超快电子衍射系统的时间空间分辨能力研究及其优化

超快电子衍射技术是研究物质瞬态结构变化及超快结构动力学的有效手段.研制了国内第一套同时具有超快时间分辨及超高空间分辨能力的超快电子衍射系统,并研究了在该超快电子衍射系统上实现超快时间分辨及超高空间分辨能力的技术手段及其优化方法.实验结果表明：经过优化后该系统可以具有优于500 fs的时间分辨能力,其空间分辨能力达到0.04%的衍射峰位置变化,对应的晶面变化为0.0005?.该系统可以为实时测量超快光脉冲激发的物质瞬态结构变化,特别是为研究晶体材料的超快动力学行为提供了强有力的实验工具. 关键词： 超快电子衍射 空间分辨 时间分辨     

光栅干涉二维合成孔径的实验研究

本文对一种成像系统——光栅干涉合成孔径成像系统进行了研究,证明这种频域成像系统具有高分辨,甚至超分辨的性能.用计算机控制的模拟点目标以及同步光栅扫描,完成了二维孔径合成实验,证明这种大瞬时光谱带宽的频谱孔径不受衍射极限限制,对空间点目标有极高的位置分辨率,存在超分辨的可能性.     

基于压缩感知超分辨鬼成像

分辨率是成像系统的一个重要参数, 获得高分辨率图像一直是鬼成像系统的一个目标. 本文提出了以成像系统点扩散函数作为先验知识, 基于稀疏测量的超分辨压缩感知鬼成像重建模型. 搭建了一套计算鬼成像实验装置, 用于验证该模型对于提高鬼成像系统分辨率的有效性, 并与传统的鬼成像计算模型进行了对比. 实验表明, 利用该模型可突破成像系统衍射极限分辨率的限制, 得到超分辨鬼成像. 关键词： 鬼成像 压缩感知 超分辨 稀疏测量     

超分辨技术在光盘中的应用研究

超分辨技术是一种无需用减小波长或增大数值孔径的方法减小记录点尺寸而能读出超过衍射极限信号从而有效增加存储密度的一种方法.超分辨可以通过调整光学系统或者调整光盘的结构来实现.在超分辨光盘中,超分辨是基于掩膜的光学性质随入射激光强度的非线性变化而实现的.在磁光盘中第一次引入超分辨技术后,超分辨技术的应用有了很大发展,在目前是提高光盘存储密度的有效方法,在各类光盘中都有良好的应用.近场超分辨技术的出现使相变光盘的超高密度记录和读出成为可能.文章综述了超分辨光盘的发展现状和发展方向.     

超分辨成像及超分辨关联显微技术研究进展

光学成像系统中有限孔径对光波的衍射,使得光学显微成像技术的分辨率受到"衍射极限"限制而无法进一步提高.自1873年E.K.Abbe提出该问题以来,衍射极限就一直是学术界研究的热点.近年来,随着高强度激光、高灵敏探测器等光电器件研制技术以及新型荧光探针开发等相关领域的快速发展,光学显微技术衍射极限问题的研究迎来了新的契机,超分辨显微成像技术(super-resolution microscopy.SRM)在近十年内取得了令人瞩目的巨大成就.本文从空域和频域角度回顾了衍射极限分辨率的基本原理,并据此对目前常见的各种SRM技术"绕过"衍射极限提高分辨率的机理给予了详解,同时介绍了各类技术的发展动态和研究方向;作为SRM的一个新的重要的发展趋势,本文详细介绍了超分辨关联显微技术的最新研究进展,包括SRM与活细胞实时荧光显微、荧光寿命显微、光谱测量和成像、电子显微、原子力显微、质谱技术等的关联,着重讨论了各类超分辨关联显微技术的作用和意义;最后,对SRM技术和超分辨关联显微技术的未来发展方向进行了展望.     

高分辨和超分辨光学成像技术在空间和生物中的应用

大到天文光学望远镜观察浩瀚的宇宙, 小到光学显微镜探察细微的纳米世界, 光学成像技术在人类探索和发现未知世界奥秘的活动中扮演着至关重要的角色. 看得更远、看得更细、看得更清楚是人们不断追求的目标. 传统光学理论已证明所有经典光学系统都是一个衍射受限系统, 即光学系统空间分辨率的物理极限是由光的波长和系统的相对孔径(或数值孔径)决定的. 能否突破这个极限？能否不断提高光学系统的成像分辨率？围绕着这个问题, 本文综述了近年来开展的各种光学高分辨和超分辨成像技术, 及其在空间探测和生物领域中的应用.     

超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术及其探测极限分析

理论上提出一种突破衍射极限限制的相干反斯托克斯拉曼散射显微成像方法, 并对其探测极限进行分析.通过引入环形附加探测光与艾里斑周边的声子作用, 实现点扩展函数的改造, 提高相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统的横向空间分辨率. 随着分辨率的提高, 信号强度也随之降低, 尤其当应用于生物学、医学研究时, 样品分子数密度通常很低, 这将导致信号探测更加困难. 因此分析系统的探测极限, 确定超分辨体积元内的最小可探测分子数是展开超衍射极限相干反斯 托克斯拉曼散射显微成像实验研究的重要前提. 当泵浦光、斯托克斯光、探测光光强均达到极大值, 分辨率约40 nm三维空间内, 超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统的散粒噪声信噪比由曝 光时间与样品分子数密度决定. 曝光时间若取20 ms, 探测极限约为10³, 样品分子数目只有大于探测极限, 才能保证信号可以从噪声背景中提取出来. 关键词： 突破衍射极限 相干反斯托克斯拉曼散射 非线性光学 探测极限     

飞秒电子衍射系统的静态特性研究

超快电子衍射系统是认识超快物理、化学及生物过程的重要工具之一.介绍了自主研制的一套飞秒电子衍射系统，调试并测量了该系统的电子束斑特性、X-Y偏转板的偏转灵敏度等.在该系统上进行了金膜的静态电子衍射图像的测量. 关键词： 飞秒电子衍射 偏转灵敏度 时间分辨 空间分辨     

基于最大似然法的共焦拉曼光谱成像方法

随着现代科技对纳米微观区域兴趣的增加,如DNA测序、分子纳米器件微结构检测等,其对拉曼光谱技术的空间分辨力提出了更高的要求,而现有共焦拉曼光谱技术受自身原理限制,空间分辨力已无法满足科学需求。针对这一问题,在现有共焦拉曼光谱技术的基础上,提出一种基于最大似然算法的共焦拉曼光谱成像方法。该方法将超分辨图像复原技术与共焦拉曼光谱技术相结合,利用基于Poisson-Markov约束的最大似然超分辨复原算法对共焦拉曼光谱图像进行超分辨图像复原处理,恢复图像高频成分,进而改善共焦拉曼光谱系统的空间分辨能力,实现超分辨成像。仿真分析和实验结果表明,提出的基于最大似然算法的共焦拉曼光谱成像方法在不改变现有共焦拉曼光谱系统光学结构的前提下,仅对单幅拉曼光谱图像进行超分辨图像复原处理,即可将系统空间分辨力提高到200 nm,实现超分辨成像,同时该方法具有较强的噪声抑制能力。该方法有效地提高了共焦拉曼光谱系统的空间分辨力,为物理化学、材料科学等前沿领域中的高空间分辨微区光谱探测提供了一种新的途径,是一种行之有效的高空间分辨的共焦拉曼光谱成像方法。     

软X射线激光背光阴影成像技术的空间分辨研究

软X射线激光阴影成像技术是一种诊断高温稠密等离子体临界面附近阴影轮廓的诊断技术,具有测量视场大、空间分辨能力高的特点,具有重要的应用前景.对该技术的空间分辨具体能够达到什么程度则没有进行过系统研究.本文分别从光路几何、衍射极限、成像像差三个方面进行了仔细分析,结果表明目前采用该技术的诊断系统能够达到约2μm的空间分辨.主要受限是光路几何因素,通过增加放大倍数、选择单元尺寸更小的接收元器件等方式,有希望达到优于1μm的空间分辨.     

Improvement of optical resolution in far-field imaging by optical multiplication

Based on the idea of the complex filters suggested by Toraldo di Francia in 1952, super-resolved imaging has been achieved by using interferometric image multiplication. The question of whether super-resolution implies a limited field of view is discussed, and an analytical criterion to decide this question is obtained. Three different imaging configurations are investigated, all of which gave a spatial resolution exceeding that corresponding to the full open aperture of the optical system. A resolution limit 55% of the Rayleigh limit was achieved for incoherently illuminated objects. One price that must be paid for the super-resolution is inefficient use of the light source. A second price is a limitation to the usable field of view.     

平面超透镜的远场超衍射极限聚焦和成像研究进展

突破瑞利衍射极限,实现纯光学的远场超衍射极限聚焦和成像在科学和工程的各个领域都有重要意义.现有光学超分辨技术都存在一些固有的限制因素,如工作距离短、适用领域窄、不利于集成等问题.平面超透镜由于理论上的创新、设计灵活、效率高、方便集成等优势,成为实现超衍射极限的有效途径.本文综述了平面超透镜的物理原理及其在超衍射极限聚焦和成像方面近年来的研究进展,并讨论了该领域面临的问题和未来的研究重点和方向.     

微球透镜超分辨显微成像与检测技术综述

受衍射极限的影响,传统光学显微镜的分辨率最高约为波长的一半,突破衍射极限,获得更高的成像分辨率是近年来显微成像领域的研究热点。相比于其他超分辨显微成像方式,基于微球透镜的超分辨显微成像方式具有简单直接、免标记等优点。主要介绍国内外研究团队将微球与传统的光学显微镜结合实现超分辨显微成像的研究进展,从微球透镜参数选择、成像方案、成像分辨率、成像视场及成像机理等多角度进行总结与比对;并结合课题组工作,介绍了将微球透镜与干涉显微技术相结合的三维超分辨检测技术,阐述了Linnik型与Mirau型两种检测光路原理,分析了三维超分辨检测的效果;展望了微球透镜超分辨显微技术在显微成像与显微干涉检测两个方面待解决的问题与发展方向。     

Thermodynamic limit for classical systems with Coulomb interactions in a constant external field

We introduce a new method for studying the thermodynamic limit for systems of particles with Coulomb interactions. The method is based on calculating the potential energy of the Coulomb interactions from the electric or magnetic fields in the system rather than from the energy of the individual particle — particle interactions. We are able to include the effects of a constant external field being imposed at the boundary of the system. The difficulties associated with Coulomb potentials being not even weakly tempered are overcome by imposing the boundary condition that at the boundary of the region containing the particles, the electric or magnetic field has normal component equal to that of the applied field. We prove that the thermodynamic free energy density exists and is independent of the sequence of regions used to define the limit. We introduce sequences of regions all of the same shape and show that for these sequences of regions the thermodynamic free energy density is independent of shape. Finally, we prove that the thermodynamic free energy is a convex function of the density of particles and of the applied field.     

W Band Dicke-Radiometer For Imaging

In this paper, a novel model is presented for Passive Millimeter Wave Imaging (PMMWI) in the near diffraction limited range. A compact W band super-heterodyne Dicke-radiometer is designed based on the research of the model. A super-resolution algorithm is adopted in order to solve the inherent problem of poor resolution imaging, which is caused by limited aperture dimensions and the consequent diffraction limit. Theoretical researches indicate that the super-resolution performance and spatial resolution are enhanced by this model and algorithm in the near diffraction limited range.     

MAP序列多帧图像超分辨率复原

序列多帧图像的超分辨率复原是由一序列低分辨率图像来估计一幅高分辨率图像的技术。介绍了序列图像的成像观测模型,给出了一种随机微扫描亚像素运动估计的方法,采用最大后验概率法进行了图像的超分辨率复原,对仿真结果进行了分析和比较。     

光学超振荡与超振荡光学器件

传统光学器件的衍射极限极大地制约了远场超分辨光学系统的进一步发展.如何从光学器件层面突破光学衍射极限瓶颈,实现非标记远场超分辨光学成像,是光学领域面临的巨大挑战.光学超振荡在不依靠倏逝波的条件下,可以在远场实现任意小的亚波长光场结构,这为突破光学衍射极限提供了一条崭新的途径.近年来,光学超振荡现象和超振荡光学器件的相关研究得到了快速发展,在理论和实验上成功地演示了超振荡光场的产生和多种超振荡光学器件,并在实验上展示了超振荡光学器件在非标记远场超分辨光学显微、成像以及超高密度数据存储等应用领域的巨大优势和应用潜力.本文对光学超振荡相关理论、超振荡光学器件设计理论和方法、超振荡光学器件发展现状、超振荡光场测试方法以及超振荡光学器件的应用等方面进行详细介绍和分析.     

图像超分辨率技术研究进展

超分辨率技术是当今图像处理领域的一个具有挑战意义的课题。在图像获取的过程中,受到成像条件以及成像方式的各种限制,成像系统不能获取原始图像场景中的全部信息。如何提高图像的空间分辨率一直以来都是图像处理领域的热点问题,图像超分辨率技术被认为是解决这一问题的有效方法。介绍了图像超分辨率复原的一般方法,以及国内外研究进展。     

Debye-Hückel limit of quantum coulomb systems

In this paper, we consider charge symmetric quantum Coulomb systems with Boltzmann statistics. We prove that the theory of screening of Debye and Hückel is a combined classical and mean field limit of these quantum Coulomb systems.Supported by the Swiss National Foundation for Scientific Research     

Two-Dimensional One-Component Plasma on Flamm’s Paraboloid

We study the classical non-relativistic two-dimensional one-component plasma at Coulomb coupling Γ=2 on the Riemannian surface known as Flamm’s paraboloid which is obtained from the spatial part of the Schwarzschild metric. At this special value of the coupling constant, the statistical mechanics of the system are exactly solvable analytically. The Helmholtz free energy asymptotic expansion for the large system has been found. The density of the plasma, in the thermodynamic limit, has been carefully studied in various situations.