双光子荧光与相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术的实验研究

双光子荧光与相干反斯托克斯拉曼散射同属于三阶非线性效应,二者之间的差异与联系是一个值得研究的问题.本文基于自行搭建的超连续谱近红外宽带相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统进行光谱成像,同时通过理论与实验对比分析了双光子荧光与相干反斯托克斯拉曼散射图像存在差异的原因.结果表明,具有亚微米以上横向分辨率的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统,可以使用较大尺寸的荧光珠进行双光子荧光成像,通过解卷积得到双光子荧光成像的系统分辨率,并将它近似等效于相干反斯托克斯拉曼散射成像系统的当下分辨率.如果需要得到相干反斯托克斯拉曼散射成像系准确的分辨率结果,就必须使用尺寸比相干反斯托克斯拉曼散射成像系统实际分辨率小的球形样品进行实验测量.     

基于多模光纤的分布式喇曼测温系统

基于喇曼散射和光时域反射原理,分析后向散射光中反斯托克斯光和斯托克斯光光强比值,研制了基于多模光纤的分布式喇曼温度传感系统.采用对低、高温段温度分别进行拟合的动态温度标定方案,将测温精度提升至±1℃.分别对系统温度分辨率、测温精度、空间分辨率以及重复性进行了实验,结果表明:系统温度分辨率为1℃,空间分辨率为1m,系统稳定性良好,能够适应复杂环境变化.     

基于单模光纤的分布式温度传感器研制

在对光纤背向喇曼散射温度效应理论分析的基础上,研制了基于单模光纤的5km分布式温度传感器。实验比较了温度传感解调方法,选择反斯托克斯(Anti-Stokes)和斯托克斯(Stokes)背向喇曼散射光强度比值进行解调。介绍了系统的硬件组成和软件实现。实验表明,系统能精确地进行分布式测温,温度分辨率为1℃,空间分辨率为2m。     

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     

飞秒相干反斯托克斯拉曼散射光谱测温研究进展

当今世界大约90%的能量供应都是由燃烧生成的。在燃烧场中,火焰的温度影响着场中各种组分链式反应的途径和浓度,获取燃烧场温度信息可以为提高燃料燃烧效率,改进燃烧装置的设计提供重要的支撑依据。随着我国在航空、航天和航海这类高端制造业领域的不断发展,各种大型燃气轮机和超声速发动机的研发进入加速期,此类燃烧装置产生的火焰具有高温、高压、湍流超声速和持续时间短等特点。传统的接触式测温法难以对这类湍流燃烧场进行温度测量,近年以激光光谱法为代表的非接触式测温技术逐渐走向成熟,并获得了广泛地应用。与超短脉冲相结合的飞秒相干反斯托克斯拉曼散射光谱测温技术凭借可提供高时间分辨率(每秒可提供上千个测温数据)、高测温精度和高测温灵敏度等优势而被应用到各种高温、湍流等复杂燃烧场景温度诊断中。文章概述了飞秒相干反斯托克斯拉曼散射测温技术的基本原理,综述了该技术在稳态火焰、加热气体、模拟燃气轮机等燃烧环境中测温工作的研究进展,简要介绍了飞秒时间分辨相干反斯托克斯拉曼光谱的研究和应用,着重介绍了可以实现毫秒量级时间分辨率的飞秒啁啾探测脉冲相干反斯托克斯拉曼散射测温技术和混合飞秒/皮秒相干反斯托克斯拉曼散射测温技术的基...     

简化的CARS装置用于液体中微量物质分析的研究

用受激拉曼散射(SRS)作为产生相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)的相干光源,对液体中微量苯及其衍生物等进行定量测定。灵敏度优于10ppb,时间分辨率为20ns。     

相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术研究

基于全量子理论对相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)过程进行了分析, 在此基础上搭建了单频CARS显微成像系统, 获得了不同尺寸聚苯乙烯微球高对比度的CARS显微图像. 为了标定成像系统的空间分辨率, 采用逐点扫描方式对直径为110 nm聚苯乙烯微球成像, 从而重构出系统的点扩展函数. 结果表明: 该CARS显微成像系统的横向空间分辨率约为600 nm, 而由阿贝衍射极限决定的理论空间分辨率约为300 nm. 分析了导致分辨率降低的原因, 并提出了解决方案. 为实现纳米分辨的CARS显微成像打下了坚实的基础.     

纳米分辨相干反斯托克斯拉曼散射显微成像

采用附加探测光声子耗尽法来实现超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像. 此方法引入一束环形分布的附加探测光来消耗点扩展函数周边的相干声子, 实现点扩展函数的改造, 从而达到超越衍射极限的空间分辨率. 为了获得更高的空间分辨率和更佳的相位匹配条件, 通常需采用高数值孔径物镜对抽运光、斯托克斯光和探测光进行聚焦, 此时标量衍射理论不再成立. 基于矢量衍射理论, 分析了线偏振光、圆偏振光先后经过螺旋相位片和高数值孔径物镜后的光强分布, 结果表明: 圆偏振光在高数值孔径物镜后焦平面的光强分布呈中心对称状, 较线偏振环形光更适合作为附加探测光. 此外, 采用全量子理论分析了附加探测光声子耗尽法. 结果表明: 当附加探测光与探测光强度比为80时, 成像系统的横向空间分辨率可以达到45 nm; 继续提高附加探测光强度, 空间分辨将进一步提高.     

1.66μm和1.55μm光源对长距离光纤拉曼温度传感器测量时间影响的理论对比

通过理论分析,在综合考虑长距离光纤拉曼温度传感器中各光学器件波长相关特性的基础上,比较了1.66 μm和1.55 μm光源对传感器测量时间的影响.计算结果表明,由于各光学器件在1.5 μm波段的高性能和最大允许入纤脉冲峰值功率的增加,采用1.66μm光源的光纤拉曼温度传感器,最高可获得约1.94倍的背向反斯托克斯信号.在相同空间分辨率和温度分辨率的情况下,测量时间可以降低约3/4.     

圆斯托克斯向量和椭圆斯托克斯向量

随着选取不同的基态,斯托克斯向量应该分成线的、圆的和椭圆的斯托克斯向量三大类。本文对圆斯托克斯向量和椭圆斯托克斯向量作了定义,推导了各类斯托克斯向量相互间的换算公式,并讨论了偏振光学元件的各种穆勒矩阵以及相互间的关系。     

激光等离子体温度测量方法设计

为了获得高时间和空间分辨率的激光等离子体温度测量结果,基于等离子体温度测量的二谱线法,设计了一种激光等离子体温度测量方法。介绍了该方法的测量原理及时间空间分辨率实现方法。利用这种方法获得了空间分辨率微米量级、时间分辨率纳秒量级的激光等离子体温度测量结果,测量得到的激光等离子体温度为10^4K量级。实验结果表明,该方法能够获得具有很高时间空间分辨率的温度测量结果,具有较好的可行性。     

影响X射线像增强器分辨率的因素分析

对采用双近贴聚焦成像结构的MCP(Micro Channel Plate)-X射线像增强器的工作原理与结构进行了分析,对影响其空间分辨率的主要因素进行了研究.影响X射线成像系统分辨率的因素主要有X射线源焦斑的大小和X射线像增强器自身的分辨率,而影响X射线像增强器分辨率的因素主要有MCP输出面到荧光屏之间的距离、MCP输出面与荧光屏之间的电压差以及MCP自身的分辨率.通过对两种具有不同参量的X射线像增强器分辨率的理论计算及分辨率测试实验,将理论计算结果与测试实验结果对比,验证了分辨率计算公式及影响分辨率因素分析的正确性.     

反应显微成像谱仪动量及能量分辨因素分析

在对反应显微成像谱仪的工作原理作简要介绍的基础上,全面分析了各种可能影响动量分辨的因素,并结合反应显微成像谱仪的技术参数分别对反冲离子动量分辨以及电子动量与能量分辨进行了详细计算和讨论,确定了反应显微成像谱仪的动量及能量分辨,并为进一步提高分辨提供了重要依据. 关键词： 动量分辨 能量分辨 反应显微成像谱仪 动量成像原理     

Simultaneous strain and temperature measurements with polarization-maintaining fibers and their error analysis by use of a distributed Brillouin loss system

Simultaneous temperature and strain measurement with a distributed Brillouin loss system is proposed by use of the parameters Brillouin frequency, power, and bandwidth, for PANDA, bow-tie, and tiger polarization-maintaining fibers for the first time to our knowledge. The expressions for simultaneous temperature and strain sensing and the maximum errors and rms values of temperature and strain measurements are derived with three combinations of the parameters: (1) power and Brillouin frequency, (2) bandwidth and Brillouin frequency, and (3) bandwidth and Brillouin power. Our experiments demonstrate that simultaneous temperature and strain sensing at 20-cm spatial resolution for Brillouin frequency combined with bandwidth the strain/temperature resolutions are 39 microepsilon/2 degrees C (PANDA), 126 microepsilon/3 degrees C (bow tie), and 598 microepsilon/16 degrees C (tiger); for the Brillouin frequency combined with power the strain/temperature resolutions are 153 microepsilon/8 degrees C (PANDA) and 237 microepsilon/4 degrees C (bow tie); and for the bandwidth combined with power the strain/temperature resolutions are 135 microepsilon/38 degrees C (PANDA) and 195 microepsilon/38 degrees C (bow tie).     

不同分辨率近红外光谱对汽车差速器油品牌鉴别的研究

研究了不同分辨近红外光谱对汽车差速器油品牌鉴别的效果与影响。分别采集了五种不同品牌汽车差速器油在4, 8, 16和32 cm-1分辨率下的透射光谱。去除采集波段范围两端噪声明显部分后采用10 522.28～4 443.425 cm-1范围光谱进行分析。不同分辨率光谱的主成分分析(principal component analysis, PCA)结果表明不同品牌差速器油可以被鉴别。同时基于不同分辨率光谱全谱所建立的偏最小二乘判别分析(partial least squares-discriminant analysis, PLS-DA)以及支持向量机(support vector machine, SVM)模型所获得的判别正确率相近且均高于90%。其中以8 cm-1分辨率下PLS-DA与SVM模型的判别正确率最高。上述研究结果表明分辨率对判别分析结果的影响较小。进一步对不同分辨率下的近红外光谱采用连续投影算法(successive projections algorithm,SPA)选择特征波数,发现不同分辨率下得到的特征波数均不相同,表明分辨率影响特征波数的选择。以不同分辨率特征波数建立的PLS-DA以及SVM模型取得了较好的判别分析效果,与以不同分辨率下全谱建立的判别分析模型效果相当。研究结果表明,分辨率对差速器油品牌鉴别影响较小,而对特征波数的选择影响较大,在实际应用中应考虑到分辨率对特征波数选择的影响。总体而言,不同分辨率的近红外光谱全谱与对应的特征波数都能有效的实现对汽车差速器油品牌的鉴别。     

The determinant factors for map resolutions obtained using CryoEM single particle imaging method

The CryoEM single particle structure determination method has recently received broad attention in the field of structural biology. The structures can be resolved to near-atomic resolutions after model reconstructions from a large number of CryoEM images measuring molecules in different orientations. However, the determining factors for reconstructed map resolution need to be further explored. Here, we provide a theoretical framework in conjunction with numerical simulations to gauge the influence of several key factors to CryoEM map resolutions. If the projection image quality allows orientation assignment, then the number of measured projection images and the quality of each measurement(quantified using average signal-to-noise ratio) can be combined to a single factor, which is dominant to the resolution of reconstructed maps. Furthermore, the intrinsic thermal motion of molecules has significant effects on the resolution. These effects can be quantitatively summarized with an analytical formula that provides a theoretical guideline on structure resolutions for given experimental measurements.     

MRPC宇宙线测试及温度效应

建造了一套MRPC单元的宇宙线测试系统.在数据处理过程中实现对入射宇宙线的方向选择.实验结果表明:MRPC的时间分辨可以达到约84ps,对应的触发系统参考时间分辨可以达到约75ps.对MRPC的温度特性进行了研究,得到了一些初步结论.     

光谱分辨率和信噪比对光谱线指数测量精度的影响

分析光谱分辨率和信噪比对19个Lick原子吸收线指数测量精度的影响。采用高斯卷积方法,将光谱变换到不同分辨率下,通过测量并比较光谱在不同分辨率下的线指数值探究分辨率改变对线指数测量精度的影响;通过向光谱叠加符合不同高斯分布的随机噪声方法,将无噪理论光谱改变到不同信噪下,通过测量并比较光谱在不同信噪比时的线指数值分析信噪比对线指数测量精度的影响。结果表明：改变光谱分辨率能够引起线指数测量值的变化,此变化程度依赖于分辨率的改变程度,且此依赖关系对不同指数呈不同变化趋势;信噪比对线指数测量精度的影响随信噪比的降低而增大,当信噪比高于25时,此影响可忽略。     

The depth resolution of sputter profiling

It is shown that the bulk radiation damage accompanying sputtering events sets ultimate limits to the depth resolution attainable in sputter profiling. These limits have been reached in a few cases but most published experimental resolutions are dominated either by instrumental effects or deterioration of depth resolution caused by surface-topography changes. The radiation-damage induced mixing is called “cascade mixing”. Guidelines for selection of projectile species and energies to minimize such mixing are given and numerical estimates for attainable depth resolutions are presented. Finally, the influence of cascade mixing is assessed relative to that of recoil implantation. Part of this paper was presented at the 3rd International Conference on Solid Surfaces, Vienna (September 1977)     

On the understanding of the microscopic origin of the properties of diluted magnetic semiconductors by atom probe tomography

Spintronics, in which both the spin and charge of electrons are used for logic and memory operations, promises to revolutionize the current information technology. Just as silicon supports microelectronics, diluted magnetic semiconductors (DMSs) will be the platform of spintronics. Ideal DMSs should maintain ferromagnetic and semiconducting properties at operating temperatures to realize the spintronic functions. Although many high-temperature Curie temperature DMSs have been reported, the origin of ferromagnetism remains controversial. Currently, this is a major obstacle to the development of spintronic devices. The solution to this problem depends on a more complete understanding of DMS microstructure, especially the distribution of doped magnetic ions at atomic resolution and any defects introduced. Therefore, an analysis technique is required, possessing both high spatial and elemental resolutions, which is beyond the capability of conventional techniques, such as electron microscopy. However, atom probe tomography (APT), which recently has been successfully applied to nanoscale characterization of structural materials, has the potential to provide the unique combination of near atomic spatial and elemental resolutions needed for such an investigation.