激光共聚焦近红外荧光扫描系统光学设计

为了实现对近红外荧光的高分辨率扫描,设计了工作在近红外光谱区的激光共聚焦光学系统。采用结构简单的凹凸双透镜物镜实现了照明光路和发射光路的设计,并采用Zemax软件进行了光学设计和仿真。实验表明:照明光路的聚焦弥散斑小于1 m,照明针孔处的聚焦光斑小于40 m,满足照明针孔的尺寸要求;发射针孔处的聚焦光斑小于10 m,满足探测针孔尺寸要求;同时照明光路和发射光路的MTF曲线的截止频率都分别满足其衍射极限分辨率的要求,照明光路在全视场空间分辨率420 lp/mm处MTF0.08,发射光路在全视场空间频率400 lp/mm处MTF0.07。     

实现均匀照度光伏聚光镜设计

为满足聚光光伏系统的聚光需求,解决传统点聚焦式聚光光伏系统中聚焦光斑不均匀、径长比过大和聚光比较小的缺点,在不增加二次匀光器件的前提下,设计了径长比小、聚焦光斑相对均匀、聚光比高的聚光光伏系统。根据几何光学柯勒照明原理、等光程原理和反射定律,通过数值求解等光程方程组获得聚光镜各个面型的轮廓曲线。利用TracePro软件对所设计的聚光系统进行光线追迹模拟,结果表明:在聚光比为725的情况下,聚焦光斑最大照度仅为太阳照度的2300倍,是点聚焦情况下的1/10左右,系统的径长比为0.3,接收角为0.72°。系统设计实现了结构紧凑,聚光性能高的设计目标,为高倍聚光光伏系统的小型化,简单化提供了一种有效的解决途径。     

单颗LED实现远距离均匀照明系统设计

针对现有的LED照明系统体积大、结构复杂、工作距离短的缺点,提出一种轻量化、均匀性好、能够实现远距离照明的单颗LED投影系统的设计方法。从照明设计理论出发,结合非成像设计和成像设计方法,设计了由单颗大功率LED、聚光镜、孔径光阑和投影物镜组成的投影照明系统。聚光镜对LED出射的光线进行匀化并会聚于照明面位置,投影物镜将照明面处的光斑投影到指定距离的接收面上。系统采用全透射式结构,便于加工和装调;单颗大功率LED作为光源能够有效减小系统体积和质量。实验结果表明:系统能在3 m~3 km范围内形成均匀度大于90%的照明,成像质量良好,投影面畸变小于5%,能满足远距离均匀照明投影的要求。     

基于角谱法的振幅型光子筛的设计和分析

对光子筛的聚焦成像原理作了分析,并用平面波角谱方法对光子筛聚焦成像进行了数值模拟.模拟结果表明,光子筛聚焦具有提高分辨率和抑制高级衍射的优点.在理论分析和计算机模拟的基础上,设计并制作了Fresnel波带片、未平滑处理和平滑处理后的光子筛.用波长为532 nm激光光源对波带片和光子筛聚焦光斑进行检测.结果表明,光波通过光子筛聚焦后的光斑比波带片的光斑更细,成像对比度更高.     

基于双螺旋点扩散函数工程的多焦点图像扫描显微

在传统共聚焦显微技术的基础上,图像扫描显微技术使用面阵探测器来代替单点探测器,结合虚拟数字针孔并利用像素重定位和解卷积图像重构算法将传统宽场显微镜的分辨率提高一倍,实现了高信噪比的超分辨共焦成像.但是,由于采用逐点扫描的方式,三维成像速度相对较慢,限制了其在活体样品成像中的应用.为了进一步提高图像扫描显微术的成像速度,本文提出了一种基于双螺旋点扩散函数工程的多焦点图像扫描显微成像方法和系统.在照明光路中,利用高速数字微镜器件产生周期分布的聚焦点阵对样品进行并行激发和快速二维扫描;在探测光路中,利用双螺旋相位片将激发点荧光信号的强度分布转换为双螺旋的形式;最终,利用后期数字重聚焦处理,从单次样品扫描数据中重构出多个样品层的超分辨宽场图像.在此基础上,利用搭建的系统分别对纤维状肌动蛋白和海拉细胞线粒体进行成像实验,证明了该方法的超分辨能力和快速三维成像能力.     

基于光程编码与相干合成的三维超分辨术

光学相干层析成像的轴向分辨率和横向分辨率是互为独立的,其轴向分辨率由系统光源带宽和探测光束的聚焦条件共同决定,而横向分辨率由系统样品臂的聚焦条件决定. 提高光学相干层析成像的轴向分辨率的方法主要基于宽带光源技术以及变迹术与相干门相结合的方法,而这些方法对于横向分辨率并没有提高. 提出了一种通过光程编码与相干合成的方法,可以同时提高其轴向分辨率和横向分辨率. 通过在光学相干层析成像系统的样品臂中加入光程编码分束器形成多种对应不同光程延迟的有效响应函数,基于光学相干层析成像术固有的光程分辨能力可以得到同一样品对应于不同有效响应函数的多幅图像. 通过数字控制不同有效响应函数的相对贡献对其进行相干合成,可以同时实现轴向和横向的超分辨效果. 与以前的方法相比,光程编码与相干合成方法简单易行、成本低廉,不仅可以避免系统复杂和价格昂贵等不足,而且可以同时较大幅度地提高系统的轴向分辨率和横向分辨率. 关键词： 光学相干层析成像 轴向超分辨 横向超分辨 光程编码     

分波段照明法实现单透镜大景深成像

基于透镜色散原理,提出了运用分波段照明法扩大单透镜成像景深的方法.理论推导出物距和照明光波长之间存在正相关关系,据此选择相应波段的照明光源,通过照明光学设计,使不同物距的物体均能清晰成像在同一像面上.ZEMAX软件模拟结果与理论分析吻合.采用自行设计的图像采集系统,只用一个35mm焦距普通双凸透镜进行实验测试.人眼主观和专业软件测试结果均表明:采用分波段照明方式比用白光照明景深扩大81.8%,分辨率最大提升200.3%;比只用单色光照明景深扩大了93.6%,分辨率最大提升189.7%.     

非共轴椭球面聚光阵列式高焦比太阳模拟器

为使太阳模拟器的接收靶得到高能流高均匀度光斑,需要对聚光系统进行优化设计。提出利用非共轴椭球面聚光镜优化光斑质量的方法,使光斑的能流分布均匀度有明显改善。利用蒙特-卡罗光线追迹方法,设计了聚集型高焦比太阳模拟器。在第二焦面处,80mm直径的接收靶面上可接收10kW的辐射光能,光斑对称性和均匀性好,系统的传递效率为23.81%,80mm直径靶面内的平均能流密度为2MW/m2,50mm直径靶面内平均能流密度达到3.64MW/m2,对应的理论色温超过2800K。采用非共轴椭球面聚光镜,成功研制了由电源控制系统、冷却系统、氙灯光源和聚光系统构成的太阳能模拟器。经实验测试,太阳模拟器的聚光光斑与光学仿真软件TracePro模拟光斑符合得很好。     

电子束时间聚焦技术

利用时间展宽分幅相机研究电子束的时间聚焦现象.当阴极未加载脉冲电压时,测得相机的时间分辨率为80ps.当阴极加载斜率为14V/ps的脉冲电压、电路延时为11.395ns时,相机的时间分辨率为8.8ps,电子束的时间宽度经历了被压缩到被展宽的过程.改变阴极脉冲下降沿斜率,研究电子束时间聚焦时系统时间分辨与下降沿斜率的关系.当下降沿斜率为1V/ps时,时间分辨近似等于80ps,电子束到达微通道板时其时间宽度约等于原始宽度.当斜率大于1V/ps时,时间分辨小于80ps,到达微通道板时电子束时间宽度被展宽.当斜率为0.5V/ps时,时间分辨大于80ps,到达微通道板时电子束时间宽度被压缩.     

矢量光共焦扫描显微系统纳米标准样品的制备与物理测量精度

针对超分辨领域分辨率测量标准的缺失情况,本文介绍了一种用于纳米尺度分辨率测试的标准样品的设计方案和制备方法,该样品适用于矢量光共聚焦激光扫描显微系统.该设计方案包含一系列测量图案和明确的指示标记,具有测量范围宽、线宽梯级序列分布合理、制备精度高等特点.首先在非晶硅片上实现硅纳米标准样品的制备,并经过多次探索工艺,提高了测试图案的精度.光学测试结果证实该纳米标样可用于分辨率测试,同时测得矢量光共聚焦激光扫描显微镜的分辨率为96 nm (n=1.52, 405 nm光源).针对硅纳米标准样品低对比度的问题,本文提供石英片上金属纳米标准样品的制备方法作为补充.纳米标准样品的实现,为点扫描式超分辨显微镜的分辨率指标提供了一种更严谨的测试途径,同时能够为显微镜的调试提供原理性指导.测试中发现纳米尺度的光学成像效果除了受到样品形貌的影响外,还受到到样品的光电物性的影响,其相互作用机理尚待进一步深入研究.     

时间分辨电子显微镜中放大成象系统的设计

本文介绍了时间分辨电子显微镜中的放大成象系统。该系统由物镜，第一，第二中间镜及投影镜等磁透镜组成，其电子束交叉截面位于远离投影镜极靴中心的位置，且具有细而长的腰部；该系统可提供大于一万倍的放大倍率，最大放大倍率可达十万倍，从而为提高时间分辨电子显微镜的空间分辨本领和时间分辨率提供了良好的条件。     

Observation of MWCNTs with low-energy electron point source microscope

The low-energy electron point source (LEEPS) microscope, which creates enlarged projection images with low-energy field emission electron beams, can be used to observe the projection image of nano-scale samples and to characterize the coherence of the field emission beam. In this paper we report the design and test operation performance of a home-made LEEPS microscope. Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) synthesized by the CVD method were observed by LEEPS microscope using a conventional tungsten tip, and projection images with the magnification of up to 10₄ was obtained. The resolution of the acquired images is \sim10 nm. A higher resolution and a larger magnification can be expected when the AC magnetic field inside the equipment is shielded and the vibration of the instrument reduced.     

0.23 eV energy resolution obtained using a cold field-emission gun and a streak imaging technique

We demonstrate that a high energy resolution of 0.23 eV is possible by using a cold field-emission electron gun (CFEG) without a monochromator. We have used a 300 kV transmission electron microscope (Hitachi, HF-3000) equipped with a CFEG and an energy filter (Gatan, GIF2002). Since energy instability is critical for high energy resolution in electron energy-loss spectroscopy, we have applied a high-speed 'streak imaging' acquisition technique, in which a series of time-resolved spectra are acquired as a two-dimensional spectrum. With this technique, we can easily record 1000-20,000 spectra with an exposure time of 0.353 ms per spectrum. Instability of less than 1.4 kHz has been corrected in the time-resolved spectra, allowing the inherent performance of the CFEG to be realized.     

具有时间分辨能力的强流电子束束剖面测量系统

 高能强流电子束的束参数测量是加速器研制过程中重要的一项测量工作,由于光学渡越辐射具有时间响应快、分辨率高等特点而被用于测量电子束的具有时间分辨能力的束剖面、发散角、能量等多个参数;通过电子束束参数的时间分辨测量则能够了解电子束产生、输运中的问题,非常有利于加速器的研究与调试。一种具有时间分辨能力的、利用光学渡越辐射进行高能强流电子束束斑测量的系统在中国工程物理研究院被建立起来,并在12 MeV LIA的电子束束斑的测量中用于电子束传输研究,该系统拍摄图像的间隔时间最小为10 ns,最小的曝光时间为3 ns,具有一次可以拍摄8幅图像的能力,并获得了12 MeV LIA约100 ns内相应的时间分辨的束斑变化情况,观察到了一些过去未观察到的现象,为加速器的研究提供了又一个新测试方法。     

时间分辨电子显微镜的数值模拟

对时间分辨电子显微镜进行了数值模拟。通过求解从样品透射出来的电子在静态磁场和动态电场的混合场中的运动,评价时间分辨电子显微镜的动态时空特性。根据该数值模拟,时间分辨电子显微镜能够在荧光屏上获得样品在不同时刻的6幅显微分幅图像。     

高稳定度恒流电源的研制和应用

介绍一种简单的方法把普通可调三端稳压集成电路改为高稳定度恒流电源,用于高能二次电子发射系数测量系统的磁聚焦中,也可用于扫描电子显微镜等,其稳定度可达１０ － ４ ．     

0.22THz折叠波导行波管电子光学系统设计与实验研究

设计了一套0.22THz折叠波导行波管电子光学系统,详细介绍了电子枪和周期永磁聚焦系统的设计过程,在电子枪电子束束腰与磁系统不匹配情况下,对磁场过渡区进行了优化设计,以此为基础利用磁场仿真软件对磁场进行模拟和优化,并把磁场位形代入电磁仿真软件进行电子束传输仿真,优化后的电子光学系统发射束流10mA,阴极电压15kV,束流通过率96%。通过实验验证,流通管束流通过率93%,高频样管束流通过率94%,与设计相符。高频样管实现连续波运行,功率大于0.4 W,3dB带宽大于12GHz。     

适用于表面分析的小型低能电子显微镜

介绍并表征了一套单法兰集成的低能电子显微镜. 这套显微镜中采用了10o偏转角的磁分束器,从而有利于将其集成到一个10 in的法兰上. 电子光学系统中的一些修正单元被简化,以使其结构简单,容易操作. 样品被置于地电位,方便各静电透镜浮在高电压上. 通过几个实验展示了这台显微镜在典型的低能电子成像、低能电子衍射和光电子成像模式下的性能. 低能电子成像的空间分辨率为51 nm. 利用飞秒激光做光源,相应的非线性光电子发射过程使得这台设备非常适合进行光学近场现象的观察,并获得110 nm的光电子成像空间分辨率.     

Time-resolved measurement technique for pulsed electron beam envelope basing on framing and streaking principle

The time-resolved electron beam envelope parameters, including cross sectional distribution and beam centroid position, are very important for the study of beam transmission characteristics in a magnetic field and for verifying the rationality of the magnetic field parameters employed. One kind of high time-resolved beam envelope measurement system has recently been developed, constituted of a high-speed framing camera and a streak camera.It can obtain three panoramic images of the beam and time continuous information along the given beam profile simultaneously. Recently obtained data has proved that several fast vibrations of the beam envelope along the diameter direction occur during the front and the tail parts of the electron beam. The vibration period is several nanoseconds. The effect of magnetic field on the electron beam is also observed and verified. Beam debugging experiments have proved that the existing beam transmission design is reasonable and viable. This beam envelope measurement system will establish a good foundation for beam physics research.     

Inverse problems of magnetostatics and the design of double-focusing electron magnetic spectrometers

A method is proposed for the design of double-focusing electron magnetic spectrometers by using direct methods of solving inverse problems of magnetostatics. The conditions for double-focusing electron magnetic spectrometers in a system with two pairs of electromagnetic coils are determined for the first time in a third-order model, which appreciably improves the main optical characteristics of the device: the resolution and the luminosity. This system is used to design a real energy analyzer with a free toric chamber in the third-order model. Zh. Tekh. Fiz. 67, 66–69 (November 1997)