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- 2019
- 激光多普勒测速仪
- 线性和圆偏振
- 透过浑浊水的成像
- 透镜阵列
- 多重偏振散斑投影
- 图像处理
- 矢量光束
- 拉盖尔-高斯模式
- 衍射
- 超表面
- 光电信息科学与工程
- Shenzhen University
- ETH Zürich
- Qingdao University of Science and Technology
- Ariel University
- Hunan University
- Roche Innovation Center Basel
- Hunan University; Hunan Normal University
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敏感且稳健的生物分子相互作用分析原则：衍射极限聚焦莫洛图谱的检测限与分辨率
摘要： 无标记生物传感器能够实时监测生物分子相互作用，这对分析生物分子的结合特性至关重要。虽然表面等离子体共振（SPR）等折射光学生物传感器灵敏度高且技术成熟，但它们易受传感体积内折射率变化的干扰——这种变化可能源于样品缓冲液成分的微小差异、温度漂移，尤其是复杂流体（如血液）中与传感器表面的非特异性结合。这些局限源于折射式传感器测量的是整个传感体积的折射率。与之相反，衍射式生物传感器（例如焦散全息术）仅检测分析物分子相干集合产生的衍射光。因此，任何与该分子集合非相干的折射率分布都不会增强相干信号。这使得衍射式生物传感器具有天然鲁棒性，无需参比通道或温度稳定即可实现灵敏测量。该相干集合由分析物分子选择性结合至合成结合图案（全息图）而形成。焦散全息术已在前期论文中通过理论推导[C. Fattinger, 物理评论X 4卷, 031024 (2014)]和实验验证[V. Gatterdam等, 自然·纳米技术 12卷, 1089 (2017)]提出，但要充分释放其潜力仍需深入理解底层物理机制并实现衍射极限读出。本文提出了改进的理论模型，能根据衍射强度精确量化结合在全息图上的生物物质含量。此外还展示了衍射极限全息焦点的测量（即艾里斑）。这些改进使我们能在无需温度稳定或漂移校正的情况下，实现与最佳SPR传感器相当的实时结合实验分辨率，并以终点法无标记检测低分子量化合物。所开展的实验证明了衍射式传感器原理的鲁棒性与灵敏度。
关键词： 生物分子相互作用分析、衍射计量生物传感器、焦点莫罗图谱法、衍射极限焦点、鲁棒性、无标记检测、灵敏度
更新于2025-09-22 15:08:33
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利用介电超表面通过空心高斯光束在高阶庞加莱球上生成纯拉盖尔-高斯矢量光束
摘要： 由于衍射效应，外腔生成纯拉盖尔-高斯（LG）模式的矢量光束（VBs）长期存在挑战。本文从理论上提出并通过实验实现了利用空心高斯光束（HGBs）经q板生成纯LG矢量光束的方法。我们推导了任意偏振HGB生成矢量光束的通用表达式，发现当HGB阶数等于q板拓扑荷数的两倍时，该矢量光束具有纯LG模式，且通过调节入射偏振可在高阶庞加莱球上实现任意目标偏振分布。进一步采用介质超表面实现q板并实验验证了理论结果。所生成的纯LG矢量光束可应用于对模式纯度要求较高的场景。
关键词： 矢量光束、拉盖尔-高斯模式、衍射、超表面、潘查拉特南-贝里相位、空心高斯光束
更新于2025-09-24 02:30:23
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通过融合单次拍摄的多视角偏振与非偏振散斑图像实现不透明液体介质中隐藏物体的成像实验演示
摘要： 浑浊液态介质是常见的散射环境，在其中成像目标极具挑战性——各类来源和尺寸的散射颗粒会导致严重图像退化，造成目标复原效果差且分辨率低。因此，消除光散射的非线性影响是主要难题，这限制了光学成像技术在液态介质中的应用。本研究通过透镜阵列投射多方向偏振散斑图像并进行平均处理，旨在规避浑浊液态介质中的光学退化问题并复原隐藏目标的高质量图像。受天文成像技术启发，该平均过程采用专为重建大气退化太阳图像开发的平移叠加（SAA）算法，随后应用线性和圆偏振策略进一步优化图像重建效果。 实验使用两种不同几何形状的目标物开展，这些目标物嵌入由商用牛奶与海水按不同比例稀释配制的浑浊液态介质中。用偏振激光束照射介质后，通过CCD相机采集多幅偏振散斑图像。离线处理阶段，首先将图像平移至共同中心，再运用SAA算法融合生成各隐藏目标的重建图像。通过信噪比（SNR）、熵值和清晰度等定量图像质量指标评估重建效果。结果表明本方法能成功识别浑浊介质中的隐藏目标。据我们所知，这是首个通过平均多幅偏振散斑投影实现浑浊液态介质中隐藏目标成像的研究报道。
关键词： 线性和圆偏振，透过浑浊水的成像，透镜阵列，多重偏振散斑投影，图像处理
更新于2025-09-24 02:33:47
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基于小波包阈值法的激光多普勒信号去噪
摘要： 在激光多普勒测速仪（LDV）中，多普勒频移的计算精度会受到多普勒信号所含噪声的影响。为抑制噪声干扰并提高信号处理精度，本文提出了小波包阈值去噪方法?；诙远嗥绽招藕诺姆治觯∪×撕鲜实你兄岛头纸獠闶⒉捎肏eursure、sqtwolog、rigrsure和minimaxi准则获取阈值。处理结果表明：对于原始信噪比为0 dB、5 dB和10 dB的模拟信号，小波包阈值去噪方法显著提升了低频与高频段的信噪比（SNR）和均方根误差（RMSE）。实验室搭建的双光束双散射LDV系统实验显示，实测信号经minimaxi准则去噪后的最小相对误差仅0.079%。去噪后的模拟与实验信号波形较原始信号更为平滑清晰。总体而言，minimaxi和sqtwolog准则的去噪效果优于heursure和rigrsure准则。通过对模拟与实验信号的处理分析表明，基于小波包阈值的去噪方法能有效抑制激光多普勒信号噪声并提高信号处理精度。该方法兼具有效性与实用性，是LDV信号处理的实用方案。
关键词： 小波包阈值去噪、激光多普勒测速仪、信噪比、双光束双散射LDV系统、均方根误差
更新于2025-09-16 10:30:52
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基于Nuttall窗三谱插值的激光多普勒信号处理
摘要： 由于实际应用中的异步采样问题，频谱泄漏和栅栏效应会显著降低激光多普勒测速仪（LDV）常用信号处理方法——快速傅里叶变换（FFT）的精度。为提高LDV信号处理精度，本文提出Nuttall窗三谱线插值法。通过对比分析旁瓣特性，采用四项一阶、四项三阶、四项最小旁瓣和三项最小旁瓣Nuttall窗来抑制频谱泄漏，并对这些窗函数进行三谱线插值以缓解栅栏效应。仿真信号与实测信号的处理结果验证了该方法的有效性和准确性：实验室实测信号中，三谱线插值的最小相对误差为0.06%（四项最小旁瓣Nuttall窗）；模拟信号中，最小相对误差仅为0.0068%（低频段的四项三阶Nuttall窗）。总体而言，四项三阶和四项最小旁瓣Nuttall窗具有更高精度。凭借其简洁高效的特点，Nuttall窗三谱线插值是LDV信号处理的实用方法。
关键词： 三谱插值、频谱泄漏、激光多普勒测速仪、Nuttall窗函数、栅栏效应
更新于2025-09-16 10:30:52
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基于声学腔等离子体传感增强的活体反射模式光声显微镜技术
摘要： 利用表面等离子体共振（SPR）的高灵敏度折射率传感和高度受限的消逝场特性，我们采用SPR传感器（而非常规压电超声换能器）测量了宽带光声（PA）压力瞬态信号。由不锈钢制成的声学腔体通过设计的内椭球面，将激光诱导的光声波从激发点重定向至SPR传感器。通过将SPR传感器与声学腔体集成，我们开发出具有多重优势的光学分辨率光声显微镜（OR-PAM）：包括反射模式信号采集、提升的光声检测灵敏度、高达约98 MHz的扩展光声频谱带宽以及微米级横向分辨率。这使得系统不仅能对活体小鼠薄耳部，还能对厚前肢血管进行无标记体积式光声成像。凭借这些综合优势，我们的OR-PAM系统为生物医学研究（例如研究眼部与皮层微循环）提供了更多可能性。
关键词： 反射模式，高灵敏度，表面等离子体共振，在体血管成像，光声成像
更新于2025-09-12 10:27:22