Author Affiliations
Abstract
School of Microelectronics, Xidian University, Xi’an, Shaanxi 710071, P. R. China
In this paper, two optimized autofocusing metasurfaces (AFMs) with different desired focal distances are designed by using particle swarm optimization (PSO) algorithm. Based on the finite element simulation software COMSOL Multiphysics, the performance of ultrasound transducer (UT) with AFM at different design parameters in Airy distributions and the bottom thickness (d) of AFM are simulated and analyzed. Based on the simulation data, the artificial neural network model is trained to describe the complex relationship between the design parameters of AFM and the performance parameters of UT. Then, the multiobjective optimization function for AFM is determined according to the desired performance parameters of UT, including focal position, lateral resolution, longitudinal resolution and absolute sound pressure. In order to obtain AFMs with the desired performance, PSO algorithm is adopted to optimize the design parameters of AFM according to the multiobjective optimization function, and two AFMs are optimized and fabricated. The experimental results well agree with the simulation and optimization results, and the optimized AFMs can achieve the desired performance. The fabricated AFM can be easily integrated with UT, which has great potential applications in wave field modulation underwater, acoustic tweezers, biomedical imaging, industrial nondestructive testing and neural regulation.
Autofocusing metasurface ultrasound transducer optimization Journal of Advanced Dielectrics
2024, 14(1): 2350001
1 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西 西安 710119
2 西安电子科技大学物理学院，陕西 西安 710071
定量相位显微成像在工业检测、生物医学和光场调控等领域具有重要的应用价值。常用的定量相位显微成像技术通过干涉的方法来获取相位的定量分布，干涉装置的稳定性、光学衍射极限的限制、相位再现时的解包裹问题、激光照明下的相干噪声，以及动态观测过程中的样品离焦等因素都会影响定量相位显微成像的分辨率和精度。本文围绕高精度定量相位显微成像中的上述关键问题展开研究，通过构建物参共路的同步相移数字全息显微结构实现稳定的实时测量；采用结构光照明的超分辨相位成像方法实现对微小物体的超分辨相位成像；利用双波长照明将纵向无包裹相位测量范围扩大到微米量级；使用低相干LED照明解决相干噪声问题；提出了基于结构光照明和双波长照明的数字全息显微自动调焦方法，可以满足对不同类型样品的长时间跟踪观测。
定量相位显微成像 物参共路 结构光照明 相位解包裹 自动调焦
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009
当自动对焦用于玻罗板线纹等方向性强的目标时，线纹方向的不确定性导致一些清晰度函数的鲁棒性降低甚至无法找到对焦位置。针对上述问题，通过Hough直线检测得到离焦线纹的角度，构建一种基于Hough变换的线纹清晰度评价函数，该函数的灰度算子垂直于线纹，对线纹方向变化具有较强的鲁棒性。为了比较线纹方向对清晰度函数性能的影响，对5组不同角度的线纹图像进行评价，得到清晰度曲线，并引入平缓区标准差等参数对曲线进行定量评定。实验结果表明，与传统的评价函数相比，基于Hough变换的评价函数的平缓区均值减小59.85%，标准差减小46.05%，对焦偏差减小92.63%，平均运行时间减少36.37%，镜头焦距的相对误差减小62.12%。
测量 自动对焦 清晰度评价 焦距测量 放大率法 Hough变换
1 深圳技术大学中德智能制造学院，广东 深圳 518118
2 深圳技术大学大数据与互联网学院，广东 深圳 518118
研究了频谱受调制的修正圆Airy光束（MCAB）在单轴晶体中沿光轴的传播特性。与其他光束一样，左旋圆偏振（LHCP）的MCAB沿单轴晶体光轴传播时会激发拓扑电荷数为2的涡旋右旋圆偏振（RHCP）分量。MCAB在晶体传播时，LHCP分量和RHCP分量都会出现“突然自聚焦效应”，不带涡旋的LHCP分量在焦点附近形成实心光束，而RHCP分量由于具有涡旋相位而在焦点附近形成空心光束。单轴晶体的各向异性导致LHCP分量比涡旋RHCP分量更早出现最大光强。选择合适的频谱调制参数，MCAB的“突然自聚焦效应”强度约为普通圆Airy光束（CAB）的3.4倍；在晶体长度为10 cm的情况下，不带涡旋的LHCP分量转化为涡旋RHCP分量的效率可达43.28%，比普通CAB高约10%。
物理光学 光束传播 突然自聚焦 涡旋光束 单轴晶体
北京理工大学光电学院精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室, 北京 100081
共焦拉曼光谱技术可实现定量、 无损、 无需标记的样品微区“分子结构特征和物质组成信息”成像, 被广泛应用于生物医学、 物理化学以及材料科学等领域。 由于共焦拉曼系统采用“点”激发和“点”探测的探测机制, 且拉曼散射光谱信号微弱, 导致成像所需时间可长达数小时甚至数十小时; 测量过程中系统极易受环境变化、 空气扰动等因素影响产生漂移, 造成被测样品离焦, 从而导致成像质量不稳定。 针对现有共焦拉曼系统对样品定焦能力不足、 样品易产生离焦误差、 系统漂移大等问题, 本文提出了一种基于双边拟合的高稳定性共焦拉曼光谱定焦方法。 该方法首先对共焦拉曼光谱强度轴向响应曲线两侧对样品离焦敏感的数据区间分别进行线性拟合, 得到两条拟合直线方程; 然后, 将所得的两条直线方程相减得到新的差分直线; 最后, 通过差分直线的过零点位置确定系统焦平面位置, 实现了被测样品的高精度定焦, 消除了离焦对系统测量结果的影响。 以单晶硅表面同一位置, 轴向扫描步距100 nm, 进行60次重复定焦实验, 实验获得的重复定焦极差为80.2 nm, 说明系统具有良好的抗漂移能力。 对周期5 μm的竖条栅格标准原子力台阶样品进行拉曼mapping成像测试, 结果表明在长时间的成像过程中, 和无定焦功能的图像相比, 该方法获得的竖条栅格图像更清晰、 边缘更锐利、 信噪比较好。 仿真分析和实验结果表明: 提出的基于双边拟合共焦拉曼光谱探测方法可以提高系统的定焦准确度, 抑制干扰因素导致的系统离焦对成像质量的影响, 进而确保了系统探测的稳定性和成像分辨力, 是一种自动定焦、 抗漂移的拉曼光谱成像方法。
共焦拉曼 自动定焦 双边拟合 抗漂移 Confocal Ramanmicroscopy Autofocusing Bilateral fitting Anti-drift 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2795
红外与激光工程
2021, 50(2): 20200530
1 浙江大学物理学系, 浙江 杭州 310027
2 浙江大学先进技术研究院, 浙江 杭州 310027
研究了硬边环带光阑内外半径和衰减因子对环带光阑圆形艾里光束(CAB)自聚焦特性的影响。结果表明,控制环带光阑内外半径,可以增加CAB第一个自聚焦峰光强且抑制传播后续聚焦峰光强;和无光阑时相比,添加环带硬边光阑有聚焦峰光强在不同的衰减因子下普遍增强的优点。因此,该方法在光操控粒子方面具有潜在的应用。
物理光学 圆形艾里光束 硬边环带光阑 自聚焦特性 激光与光电子学进展
2020, 57(23): 232601
Author Affiliations
Abstract
1 MOE Key Laboratory of Material Physics and Chemistry under Extraordinary Conditions, and Shaanxi Key Laboratory of Optical Information Technology, School of Physical Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129, China
2 State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology, National University of Defense Technology, Hefei 230037, China
The generation of an autofocusing circular Airy beam (CAB) is realized via a liquid crystal (LC) geometric phase plate with a simple configuration. The fabrication of the LC plate is based on the photoalignment technology and dynamic exposure skill. A focal length of 74 cm is obtained, and the propagation dynamics are consistent with the simulations. Besides, a defocusing CAB is also generated, and the switch between the autofocusing and defocusing CABs can be achieved by controlling the input polarization state. This work provides a convenient and flexible approach to acquire CABs, which will promote the CAB-related applications and researches.
circular Airy beam autofocusing liquid crystal photoalignment technique Chinese Optics Letters
2020, 18(8): 080008
