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基于电化学传感技术的血液pH和PCO_(2)连续检测芯片装置

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光学精密工程 2024年第11期32卷 1701-1712页

作者：于海霞刘家乐范译心谭志广郭庆天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072

为了连续检测血液透析患者血液的酸碱度,降低血液透析患者的死亡率,基于电化学传感原理和微流控技术,研究了一种能够连续监测血液pH和PCO_(2)的芯片。芯片中pH电极和CO32-电极以共用参比电极的方式实现pH和PCO_(2)的联合检测,利用微型... 详细信息

为了连续检测血液透析患者血液的酸碱度,降低血液透析患者的死亡率,基于电化学传感原理和微流控技术,研究了一种能够连续监测血液pH和PCO_(2)的芯片。芯片中pH电极和CO32-电极以共用参比电极的方式实现pH和PCO_(2)的联合检测,利用微型化测试腔保证血液的连续流通和检测,并防止空气对血液检测的干扰,提高血液pH和PCO_(2)的检测精度。采用pH 6.00~9.00的Tris-HCl溶液测试芯片的pH检测性能,其检测灵敏度达到61.2 mV/pH,连续检测同一样品的标准差小于0.01(n=10),再现性测量的平均相对误差为0.46%(n=6),在pH 6.00~9.00内实现了样品溶液pH值的准确检测。利用联合传感芯片分别进行血气质控液和血液测试实验,在血气质控液中检测pH和PCO_(2)的绝对误差分别低于0.04和306.64 Pa(2.30 mmHg),平均相对误差分别为0.23%和1.94%;在血液中检测pH和PCO_(2)的绝对误差分别低于0.05和466.63 Pa(3.50 mmHg),平均相对误差分别为0.36%和2.60%。与血气分析仪相比,该芯片体积小,与血液透析管路连接可以实现血液中pH和PCO_(2)的连续在线检测。

关键词：微流控技术血液透析酸碱平衡电化学传感器连续血液检测

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基于多层薄板的全固态高能量飞秒激光脉冲非线性压缩技术

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中国激光 2024年第2期51卷 19-27页

作者：韩岳豪冯汝毅刘又铭邹锦阳刘博文胡明列天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光实验室天津300072 天津大学佐治亚理工深圳学院广东深圳518055

基于掺Yb^(3+)光纤和掺Yb^(3+)晶体的飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲具有较高的脉冲能量和平均功率,被广泛应用于科研和工业生产;但受Yb^(3+)增益介质增益带宽的限制,输出脉冲宽度很难小于300 fs。利用飞秒激光脉冲在多层薄板中的自相位... 详细信息

基于掺Yb^(3+)光纤和掺Yb^(3+)晶体的飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲具有较高的脉冲能量和平均功率,被广泛应用于科研和工业生产;但受Yb^(3+)增益介质增益带宽的限制,输出脉冲宽度很难小于300 fs。利用飞秒激光脉冲在多层薄板中的自相位调制效应,分别对基于掺Yb^(3+)光纤和掺Yb^(3+)晶体的飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲进行非线性压缩。通过优化非线性压缩装置的各项参数,实现了对低能量、窄脉宽和高能量、宽脉宽脉冲的非线性压缩,分别获得了脉冲能量为64μJ、脉冲宽度为42 fs和脉冲能量为315μJ、脉冲宽度为79 fs的飞秒激光脉冲输出,第一级非线性压缩效率均超过80%,整体压缩效率分别为53%和65%。

关键词：激光器飞秒激光脉冲自相位调制非线性压缩光谱展宽

基于深度学习复杂环境的偏振成像技术研究进展(特邀)

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红外与激光工程 2024年第3期53卷 1-18页

作者：胡浩丰黄一钊朱震马千文翟京生李校博天津大学海洋科学与技术学院天津300072 天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072

偏振成像技术通过偏振信息的获取和解译,可以有效抑制复杂环境干扰,提升成像质量,增强目标感知能力,对于复杂环境下的光学成像探测具有独特优势。然而,在散射、低照度等复杂环境下,偏振图像退化机理呈现非线性特征,偏振信息解译方法复... 详细信息

偏振成像技术通过偏振信息的获取和解译,可以有效抑制复杂环境干扰,提升成像质量,增强目标感知能力,对于复杂环境下的光学成像探测具有独特优势。然而,在散射、低照度等复杂环境下,偏振图像退化机理呈现非线性特征,偏振信息解译方法复杂度高。深度学习方法具有强大的特征提取和学习能力,通过学习大规模数据隐藏的映射规律获得偏振信息的复原效果,特别适合偏振成像这种多维度、相互关联的复杂信号处理问题。文中基于偏振成像的基本原理以及复杂环境偏振成像技术的范式,针对散射和噪声这两类典型的成像环境,介绍了深度学习偏振成像技术的研究进展,同时阐述了深度学习赋能复杂环境偏振成像任务的优势,最后对该领域的未来发展方向作以展望。

关键词：偏振成像深度学习图像去散射图像去噪

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矢量涡旋光场在激光微纳加工中的应用

光电工程 2024年第8期51卷 96-111页

作者：谢辰刘彤炎天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室天津300072 天津大学光电信息技术教育部重点实验室天津300072

矢量光场领域在过去20年出现了众多重要进展。考虑到多篇综述介绍了矢量光场产生方法以及调控技术,作者仅以矢量涡旋光场为线索总结了其在激光减材、改性以及增材等微纳加工领域的典型应用,回顾了矢量涡旋光在材料表面和内部的微纳结构... 详细信息

矢量光场领域在过去20年出现了众多重要进展。考虑到多篇综述介绍了矢量光场产生方法以及调控技术,作者仅以矢量涡旋光场为线索总结了其在激光减材、改性以及增材等微纳加工领域的典型应用,回顾了矢量涡旋光在材料表面和内部的微纳结构加工、光存储以及立体微结构光刻等应用中的部分关键进展。详细介绍了基于定制光场的图案化光致表面周期结构以及立体微结构快速双光子光刻的原理与技术。最后,总结了矢量涡旋光场在激光微纳加工中的优势与挑战,展望了其在未来将赋能更多复杂应用。

关键词：矢量光场涡旋光激光微纳加工激光应用

脑机接口中脑电图-近红外光谱联合分析进展研究

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电子与信息学报 2024年第3期46卷 790-797页

作者：张力新周鸿展王东孟佳圆许敏鹏明东天津大学医学工程与转化医学研究院天津300072 天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072

脑机接口(BCI)能将受试者意图相关的大脑活动转化为外部设备控制指令,在神经疾病治疗、运动康复等方面具有较高应用潜力。BCI的实现需从人脑获取有意义的信号,而脑电图(EEG)可以反映神经电活动,主要用于对反映实时性要求较高的BCI系统;... 详细信息

脑机接口(BCI)能将受试者意图相关的大脑活动转化为外部设备控制指令,在神经疾病治疗、运动康复等方面具有较高应用潜力。BCI的实现需从人脑获取有意义的信号,而脑电图(EEG)可以反映神经电活动,主要用于对反映实时性要求较高的BCI系统;近红外光谱(NIRS)主要反映血流动力学水平,一般用于神经生理状态等需要精确定位脑活跃区域的研究。EEG和NIRS因其非侵入、方便穿戴、成本较低等优点,成为BCI的重要信号获取方法。相比于单模态BCI系统,基于EEG-NIRS联合分析的混合BCI系统由于具有更丰富的信号特征,在生理状态检测、运动想象等领域得到了越来越多的关注与研究。该文从EEG-NIRS联合分析在脑机接口中应用的研究现状出发,在数据和特征融合程度、层面上归纳最近的相关领域研究现状,并对EEG-NIRS信号处理手段的研究前景进行了展望。

关键词：信号处理脑机接口脑电图近红外光谱

一种基于反谐振结构的三能级掺钕激光光纤设计

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物理学报 2024年第14期73卷 121-126页

作者：许海琛付士杰田浩盛泉史伟姚建铨天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室天津300072

900 nm掺钕光纤激光器可广泛应用于生物医学诊断、激光检测和光谱分析等领域.钕离子在1060 nm波段四能级跃迁的增益竞争,严重限制了900 nm三能级掺钕光纤激光器输出功率的提升.本文设计了一种纤芯直径为27μm的大模场掺钕实芯双层反谐... 详细信息

900 nm掺钕光纤激光器可广泛应用于生物医学诊断、激光检测和光谱分析等领域.钕离子在1060 nm波段四能级跃迁的增益竞争,严重限制了900 nm三能级掺钕光纤激光器输出功率的提升.本文设计了一种纤芯直径为27μm的大模场掺钕实芯双层反谐振光纤,用于产生高功率900 nm激光.通过在有源光纤中引入双层反谐振单元结构,并对光纤结构参数和折射率分布进行优化,模拟结果表明光纤在880—913 nm波段基模损耗小于0.1 dB/m,高阶模式损耗大于10 dB/m,同时在1060 nm波段所有模式损耗达到100 dB/m.本文提出的掺钕实芯反谐振光纤在900 nm高功率光纤激光器和放大器等领域具有广泛的应用前景.

关键词：实芯反谐振光纤掺钕光纤大模场面积光纤单模光纤

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57 W 2.05μm单横模掺铥光纤激光MOPA

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中国激光 2024年第8期51卷 32-37页

作者：罗学文张露付士杰盛泉张钧翔史伟姚建铨天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 天津大学光电信息技术教育部重点实验室天津300072

基于商用单模掺铥石英光纤设计了高功率2.05μm波段全光纤主振荡功率放大器(MOPA)。以自制环形腔掺铥光纤激光器为种子,利用级联滤波型波分复用器优化长波长种子的光信噪比,基于MOPA结构实现了高效的高功率输出。基于速率方程模型,理论... 详细信息

基于商用单模掺铥石英光纤设计了高功率2.05μm波段全光纤主振荡功率放大器(MOPA)。以自制环形腔掺铥光纤激光器为种子,利用级联滤波型波分复用器优化长波长种子的光信噪比,基于MOPA结构实现了高效的高功率输出。基于速率方程模型,理论分析了主放大级的注入信号光功率和增益光纤长度的优化关系;实验中在102.6 W的793 nm泵浦功率下获得了输出功率为57 W、光谱线宽为0.08 nm、光信噪比为58.8 dB的单横模激光输出,主放大级斜效率为52.6%。

关键词：激光器掺铥光纤激光器 2μm激光单模光纤激光器速率方程

基于MC模型和Nelder-Mead单纯形算法的时域组织光谱学

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中国激光 2024年第3期51卷 138-147页

作者：张童刘东远高峰天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室天津300072

生物组织光学参数的无创在体测量是近红外光谱学(NIRS)研究的基础课题之一。在已发展的NIRS方案中,时间分辨测量具备优良的同时反演吸收系数和散射系数的能力,而且近年来该技术的性价比显著提高,获得了更多关注,但其针对分层组织的参数... 详细信息

生物组织光学参数的无创在体测量是近红外光谱学(NIRS)研究的基础课题之一。在已发展的NIRS方案中,时间分辨测量具备优良的同时反演吸收系数和散射系数的能力,而且近年来该技术的性价比显著提高,获得了更多关注,但其针对分层组织的参数反演在准确性、稳定性和反演速度等方面尚存在一定的局限性。为此,本文提出了一种时域蒙特卡罗模型支持的Nelder-Mead单纯形算法,该算法利用双源探距下的时间分辨漫反射光信号,以循环迭代方式设置不同的基向量,经线性变换后无须求导便可启发式搜索目标函数的最优值,从而实现了高信效度的分层光学参数反演。模拟实验与仿体实验均表明:在组织光学参数反演方面,所提算法的精度优于传统算法,而且该算法具有良好的噪声鲁棒性和临床适应性,为生物组织光学参数的在体测量提供了新方法。

关键词：医用光学吸收系数约化散射系数蒙特卡罗模拟单纯形算法时域测量

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采用光子计数测量的高灵敏度锥束XLCT

中国激光 2024年第3期51卷 13-19页

作者：韩景灏贾梦宇周仲兴高峰天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室天津300072

X射线激发发光断层成像(XLCT)是一种新兴的混合成像技术,该技术可同时获得目标体结构信息和功能信息。然而,窄束XLCT重建图像虽然具有高空间分辨率,但X射线利用率较低,数据采集时间过长;锥束XLCT系统提高了X射线利用率,缩短了数据采集时... 详细信息

X射线激发发光断层成像(XLCT)是一种新兴的混合成像技术,该技术可同时获得目标体结构信息和功能信息。然而,窄束XLCT重建图像虽然具有高空间分辨率,但X射线利用率较低,数据采集时间过长;锥束XLCT系统提高了X射线利用率,缩短了数据采集时间,但有限的探测角度导致图像重建质量相对较低。为解决上述问题,提高X射线利用率,高效实现多角度高灵敏数据采集,提出了一种基于光子计数测量的锥束XLCT系统,并通过仿体实验对其性能进行了验证。仿体实验结果表明,6个角度锥束照射模式下重建图像的相似度系数(DICE)可达50%,系统保真度(SF)和重建浓度误差(RCE)达到0.7以上,可实现3 mg·mL^(-1)以上的荧光物质质量浓度差距的重建。

关键词：医用光学 X射线激发发光断层成像系统研制光子计数仿体实验