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基于相干光调控的无透镜光纤成像及其应用(特邀)

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激光与光电子学进展 2024年第6期61卷 25-53页

作者：程圣福仲天庭胡子敏李浩然赖溥祥香港理工大学生物医学工程学系中国香港香港理工大学光子技术研究院中国香港香港理工大学深圳研究院广东深圳518063

基于多模光纤或多芯光纤的无透镜超细光纤内窥成像技术近些年获得了快速发展,有望成为下一代的极微创、高分辨率内窥显微镜。通过对相干入射光场的时空调控,该技术可克服多模光纤中模式色散或多芯光纤中相位畸变的影响,在无需光纤末端... 详细信息

基于多模光纤或多芯光纤的无透镜超细光纤内窥成像技术近些年获得了快速发展,有望成为下一代的极微创、高分辨率内窥显微镜。通过对相干入射光场的时空调控,该技术可克服多模光纤中模式色散或多芯光纤中相位畸变的影响,在无需光纤末端透镜或扫描器件的情况下实现高分辨率的聚焦、成像及相关应用。此外,在无透镜光纤内窥成像或图像传输等场景下,通过构建物理或深度学习模型,从光纤输出测量中也能实现物体信息重建。对相干光纤无透镜成像技术的发展进行综述,首先说明无透镜光纤成像的基础原理,并从主动波前调控和被动目标重建这两类角度阐述无透镜光纤成像方法,接着介绍一些先进光纤成像模态和技术,列举光纤成像相关应用,最后分析该领域所面临的挑战,总结并展望其进一步发展方向和应用前景。

关键词：多模光纤多芯光纤波前整形内窥成像光学显微成像深度学习

基于相干光调控的无透镜光纤成像及其应用（特邀）

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激光与光电子学进展 2024年第6期 35-63页

作者：程圣福仲天庭胡子敏李浩然赖溥祥香港理工大学生物医学工程学系香港理工大学光子技术研究院香港理工大学深圳研究院

基于多模光纤或多芯光纤的无透镜超细光纤内窥成像技术近些年获得了快速发展，有望成为下一代的极微创、高分辨率内窥显微镜。通过对相干入射光场的时空调控，该技术可克服多模光纤中模式色散或多芯光纤中相位畸变的影响，在无需光纤末... 详细信息

基于多模光纤或多芯光纤的无透镜超细光纤内窥成像技术近些年获得了快速发展，有望成为下一代的极微创、高分辨率内窥显微镜。通过对相干入射光场的时空调控，该技术可克服多模光纤中模式色散或多芯光纤中相位畸变的影响，在无需光纤末端透镜或扫描器件的情况下实现高分辨率的聚焦、成像及相关应用。此外，在无透镜光纤内窥成像或图像传输等场景下，通过构建物理或深度学习模型，从光纤输出测量中也能实现物体信息重建。对相干光纤无透镜成像技术的发展进行综述，首先说明无透镜光纤成像的基础原理，并从主动波前调控和被动目标重建这两类角度阐述无透镜光纤成像方法，接着介绍一些先进光纤成像模态和技术，列举光纤成像相关应用，最后分析该领域所面临的挑战，总结并展望其进一步发展方向和应用前景。

关键词：多模光纤多芯光纤波前整形内窥成像光学显微成像深度学习

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深层生物组织光学技术发展及其应用(特邀)

中国激光 2024年第1期51卷 330-353页

作者：赖溥祥赵麒周颖颖程圣福胡子敏李焕浩余志鹏黄夏子姚靖庞未然李浩然黄浩梵李文钊郑源东王志远袁楚琪仲天庭香港理工大学生物医学工程系中国香港九龙999077 香港理工大学深圳研究院广东深圳518055 香港理工大学光子技术研究院中国香港九龙999077 香港理工大学体育科技研究院中国香港九龙999077

光学技术在生物医学中扮演着越来越重要的角色,其非电离辐射、高分辨率、高对比度和对生物组织异变高度灵敏等特性使其非常适用于生物组织的研究,包括成像、传感、治疗、刺激以及控制等。然而由于光折射因子在生物组织中的分布是不均匀... 详细信息

光学技术在生物医学中扮演着越来越重要的角色,其非电离辐射、高分辨率、高对比度和对生物组织异变高度灵敏等特性使其非常适用于生物组织的研究,包括成像、传感、治疗、刺激以及控制等。然而由于光折射因子在生物组织中的分布是不均匀的,光在生物组织中的传播会受到很强的散射影响,故纯光学技术的穿透深度和空间分辨率是“鱼和熊掌不可兼得”;高分辨率光学成像应用仅限于样品浅表层,当成像深度增加时分辨率急剧下降。实现光在深层生物组织里的高分辨率成像或应用是人们期盼已久的目标。近年来,为解决这一问题,研究者提出了不同的方法,例如切换到更长的光波长以减小组织散射系数,在信号检测时将漫射光转换为散射不明显的超声信号,逆转或者预先补偿由光的多次散射所带来的相位畸变,或借助光纤等微创光学通道实现深层生物组织的高分辨率光学成像、刺激等。基于团队在深层生物组织光学相关领域多年的耕耘,从光在生物组织中的传播特性出发,梳理和总结了近年来研究人员在光-声结合和光学波前整形技术等方面展开的诸多探索,以及在生物组织操控、成像、光学计算以及人工智能等领域中的应用尝试。虽然尚有诸多不足,但随着硬件设备的更新和计算技术的发展,在不远的将来有望实现活体深层生物组织光学高分辨率应用。在这一求索过程中,新方法和新能力将不断激发新的应用灵感,为光学尤其是生物医学光子学带来全新的理念和机遇。

关键词：生物光学光学成像生物医学光子学深层组织光学波前整形光声成像

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基于显微多光谱成像的临床皮肤鳞癌病理分析

中国激光 2024年第15期51卷 135-142页

作者：王成杨常兴仰伽仪葛倩倩蔡文强燕昱龄项华中张大伟赵肖庆上海理工大学健康科学与工程学院生物医学光学与视光学研究所上海200093 上海理工大学医用光学仪器与设备教育部重点实验室上海200093 上海交通大学医学院附属瑞金医院皮肤科上海200025 上海理工大学教育部光学仪器与系统工程研究中心上海200093

皮肤鳞状细胞癌(cSCC)是我国三大皮肤恶性肿瘤之一,病理学诊断目前仍是其临床诊断的金标准。为了提升诊断效率以及降低人工劳动强度,本课题组自主研发了一套自动多光谱显微成像系统。利用该系统获取人体正常皮肤组织与鳞癌组织全切片的... 详细信息

皮肤鳞状细胞癌(cSCC)是我国三大皮肤恶性肿瘤之一,病理学诊断目前仍是其临床诊断的金标准。为了提升诊断效率以及降低人工劳动强度,本课题组自主研发了一套自动多光谱显微成像系统。利用该系统获取人体正常皮肤组织与鳞癌组织全切片的多光谱病理图像,运用随机森林算法与自适应阈值分割法对不同波段的图像进行精确分割并作伪彩色处理,有效地提取出细胞核、大脂滴和角化珠等重要的诊断信息。此外,利用滑动窗口技术设置200×200像素的窗口,计算窗口内的核质比。结果表明,多光谱病理图像经伪彩色处理后显著增强了病理结构的可视化。经量化分析得到正常皮肤组织与cSCC组织的核质比存在显著的统计学差异(P实验结果表明,该自动多光谱显微成像系统结合图像处理技术,增强了临床病理信息的可视化和量化能力,为提升病理分析的效率和准确率、降低病理诊断的复杂性提供了坚实的技术基础。

关键词：生物医学光学多光谱成像图像分割细胞核质比

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光频域反射计研究进展

激光与光电子学进展 2024年第5期61卷 13-29页

作者：朱坤垚江毅北京理工大学光电学院北京100081 信息光子技术工业和信息化部重点实验室北京100081

光频域反射计(OFDR)是一种分布式光纤测量技术。将扫频激光注入光纤链路,对后向瑞利散射光进行频域分析,定位光纤链路上的反射点位置及强度。由于其具有高精度、高空间分辨率等特点,广泛地应用于航空航天、智能结构、材料加工、光学网... 详细信息

光频域反射计(OFDR)是一种分布式光纤测量技术。将扫频激光注入光纤链路,对后向瑞利散射光进行频域分析,定位光纤链路上的反射点位置及强度。由于其具有高精度、高空间分辨率等特点,广泛地应用于航空航天、智能结构、材料加工、光学网络监测、生物医学等高精度测量及制造领域。本文阐述了OFDR的基本原理,介绍了提升OFDR系统性能的关键技术研究进展,最后总结了OFDR在不同领域的应用,展望了未来的发展趋势。

关键词：光频域反射计分布式光纤传感后向瑞利散射频域分析

大功率GHz重复频率飞秒光纤激光技术及前沿应用

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科学通报 2024年第Z2期69卷 4182-4196页

作者：修昊陈学文温俊鹏梁兆恒范怡衡胡旭王文龙林巍韦小明杨中民华南理工大学物理与光电学院华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室华南理工大学广东省特种光纤材料与器件工程技术研究开发中心华南理工大学广东省光纤激光材料及应用技术重点实验室华南师范大学未来技术研究院

与kHz～MHz重复频率飞秒激光相比, GHz重复频率飞秒激光具有更大的频率间隔、更易获得高平均功率,是光谱学、生物光子学、微波光子学、精密加工等基础研究与工业应用领域的崭新工具.光纤型飞秒激光在光束质量、紧凑性、鲁棒性等方面具... 详细信息

与kHz～MHz重复频率飞秒激光相比, GHz重复频率飞秒激光具有更大的频率间隔、更易获得高平均功率,是光谱学、生物光子学、微波光子学、精密加工等基础研究与工业应用领域的崭新工具.光纤型飞秒激光在光束质量、紧凑性、鲁棒性等方面具有先天优势,是大功率GHz重复频率飞秒激光的重要发展方向,有望拓展激发超快激光在尖端领域应用,支撑核心工业、生命医学、航空航天等领域持续创新.本文从大功率GHz重复频率飞秒光纤激光器的技术难点、最新进展、前沿应用等方面进行综述,并展望未来发展前景.

关键词：飞秒激光高重复频率大功率光纤激光超快激光

面向先进生物医学应用的光声显微成像术（特邀）

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激光与光电子学进展 2024年第6期 115-144页

作者：马海钢吴家辉朱亚辉魏翔于音什任世利陈钱左超南京理工大学电子工程与光电技术学院智能计算成像实验室(SCILab) 南京理工大学江苏省光谱成像与智能感知重点实验室南京理工大学智能计算成像研究院(SCIRI)

光声显微成像（PAM）是一种具有无损、多功能、高分辨率等特点的生物医学成像技术，通过检测光声信号进行图像重建可实现高分辨率和高深度的结构和功能成像，在生命科学、基础医学和医疗诊断中发挥着越来越重要的作用。首先概述光声显... 详细信息

光声显微成像（PAM）是一种具有无损、多功能、高分辨率等特点的生物医学成像技术，通过检测光声信号进行图像重建可实现高分辨率和高深度的结构和功能成像，在生命科学、基础医学和医疗诊断中发挥着越来越重要的作用。首先概述光声显微技术的发展背景和原理特点，然后对利用光学增强、声学增强、人工智能增强及光学与声学互补的光声显微成像术促进成像性能提升的方法进行论述，最后讨论当前光声显微技术在生物医学研究中的广泛应用，并对未来技术的发展趋势进行展望。

关键词：生物医学影像光声显微成像高分辨多功能无损

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深组织光片荧光显微成像研究进展

激光与光电子学进展 2024年

作者：周笑左超刘永焘南京理工大学电子工程与光电技术学院智能计算成像实验室(SCILab) 南京理工大学智能计算成像研究院(SCIRI) 南京理工大学江苏省光谱成像与智能感知重点实验室

随着生物医学研究对复杂组织结构和功能的深入探索，高分辨率、高信噪比的深组织成像技术变得愈加关键。传统的显微镜技术往往局限于二维、透明的生物薄样本的观测，这在很大程度上无法满足当前生物医学领域对三维深组织体成像的研究需... 详细信息

随着生物医学研究对复杂组织结构和功能的深入探索，高分辨率、高信噪比的深组织成像技术变得愈加关键。传统的显微镜技术往往局限于二维、透明的生物薄样本的观测，这在很大程度上无法满足当前生物医学领域对三维深组织体成像的研究需求。而光片荧光显微镜凭借其低光损伤、高采集速率、大视场、体成像等诸多优点被生物学家广泛使用。然而，生物组织固有的高散射特性仍然为深层成像带来了巨大的挑战。本综述重点介绍了光片荧光显微成像技术在深组织成像领域的最新进展，特别是应对高散射样本挑战的解决策略。首先阐述了光片荧光显微镜的基本原理和高散射吸收特性的形成原因及影响。随后，进一步阐明了增加组织穿透深度、应对光散射和吸收等问题的最新进展。最后，探讨了具有高穿透深度和抗散射能力的光片荧光显微成像技术的发展前景以及潜在应用。本综述旨在为相关领域的研究人员提供有价值的参考，助力其对该前沿技术的最新进展和应用前景有初步的理解。

关键词：荧光显微光片照明深组织成像三维成像光学散射

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弱相干扫描层析成像系统的三维传递函数分析

物理学报 1999年第10期48卷 1831-1838页

作者：向际鹰吴震曾绍群骆清铭张平黄德修华中理工大学光电子系武汉430074 华中理工大学生物医学光子学研究所激光技术国家重点实验室武汉430074

导出了考虑离轴、离焦、及弱相干时延匹配情况的光学相干层析三维传递函数．以此为基础分析了分辨率的各种影响因素，对系统设计及优化起到了指导作用．结论有：光谱带宽增大时，纵向分辨率将线性提高，其代价是信号幅度呈线性下降．对... 详细信息

导出了考虑离轴、离焦、及弱相干时延匹配情况的光学相干层析三维传递函数．以此为基础分析了分辨率的各种影响因素，对系统设计及优化起到了指导作用．结论有：光谱带宽增大时，纵向分辨率将线性提高，其代价是信号幅度呈线性下降．对于离焦扫描，大的物镜焦距和小的通光口径虽会造成分辨率在绝对数量上的下降，但对于给定的扫描范围来说，其相对的离焦响应反而得以改善，即可在扫描动态范围内得到相对均匀的像质．还给出了实测弱相干波形及图像．

关键词：二维传递函数医用光学弱相干层析成像系统