Isolation of coherent and incoherent nonlinear spectroscopic signals by phase modulation
研究了飞秒脉冲与物质相互作用中激光束的相位调制对相干和非相干非线性信号的影响。我们观察到,两个共线光束,其相位调制的频率$ϕ_1$和$ϕ_2$,产生两个二次谐波信号的非线性晶体的强度在检测器调制的频率$ϕ_2-ϕ_1$和$2(ϕ_2-ϕ_1)$。我们还观察到,一个不相干的动作信号,如荧光和光电流,这是由两个光子的吸收,在相同的频率调制的情况下的二次谐波产生。我们提出了一个理论分析来解释我们的观察。这些结果对于理解相位调制技术如何用于隔离非线性过程中不同的场-物质相互作用路径是很重要的。由于该方法使用信号强度的调制而不是波矢量匹配来隔离不同的信号,因此它可以用于对单分子或纳米颗粒进行多光子吸收研究。
2015-05-28 physics.optics
Fluorescence microscopy beyond the ballistic regime by ultrasound pulse guided digital phase conjugation
荧光显微镜在过去的三十年里彻底改变了生物医学研究。其高分子特异性和无与伦比的单分子水平灵敏度使各种研究领域取得了突破。对于体内应用,其主要限制是表面成像深度,因为生物组织中的随机散射导致光波的弹道分量的指数衰减。在这里,我们提出了超越弹道制度相结合的单周期脉冲超声调制和数字光学相位共轭的荧光显微镜。我们证明了近各向同性的三维局部声-光相互作用的成像深度高达十三个散射路径长度。由于数字光学相位共轭系统提供了极高的光学增益,我们可以为高散射介质内的焦点提供足够的光功率,不仅可以用于荧光显微镜,还可以用于各种线性和非线性光谱测量。这项技术为基础生物学研究和临床研究中的许多重要应用铺平了道路。
2012-03-20 physics.ins-det physics.med-ph physics.optics
Optical frequency analysis on dark state of a single trapped ion
我们演示了一个光学频率分析方法,使用傅里叶变换的检测时间的荧光光子发射从一个单一的捕获40 Ca+离子。探测到的光子率的相对激光频率偏差的响应记录在一个暗共振的斜率内形成的两个光学偶极跃迁对应的DVDA型能级计划。这种方法增强了对小频率偏差的灵敏度,并且这样做与荧光速率的倒数相关。所采用的激光器被锁相到光学频率梳,这允许通过相对于参考光束确定性地调制所分析的激光束来精确校准光学频率分析。可达到的高信噪比高达MHz范围的调制偏差和高达100 kHz的调制频率的承诺,在广泛的光学光谱应用的适用性所提出的结果。
2020-05-06 physics.optics quant-ph
Fluorescence-Enhanced Mid-Infrared Photothermal Microscopy
中红外光热显微技术是一种利用可见光感应脉冲红外激光诱导的光热效应的新型化学成像技术。该技术提供亚微米空间分辨率的红外光谱信息,并实现活细胞和生物体的红外光谱和成像。然而,目前的中红外光热成像灵敏度受到散射对温度的弱依赖性的影响,并且图像质量容易受到散射引起的散斑的影响。在这里,我们提出了一种新版本的中红外光热显微镜,其中利用热敏荧光探针来感测中红外光热效应。荧光强度可以在每开尔文1%的水平上调制,这是散射强度调制的100倍。此外,荧光发射没有斑点,因此大大提高了图像质量。此外,荧光团可以靶向特定的细胞器或生物分子,从而增强光热成像的特异性。光谱保真度通过对单个细菌进行指纹识别来确认。最后,光漂白的问题是成功地解决了通过开发一个宽视场的荧光增强的中红外光热显微镜,它允许视频速率键选择性成像的生物标本。
2021-04-06 physics.optics q-bio.BM
Solid immersion metalens for directional single molecule emission with high collection efficiency
我们提出了一个有效的高数值孔径固体浸没超透镜的概念,荧光显微镜模拟。该技术利用了优先发射的界面偶极子到高折射率基板结合超透镜和传统的管透镜成像。因此,我们模拟了偶极发射和高折射率衬底的相对侧上的全电介质超颖表面。我们的计算预测偶极收集效率高达87%。模拟的光束通过成像系统的传播显示出优良的性能沿光轴,随着视场的增加,积累的像差。这些像差可以通过使用具有优化的非双曲线相位轮廓的超表面来控制。偶极发射的高收集效率表明这种紧凑的固体浸没透镜将有效地用于荧光成像,包括用于量子光学应用的单个荧光中心。
2022-01-11 physics.optics
Single photon emission and single spin coherence of a nitrogen vacancy centre encapsulated in silicon nitride
本文证明富氮氮化硅可作为量子光子学平台,因为封装其中的纳米金刚石氮空位中心仍保持单光子发射和自旋相干性,从而为固态发射体集成光子电路提供新路径。
2025-05-15 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Multidimensional Fluorescence Imaging and Super-resolution Exploiting Ultrafast Laser and Supercontinuum Technology
这篇论文集中在多维荧光成像工具的发展,特别强调荧光寿命成像(FLIM)显微镜应用于生物研究。本论文的重点是基于微结构光纤中超连续谱产生的可调谐超连续谱激发源的研制和应用以及能够实现衍射极限以外荧光寿命成像的受激发射耗尽(STED)显微镜的研制。FLIM的生物学研究的效用说明了在肌肉纤维中的肌节的分子结构和在免疫突触的信号的实验研究的例子。应用微结构光纤提供可调谐超连续谱激发源的FLIM显微镜的范围,包括宽场,Nipkow盘共焦和超谱线扫描FLIM显微镜。超连续谱产生的第一个超分辨FLIM显微镜的应用。这种新型显微镜利用了STED的概念,飞秒锁模钛:蓝宝石激光器通过泵浦微结构光纤产生超连续谱并直接提供(较长波长)STED光束来提供可调谐激发光束。该STED显微镜在商业扫描共聚焦显微镜中实现,以提供与标准生物成像的兼容性,并利用使用空间光调制器(SLM)的数字全息术来提供用于成形STED光束轮廓的适当相位操纵并补偿像差。根据SLM的设置,STED显微镜能够在横向和轴向平面上记录超分辨率图像。
2017-08-10 physics.bio-ph physics.ins-det physics.optics
Kilohertz binary phase modulator for pulsed laser sources using a digital micromirror device
像差校正、数字相位共轭或图案化光刺激需要光学波前的受控调制。对于这些应用中的大多数,期望以可能的最高速率控制波前调制。数字光调制器件(DMD)提供了一种实现高速调制的具有成本效益的解决方案,并且通常超过更传统的液晶空间光调制器的速度,但是其本质上是幅度调制器。此外,由DMD衍射引起的空间色散使其与脉冲激光源的使用复杂化,例如在非线性显微镜中使用的那些。在这里,我们介绍了一种基于DMD的光学设计,克服了这些限制,实现无色散的高速二元相位调制。我们表明,这种相位调制可以用来切换通过二进制相位模式在20 kHz的速率在双光子激发荧光应用。
2018-01-08 physics.ins-det physics.optics
Coherence-enhanced optical determination of the $^{229}$Th isomeric transition
从理论上研究了相干光传输对晶格环境中钍原子核激发和荧光的影响。我们发现,在正向方向的荧光信号表现出特征的强度调制占主导地位的数量级更快,加速的初始衰减信号。这一特性可用于同分异构跃迁能的光学测定。为了获得同质异能核荧光的准确信号,我们提出了一种新的方案,通过电磁修正的核前向散射直接测量跃迁能量,该方案涉及两个耦合三个核态的场。
2013-01-07 cond-mat.other physics.atom-ph physics.optics
Spectral stability of V2 centres in sub-micron 4H-SiC membranes
本文系统研究厚度低至0.25 μm的4H-SiC薄膜中V2硅空位色心的光谱稳定性,证明其可在亚微米结构中保持可用线宽并支撑纳米光子集成。
2024-05-13 physics.optics quant-ph
Site-selective functionalization of plasmonic nanopores for enhanced fluorescence and Förster Resonance Energy Transfer
在这项工作中,我们使用位点选择性功能化策略来用一种或多种荧光染料装饰等离子体纳米孔。使用一种简单而强大的制造方法,我们设法在具有不同内径的介电纳米管上构建单等离子体环。纳米孔的尺寸的调制允许我们在可见光谱范围内定制它们的场限制和它们的Purcell因子。为了研究几何形状的变化如何影响荧光发射效率,巯基共轭染料锚定在等离子体环上,从而形成功能性纳米孔。我们研究了ATTO 520和ATTO 590在两种不同配置下的寿命:单染料和FRET对。对于单一染料配置,我们观察到两种单一染料的寿命随着纳米孔的尺寸减小而减小。最小的纳米孔产生6的实验Purcell因子。对于FRET对配置,我们测量两个制度。对于大的纳米孔尺寸,FRET效率保持恒定。而对于较小的尺寸,随着纳米孔尺寸的减小,FRET效率从30%增加到45%。这些研究结果也得到了数值模拟的支持,可能会开辟新的途径来设计等离子体纳米孔中的能量转移,在光子学和生物传感中具有潜在的应用,特别是在单分子检测测序中。
2018-11-08 physics.app-ph physics.optics
Dynamic Modulation Yields One-Way Beam Splitting
本文介绍了一种基于非互易和同步光子跃迁的非寻常分束器的实现,这种非互易和同步光子跃迁在倾斜照明的时空调制(STM)板中产生相干的时间频率和空间频率偏移。由于这种不寻常的光子跃迁,STM板表现出单向光束分裂和放大。光束分裂是各种光学和光子系统的重要操作,从量子计算到荧光光谱和显微镜。尽管分束在概念上是一个简单的操作,但分束器的性能特性显著影响整个光学系统的重复性和精度。到目前为止,还没有一种方法表现出伴随着传输增益和任意分裂角的非互易光束分裂。在这里,我们表明,倾斜照明的周期性和半相干动态调制板的结果在相干光子之间的入射光束和它的对应时空谐波(STH)的过渡。这种光子跃迁在具有相同时间频率但相反空间频率的两个STH之间引入单向同步和动量交换。这种分束技术提供了高隔离度、传输增益和零光束倾斜,并且有望大幅降低光学和光子系统中的资源和隔离度要求。除了解析解,我们还提供了STM结构中电磁场的封闭解,并相应地研究了亚光速、超光速和管腔ST调制中的波隔离和放大特性。
2019-01-19 physics.optics
Optimisation of a diamond nitrogen vacancy centre magnetometer for sensing of biological signals
从生物过程中感知信号,如神经中的动作电位传播,对于临床诊断和生理学的基本理解是必不可少的。可以通过使用完善的电生理学技术将传感器探针放置在活体样本或解剖组织附近或内部来电执行感测。然而,这些电探针技术具有差的空间分辨率,并且不能容易地进入活体内的深处组织,特别是大脑内的组织。另一种方法是检测由电信号通过引起的磁场,在没有直接电接触的情况下给出等效读数。如今,这种测量是使用体积庞大且昂贵的超导传感器进行的,空间分辨率很差。另一种方法是在金刚石中使用氮空位(NV)中心,这保证了生物相容性和高灵敏度,而无需低温冷却。在这项工作中,我们提出了使用NV中心的生物磁测量的进展,证明了在DC/低频范围内使用设计用于生物测量的设置的磁场灵敏度约为100 pT/ $\sqrt{Hz}$。生物相容性的设置与活体样本(小鼠脑切片)进行了研究和优化,我们显示工作的灵敏度提高使用脉冲磁力计方案。除了体磁研究,NV系综宽场荧光成像系统的文物进行了调查。
2020-08-24 physics.app-ph physics.bio-ph physics.optics
Optically-Induced Modulation and Programming of Diamond Photonic Cavities
Institute of Physics, Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (EPFL)(洛桑联邦理工学院物理研究所);Center of Quantum Science and Engineering, Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (EPFL)(洛桑联邦理工学院量子科学与工程中心);Photonics Research Group, Department of Information Technology (INTEC), Ghent University - IMEC(根特大学信息技朮系光子研究组(与IMEC联合));University of Stuttgart(斯图加特大学)
本研究展示利用532纳米绿光对含氮-空位中心的金刚石纳米束腔实现全光调制与准永久蓝移调谐,结合热光与电荷效应,最大调谐3.15纳米,为单片金刚石光子平台提供可逆与持久重构能力。
2026-09-30 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Laser stimulation of muscle activity with simultaneous detection using a diamond colour centre biosensor
在微观水平上检测生理活动是理解生物系统功能并将其与物理结构联系起来的关键。目前的传感方法通常依赖于侵入性探针来刺激和检测活动,从而承担在目标系统中引起损伤的风险。近年来,基于金刚石色心的新型生物传感器为被动、无创地对生物系统进行传感和成像提供了可能。在这里,我们使用这样的传感器的\textit{in-vitro}记录的本地磁场产生的紧密聚焦,高强度脉冲激光光遗传神经肌肉刺激的趾长伸肌肌肉。记录捕捉到一个复合动作电位反应和一个缓慢的信号成分,我们试图解释使用一个详细的生物系统模型。我们表明,我们的传感器是能够记录本地化的神经肌肉活动的激光刺激部位没有光伏或荧光伪影与替代技术。我们的工作代表了选择性诱导局部神经生物学活动的重要一步,同时使用金刚石传感器进行被动传感和成像,激发进一步研究神经活动和细胞内过程的映射。
2021-12-17 physics.app-ph physics.bio-ph physics.optics
Photon-noise: Is a single-pixel camera better than point scanning? A signal-to-noise ratio analysis for Hadamard and Cosine positive modulation
在单像素相机中,未知对象被强度图案顺序地照亮。总反射或透射强度在单像素检测器中求和,从该检测器计算重建对象。在测量受到光子噪声限制的情况下,单像素相机的性能是否优于或劣于简单地用聚焦强度点扫描物体是有疑问的-该模式被称为\textit{point raster scanning}并在许多激光扫描系统中使用。在这里,我们解决了这个一般性的问题,并报告说,积极的强度调制的基础上阿达玛或余弦图案不一定提高单像素相机的信噪比(SNR)相比,点光栅扫描,相比光栅扫描。相反,我们表明,SNR仅在对象像素上得到改善,至少比对象平均信号亮k倍,其中k是取决于调制方案的常数。这一基本属性的理论和数值证明。它也被实验证实在空间域-宽场荧光成像-和在光谱域-自发拉曼光谱测量。最后,我们提供了面向用户的指导方针,帮助决定何时以及如何在光子噪声下使用多路复用,而不是点光栅扫描。
2022-10-04 physics.app-ph physics.data-an physics.ins-det
Metasurface Engineering with Tantalum Pentoxide-Coated Microspheres: Tailoring Optical Resonances and Enhancing Local Density of States
National Institute for Research and Development of Isotopic and Molecular Technologies(同位素和分子技术研究发展中心);CNRS, University of Bordeaux(法国国家科学研究中心,波尔多大学)
研究通过实验和模拟探讨了Ta₂O₅壳层厚度对微球晶格光学共振和Rh6G荧光增强的影响,揭示了壳层厚度与发射体位置共同调控光子共振、局部光学态密度及荧光响应的机制。
2026-07-21 cond-mat.mes-hall physics.optics
A laser cooled nanocryostat: Refrigeration, alignment and rotation of levitated Yb$^{+3}$:YLF nanocrystals
在真空中冷却和操纵悬浮纳米粒子的能力是探索宏观量子力学\cite{WanPRL2016,Scala2013,Zhang2013}、力的精确测量、\cite{GambhirPRA2016}和非平衡热力学\cite{GieselerNatNano2014,MillenNat2014}的一个有前途的新工具。光学悬浮提供的极端隔离提供了一个低噪声、无阻尼的环境,迄今为止已被用于测量zeptonewton力\cite{GambhirPRA2016}、辐射压力散粒噪声、\cite{Jain2016}和演示质心运动\cite{LiNatPhys2011,Gieseler2012}的冷却。基态冷却以及宏观量子叠加的产生和测量现在已经触手可及,但需要控制质心和内部温度。虽然现在已经实现了将质心运动冷却到微开尔文温度,但内部温度保持在室温或远高于室温。在这里,我们展示了制冷的悬浮Yb $^{3+}$:YLF从室温到130 K使用反斯托克斯荧光冷却,同时使用光阱场对准晶体,以最大限度地冷却。
2017-03-21 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph physics.optics
Heterogeneous integration of solid state quantum systems with a foundry photonics platform
本文将含NV中心的纳米金刚石异构集成到标准180 nm CMOS工艺的低荧光氮化硅光子芯片上,实现六位点选择性寻址、片上PL收集与HBT单光子验证。
2023-04-20 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Feedback Cooling and Thermometry of a Single Trapped Ion Using a Knife Edge
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg(埃尔朗根-纽伦堡大学);Max Planck Institute for the Science of Light(马克斯·普朗克光科学研究所);University of Ottawa(渥太华大学)
本文首次通过电子反馈将单个被俘离子冷却至多普勒极限以下,利用荧光成像和刀刃检测实时监测离子运动并生成反馈信号,实现温度测量与冷却。
2026-07-08 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Photonic integrated circuits for life sciences
我们报告了氮化硅(SiN)光子集成电路(PIC)在高价值仪器中的应用,即多色激光引擎(MLE),这是应用于共聚焦显微镜、荧光显微镜(包括超分辨率受激发射耗尽(STED)显微镜)、流式细胞术、光遗传学、遗传分析和DNA测序等尖端生物光子系统的核心要素。这些都有一个共同点,即分子-荧光团,或者在光遗传学的情况下,光门控离子通道-的选择性光激发,激光辐射落在它们的吸收光谱内。分子或细胞亚群的非生物相容性鉴定通常需要联合分析来自几种荧光标记物的荧光信号,因此需要MLE为几种市售生物相容性荧光团提供激发波长。除了提供所需的波长外,MLE还需要许多功能:在Hz至kHz范围内的可变衰减和/或数字强度调制是许多应用所必需的,例如光学捕获,寿命成像或光漂白后的荧光恢复(FRAP)。此外,激光器在两个光纤输出之间的切换可以用于例如在扫描共焦显微镜和宽场照明模式之间切换,例如用于常规荧光成像。
2020-12-15 physics.ins-det physics.optics
Electrical Charge Control of h-BN Single Photon Sources
六方氮化硼(h-BN)色心具有室温下亮度高、光谱线宽窄等优点,是一种很有前景的实用单光子源。为了实现基于h-BN的光子量子通信,使用外部电场电激活单光子荧光的能力是至关重要的。在这项工作中,我们展示了从h-BN量子发射器的光致发光的电开关,使从附近的电荷库的可控电子转移。通过调节h-BN缺陷旁边的石墨烯的费米能级,我们观察到由于直接电荷态操纵而在施加电压时量子发射体的发光增亮。此外,单光子源与石墨烯拉曼光谱的相关测量使我们能够提取量子发射体的确切电荷跃迁能级,提供有关缺陷结构的晶体学性质的信息。利用电压实现了h-BN量子发射体发射强度的完全开关,为基于范德华色心的光子量子信息处理、密码学和存储器应用奠定了基础。
2022-06-09 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Direct detection of single molecules by optical absorption
单分子光学的出现对从生物物理学到材料科学、光物理学和量子光学等领域产生了深远的影响。然而,所有现有的室温单分子方法都是基于高效发射体的荧光检测。在这里,我们证明了标准的,从传统的吸收光谱仪已知的无调制测量确实可以检测到单个分子。我们报告在环境条件下,即使在黑暗的状态下,例如在光闪烁或强淬灭的单分子的吸收截面的定量测量。我们的工作将单分子显微镜和光谱学扩展到一大类吸收光但不能有效发荧光的材料。
2010-07-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.other physics.optics
On-chip resonantly-driven quantum emitter with enhanced coherence
纳米技术的进步提供了实现用于片上量子信息处理(QIP)的集成量子光学电路的技术。这种设备所需的不可区分的单光子可以通过参数下转换产生,或者从量子发射器如色心和量子点(QD)产生。其中,半导体量子点提供独特的能力,包括按需操作,相干控制,频率调谐和与半导体纳米技术的兼容性。此外,量子点光子的相干性可以在共振荧光(RF)中显著增强,接近激发激光的相干性。然而,由于需要抑制杂散激光光子,在可扩展的片上几何结构中实现QD RF仍然具有挑战性。在这里,我们报告的芯片上的量子点RF耦合到一个单模波导与可忽略不计的共振激光背景,并表明相干性增强相比,非共振激发。该结果为一类新型的集成量子光学器件铺平了道路,用于具有嵌入式共振驱动量子发射器的片上QIP。
2014-04-15 cond-mat.mes-hall physics.optics
Organic Crystal Active Waveguide as an All-Angle Signal Receiver and Transmission Platform for Visible Light Communication
本研究首次利用高光致发光量子产率的有机晶体SAA作为波导介质,结合开关键控调制,实现了集波长转换、全向波导和实时信号处理于一体的全有机可见光通信平台,验证了无差错信号检测和灰度图像传输。
2025-06-05 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Visual observation of optical Floquet-Bloch oscillations
本文提出周期为调制周期与 Bloch 周期扩展最小公倍数的 Floquet-Bloch 振荡,并在飞秒激光直写波导阵列中首次可视化观测,揭示其分形谱与分数 Floquet 隧穿特性。
2022-12-29 physics.optics quant-ph
Ramsey-Borde atom interferometry with a thermal strontium beam for a compact optical clock
本文构建热锶束 Ramsey-Bordé 原子干涉紧凑型光钟实验,利用 689 nm 互组跃迁和 461 nm 荧光探测,获得 60 kHz 特征并估计短期稳定度为 4×10^-14/√τ。
2025-03-17 physics.atom-ph physics.optics quant-ph