Quantum plasmonic sensing: beyond the shot-noise and diffraction limit
光子传感器在一系列物理环境中有许多应用，从测量制造中的机械压力到检测生物医学样品中的蛋白质浓度。存在各种感测方法，并且等离子体系统由于其将光限制在衍射极限以下的能力而特别受到关注，从而大大提高了灵敏度。最近，量子技术已被确定，可以优于经典的传感方法，并实现低于所谓的散粒噪声限制的灵敏度。尽管有这种巨大的潜力，但在有损等离子体系统中使用确定的光子数状态以进一步提高感测能力还没有得到很好的研究。在这里，我们调查的等离子体干涉仪，同时利用光的量子性质和其电磁场限制的传感性能。我们表明，尽管存在的损失，专门的量子资源可以提供改进的灵敏度和分辨率超过散粒噪声限制在一个紧凑的等离子体激元器件工作在衍射极限以下。
2016-05-25 physics.optics quant-ph
Multiscale aperture synthesis imager
University of Connecticut（康涅狄格大学）；United States Department of Defence（美国国防部）；Wyant College of Optical Sciences, University of Arizona（亚利桑那大学怀雅特光学科学学院）
多尺度孔径合成成像仪通过并行计算突破光学同步限制，实现超长距离高精度成像与3D重建。
2025-11-08 eess.IV physics.optics
Diffraction-limited plenoptic imaging with correlated light
传统的光学成像面临着分辨率和景深（DOF）之间不可避免的权衡。为了提高分辨率，需要高数值孔径（NA），但相关的大角度不确定性导致可以置于锐聚焦的有限深度范围。几年前，全光成像技术被引入，以弥补这种权衡。为此，全光成像重建从透镜到传感器的光线路径。然而，由标准全光成像提供的改进是实用的而不是根本的：增加的D0F导致分辨率的成比例减小，远高于由透镜NA施加的衍射极限。在本文中，我们证明了相关测量能够将全光成像推到其分辨率和自由度的基本极限。也就是说，我们证明，以保持在衍射极限的成像分辨率，同时增加了7倍的景深。我们的研究结果代表了理论和实验基础的有效发展的前景广阔的应用全光成像。
2018-01-16 physics.optics quant-ph
Canonical and Poynting currents in propagation and diffraction of structured light: tutorial
本教程以携带轨道角动量的圆偏振涡旋光束为例，研究结构光场传播衍射中坡印廷动量与正则动量的作用，实验证实局域动量演化符合正则动量分布，揭示其在光演化中的关键作用。
2024-05-08 physics.optics
Shack-Hartmann sensor as an imaging system with a phase diversity
根据Shack-Hartmann传感器的原始数据进行波前重建的传统方法使用焦斑移位并且丢弃关于波前的高频信息。基于相位恢复的方法将哈特曼图案视为衍射图像，并使用瑞利-索末菲传播来估计波前，具有更高的精度和分辨率。在这封信中，我们提出了一种新的方法，相位恢复为基础的重建考虑哈特曼模式作为一个点扩散函数的一般成像系统与一个特殊类型的相位多样性。该模型不仅允许使用任何相位恢复算法来重建波前，而且还允许分析基于相位恢复的方法的局限性。我们证明了这种方法的有效性的模拟和实验数据。
2020-11-02 eess.IV physics.optics
Resolution analysis in a lens-free on-chip digital holographic microscope
无透镜片上数字全息显微术（LFOCDHM）是一种现代成像技术，其中样品直接放置在数字传感器上或非常接近数字传感器，并由位于其上方的部分相干光源照射。在数字传感器所处的平面处的（未散射的）波，产生数字全息图，该数字全息图可以以几种方式处理，以使用反向传播算法提取和数字重建聚焦图像。LFOCDHM不需要任何透镜和其他中间光学组件，具有独特的优势，即在具有成本效益和紧凑设计的成像传感器的原生宽视场（FOV）上提供接近1的大有效数值孔径（NA）。然而，与传统的相干衍射限制成像系统不同，其中限制孔径用于定义系统性能，典型的无透镜显微镜仅产生远低于理想相干衍射限制的折衷成像分辨率。至少有五个主要因素可能会导致这种限制，即，样本到传感器的距离，照明的空间和时间相干性，有限大小的等距传感器像素，以及用于重建的图像子FOV的有限范围，这还没有被系统地和严格地探索到现在。在这项工作中，我们推导出五个传递函数模型，所有这些物理效应和相互作用的LFOCDHM的成像分辨率上的这些模型。我们还研究了如何利用我们的理论模型来优化光学设计或预测一个给定的LFOCDHM系统的理论分辨率极限。我们提出了一系列的模拟和实验，以确认我们的理论模型的有效性。
2019-06-14 eess.IV physics.optics
Optofluidic ptychography on a chip
我们报告了一个完全在芯片上，无透镜显微镜技术称为optofluidic ptychography的实施。这种成像方式补充了微流体技术提供的小型化，并允许将重叠关联显微镜集成到各种芯片实验室设备中。在我们的原型中，我们将微流体通道放置在盖玻片的顶面上，并在底面上涂覆散射层。然后将通道和涂覆的盖玻片基底放置在图像传感器的顶部上以用于衍射数据采集。与流式细胞仪的操作类似，该装置利用微流体流动来将样本输送穿过通道。来自流动物体的衍射光由散射层调制并由图像传感器记录用于重叠关联重建，其中从衍射测量恢复高分辨率定量复杂图像。通过使用具有1.85微米像素尺寸的图像传感器，我们的设备可以在分辨率目标上分辨550 nm线宽。我们通过成像不同类型的生物标本，包括C。线虫，酵母细胞，草履虫，和新月形藻。我们还展示了高分辨率的重叠关联重建在每秒30帧的视频帧速率。所报道的技术可以解决广泛的生物医学需求，并在流式细胞仪配置中产生新的重叠关联成像创新。
2021-12-15 physics.ins-det physics.optics
Single-pixel coherent diffraction imaging
复场成像对于从X射线到THz波长的许多应用是必不可少的，其振幅描述透射率（或反射率），相位揭示目标物体的内在结构。相干衍射成像（CDI）采用迭代相位恢复算法来处理衍射测量，是对复杂场进行成像的主要非干涉方法。然而，CDI的工作光谱非常窄，因为它所依赖的衍射测量需要具有超高动态范围的密集阵列检测。在这里，我们报告了一个单像素的CDI技术，适用于宽波段。在远场采用单像素探测器代替阵列传感器进行探测。它重复记录的直流只有部分的衍射波前散射的对象，因为它是由一系列的二元调制模式。这将测量的动态范围降低了几个数量级。我们采用了一个有效的单像素相位检索算法，共同恢复对象的二维振幅和相位图从一维强度只有测量。在恢复过程中不需要先验对象信息。我们验证了该技术的定量相位成像的性质，使用校准的相位对象和生物样品，并证明其广泛的工作光谱与488 nm可见光和980 nm近红外光。我们的方法为在更宽的波段中进行复杂的场成像铺平了道路，其中2D探测器阵列不可用，在生命和材料科学中具有广泛的应用。
2020-03-30 eess.IV physics.optics
Fast and robust pushbroom hyperspectral imaging via DMD-based scanning
Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation（联邦科学与工业研究组织）
我们描述了一种新的推扫式高光谱成像装置，没有宏观运动的部分。建议的高光谱成像仪的主要组件是一个数字放大器设备（DMD），CMOS图像传感器，没有过滤器的光谱传感器，CMOS彩色（RGB）图像传感器作为辅助图像传感器，和衍射光栅。使用图像传感器对，该设备可以同时捕获场景的高光谱数据以及RGB图像。由辅助图像传感器捕获的RGB图像可以促进由光谱传感器捕获的高光谱图像切片的几何配准。此外，从RGB图像可辨别的信息可以导致仅捕获场景内的感兴趣区域的光谱数据。所提出的高光谱成像架构具有成本效益、快速和鲁棒性。它还可以在分辨率和速度之间进行权衡。我们已经建立了一个初步原型的基础上提出的设计。该原型可以在不到30秒的时间内捕获空间分辨率为192x192像素和光谱分辨率为500个波段的高光谱图像数据立方体。
2017-01-30 cs.CV cs.DC physics.optics
Multiscale Phase Retrieval
虽然相干波场的表征对于激光、X射线和电子成像至关重要，但传感器测量的是场的平方大小，而不是场本身。必须使用全息术或相位恢复来表征场。对参考的需要严重限制了全息术的实用性。相反，相位恢复在理论上与直接测量相干或部分相干场而没有预先假设的传感器一致。不幸的是，相位恢复尚未成功地实现了大规模的领域。在这里，我们表明，全息和相位恢复是能够量子限制相干信号估计，我们描述的相位恢复策略，接近量子极限>1百万像素字段。这些策略依赖于使用干涉仪网络的组测试，例如可以使用新兴的集成光子、等离子体和/或超材料设备来构建。使用这种器件的相敏传感器平面可以消除对透镜和参考信号的需要，从而创建通向大孔径衍射限制激光成像的路径。
2020-12-09 eess.IV physics.optics
Extremely local electric field enhancement and light confinement in dielectric waveguide
研究了具有角和间隙的介质波导中的局部电场增强和光限制现象。数值结果揭示了扇形波导顶点附近的局部电场增强现象。经典电磁场理论预测，场增强和约束能力随圆角半径（$r$）和间隙半径（$g$）的减小而增大，并对无穷小的$r$和$g$表现出奇异性。对于具有$r=g=10\,\mathrm{nm}$的实际参数，相对的顶点到顶点扇形波导的模式面积可以与$4\times10^{-3}A_{0}$（$A_{0}=λ^{2}/4$）一样小，远远超过衍射极限。这种突破衍射极限而没有损失的方式优于等离子体波导，其中光限制是以金属中巨大的固有损失为代价实现的。此外，我们提出了一种在绝缘体上硅波导上的介质蝶形天线结构，其场增强增加了一个数量级。这种无损耗的介电角隙结构提供了一种无需金属纳米结构就能增强光与物质相互作用的替代方法，在量子电动力学、传感器和纳米粒子俘获等领域有着广泛的应用前景。
2013-10-09 physics.optics
Near-field diffraction of protons by a nanostructured metallic grating under external electric field: Asymmetry and sidebands in Talbot self-imaging
本文利用GFDTD-Q方法求解含时薛定谔方程，研究了均匀、空间调制和时间调制电场下质子经纳米结构金属光栅的近场衍射，发现电场微小变化会引起Talbot条纹显著偏移、畸变及边带效应，可应用于精密计量与电场传感。
2023-04-20 physics.optics quant-ph
Riblet Sensor -- Light Scattering on Micro Structured Surface Coatings
通过在飞机上应用适当的表面结构，在正常的空中交通中可以节省高达8%的燃料。在将这些技术引入生产环境之前，需要在制造和服务期间使用表面结构化质量的控制方法，以确保结构化涂层的持久质量和合理的表面更新决策。在这个项目中，实现上述改进的重要要求得到了满足。我们已经表明，快速采样是可能的，使用非接触式激光探测，我们已经提出了一个工作的传感器的初步配置。在理论部分中，建立了探测激光束与被测表面相互作用的模型，并推导了产生的波前。这是使用惠更斯-菲涅耳衍射理论和几何光学的组合来完成的。然后，该模型被用来咨询实验装置的设计，解释新兴的数据，并开发样本的特征量，它们从数据和它们的SNR比的推导。在实验部分，研究了激光与结构化沟槽表面的相互作用。为此，安装了光学装置，根据各种实验参数对未退化和退化表面进行测量。这些测量的结果经常与理论计算进行比较和检查。它允许非常敏感的测量，即使是轻微的表面退化。在此，不管由于材料的机械损失而对肋的损坏是对称的还是不对称的，或者不管其是否源自由于肋材料本身的化学过程而引起的反射率的变化。
2016-01-19 physics.ins-det physics.optics
Unfolding-Aided Bootstrapped Phase Retrieval in Optical Imaging
University of Manchester（曼彻斯特大学）；Tampere University（坦佩雷大学）；United States CCDC Army Research Laboratory（美国CCDC陆军研究实验室）；University of Illinois Chicago（伊利诺伊大学芝加哥分校）；Noiseless Imaging Ltd.（Noiseless成像有限公司）
光学成像中的相位恢复是指从以其衍射图案形式获得的无相位数据中恢复复信号。这些图案是通过具有相干光源的系统获取的，该相干光源采用衍射光学元件（DOE）来调制场景，从而在传感器处产生编码衍射图案。最近，模型驱动网络或深度展开的混合方法已经成为传统的基于模型和基于学习的相位检索技术的有效替代方案，因为它允许限制算法的复杂性，同时也保留了它们的功效。此外，这种混合方法在改善遵循理论唯一性条件的DOE设计方面已经显示出希望。有机会利用新的实验设置和解决更复杂的DOE相位恢复应用。本文概述了自举-无论近，中和远区-相位检索的算法和应用程序的深度展开。
2022-10-09 cs.LG eess.SP physics.optics
50 mm $\times$ 50 mm Cesium Atomic Vapor Cell for Terahertz Imaging: Implementation and Application
本文提出一种基于定制放大铯原子蒸气室和优化光束整形架构的50毫米×50毫米太赫兹成像系统，在0.55太赫兹下实现近衍射极限高分辨率成像，并实时展示液滴扩散，拓展了里德伯原子传感器应用。
2025-09-26 physics.atom-ph physics.optics
