显微专用双折射分布观察偏振相机

在PA系类设备的基础上，加装晶圆专用的装置，可以高效精确的测量SIC和蓝宝石这类光学性能特殊的产品的双折射和残余应力的信息。 应力双折射测量仪主要特点：操作简单，测量速度可以快到3秒。视野范围内可一次测量，测量范围广。更直观的全面读取数据，无遗漏数据点。具有多种分析功能和测量结果的比较。维护简单，不含旋转光学滤片的机构。高达2056x2464像素的偏振相机。应力双折射测量仪应用领域: SIC 蓝宝石应力双折射测量仪技术参数： 项次 项目 具体参数1 输出项目 相位差【nm】，轴方向【°】，相位差与应力换算（选配）【MPa】2测量波长520nm3双折射测量范围0-130nm4测量最小分辨率0.001nm5测量重复精度1nm（西格玛）6视野尺寸40x48mm到240x320mm（标准）7选配镜头视野不适用8选配功能 实时解析软件，镜片解析软件，数据处理软件，实现外部控制创新点：测量速度可以快到3秒。更直观的全面读取数据，无遗漏数据点。具有多种分析功能和测量结果的比较。维护简单，不含旋转光学滤片的机构。高达2056x2464像素的偏振相机。应力双折射测量仪

主要特点：操作简单，测量速度可以快到3秒；视野范围内可一次测量，测量范围广；更直观的全面读取数据，无遗漏数据点；具有多种分析功能和测量结果的比较；维护简单，不含旋转光学滤片的机构 高达2056x2464像素的偏振相机。应用领域：小尺寸样品专用光学镜头主要技术参数： 项次 项目 具体参数1输出项目 相位差【nm】，轴方向【°】，相位差与应力换算（选配）【MPa】2测量波长520nm3双折射测量范围0-130nm4测量最小分辨率0.001nm5测量重复精度1nm（西格玛）6视野尺寸17.5x21mm到33x40mm（标准）7选配镜头视野6.3x7.5mm8选配功能 实时解析软件，镜片解析软件，数据处理软件，实现外部控制测量案例：创新点：操作简单，测量速度可以快到3秒；视野范围内可一次测量，测量范围广；更直观的全面读取数据，无遗漏数据点；具有多种分析功能和测量结果的比较；维护简单，不含旋转光学滤片的机构 高达2056x2464像素的偏振相机。应力双折射仪 PA-300-MT

PA系列是日本Photonic lattice公司倾力打造的双折射/应力测量仪，PA系列测量双折射测量范围达0-130nm，可以测量的样品范围从几个毫米到近500毫米。PA系列双折射测量仪以其技术的光子晶体偏光阵列片，独有的双折射算法设计制造，得到每片样品仅需几秒钟的测量能力，使其成为业内，特别是工业界双折射测量/应力测量的选择。 PA-300 主要特点：操作简单，测量速度可以快到3秒。视野范围内可一次测量，测量范围广。更直观的全面读取数据，无遗漏数据点。具有多种分析功能和测量结果的比较。维护简单，不含旋转光学滤片的机构。高达2056x2464像素的偏振相机。 应用领域：光学镜片智能手机玻璃基板碳化硅，蓝宝石等 技术参数：项次项目 具体参数1输出项目相位差【nm】，轴方向【°】，相位差与应力换算（选配）【MPa】2测量波长520nm3双折射测量范围0-130nm4测量最小分辨率0.001nm5测量重复精度1nm（西格玛）6视野尺寸27x36mm到99x132mm（标准）7选配镜头视野低至7x8.4（扩束镜头）8选配功能实时解析软件，镜片解析软件，数据处理软件，实现外部控制 测量案例：创新点：操作简单，测量速度可以快到3秒。视野范围内可一次测量，测量范围广。更直观的全面读取数据，无遗漏数据点。具有多种分析功能和测量结果的比较。维护简单，不含旋转光学滤片的机构。高达2056x2464像素的偏振相机。PA系列双折射测量仪

偏光显微镜是一种使用透射光原理进行观察的显微镜。它的工作原理是利用透镜将物体的光线聚焦，通过眼睛或摄像机进行观察。偏光显微镜可以用于观察物品的形态、颜色和透明度等特征。在检测粉煤灰微观结构特征方面，偏光显微镜可以用于观察粉煤灰的颗粒形态、大小和颜色的变化等。使用偏光显微镜观察粉煤灰样品时，需要对样品进行制备和处理。首先，需要将粉煤灰样品制成薄片。然后，用显微镜观察样品的形态、颜色和透明度等特征。通过观察，可以发现粉煤灰的颗粒形态不规则，大小和颜色存在差异。这些特征可以提供有关粉煤灰微观结构的信息。检验粉煤灰用偏光显微镜MHPL1500 透射光观察透射偏光显微镜MHPL1500是利用光的偏振特性对具有双折射性物质进行研究鉴定的必备仪器,可供广大用户进行单偏光观察，正交偏光观察，锥光观察。产品配置无应力平场消色差物镜与大视野目镜，高精度偏光载物台，优良的偏振观察附件等。可在透射偏光、反射偏光与透/反射偏光状态下获得良好的显微图像，仪器机械性能优良，观察舒适，操作方便。数码型偏光显微镜系统是将精密的光学显微镜技术、先进的光电转换技术、的计算机图像处理技术完美地结合在一起而开发研制成功的一项高科技产品。可以在显示屏上很方便地观察实时动态图像，并能将所需要的图片进行编辑、保存和打印。广泛应用于地质、化工、医疗、药品等领域的研究与检验，也可进行液态高分子材料，生物聚合物及液晶材料的晶相观察，是科研机构与高等院校进行研究与教学的理想仪器。透射偏光显微镜MHPL1500产品参数：1. 标准配置型号MHPL1500 (透射照明)目镜大视野 WF10X (Φ18mm)分划目镜 10X (Φ18mm) 0.10mm/div物镜 (中心可调)无应力平场消色差物镜(盖玻片:0.17mm) PL 4X/0.10无应力平场消色差物镜(盖玻片:0.17mm)PL 10X/0.25无应力平场消色差物镜(盖玻片:0.17mm)PL 40X/0.65 (弹簧)无应力平场消色差物镜(盖玻片:0.17mm)PL 60X/0.85 (弹簧)透射照明起偏器可360°旋转，有0、90、180、270四个读数集光器卤素灯照明适用光源6V 20W 卤素灯,亮度可调阿贝聚光镜N.A. 1.25 可上下升降目镜筒三目镜,倾斜30&ring ,可进行透光摄影中间接筒内置检偏器, 可自由切换正常观察与偏光观察,90°旋转，带刻度,游标格值12'推入式勃氏镜，中心可调λ补偿器λ/4 补偿器石英锲补偿器转换器四孔(外向式滚珠内定位)调焦机构粗微动同轴调焦, 微动格值:2μm,带锁紧和限位装置载物台旋转式载物台,直径：Φ150mm，360°等分刻度,游标格值6'，中心可调，带锁紧装置2.选配件:名称类别/技术参数目镜大视野 WF16X(Φ11mm)物镜 (中心可调)无应力平场消色差物镜(盖玻片:0.17mm) PL 20X/0.40 无应力平场消色差物镜(盖玻片:0.17mm) PL 100X/1.25 (油,弹簧)无应力平场消色差物镜(无盖玻片) PL L 20X/0.40无应力平场消色差物镜(无盖玻片) PL L 50X/0.70无应力平场消色差物镜(无盖玻片) PL L 80X/0.80无应力平场消色差物镜(干式) (无盖玻片) PL L 100X/0.85 (弹簧)转换器四孔(外向式滚珠内定位),可调节物镜中心移动尺移动范围:30mmX25mmCCD接头0.4X0.5X1X0.5X带分划尺,格值0.1mm/格显微镜摄像头USB2.0MHD500USB3.0MHC600、MHD600、MHD800、MHD1600、MHD2000、MHS500、MHS900摄影装置2.5X/4X变倍摄影装置带10X取景目镜4X对焦摄影装置MD卡环PK卡环数码相机接头CANON (A610,A620,A630,A640)

主要简介： 汽车车窗玻璃幅面很大，一般桌面式测量双折射/残余应力测量仪无法测量，扫描测量由非常慢，无法满足实际使用，因此Photonic Lattece研制出超大幅面的WPA双折射测量仪，会根据客户样品定制大型圆偏振光光源系统，实现大幅面样品的高速测量。设备在日本的汽车厂商得到广泛应用。主要特点： 解决汽车车窗玻璃等大幅面产品的双折射/残余应力测量。测量速度快，可满足玻璃工厂研发或质量控制测量。采用523nm,543nm,575nm三种波长，相位差测量范围高达3000nm。采用广角偏振面阵传感器，一次得到测量结果。专用操作软件，功能强大，操作简单，便于做分析比较和品质判断。 主要参数：测量案例：创新点：解决汽车车窗玻璃等大幅面产品的双折射/残余应力测量。测量速度快，可满足玻璃工厂研发或质量控制测量。Photonic Lattice双折射测量仪超大幅

近日，中国科学院院士、中科院深圳先进技术研究院碳中和技术研究所(筹)所长成会明与副研究员丁宝福团队，联合清华大学深圳国际研究生院教授刘碧录团队、中科院半导体研究所研究员魏大海团队，首次发现了二维六方氮化硼(h-BN)液晶具有巨磁光效应，其磁光克顿-穆顿效应高出传统深紫外双折射介质近5个数量级，进而研制出稳定工作在深紫外日盲区的透射式液晶光调制器。 　　双折射是引起偏振光相位延迟的一个基本光学参数。有机液晶因双折射可受外场连续调制，而被广泛用作光调制器的核心材料。然而，传统有机液晶在深紫外光照射下吸收强且不稳定，液晶光调制器仅能工作在可见及部分红外光波段，无法工作在紫外及深紫外波段。同时，透射式深紫外光调制器在紫外医学成像、半导体光刻加工、日盲区光通讯等领域颇具应用前景。因此，发展一种在深紫外光谱区稳定、透明度高及具有场致双折射效应的新型液晶材料，有望推进透射式深紫外液晶光调制器的发展。 　　科研团队研制出一种基于二维六方氮化硼无机液晶的磁光调制器。研究采用的氮化硼二维材料具有极大的光学各向异性因子(6.5 × 10-12C2J-1m-1)、巨比磁光克顿-穆顿系数(8.0 × 106T-2m-1)、高循环工作稳定性(270次循环工作后性能保留率达99.7%)和超宽带隙等优点，同时二维六方氮化硼是通过“自上而下”的高粘度纯溶剂辅助研磨法剥离制备而成。由于超宽的带隙，二维六方氮化硼液晶在可见、紫外和部分深紫外光谱区具有颇高透明度。在磁场作用下，基于二维六方氮化硼液晶的磁光器件在正交偏振片下呈现出明显的磁控光开关效应。 　　科研人员通过观察入射光偏振态与磁场作用下液晶透射率关系的实验揭示了二维六方氮化硼在外场作用下顺磁场的排布方式。在入射光的偏振态被调整为平行和垂直于磁场的两种状态下，后者呈现较高的光透射率，间接印证了二维六方氮化硼纳米片平行于磁场方向排布。该研究针对层状二维六方氮化硼薄膜的磁化率各向异性测试揭示了面内易磁化方向，进一步证实了二维六方氮化硼纳米片顺磁场排布的物理机制。结合二维氮化硼纳米片的极大的光学各向异性，研究发现了二维六方氮化硼液晶的巨磁致双折射效应。 　　该研究选用波长处于深紫外UV-C日盲区的266 nm激光，测试二维氮化硼液晶在该光谱区的光学调制性能。通过开启和关闭0.8特斯拉的磁场，研究实现了该调制器在深紫外光波段的透明与不透明两种状态之间的切换。经过270个不间断开关循环测试后，性能的保持率达99.7%。 　　鉴于二维材料家族成员庞大、带隙覆盖宽，基于无机超宽带隙二维材料液晶的光调制器的光谱覆盖范围有望向更短深紫外波段延伸，促进液晶光调制器在深紫外光刻、高密度数据存储、深紫外光通讯和生物医疗成像重要领域的应用。 　　相关研究成果以Magnetically tunable and stable deep-ultraviolet birefringent optics using two-dimensional hexagonal boron nitride为题，发表在Nature Nanotechnology上。研究工作得到国家自然科学基金、科技部、广东省科学技术厅、深圳市科技创新委员会等的支持。六方氮化硼无机二维液晶及其磁控光开关效应 六方氮化硼无机二维液晶的磁致排列和磁致双折射效应表征基于六方氮化硼无机二维液晶的深紫外光调制器性能研究及对比

双频激光干涉仪是先进制造业、半导体芯片制造等行业不可或缺的纳米精度的尺子，应用广泛。张书练教授团队（先清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，后镭测科技有限公司），以解决双频激光干涉仪关键技术为线，经近40年坚韧攀登，研究完成了“可伐-玻璃组装式单频氦氖激光器→双折射双频激光器→双折射双频激光干涉仪”的全链条技术，并批产。该技术开国内可伐-玻璃组装式氦氖激光器之先，吹制工艺或成历史。开国内外应力激光腔镜产生双频激光之先，解大频差和高功率不可得兼之难，频率差可以在1～40 MHZ范围选择而功率大于1 mW。双折射双频激光干涉仪测量70 m长度误差小于5 μm，非线性误差小于1 nm，测量速度高于3 m。1 研究背景激光干涉仪是当今纳米时代的长度基准，也是先进制造业（机床、光刻机，航空、航天等）制造的精度保证。制造精度和生产效率越来越高，对激光干涉仪的测量精度和测量速度提出了更高的要求。激光干涉仪的“激光”是（HeNe）氦氖激光器，至今无可替代。传统HeNe双频激光干涉仪存两个难点，成为瓶颈：1）国内外，我们之前，双频激光器靠塞曼效应产生两个频率，频率之差小（在3 ~ 5 MHz之间），频差越大激光功率越小，不能满足光刻机等应用的更大频率差要求（如10、20、40 MHz），频率差大，测量速度高，效率高；2）不论是单频还是双频激光干涉仪，国产还是外购，各型号都有几纳米甚至十几纳米的非线性误差，一直没有找到解决办法。通常，在单频激光器的光增益路径上加磁场后（塞曼效应）就变成双频激光器。可是，相当长的期间，购买到的大部分单频激光器因为常出现跳模，用于单频激光干涉仪时淘汰率很高，此外，加上磁场后单频并不呈现双频，双频激光干涉仪难有好的光源。经近40年坚持，研究打通了单频氦氖激光器→双折射双频激光器→双频激光干涉仪的全技术链条，批产，获得了广泛应用和认可。2 双折射双频激光器及干涉仪的关键和全链条技术2.1 双折射双频激光器置晶体石英片（图1a中的Q双面增透）或有内应力的玻璃元件(图1b中的M2右表面镀反射膜）于激光器谐振腔内，这些元件的双折射使激光频率分裂，一个频率分裂成两个频率，两个频率的偏振方向互相垂直（正交偏振）。反复实验证明，激光器可输出频率差大于但不能小于40 MHz两个频率。如果频率差稍大于40 MHz，在改变（调谐）激光频率谐振腔长（即用压电陶瓷1纳米一步“距”的推动M2改变激光谐振腔长）过程中看到的是一个频率振荡会陡然变成两个频率振荡，而前者功率陡然下降一半，刚升起的频率则获得同样的功率。继续调谐腔长，最早振荡的频率会陡然消失，而后起振的频率功率升高到最大。如果频率差小于40 MHz，两频率则有你无我。图2示出了频率差20 MHz时o光和e光的光强度此长彼消得过程。理论和实验一致。图1 激光频率分裂原理图。（a）晶体石英片Q于激光谐振腔内，（b）激光输出镜为M2右表面，对M2加力使激光反射镜内产生应力图2 频差20 MHz时的强烈模竞争。激光强度随腔长调谐（改变）的实验曲线。理论和实验一致图3给出了两个频率的频率差多大时，在频率轴上两个频率的共存区的宽度，也即两个频率差大小对应的共存频域宽度。曲线最左侧可见，在约40 MHz时，共存宽度迅速下降趋于0 Hz，也即小于40 MHz时，两频率之一熄灭，频率差消失。图3 实验测得的两个频率共存的频域宽度和激光频率差的关系2.2 双折射-塞曼双频激光器塞曼双频激光器的频率差一般在5 MHz以下，功率随频率差增大而减小，7 MHz时的激光功率仅0.2 mW以下。作者团队研发的双折射双频激光器频率差大于40 MHz，研制成的双折射-塞曼双频激光器可以输出百KHz到几十MHz的频率差，而功率不因频率差增大而改变，可以达到1.5 mW。双折射-塞曼双频激光器包括两项关键技术，先由双折射造成激光器频率分裂，决定了激光器输出为两个偏振正交频率以及它们的间隔（频率差）的大小。再因激光器上加了横向磁场，横向塞曼效应使增益原子分成两群——π群和σ群。π群和σ群光子的偏振对应双折射互相垂直的主方向，也即正交偏振的光“各吃各粮”，它们之间的相互竞争不存在了，无论频率差大小都能振荡。频率差可以是3、5、7、10、20、40 MHz或更大。2.3 内雕应力双折射-塞曼双频激光器提出了“内雕应力”的概念和产生双频的原理，即用窄脉冲激光器对激光腔镜表面或基片内部造孔（或穴），造成激光腔镜内的应力精确改变（图4所示），“雕刻”提高了频率差的控制精度。“内雕应力”双折射双频激光器不仅用于国产双频激光干涉仪，也用于运行中的光刻机的激光器替换。同时，提供了科研单位的科学研究。该激光器替换正在服役的光刻机的原有激光器，使光刻机机台误差由24 nm下降到6 nm。图4 内雕应力双折射-塞曼双频激光器。M2内部雕刻出的孔造成激光器的双频，磁条PMF1和PMF2消除激光器强模竞争2.4 可伐-玻璃组装式（无吹制）双频激光器国内，研制生产HeNe激光器历史很长，但我国一直靠吹制工艺制造氦氖激光器，而且不能制造可伐-玻璃组装式氦氖激光器。北京镭测科技有限公司研制成可伐-玻璃组装式单频氦氖激光器，功率大于1 mW，满足单频和双频激光器的需求。同时，这一技术将使整个国产氦氖激光器告别吹制，进入一个新的技术高度（如图5所示）。图5 可伐-玻璃组装内雕应力双频激光器（镭测科技提供）2.5 研制成的双频激光干涉仪技术指标作者强调的是，我们有了可伐-玻璃组装式激光器和双折射（内应力）-塞曼双频激光器，双频激光干涉仪有了强力的“心脏”，有了自主可控的基础。团队又全面设计干涉仪的光、机、电、算。时至今日，可伐-玻璃组装式双折射（-塞曼）双频激光器（非吹制）和干涉仪已批量生产，正在满足科学研究和产业的需求。中国计量科学院对双折射-塞曼双频激光干涉仪的测试结果：频率稳定度为10-8，分辨力为1 nm，非线性误差小于1 nm（图6所示），12小时漂移35 nm（图7所示）,70 m长度测量误差小于5 μm。这些数据来自中国计量科学院测试证书：CDjx 2014-2352, CDjx 2018-4810, CDjx 2020-04463等。图6 双频激光干涉仪非线性误差图7 双折射-塞曼双频激光干涉仪12小时零点漂移3 展望在实现“可伐-玻璃组装式激光器”→“内雕应力双折射-塞曼双频激光器”→“双折射-塞曼双频激光干涉仪”全链条技术基础上，进一步发展各种规格的可伐-玻璃组装式激光器，以开拓双折射-塞曼双频激光干涉仪的应用深度和应用范围。

KAMAKIRI -X stage 主要特点：STS的低配版，可升级STS 。 操作简单，可以调整色彩显示更直观的了解双折射分布。 记录双折射的数值数据，以进行进一步详细分析。应用领域：相位差薄膜（TAC/PC/PMMA/COC）保护薄膜（PET/PEN/PS/PI）树脂成型玻璃 技术参数：项次项目具体参数1输出项目相位差【nm】，轴方向【°】2测量波长543nm（支持客制化）3双折射测量范围0-260nm（支持客制化）4主轴方位范围0-180°5测量重复精度1nm（西格玛）6测量尺寸A4(标准)7定制选项可定制大载台创新点：欧屹科技代理的是其旗下KAMAKIRI品牌的双折射/残余应力测量设备，其高速相机CCD芯片与Photonic Lattice公司的偏光阵列片完美结合，研制在线双折射/残余应力测量仪，世界上仅有KAMAKIRI可以提供，广泛应用于光学薄膜，PVA,PC,COP和TAC等领域。PHL online应力双折射仪KAMAKIRI -X stage

主要简介：Photron集团公司是日本大型相机，视频，软件控制供应商，其旗下的高速/超高速摄像机业务应用非常广泛，欧屹科技代理的是其旗下KAMAKIRI品牌的双折射/残余应力测量设备，其高速相机CCD芯片与Photonic Lattice公司的偏光阵列片完美结合，研制在线双折射/残余应力测量仪，世界上仅有KAMAKIRI可以提供，广泛应用于光学薄膜，PVA,PC,COP和TAC等领域。 主要特点：可用来评估高相位差产品，PET薄膜和树脂成品三波长测定双折射范围可达3000nm可选配高相位差配件，满足10000nm的超过相位差测定需求应用领域：相位差薄膜（TAC/PC/PMMA/COC）保护薄膜（PET/PEN/PS/PI）树脂成型玻璃主要参数：项次项目具体参数1输出项目相位差【nm】，轴方向【°】2测量波长523nm、543nm、575nm3双折射测量范围0-3000nm4主轴方位范围0-180°5测量重复精度1nm6测量尺寸97×77mm ～ 2900×2310mm7定制选项光学配件，可测量超过10000nm的高相位差创新点：可用来评估高相位差产品，PET薄膜和树脂成品三波长测定双折射范围可达3000nm可选配高相位差配件，满足10000nm的超过相位差测定需求online双折射测量仪WPA-KAMAKIRI

5月7日，&ldquo 激光正交偏振及激光精密测量新技术研讨会&rdquo 在清华大学主楼接待厅举行。此次研讨会由清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室组织举办，旨在系统介绍张书练课题组就正交偏振激光的产生、现象进行的科学研究及其在精密测量中的应用，以及相关仪器的产业化前景。清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室主任张书练介绍研究成果　　研讨会上，清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室主任张书练做了题为&ldquo 让激光正交偏振走出深巷放光芒：激光正交偏振及激光精密测量新技术的发展历程&rdquo 的学术报告，回顾了相关研究的缘起。他说，课题组在研究中注意到，现有激光文献只讲激光束的三特性&ldquo 高亮度&rdquo &ldquo 相干性&rdquo &ldquo 方向性&rdquo ，对比爱因斯坦阐述的光的受激辐射特性少了&ldquo 偏振&rdquo 性，从而课题组埋头30年，通过观察物理效应、发明新仪器把第四性&ldquo 偏振&rdquo 补上。　　课题组成员谈宜东副教授、张松博士、朱守深博士还做了&ldquo 固态激光回馈干涉仪原理和应用&rdquo 、&ldquo 激光原理的三个实验系统&rdquo 、&ldquo 双折射-塞曼双频激光干涉仪&rdquo 及&ldquo 课题组的未来&rdquo 的报告。介绍了相关科研成果及应用前景。现场展出的仪器　　研讨会还展出了张书练课题组研制的包括气体激光干涉仪、固态激光回馈干涉仪、光学位相延迟(内应力)测量仪、纳米测尺、新激光原理实验系统等十几种仪器。其中&ldquo 双折射-塞曼双频激光干涉仪&rdquo 突破了国内外限制几十年的频差低的难题，实现了3-20MHz任选频差的双频激光干涉仪，批量满足国家重大专项和机床检定需求 &ldquo 固态激光回馈干涉仪&rdquo 跨越传统干涉仪原理，在国内外率先研究成功并批量使用，由于其超高的灵敏度和能够测量非配合目标，应用广泛，被誉为&ldquo 新一代的激光干涉仪&rdquo &ldquo 激光频率分裂光学位相测量仪&rdquo 已批准为国家标准 &ldquo 激光原理的三个实验系统&rdquo 已有百台在近20所大学应用，改变了激光原理课实验教学的模式。　　与会者兴趣浓厚，讨论热烈，特别对常见激光器的偏振特性、频率之间的竞争等提了问题，并就现场展示仪器的性能、应用提出了建议和意见。研讨会现场　　来自北京大学、南开大学、哈尔滨工业大学、中国计量科学研究院、清华大学紫荆创新研究院、德铭精密机械有限公司等三十多所高等院校、科研机构以及公司代表约100人参加了会议。

内容摘要石棉的危害：石棉本身并无毒害，它的最大危害来自于它的粉尘，当这些细小的粉尘被吸入人体内，就会附着并沉积在肺部，造成肺部疾病，石棉已被国际癌症研究中心肯定为致癌物。 石棉纤维可以分裂约为0.5um的元纤维，该纤维长度一般低于5um。由于它们的化学性质非常的稳定，可以长期的漂浮在空气中或水中，持续地造成广域性污染极其微小的石棉粉尘飞散到空中，被吸入到人体的肺后，经过20到40年的潜伏期，很容易诱发肺癌等肺部疾病。 左：纤维状阳起石平行偏振器成像。右：用正交偏光镜拍摄的阳起石样本。阳起石纤维显示出明显的双折射颜色，这明显区别于玻璃纤维（无双折射）。DM4P显微镜使用透射光、20x物镜和偏光镜的成像效果 石棉纤维呈明显的分散色。温石棉是最常见的石棉。在这张图中，典型的橄榄石色系是蓝色的。介质的折射率为1.553。DM4P显微镜使用透射光、20x DS（色散染色）物镜和偏光镜的成像效果 这张图片显示了典型的洋红色分散色温石棉在E-W方向。介质的折射率为1.553。DM4P显微镜使用透射光、20x DS（色散染色）物镜和偏光镜的成像效果 石棉检测-偏光显微镜法(PLM)PLM 原理为每种矿物都有其特定矿物光性和形态特征，通过偏光显微镜观测矿物晶体形态、折光率、干涉色、2V角、延性、颜色、多色性、解理、轮廓、糙面、克线、 突起等特征鉴定石棉矿物。偏光显微镜下，温石棉为细长纤维，呈浅黄绿色或低正突出至低负突出，折光率1.540-1.550。干涉色经常是I级灰白至黄色。闪石类直闪石折射率1.605-1.710,除透闪石消光角为10-20o外，均为平行或近于平行消光。透闪石石棉为短纤维，呈无色，中正突出。横切面干涉色为I级黄白，纵切面上最高干涉色Ⅱ级橙黄。横切面对称消光，其他纵切面 均为斜消光，沿柱面方向为正延长。因此，PLM法即可以鉴定石棉种类是各国鉴定石棉普遍采用的方法之一。 针对上述问题的解决方案和满足石棉检测需求，徕卡显微系统推出三款偏光显微镜，以便通过偏光系统观察纤维的延性和形态，用色散染色性质进行区分石棉的类别，满足不同领域的用户需要： 徕卡 DM4P 专业偏光显微镜 l 半自动机型 专为科研及研发设计l 带编码的可聚焦、可调中勃氏镜l 视野直径：22/25mml 智能化自动光阑设置l 自动光源调整l 6孔物镜转盘l 内置1.6倍变焦 徕卡 DM2700P -适用于任何用户的偏光显微镜 l 手动机型l 人体工学设计：高度可调聚焦按钮l 令人满意的结果重现性l 视野直径：22/25mml LED照明及卤素灯照明l 5孔物镜转盘l 颜色编码的光阑、聚光镜设置l 聚焦锁定功能 徕卡DM750P -用于教学培训的显微镜 l 手动教学培训偏光显微镜，简单操作易使用l 178mm直径高精度旋转载物台，旋转角度360°l 视野直径：20mml 人体工学设计l 4孔物镜转盘l 可配置锥光模块l 专用ICC50Camera

自然界中一些最基本的过程发生在微观尺度上，远远超出了我们肉眼所能看到的极限，这推动了技术的发展，使我们能够超越这个极限。早在公元4世纪，人们发现了光学透镜的基本概念，并在13世纪，人们已经在使用玻璃镜片，以提高他们的视力和放大植物和昆虫等对象以便更好地了解他们。随着时间的推移，这些简单的放大镜发展成为先进的光学系统，被称为光学显微镜，使我们能够看到和理解超越我们感知极限的微观世界。今天，光学显微镜是许多科学和技术领域的核心技术，包括生命科学、生物学、材料科学、纳米技术、工业检测、法医学等等。在这篇文章中，我们将首先探讨光学显微镜的基本工作原理。在此基础上，我们将讨论当今常用的一些更高级的光学显微镜形式，并比较它们在不同应用中的优缺点。　　　　什么是光学显微镜?　　光学显微镜用于通过提供它们如何与可见光相互作用(例如，它们的吸收、反射和散射)的放大图像来使小结构样品可见。这有助于了解样品的外观和组成，但也使我们能够看到微观世界的过程，例如物质如何跨细胞膜扩散。　　显微镜的部件以及光学显微镜的工作原理　　从根本上说，显微镜包括两个子系统：一个用于照亮样品的照明系统和一个成像系统，该系统产生与样品相互作用的光的放大图像，然后可以通过眼睛或使用相机系统进行观察。　　早期的显微镜使用包含阳光的照明系统，阳光通过镜子收集并反射到样品上。今天，大多数显微镜使用人造光源，如灯泡、发光二极管(LED)或激光器来制造更可靠和可控的照明系统，可以根据给定的应用进行定制。在这些系统中，通常使用聚光透镜收集来自光源的光，然后在聚焦到样品上之前对其进行整形和光学过滤。塑造光线对于实现高分辨率和对比度至关重要，通常包括控制被照亮的样品区域和光线照射到它的角度。照明光的光学过滤，使用修改其光谱和偏振的光学过滤器，可用于突出样品的某些特征。图1：复合显微镜的基本构造：来自光源的光使用镜子和聚光镜聚焦到样品(物体)上。来自样品的光被物镜收集，形成中间图像，该图像由目镜再次成像并传递到眼睛，眼睛看到样品的放大图像。　　成像系统收集与样品相互作用的照明光，并产生可以查看的放大图像(如上图1)。这是使用两组主要的光学元件来实现的：首先，物镜从样品中收集尽可能多的光，其次，目镜将收集的光中传递到观察者的眼睛或相机系统。成像系统还可包括诸如选择来自样品的光的某些部分的孔和滤光器之类的元件，例如仅看到已从样品散射的光，或仅看到特定颜色或波长的光。与照明系统的情况一样，这种类型的过滤对于挑出某些感兴趣的特征非常有用，这些特征在对来自样本的所有光进行成像时会保持隐藏。　　总的来说，照明和成像系统在光学显微镜的性能方面起着关键作用。为了在您的应用中充分利用光学显微镜，必须充分了解基本光学显微镜的工作原理以及当今存在的变化。　　简单复合显微镜　　单个镜头可以用作放大镜，当它靠近镜头时，它会增加物体的外观尺寸。透过放大镜看物体，我们看到物体的放大和虚像。这种效果用于简单的显微镜，它由单个镜头组成，该镜头对夹在框架中并从下方照明的样品进行成像，如下图2所示。这种类型的显微镜通常可以实现2-6倍的放大倍率，这足以研究相对较大的样本。然而，实现更高的放大倍率和更好的图像质量需要使用更多的光学元件，这导致了复合显微镜的发展(如下图3)。图2：通过创建靠近它的物体的放大虚拟图像，将单个镜头用作放大镜。图3：左：简单显微镜。右：复合显微镜。　　在复合显微镜中，从底部照射样品以观察透射光，或从顶部照射样品以观察反射光。来自样品的光由一个由两个主要透镜组组成的光学系统收集：物镜和目镜，它们各自的功率倍增，以实现比简单显微镜更高的放大倍率。物镜收集来自样品的光，通常放大倍数为40-100倍。一些复合显微镜在称为“换镜转盘(nose piece)”的旋转转台上配备多个物镜，允许用户在不同的放大倍数之间进行选择。来自物镜的图像被目镜拾取，它再次放大图像并将其传递给用户的眼睛，典型的目镜放大率为10倍。　　可以用标准光学显微镜观察到的最小特征尺寸由所使用的光学波长(λ)和显微镜物镜的分辨率决定，由其孔径数值(NA)定义，最大值为NA =1空中目标。定义可区分的最小特征尺寸(r)的分辨率极限由瑞利准则给出：　　r=0.61×(λ/NA)　　例如，使用波长为550nm的绿光和典型NA为0.7的物镜，标准光学显微镜可以分辨低至0.61×(550nm)/0.7≈480nm的特征，这足以观察细胞(通常为10µm大小)，但不足以观察较小生物的细节，例如病毒(通常为250-400nm)。要对更小的特征成像，可以使用具有更高NA和更短波长的更先进和更昂贵的物镜，但这可能不适用于所有应用。　　在标准复合显微镜(如下图4a)中，样品(通常在载玻片上)被固定在一个可以手动或电子移动以获得更高精度的载物台上，照明系统位于显微镜的下部，而成像系统高于样本。然而，显微镜主体通常也可以适应特定用途。例如，立体显微镜(如下图4b)的特点是两个目镜相互成一个小角度，让用户可以看到一个略有立体感的图像。在许多生物学应用中，使用倒置显微镜设计(如下图4c)，其中照明系统和成像光学器件都在样品台下方，以便于将细胞培养容器等放置在样品台上。最后，比较显微镜(如下图4d)常用于法医。图4：复合显微镜。a)标准直立显微镜指示(1)目镜，(2)物镜转台、左轮手枪或旋转鼻镜(用于固定多个物镜)，(3)物镜、调焦旋钮(用于移动载物台)(4)粗调，(5)微调，(6)载物台(固定样品)，(7)光源(灯或镜子)，(8)光阑和聚光镜，(9)机械载物台。b)立体显微镜。c)倒置显微镜。　　光学显微镜的类型　　下面，我们将介绍一些当今可用的不同类型的光学显微镜技术，讨论它们的主要操作原理以及每种技术的优缺点。　　亮视野显微镜　　亮视野显微镜(Brightfield microscopy，BFM)是最简单的光学显微镜形式，从上方或下方照射样品，收集透射或反射的光以形成可以查看的图像。图像中的对比度和颜色是因为吸收和反射在样品区域内变化而形成的。BFM是第一种开发的光学显微镜，它使用相对简单的光学装置，使早期科学家能够研究传输中的微生物和细胞。今天，它对于相同的目的仍然非常有用，并且还广泛用于研究其他部分透明的样品，例如透射模式下的薄材料(如下图5)，或反射模式下的微电子和其他小结构。图5：亮视野显微镜。左图：透射模式-在显微镜下看到的石墨(深灰色)和石墨烯(最浅灰色)薄片。在这里，图像上看到的亮度差异与石墨层的厚度成正比。右图：反射模式-SiO2表面上的石墨烯和石墨薄片，小的表面污染物也是可见的。　　暗视野显微镜　　暗视野显微镜是一种仅收集被样品散射的光的技术。这是通过添加阻挡照明光直接成像的孔来实现的，这样只能看到被样品散射的照明光。通过这种方式，暗场显微镜突出显示散射光的小结构(如下图6)，并且对于揭示BFM中不可见的特征非常有用，而无需以任何方式修改样品。然而，由于在最终图像中看到的唯一光是被散射的光，因此暗场图像可能非常暗并且需要高照明功率，这可能会损坏样品。　　图6：亮视野和暗视野成像。a)亮视野照明下的聚合物微结构。b)与a)中结构相同的暗视野图像，突出显示边缘散射和表面污染。c)与a)和b)相似的结构，被直径为100-300nm的纳米晶体覆盖。仅观察到纳米晶体散射的光，而背景光被强烈抑制。　　相差显微镜　　相差显微技术(Brightfield microscopy，PCM)是一种可视化由样品光路长度变化引起的光学相位变化的技术.这可以对在BFM中产生很少或没有对比度的透明样品进行成像，例如细胞(如下图7)。由于肉眼不易观察到光学相移，因此相差显微镜需要额外的光学组件，将样品引起的相移转换为最终图像中可见的亮度变化。这需要使用孔径和滤光片来操纵照明系统和成像系统。这些形状和选择性地相移来自样品的光(携带感兴趣的相位信息)和照明光，以便它们建设性地干涉眼睛或检测器以创建可见图像。图7：人类胚胎干细胞群落的相差显微图像。　　微分干涉显微镜　　与PCM类似，微分干涉显微镜(differential interference contrast microscopy，DICM)通过将由于样品光路长度变化引起的光学相位转换为可见对比度，从而使透明样品(例如活的未染色细胞)可视化。然而，与PCM相比，DICM可以实现更高分辨率的图像，并且减少了由PCM所需的光学器件引入的清晰度和图像伪影。在DICM ，照明光束被线性偏振器偏振，其偏振旋转，使其分裂成两个偏振光束，它们具有垂直偏振和小(通常低于1µm)间隔。穿过样品后，两束光束重新组合，从而相互干扰。这将创建一个对比度与图像成正比的图像差在两个偏振光束之间的光相位，因此命名为“差”干涉显微镜。DICM产生的图像出现与采样光束之间的位移方向相关的三维图像，这导致样品边缘具有亮区或暗区，具体取决于两者之间的光学相位差的符号(如下图8)。图8：微分干涉对比显微镜。左：DICM的原理图。右图：通过DICM成像的活体成年秀丽隐杆线虫(C.elegans)。　　偏光显微镜　　在偏振光显微镜中，样品用偏振光照射，光的检测也对偏振敏感。为了实现这一点，偏振器用于控制照明光偏振并将成像系统检测到的偏振限制为仅一种特定的偏振。通常，照明和检测偏振设置为垂直，以便强烈抑制不与样品相互作用的不需要的背景照明光。这种配置需要一个双折射样品，它引入了照明光偏振角的旋转，以便它可以被成像系统检测到，例如，观察晶体的双折射以及它们的厚度和折射率的变化(如下图9)。图9：偏光显微镜。橄榄石堆积物的显微照片，由具有不同双折射的晶体堆积而成。整个样品的厚度和折射率的变化会导致不同的颜色。　　荧光显微镜　　荧光显微镜用于对发出荧光的样品进行成像，也就是说，当用较短波长的光照射时，它们会发出长波长的光。示例包括固有荧光或已用荧光标记物标记的生物样品，以及单分子和其他纳米级荧光团。该技术采用了滤光片的组合，可阻挡短波长照明光，但让较长波长的样品荧光通过，因此最终图像仅显示样品的荧光部分(如下图10)。这允许从由许多其他非荧光颗粒组成的样品中挑出和可视化荧光颗粒或已被染料染色的感兴趣细胞的分布。同时，荧光显微镜还可以通过标记小于此限制的粒子来克服传统光学显微镜的分辨率限制。例如，可以用荧光标记标记病毒以显示其位置在生物样品的情况下，可以表达荧光蛋白，例如绿色荧光蛋白。结合各种新颖形式的样品照明，荧光显微镜的这一优势实现了“超分辨率”显微镜技术，打破了传统光学显微镜的分辨率限制。荧光显微镜的主要限制之一是光漂白，其中标记物或颗粒停止发出荧光，因为吸收照明光的过程最终会改变它们的结构，使它们不再发光。图10：荧光显微镜。左：工作原理-照明光由短通激发滤光片过滤，并由二向色镜反射到样品。来自样品的荧光通过二向色镜，并被发射滤光片额外过滤以去除图像中残留的激发光。右图：有机晶体中分子的荧光图像(晶体轮廓显示为黄色虚线)。由于来自其他分子和晶体材料的荧光，背景并不完全黑暗。　　免疫荧光显微镜　　免疫荧光显微镜是主要用于在微生物的细胞内的生物分子可视化的位置荧光显微镜的具体变化。在这里，用荧光标记物标记或固有荧光的抗体与感兴趣的生物分子结合，揭示它们的位置。(如下图11)图11：免疫荧光显微镜。肌动蛋白丝(紫色)、微管(黄色)和细胞核(绿色)的免疫荧光标记的两个间期细胞。　　共聚焦显微镜　　共聚焦显微镜是一种显微镜技术，它可以逐点成像来自样品的散射或荧光。不是一次对整个样品进行照明和成像，而是在样品区域上扫描源自点状光源的照明点，敏感检测器仅检测来自该点的光，从而产生2D图像。这种方法允许以高分辨率对弱信号样本进行成像，因为来自采样点之外的不需要的背景信号被有效抑制。在这里，所使用的波长和物镜在所有三个维度上都限制了成像光斑的大小。这允许通过将物镜移动到距样品不同的距离，在样品内的不同深度处制作2D图像。然后可以组合这些2D图像“切片”以创建样本的3D图像，这是所讨论的其他宽视场显微镜技术无法实现的，并且还允许以3D方式测量样品尺寸。这些优势的代价是无法一次性拍摄图像，而是必须逐点构建图像，这可能非常耗时并阻碍样本的实时成像(如下图12)。图12：单分子荧光的共聚焦荧光图像。小点对应于单个分子的荧光，而较大的点对应于分子簇。此处的荧光背景比简单的荧光显微镜图像弱得多，如亮点之间的暗区所见。　　双光子显微镜　　双光子显微镜(Two-photonmicroscopy，TPM)是荧光显微镜的一种变体，它使用双光子吸收来激发荧光，而不是单光子激发。在这里，通过吸收两个光子的组合来激发荧光，其能量大约是单个光子激发所需能量的一半。例如，在该方案中，通常由单个蓝色光子激发的荧光团可以被两个近红外光子激发。在TPM中，图像是逐点建立的，就像在共聚焦显微镜中一样，也就是说，双光子激发点在样品上扫描，样品荧光由灵敏的检测器检测。与传统荧光显微镜相比，激发和荧光能量的巨大差异导致了多重优势：首先，它允许使用更长的激发波长，在样品内散射较少，因此穿透更深，以允许在其表面下方对样品进行成像并创建3D样品图像。同时，由于激发能量低得多，光漂白大大减少，这对易碎样品很有用。激发点周围的荧光背景也大大减少，因为有效的双光子吸收仅发生在激发光束的焦点处，因此可以观察到来自样品小部分的荧光(如下图13)。　　TPM的一个缺点是双光子吸收的概率远低于单光子吸收，因此需要高强度照明，如脉冲激光，才能达到实用的荧光信号强度。图13：双光子显微镜。花粉的薄光学切片，显示荧光主要来自外层。　　光片显微镜　　光片显微技术是荧光显微术的一种形式，其中样品被垂直于观察方向的薄“片”光照射，从而仅对样品的薄切片(通常为几微米)进行成像。通过在样品在光片中旋转的同时拍摄一系列图像，可以形成3D图像。这要求样品大部分是透明的，这就是为什么这种技术通常用于形成小型透明生物结构的3D图像，例如细胞、胚胎和生物体。(如下图14)图14：光片显微镜。左：工作原理。右：通过荧光成像用光片显微镜拍摄的小鼠大脑的荧光图像。　　全内反射荧光显微镜　　全内反射荧光(Totalinternal reflection fluorescence microscopy ，TIRF)是一种荧光显微技术，可通过极薄(约100nm厚)的样品切片制作2D荧光图像。这是通过照明光的渐逝场激发样品的荧光来实现的，当它在两种不同折射率(n)的材料之间的边界处经历全内反射时就会发生这种情况。消逝场具有与照明光相同的波长，但与界面紧密结合。在TIRF显微镜中，激发光通常在载玻片(n=1.52)和样品分散的水介质(n=1.35)之间的界面处发生全内反射。渐逝场的强度随距离呈指数下降来自界面，这样在最终图像中只能观察到靠近界面的荧光团。这也导致来自切片外区域的荧光背景的强烈抑制，这允许拾取微弱的荧光信号，例如在定位单个分子时。这使得TIRF非常适用于观察参与细胞间相互作用的荧光蛋白(如下图15)的微弱信号，但也需要将样品分散在水性介质中，这可能会限制可以测量的样品类型。图15：TIRF图像显示培养的视网膜色素上皮细胞中的蛋白质荧光。每个像素对应67nm。　　膨胀显微镜　　膨胀显微镜背后的基本概念是增加通常需要高分辨率显微镜的样品尺寸，以便可以使用标准显微镜技术(尤其是荧光显微镜)对其进行成像。这适用于保存的标本，例如生物分子、细胞、细菌和组织切片，可以使用下图16中所示的化学过程在所有维度(各向同性)均匀扩展多达50倍。扩展样本可以隔离感兴趣的个别特征通常是隐藏的，可以使它们透明，从而可以对它们的内部进行成像。图16：膨胀显微镜的样品制备。细胞首先被染色，然后连接到聚合物凝胶基质上。然后细胞结构本身被溶解(消化)，使染色的部分随着凝胶各向同性地膨胀，从而使染色的结构更详细地成像。　　光学显微镜中的卷积　　除了使光学系统适应特定用例之外，现代光学显微镜还利用了数字图像处理，例如图像去卷积。该技术通过补偿光学系统本身固有的模糊，可以提高空间分辨率以及光学显微镜拍摄图像的定位精度。这种模糊可以在校准步骤中测量，然后可以用于对图像进行去卷积，从而减少模糊。通过将高性能光学元件与先进的图像处理相结合，数字显微镜可以突破分辨率的极限，以更深入地观察微观世界。(如下图17)图17：图像解卷积。左：原始荧光图像。右：解卷积后的图像，显示细节增加。　　光学显微镜与电子显微镜　　光学显微术通常使用可见光谱中的光波长，由于瑞利准则，其空间分辨率固有地限制为所用波长的大约一半(最多约为200nm)。然而，即使使用具有高NA和高级图像处理的物镜，也无法克服这一基本限制。相反，观察较小的结构需要使用较短波长的电磁辐射。这是电子显微镜的基本原理，其中使用电子而不是可见光照亮样品。电子具有比可见光短得多的相关波长，因此可以实现高达10000000倍的放大倍数，甚至可以分辨单个原子。(如下图18)　　图18：同心聚合物结构中纳米晶体放大15000倍的扫描电子显微镜图像，即使是细微的细节，例如基材的孔隙，也能分辨出来。　　总结与结论　　光学显微镜是一种强大的工具，可用于检查各种应用中的小样本。通过调整用于特定用例的照明和成像技术，可以获得高分辨率图像，从而深入了解样品中的微观结构和过程。文中，我们讨论了各种光学显微镜技术的特点、优势和劣势，这些技术在光线照射和收集方式上有所不同。显微镜种类优点技术限制典型应用亮视野显微镜结构相对简单，光学元件很少低对比度、完全透明的物体不能直接成像，可能需要染色对彩色或染色样品和部分透明材料进行成像暗视野显微镜显示小结构和表面粗糙度，允许对未染色样品进行成像所需的高照明功率会损坏样品，只能看到散射图像特征细胞内颗粒成像，表面检测相差显微镜实现透明样品的成像复杂的光学设置，需要的高照明功率会损坏样品，通常图像较暗跟踪细胞运动，成像幼虫微分干涉对比显微镜比PCM更高的分辨率复杂的光学设置，需要的高照明功率会损坏样品，通常图像较暗活的、未染色的细胞和纳米颗粒的高分辨率成像偏光显微镜来自样品非双折射区域的强背景抑制，允许测量样品厚度和双折射需要双折射样品成像胶原蛋白，揭示晶体中的晶界荧光显微镜允许挑出样品中的单个荧光团和特定的感兴趣区域，可以克服分辨率限制需要荧光样品和灵敏的检测器，光漂白会减弱信号成像细胞成分、单分子、蛋白质免疫荧光显微镜使用抗体靶向可视化特定的生物分子大量样品制备，需要荧光样品，光漂白识别和跟踪细胞和蛋白质共聚焦显微镜低背景信号，可以创建3D图像成像速度慢，需要复杂的光学系统3D细胞成像，荧光信号较弱的成像样品，表面分析双光子显微镜样品穿透深度、背景信号低、光漂白少成像速度慢，需要复杂的光学系统和大功率照明神经科学，深层组织成像光片显微镜图像仅样品的极薄切片，可通过旋转样品创建3D图像成像速度慢，需要复杂的光学系统细胞和生物体的3D成像全内反射荧光显微镜强大的背景抑制，极精细的垂直切片成像仅限于样品的薄区域，需要复杂的光学系统，样品需要在水介质中单分子成像，成像分子运输膨胀显微镜提高标准荧光显微镜的有效分辨率需要对样品进行化学处理，不适用于活体样品生物样品的高分辨率成像　　参考：　　1. Rochow TG, Tucker PA. A Brief History of Microscopy. In: Introduction to Microscopy by Means of Light, Electrons, X Rays, or Acoustics. Springer US 1994:1-21. doi:10.1007/978-1-4899-1513-9_1　　2. Smith WJ. Modern Optical Engineering: The Design of Optical Systems. McGraw-Hill 1990. ISBN: 0070591741　　3. Shribak M, Inoué S. Orientation-independent differential interference contrast microscopy. Collected Works of Shinya Inoue: Microscopes, Living Cells, and Dynamic Molecules. 2008 (Dic):953-962. doi:10.1142/9789812790866_0074　　4. Gao G, Jiang YW, Sun W, Wu FG. Fluorescent quantum dots for microbial imaging. Chinese Chem Lett. 2018 29(10):1475-1485. doi:10.1016/j.cclet.2018.07.004　　5. Chalfie M, Tu Y, Euskirchen G, Ward W, Prasher D. Green fluorescent protein as a marker for gene expression. Science. 1994 263(5148):802-805. doi:10.1126/science.8303295　　6. Baranov M V., Olea RA, van den Bogaart G. Chasing Uptake: Super-Resolution Microscopy in Endocytosis and Phagocytosis. Trends Cell Biol. 2019 29(9):727-739. doi:10.1016/j.tcb.2019.05.006　　7. Miller DM, Shakes DC. Chapter 16 Immunofluorescence Microscopy. In: Current Protocols Essential Laboratory Techniques. Vol 10. 1995:365-394. doi:10.1016/S0091-679X(08)61396-5

3月2日，记者从清华大学精密仪器系获悉，该系张书练教授课题组进行原理研究并由北京镭测科技有限公司开发生产的双折射双频激光干涉仪实现批量生产。双频(两频率)激光干涉仪是科学研究、光刻机、数控机床、航空航天、舰船等行业都离不开的光学尺子，用于测量零部件的尺寸，角度，位置，直线性，也是检定各类数控机床、激光加工机床以及光刻机台的精度，进行误差补偿的基本仪器。张书练介绍，双频激光器是双频激光干涉仪的核心部件。国外干涉仪厂家都是自制专用激光器，称为塞曼双频激光器，不对外供应。此前我国的双频激光干涉仪只能进口普通激光器，从中选出可用的，淘汰率高，性能上不去，导致双频激光干涉仪国产化困难。据介绍，此次清华大学精密仪器系发明的双折射原理的双频激光器比传统的塞曼双频激光器的激光功率高一倍、频率间隔大一倍或两三倍、没有两个频率之间耦合串混。分辨率达到1纳米(十亿分之一米)，线性测量长度范围0到70米，非线性误差小于1纳米，测量速度超过2米。张书练指出，双折射双频激光器的使用带动了干涉仪整机的光机电系统创新设计，使双折射双频激光干涉仪具有便携，方便，鲁棒等优良性能。

3月2日，记者从清华大学精密仪器系获悉，该系张书练教授课题组进行原理研究并由北京镭测科技有限公司开发生产的双折射双频激光干涉仪实现批量生产。双频（两频率）激光干涉仪是科学研究、光刻机、数控机床、航空航天、舰船等行业都离不开的光学尺子，用于测量零部件的尺寸，角度，位置，直线性，也是检定各类数控机床、激光加工机床以及光刻机台的精度，进行误差补偿的基本仪器。张书练介绍，双频激光器是双频激光干涉仪的核心部件。国外干涉仪厂家都是自制专用激光器，称为塞曼双频激光器，不对外供应。此前我国的双频激光干涉仪只能进口普通激光器，从中选出可用的，淘汰率高，性能上不去，导致双频激光干涉仪国产化困难。据介绍，此次清华大学精密仪器系发明的双折射原理的双频激光器比传统的塞曼双频激光器的激光功率高一倍、频率间隔大一倍或两三倍、没有两个频率之间耦合串混。分辨率达到1纳米(十亿分之一米)，线性测量长度范围0到70米，非线性误差小于1纳米，测量速度超过2米。张书练指出，双折射双频激光器的使用带动了干涉仪整机的光机电系统创新设计，使双折射双频激光干涉仪具有便携，方便，鲁棒等优良性能。

3月2日，从清华大学精密仪器系获悉，该系张书练教授课题组进行原理研究并由北京镭测科技有限公司开发生产的双折射双频激光干涉仪实现批量生产。　　双频(两频率)激光干涉仪是科学研究、光刻机、数控机床、航空航天、舰船等行业都离不开的光学尺子，用于测量零部件的尺寸，角度，位置，直线性，也是检定各类数控机床、激光加工机床以及光刻机台的精度，进行误差补偿的基本仪器。　　张书练介绍，双频激光器是双频激光干涉仪的核心部件。国外干涉仪厂家都是自制专用激光器，称为塞曼双频激光器，不对外供应。此前我国的双频激光干涉仪只能进口普通激光器，从中选出可用的，淘汰率高，性能上不去，导致双频激光干涉仪国产化困难。　　据介绍，此次清华大学精密仪器系发明的双折射原理的双频激光器比传统的塞曼双频激光器的激光功率高一倍、频率间隔大一倍或两三倍、没有两个频率之间耦合串混。分辨率达到1纳米(十亿分之一米)，线性测量长度范围0到70米，非线性误差小于1纳米，测量速度超过2米。　　张书练指出，双折射双频激光器的使用带动了干涉仪整机的光机电系统创新设计，使双折射双频激光干涉仪具有便携，方便，鲁棒等优良性能。

聚合物作为一种重要的材料在工业、生活中得到了广泛的应用。而聚合物的结晶形态对其性能有着至关重要的影响，如何使用偏光显微镜观察聚合物结晶形态呢？用偏光显微镜研究聚合物的结晶形态是目前在实验室中较为简便而实用的方法，结晶条件的不同聚合物的结晶可以具有不同的形态，如单晶、球晶、纤维晶及伸直链晶体等。使用偏光显微镜的主要原理是利用光学现象中的偏振现象来观察样品，结晶聚合物的实际使用性能与材料内部的结晶形态、晶粒大小及完善程度有密切关系，如:光学透明性、冲击强度等。在偏光显微镜下观察聚合物结晶可以得到更为清晰、详细的结晶形态信息。对于聚合物结晶形态的研究具有重要的理论和实际意义。使用偏光显微镜观察聚合物结晶的步骤如下：第一步，制备好样品。将聚合物样品制成薄片，并保持其在室温下的结晶状态。如果需要观察样品在不同温度下的结晶形态，可以通过加热或冷却的方式来控制温度。第二步，将样品放置在偏光显微镜的样品台上，调整偏光器和偏振镜的方向，使其符合要求。第三步，通过调节偏光显微镜的焦距和放大倍数，将聚合物结晶的形态清晰地展现出来。通过偏光显微镜观察聚合物结晶形态，可以快速得到非常精确的结晶信息。例如聚合物结晶的晶体方向、晶粒大小、晶界等细节信息。同时，偏光显微镜还可以观察到聚合物的各种缺陷，如晶格缺陷、晶体缺陷等，从而提高对聚合物结晶的理解和认识。偏光显微镜是一种非常重要的观察聚合物结晶形态的工具。通过偏光显微镜的使用，可以得到更为准确、详细的结晶信息，从而帮助研究人员更好地理解和应用聚合物材料。以下是使用偏光显微镜观察的实拍效果图：深圳偏光显微镜、偏光显微镜价格、矿相偏光显微镜、偏光显微镜供应、偏光显微镜成像单偏光镜下观察，左侧是没加偏光，右侧是加偏光的偏光显微镜型号：NP900系列（科研级可定制型）MHPL1500（可选透射照明，落射照明或者透反射照明）MHPL3200（透/反射偏光）MHPL3230（透反射偏光）如果您需要研究与检验地质、化工、医疗、药品等领域，进行液态高分子材料，生物聚合物及液晶材料的晶相观察，我们为您提供一整套显微系统方案，可连接数码相机构成数码偏光显微镜，通过计算机屏幕显示测量电脑来观察图片，对图片进行保存、编辑和打印。

日前，青岛市第十四届职业技能大赛宝石鉴定赛区决赛在青岛经济职业学校和青岛市职业技能鉴定中心开赛。这也是宝石鉴定赛项首次纳入青岛职业技能大赛。　　本次比赛设立学生组和职工组两个组别，吸引了来自省内数所开办珠宝专业的中高职院校、本科高校的在校生和珠宝、典当行业从业者共计242人报名参赛。比赛分为理论考试和技能操作两大板块。作为大赛的重头戏，技能操作环节的比试于23日在青岛经济职业学校珠宝鉴定实验室举行，参赛选手运用常规珠宝鉴定仪器，如宝石显微镜、折射仪、分光镜、偏光镜、二色镜等对珠宝玉石的内外部显微特征、折射率、二色性、吸收光谱、光性等进行细致地观察和测量，进而对未知宝石定名。　　通过比拼，两个组的前10名分别胜出获得荣誉证书，其中各组前六名选手将分获800-10000元不等的奖励。职工组前三名选手将获“青岛市技术能手”称号，技能状元还将有机会继续冲击10万元的“振超技能大奖”。学生组第一名将获“青岛市第十四届职业技能大赛学生组宝石鉴定竞赛冠军”和“青岛市技能新星”称号。

导读上一期我们聊了下显微镜有哪些类型，又该如何去挑选适合自己的显微镜类型，但是同一类别显微镜也会有不同的配置，如相机、载物台、物镜、光源、聚光镜等等，一台显微镜由众多的硬件组成，而硬件又是显微镜性能的关键，因此我们搞懂应该买哪个类别的显微镜后，下一步我们就需要了解哪些硬件对我们的使用至关重要，让我们开始吧，Let’s go ~首先介绍的第一个关键硬件就是相机，这是我们成像的关键。在我们日常的认知中，我们看到的相机无论是手机还是照相机全是彩色的，给我们的感觉是相机只有彩色的，其实不是这样的，甚至和我们的直观感受相反，严格来说，所有的相机感光芯片都是不能识别颜色的，我们看到的那些彩色图片大多是通过拜耳滤色器来实现颜色的识别。就像上图一样，拜耳滤色器使用50％的绿色，25％的红色和25％的蓝色阵列，从而识别出颜色，但它会造成三分之二的光强损失，这对明场观察影响不大，但其他观察，如荧光观察，就可能产生较大的影响，因为荧光本身相对较弱。当然对荧光观察也有对应的解决方案，那就是在荧光显微镜中使用单色相机，这时候有用过荧光显微镜的小伙伴可能就会问了，可是我看到的都是有颜色的啊，这就要从荧光的原理和荧光显微镜的设计说起了。荧光是由特定波长的激发光激发，从而产生特定波长的发射光，也就是说，我们观察时是明确知道我们希望看到的光是什么，其他的光就只是干扰的杂光，因此荧光显微镜观察时选择将其他光滤掉，用单色相机进行成像，至于小伙伴们看到的彩色，其实是赋予的伪彩。 小伙伴了解了吧，明场观察需要选择彩色相机，而荧光观察需要选择单色相机，这样才能获得最好的观察效果。第二个要介绍的关键硬件就是调焦装置了，对于显微镜来说，调焦装置是决定显微镜档次的一个重要硬件，主要区别在于电动与非电动，非电动调焦，显微镜就只能实现XY轴观察，也就是平面观察，而如果实现了电动调焦，也就是配置了电动Z轴，就可以实现样品的XYZ轴观察，即3D立体的观察，显微镜的观察能力就提升了一个维度。第三个介绍的硬件是载物台，刚才说过无电动Z轴只能进行单平面的观察，单平面观察也是存在差异的，当我们需要对样品进行高精度的观察时，必然会选择更高的放大倍数，而这必然会导致视野的缩小，当我们需要拍摄整个样本时，只能依靠手动平移来实现全部观察和拍摄，后续进行拼接时难度极大，且极易出错，导致采用手动载物台难以实现高精度的大视野成像，而这就需要电动载物台来实现。这期就先介绍这么多，我们后期还会介绍显微镜的其他知识啊，小伙伴们持续关注哦。

从古至今，人类一直在追寻更高更远的真相，从远洋航行到太空探索，人们不断征服一个个宏伟的目标，但是人们肉眼所见的宏观世界不是世界的全部，还有人眼无法看清的微观世界，它同样也吸引着无数人去探索和追寻。无论宏观还是微观事物，我们的观测都是基于三维空间的属性，即XYZ三维，而对事物形态变化的观察则需要再引入一个衡量因素--时间T，因此对事物观察的最完备方式一定是XYZT的同时记录，即形态+时间的长时间摄影，这也是显微镜的终极功能。经过三百多年的发展，现代显微镜提出分辨率、景深、视野等概念，并不断提出解决方案，显微镜已经初步满足我们对微观世界观察的需求，帮助我们记录下微观世界的空间和时间。微观世界观察最重要的是细节的分辨，分辨率的概念便由此诞生，分辨率是指人眼可以区分的两个点之间的最小距离，只在XY维度有效，根据瑞利判据，Rayleigh Criterion，正常人能分辨的极限是明视距离25cm处0.2mm的两个点，当我们使用显微镜后，我们可以看清更小距离的两个点，这便提升了我们观察的分辨率。随着现代研究的不断深入，人们对分辨率的要求也在不断提高，而科学家们也在不断的提升显微镜的分辨率，如电子显微镜将分辨率提升至纳米级别，实现了对病毒的观察，超高显微成像技术，将显微镜的分辨率从200纳米提升到几十纳米，实现了对活细胞细胞器的观察。分辨率的提升也带来了新的问题，即视野和景深的减小，当用普通中央照明法（使光线均匀地透过标本的明视照明法）时，显微镜的分辨距离为d=0.61λ/NA，可见光波长范围为400—700nm，取其平均波长550nm，波长是固定常量，因此，增大NA数值，即可得到更小的D值，也就是可以分辨的两点之间的距离更小，可以让人眼看清楚更小的物体。NA值即数值孔径，描述了透镜收光锥角的大小，NA = n * sinα，即透镜与被检物体之间介质的折射率（n）和孔径角（2α）半数的正弦之乘积。n为物镜与样本之间介质的光折射率，当显微镜物方介质为空气时，折射率n = 1 , 采用折射率高于空气的介质，可以显著提高NA值，水浸介质是蒸馏水，折射率为1.33；油浸物镜介质是香柏油或其它透明油，其折射率一般在1.52左右，接近透镜和载玻片的折射率，因此，油镜的NA值高于空气镜。孔径角又称“镜口角”，是透镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度，增大镜口角，可以提高正弦值，其实际上限约为72度（正弦值为0.95），乘以香柏油折射率1.52，可以得出最大NA值为1.45左右，代入分辨率计算公式，可以得出常规显微镜极限XY平面分辨率为0.2um左右。NA值还会直接影响显微镜的视野亮度（B）。由公式B∝N.A.2/ M2 我们可以推出，亮度随数值孔径（N.A.）的增大或者物镜倍率（M）的降低而增加。从理论上来说，我们应该追求尽可能高的NA值，以获得更好的XY平面分辨率和视野亮度。然而凡事都有两面性，XY平面分辨率的提升，会带来Z轴景深和观察视野的减小。显微镜一般都是垂直向下取景的，通过视场直径内观察到的物体表面凸起的位置与凹下的位置都能够看的很清楚时，那么凸点与凹点之间的高度差就是景深了，对于显微镜来说景深越大越好，景深越大在观察高低不平整的物体表面时，能够得到更好更立体的清晰度画面，大景深有助于我们对微观世界进行垂直方向形态的观察，也就是XYZ三维形态中的Z轴信息。景深就是象平面上清晰的象所对应物平面的前后空间的深度：dtot=(λ*n)/NA + n/(M∗NA) * e，dtot：景深，NA ：数值孔径，M ：总放大率，λ：光波波长, （通常λ=0.55um），n: 试样与物镜之间介质的折射率（空气: n=1、油: n=1.52）根据这个公式，我们可以知道，Z轴景深与XY平面NA值成反比。除了景深外，视野也受到NA值的影响，通过仪器固定注视一点时所能看见的空间范围即视野，它的计算与物镜的放大倍数直接相关，观察所看到的实际视野直径等于视场直径除以物镜的放大倍数，目镜会表明对应视场数，如10/18，即放大倍数10倍，视场直径18mm，因此当目镜确定后，放大倍数越大则观察的视野越小。XY平面分辨率是对局部细节的解析，而视野则决定了我们对样本的观察范围，视野必然是越大越好，但受限于当前的技术，我们必须采用高倍物镜，才可以得到良好的NA值，因此,视野和NA值有间接的负相关系。当我们需要观察的样本大于我们的视野时，每次观察只能看到一个局部，为了解决这个问题，拼图技术便应运而生。通过在XY方向移动样本，连续拍下不同位置的图像，最后拼接在一起，就可以得到一张全视野的图像。▲镜下局部视野▲拼接后全视野▲手动拼接▲自动拼接(图源：Echo显微镜)拼接分为手动和自动两种，手动拼图成本低廉，但是对人员的操作水平，经验要求很高，如上图，操作人员稍有不慎，就会出现图片接缝问题，同时手动拼图速度慢，不适合大批量，高通量样本处理，比如医院病理科日均上百病理切片观察，手动拼图方式无法满足要求。自动拼图的核心部件是全自动载物台，结合软件，可自动实现全自动，大范围全视野拍摄，结合自动Z轴对焦补偿，即可得到全视野的清晰图像。Echo Revolution 全自动荧光显微镜Echo Revolution全自动荧光显微镜，将XYZ三轴全部实现电动化，从而实现自动完成多图拼接的大视野高分辨率成像，而电动化的Z轴可以帮助用户实现自动聚焦、自动定焦和Z-Stacking 多层扫描大景深成像。Echo Revolution全自动荧光显微镜还添加了延时摄影功能，可以帮助用户实现长时间观察和时间回溯，使用户可以进行更全面的观察实验。

目前，照明灯和液晶显示屏的背光源均采用白色LED灯。因此，为了进一步提升产品性能，Mini LED背光源和Micro LED显示屏的研发正在紧锣密鼓的进行中。荧光分布成像系统（EEM View）是能够同时获取样品图像和光谱信息的新附件。入射光通过照射积分球内壁，获得均匀光源，进而观察样品。利用F-7100标配的荧光检测器可以获得荧光光谱，结合积分球下方的CMOS相机装置拍摄图像，并利用AI光谱处理算法，可以同时得到反射和荧光图像。相信未来EEM View会在LED零配件内的荧光体光学特性评价中得到广泛的应用。1. 荧光体树脂片（50 mm×50 mm）的荧光特性此次实验测定了在面发光LED中使用的荧光体树脂片。对样品照射360～640nm的单色光，得到了样品特有的荧光特性。EEM View模式下，可同时获得不同光源条件的样品图像。通常，白色LED灯发光原理是采用蓝光LED发光二极管在455nm附近激发荧光体，产生580～650nm的黄色荧光，从而与LED发出的蓝光混合形成白光（图1）。由图2、图3可以看出，此次测定的样品荧光体树脂片，在455nm附近被蓝光LED灯激发，发出相当于625nm的黄色荧光。图1 白色LED发光原理 图2 三维荧光光谱图3 激发光谱和发射光谱2. 荧光体树脂片的分布均匀性确认 荧光成分图像 荧光成分图像 （分布不均匀区域） （分布均匀区域） 图4 树脂片的图像和光谱图4为树脂片的荧光成分图像，左边是荧光体分布不均匀区域的荧光图像和光谱，右边是荧光体分布均匀的荧光图像和光谱，从荧光图像中可以看出荧光体的分布情况。此外，通过不同位置计算出的荧光光谱，可以发现树脂片不同位置的荧光强度存在差异。对于荧光体分布不均匀的树脂片（左图），它的中心位置亮度偏高。而且从荧光光谱中可以看到，3个位置的荧光光谱峰值荧光强度最 大偏差15％。荧光分布成像系统是全球首创的新技术，它将有助于获得研发和应用领域的多方面信息表征，密切关注日立高新技术公司官网，更多应用持续更新中。

近年来，研究人员和业内主要厂商已将研发重心转向微型化、便携式且低成本的光谱仪系统，使之可以在日常生活中实现现场、实时和原位光谱分析的许多新兴应用。然而，受到过度简化的光学设计和紧凑型架构的机械限制，微型光谱仪系统的实际光谱识别性能通常远低于台式光谱仪系统。如今，克服这些限制的一种策略便是在光子方法学中引入深度学习（DL）进行数据处理。据麦姆斯咨询报道，近日，美国纽约州立大学布法罗分校（University at Buffalo，the State University of New York）与沙特阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science & Technology）的联合科研团队在Nature Communications期刊上发表了以“Imaging-based intelligent spectrometer on a plasmonic rainbow chip”为主题的论文。该论文第一作者为Dylan Tua，通讯作者为甘巧强（Qiaoqiang Gan）教授。在这项研究工作中，研究人员开发了一种紧凑型等离子体“彩虹（rainbow）”芯片，能够实现快速、准确的双功能传感，其性能可在特定条件下超越传统的便携式光谱仪。其中的分光纳米结构由一维或二维的梯度金属光栅构成。该紧凑型等离子体光谱仪利用普通相机拍摄的单幅图像，即可精确地获得照明光源光谱的光谱信息和偏振信息。在经过适当训练的深度学习算法的辅助下，研究人员仅用单幅图像就能表征葡萄糖溶液在可见光光谱范围内的双峰和三峰窄带照明下的旋光色散（ORD）特性。该微型光谱仪具有与智能手机和芯片实验室（lab-on-a-chip）系统集成的潜力，为原位分析应用提供新的可能。研究人员利用彩虹捕获效应（rainbow trapping effect）来开发片上光谱仪系统。图1展示了该研究工作所提出的片上光谱仪和一维彩虹芯片的设计原理。如图1a所示，该光谱仪利用等离子体啁啾光栅实现分光功能。这种表面光栅几何形状的逐渐变化，导致了局部等离子体共振的空间调谐（即为光捕获“彩虹”存储）。如图1b所示，研究人员采用聚焦离子束铣削技术，在300 nm的银（Ag）薄膜上制备了啁啾光栅。当白光垂直入射时，通过简单的反射显微镜系统（如图1c），就可以观察到明显的“彩虹”色图像，如图1d的顶部所示，该现象源于光栅引发的等离子体共振。图1 片上光谱仪的等离子体啁啾光栅根据这些空间模式图像，可以建立共振模式与入射波长一一对应的关系，这是片上光谱仪的基础。因此，研究人员探讨了该光谱仪对任意光谱特征的空间分辨能力。通过深度学习辅助的数据处理和重建方法，研究人员利用这种分光功能可以构建用于光学集成的智能化、微型化光谱仪平台。具体而言，研究人员提出了基于深度学习的智能彩虹等离子体光谱仪概念，并构建了带有等离子体啁啾光栅的光谱仪示例，如图2所示。该光谱仪利用深度神经网络预测了所测量的共振模式图像中的未知入射光光谱，而无需使用传统的线性响应函数模型。实验中的光谱仪架构如图2a所示。智能光谱仪主要由三部分构成：空间模式、预训练神经网络以及对应的波长。图2 基于深度学习的数据重建光谱分辨率是评价传统光谱仪性能的重要参数之一。因此，研究人员对该光谱仪的分辨率做了详细测试，测试结果如图3所示。图3 智能等离子体光谱仪的分辨率以上初步测试数据表明，智能彩虹芯片光谱仪具有实现高分辨率光谱分析的潜力，其性能可与传统台式光谱仪相媲美。随后，研究人员将一维光栅扩展到二维，以利用紧凑型智能等离子体光谱仪实现偏振光谱的测定，其性能超越了传统的光学光谱仪系统。同时，研究人员展示了等离子体彩虹芯片光谱仪可以引入简化、紧凑且智能的光谱偏振系统，具有准确且快速的光谱分析能力。图4a为具有梯度几何参数的二维光栅。图4 用于测定偏振光谱的二维啁啾光栅接着，研究人员利用该二维偏振光谱仪芯片对旋光色散进行了简单而智能的表征。图5a为传统的旋光色散系统测量由物质引起的旋光度随入射波长的函数变化。最后，研究人员展示了将二维光栅作为光谱偏振系统，并介绍了用于葡萄糖传感应用的示例。图5 更简单、准确且智能的光谱偏振分析综上所述，本研究中提出了一种集成了片上彩虹捕获效应与紧凑型光学成像系统的智能芯片级光谱仪。研究结果表明，该等离子体芯片可以在可见光光谱（470 nm - 740 nm）范围内区分不同的照明峰值。该芯片充分利用其波长敏感结构，能够根据照明光谱峰值显示不同的等离子体共振模式。随后将芯片扩展到二维结构，共振模式的复杂性增加，从而在入射光偏振方面提供更多信息。通过使用片上共振模式的空间和强度分布图像来训练深度学习算法，研究人员在同一系统内分别实现了光谱分析和偏振分析。随后，研究人员利用一种将旋光引入透射光的手性物质（即葡萄糖），证明了所提出光谱仪在旋光色散传感方面的可行性，旋光色散是一种有助于手性物质检测和定量的偏振特异性特征。深度学习模型的分析表明，该算法能够基于等离子体芯片的共振模式准确预测葡萄糖引入的旋光。即使在分析多峰照明下的共振模式时，这种性能也得到了保留。这种由深度学习支持的基于图像的光谱仪能够通过利用纳米光子平台的单幅图像同时进行光谱分析和偏振分析。因此，该光谱仪标志着在单一紧凑型且轻量化设计中实现了高性能的光谱偏振分析，为深度光学和光子学在医疗保健监测、食品安全传感、环境污染检测、药物滥用传感以及法医分析等领域的应用赋能。这项研究获得了沙特阿卜杜拉国王科技大学物理科学与工程部的科研基金（BAS/1/1415-01-01）和NTGC-AI项目（REI/1/5232-01-01）的资助和支持。

在背景与目标红外辐射量差距不大或背景较为复杂等情况下，传统红外成像技术对目标进行探测与识别的难度较大。而红外偏振探测在采集目标与背景辐射强度的基础上，还获取了多一维度的偏振信息，因此在探测隐藏、伪装和暗弱目标和复杂自然环境中人造目标的探测和识别等领域，有着传统红外探测不可比拟的优势。但同时，偏振装置的加入也增加了成像系统的复杂度与制作成本，且对于远距离成像，在红外成像系统前加入偏振装置对成像系统的探测距离有多大的影响，也有待进一步的研究论证。据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院红外探测与成像技术重点实验室和中国科学院大学的科研团队在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“考虑探测器非理想性的红外偏振成像系统作用距离分析”为主题的文章。该文章第一作者为谭畅，主要从事红外偏振成像仿真方面的研究工作；通讯作者为王世勇研究员，主要从事红外光电系统技术、红外图像信号处理方面的研究工作。本文将从分析成像系统最远探测距离的角度出发，对成像系统的探测能力进行评估。综合考虑影响成像系统探测能力的各个因素，参考传统红外成像系统作用距离模型，基于系统的偏振探测能力，建立了红外偏振成像系统的作用距离模型，讨论了偏振装置非理想性对系统探测能力的影响，并设计实验验证了建立模型的可靠性。红外成像系统作用距离建模目前较为公认的对扩展源目标探测距离进行估算的方法是MRTD法。该方法规定，对于空间频率为f的目标，人眼通过红外成像系统能够观察到该目标需要满足两个条件：①目标经过大气衰减到达红外成像系统时，其与背景的实际表观温差应大于或等于该频率下的成像系统最小可分辨温差MRTD（f）。②目标对系统的张角θT应大于或等于相应观察要求所需要的最小视角。只需明确红外成像系统的各项基本参数与观测需求，我们就可以计算出系统的噪声等效温差与最小可分辨温差，进而求解出它的最远探测距离。红外偏振成像系统作用距离建模偏振成像根据成像设备的结构特性可分为分振幅探测、分时探测、分焦平面探测和分孔径探测。其中分时探测具有设计简单容易计算等优点，但只适用于静态场景；分振幅探测可同时探测不同偏振方向的辐射，但存在体积庞大、结构复杂，计算偏振信息对配准要求高等问题；分孔径探测也是同时探测的一种方式，且光学系统相对稳定，但会带来空间分辨率降低的问题；分焦平面偏振探测器具有体积小、结构紧凑、系统集成度高等优势，可同时获取到不同偏振方向的偏振图像，是目前偏振成像领域的研究热点，也是本文的主要研究对象。图1为分焦平面探测系统示意图。图1 分焦平面探测器系统示意图本文仿真的分焦平面偏振探测器，是在红外焦平面上集成了一组按一定规律排列的微偏振片，一个像元对应着一个微偏振片，其角度分别为 0°、45°、90°和135°，相邻的2×2个微像元组成一个超像元，可同时获取到四种不同的偏振态。图1为分焦平面探测系统结构示意图。传统方法认为在红外成像系统前加入偏振装置后，会对系统的噪声等效温差与调制传递函数MTF（f）产生影响，改变系统的最小可分辨温差，进而改变系统的最远探测距离。本文将从偏振装置的偏振探测能力出发，分析成像系统的最小可分辨偏振度差，建立红外偏振成像系统的探测距离模型。我们首先建立一个探测器偏振响应模型，该模型将探测器视为一个光子计数器，光子被转换为电子并在电容电路中累积，综合考虑探测器井的大小、偏振片消光比、信号电子与背景电子的比率以及入射辐射的偏振特性，通过应用误差传播方法对结果进行处理。从噪声等效偏振度（NeDoLP）的定义出发，NeDoLP是衡量偏振探测器探测能力的指标，即探测器对均匀极化场景成像时产生的标准差。对其进行数学建模，进而分析得到红外偏振成像系统的最远探测距离。图2 DoLP随光学厚度变化曲线对于探测器来说，积分时间越长，累积的电荷越多，探测器的信噪比（SNR）就越高，但这种增加是有限度的。随着积分时间的增加，光生载流子有更多的时间被收集，增加信号。然而，同时，暗电流及其相关噪声也会增加。对于给定的探测器，最佳积分时间是在最大化信噪比和最小化暗电流及噪声的不利影响之间取得平衡，为方便分析，我们假设探测器工作在“半井”状态下。通过以下步骤计算红外偏振成像系统最远作用距离：a. 根据已知的目标和背景偏振特性以及环境条件，计算在给定距离下，目标与背景之间的偏振度差在传输路径上的衰减。b. 结合系统的探测器性能参数，确定目标在给定距离下是否可被观察到。如果不能则减小设定的距离。目标被观察到需同时满足衰减后的偏振度差大于或等于系统对应于该频率的最小可分辨偏振度差MRPD，目标对系统的张角θT大于或等于相应观察要求所需要的最小视场角。c. 逐步增加距离，直到目标与背景之间的偏振度差不再满足观察要求。这个距离即为成像系统最远作用距离。τp (R)为大气对目标偏振度随探测距离的衰减函数，可根据不同的天气条件，根据已有的测量数据进行插值，计算出不同探测距离下大气对目标偏振度的衰减，图4. 5给出了根据文献中测量数据得到的偏振度随光学厚度增加衰减关系图。这里给出的横坐标是光学厚度，不同天气条件下，光学厚度对应的实际传播距离与介质的散射和吸收系数有关。综上，我们建立了传统红外成像系统和考虑了偏振片非理想性的红外偏振成像系统的作用距离模型，下面我们将对模型的可靠性进行验证，分析讨论探测器各参数对成像系统探测能力的影响。验证与讨论由噪声等效偏振度的定义可知，其数值越小，代表偏振探测器的性能越优秀。下面我们对影响红外偏振成像系统探测性能的各因素进行讨论，并设计实验验证本文建立模型的正确性。偏振片消光比消光比是衡量偏振片性能的重要参数，市售的大面积偏振片的消光比可以超过200甚至更多。对其他参数按经验进行赋值，从图3可以看到，对于给定设计参数的探测器，偏振片消光比超过20后，随着偏振片消光比的增加，探测器性能上的提升微乎其微。对于分焦平面探测器，为实现更高的消光比，不可避免地要牺牲探测器整体辐射通量。由于辐射通量降低而导致的信噪比损失可能远远超过消光比增加所获得的收益。这一结果同样可以对科研人员研制偏振片提供启发，对需要追求高消光比的偏振片来说，增大透光轴方向的最大透射率要比降低最小透射率更有益于成像系统的性能。图3 偏振片消光比与探测器噪声等效偏振度关系图探测器井容量红外探测器的井容量是指探测器像素在饱和之前能够累积的电荷数量的最大值。井容量是衡量红外探测器性能的一个关键参数，井容量通常以电子数（e-）表示。较大的井容量意味着探测器可以在饱和之前存储更多的电荷，从而能够在更大的亮度范围内准确检测信号。这对于在具有广泛亮度变化的场景中捕获清晰图像至关重要。从图4可以看出，增大探测器井的容量，同样能很好的提高成像系统的偏振探测能力。图4 探测器井容量与探测器噪声等效偏振度关系图然而，井容量的增加可能会导致像素尺寸增大或探测器面积减小，这可能对系统的整体性能产生负面影响。因此，在设计红外探测器时，需要权衡井容量、像素尺寸和其他性能参数，以实现最佳性能。目标偏振度虽然推导出的噪声等效偏振度公式包含目标偏振度这一参量，但目标的偏振度本身对探测器的噪声等效偏振度没有直接影响。NeDolp 是一个衡量探测器性能的参数，它主要受探测器内部噪声、电子学和其他系统组件的影响。然而，目标的偏振度会影响探测器接收到的信号强度，从而影响信噪比（SNR）。从图5也可以看出，探测器的NeDolp受目标的偏振度影响不大。图5 目标偏振度与探测器噪声等效偏振度关系图读取噪声与产生复合噪声比值读取噪声主要来自于探测器的读出电路、放大器和其他电子元件。它通常在整个光强范围内保持相对恒定。产生复合噪声是由光子的随机到达和电荷生成引起的，与光子数成正比。在低光强下，产生复合噪声通常较小；而在高光强下，它会逐渐变大。通过计算读取噪声和产生复合噪声的比值，可以确定系统的性能瓶颈。如果读取噪声远大于产生复合噪声，这意味着系统在低光强下受到读取噪声的限制。在这种情况下，优化读出电路和放大器等元件可能会带来性能提升。如果产生复合噪声远大于读取噪声，这意味着系统在高光强下受到产生复合噪声的限制。在这种情况下，提高信号处理和光子探测效率可能有助于改善性能。从图6可以看出，降低读取噪声与产生复合噪声比值可以有效提升系统偏振探测能力。图6 δ与探测器噪声等效偏振度关系图信号电子比例综合图4~6可以看出，提升β的数值可有效提高探测器的偏振探测能力，由β的定义可知，对于确定井容量的探测器，β的取值主要取决于探测器的各种噪声与积分时间，降低探测器的工作温度、优化探测器结构、减少表面和界面缺陷等途径都可以降低探测器的噪声，调节合适的积分时间也有助于探测系统的性能提升。实验验证根据噪声等效偏振度的定义，利用面源黑体与红外可控部分偏振透射式辐射源创建一组均匀极化场景。如下图7所示，黑体发出的红外辐射，经过两块硅片，发生四次折射，产生了偏振效应，通过调节硅片的角度，即可产生不同线偏振度的红外辐射。以5°为间隔，将面源黑体平面与硅片间的夹角调为10°~40°共七组。每组将面源黑体设置为40℃和70℃两个温度，用国产自主研制的红外分焦平面偏振探测器采取不少于128帧图像并取平均，然后将每组两个温度下相同角度获得的图像作差，以减少实验装置自发辐射和反射辐射对测量结果的干扰，差值图像就是透射部分的红外偏振辐射。对差值图像进行校正和去噪后，即可按公式计算出探测器对均匀极化场景产生的偏振度图像。计算出红外辐射的线偏振度，为减小测量误差，仅取图像中心区域的像元进行分析。该区域像元的标准差就是该成像系统的噪声等效偏振度（NeDoLP）。探测器具体参数如表1所示。图7 实验示意图表1 偏振探测器参数利用本文建立的探测器仿真模型计算出硅片的线偏振度仿真值，公式19计算出硅片线偏振度的理论值，与实验的测量值进行对比，图8展示了三组数据的变化曲线，从图中可以看出，三组数据存在一定偏差，这可能与硅片调节角度误差、面源黑体稳定性、干涉效应、硅片摆放是否平行等因素有关，但在误差允许的范围内，实验验证了偏振探测系统的性能，也证明了本文建立仿真模型的可靠性。NeDoLP测量结果如表2所示。图8 线偏振度理论值、测量值与本文模型仿真值曲线图表2 实验结果从上表可以看到NeDoLP的测量值与仿真值的差值基本能控制在5%以内，实验结果再次印证了本文设计的模型的可靠性。实例计算应用建立的模型对高2.3m，宽2.7m，温度47℃，发射率为1的目标的最远探测距离进行预测，目标差分温度6℃；背景温度27℃；发射率1；目标偏振度30%，背景偏振度1%，使用3.2节中样机的探测器参数，最后，采用文献中介绍的“等效衰减系数-距离”关系的快速逼近法对红外探测系统最远作用距离R进行求解，得到表3的结果。表3 红外成像系统的最远作用距离根据红外探测系统最远探测距离，利用本文第二节提出的方法，得到不同探测概率下红外偏振成像系统最远作用距离结果如表4所示。表4 红外偏振成像系统的最远作用距离所选例子为目标与背景偏振度差异大于其温差，所以在这种探测场景下红外偏振成像系统的探测能力要优于红外成像系统。探测器的参数不同，探测场景与目标的变化都会对模型的结果产生影响，但本文提供的成像系统作用距离模型可为实际探测中不同应用场景下的成像系统选择提供参考。结论针对不同的探测场景，红外成像系统与红外偏振成像系统在最远探测距离方面哪个更有优势并没有定论，探测目标的大小，背景与目标的温差与偏振度差，大气透过率，具体探测器的参数等因素都会对成像系统的最远探测距离产生影响。经实验验证，本文所建立的非理想红外偏振成像系统的响应模型是可靠的，可以用于估算成像系统的最远作用距离，针对不同的探测场景，读者可通过实验确定探测器的具体性能参数，利用仿真软件或实验测量的方式获取探测目标的温度与偏振信息，明确探测环境的具体大气参数，利用模型对红外成像系统与偏振成像系统的最远作用距离进行预估，选择更具优势的成像系统。这项研究获得上海市现场物证重点实验室基金（No. 2017xcwzk08）和上海技术物理研究所创新基金（No. CX-267）的资助和支持。论文链接：http://journal.sitp.ac.cn/hwyhmb/hwyhmbcn/article/abstract/2023041

▲图 | 太赫兹扫描隧道显微镜系统（来源：资料图）太赫兹，是介于远红外和微波之间的电磁波，具有光子能量低、穿透性好等特点，在高速无线通信、光谱学、无损伤成像检测和学科交叉等领域具备广泛应用前景，被誉为“改变未来世界的十大技术”之一。简单来看，太赫兹扫描隧道显微镜系统就是一个超快摄影机，只不过它要观察和拍摄的对象是分子和原子世界，并且拍摄的帧率在亚皮秒量级。对于非线性太赫兹科学来说，控制太赫兹脉冲的“载波包络相位”，即激光脉冲的载波与包络之间的关系至关重要，特别是用于超快太赫兹扫描隧道显微镜时。太赫兹载波包络相位移相器的设计和实现，在利用太赫兹脉冲控制分子定向、高次谐波生成、阈上电离、太赫兹波前整形等领域，均具备潜在应用价值。（来源：Advanced Optical Materials）1. 为调控太赫兹的载波包络相位提供新方案据介绍，王天武在中科院空天信息研究院（广州园区）-广东大湾区空天信息研究院担任主任和研究员等职务，研究方向为太赫兹技术。目前，其主要负责大湾区研究院的太赫兹科研队伍建设。该研究要解决的问题在于，常规探测手段只能得到静态的原子形貌图像，无法观察物质受到激发，例如经过激光辐照后的动态弛豫过程图像，即无法观察到激子的形成、俄歇复合、载流子谷间散射等过程，而这些机理的研究，对于凝聚态物理学包括产业化应用都非常重要。原因在于，这些动力学过程发生的时间尺度，往往都在皮秒量级，即万亿分之一秒的时间，任何普通调控手段均无法达到这一时间量级。利用飞秒脉冲激光技术，能显著提高扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）这一扫描探针显微术工具的时间分辨率。但是，目前仍受到多种因素的限制，比如样品和针尖制备困难、针尖的电容耦合效应、脉冲光引起的热膨胀效应等。太赫兹的脉冲宽度位于亚皮秒尺度，其电场分量可被看作一个在很宽范围内、连续可调的交流电流源。因此，将太赫兹电场脉冲与 STM 结合，利用其瞬态电场，即可作用于扫描针尖和样品之间的空隙，从而产生隧穿电流进行扫描成像，能同时实现原子级空间分辨率和亚皮秒时间分辨率。如前所述，太赫兹扫描隧道显微镜系统好比一个超快摄影机。但是，太赫兹电场脉冲和 STM 的实际结合过程，却并非那么简单，中间要攻克诸多难题。其中一个最基础的重要难题，在于太赫兹源的相位调控技术。太赫兹扫描隧道显微镜系统是利用太赫兹激发针尖尖端和样品之间的空隙，来产生隧穿电流并进行采样。不同相位太赫兹源的电场方向不一样，这样一来所激发的隧穿电流的方向亦不相同。根据不同样品施加不同相位的太赫兹源，可以更好地匹配样品，进而发挥系统性能优势，借此得到高质量光谱。因此，通过简单高效的途径，就能控制太赫兹脉冲的载波包络相位，借此实现对于隧道结中近场太赫兹时间波形的主动控制，同时这也是发展超快原子级分辨技术的必备阶段。通常，超短脉冲的载波包络相位，必须通过反馈技术来稳定。除少数例子外，比如用双色场激光等离子体产生的太赫兹辐射源，大多数商业化设备产生的太赫兹脉冲的载波包络相位都是锁定的，例如人们常用的光整流技术生成的太赫兹脉冲。多个太赫兹偏振元件组成的复杂装置，可用于控制太赫兹脉冲的载波包络相位。然而，鉴于菲涅耳反射带来的损耗，致使其插入损耗很大，故无法被广泛应用。另外，在太赫兹波段，大部分天然材料的色散响应较弱、双折射系数较小，很难被设计成相应的载波包络相位控制器件，因此无法用于具有宽频率成分的太赫兹脉冲。与天然材料相比，超材料是一种由亚波长结构衍生而来的、具有特殊光学特性的人工材料，其对电磁波的色散响应和双折射系数，均可进行人为定制。虽然超材料技术发展迅猛。但是，由于近单周期太赫兹脉冲的宽带特性，利用超材料对太赫兹脉冲的载波包络相位进行控制，仍是一件难事。为解决这一难题，王天武用超材料制备出一款芯片——即柔性太赫兹载波包络移相器，专门用于控制太赫兹脉冲的载波包络相位。该芯片由不同结构的超材料阵列组成，可在亚波长厚度和不改变太赫兹电场极化的情况下，实现对太赫兹载波包络相位的消色差可控相移，其对太赫兹脉冲的载波包络相位的相移调制深度高达 2π。相比传统的太赫兹载波包络相位移相器，该移相器具有超薄、柔性、低插损、易于安装和操作等优点，有望成为太赫兹扫描隧道显微镜系统的核心部件。近日，相关论文以《基于超材料的柔性太赫兹载波环移相器》（Flexible THz Carrier-Envelope Phase Shifter Based on Metamaterials）为题发表在 Advanced Optical Materials 上，李彤和全保刚分别担任第一和第二作者，王天武和空天信息创新研究院方广有研究员担任共同通讯作者。▲图 | 相关论文（来源：Advanced Optical Materials）审稿人认为：“此研究非常有趣、简明扼要，研究团队完成了一套完备的工作体系。该芯片的设计和实现，为调控太赫兹的载波包络相位提供了新的解决方案。”2. 建立国际领先的太赫兹科学实验平台据介绍，王天武所在的研究院，围绕制约人类利用太赫兹频谱资源的主要科学问题和技术瓶颈，致力于形成一批引领国际的原创性理论方法和太赫兹核心器件技术，以建立国际领先的太赫兹科学实验平台。他说：“太赫兹扫描隧道显微镜是我们院的一大特色，该设备摒弃了此前施加电压的方式，以太赫兹为激发源，去激发探针尖端和样品之间的间隙，从而产生隧穿电流并进行成像。相关技术在国内属于首创，在国际上也处于领先水平。”在诸多要克服的困难中，太赫兹载波包络相位的调制便是其中之一。入射太赫兹的相位大小对激发的隧穿电流的幅值、相位等信息影响甚大，是提高设备时间和空间分辨率必须要解决的重要问题之一。由于设备腔体比较长，并且腔体内部为高真空环境，与外界空气是隔绝的。传统的太赫兹相位改变方式比较难以实现，因此需要研发新型的相位调制器件。而该课题立项的初衷，正是希望找到一种结构简单、但是对太赫兹载波包络相位调制效率高的方法和装置，以便更好地服务于太赫兹扫描隧道显微镜系统。在文献调研的初始阶段，该团队商定使用超材料来制作太赫兹相位调制器。具体来说，其利用特定的金属分裂环谐振器的几何相位、以及共振相位，来控制太赫兹脉冲的载波包络相位值。之所以选择金属分裂环谐振器作为基本相控单元，是因为在一定条件下，它对太赫兹具有宽谱响应。当任意方向的线偏振波与谐振器耦合时，入射电场分量可映射到平行于谐振器对称轴和垂直于谐振器对称轴，借此可以激发谐振器的对称本征模和反对称本征模。此时，通过改变金属分裂环谐振器的几何相位和共振相位，散射场的某一偏振分量的电场相位会相应延迟，大小可以轻松覆盖 0-2π。但是，由于存在电偶极子的双向辐射，导致金属分裂环谐振器存在明显的反射和偏振损耗。为此，课题组引入了一对正交的定向光栅，利用多光束干涉的方式解决了谐振器插入损耗大的问题。随之而来的另一难题是，由于正交光栅的存在，导致入射波和透射波之间的电场偏振始终是垂直的，在太赫兹扫描隧道显微镜系统的工作中，这是不被允许的。好在样品均是由互易材料制成的，于是这一问题很快迎刃而解。随后，该团队采用常规紫外光刻、电子束沉积以及聚酰亚胺薄膜上的剥离技术，制备出相关样品，并利用太赫兹时域光谱系统，对所制备的样品性能进行表征。当入射的太赫兹脉冲，依次被样品中不同的微结构阵列调制时，研究人员通过太赫兹时域光谱测量，清晰观察到了太赫兹脉冲的时间波形的变化，且与仿真结果十分吻合。此外，课题组还在广角入射和大样品形变时，验证了该样品的鲁棒性。总而言之，该成果为宽带太赫兹载波包络相位的控制，提供了一种新型解决方案，并在不改变太赫兹电场极化的情况下，利用“超材料”在亚波长厚度的尺度上，实现了针对宽带太赫兹载波包络相位的消色差可控相移。关于这一部分成果的相关论文，也已发表在《先进光学材料》期刊。（来源：Advanced Optical Materials）据介绍，此次芯片能把太赫兹的相位最高移动至 2π 大小，并且具有大的光入射角度和良好的柔韧性等优点，在太赫兹扫描隧道显微镜系统，以及其他相关领域有较高的应用价值。但是，该芯片目前仍存在一个缺点，即无法做到太赫兹载波包络相位的连续调制。这是由于，采用的金属分裂环谐振器是单次加工制成的，所能调制的几何相位和共振相位已经确定，无法再被人为改变。因此，使用过程中只能通过加工特定结构的芯片，来实现所需相位的调制。未来，该团队打算将当下比较热门的二维材料、相变材料、液晶材料等材料集成到芯片中，这些材料的优势在于光学性能可被人为改变。同时，其还将综合电、光、热等手段，实现金属分裂环谐振器几何和共振相位的主动控制，从而实现对太赫兹脉冲的连续载波包络相位调制。此外，课题组也会继续优化微加工工艺和原料制备流程，进一步提升芯片的综合性能指标，比如器件的低插入损耗、高工作带宽等，同时也将降低制造成本，以便后续的产业化推广。

没有测量就没有科学技术，没有超精密测量仪器，就不会有高端装备制造。然而多年来，中国制造业升级几乎是由国外超精密测量仪器来支撑，这是我国高端制造的短板之一。中国在超精密测量仪器领域，是否能够实现颠覆性技术突破和技术的持续跃迁，从而实现追随、并行、赶超，让“卡脖子”不再来？渐进式创新常有，颠覆性创新不常有，尤其是在历经几十年发展的激光测量技术领域。为了追求“变不能为能，使激光测量仪器具有更高精度、更小体积、更方便使用、更低造价”，清华大学教授张书练不介意是否进“冷门”坐“冷凳”，深挖激光现象不止，转化激光现象为纳米测量技术不停。从发现现象开始，到把现象推化为仪器原理，他取得了一系列颠覆性技术成果：发明了新型原理双折射（-塞曼）双频激光器，开发出十多种世界独一份的激光器纳米测量仪器。目前，多种仪器已经实现应用，部分实现规模产业化，在光刻机、机床、航空航天等领域得到广泛应用，带动了纳米测量，对科学技术做出了的重大贡献。张书练教授近日，仪器信息网有幸采访到这位非常具有创新性且多产的科学家，请他谈一谈自己这条深耕了40年的偏振正交激光器纳米测量技术的研究和应用之路。 路自创新开，果从问题来张书练生于农村，每每假期，他都下地干活，十分卖力。经历过多次旱涝，也常见春天的盐碱覆盖农田，缺苗少棵。百姓靠天吃饭，常靠政府救济。锄头的力量实在有限，既解决不好温饱更帮不了别人。他从高中课堂里，学到了蒸汽机、内燃机、电力、化肥，知道这才是“改天换地”的力量。20世纪60年代，清华大学在四川绵阳建立分校，张书练作为清华大学精仪系（原机械系）光学仪器专业学生，随校远赴绵阳，毕业后留校，被纳入分校（现在的清华电子系）激光专业任教。70年代，国家恢复研究生招考，张书练考入清华大学精仪系光学仪器专业，并回到北京。硕士论文的研究内容是激光陀螺，毕业后又在精仪系任教。激光技术的基础和精密仪器系的环境，使张书练走进了“激光”和“纳米测量”学科交叉的方向，心底的追求使他迈向“不创新我何用，不应用我何为”的道路。《不创新我何用，不应用我何为——你所没有见过的激光精密测量仪器》是张书练教授于2021年3月出版的学术书，总结了自己近40年有新意和有重要性的成果。在写作过程中，他从回顾中感悟到：失败和质疑是开辟创新之路的动力。在中国仪器界，过去长期大幅度落后于西方先进国家，这给了我国一个模仿、学习、跟进的快速成长机会。但现在或不远的未来，如何在无人引领的前沿仪器领域保持创新？张书练教授认为，“科学家应该见问题而喜，我们就是为解决问题才当教授的。有失败和质疑，就有需要解决的问题，才会有连续不断的成果并产生各种应用。”例如，张书练教授在研究环形激光器测量弱磁场和测量位移受阻，产生了双折射-塞曼双频激光器，今天显示出其突出重要性；申请“激光器纳米测尺”，被专利审查员质疑，因为形似一样实为不同，抗辩中接触了激光回馈，把他创新的正交偏振激光器引入激光回馈又开辟了一个新的方向，如今已是“枝繁叶茂”。坚韧不拔，金石可镂谈及对创新的执着，张书练教授说“坚韧不拔，金石可镂，才能攀上创新高峰，落实到应用”。他研究的双折射双频激光器，历经30余年才实现批量应用，是张书练教授攀上高峰的范例之一。近50年来，塞曼氦氖双频激光器作为光源的干涉仪——双频激光干涉仪，一直是机械制造、IT（光刻机）等行业不可替代的纳米测量仪器。而由于原理限制，这种传统塞曼双频激光器存在三大缺憾。首先，两个频率之差一般在3兆赫兹左右。这一小频率差成为双频激光干涉仪提高测量速度的瓶颈，测量速度一直不超过1米/秒，成为提高测量导轨、光刻机、机台等设备测速的障碍。第二，需要加大频率差时，激光器的功率大幅度下降，7兆赫兹频率差激光功率下降到一百多微瓦，甚至几十微瓦，测量路数受到瓶颈性限制。此外，塞曼双频激光器输出的偏振旋转的光束，需要经转化才成为偏振与光传播方向垂直的光（线偏振），这给干涉仪带来几纳米，甚至10纳米的非线性误差。中国计量院的测试表明，非线性误差不仅是塞曼双频干涉仪的缺憾，也存在于单频干涉仪和其他类型的激光干涉仪中。该如何跳出这一窠臼？从物理原理再出发！张书练教授自1985年起开始了寻找产生大频率差方法，也即偏振正交激光器的研究。通过梳理、探究激光器的原理、特性和频率稳定技术，从普通的晶体双折射现象中，他找到了解决问题的契机。基于此，通过在激光器内置晶体石英片，使激光频率分裂，一个频率分成两个偏振方向互相垂直的光频率，晶体石英片的厚度，放置角度的微小改变，即可实现频率差的大范围改变，一个全新的双频激光器产生了——双折射双频激光器，其可输出40MHz到数百MHz频率差的光。如再加上横向磁场，成为双折射-塞曼双频激光器，输出~0MHz到数百MHz频率差的光。双折射（-塞曼）双频激光器为双频激光干涉仪性能的阶跃（减小非线性误差，提高测速，增加测量路数）做好了准备。利用双折射产生双频是把石英晶体片安放于激光器内，张书练证明双折射双频激光器的可行性。进一步，找到了消除两个频率相互竞争的“死区”，解放出0~40兆赫兹频率差的方法，这其中有复杂的物理问题，又有复杂的技术问题。再进一步，就是找到能实用、最优的双折射双频激光器的结构，包括实现全内腔，真空封接方式，消除环境温度变化影响等。为此，十几位研究生（博士，硕士）和工程师长期持续攻关，难以计数的实验，否定之否定，最终发明了内应力激光腔镜，即把双折射做在激光器反射镜内。这一激光器称之为双折射-塞曼双频激光器。这一颠覆性的激光器技术站在了世界双频激光的最前列。最后的胜利要体现在双频激光干涉仪上，只有把双折射双频激光器作光源的双频激光干涉仪做出来，并在应用中纠错改进，被应用认可，推广开，才算成功。从原理设计、实验验证装置、工程样机到仪器产品的跨越，可谓“古来征战几人回”。“熬人！”张书练教授用两个字表达了自己的体会，但他的脸上却洋溢着自豪。“从提出原理，到实验验证，再到产品化，并应用到双频激光干涉仪中。一开始仪器不稳定，我们就不停做调整，做工艺改造。在这个过程中，十几年就过去了。”张书练教授说到。如今，张书练教授发明的以双折射双频激光器为核心的激光干涉仪已成功实现批量商用。该仪器可广泛应用于科学研究、光刻机、数控机床、航空航天、舰船等行业；其核心部件——双频激光器，基于双折射产生激光双频的原理，比国内外传统的塞曼双频激光器的激光功率高四倍、频率差大一倍或两三倍、最近达到13倍（40MHz），且没有两个频率之间耦合串混，分辨率达到1纳米，线性测量长度范围0到70米，非线性误差小于1纳米，测量速度超过2米/秒。这些技术指标，满足了机床检定、高端光刻机工件台定位等应用的要求。据透露，华为等经过广泛调研，选定了张书练教授的双频激光干涉仪，此外，相关机构也选定了张书练教授的双频激光器。独辟蹊径，步步生花双折射-塞曼双频激光器和干涉仪的成功是是从“冷门”里出来的，张书练教授认为，“被世界公认为那种‘红的’、‘紫的’领域，最有创新的工作往往已经完成了，再跟过去，虽然也能发表文章，也能突破，但仅仅是在人家设计好的大筐子里做。”“冷门”研究，说起来容易，做起来难。因为探索的是新原理的仪器，研究的是几乎空白的领域，张书练教授在工作展开过程中不可避免地遇到了太多的问题，他却对此保持了一个非常乐观的心态。在激光器的研究过程中，他深入揭示了其物理现象（获教育部自然科学一等奖两项），如以往不能观察的激光模分裂、模竞争、正交偏振，正交偏振回馈等，并从新发现的这些现象中思考，独辟蹊径，步步生花。在为双频激光干涉仪研究双折射（-塞曼）双频激光器的同时，张书练教授研究了双折射双频激光器的两个频率之间的耦合，也就是它们相互争夺（竞争）能量的过程，看到一个频率光强度增加伴随另一个频率的光强度减小，直至一个到最大时另一个被熄灭，周而复始。一个全过程正好是激光谐振长度变化半个光波长（316纳米），电路处理后，一个上升沿、下降沿是78纳米。这就是张书练教授发明的氦氖激光器纳米测尺等仪器，获得了国家发明二等奖（2007年）。激光的两个偏振正交的频率是因在激光器内放入了晶体石英或应力元件产生的，反过来，测出激光器的频率差就知道了激光器内的元件有多大内应力，多大内部双折射，这就发明了世界最高精度的光学波片和双折射的测量仪器，比传统仪器高一个量级。特别是测量方法可溯源到自然基准——光的波长。其至今成为唯一的国家标准的测量方法，也是世界上第一个波片相位延迟标准。客户利用这种仪器对加工过程中激光陀螺的元件进行内应力检测，找到了残余应力的成因，显著提高了精度。上海光机所用标准仪器校准了用于核聚变研究的激光玻璃内应力测量的仪器。这款仪器使他再次获国家发明二等奖（2010年）。气体HeNe激光器可以做出以上仪器，固体微片（毫米尺寸）激光器能有所作为吗？张书练教授指导博士生开始固体微片（毫米尺寸）激光双频激光干涉仪的研究，也取得了成功，研制出国内外第一台固体微片激光双频干涉仪，第一台固体微片激光回馈位移测尺。张书练教授从最基本的激光原理和光学原理出发，以解决问题为导向，一个又一个的创新思维，指导开发出这些世界独一份的纳米仪器，应用并产业化，从而创建了“偏振正交激光器纳米测量”学术体系。仪仪相连，都是“中国创”张书练教授带领团队展开的研究工作，像葡萄树一样，一直向上开花结果。行进中，来了一个又一个“中国创”的机会，横向看去，仪仪相连成片，都是颠覆性的技术。激光回馈本来是激光系统中“绝对的害群之马”，张书练教授之前看过相关的文献，却没有想到要去研究它。因“位移自传感器氦氖激光器系统及其实现方法”专利在申请的时候被专利审查员驳回，说其与美国伯克利分校的一个专利相同，张书练教授便仔细阅读了审查员提供的对比文件，发现两个专利在结构上非常雷同，核心元件一样多，摆放顺序一个样，却因一个镜片的差别，使其原理完全不同，属于两个分支。张书练教授的专利，在镜片两面都镀上了激光消反射膜，光线没有反射地通过，镜片仅仅起到密封激光器的壳内气体的作用，完全不遮挡光线，所以被称为窗口片；而伯克利的这个镜片是个高反射率镜片，激光器靠其对光束的反射形成振荡。也就是说，一个与激光振荡无关，一个是激光器振荡的必需元件，即前者是激光振荡系统，后者是激光回馈系统。张书练教授想到，如果自己的偏振正交激光原理引入回馈，又会是什么行为呢？试一试！张书练教授先安排一个研究生研究激光回馈技术，要亲自看清了激光回馈的行为，思考激光回馈技术走向何方。自然想起偏振正交激光器技术，他用偏振正交激光器改造了激光回馈，于是，观察到若干新的现象，形成了偏振正交激光器回馈纳米测量系列技术和仪器，把激光回馈技术推上了一个新的高度，也使偏振正交激光器“再添双翅”。或走入他的实验室参观，或阅读他的四部专著（《正交偏振激光原理》、《激光器和激光束》、《Orthogonal Polarization Lasers》、《不创新我何用，不应用我何为——你所没有见过的激光纳米测量仪器》）和近400篇论文，可看到，张书练教授及其团队研制出的激光回馈光学相位延迟/内应力在线测量仪、激光回馈纳米条纹干涉仪、微片激光（Nd：YAG和Nd：YVO4）共路（和准共路）移频回馈干涉仪、激光回馈远程振动和声音测量仪、激光回馈材料热膨胀系数测量仪、微片固体激光万分尺、Nd：YAG双频激光干涉仪、微片固体激光回馈共焦测量技术、微片固体激光回馈表面测量技术等十余种国内外独有的纳米测量仪器，仪仪相连，构建出了一个“正交偏振激光器回馈纳米测量仪器”体系。“步步生花”的“偏振正交激光器纳米测量仪器”和“仪仪相连”的“偏振正交激光器回馈纳米测量仪器”，构建成了一个完整的“偏振正交激光器及纳米测量”体系。“其中，激光器是核心，我们看见并解决了他人没有想到的问题，仪器的‘台阶’也就上来了。”张书练教授说他和团队的成果鲜明特征是，“激光器就是仪器，仪器就是激光器自身。”坐实创造，不让论文变“云烟”在实验室里，一个博士生来了，做完实验，毕业后离开，然后再来一个博士生，这是一种很正常的安排，却往往使经验和教训难于传承，因为论文里面记录的一般都是好的结果，不常写入失败和纠正错误的过程，传承不全面。张书练教授很早就注意到了这个问题，因此邀请了4个工程师来实验室工作，由他们和学生一起完成实验。也正是这些工程师的工作，帮助张书练教授及其团队传承了一个个技术和仪器。张书练教授很注重团队研究课题的取舍，发现论文漂亮，实际上不能应用的，或更改方案，或暂时放下；发现论文漂亮，实际应用可能性大的，就持续研究，做实验样机。一直找机会仪器化，把首创的技术和仪器推向应用。除了双折射双频激光干涉仪外，国内外首台基于激光回馈原理的纳米分辨力固体激光回馈干涉仪也已经实现产业化，在美国圣路易斯华盛顿大学、合肥工业大学（三台已应用10年）、上海理工大学、北京理工大学等处被应用，且使用情况良好。该仪器能够无接触地测量微、轻、薄、黑、烧红等目标的移动量，以及水、酒精等液面的位移和高度变化，完全不需要在被测物上加附件配合，可用于监测航天相机的支架和镜面形变等。该仪器还可用于刻划光栅的金刚车刀，光束直接射向车刀，颠覆了以往光束射向车刀支撑臂的方式，将测量误差减小到1/4。“这些仪器，我想无论如何还是要传承下去。我在这块做了几十年研究，花了国家不少钱，要回馈给社会，这是我目前所想的事儿。虽然已经有几款仪器实现了产业化，但还是希望另外几款仪器也能‘成气’，至少，有仪器公司能把它接下来，由企业来推动仪器化、产业化。”张书练教授说到。据悉，北京镭测科技有限公司正努力把仪器产业化，尤其是双频激光干涉仪已经被几个半导体企业采购，担当起半导体全产业链一个重要环节国产化替代的历史重任。此外，华为、德国Blankenhorn和福建福晶科技有限公司等国内外企业也在为张书练教授团队仪器的产业化和推广而努力。凡是新原理的东西，想要真正被社会所认可，尽管再好用，再有潜力，都是要花时间的。且由于历史和思维定式，国外多年强势，要国人接受中国自己的创造有很多事要做，要国人接受国产高档激光仪器也是一个循序渐进的过程。张书练教授对此表示：“困难怕意志，中国创、世界用的时代一定会到来！” 个人简介张书练，清华大学本科，硕士，教授，博士生导师。激光和精密测量专家，偏振正交激光器纳米测量技术的国内创建人和国际主要创建人。作为第一完成人，获国家技术发明二等奖两项，教育部自然科学一等奖两项，电子学会发明一等奖一项等十余次奖项。他在ISMTII-2017国际学术会议上被授终身贡献奖。出版专著：唯一作者3部，第一作者1部，主编国际会议专题文集2部，计测技术“教授论精密测量”一期，发表论文360余篇，发明专利权80余项。发明的双折射-双频激光器及干涉仪等纳米测量仪器已经批产。

在宇宙深处，像黑洞这样的神秘天体一直吸引着大量的天文学家和天文爱好者的目光，但是目前能够很好观测这种星体的手段并不多。　　而天宫二号空间实验室携带的一台天文观测设备，就有可能在这一领域获得突破，它就是伽马暴偏振探测仪。　　这台设备叫做伽马射线暴偏振探测仪，它的任务是对宇宙当中的伽马射线暴进行探测。在宇宙中，只有温度极高、密度极高、磁场极强的星体里，才可能产生这种射线，因此它的存在可能就是黑洞留下的痕迹。　　伽马暴偏振探测仪首席科学家 张双南研究员：因为伽马射线暴，伽马射线的产生，是从极端相对论性的喷流里面产生的，这种极端相对论性的喷流，它的速度接近光速，这是在黑洞附近，或者是在中子星附近，极端的引力场里面所产生出来的。　　在过去，对伽马射线的测量只能测到它的能量，方向，和时间等信息，但是这一次，天宫二号要从全新的领域来探寻这种宇宙中的神秘射线，这就是伽马射线的偏振信息。那么什么是偏振呢?这其实是电磁波，也就是光的一种特性。　　伽马暴偏振探测仪首席科学家 张双南研究员：如果我们到海边，我们看到海面，白茫茫的一片，因为从海面来的这种光的偏振的，如果戴上偏振的镜子之后，我们就能够看到海面上的波浪，看得比较清楚。　　同样伽马射线的偏振特性里，也记录了产生它的星体的结构甚至磁场的形态信息。解读这些信息，很可能让我们对黑洞有新的认识。所以天宫二号携带的这台伽马射线偏振探测仪就是要以独特的设计，对伽马暴的偏振性质进行系统性地高精度测量，填补这个国际天文研究的空白。　　伽马暴偏振探测仪首席科学家 张双南研究员：它是一种特殊的天文望远镜，它实际上是由1600个，对伽马射线光子敏感的器件组成的，通过分析伽马射线在这1600个敏感器件上的信号分布，我们最终来推算伽马射线的偏振性质。　　为了打造这个探索宇宙秘密的特殊望远镜，来自瑞士和波兰的科学家也参与到了它的研制当中，这也成了天宫二号上所携带的唯一一台国际合作的科学设备，因此，全世界的科学家都在对这次任务充满期待。　　伽马暴偏振探测仪首席科学家 张双南研究员：我们希望这台仪器设计的灵敏度比国际上已有的，专门用于伽马射线暴偏振的仪器的灵敏度提高至少十倍，所以无论是从它的灵敏度和它的精度两方面来讲我们这个仪器都是最好的。

一、触摸屏偏光应力仪产品简介YLY-H偏光应力仪（玻璃制品应力检查仪）是应用偏振光干涉原理检查玻璃的内应力或晶体双折射效应的仪器。执行 YYB003320O2、 YBBO○ 162003标 准。由于仪器备有灵敏色片，并应用1/4波片补偿方法，因此本仪器不仅可以根据偏振场中的干涉色序,定性或半定量的测量玻璃的内应力，还可以准确定量的测量出玻璃内应力的等级。本仪器适含光学仪器厂、玻璃制晶厂、 实验室作测量光学玻璃、 玻璃制晶及其它光学材料的应力值,二、触摸屏偏光应力仪产品特点l 定性、 定量两种试验模式, 试验空间可调,适用范围广l 仪器可存储200组数据,每组数据 50个测量值l 采用高精度jue对式角度编码器进行测量，测量精度优于2.0nml 触摸屏显示，可同时显示测量角度及光程差数值，用户可直观获得所需数据，使测量直观易读。l 暗视场无需校准，采用了jue对式编码器，偏振场的暗视场总是处于零角度点，因此无需用户校对零点，避免了人为校对暗视场造成的误差。l 绿色节能，采用了更加节能环保的LED光源，相对传统光源节能80%以上。l 配备微型打印机，方便打印输出试验数据l 配备USB接口，可接PC软件控制仪器运行l 自动保存历史试验记录，本地查询，并可导出至电脑端EXCEL格式保存l 触屏端操作用户三级权限设置，完全满足GMP权限认证l 测试记录审计、追踪功能l 试验结果同步上传至云端服务器保存，在世界各地，有网络就可浏览。l 本地数据与云端数据双重备份，确保数据不会丢失三、技术指标项目特点仪器示值0.1毫微米测量精度2毫微米偏振场直径150亳米捡偏振片旋转角度-180 ~+180度数据保存200组每组数据50个测量值光场边沿亮度120cd/m2可调测量距离范围280mm外形尺寸220mm（L）×350mm（B）×580mm（H）净重12Kg电源AC 220V 50Hz使用环境温度10—40 oC创新点：YLY-H偏光应力仪（玻璃制品应力检查仪）是应用偏振光干涉原理检查玻璃的内应力或晶体双折射效应的仪器。执行 YYB003320O2、 YBBO○ 162003标 准。由于仪器备有灵敏色片，并应用1/4波片补偿方法，因此本仪器不仅可以根据偏振场中的干涉色序,定性或半定量的测量玻璃的内应力，还可以准确定量的测量出玻璃内应力的等级。本仪器适含光学仪器厂、玻璃制晶厂、 实验室作测量光学玻璃、 玻璃制晶及其它光学材料的应力值,

氧化石墨烯液晶材料由于其片径之间产生取向堆叠而展现出独特的物理性能，让其在光电器件、储能器件和电磁屏蔽领域的应用备受关注。片径取向程度也影响着材料相应的性能。近日，中科院苏州纳米所钱波课题组开发了一种新型氧化石墨烯液晶材料的制备方法，并成功制备了片径具有长程高度取向的氧化石墨烯液晶材料。该方法依据氧化石墨烯分散液的流变参数和衣架式挤出模具的设计，借助摩方精密PμSL 3D打印技术（NanoArch S140），定制化的制备出100 μm狭缝厚度的衣架式挤出模具；随后利用此模具在玻璃衬底上挤出氧化石墨烯液晶材料，成功制备出取向结构的氧化石墨烯液晶材料，并且该材料在偏振显微镜下未观察到明显双折射条纹。该成果以“Preparation of graphene oxide liquid crystals with long-rangehighly-ordered flakes using a coat- hanger die”为题发表在RSCAdvances期刊上。原文链接：https://doi.org/10.1039/D1RA01241J图1 长程取向结构氧化石墨烯液晶材料制备示意图图2 五组不同浓度的氧化石墨烯分散液（2mg/mL~10 mg/mL标记为GO-2～GO-10，片径直径约为50μm）的流变测试结果从流变测试中可以看到，氧化石墨烯分散液的剪切粘度与剪切速率呈非线形关系，是一种典型的非牛顿流体，并且存在剪切变稀现象（shear-thining），这是由于剪切应力使氧化石墨烯片径取向由相互交错趋于相互平行，从而呈现出较低的粘度特性。另外，随着剪切应力的增加，分散液的剪切粘度逐渐降低，这也意味着较大的剪切应力可以使氧化石墨烯片径整体更具有取向性。因此衣架式挤出模具的尺寸和精度对制备长程取向结构的氧化石墨烯液晶材料有着重要的影响。图3 挤出模具的制备实物图和相关设计尺寸图3是通过摩方精密PμSL 3D打印机（NanoArchS140）制备出的衣架式挤出模具实物图，模具实际尺寸与设计保持一致，并且狭缝厚度尺寸十分精确，宽度幅度在2%以内，这也有利于减少材料挤出过程中因尺寸不精确而引起的湍流等副作用的产生。图4 a)未经过挤出模具挤出的氧化石墨烯材料，b)经过挤出模具挤出后的氧化石墨烯材料；尺寸标尺200 μm。从图4对比图中可以看出，经过定制化挤出模具挤出后的材料无明显的双折射条纹，这是由于氧化石墨烯片径高度取向，偏振光无法发生偏振。从偏振显微镜图片可看出，不同浓度的氧化石墨烯分散液经挤出模具挤出后均具有良好的片径长程取向结构。图5 a)经过定制化挤出模具制备的取向结构石墨烯气凝胶；b)未经挤出的无取向结构石墨烯气凝胶；尺寸标尺为200 μm图5为利用定制化挤出模具制备的取向结构石墨烯气凝胶材料，从材料截面电镜图中的红色箭头方向可看出，石墨烯片径具有明显一致的取向结构，并且如黄色箭头所示，氧化石墨烯片径之间相互连接良好，材料整体无明显的纵向空隙。利用此方法制备的片径长程取向结构的石墨烯气凝胶相较于片径无取向的石墨烯气凝胶材料而言，其导电性从32S/m提高到92 S/m，证明片径高度取向的结构能进一步提高气凝胶材料的导电性。 需要指出的是，衣架式挤出模具作为传统高分子液晶的制备工具的研究已开展很多，但受限于模具精度和尺寸多样性，目前未曾有过利用衣架式挤出模具制备氧化石墨烯液晶材料。摩方精密PμSL 3D打印技术因其高精度和高效的制备方法，让定制化的挤出模具应用于长程取向结构氧化石墨烯液晶材料的制备成为可能，并且100 μm的狭缝的厚度是目前衣架式挤出模具制备已知的最小值。依托于摩方精密的3D打印技术，未来对不同片径直径和浓度的氧化石墨烯分散液的液晶制备研究的可能性大大增加，有望能够进一步拓展片径取向结构的石墨烯基材料在众多领域内的应用。

应用专家 易海英 荧光现象荧光是指荧光物质在特定波长光照射下，几乎同时发射出波长更长光的过程(图1)。当特定波长(激发波长)的光照射一个分子(如荧光团中的分子)时，光子能量被该分子的电子吸收。接着，电子从基态(S0)跃迁至较高的能级，即激发态(S1’)。这个过程称为激发①。电子在激发态停留10-9–10-8秒，在此过程中电子损失一些能量②。电子离开激发态(S1)并回到基态的过程中③，会释放出激发过程中吸收的剩余能量。荧光分子在激发态驻留的时间为荧光寿命，一般为纳秒级别，是荧光分子本身固有的特性。利用荧光寿命进行成像的技术叫荧光寿命成像(Fluorescence Lifetime Imaging，FLIM)，可以在荧光强度成像之外，更加深入地进行功能性精准测量，获取分子构象、分子间相互作用、分子所处微环境等常规光学成像难以获得的信息。荧光的另一个重要特性是Stokes位移，即激发峰和发射峰之间的波长差异（图2）。通常发射光波长比激发光波长更长。这是由于荧光物质被激发之后、释放光子之前，电子经过弛豫过程会损耗一部分能量。具有较大Stokes位移的荧光物质更易于在荧光显微镜下进行观察。图2：Stokes位移荧光显微镜及荧光滤块荧光显微镜是利用荧光特性进行观察、成像的光学显微镜，广泛应用于细胞生物学、神经生物学、植物学、微生物学、病理学、遗传学等各领域。荧光成像具有高灵敏度和高特异性的优点，非常适合进行特定蛋白、细胞器等在组织及细胞中的分布的观察，共定位和相互作用的研究，离子浓度变化等生命动态过程的追踪等等。细胞中大部分分子不发荧光，想要观察它们，必须进行荧光标记。荧光标记的方法非常多，可以直接标记（比如使用DAPI标记DNA），或利用抗体抗原结合特性进行免疫染色，也可以用荧光蛋白（如GFP，绿色荧光蛋白）标记目标蛋白，还可以用可逆结合的合成染料（如Fura-2）等。图3：Leica DMi8倒置荧光显微镜及滤片转轮目前荧光显微镜已成为各个实验室及成像平台的标配成像设备，是我们日常实验的好帮手。荧光显微镜主要分为三大类：正置荧光显微镜（适合切片）、倒置荧光显微镜（适合活细胞，兼顾切片）、荧光体视镜（适合较大标本，如植物、斑马鱼（成体/胚胎）、青鳉、小鼠/大鼠器官等）。荧光滤块是显微镜荧光成像的核心部件，由激发滤片、发射滤片和二向分光镜三部分组成，安装在滤片转轮里，如Leica DMi8配有6位滤片转轮（图3）。不同的显微镜转轮位数会有区别，也有些显微镜使用滤块滑板。滤块在荧光成像中起着重要作用：激发滤片选择激发光来激发样品，阻挡其他波长的光；通过激发滤片的光经过二向分光镜（其作用是反射激发光和透射荧光），反射后通过物镜聚焦，照射到样品，激发出对应的荧光即发射光，发射光被物镜收集，透过二向分光镜，到达发射滤片。如图4中：激发波长为450-490nm，二向分光镜反射短于510nm的光、透过长于510nm的光，发射光接收范围为520-560nm。图4：荧光显微镜光路图荧光显微镜常用荧光滤块可分为长通（long pass，简称LP）和带通（band pass，简称BP）两种类型。带通通常由中心波长和区间宽度确定，如480/40表示可通过460-500nm的光。长通滤色片如515 LP，表示可以通过波长长于515nm的光（图5）。图5：FITC光谱曲线及滤片荧光物质具有其特征性激发（吸收）曲线和发射曲线，激发峰为最佳激发波长（激发效率最高，从而可以降低激发光能量，保护细胞和染料），发射曲线为发射荧光波长范围。因此，在实验中，我们会尽可能选择与激发峰最接近的波长进行激发，而接收范围需包括发射峰。如Alexa Fluor 488的激发峰为500nm，在荧光显微镜中可以选择480/40的激发滤片。图6：Alexa Fluor 488光谱曲线滤块的详细信息可以在显微镜成像软件里看到。了解染料并找到最匹配样品的滤块对于荧光成像有着至关重要的作用。荧光染料和荧光蛋白的光谱信息一般在说明书中会注明，也可在网上查阅（如https://www.leica-microsystems.com/science-lab/fluorescent-dyes/、https://www.leica-microsystems.com/science-lab/fluorescent-proteins-introduction-and-photo-spectral-characteristics/）。滤块的选择除考虑荧光探针的激发、发射波长，对于多色标记样品还需考虑是否有非特异激发、是否串色。此外还需考虑所使用的荧光光源，目前常用的荧光光源有汞灯、金属卤素灯，以及近年来飞速发展的LED光源。荧光光源的光谱有连续的和非连续的，在不同波段能量也会不同。LED光源因为其相对较窄的光谱带、更稳定的能量输出、超长的寿命、更安全环保等诸多优点，正逐步成为荧光显微镜的主要光源。除了显微镜内置的滤块，还有外置快速转轮（图7），徕卡的外置快速转轮相邻位置滤片转换速度为27ms，可实现高速多色实验，如FRET及Fura2比例钙成像（图8）等。图7：徕卡外置快速转轮EFW图8：钙成像，Fura2, Cultured hippocampal astrocytes from 18-day-old embryos of Sprague-Dawley rats. Courtesy of: Drs. Kazunori Kanemaru and Masamitsu Iino, Department of Pharmacology, Graduate School of Medicine, The University of Tokyo 丰富多样的荧光显微成像技术为了满足不同的荧光成像需求，除荧光显微镜外，还发展出了各种荧光显微成像解决方案：? 宽场高清成像系统，如Leica THUNDER Imager，采用Leica创新的Clearing专利技术，在成像时高效去除非焦平面干扰信号，呈现清晰图像，同时兼有高速成像的优点；? 共聚焦激光扫描显微镜，利用针孔排除非焦平面干扰，实现光学切片，得到高清图像及三维立体图像；? 突破衍射极限的超高分辨率显微镜及纳米显微镜，可对小于200nm的精细结构进行观察；? 利用多光子激发原理进行厚组织及活体深层成像的多光子成像系统；? 具有高时空分辨率的光片成像技术，成像速度快、分辨率高、光毒性低，特别适合进行发育、活体动态观察等研究；? 荧光寿命成像(FLIM），不受荧光物质浓度、光漂白、激发光强度等因素的影响，能更加深入地进行功能性精准测量；? 荧光相关光谱(FCS)及荧光互相关光谱(FCCS），测量荧光分子的分子数、扩散系数，从而分析分子浓度、分子大小、粘性、分子运动、分子结合/解离、分子的光学特性等；? 全内反射荧光显微镜(TIRF)，极高的z轴分辨率，非常适合细胞膜表面的分子结构和动力学研究。 荧光显微成像技术应用广泛，种类丰富，而且新技术还在不断涌现，大家可以选择最适合的技术去完成自己的研究。

近年来，范德瓦尔斯（vdW）材料中的表面化激元(SP)研究，例如等离化激元、声子化激元、激子化激元以及其他形式化激元等，受到了广大科研工作者的关注，成为了低维材料领域纳米光学研究的热点。其中，范德瓦尔斯原子层状晶体存在特的激子化激元，可诱导可见光到太赫兹广阔电磁频谱范围内的光学波导。同时，具有较强的激子共振可以实现非热刺激（包括静电门控和光激发）的光波导调控。 前期的众多研究工作表明，扫描近场光学显微镜（SNOM）已经被广泛用于稳态波导的可视化表征，非常适合评估范德瓦尔斯半导体的各向异性和介电张量。 如上所述，范德瓦尔斯材料中具有异常强烈的激子共振，这些激子共振能产生吸收和折射光谱特征，这些特征同样被编码在波导模式的复波矢量qr中，鉴于范德瓦尔斯半导体在近红外和可见光范围内对ab-平面的光学化率有重大影响，因此引起了人们的研究兴趣。 2020年7月，美国哥伦比亚大学Aaron J. Sternbach和D.N. Basov教授等研究者在Nature Communications上发表了题为：”Femtosecond exciton dynamics in WSe2 optical waveguides”的研究文章。研究者以范德瓦尔斯半导体中的WSe2材料为例，利用德国neaspec公司的纳米空间分辨超快光谱和成像系统，通过飞秒激光激发研究了WSe2材料中光波导在空间和时间中的电场分布，并成功提取了飞秒光激发后光学常数的时间演化关系。同时，研究者也通过监视波导模式的相速度，探测了WSe2材料中受激非相干的A-exciton漂白和相干的光学斯塔克（Stark）位移。 原文导读： ① 在纳米空间分辨超快光谱和成像（tr-SNOM）实验中（图1，a），研究者先将Probe探测光（蓝色）照到原子力显微镜（AFM）探针的点上，从探针点（光束A）散射回的光被离轴抛物面镜（OAPM）收集并发送到检测器。同时，WSe2材料的中的波导被激发并传播到样品边缘后，进而波导被散射到自由空间（光束B）。二个Pump泵通道（红色）可均匀地扰动样本并改变波导的传播。 通过在WSe2/SiO2界面处的近场tr-SNOM的振幅图像（图1b）可明显观察到约120 nm厚WSe2材料边缘（白色虚线）处形成的特征周期条纹—光波导电场分布。研究者进一步通过定量分析数据，分别获取了稳态和光激发态下，WSe2中波导的光波导的相速度q1,r和q1,p。图1：纳米空间分辨超快光谱和成像系统对WSe2材料中光波导的纳米成像结果。a:实验示意图（蓝色为Probe光，红色为Pump光）；b：近场纳米光学成像 c: 在稳态下，WSe2边缘的近场光学振幅图像；d: 光激发态下，延迟时间 Δt=1ps的WSe2边缘的近场光学振幅图像；e: 分别对c、d进行截面分析，获取定量数据。Probe探测能量，E=1.45 eV ② 研究者通过变化Probe探测能量范围（1.46–1.70 eV）及其理论计算成功获取了WSe2晶体稳态下的色散关系和理论数据显示A-exciton所对应的能量。图2：WSe2晶体稳态动力学的时空纳米成像研究。a: 不同Probe能量的近场光学振幅；b: 傅里叶变换（FT）分析 c: Lorentz拟合的WSe2块体材料介电常数面内组成；d: 基于Lorentz模型理论计算的能量动量分布（吸收光谱）。Probe探测能量，E 1.46–1.70 eV。 ③ 为了进一步研究光激发下WSe2中波导的色散和动力学，研究者进一步在90 nm的WSe2材料上，通过探测能量E = 1.61 eV，泵浦能量E = 1.56 eV，泵浦功率1.5 mW的实验条件进行了一列的纳米空间分辨超快光谱和理论研究。研究结果表明（图3a,b），研究者成功获取到了不同延迟时间Δt与δq2和δq1的关系。结果表明：光激发后的个ps内，虚部q2（图3a）突然下降（δq20）并迅速恢复。另一方面，理论计算结果（图3，c）显示了在A-exciton附近（黑色虚线箭头），初始能量Ex处，稳态（黑色虚线）和激发态A-exciton能量Ex’（蓝色箭头）分别的色散关系。 为了弄清各种瞬态机制，微分色散关系被研究者引入。先，研究者定义了微分关系：δqj=qj,p – qj,r，（j=1,2 分别代表波矢的实部和虚部，p, pump激发态，r 稳态）。研究者的理论及实验微分色散关系结果（图3 d、e）成功显示了光诱导转变中A-exciton的动力学行为。结果表明：A-exciton附近微分色散的特征是由两个伴随效应引起的：（i）仅在Δt=0时观察到的A-exciton的7 meV蓝移； （ii）A-exciton的漂白（定义为光谱频谱展宽和/或振荡强度降低（见图3d）。 趋势（i）在1 ps内恢复，与抑制耗散的动力学一致（图3a）。因此，研究者得出结论，A-exciton共振的瞬态蓝移是由于相干的光诱导过程所引起。 趋势（ii）持续时间更长，因此归因于非相干激子动力学。图3：WSe2中波导模的微分色散和动力学研究。a: δq2与Δt曲线；b: δq1与Δt曲线 c: 平衡和非平衡条件下洛伦兹模型计算的色散关系；d: 理论微分色散关系；e: 实验微分色散关系 综上所述，波导的瞬态纳米超快成像使我们能够以亚皮秒（ps）时间分辨率来量化光诱导变化的WSe2光学特性。研究者在WSe2上成功观察到了光诱导相速度的大幅变化，这表明所观察到的效应可能在范德瓦尔斯半导体中普遍存在。此外，研究者的研究结果表明，我们可以按需调谐范德瓦尔斯半导体的光学双折射行为。另一方面，研究者的工作开创性地发展了利用tr-SNOM探测超快激子动力学的工作，并为利用波导作为定量光谱学工具研究纳米光诱导动力学铺平了道路。研究者认为这种超快泵浦探测方法的高空间和时间分辨率，可能同样适用于新奇拓扑材料中的边缘模式和边缘效应的研究。 neaspec公司利用十数年在近场及纳米红外领域的技术积累，开发出的全新纳米空间分辨超快光谱和成像系统，其Pump激发光可兼容可见到近红外的多组激光器，Probe探测光可选红外（650-2200 cm-1）或太赫兹（0.5-2 T）波段，实现了在超高空间分辨（20 nm）和超高时间分辨（50 fs）上对被测物质的同时表征，可广泛用于二维拓扑材料、范德瓦尔斯（vdW）材料、量子材料的超快动力学研究。 参考文献：[1]. Aaron J. Sternbach et.al. Femtosecond exciton dynamics in WSe2 optical waveguides, Nature Communications , 11, 3567 (2020).

p　　日本东京大学柴田直哉准教授领导的研究小组，利用目前最先进的扫描透射电子显微镜(STEM)和多分区检测器，首次成功观测到金原子内部电场的分布情况——该电场分布在原子核与电子云之间不到0.1纳米的区域内。最新成果对观察原子内部精密结构极为重要，使未来直接观察原子间如何结合成为可能。/pp　　扫描透射电子显微镜电子探针的大小决定对影像的分辨能力，目前最先进镜片技术的影像分辨力可达0.05纳米以下。电子探针可以检测出由原子产生的散射信号，因此可实现原子可视化。尽管到目前为止，电子显微镜可观测到原子，但直接观察原子内部结构(原子核及电子云)却极为困难。/pp　　研究小组使用分辨能力达0.05纳米以下的扫描透射电子显微镜和他们开发的多分区检测器，对一个金原子内部进行观测，结果发现，在带正电荷的原子核与带负电荷的电子云之间电场的影响下，电子束的行进角度和位置发生了变化，从而直接观察到了原子内部的电场分布，成功捕捉到了原子内部电场从原子核向电子云方向涌动的情形。/pp　　目前，电子显微镜广泛应用于物理化学、电子信息工程学、材料科学、生命科学等尖端基础研究领域 也在半导体设备、医疗、信息通信、能源等产业“大显身手”。提高电子显微镜的性能，对纳米技术研究尤为重要。该研究小组的下一步计划是，挑战直接观察原子间如何联系结合这一难题。/pp　　该成果发表在近日出版的《自然· 通讯》网络版上。/p