聚焦激光束：从科研到教学的应用

列举了聚焦激光束在光镊、显微激光改性和显微测量等科研领域中的典型应用实例,设计了荧光检测以及激光微纳加工系统一体化的教学实验.通过显微光谱检测系统获得了红宝石的光致发光信号,并分析了光谱的产生机理.教师通过指导学生搭建聚焦激光光路,实现微纳加工和热光学性质测试,强化了学生在激光应用技术方面的知识与技能.     

荧光显微光谱成像系统及教学设计

本文介绍了一种自组荧光显微光谱成像系统。该系统性能稳定、功能多样,可以实现空间显微分辨和光谱探测功能的有机结合,具有白光照明成像、激光激发荧光成像、显微光谱成像、荧光光谱探测和应力调控等功能。实验结果表明,该系统的光学分辨率385nm,光谱分辨率小于1nm,可以完成量子点和单层二维材料的荧光光谱探测、白光照明成像和显微光谱成像等。依托该系统设计开展的实验内容充足、层次分明,可满足不同学生的学习需求,为目前国内荧光光谱相关的物理实验教学提供思路。     

白光LED用玻璃荧光体的制备及光学性能研究性实验设计

阐述了将白光发光二极管(LED)用玻璃荧光体的制备及光学性能研究作为研究性实验的探索与实践.利用高温熔融淬火技术制备稀土离子掺杂的玻璃荧光体,采用荧光光谱仪测量其相对光谱功率分布曲线,研究其光学性能,通过将玻璃荧光体与紫光LED结合探究白光发射性能.将科研相关成果转化为研究性实验,有助于激发学生对专业知识的学习兴趣,加...     

二维傅里叶变换光谱实验方法简介

二维傅里叶变换光谱是近几十年来发展起来的一种先进光谱技术. 与其他超快光谱方法相比,它具有许多优点,并且为研究各种复杂系统提供了巨大的机会. 然而,二维傅里叶变换光谱的系统搭建、实验测量和理论描述仍面临许多挑战,从而限制了其广泛应用. 近年来,随着超快激光等各种相关技术的发展和革新,二维傅里叶变换光谱方法也逐渐发展成熟,进而大大降低了进行二维傅里叶变换光谱实验的技术壁垒. 对于二维傅里叶变换光谱实验装置的光学设计,目前存在许多不同的方法,每种方法都有其自身的优点和局限性. 但是目前还没有一个简单的教程可以帮助实验工作者选择搭建其第一套二维傅里叶变换光谱实验装置. 因此,本文旨在为计划搭建其第一套二维傅里叶变换光谱实验装置的初学者提供一个简短的介绍.     

二维傅里叶变换光谱实验方法简介（英文）

二维傅里叶变换光谱是近几十年来发展起来的一种先进光谱技术.与其他超快光谱方法相比,它具有许多优点,并且为研究各种复杂系统提供了巨大的机会.然而,二维傅里叶变换光谱的系统搭建、实验测量和理论描述仍面临许多挑战,从而限制了其广泛应用.近年来,随着超快激光等各种相关技术的发展和革新,二维傅里叶变换光谱方法也逐渐发展成熟,进而大大降低了进行二维傅里叶变换光谱实验的技术壁垒.对于二维傅里叶变换光谱实验装置的光学设计,目前存在许多不同的方法,每种方法都有其自身的优点和局限性.但是目前还没有一个简单的教程可以帮助实验工作者选择搭建其第一套二维傅里叶变换光谱实验装置.因此,本文旨在为计划搭建其第一套二维傅里叶变换光谱实验装置的初学者提供一个简短的介绍.     

6H-SiC的飞秒激光超衍射加工

利用飞秒激光直写微纳加工平台, 对6H-SiC材料进行了突破衍射极限的微纳结构加工研究. 使用中心波长和脉宽分别为800 nm和130 fs的钛蓝宝石激光器和荧光倒置显微镜搭建了飞秒激光直写微纳加工平台, 研究了在不同的实验条件下对6H-SiC的光学加工情况, 采用扫描电子显微镜对加工结构进行表征. 通过分析不同的激光功率和不同的曝光时间等实验条件下加工的分辨率, 发现分辨率随着激光功率的减小而提高, 随扫描速度的增大而提高, 且能突破光学衍射极限. 最终获得125 nm的加工线宽, 并加工了加工线宽240 nm, 周期1.0 μm的线阵列. 研究结果为微机电系统(MEMS)的微器件设计开创了新的思路, 对发展MEMS器件具有重要意义. 关键词： 飞秒激光直写 超衍射加工 6H-SiC 微机电系统     

并联结构微光纤双结谐振器中的慢光效应

为了研究基于微光纤的谐振器中的慢光效应,设计并制作了并联结构的微光纤双结谐振器.基于环形谐振器和方向耦合器理论,提出并联结构微光纤双结谐振器的理论模型,分析了该谐振器中光场传输和耦合的方向,推导了该谐振器中输出光场与输入光场之间的数学解析式和群延时表达式.通过数值模拟,给出了有关该谐振器的透射光谱和群延时,分析了群延时与透射光谱中谐振波长的对应关系.数值结果表明在该谐振器中,大的群延时能够在具有大消光比的谐振波长处产生.实验制作了一个并联结构的微光纤双结谐振器,测得的透射光谱与理论模拟相一致,验证了该谐振器理论分析的正确性.利用示波器上脉冲延时的方法,搭建了慢光延时测量系统,测得该谐振器中大约75 ps的群延时,远大于现有文献中的值.该谐振器可用于微纳光学的数据延时线、光学开关和光学存储等.     

并联结构微光纤双结谐振器中的慢光效应（英文）

为了研究基于微光纤的谐振器中的慢光效应,设计并制作了并联结构的微光纤双结谐振器.基于环形谐振器和方向耦合器理论,提出并联结构微光纤双结谐振器的理论模型,分析了该谐振器中光场传输和耦合的方向,推导了该谐振器中输出光场与输入光场之间的数学解析式和群延时表达式.通过数值模拟,给出了有关该谐振器的透射光谱和群延时,分析了群延时与透射光谱中谐振波长的对应关系.数值结果表明在该谐振器中,大的群延时能够在具有大消光比的谐振波长处产生.实验制作了一个并联结构的微光纤双结谐振器,测得的透射光谱与理论模拟相一致,验证了该谐振器理论分析的正确性.利用示波器上脉冲延时的方法,搭建了慢光延时测量系统,测得该谐振器中大约75ps的群延时,远大于现有文献中的值.该谐振器可用于微纳光学的数据延时线、光学开关和光学存储等.     

用于激光二极管抽运固体激光器热畸变补偿的MEMS微变形镜设计

以MEMS微变形镜驱动方式的选取为出发点,从光学特性和力学特性两方面对MEMS微变形镜进行分析.从中得出相关结构参数对微变形镜性能的影响关系.并在此基础上结合补偿激光二极管抽运固体激光器(DPL)热畸变的使用要求设计了一种新型MEMS连续面型微变形镜,并采用设计的MEMS变形镜搭建了一个闭环自适应光学实验系统,补偿了激光光束的热畸变.实验结果显示该MEMS连续面型微变形镜可对腔内畸变进行有效补偿,同时提高了激光器的输出功率及光束质量.     

提高飞秒超强激光对比度测量动态范围的一种新方法

普克尔盒(Pockelscell)和格兰棱镜以一定方式组合使用时能对超强激光脉冲的主脉冲进行消光而不会削弱预脉冲的强度,利用这一特性,文章作者设计搭建了一套高动态范围的激光纳秒对比度测量系统,利用该方法将对比度在ns量程内的动态测量范围提高了3个量级,并实验测得了2.95×10-8的纳秒对比度.     

原位成形光学微透镜的聚光性能研究

为解决荧光谱微检测系统中光学微透镜制作的困难,提出一种原位成形微透镜的制作方法,研究该微透镜的聚光性能,利用传统几何光学原理,分别推导出激发微透镜与检测微透镜的光线追迹方程,用该方程计算了2种微透镜的照射点分布几率,画出相应的分布曲线图,讨论了不同形状参数的微透镜对聚光性能的影响。研究结果表明,通过在光学胶中适当掺杂及打磨基底玻璃,可减小接触角,加大微透镜的形状参数,既能坚固透镜与基底间的粘接强度,又能提高微透镜的聚光本领。制作了使用原位成形光学微透镜的荧光谱微检测器,对生物荧光试剂进行了测试。实验结果表明,使用原位成形光学微透镜进行聚光,可使生物荧光谱强度提高4倍以上,通过在光学胶中掺杂以及打磨玻璃的办法,可以提高透镜的聚光本领约1.2倍。     

64通道单粒子荧光光谱数据采集系统

为了提高微弱荧光信号的探测能力,获取高分辨光谱信息,通过2套32通道光电倍增管(PMT)阵列,结合激光诱导荧光技术,搭建了64通道荧光光谱数据采集系统,并使用LabVIEW对数据采集系统进行软件控制,实现光谱数据的高速采集与处理。实验结果表明该采集系统光谱分辨率为4.69nm,能够对微流控芯片内通过的单粒子样品溶液进行荧光光谱采集,实现计数功能。     

基于单毛细管椭球镜的微束X射线荧光成像

X射线荧光成像是一种可无损获得样品内部元素空间分布信息的实验技术,可分为荧光mapping扫描成像与荧光CT成像,其空间分辨率由X射线聚焦束斑的大小决定。上海光源成像线站已建立X射线荧光成像系统并对用户开放,在多个领域取得较好的研究成果,该系统基于狭缝限束获取微束X射线,束斑为150μm,限制了该方法的广泛应用。椭球聚焦镜是反射面为椭球面的单次反射单毛细管光学元件,基于全反射原理,具有反射效率高、工作距离长、接收角宽、适用X射线能量范围宽、体积小等优点,已应用到X射线聚焦、全场纳米成像等领域。由于对面型精度的要求较高,制备椭球聚焦镜难度较大。为满足广大用户对微束荧光成像的需求,自行设计并成功研制了针对微束荧光成像系统的单毛细管椭球镜,并对其进行了X射线聚焦性能检测,结果显示可获得14μm聚焦光斑,焦点处增益可达255倍。基于自主研制的椭球镜,在上海光源BL13W搭建微束X射线荧光成像系统,并开展了微束荧光mapping成像与微束荧光CT实验研究:(1)对中风鼠脑切片的荧光mapping扫描成像,得到中风鼠脑中微量元素铜、铁、钙与锌的元素分布荧光光谱图;(2)对鼠脑及毛细管中浓度为0.5 mg·L~(-1)的标准砷溶液进行同步辐射微束X射线荧光CT成像,利用OSEM重构算法重构投影数据,获得了鼠脑中铜元素和毛细管中砷元素二维分布的切片图。两组实验表明,基于自行设计与研制的单毛细管椭球镜的微束X射线荧光成像系统,样品处的光通量密度增加,空间分辨率得到提高,单张荧光光谱的获取时间显著减少,同时也提高了系统的元素探测限。     

高分辨率光纤光谱仪的设计及其在激光诱导击穿光谱中的应用

为解决激光诱导击穿光谱系统中光谱检测模块体积大、分辨率低的问题,设计了一种小体积、高分辨率的交叉型Czerny-Turner光纤光谱仪.计算了光学系统的结构参量和光学元件的特征参量.运用光学设计软件Zemax对光学系统进行分析与评价,结果表明该光谱仪在340~440nm光谱范围内分辨率优于0.1nm,系统体积约为200mm×180mm×60mm.此外,搭建了一套激光诱导击穿光谱实验系统,通过对重金属溶液的分析检测,获得良好的实验结果,整个系统分辨率高、体积小、成本低、结构简单、稳定性好.     

晚期糖基化终末产物荧光光谱测量系统的设计

提出了一种利用荧光光谱技术测量晚期糖基化终末产物的方法,阐述了该荧光光谱测量系统的测量原理,设计并搭建了该荧光光谱测量系统。利用该系统对365,370,375,380,385 nm波段进行了激发光谱扫描测试,得出375 nm为最佳激发波长;采用375 nm的单色光作为激发光源,分别对正常人和糖尿病患者的皮肤进行了荧光光谱检测,发现两者在450 nm附近的荧光存在明显的差异。实验结果证明该荧光光谱测量系统快速、无创、简单,可应用于对糖尿病、人体衰老、氧化应激等病情进行早期预测和诊断。     

2μm波段再入射离轴积分腔输出光谱设计与实验

离轴积分腔输出光谱技术(off-axis integrated cavity output spectroscopy, OA-ICOS)是一种高灵敏度的激光光谱测量技术.但由于使用密集的高阶模进行光谱探测,OA-ICOS输出信号强度较低,使得探测灵敏度高度依赖于光源功率.针对该问题,本文引入光学再入射的方法,使激光再次注入光腔,以提高能量利用率和输出信号强度.本文使用三维光追踪模拟软件,设计再入射结构,研究了影响信号增益的多个因素.并搭建一套2μm波段的再入射OA-ICOS装置,开展了一系列研究实验.实验数据表明:再入射方法使OA-ICOS信号增强了8倍,信噪比提升了4.6倍,有效改善了探测灵敏度和光谱的吸收深度,缓解了探测中遇到的信号功率低的问题,为使用低功率光源和高反射率腔镜提供了有效的方法.     

有机气溶胶的微脉冲荧光激光雷达水平近场探测研究

微脉冲激光雷达技术是大气气溶胶观测的重要手段,当使用紫外激光光源时,可利用激光诱导荧光信号探测环境中的有机气溶胶。建立了微脉冲荧光激光雷达水平探测有机气溶胶的仿真模型,并对回波光子数及信噪比进行了数值仿真计算。根据仿真结果设计并搭建了一台微脉冲荧光激光雷达,通过对系统进行几何重叠因子标定,减小了近场荧光回波信号的强度误差。以营养肉汤溶液为气溶胶样本对该激光雷达系统开展了测试实验,实验表明该MPFL系统空间分辨率为7.5m,实验最大探测距离达到200m。同时与另一台低重频高脉冲能量的荧光激光雷达进行了对比实验,对比结果显示,两型激光雷达接收的荧光信号强度变化趋势具有很好的一致性,相关系数达82%以上。在相同的累加时间下,MPFL荧光信号变化率矩阵标准误差小于0.02%,具有更好的抗干扰性能,能够实现对有机气溶胶准确探测,验证了系统有效性和实用性。     

高空间分辨率高可见度的太赫兹光谱成像研究

太赫兹光谱成像,不但包括在二维图像空间的强度信息,同时可以得到太赫兹波段的光谱信息,构成了一个三维的数据矩阵。由于受到太赫兹成像系统内部硬件的限制和影响,太赫兹频域较高频段处信号存在能量弱、信噪比低的特点,导致所成的太赫兹图像普遍存在分辨率低、对比度低等问题。因此,利用三维数据矩阵,应用适合的算法,实现了提高太赫兹光谱成像空间分辨率、边缘细节可见度的目的。搭建了三维可移动式太赫兹时域光谱成像系统,实现了对标准高分辨率板的二维扫描。对该系统所采集到的信号分别进行时域、频域等多种方式成像对比,结合瑞利判据和分辨率标尺对成像系统的空间分辨率、景深进行标定,研究了提高太赫兹光谱成像的空间分辨率算法。然后,针对太赫兹频域高频区域信噪比低、对比度低、噪声原因复杂的特点,结合深度残差学习的图像去噪理论,提出了太赫兹图像深度去噪网络,在训练集中引入成像系统中真实的“太赫兹残差噪声”。最后,利用所训练出的模型对太赫兹频域高频区域图像进行盲去噪,并用重建图像分别与原始成像结果和传统太赫兹去噪算法结果进行比较,分别从主观和客观两个方面评价了不同算法对太赫兹频域高频图像的去噪效果。实验结果表明,通过该算法实现...     

一种基于MEMS光栅光调制器的近红外光谱探测系统

基于微机电系统技术的近红外光谱探测系统已成为了近红外光谱仪研究的一个新方向。文章提出了一种基于光栅光调制器的新型近红外光谱探测系统。该系统采用微加工技术制造的光栅光调制器阵列与单点近红外探测器相结合使用的方法进行光谱探测。设计了该光谱探测系统的光学结构, 论述了系统光谱探测原理, 并使用经表面微加工工艺得到的光栅光调制器器件进行了系统分辨本领、波长准确性、系统稳定性、器件响应频率等特征参数测试实验。结果表明,该探测系统在1 320到1 400 nm波长范围内,分辨本领小于10 nm, 波长准确性小于1 nm, 系统稳定性小于0.5%, 光栅光调制器的响应频率为5kHz。实验结果证明了该近红外光谱探测系统的可行性, 为研制基于微机电系统光栅光调制器的微型化近红外光谱仪提供了理论基础及实验指导。     

光学指纹采集与处理

设计了基于光学的指纹采集和处理系统.通过自组实验仪器,不断改进实验方案,最大程度地提高采集到的指纹图像的质量.利用Matlab处理采集图像,联合使用自适应直方图均衡和直方图均衡,得到对比度高且清晰可辨的指纹.