螺旋光子筛用于相衬成像的模拟研究

为了提高螺旋波带片用于相衬成像的分辨率和成像对比度,因此本文将螺旋波带片的透光环带替换为透光微孔,以类-贝塞尔函数作为螺旋光子筛透过率的振幅调制窗函数设计了一种螺旋光子筛.在相同的特征尺寸下,螺旋光子筛比螺旋波带片具有更大的数值孔径,因此分辨率更高.同时基于光瞳切趾原理,经过类-贝塞尔振幅调制窗函数对螺旋光子筛透光微孔的分布进行调制,螺旋光子筛的成像对比度将高于螺旋波带片.通过数值计算和仿真分析表明:螺旋光子筛的点扩展函数主瓣宽度相对于螺旋波带片更窄,旁瓣幅值也相对更低.在相衬成像中,螺旋光子筛不仅能够消除螺旋波带片对圆盘状位相物体成像时图像的"浮雕"效应而且能够更为清晰地分辨出位相跳变更为密集的周期矩形条状物体.因此,螺旋光子筛用于相衬成像中将具有更高的成像分辨率和成像对比度,其在医学领域将具有广阔的运用前景.     

基于光栅相衬成像的扇束螺旋CT重建算法

X射线相位衬度成像具有极高的灵敏度,能探测到轻元素样品的内部结构,在医学、生物学和材料科学等众多领域显示出良好的应用前景。光栅成像模式可使用非相干光源进行X射线相位衬度成像,开创了非相干光源相衬成像新纪元。将螺旋CT的概念引入光栅相衬成像领域,将螺旋CT的高效率优势与光栅相位成像的高衬度优势相结合,发展X射线螺旋相位CT方法。通过分析螺旋轨迹非相干光源相位成像的特点,提出一种扇形束螺旋条件下的相位信息提取方法;而后借鉴希尔伯特滤波反投影重建算法的思想,得到扇形束螺旋相位CT重建算法。该算法利用折射角像直接重建物体的相位项。计算机仿真实验证明了该算法的有效性。     

平板式螺旋相位板的设计与应用

传统的螺旋相位板是一种利用沿方位角方向介质材料高度递增实现对光束相位调控产生涡旋光束的光学器件,由于这种特殊的几何结构特征使其不能通过相位板的叠加而调控出射光束所携带的角量子数.本文基于坐标变换方法将介质材料沿方位角方向折射率不变而高度递增的传统螺旋相位板变换为一种介质材料沿方位角方向高度不变而折射率递增的平板式螺旋相位板.通过理论分析与数值模拟,发现本文所设计的平板式螺旋相位板不仅与传统螺旋相位板一样能够产生高质量的涡旋光束,而且平板式螺旋相位板的高度和涡旋光束携带的角量子数可以根据介质材料的折射率选取而任意调节.为了实际应用的需要,可以通过叠加多层平板式螺旋相位板以获得不同角量子数的涡旋光束.这种平板式螺旋相位板在光传输、光通信等领域具有广阔的潜在应用价值.     

X射线相衬成像光子筛

基于 Zernike相衬成像原理和光瞳切趾原理,提出一种将相位板和切趾光子筛集成为一个相衬显微物镜的 X射线相衬成像光子筛的设计方法.这种 X射线相衬成像物镜可以实现生物体组织或者其他弱吸收材料的高分辨率和高衬度成像.通过优化光子筛透镜的衍射结构,可以抑制成像系统的点扩展函数的旁瓣和消除高阶衍射焦点,从而提高成像分辨率;另外,将光子筛透镜和变相板合为一体,克服了成像透镜和变相板难以对准的缺陷.以高斯切趾光子筛为例,实验验证了设计方法的可行性. 关键词： X射线显微技术 相衬成像 光瞳切趾 光子筛     

基于螺旋相位调制的非相干全息点扩散函数研究

分析了菲涅耳非相干相关全息(Fresnel incoherent correlation holography,FINCH)系统中纯相位空间光调制器(spatial light modulator,SLM)加载螺旋相位掩模时的点扩散函数.以氙灯为照明光源搭建了FINCH系统,电荷耦合器记录的点源全息图与点扩散函数模拟结果一致.采用该系统分别在SLM上加载双透镜掩模和螺旋相位调制双透镜掩模两种情况下对分辨率板和非染色洋葱细胞成像,给出了成像对比结果.结果表明:采用螺旋相位调制的FINCH系统可以在几乎不牺牲分辨率的情况下提高图像的边缘对比度;同样,对相位物体也可以实现图像的边缘提取和识别.该方法在实时监测活细胞的分裂、形变等方面具有重要应用前景.     

利用周期型正交二元相位板产生正方阵列涡旋和螺旋光场

设计了一种周期型正交二元相位板,其具有周期型矩形调制单元,各单元的相位调制量为0或π。该相位板的空间频谱具有中心直流分量为0的特点,分别对该频谱中心区域的4个一级频谱点和8个二级频谱点进行相位调制,可得到正方阵列光斑和正方阵列涡旋。阵列涡旋中各涡旋光束的拓扑荷数l=±1,在空间交错分布。由于两个正方阵列光场在垂直传播方向的横向周期恰好重合,且两个光场沿光轴方向的波数不同,因此叠加之后可以形成强度分布随传输距离旋转的正方阵列螺旋,阵列中存在两种具有相反螺旋方向的螺旋光束,同样在空间呈交错分布。此外,讨论了产生最佳螺旋光束的相位板设计条件,并给出理想情况下系统的能量利用率,所得实验结果验证了该方法的可行性。     

双能X射线光栅相衬成像的研究

X射线光栅相衬成像存在系统复杂、成像效率低、步进精度要求高、光栅加工难度大等问题.本文设计了一种双能阵列X射线源和双能分析光栅,并应用于X射线光栅相衬成像,提出了一种双能X射线光栅相衬成像系统,阐述了该成像系统的成像原理和相位信息提取方法.提出的成像系统不需要精密步进平台,精简了成像系统,避免了步进误差导致的成像质量降低问题;两次曝光就可以成像,提高了成像效率;双能阵列X射线源、双能分析光栅的应用避免了源光栅、分析光栅难以加工的问题.对提出的成像系统及其相位提取方法进行了仿真,仿真结果显示成像系统可以正常成像,提取到的检测样本的X射线相衬成像相位一阶导数分布与相关文献实验所得结果一致.     

耦合复金兹堡-朗道(Ginzburg-Landau)方程中的模螺旋波

以双层耦合复金兹堡-朗道(Ginzburg-Landau)方程系统为时空模型, 研究了其中的模螺旋波, 讨论了这种特殊波动现象的稳定条件和相关影响因素. 模螺旋波与该类时空系统中常见的相螺旋波相比, 其中心不存在缺陷点, 同时仅在其变量的振幅部分(而非相位部分) 表现为螺旋结构. 本文通过数值方法研究了耦合复金兹堡-朗道方程中产生模螺旋波所需要的初始和参数条件.研究表明, 当双层耦合系统的初始斑图之间的差距较大时, 才能够产生模螺旋波; 同时观察到系统在参数不匹配的条件下会发生相螺旋波向模螺旋波的转变.通过对同步函数的计算, 发现该转变过程具有非连续性.     

X射线同轴相衬成像的参数优化系统

通过对具有2维高斯型相位分布特征的物体的X射线同轴相衬成像技术进行理论分析,建立了成像系统参数优化系统。优化系统明确了图像衬度、信噪比、分辨力和探测器抽样数等成像质量评价参数对射线源能量、源焦斑尺寸、探测器分辨力、成像几何和物体结构特性等系统参数的依赖关系。采用数值模拟,分别对亚微焦点源、激光驱动微焦点源和同步辐射源3种X射线源下的成像系统相关参数进行了优化。结果表明,优化系统很好地完成了系统的优化工作。     

硬X射线光栅微分干涉相衬成像两步相移算法的理论与实验研究

针对硬X射线光栅微分干涉相衬成像在实际应用中对低辐射剂量和快速获取图像的要求, 通过对实验系统的理论分析和参数优化设计, 采用了两步相移算法用于提取物体相位信息. 这种方法可以有效降低X射线对物体的辐射剂量, 大大提高恢复相位信息的速度, 为X射线光栅相衬成像在未来的医疗和工业中的应用奠定基础. 关键词： 光栅干涉 X射线相衬成像 两步相移算法     

复合组分材料的X射线定量相衬成像研究

对复合组分材料的应用和需求日益广泛,但如何精确地测量其定量结构信息仍是一个亟待解决的难题.建立了复合组分结构模型,利用X射线同轴相衬成像和相位恢复方法,分别进行了计算机模拟和实验研究,系统地分析了复合组分材料不同的密度差异对X射线相衬成像和相位恢复精度的影响以及噪声对定量相位恢复的影响.实验结果表明,利用X射线定量相衬...     

影响同步辐射X射线螺旋显微CT的若干因素研究

同步辐射X射线是扁平光, 传统显微CT难以对长样品实现快速、高分辨、低剂量三维成像, 螺旋扫描的引入可以很好地解决这一难题. 本文采用数字模拟和实验的方法较为系统地研究了螺距、光斑竖直高度和180° 投影数对成像质量、速度的影响. 模拟结果表明, 在螺距不大于2的前提下, 180° 投影数增大, 误差减小, CT成像速度变慢; 光斑竖直高度增大, 速度加快; 螺距增大, 速度加快, 且误差在允许范围内; 选取合适的参数值使旋转平移比为整数, 误差最小. 同时, 优化参数并在上海光源实现螺旋显微CT, 从实验上验证了模拟结果. 研究表明, 通过优化各参数, 同步辐射螺旋显微CT可以实现快速高质量三维成像, 为以后的实际应用提供了依据.     

光波场中多边位错向螺旋位错的转化

实验研究及理论分析了光波场中边位错向螺旋位错的转化行为. 设计了围绕中心沿角向周期排列的多边位错相位结构,实验上通过计算全息图法研究了其对高斯光束的调制作用以及调制光束的传播特性. 结果表明,随着调制光束逐渐演化为类涡旋光束,多边位错结构可以转化为螺旋位错,且位错结构的总相位变化守恒. 结合光场的线动量密度图详细分析了该演化过程,并进一步讨论了多边位错结构中的相位突变值对螺旋位错转化的影响,给出了决定螺旋位错拓扑荷值的定量关系式. 关键词： 边位错 螺旋位错 涡旋光束 拓扑荷     

激光直写制作高阶螺旋相位板及其性能

将拓扑荷为4的螺旋相位光束与平面光干涉的计算全息图输入到空间光调制器中,得到含有多个衍射级次的高阶涡旋光束。为提高衍射效率,利用激光直写技术制作拓扑荷为4的高阶螺旋相位板,经测定,相位板深度理论数值为1.073 m,测量数值为1.082 m,相位板制作误差在0.83%以内。平行光束通过此相位板时,在夫琅和费衍射场获得一个高质量的高阶光学涡旋,光强分布与理论数值基本吻合,衍射效率达到86%。     

数字相衬法成像

本文给出了数字相衬法成像的技术,并对激光扫描声显微镜的数据进行了处理,结果表明数字相衬法的像比普通方法的像更好.和相位板相比,数字方法简单易行,用途广泛.     

新型类贝塞尔振幅调制螺旋相位片

设计并制备了一个新型类贝塞尔调制螺旋相位片,该相位结构是由类贝塞尔函数表示的振幅信息加载到螺旋相位上构成的,通过选择合适的调制参数,使得透射率在相位结构边缘处为零,能够大幅度消除再现光学旋涡光束的旁瓣.采用在纯相位型元件上调制复振幅的编码方法,实现振幅型到纯相位型的转换.通过优化多灰阶激光直写工艺,对每一个像素高度进行...     

插入芯体的螺旋型波纹管液氮流动特性仿真研究

液氮在传输管线中的压降特性一直是高温超导电缆低温系统最重要的设计参数之一。以往针对液氮流动阻力的研究大多在直管或环型波纹管方面,主要关注其几何尺寸对压降的影响。然而,实际应用的长距离高温超导电缆更适合应用螺旋型波纹管。本文主要研究螺旋型波纹管插入导体芯后管内液氮的流动特性。通过建立三维数值模型,对螺旋型波纹管中插入直径为5、8 mm的3根或4根螺旋绞织缠绕导体芯时的液氮流动阻力进行对比分析。结果表明,导体芯的粗细、导体芯自身螺旋缠绕的节距、及导体芯缠绕时相互间形成的空隙大小均是直接影响液氮流动压降、摩擦因子的关键因素,并获得了液氮摩擦因子与上述参数的定量关系。     

非均匀可激介质中的螺旋波

以Barkley模型为对象,研究了可激介质的非均匀性对螺旋波斑图形成的影响.该模型中各参数与可激介质的属性密切相关,通过参数涨落的正态分布来刻画非均匀性,数值研究了单参数以及多参数涨落的正态分布情形下螺旋波斑图的形成.研究表明,可激介质的非均匀性对于螺旋波波纹的粗细及疏密程度有较大影响.参数涨落分布的方差越大,形成的螺旋波波纹越粗糙.对于两参数均匀分布的极端情形,当参数分布大于某一范围,无法形成螺旋波.这些都与螺旋波旋转的角频率密切相关.螺旋波旋转的角频率越大,螺旋波波纹越粗,同时波纹越密集;反之,螺旋波 关键词： 螺旋波 非均匀介质 Barkley模型     

双能分析光栅的设计

双能X射线光栅相衬成像系统具有成像效率高、辐射小、无须步进装置、成像平台简单等优点。研究了不同X射线能量下,CsI厚度与荧光透射率、金属铋的厚度与光强透射率的关系。基于以上研究,设计了一种双能分析光栅,阐述了光栅结构及栅条的制作材料,分析了栅条厚度的计算方法。对双能分析光栅成像进行了仿真,结果表明,设计的双能分析光栅可以获得清晰的条纹图像,并具有良好的条纹对比度。将设计的双能分析光栅应用于双能X射线光栅相衬成像系统,对成像系统进行了仿真,成像系统可以获得被测物体的相位一阶导数图像,表明设计的双能分析光栅是有效的。     

中能X射线光栅相衬显微成像分析及模拟

理论分析了基于相位光栅分数塔尔博特效应的X射线相衬显微成像原理,采用菲涅耳衍射公式推导出相位光栅在两个不同距离处的成像结果公式.然后建立一个水合蛋白质细胞模型,对成像系统进行了参数设计,得出1～2 keY的中能波段X射线是兼顾大景深和高成像衬度的最优选择.针对10μm厚的细胞模型,选取1.5 keY的中能X射线做模拟计...