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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

C+L波段低弯曲损耗非耦合三模组渐变折射率光纤设计

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电子学报 2024年第8期52卷 2659-2667页

作者：王卓崔明杰余长源香港理工大学电机及电子工程学系中国香港999077 香港理工大学光子研究院中国香港999077 香港理工大学深圳研究院广东深圳518057

光纤是现代通信网络中最为稳定的信号传输媒介,提升光纤模式的数量是满足通信容量日益增加的有效方法.本文设计了低弯曲损耗的非耦合三模组(LP_(01),LP_(11),LP_(21))渐变折射率光纤,运用分层分析法给出了渐变折射率光纤中模组的严格截... 详细信息

光纤是现代通信网络中最为稳定的信号传输媒介,提升光纤模式的数量是满足通信容量日益增加的有效方法.本文设计了低弯曲损耗的非耦合三模组(LP_(01),LP_(11),LP_(21))渐变折射率光纤,运用分层分析法给出了渐变折射率光纤中模组的严格截止条件.此外,利用有限元仿真软件求解光纤模式的有效模场面积和弯曲损耗,得到低弯曲损耗条件下在C+L波段(1530~1625 nm)传输三模组的设计区间.揭示了纤芯中心折射率凹陷和沟槽层共同作用可促进光纤径向高阶模式的截止.模拟结果表明,所设计光纤的模组间有效折射率差大于等于3×10^(-3),弯曲半径为30 mm时的最大弯曲损耗为1.3 d B/km,符合ITU-T推荐的低弯曲损耗条件.而且,在1550 nm波长下,模组内简并模有较小的差分模式群时延(≈176 ps/km),可通过4×4多输入多输出技术补偿简并模之间的串扰.该光纤可适用于C+L波段上实现模组间非耦合的空分复用信号传输.

关键词：少模光纤渐变折射率低弯曲损耗空分复用光纤通信

基于大语言模型的人机交互移动检测机器人导航方法

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计算机集成制造系统 2024年第5期30卷 1587-1594页

作者：王湉范峻铭郑湃香港理工大学工业及系统工程学系中国香港特别行政区999077

在工业制造领域,移动机器人的广泛应用已成为提高作业安全和效率的关键。然而,现有的机器人系统只能完成预定义的导航任务,无法适应非结构化场景。为了突破这一瓶颈,提出一种基于大语言模型(LLM)的人机交互移动检测机器人导航方法,可代... 详细信息

在工业制造领域,移动机器人的广泛应用已成为提高作业安全和效率的关键。然而,现有的机器人系统只能完成预定义的导航任务,无法适应非结构化场景。为了突破这一瓶颈,提出一种基于大语言模型(LLM)的人机交互移动检测机器人导航方法,可代替操作人员进入工业环境中的危险区域进行检测,并且可以根据人类自然语言指令完成复杂的导航任务。首先,通过高分辨率网络(HRNet)模型进行场景语义分割,并在点云融合阶段将语义分割结果渲染到重建的三维场景网格模型中,得到三维语义地图;然后利用大语言模型让机器人可以理解人类的自然语言指令,并根据创建的三维语义地图生成Python代码控制机器人完成导航任务。最后,通过一系列非结构化场景下的实验验证了该系统的有效性。

关键词：人机交互大语言模型视觉语言导航智能制造工业5.0

多孔通道内CO_(2)水合物生成特性实验研究

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工程热物理学报 2024年第6期45卷 1773-1779页

作者：李香璇崔卫马挺吕琳王秋旺西安交通大学能源与动力工程学院热流科学与工程系西安710049 香港理工大学屋宇设备工程系中国香港999077

CO_(2)水合物因在常低温条件下可以达到500 kJ/kg的高潜热值被认为是未来最具有前景的蓄冷材料之一,然而其生成的平衡压力较高,形成动力学缓慢且导热系数较低而限制了其应用。本文通过引入热力学促进剂四氢呋喃(THF)发现其对降低CO_(2)... 详细信息

CO_(2)水合物因在常低温条件下可以达到500 kJ/kg的高潜热值被认为是未来最具有前景的蓄冷材料之一,然而其生成的平衡压力较高,形成动力学缓慢且导热系数较低而限制了其应用。本文通过引入热力学促进剂四氢呋喃(THF)发现其对降低CO_(2)水合物的生成压力有着显著作用,当THF质量分数为0.32时可以实现CO_(2)水合物在环境温度为-3℃,压力0.6MPa以下合成。通过将高导热支撑型多孔介质骨架与CO_(2)水合物进行复合,研究发现,与无泡沫铜的情况相比,泡沫铜孔密度为20 PPI、50 PPI和90 PPI时的平均耗气量分别提升了17.7%、28.7%和111.08%。提升泡沫铜孔密度一方面可以增加CO_(2)水合物的生成量,提升材料蓄冷能力;另一方面会延长合成时间,增加蓄冷循环的准备时间,间接增大系统空间体积和重量。

关键词：蓄冷气体水合物 CO_(2)水合物多孔介质实验研究

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

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阻尼调控下两类动力吸振器的H设计与试验

力学学报 2024年

作者：范盛喆孙汝奇赵轩黄伟安成利长安大学汽车学院香港理工大学机械工程系

动力吸振器凭借其出色的吸振能力得到了学术界和工程界的广泛关注。然而其对共振频率、阻尼系数等系统参数的高敏感性给系统设计及其应用带来了极大的挑战。传统的油液式粘滞阻尼器难以实现阻尼的有效调节，新兴磁流变阻尼器高昂的造价... 详细信息

动力吸振器凭借其出色的吸振能力得到了学术界和工程界的广泛关注。然而其对共振频率、阻尼系数等系统参数的高敏感性给系统设计及其应用带来了极大的挑战。传统的油液式粘滞阻尼器难以实现阻尼的有效调节，新兴磁流变阻尼器高昂的造价也限制了该技术的实际应用。近年来可调电磁分支电路阻尼的发展为动力吸振器现场最优调谐提供了新的可行性。文章基于直线式电磁分支电路阻尼器的结构特点，采用永磁体同极对置的方法提升了阻尼器的机电耦合效率，通过数值仿真得出了六段对置式电磁分支电路阻尼器的机电耦合系数及等效阻尼系数。电磁分支电路阻尼器可通过调整外接分支电路的阻抗实现阻尼力的实时调整，并将其应用于悬置式和接地式动力吸振器系统中，实现了两类动力吸振系统基于H∞优化方法的最优化吸振效果，有效抑制了主系统的振动响应。两类动力吸振系统的试验测试结果与理论预测一致，充分证明了可调电磁分支电路阻尼器的有效性，为动力吸振器的进一步发展应用提供了设计准则和依据。

关键词：电磁分支电路阻尼机电耦合动力吸振器 H_∞优化

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超硫水泥对有害离子的固化以及长期性能

建筑材料学报 2024年第7期27卷 596-603页

作者：班加星陆建鑫潘智生香港理工大学土木与环境工程学系中国香港999077

普通硅酸盐水泥(OPC)是一种广泛使用的胶凝材料,但其生产会伴随大量的碳排放.为了减少碳排放,一种有效的方法就是利用固体废弃物制备新型低碳超硫水泥(SPCS)来代替OPC.废弃阴极射线管(CRT)玻璃作为固废,可用于制备SPCS,但其含有多种危... 详细信息

普通硅酸盐水泥(OPC)是一种广泛使用的胶凝材料,但其生产会伴随大量的碳排放.为了减少碳排放,一种有效的方法就是利用固体废弃物制备新型低碳超硫水泥(SPCS)来代替OPC.废弃阴极射线管(CRT)玻璃作为固废,可用于制备SPCS,但其含有多种危险重金属.因此,本研究将CRT玻璃粉作为胶凝材料,CRT玻璃砂作为骨料,应用到SPCS与OPC中,并对比了2种胶凝体系对重金属的固化效果以及长期性能.结果表明,相比于OPC体系,SPCS体系具有更优异的重金属固化效果,同时也能更显著地抑制碱骨料反应.

关键词：低碳胶凝材料固化稳定化重金属耐久性废弃玻璃

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

基于铝基含能配合物及CL-20含能微芯片的制备及表征

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火炸药学报 2024年第5期47卷 438-444,I0004页

作者：孟珂娟马小霞李宇翔张开黎香港城市大学工学院机械工程系中国香港999077 北京理工大学机电学院北京100081

为提高含能微芯片的能量特性和燃烧特性,推进其在微推进器、微驱动器、微毁伤器等装置中的应用,通过在铜箔上原位生长含能配位聚合物(ECP)、电子束沉积n-Al及重结晶CL-20的方法制备了ECP@Al@CL-20的含能阵列,采用SEM、XRD、TG/DSC及高... 详细信息

为提高含能微芯片的能量特性和燃烧特性,推进其在微推进器、微驱动器、微毁伤器等装置中的应用,通过在铜箔上原位生长含能配位聚合物(ECP)、电子束沉积n-Al及重结晶CL-20的方法制备了ECP@Al@CL-20的含能阵列,采用SEM、XRD、TG/DSC及高速摄影等表征方法对其微观形貌、物相组成、热分解特性、燃烧性能及贮存寿命进行了测试与分析。在此基础上,将其与微机电系统(MEMS)集成制得了功能性的ECP@Al@CL-20含能微芯片,并对含能微芯片进行了电容点火测试。结果表明,由于ECP的导热系数低,使ECP@Al@CL-20含能阵列从外到内的传热效率降低,导致放热峰温相比纯CL-20提高了8.5℃,从而提高了ECP@Al@CL-20的热稳定性;ECP@Al@CL-20含能阵列具有优异的燃烧性能,自持燃烧时间(340 ms)远大于ECP@Al的自持燃烧时间(120 ms),含能微芯片可在15 mJ的输入能量下激发。

关键词：含能配位聚合物微机电系统纳米铝 CL-20 微加热器含能微芯片 ECP MEMS