速光切片成像的能力,能够对大体积生物样本开展快速三维成像,将为胚胎发育、脑成像、数字病理诊断等研究提供有力的技术支撑。     

中国科学院生物物理研究所生物成像中心简介

<正>中国科学院生物物理研究所的生物成像中心是中科院蛋白质科学研究平台二期建设当中的重点项目。该中心定位于生命科学研究前沿,致力于实现对生物学对象从纳观尺度到介观尺度的高分辨率三维成像技术,通过对生物超微高分辨率三维结构的研究来回答生命科学的关键问题。目前,该中心集成了超分辨率光学显微技术、低温电子显微技术、三维重构技术、低温扫描微加工技术、单分子荧光成像技术、光电关联显微成像技术以及一系列生物显微成像样品技术,并承担了北京及周边地区生物显微成像技术服务工作,极大促进了相关生命科学前沿研究的进展,成为我国生命科学基础研究的重要支撑平台。     

光学应用 光学生物学应用

Q333∥Q6322006054789光声成像及其在生物医学中的应用=Photoacoustic tomo-graphy and applications in medical clinic diagnosis[刊,中]/谷怀民(华南师范大学激光生命科学研究所.广东,广州(510631)),杨思华…//生物化学与生物物理进展.—2006,33(6).—431-437对光声成像技术的机理、光声成像技术和方法、光声图像重建算法以及光声成像在生物医学上的应用情况作了简单介绍,希望有助于推动我国在该领域的科研和开发应用工作的迅速发展。图3参38(严寒)Q3362006054790基于ICCD的快速荧光显微成像技术及在活细胞研究中的初步应用=ICCD-ba…     

荧光光谱及其成像技术在光活检中的应用

分析了人体组织自体荧光的主要物质来源和荧光特性,同时总结了国内外常见的第二代新型光敏剂及其临床应用情况。在此基础上,全面比较了各种应用于早期肿瘤光活检的荧光光谱及其成像技术,并重点讨论了这些技术的基本原理和临床应用现状,以及它们今后的发展方向。     

扫描多光谱显微成像

文本描述了一种新的显微成像方法,它把光学扫描显微成像技术与成像多光谱技术巧妙地结合在一起,形成扫描多光谱显微成像技术.文中叙述了系统的结构及工作原理,介绍了所采用的图像处理系统,给出了实验结果,并进行了分析讨论.     

微型光学偶极阱中单原子相干操控Rabi振荡的实现及其应用

文章综述了Rabi振荡的基本原理以及微型光学偶极阱中单原子相干操控Rabi振荡的研究进展,同时介绍了其在单光子源、量子寄存器、量子计算等方面的应用,并简要介绍了作者所在小组在微型光学偶极阱中单原子操控方面的实验进展.     

When optical microscopy meets all-optical analog computing: A brief review

As a revolutionary observation tool in life science, biomedical, and material science, optical microscopy allows imaging of samples with high spatial resolution and a wide field of view. However, conventional microscopy methods are limited to single imaging and cannot accomplish real-time image processing. The edge detection, image enhancement and phase visualization schemes have attracted great interest with the rapid development of optical analog computing. The two main physical mechanisms that enable optical analog computing originate from two geometric phases: the spin-redirection Rytov-Vlasimirskii-Berry (RVB) phase and the Pancharatnam-Berry (PB) phase. Here, we review the basic principles and recent research progress of the RVB phase and PB phase based optical differentiators. Then we focus on the innovative and emerging applications of optical analog computing in microscopic imaging. Optical analog computing is accelerating the transformation of information processing from classical imaging to quantum techniques. Its intersection with optical microscopy opens opportunities for the development of versatile and compact optical microscopy systems.     

Repetition rate multipliers for efficient implementation of multiphoton and pump-probe fluorescence microscopy

With the advances in pulsed laser systems, microscopic imaging techniques such as multiphoton and pump-probe fluorescence microscopy have developed into effective tools for investigating intensity and time-resolved phenomena inside biological systems. However, pulsed lasers used in these techniques usually are commercial systems with repetition frequencies of around 80 MHz. While these systems have proven to be adequate for multiphoton and pump-probe microscopic imaging applications, the temporal separation of the laser pulse train (around 12.5 ns) is long compared to the fluorescence lifetimes of many common fluorescence species. In this work, we present the designs of repetition rate multipliers based on passive optical components that can be used to increase the efficiency in multiphoton and pump-probe fluorescence microscopy. Depending on the lifetime of fluorescence molecules under investigation, the passive repetition rate multiplier can increase the duty cycle of multiphoton or pump-probe microscopy up to fourfold.     

激光焊接熔透特征信号同轴增效提取方法研究

熔透检测是实现高功率激光焊接质量在线控制的重要环节,但由于介观尺度下的低辐值熔透特征信号产生于激光匙孔底部被匙孔喷射物质和周围干扰信号完全掩盖,熔透状态难以被直接获取,常规检测多以间接测量为主。将光谱透视技术、红外显微成像技术、光电传感技术及空间定位提取技术相结合,提出一种激光焊接熔透特征信号同轴增效提取方法。以高功率激光在匙孔内壁激发的荧光辐射源作为直接检测信号,利用不同发光体的谱段特性在红外谱段有效分离并抑制激光焊接匙孔上方的等离子体、金属蒸汽焰、粒子团簇等强干扰信号,使红外荧光信号得到有效增强,实现光谱透视显像效果。同时采用自行研制的激光焊接同轴显微光路系统,利用红外显微成像原理提取到匙孔内壁受激辐射荧光的红外显微实像。并以此为基础对高功率激光焊接熔透状态与匙孔内部影像特征进行关联研究,发现与熔透状态直接相关的低辐射值特征现象及特征区域的存在。通过视觉辅助定位调节和熔透特征位置试验矫正等寻位方式,依次提高定位精度,直至将传感器光电感应芯片高精度定位至荧光辐射实像中的熔透特征区域。由此通过光谱透视-显微成像-介观寻位萃取的逐层光学分离方式,实现了对匙孔熔透特征数据的精准提取和最大化增强。试验结果表明,基于多种光谱及光学处理技术复合应用的大功率固体激光焊熔透特征同轴增效提取方法对激光熔透特征信号增强效果显著,可作为一种新型的高功率激光焊接熔透在线检测手段。     

超分辨重建技术及其研究进展

超高分辨成像技术一直是航天、遥感、目标识别等领域的研究热点。随着光学成像到光电数字成像的转变,如何提高CCD的几何分辨率,已成为研制高分辨光电成像系统亟待解决的问题。本文从理论和工程实现的角度介绍了超分辨成像的技术原理,分析了实现超分辨重建技术的几种方法,主要描述了微扫描和亚像元两种重建技术的实现方式,指出了目前超分辨技术存在的缺陷。最后,针对超分辨技术中无混淆重建带宽较窄的问题,提出了一种新的技术方案。该方案将光学编码技术与目前的亚像元技术相结合,可将重建带宽拓展3倍。研究结论指出：融合了光学,光电子学和信号处理的成像系统的综合设计,将是未来成像领域的一个重要研究方向。     

宽场光学相干断层成像系统的三维显微成像

宽场相干断层成像技术（WFOCT）具有提高OCT系统的扫描速率和实现高分辨率的三维显微技术等优点,成为当前研究的热点。本文阐述了WFOCT的基本原理,利用八步移相法重建出玻璃物体微细结构的断层图像,研究了宽场OCT系统对玻璃材料的纵向分辨率和探测深度,其中探测深度可达3.3 mm。在获得多幅断层图像的基础上,利用VC6.0和OpenGL混合编程,采用移动立方体（MC）算法重建出玻璃物体微细结构的三维图像。实验结果表明,WFOCT系统不但能够在生物组织检测等医学方面得到应用,而且对反射率较高的物体能够完成三维形貌显微成像探测和深度探测。     

成像光谱测量研究

详细论述成像光谱仪的工作原理和各系统的研究方案，提出控制线性偏振光的光学设计方法，分析成像光谱的像光谱间相关性，最后介绍成像光谱仪的推广应用前景。     

Photonic sensing technology is opening new frontiers in biophotonics

In advanced sensing photonics it is of great importance to explore the detection limits of extremely weak optical signals and imaging using state-of-the art technology. In this paper we describe recent progress in photonic sensing technology achieved in practice in the standard quantum limit of optical detection imposed by the signal-limited shot noise, which can be realized by both the optical heterodyne detection and photon counting techniques. Then, with particular attention on imaging of ultraweak photonic signals by these techniques, their applications in developing new frontiers in the field of biophotonics such as laser computed tomography, and the imaging and characterization of ultraweak biophoton emission phenomena are described and discussed as one of the typical examples of future trends in this field.