黄朋 1,2殷高方 1,2,3,*赵南京 1,2,3,4甘婷婷 2,3[ ... ]张小玲 2,4
作者单位
摘要
1 合肥学院生物食品与环境学院,安徽 合肥 230601
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室,安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学,安徽 合肥 230026
4 安徽大学物质科学与信息技术研究院,安徽 合肥 230601
浮游藻类密度监测对水质状况诊断及藻华灾害预警具有重要意义。因此,提出一种基于微流控-显微荧光技术的浮游藻细胞密度检测方法。该方法基于微流控技术实现样品快速定量进样,利用共聚焦显微荧光结构实现藻细胞特征荧光信号的高信噪比采集,并通过分析荧光峰信息实现浮游藻细胞计数。以杜氏盐藻、色球藻、隐藻和赤潮藻为测试对象的结果表明:在1.3×106 L-1密度范围内测量相对误差均小于3.96%,且准确率不受悬浮物、藻细胞种类以及尺寸的影响;在10%允许误差下,藻类密度检测上限可提升至5×106 L-1,完全能够满足自然水体浮游藻细胞密度检测需求,为水体藻细胞密度快速准确检测提供了新途径。
浮游藻类 显微荧光 微流控 藻细胞计数 
光学学报
2023, 43(18): 1812002
刘梁晨 1,2,3杨瑞芳 2,3,*赵南京 2,3石高勇 1,2,3[ ... ]刘文清 2,3
作者单位
摘要
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院,安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室,安徽 合肥 230031
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室,安徽 合肥 230031
4 合肥学院生物食品与环境学院,安徽 合肥 230601
土壤作为多环芳烃类有机污染物的主要环境归宿,使用传统色谱和荧光光谱分析方法对残留在其中的多环芳烃进行检测常存在局限性,难以满足动态快速监测土壤污染状况的实际需求。为了实现对土壤多环芳烃的快速检测,设计搭建255 nm紫外LED诱导荧光光谱检测系统,以?、荧蒽、菲和芘4种多环芳烃为研究对象,探讨了不同土壤类型中多环芳烃的LED诱导荧光特性,验证了LED诱导荧光快速检测方法应用于土壤多环芳烃污染物检测的可行性。实验结果表明,在一定的浓度范围内,标准黄土、高岭土中多环芳烃在特征荧光峰处的荧光强度与浓度均呈现出良好的线性相关性(R2>0.98)。在对受多环芳烃污染的实际土样进行检测时,通过建立定点波长浓度反演模型来实现对多环芳烃浓度的定量分析,测试集浓度预测的相对误差基本在理想范围内,对不同多环芳烃土样的平均相对误差最大不超过15.5%。
土壤 多环芳烃 诱导荧光光谱 紫外发光二极管 定量检测 
光学学报
2023, 43(18): 1812003
Yuehan Xu 1Tao Wang 1,2,3,4,*Huanxi Zhao 1Peng Huang 1,2,3Guihua Zeng 1,2,3,5,*
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks, Center of Quantum Sensing and Information Processing, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
2 Shanghai Research Center for Quantum Sciences, Shanghai 201315, China
3 Hefei National Laboratory, CAS Center for Excellence in Quantum Information and Quantum Physics, Hefei 230026, China
4 e-mail: tonystar@sjtu.edu.cn
5 e-mail: ghzeng@sjtu.edu.cn
The quantum network makes use of quantum states to transmit data, which will revolutionize classical communication and allow for some breakthrough applications. Quantum key distribution (QKD) is one prominent application of quantum networks, and can protect data transmission through quantum mechanics. In this work, we propose an expandable and cost-effective quantum access network, in which the round-trip structure makes quantum states travel in a circle to carry information, and the multi-band technique is proposed to support multi-user access. Based on the round-trip multi-band quantum access network, we realize multi-user secure key sharing through the continuous-variable QKD (CV-QKD) protocol. Due to the encoding characteristics of CV-QKD, the quadrature components in different frequency bands can be used to transmit key information for different users. The feasibility of this scheme is confirmed by comprehensive noise analysis, and is verified by a proof-of-principle experiment. The results show that each user can achieve excess noise suppression and 600 bit/s level secure key generation under 30 km standard fiber transmission. Such networks have the ability of multi-user access theoretically and could be expanded by plugging in simple modules. Therefore, it paves the way for near-term large-scale quantum secure networks.
Photonics Research
2023, 11(8): 1449
胡翔 1,2殷高方 1,2,3,*赵南京 1,2,3,4,*何前锋 5[ ... ]贾仁庆 2,3
作者单位
摘要
1 合肥学院 生物学院, 安徽 合肥 230601
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
4 安徽大学, 安徽 合肥 230601
5 安徽省合肥生态环境监测中心, 安徽 合肥 230088
流式细胞显微图像分析法是水体浮游藻类自动鉴别的重要发展方向,快速进样条件下细胞显微图像将产生形变,影响浮游藻类自动鉴别准确率。本文基于搭建的浮游藻类微流控-显微成像实验系统,通过对不同进样流速下藻类细胞显微形变和图像清晰度的分析,研究了流速对显微成像形变的影响规律。分析基于卷帘快门拍摄运动物体产生形变原理,提出了单向偏移像素的图像形变校正方法,并与藻类细胞静态条件下获取的图像进行了对比分析。实验结果表明:静态条件下,湖生卵囊藻细胞的图像长宽比及清晰度均值分别为1.16和116.53;动态进样过程中,随着流速增大细胞图像形变(长宽比)逐渐增大、清晰度降低;95 µL/min进样流速下,校正前后细胞图像长宽比均值分别为1.35和1.26,形变离散程度由校正前的0.33降至0.1,与静态细胞形态接近且校正前后图像清晰度基本不变。本文研究结果为提升水体浮游藻类细胞自动鉴别准确率提供了依据。
浮游藻类 微流控-显微成像 图像形变 校正方法 planktonic algal microfluidics-microscopic imaging image deformation correction method 
中国光学
2023, 16(4): 788
作者单位
摘要
桂林理工大学 机械与控制工程学院, 广西 桂林 541004
借鉴玻璃透镜的研究方法,提出了一种基于统计数据的液体透镜重复变焦精度指标,用于描述其变焦稳定性,并给出了液体透镜设计参数优化及材料优选的实验方法。首先,通过初步实验研究与分析,得到影响液体透镜重复变焦精度的主要影响因素——极性溶液体积、锥度、非极性溶液粘度;其次,以重复变焦精度和变焦范围作为评价指标,发现重复变焦精度与电压的关系不具有单调性,存在先升后降的现象。在此基础上,运用极差分析与综合平衡法,得到各因素的不同影响程度及最优参数组合,采用正交实验法优化设计参数。最后,实验验证了该方法的有效性。实验结果表明,优化后的液体透镜,在150 V电压处,重复变焦精度为0.2 m−1;在0~230 V电压范围内,变焦范围为−15.2~5.85 m−1。结果表明本文所提出的方法基本满足液体透镜变焦稳定可靠、精度高、变焦范围大等要求。
介电润湿 液体透镜 连续变焦 重复精度 正交实验 参数优化 dielectric wetting liquid lens continuous zooming repeated accuracy orthogonal experiment parameter optimization 
中国光学
2023, 16(4): 868
徐敏 1,2殷高方 1,2,*赵南京 1,2,*胡翔 3黄朋 3
作者单位
摘要
1 中国科学院 合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所,中国科学院环境光学与技术重点实验室,安徽合肥23003
2 中国科学技术大学,安徽合肥3006
3 合肥学院,安徽合肥20601
针对目前浮游植物种类鉴别镜检法中存在的相似形态藻细胞难以区分、同粒径杂质干扰大、藻细胞位置难以定位分割等问题,设计了一种浮游植物明场荧光显微同步成像系统。系统使用高分辨显微成像光路结构、透射式与落射式结合的照明方式和以分光光路为核心的明场荧光双光路同步成像方法,获取浮游植物显微图像下的明场形态信息和色素荧光信息。利用该系统对绿藻门、蓝藻门、硅藻门等不同门类藻种进行明场图像与荧光图像同步成像测试,实验结果表明:系统成像分辨率达1.5 μm,成像周期时间为707 ms,系统采集的图片中藻细胞纹理清晰,细胞边缘明显,利用系统中的明场图像并结合荧光图像,可有效定位藻细胞位置,降低样品中杂质对藻种鉴别的影响,丰富浮游植物显微图像信息量,为基于浮游植物显微图像的相关研究提供方法参考。
浮游植物 显微成像 荧光成像 双光路成像 phytoplankton microscopy imaging fluorescence imaging double optical path imaging 
光学 精密工程
2023, 31(12): 1725
贾仁庆 1,2殷高方 2,*赵南京 1,2,**徐敏 2[ ... ]张小玲 5
作者单位
摘要
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院,安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室,安徽 合肥 230031
3 合肥学院,安徽 合肥 230601
4 安徽省生态环境监测中心,安徽 合肥 230061
5 安徽大学,安徽 合肥 230601
以鱼腥藻、栅藻和盘星藻为分析对象,通过采集多个焦平面的显微图像,基于拉普拉斯能量与引导滤波以及图像HSV颜色空间饱和度分量分别检测显微图像聚焦区域和失焦区域,研究浮游藻类细胞显微多聚焦图像融合方法,并与小波变换、拉普拉斯金字塔以及脉冲耦合神经网络融合方法进行对比分析。结果表明:鱼腥藻、栅藻和盘星藻融合图像的边缘信息保持度、空间频率、平均梯度分别为0.3529、8.9654、0.0055,0.3778、7.0058、0.0023和0.2940、1.5445、0.0005,均优于对比融合方法,具有更好的边缘信息传递能力及更高的图像清晰度,有效实现了浮游藻类细胞显微多聚焦图像融合,为获取浮游藻类细胞的全景深显微图像提供了思路。
图像处理 浮游藻类细胞 显微 多聚焦图像融合 聚焦区域检测 失焦扩散效应 
光学学报
2023, 43(12): 1210001
Wanwang Yang 1,2Chenxi Yu 1,2Haolin Li 1,2Mengqi Fan 1,2[ ... ]Jinfeng Kang 1,2,*
Author Affiliations
Abstract
1 School of Integrated Circuits, Peking University, Beijing 100871, China
2 Beijing Advanced Innovation Center for Integrated Circuits, Beijing 100871, China
3 Key Laboratory of Optoelectronics Technology, Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
The finding of the robust ferroelectricity in HfO2-based thin films is fantastic from the view point of both the fundamentals and the applications. In this review article, the current research status of the future prospects for the ferroelectric HfO2-based thin films and devices are presented from fundamentals to applications. The related issues are discussed, which include: 1) The ferroelectric characteristics observed in HfO2-based films and devices associated with the factors of dopant, strain, interface, thickness, defect, fabrication condition, and more; 2) physical understanding on the observed ferroelectric behaviors by the density functional theory (DFT)-based theory calculations; 3) the characterizations of microscopic and macroscopic features by transmission electron microscopes-based and electrical properties-based techniques; 4) modeling and simulations, 5) the performance optimizations, and 6) the applications of some ferroelectric-based devices such as ferroelectric random access memory, ferroelectric-based field effect transistors, and the ferroelectric tunnel junction for the novel information processing systems.
ferroelectricity HfO2-based thin films physical mechanism characterization modeling and simulation applications 
Journal of Semiconductors
2023, 44(5): 053101
石高勇 1,2,3杨瑞芳 2,3,*赵南京 2,3,**刘梁晨 1,2,3[ ... ]刘文清 2,3
作者单位
摘要
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院,安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室,安徽 合肥 230031
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室,安徽 合肥 230031
4 合肥学院生物食品与环境学院,安徽 合肥 230601
针对土壤芳香烃总量快速检测难题,研究了基于荧光成像技术的土壤芳香烃荧光信号获取、特征提取方法和质量分数总量反演的方法。基于发光二极管(LED)紫外激发光源、面阵CCD相机、透镜等器件搭建了实验系统,获得了最佳光源激发能量、激发角度等参数,并对实验系统检测能力进行了分析。利用这一实验系统获取了质量分数范围为0~25000×10-6的标准土壤中机油的系列荧光图像,基于高斯降噪处理和最大类间方差法研究了图像噪声抑制与荧光信号提取方法,建立了标准土壤中机油芳香烃总量的反演模型,并利用反演模型对待测样本的机油芳香烃总量进行了预测。结果表明:总量反演模型的决定系数(R2)达到了0.9889,检测限为82.18,对20个样品测试的误差基本在12%以内。
测量 土壤 荧光成像 多环芳烃 相机 图像处理 
光学学报
2023, 43(6): 0612005
Lang Li 1,2†Tao Wang 1,2,5,*†Xinhang Li 3†Peng Huang 1,2[ ... ]Guihua Zeng 1,2,7,*
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks, Center for Quantum Sensing and Information Processing, Department of Electronic Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
2 Shanghai Research Center for Quantum Sciences, Shanghai 201315, China
3 State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks, Shanghai Key Laboratory of Navigation and Location Services, Department of Electronic Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
4 SJTU-Pinghu Institute of Intelligent Optoelectronics, Pinghu 314200, China
5 e-mail: tonystar@sjtu.edu.cn
6 e-mail: luliangjun@sjtu.edu.cn
7 e-mail: ghzeng@sjtu.edu.cn
Integrated quantum key distribution (QKD) systems based on photonic chips have high scalability and stability, and are promising for further construction of global quantum communications networks. On-chip quantum light sources are a critical component of a fully integrated QKD system; especially a continuous-variable QKD (CV-QKD) system based on coherent detection, which has extremely high requirements for the light sources. Here, for what we believe is the first time, we designed and fabricated two on-chip tunable lasers for CV-QKD, and demonstrated a high-performance system based on these sources. Because of the high output power, fine tunability, and narrow linewidth, the involved on-chip lasers guarantee the accurate shot-noise-limited detection of quantum signals, center wavelength alignment of nonhomologous lasers, and suppression of untrusted excess noise. The system’s secret key rate can reach 0.75 Mb/s at a 50 km fiber distance, and the secure transmission distance can exceed 100 km. Our results mark a breakthrough toward building a fully integrated CV-QKD, and pave the way for a reliable and efficient terrestrial quantum-secure metropolitan area network.
Photonics Research
2023, 11(4): 504

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