超材料前沿研究一周精选 2019年12月23日-12月29日- 大数跨境

首页

超材料前沿研究一周精选 2019年12月23日-12月29日

两江科技评论

2019-12-29

导读：今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及基于稀疏约束和压缩感知鬼成像的单帧宽视场纳米显微镜、全介电多量子阱超构表面二次谐波可见光的超高效率、单个非交错超构表面实现高阶庞加莱球面光束的大

今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及基于稀疏约束和压缩感知鬼成像的单帧宽视场纳米显微镜、全介电多量子阱超构表面二次谐波可见光的超高效率、单个非交错超构表面实现高阶庞加莱球面光束的大容量和灵活模式复用等敬请期待！

索引

1. 基于稀疏约束和压缩感知鬼成像的单帧宽视场纳米显微镜

2. 一种由低压介质弹性体驱动器驱动的自主柔性机器人昆虫

3. 直接从Mamyshev光纤振荡器获得超宽带少周期脉冲

4. 单个非交错超构表面实现高阶庞加莱球面光束的大容量和灵活模式复用

5. 全介电多量子阱超构表面二次谐波可见光的超高效率

6. U-net架构的深层神经网络助力单分子定位显微镜中的精确背景估计

基于稀疏约束和压缩感知鬼成像的单帧宽视场纳米显微镜

单分子、局域化、宽视场的纳米光学显微镜技术常常存在时间分辨率低的问题，因为单分子的高精度定位需要低荧光密度。此外，要重建一个超分辨率的图像，需要成百上千帧，即使使用了压缩感知和深度学习等先进的算法。这些因素限制了纳米显微技术在活细胞成像中的应用。超分辨光学显微技术通过克服光的衍射极限来实现纳米级的分辨率。尽管传统超分辨显微镜可以看到细胞内单个分子，并构建超分辨图像，但在活细胞中却很难使用，因为重建图像需要成百上千帧，速度太慢，无法捕捉快速变化的动力学过程。

近日，中科院上海高等研究院宏观量子中心王中阳研究员课题组开发了一种基于稀疏约束和压缩感知鬼成像（GISC）的单帧宽视场的纳米显微镜系统，该系统将空间随机相位调制器应用于宽视场显微镜，从而实现对荧光信号的随机测量。该方法可以有效地利用荧光发射的稀疏性，通过压缩感知重建一幅原始图像，将成像分辨率提高到80纳米。研究人员在保持单分子定位精度低于25 nm的情况下，获得了143 μm^-2的超高发射体密度。结果表明，与以往基于单分子定位的超分辨率成像方法相比，利用高密度的可切换开关通道的荧光团可以将采样帧数减少一个数量级。研究结果表明，对于一个60 nm的环进行成像，利用该方法只需10帧图像就可以重构图像，而传统的光学重建显微镜（STORM）方法需要多达4000帧图像才能达到同样的效果。因此，GISC纳米显微镜可以提高超分辨率成像的时间分辨率，用于研究活细胞和微观动态过程。该技术有望在生物、医疗等超分辨显微成像研究领域得到广泛的应用。相关研究近期发表在《Optica》上。

文章链接：Wenwen Li，et al, Single-frame wide-field nanoscopy based on ghost imaging via sparsity constraints,Optica(2019).

https://doi.org/10.1364/OPTICA.6.001515.

一种由低压介质弹性体驱动器驱动的自主柔性机器人昆虫

昆虫一直是机器人专家的灵感来源。它们柔软的身体让它们能够挤过小开口，对冲击有很强的弹性抵抗能力，这赋予它们顽强的生命力，我们可能会不由自主的想到那只“打不死的小强”。然而，让该软体机器人不受束缚，同时能够智能地对环境做出反应，是一个长期存在的挑战。其中软致动器的低功率密度是一个障碍，导致小型机器人无法携带传感器和控制电子设备及电源。介电弹性体致动器(DEAs)是一类静电电活性聚合物，可承受千赫兹的高功率密度操作，但通常需要几千伏电压才能达到完全应变，同时千伏电源的质量限制了DEA机器人的速度和性能。

近日，瑞士洛桑联邦理工学院软传感器实验室Herbert Shea等人发明了一种工作电压低于450伏特的低压堆叠式介电弹性体致动器 (LVSDEAs)，并用它们来驱动昆虫尺寸大小(40毫米长)的软体腿机器人。DEAnsect的身体有三个LVSDEAs来驱动它的三条腿，重量为190毫克，同时可以携带950毫克的有效载荷(是它体重的5倍)。空载时的DEAnsect可以30毫米/秒的速度移动，由于它的顺应性，它非常坚固，可以说是一只“打不死的小强”。整个设计过程中，低于500伏的工作电压使研究人员能够开发780毫克的驱动电子器件，包括光学传感器、微控制器和电池，可用于两个通道输出450伏，频率高达1千赫兹的信号。通过将这种柔性印刷电路板与DEAnsect集成，科研人员开发了一种能够自主导航、独立行走的软体机器人。这项工作为新一代弹性、柔软、快速的无束缚机器人的开发应用提供了一种新的的方案。相关研究工作近期发表在《Science Robotics》上。

文章链接：Xiaobin Ji，et al, An autonomous untethered fast soft robotic insect driven by low-voltage dielectric elastomer actuators, Sci. Robot. 4, eaaz6451 (2019).

DOI: 10.1126/scirobotics.aaz6451.

直接从Mamyshev光纤振荡器获得超宽带少周期脉冲

具有高峰值功率的超短脉冲已经在多个领域得到了广泛的应用，包括非线性显微镜、材料加工、传感、飞秒化学、频率梳等。特别是达到数个周期或单个周期的载频的光学脉冲，其频谱宽度超过一个八度跨度，这对于各种前沿应用至关重要，如阿秒科学、高谐波产生和相干x射线的产生。目前，固态激光器因其宽增益带宽(BWs)成为了少周脉冲产生的前沿产品。尽管在脉冲能量和峰值功率方面，光纤激光器的性能已经可以与固体激光器相媲美，但由于光纤激光器的增益BW有限，因此产生小周期或单周脉冲仍然是光纤激光器的一大挑战。

从光纤激光器中获得低周脉冲的一种常用方法是在腔外进行非线性脉冲压缩。另一种方法是相干地结合来自高度非线性光子晶体光纤(PCF)的两个超连续谱。然而，这些设备非常复杂，并且存在稳定性问题。另一方面，由锁模光纤激光器直接产生的宽谱超短脉冲具有许多优点。直接由激光产生的脉冲更稳定，噪声更小，因为每次往返时脉冲上的时间相位都经过了整形。虽然目前锁模光纤激光器的性能得到了很大的改善，但有限的增益带宽限制了其产生接近几个周期甚至更短的超短脉冲的能力。

近日，吉林大学电子科学与工程系ChunYang Ma等人提出了一种新方法，通过将高度非线性的光子晶体光纤和色散延迟线插入空腔，实现超宽谱(400 nm, -20 db)的几个周期脉冲(约5周)。显著的内腔光谱展宽可以通过自相似演化的独特非线性过程来稳定，作为增益光纤中的非线性吸引子和Mamyshev振荡器的饱和吸收器。据作者介绍，这是目前由光纤激光器直接产生的最短脉冲宽度和最宽的频谱。相关研究工作近期发表在《Photonics Research》上。

文章链接：ChunYang Ma,et al, Ultrabroadband, few-cycle pulses directly from a Mamyshev fiber oscillator,Photonics Research(2019).

https://doi.org/10.1364.

单个非交错超构表面实现高阶庞加莱球面光束的大容量和灵活模式复用

轨道角动量（OAM）可以由具有螺旋相位前相和甜甜圈形强度分布的波来承载，这些波被称为涡旋束（VB）。由于它们的波前非常规，这些VB 现有的产生/表征VB的方法依赖于螺旋相位板，圆柱模转换器，亚波长光栅，表面等离振子极化模式耦合器，扰动的回音壁模式共振器和超构表面。但是，这些VB发生器只能产生有限数量的VB，每个VB都具有统一的极化状态（SOP），即标量VB。用高阶庞加莱球（HOPS）描述的广义圆柱矢量涡旋光束（VVB）的种类更广，可以用两个自旋状态相反的圆偏振标量VB的相干叠加来表示。VVB具有不均匀的SOP波前，可用于亚衍射聚焦，光学陷波，激光器，非衍射光束等。传统上，VVB的产生通常需要许多级联的光学组件。圆柱矢量涡旋光束是一类特殊的高阶庞加莱球面光束，是带有轨道角动量的波的广义形式，其波前具有不均匀的偏振态。

传统的方法以及最近提出的用于产生涡流束的分段/交错的共享孔径超构表面都受到笨重的光学装置的严重限制，或者受到效率和模式数量低的受限信道容量的严重限制。来自东南大学的Wei Hong研究小组提出了一种非交织的涡旋复用方法，该方法利用相干方式从所有超构单元发出的具有相反自旋状态的叠加散射波，从而以超直观的方式实现超大容量，高效和灵活地产生大量结构化的极化态的涡旋光束。实验证明了通过亚波长厚的超构表面实现的一系列示例性原型，从而实现了万花筒式矢量涡旋光束这种方法学对结构化的波前整形，涡旋产生和高信息容量的平面光子学具有广阔的前景，这可能会对自旋霍尔光子学，光学全息，压缩成像，电磁通信等领域做出技术性改革的贡献，相关研究发表在杂志《Advanced Materials》上。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/adma.201903983

全介电多量子阱超构表面二次谐波可见光的超高效率

通过使用周期性金属纳米结构的局部表面等离激元共振，通常可以提高超构表面中二次谐波产生（SHG）的转换效率。然而，由于光频率中的大量金属损耗，这使其对于看重转换效率的所有光学应用都不可行。金属纳米结构诱导的强等离子体场理论上可以增强固有的弱光学非线性过程，但是任何潜在的效率提升都将因大量的金属损耗而完全抵消。因此，超构表面近来的发展已转向完全废除金属。由全介电单元制成的超构表面经过精心设计，可在介电常数-磁导率空间的所有四个象限中均具有电磁响应，而不会引起损耗损失，因此被认为是光通信、生物传感器和能量转换等各种应用的有希望的替代方法。

开发高效率相干非线性光源是光子量子技术在信号处理，成像和切换中的关键步骤。一种有前景的方法是通过具有特定等离激元共振模式的金属结构的半导体量子阱结构中的子带间跃迁来产生二次谐波（SHG）。但是，这种方法存在两个重大挑战。首先，受导带偏移的限制，基于子带间过渡的SHG波长不太可能扩展到可见区域。其次，等离激元的金属纳米结构的高耗散损耗可能会严重限制其适用性。近日，来自台湾中央研究院的Din Ping Tsai研究小组展示了一种在全电介质多量子阱超构表面中使用带间激子跃迁的替代配置，能够在可见光区域实现高SHG转换效率。利用多量子阱超构表面的磁共振，在超构表面上感应的紧密集中的电场可将转换效率提高到约2×10^-7。该演示为使用SHG的相干光源开辟了一条可行的道路，该光源已扩展到可见光区域，并具有高转换效率，可用于纳米光子量子信息应用。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12064056

U-net架构的深层神经网络助力单分子定位显微镜中的精确背景估计

在光学显微镜中，来自其他信号的图像背景（BG）降低了图像的质量。通常，在一个小的感兴趣区域（ROI）内图像的BG结构被认为在该区域内是均匀的，并且通过减去从没有来自荧光标记地方图像的平均或中值荧光信号来扣除背景。然而，在大多数情况下，非结构（均匀）的BG的假设过于简单化。例如，在生物显微镜中，细胞或组织切片等典型样本具有大量不同的成分，这些成分分布在许多不同的空间尺度上，引入荧光探针来标记一个组分也可以非特异性地与其他组分结合。因此，产生的荧光BG将由许多不同的空间频率组成。因此，这种类型的BG可以称为“结构化BG”（sBG）。

虽然在点扩展函数（PSF）拟合过程中，sBG很容易被解释为一个附加偏移量，简单地减去一些数字只会改变BG的平均值，而不会去除底层结构。剩余的sBG会改变PSF形状，这可以强烈地影响位置估计的结果，因此对sBG的校正有着重要意义。最近，来自斯坦福大学（Stanford University）的研究人员提出了一种新方法来快速，精准扣除sBG。一种具有U-net结构的深度神经网络（BGnet）作为快速估计点源图像背景的通用方法，即使在使用点扩展函数（PSF）工程来创建复杂的PSF形状时，也具有很高的精度。通过训练BGnet从各种psf的图像中提取背景，并证明对于由许多空间频率构成的各种干扰背景结构，BGnet的识别是准确的。此外，对于模拟和实验数据，所获得的背景校正PSF图像可显著提高定位精度。相关研究近期发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》上。