激光散射显微镜的自动检测系统

激光陀螺反射镜膜片背向散射直接影响激光陀螺的锁区、精度等多项重要指标。膜片的散射量可借助激光散射显微镜进行检测,重点研究如何使用LabVIEW编写激光散射显微镜测试系统软件。使用LabVIEW开发的激光散射显微镜测试系统,能利用步进电机进行激光光源对膜片的扫描,同时控制图像采集卡采集图像并保存,最后由计算机分析和处理检测数据并显示、保存。这种方法实用、方便,测量精度高。

超声背向散射显微镜对鼠黑色素瘤生长的分析

皮肤黑色素瘤在全世界的发生率和死亡率不断增加。对黑色素瘤的生物学研究,是目前的一个重要研究领域。最近,转基因鼠的技术突破,导致了可以建立鼠皮肤黑色素瘤模型的可能。目前,还没有对皮下黑色素瘤的生长进行定量研究的报告。我们首次应用一种被称为超声背向散射显微镜(UBM)的影像学方法,以轴向30μm和横向60μm的空间分辨率对鼠早期黑色素进行影像研究。从最早期的检测,鼠的B16F10黑色素瘤已经成像,直到几天后,它们的径长到2-5mm。用UBM测量黑色素瘤与肿瘤组织的病理检查有极好的吻合性。用UBM测量的黑色素瘤的高、宽相对的rms的误差分别是8.7％和4.2％,早期黑色素瘤的平均增加是0.37±0.06mm/天。影像图的三维显示获得黑色素瘤的体积,由计算机测得其大小,并与肿瘤进行比较。用假设的肿瘤的椭圆模型,用UBM测量的体积的相对误差小于17％。这些结果表明,用鼠的皮肤模型进行黑色素瘤的生物学研究是有益的,有助于用高频超声图像进行皮肤黑色素瘤的检测。

散射型近场扫描光学显微镜的探针振动参数优化研究

基于原子力显微镜平台设计了可见.近红外波段的散射型近场扫描光学显微镜,通过理论模型计算和实验测量,分析了散射探针振动的调制振幅和扫描反馈幅值对近场信号的影响。研究表明:与探针针尖尺寸相近的调制振幅有利于抑制背景散射噪声及优化近场信号的信噪比;当探针扫描反馈幅值与自由空间调制振幅之比大于90%时,可基本消除探针扫描过程中非简谐振动对近场成像测量的影响。

基于超快太赫兹散射型扫描近场光学显微镜的自旋电子太赫兹发射光谱技术(特邀)

基于自旋电子材料的太赫兹(THz)发射器具有高效率、超宽带、低成本、易集成等许多独特优势,不仅能够应用在高重复频率激光振荡器驱动的THz时域光谱仪上,而且在高能飞秒激光放大器驱动下能够产生强场THz电磁脉冲,在THz谱学成像、强场THz物理等方面已展现出重要的应用价值。然而,以往基于自旋电子产生THz电磁波的辐射机理和器件研制方面的工作均基于远场THz时域光谱技术,得到的结果是对泵浦激光光斑作用面积的THz发射信息的平均,无法给出材料在微纳尺度上的超快自旋电流以及THz发射性能方面的有用信息。本工作采用光纤飞秒激光器驱动的超快THz散射型扫描近场光学显微成像技术,研究了铁磁异质结材料钨/钴铁硼/铂(W/CoFeB/Pt)在纳米空间尺度下的自旋电子太赫兹发射性能,在横向百纳米尺度上获得了高信噪比的自旋电子THz发射,为纳米空间分辨上实现THz频率的超快自旋电流的产生、探测、操控等提供了新方法,对超快THz自旋光电子学的发展有一定的参考价值。

探测激子极化激元在超薄范德华微晶中的光传播

激子极化激元是一种准粒子,过渡金属二硫族化合物材料即使在室温下也能支持传播激子极化子,是非常好的纳米光子学研究平台.已有研究表明,通过散射型扫描近场光学显微镜可以对过渡金属二硫族化合物薄片中激子极化激元进行实空间探测,但波导厚度仅限于低至30 nm.本文采用三种不同波长的入射光(1550和1064 nm的近红外以及633 nm的可见光),通过基于原子力显微镜的散射型扫描近场光学显微镜测量,探测到MoS2和WSe2薄片中激子极化子普通横电模式的纳米光学成像.在厚度分别低至~3 nm(相当于4原子层)和~8 nm(相当于12原子层)的超薄MoS2和WSe2薄片上,可以清楚地观察到干涉条纹图案,大大打破了之前的测量厚度限制.当厚度接近几个原子层时,波矢量始终保持在1.6k0~1.7k0左右,而不是理论预言的1k0.这些模式的特性表明,体系是由近乎悬浮的过渡金属二硫族化合物薄片的三层对称波导构成,其对激子极性子的传播产生限域效应.研究结果为探索基于超薄过渡金属二硫族化合物材料的近红外区极化器件提供了深入的理解和开辟了新的途径.

散射式扫描近场光学显微系统的研制及应用测试

基于扫描探针技术设计搭建了一套散射式扫描近场光学显微系统。基于搭建的系统结构和近场信号探测原理,理论分析和实验讨论了不同因素的干扰、解调阶次、聚焦光斑等因素对近场光学信号提取的影响。为进一步验证装置性能,对纳米金颗粒和机械剥离的六方氮化硼样品进行了测试。结果表明,所搭建的装置实现了10 nm的空间分辨率,可以清晰地观察到六方氮化硼表面声子极化激元在传播-反射过程中形成的驻波现象,展示了该技术在低维纳米材料光学表征中应用的巨大应用潜力。

散射式太赫兹扫描近场光学显微技术研究

基于散射式近场探测原理,设计并搭建了散射式太赫兹扫描近场光学显微系统(THz s-SNOM),实现了纳米量级空间分辨率的太赫兹近场显微成像测量。该系统以输出频率范围为0.1~0.3THz的太赫兹倍频模块为发射源,通过纳米探针的针尖产生纳米光源与样品相互作用,并将样品表面的倏逝波转化为可在远场测量的辐射波。通过探针逐点扫描样品表面,同时获得了样品表面的形貌图和太赫兹近场显微图。该系统的显微分辨率取决于探针针尖的曲率半径,而与太赫兹波的波长无关。使用该系统测量了金薄膜/硅衬底样品和石墨烯样品的近场显微图,结果表明,近场显微的空间分辨率优于60nm,波长与空间分辨率之比高达λ/26000。

太赫兹近场光学亚表面检测技术研究

研究了太赫兹散射式扫描近场光学显微镜(Terahertz scattering-type scanning near-field optical microscopy,THz s-SNOM)对亚表面金属微纳结构的显微成像检测。首次采用自主搭建的THz s-SNOM系统对表面覆盖了六方氮化硼薄膜的金微米线进行太赫兹近场显微测量,获得了具有纳米量级空间分辨率和较高对比度的近场显微图。结合全波数值模拟,分析了THz s-SNOM探测亚表面金属微纳结构的空间分辨率、近场散射信号强度和成像对比度。研究表明,THz s-SNOM具有优良的亚表面显微成像检测能力,可应用于微纳电子器件的亚表面结构表征和缺陷检测。

高钢级管线钢的组织特征和强韧性

背散射(EBSD)和扫描(SEM)电子显微镜及力学性能试验表明,微合金化X70、X80和X100管线钢的组织由针状铁素体、粒状贝氏体和少量下贝氏体组成;随钢的有效晶粒尺寸降低、贝氏体含量增加以及组织均匀性提高,高钢级管线钢的强韧性明显增加。

大别山锆石喇曼光谱初步研究

对北大别地区的鹿吐石、道士冲和南大别地区的三祖寺、双河片麻岩锆石进行了激光喇曼探针、背散射电子显微镜(BSE)观察和U、Th等微量元素的组成分析,发现锆石喇曼光谱波数和半高宽都能指示其蜕晶化程度,而大多数情况下B1g(υ3)峰更特征些。单颗粒锆石内部BSE图像与喇曼光谱能完全对应。通过锆石微区微量元素和喇曼探针分析发现,半高宽和Th/U比正相关,这是由于岩浆锆石在变质过程中不同程度的重结晶作用造成的。锆石重结晶作用是变质岩中锆石年龄和化学组成变化的主要原因。三祖寺片麻岩可能曾经遭受过燕山期的热事件扰动。

Design of supercontinuum source for coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy

A new method to obtain supercontinuum(SC) source for multiplex coherent anti-stokes Raman scattering (CARS) microscopy is proposed. The nonlinear propagation in photonic-crystal fibers (PCF) of femtosecond pulse laser with central wavelength at 800.9 nm is studied with scalar wave theory. Based on the incident laser power and dispersion of PCF, super broadband source for multiplex CARS microscopy is designed.

基于COMSOL的纳米傅里叶红外光谱系统数值模型

傅里叶红外光谱(FTIR)是材料表征的一种重要手段,然而受限于光的衍射极限,传统傅里叶红外光谱仪的极限空间分辨率在微米量级,无法应用于纳米材料的表征。纳米傅里叶红外光谱(Nano-FTIR)是一种新兴的超分辨光谱表面分析技术,其以纳米级空间分辨率、宽光谱范围和高化学灵敏性的特点在纳米材料表征研究中展现了巨大的潜力。定性及定量的研究Nano-FTIR信号高空间分辨的来源和系统中光谱信号的提取过程,可以为Nano-FTIR仪器的设计研发和样品光谱表征结果的解释提供重要依据。该研究从典型的仪器结构和基本的工作原理出发,在多物理场有限元分析软件COMSOL中建立了等效研究模型,并对模型的重要细节和数值计算过程分别进行了说明。在仿真研究中,首先基于麦克斯韦电磁波理论计算了模型空间的电磁场增强情况,再模拟了探针在介电常数差异巨大的两种材料交界处的“线扫”过程,探讨了针尖近场增强信号的空间分辨率。随后,以探针与样品的散射功率为数值模型的研究对象,仿真了探针“轻拍”对信号的调制和解调提取的过程,并讨论了不同入射倾角和解调频率对光谱信号提取的影响。最后,为了验证模型的合理性,仿真了20,100和300 nm三种厚度SiO 2薄膜样品在900~1250 cm^(-1)波数范围的光谱响应,并将仿真得到的光谱与实测结果进行了对比。结果表明随着样品厚度的增厚,光谱信号得到相应的增强,模型预测的谱图与实测谱图波形与波峰位置较为一致,且与以往一些文献中采用针尖-样品间电场强度表示针尖处散射信号强弱的方法相比,获得的谱图在峰形上更为接近。提出的数值模型可用于Nano-FTIR光谱的预测,此外,模型也具有一定的通用性,可以为其他基于散射型近场光学显微(s-SNOM)技术的太赫兹光谱技术和针尖增强拉曼光谱研究提供一定的借鉴。

LaAlO_3/SrTiO_3界面导电性的近场成像（英文）

铝酸镧/钛酸锶(LaALO_3/SrTiO_3)异质界面被发现具有二维导电性并呈现出其他一些有趣的呈展现象.而此前,LaAlO_3/SrTiO_3异质界面的导电性主要都是通过电学方法进行表征.这里作者首次提出利用散射式扫描近场光学显微镜(s-SNOM)对LaAlO_3/SrTiO_3界面的导电性进行空间成像,这为研究过渡金属氧化物异质界面体系的物理现象提供了一个新的手段.

单层MoS_(2)和WS_(2)的太赫兹近场显微成像研究

采用太赫兹散射式扫描近场光学显微镜(THz s-SNOM)研究了化学气相沉积法制备的单层MoS_(2)和WS_(2)晶粒的太赫兹近场响应。在没有可见光激发时,未探测到可分辨的太赫兹近场响应,说明晶粒具有较低的掺杂载流子浓度。有可见光激发时,由于光生载流子的太赫兹近场响应,能够测得与晶粒轮廓完全吻合的太赫兹近场显微图。在相同的光激发条件下,MoS_(2)的太赫兹近场响应强于WS_(2),反映了两者之间载流子浓度或迁移率的差异。研究结果表明,THz s-SNOM兼具超高的空间分辨率和对光生载流子的灵敏探测能力,对二维半导体材料和器件光电特性的微观机理研究具有独特的优势。

基于超声显微镜的脊髓损伤的术中观测:动物预研

脊髓损伤(spinal cord injury,SCI)是一种严重的中枢神经损害,许多基于动物模型的实验证明神经再生和细胞植入方法对于脊髓修复是有效的.为了更好地应用这些方法进行脊髓修复与桥接,对脊髓损伤区域的准确定位与识别成为术中必须解决的问题.本文的目的在于评估超声显微成像(ultrasound backscatter microscopy,UBM)是否能够有效地识别脊髓损伤区域,以及UBM图像与组织学图像的一致性.实验选择了Wistar大鼠(1只正常与7只SCI造模)作为实验对象,在进行椎板切除术后,使用中心频率为55MHz的超声显微系统进行脊髓损伤部位的定位与成像,并与常规B超图像和组织学图像进行了对照.结果显示,与常规B超相比,从UBM图像中能够有效识别大鼠在脊髓损伤后形成的囊腔和继发损伤形成的陈旧性胶质瘢痕.该研究结果表明,UBM在神经再生与修复手术中具有潜在的临床应用价值.

生物医学中的化学成像:光学显微镜的下一个研究前沿

光学显微镜的技术革新将极大地改变生物系统的研究方式。虽然荧光显微成像是目前细胞成像的首选方法,但在"组学"时代,荧光探针分子量过大且通常不能应用于5种颜色以上的标记和成像,其应用受到极大的限制。因此提出了两种化学成像策略。首先,设计了一种适于探测生物小分子动力学的活细胞生物正交化学成像平台。该方案将新兴的受激拉曼散射显微镜与微小的拉曼探针(例如炔烃、腈和包括2H和13C的稳定同位素)结合,并应用在众多生物医学研究中,如脂肪酸代谢和毒性、葡萄糖摄取和代谢、药物传输、脑内蛋白质合成、DNA复制、蛋白质降解、RNA合成和肿瘤代谢等。其次,发明了一种超多路复用光学成像技术。开发了电子预共振受激拉曼散射(EPR-SRS)显微镜,实现了优良的振动选择性,具有高的通用性和灵敏度。化学上,创建了由独特的新型染料组成的振动调色板,结合共轭和同位素编辑的三键,在拉曼频谱寂默窗口具有良好和单一的拉曼峰。目前可标记24种不同的颜色,并具有进一步扩展的巨大潜力。使用这种方法,监测了培养神经元和脑组织中的DNA及蛋白质的代谢。这种超复用光学成像方法有望促进复杂生物系统中相互作用关系的解开,并且可以在光子学和生物技术中找到更广泛的应用。

α-MoO_(3)/石墨烯异质叠层结构中的声子极化激元-等离极化激元杂化波导模式

在中红外至太赫兹的电磁场长波谱段,二维范德瓦耳斯晶体石墨烯和a-MoO_(3)能够分别支持等离极化激元和双曲声子极化激元,实现对长波电磁场的纳米尺度聚焦和调控。不同类型极化激元之间的杂化可以进一步丰富极化激元物理特性,为纳米尺度下的电磁场调控带来更多维度。为此开展了a-MoO_(3)薄片和单层石墨烯异质叠层结构声子极化激元-等离极化激元杂化研究。在理论上通过求解二维光波导麦克斯韦波动方程,分析了a-MoO_(3)/石墨烯异质叠层结构中声子极化激元-等离极化激元杂化激元波导模式的传播特性,计算了波导模式的色散关系,揭示了a-MoO_(3)/石墨烯异质叠层结构特有的电磁场传输机制。在实验上通过干法转移制备了a-MoO_(3)/单层石墨烯异质叠层结构,并采用散射式扫描近场光学显微镜对该异质结构的杂化极化激元特性进行了三维空间纳米光学成像表征,验证了理论结果。研究结果为计算范德瓦耳斯二维晶体叠层结构的杂化极化激元特性提供了定量模型,为研究二维晶体中不同类型的极化激元之间的相互作用及其机制提供了理论和实验参考。

T91钢显微组织变化趋势的定量分析

用扫描电镜(SEM)、背散射电子显微镜(EBSD)及X射线衍射(XRD)等方法对不同运行阶段的T91钢管受热面析出碳化物颗粒度、亚结构及位错密度进行了定量测试分析。研究结果表明,在运行前期,随着组织老化程度的增加,T91钢析出碳化物颗粒的数量呈现出明显的上升趋势,运行后期到寿命末期(爆管失效),碳化物颗粒出现明显的聚集长大;T91钢运行前期位错密度下降明显,伴随着前期位错运动的结果是亚结构出现初期兼并,促成亚结构略有粗化;运行后期到失效阶段,T91钢位错密度基本上趋于稳定,亚结构快速兼并,亚晶界密度显著减少。