平凸透镜

导 | 读 近期，瑞士IBM苏黎世研发中心的Colin博士和Swisslitho公司的Martin博士利用热扫描探针(T-SPL)纳米加工技术，配合干法蚀刻解决方案实现了相互作用微腔（两个相邻的光学微腔），并对微腔距离进行了控制，实现了两个微腔光场的相互作用。相关工作发表在Nature子刊 Scientific Report。 T-SPL纳米加工技术 热扫描探针(T-SPL)纳米加工技术是一种灰度刻蚀技术。与传统意义上的3D打印技术相比，3D模型以灰度图的形式呈现和加工，技术难度要比3D打印技术要小得多；而且，灰度刻蚀与标准微电子加工工艺，如沉积和蚀刻等直接兼容，因此具有广泛的应用前景。例如，在光学/光子学方面，它可以用来制造任意光学曲面、多模光波导，光子晶体以及高Q值的光学微腔。在量子光子学中，高Q因子意味着光损失小，单位模式中有更多的光量子。在电子光学上，可以用螺旋结构来将轨道角动量传递给自由电子。相比平面结构，三维结构具备更多的功能和更好的性能。 图1 T-SPL的原理 纳米加工技术对比 传统纳米加工技术中，电子束蚀刻(EBL)是目前先进的直写技术，也能够进行这种灰度的光刻。然而，当结构小于1微米时，电子束在光刻胶内的弛豫散射要计算，需要进行三维距离校正。聚焦离子束(FIB)同样可以用于灰度光刻。然而，由入射离子引起的表面注入，深度延伸可以超过数百纳米，并且需要进行复杂的计算实现临近校正。此外，由于事故的电离造成的损害，FIB加工过的表面对进一步处理非常敏感。此时，T-SPL技术的优势就突显出来了。 T-SPL纳米加工技术的应用 Colin博士利用T-SPL技术，制备了正旋波图形（图2a, b），螺旋相位板（图2c, d），凹透镜（图2e, f），16方格棋盘（图2g, h）。图形结果和设计匹配，棋盘实验中，台阶的高度仅为1.5nm。得益于闭环的直写算法，将每一次直写后探测的深度信息反馈并修正下一行的直写， T-SPL技术实现了纳米高精度的3D直写。图2 利用T-SPL技术制备各种微结构，图形结果和设计匹配 光子分子—双高斯凸透镜DBR光学微腔 Colin博士进一步设计了光子分子——双高斯凸透镜DBR光学微腔（图3）。在SiO2上刻蚀两个相邻的凹高斯透镜结构，并以此为模板制作了TaO5/SiO2布拉格反射镜（DBR）；利用发光染料作为增益介质制备在DBR中间形成法布里-珀罗（Fabry–Pérot）光学微腔，发光燃料层在结构部分形成高斯凸透镜，相邻两个凸透镜各自约束一路光场在DBR中形成谐振。 图3 光子分子的设计，制备和表征 通过加工多种不同间距的凸透镜对，Colin博士研究了不同距离下，两个谐振光场的耦合作用，以期实现基于交互强度控制的类腔阵列量子计算技术。T-SPL高精度3D纳米加工技术必将推动量子计算的研究向一个关键里程碑迈进。 参考文献：Control of the interaction strength of photonic molecules by nanometer precise 3D fabrication. Swisslitho公司荣获“瑞士产品奖” 2017年11月13日，Swisslitho公司因NanoFrazor 3D纳米直写设备（采用热扫描探针纳米加工技术）的研发和特优势获得“瑞士产品奖”。该奖项主要奖授予“具有特、高技术、高质量的、的产品创新能力，具有高价值，强大潜力的公司”。 图为Swisslitho公司团队于苏黎世市中心举行的颁奖典礼 相关产品及链接：1、NanoFrazor 3D纳米结构高速直写机：http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C226568.htm2、小型台式无掩膜光刻系统：http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C197112.htm

未来的显微镜、望远镜甚至相机镜头，或许不再需要复杂、笨重的镜头组，仅通过纳米级厚度的平面薄膜，便可完成光的聚焦、偏转等控制。 记者日前从中科院光电技术研究所（以下简称光电所）获悉，在国家973项目“波的衍射极限关键科学问题”课题支持下，该所微细加工光学技术国家重点 实验室在国际上首次研究证实：利用光子自旋—轨道角动量相互作用的物理原理，“悬链线”可以对光产生稳定、可控的“扳手”作用。就是说用“悬链线”结构制 造的光学器件，可不借助任何凹凸透镜，仅在“二维”平面上便可实现光的折射、反射，甚至让光旋转成任意姿态。 悬链线与抛物线、月牙线或者半圆线不同，是一条两端固定的链条在重力作用下弯曲形成的曲线。它在生活中随处可见，桥梁悬索、架空电缆、街道护栏铁链等都是悬链线结构。 科学家们发现，在诸多形式的悬链线中有一种“等强度悬链线”可以保持结构在不同位置受力一致。那么，它施加到光上的“力”是否也一致呢？在这种奇特 的力学特性启发下，光电所团队用粒子束在厚度仅百纳米的平面金属薄膜表面，刻下纳米尺寸的“亚波长悬链线”连续结构，并证实了刻有这种悬链线“花瓣”的金 属膜，在光束照射后，可产生稳定可控的折射、反射等光学现象。 该团队负责人杨磊磊介绍说，传统意义上光的折射、反射等相位变化，是由于透镜不同厚度产生，而厚度均匀的平面透镜不会产生光的相位变化。此次科学新发现，意味着利用“悬链线”构成的超薄纳米结构，能够在二维平面内实现对光的连续调控。 “如果把光比喻成行进的列车，过去的凹凸透镜如同依靠弯曲的轨道调整列车运行，而现在仅需扳动悬链线这个铁道岔口的‘扳手’，便可改变列车的前进方 向。”杨磊磊介绍说，为进一步确认悬链线的“光学扳手”作用，研究团队还在平面金属薄膜上尝试刻制出不同形状的悬链线“版画”，并通过一种“花瓣状”的圆 形排列阵列，产生了携带完美轨道角动量，呈螺旋式前进的“光漩涡”。而此前研究中，科学家们还曾将月牙形、抛物线形结构刻制在平面上观察光的折射、反射， 结果证实仅有“等强度悬链线结构”具有稳定的光学相位变化。 “传统光学元件其厚度远大于波长，这就是为何天文望远镜、相机镜头需要不同大小的镜头组。但悬链线光学器件，可通过操作纳米级超薄结构的平移、缩 放、旋转等，实现光的相位变化，其厚度远小于波长。”杨磊磊介绍说，未来基于悬链线构建的新型光学元器件，具有轻薄的特点，可广泛应用于飞行器、卫星等空 间探测领域，手机、相机镜头等成像领域。 而这个受自然现象启迪的美妙光学发现，在电磁学、光通讯领域也让人充满遐想。杨磊磊说，按照光子自旋—轨道角动量相互作用的原理，悬链线还可拓展到 包括微波、太赫兹、红外、可见光在内的大部分频谱范围，广泛用于各种电磁器件；而采用悬链线结构的光通信器件，可在同一波长上传输多路信号，提高光通信的 频谱利用率，大大增加光通信的信息传输量。 上述研究成果在美国科学促进会创办的最新期刊《科学进步》上发表后，受到了国际光学界的广泛关注。《中国科学》对其点评认为，这一发现的证实，“证明了纳米悬链线可用于构建超薄、轻量化的光学器件，有望成为下一代集成光子学的核心”。

p 　　作者：Mix + CCL br/ /p p & nbsp & nbsp & nbsp strong 前言： /strong /p p 　　球差校正透射电镜(Spherical Aberration Corrected Transmission Electron Microscope: ACTEM)随着纳米材料的兴起而进入普通研究者的视野。超高分辨率配合诸多分析组件使ACTEM成为深入研究纳米世界不可或缺的利器。本期我们将给大家介绍何为球差，ACTEM的种类，球差的优势，何时才需要ACTEM、以及如何为ACTEM准备你的样品。最后我们会介绍一下透射电镜的最前沿，球差色差校正透射电镜。 /p p 　　 strong 什么是球差： /strong /p p 　　100 kV的电子束的波长为0.037埃，而普通TEM的点分辨率仅为0.8纳米。这主要是由TEM中磁透镜的像差造成的。球差即为球面像差，是透镜像差中的一种。其他的三种主要像差为：像散、彗形像差和色差。透镜系统，无论是光学透镜还是电磁透镜，都无法做到绝对完美。对于凸透镜，透镜边缘的会聚能力比透镜中心更强，从而导致所有的光线(电子)无法会聚到一个焦点从而影响成像能力。在光学镜组中，凸透镜和凹透镜的组合能有效减少球差，然而电磁透镜却只有凸透镜而没有凹透镜，因此球差成为影响TEM分辨率最主要和最难校正的因素。此外，色差是由于能量不均一的电子束经过磁透镜后无法聚焦在同一个焦点而造成的，它是仅次于球差的影响TEM分辨率的因素。 /p p style=" text-align: center" img style=" width: 450px height: 246px " src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/565984ed-0352-4b62-8539-a16db18b6f6b.jpg" title=" 1.jpg" height=" 246" hspace=" 0" border=" 0" vspace=" 0" width=" 450" / /p p style=" text-align: center " strong 图1：球差和色差示意图 /strong /p p 自TEM发明后，科学家一直致力于提高其分辨率。1992年德国的三名科学家Harald Rose (UUlm)、Knut Urban(FZJ)以及Maximilian Haider(EMBL)研发使用多极子校正装置(图3)调节和控制电磁透镜的聚焦中心从而实现对球差的校正(图4)，最终实现了亚埃级的分辨率。被称为ACTEM三巨头的他们也获得了2011年的沃尔夫奖。多极子校正装置通过多组可调节磁场的磁镜组对电子束的洛伦茨力作用逐步调节TEM的球差，从而实现亚埃级的分辨率。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/2080a2cf-4ab3-41ab-b731-7719f0c32d28.jpg" title=" 2.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　 strong 　图2 三种多极子校正装置示意图 /strong /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/090bb4c0-aeea-4ab4-8601-79bcf74b7c8e.jpg" title=" 3.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 图3 球差校正光路示意图 /strong /p p 　　 strong ACTEM的种类： /strong /p p 　　我们在前期TEM相关内容已经介绍了透镜相关内容，TEM中包含多个磁透镜：聚光镜、物镜、中间镜和投影镜等。球差是由于磁镜的构造不完美造成的，那么这些磁镜组都会产生球差。当我们矫正不同的磁透镜就有了不同种类的ACTEM。回想一下STEM的原理，当我们使用STEM模式时，聚光镜会聚电子束扫描样品成像，此时聚光镜球差是影响分辨率的主要原因。因此，以做STEM为主的TEM，球差校正装置会安装在聚光镜位置，即为AC-STEM。而当我们使用image模式时，影响成像分辨率的主要是物镜的球差，此种校正器安装在物镜位置的即为AC-TEM。当然也有在一台TEM上安装两个校正器的，就是所谓的双球差校正TEM。此外，由于校正器有电压限制，因此不同的型号的ACTEM有其对应的加速电压，如FEI TITAN 80-300就是在80-300 kV电压下运行，也有专门为低电压配置的低压ACTEM。 /p p 　　 strong 球差校正电镜的优势： /strong /p p 　　ACTEM或者ACSTEM的最大优势在于球差校正削减了像差，从而提高了分辨率。传统的TEM或者STEM的分辨率在纳米级、亚纳米级，而ACTEM的分辨率能达到埃级，甚至亚埃级别。分辨率的提高意味着能够更“深入”的了解材料。例如：最近单原子催化很火，我们公众号也介绍了大量相关工作。为什么单原子能火，一个很大的原因是电镜分辨率的提高，使得对单原子的观察成为可能。浏览这些单原子催化相关文献，几乎无一例外都用到了ACTEM或者ACSTEM。这些文献所谓的“单原子催化剂”，可能早就有人发现，但是因为受限于当时电镜分辨率不够，所以没能发现关键的催化活性中心。正是因为球差校正的引入，提高了分辨率，才真正揭示了这一系列催化剂的活性中心。 /p p 　　 strong 何时才需要用球差校正电镜呢? /strong /p p 　　虽然现在ACTEM和ACSTEM正在“大众化”，但是并非一定要用这么高大上的装备。如果你想观察你的样品的原子级结构并希望知道原子的元素种类(例如纳米晶体催化剂等)，ACSTEM将会是比较好的选择。如果你想观察样品的形貌和电子衍射图案或者样品在TEM中的原位反应，那么物镜校正的ACTEM将会是更好的选择。就纳米晶的合成而言，球差校正电镜常用来揭示纳米材料的细微结构信息。比如合成一种纳米核壳材料，其中壳层仅有几个原子层厚度，这个时候普通电镜下很难观察到，而球差电镜则可以拍到这一细微的结构信息(请参见夏幼男教授的SCIENCE，349，412)。 /p p 　　 strong 如何为ACTEM准备你的样品： /strong /p p 　　首先如果没有合作的实验室的帮助，ACTEM的测试费用将会是非常昂贵的。因此非常有必要在这里介绍如何准备样品。在测试之前最好尽量了解样品的性质，并将这些信息准确地告知测试者。其中我认为先用普通的高分辨TEM观察样品是必须的，通过高分辨TEM的预观察，你需要知道并记录以下几点：一、样品的浓度是否合适，目标位点数量是否足量 二、确定样品在测试电压下是否稳定并确定测试电压，许多样品在电子束照射下会出现积累电荷(导电性差)、结构变化(电子束的knock-on作用)等等 三、观察测试目标性状，比如你希望测试复合结构中的纳米颗粒的原子结构，那么必须观察这些纳米颗粒是否有其他物质包覆等，洁净的样品是实现高分辨率的基础 四、确定样品预处理的方式，明确样品测试前是否需要加热等预处理。五、拍摄足量的高分辨照片，并标注需要进一步观察的特征位点。在ACTEM测试中，与测试人员的交流非常重要，多说多问。 /p p 　　 strong 球差色差校正透射电镜： /strong /p p 　　球差校正器经过多年的发展，在最新的五重球差校正器的帮助下，人类成功地将球差对分辨率的影响校正到小于色差。只有校正色差才能进一步提高分辨率，于是球差色差校正透射电镜就诞生了。我们欣赏一下放置在德国Ernst Ruska-Centre的Titan G3 50-300 PICO双球差物镜色差校正TEM (300 kV分辨小于0.5埃)以及德国乌尔姆大学的TitanG3 20-80 SALVE 低电压物镜球差色差校正TEM (20 kV 分辨率小于1.4埃)。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/04b96c4d-c6fe-40d2-85c0-b86ce091e6e8.jpg" title=" 4.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 图4 Titan G3 50-300 PICO、TitanG3 20-80 SALVE及其矫正器 /strong /p

上期我们聊到物镜的数值孔径，了解到数值孔径的大小直接影响最终获取的图像分辨率，为物镜的重要参数。然而，在物镜上我还会看到一些简写，如下图所示： 那么，这些英文简写表示什么意思呢？可以看到，上图物镜上游两个简写：N、PLAN。分别表示色差矫正和球差矫正的等级。有些小伙伴就会问道，什么是色差，什么是球差？自然光或LED光源发出的光线都是白光，白光由不同波长的光组合而成，不同的波长呈现不同的颜色，穿过透镜的折射率也不相同，如上图所示：一束白光从w点发出斜射至一块凸透镜中，不同波长的光折射率不同从而分散开来，从而不同颜色的光落在不同的位置。这只是一个点光源就出现这种效果，如果在显微镜成像中，复杂的颜色分布，多种颜色的组合，如果颜色依旧如此乱的呈现在视野中，我们可能都认不出所观察的图像是什么了。下图为一张白纸在体视镜下观察的效果，左边为无色彩矫正的图像，右边为色彩校正后的图像。明显可以看出，白纸的网格状结构未进行色差校正后的像有红色的彩边，产生色差，而色彩校正后就可以还原图像的本质。那么色彩校正是如何实现的？在凸透镜的两侧添加一些校正透镜（如下图），形成透镜组，不同波长的光通过透镜组后改变行程方向，还原初始位置，从而完成色差校正。然而，不同波长的光校正难度有差异，从而物镜的档次有消色差、半复消色差、复消色差等多个等级，可校正颜色越多的物镜等级越高。说完色差校正，凸透镜还有球差需要进行矫正。所谓球差，同一个平面的物体通过透镜后，呈现的像不在同一平面上。如下图所示：凸透镜左侧红、黄两点在同一个平面上，通过透镜折射后，在凸透镜右侧成像却不在同一平面。 在实际的观察中表现的效果为：同一个视野中间是可以清晰可见的，而四周呈现的图像为模糊的，这样的图像给使用者带来的观察效果和感受会很差，无法一次性分析和观察全视野的图像。球差的矫正技术目前在物镜中较为基础，市场上几乎所有的物镜都具有矫正球差的功能（物镜上会有PLAN或PL的标记），从而在选择物镜的过程中不用担心球差问题。Leica徕卡 DMi1 倒置相差显微镜Leica徕卡 DMiL倒置荧光显微镜

4月15日是我国电子显微镜仪器事业第一人黄兰友先生的诞辰。说到电镜相信很多小伙伴还记得高中生物课本上黑白的病毒显微图像电子显微何以超越传统光学显微电镜如何在凝聚态物理到冰淇淋的各行各业大展身手以黄兰友先生为代表的老一辈科学家又是如何在条件极其不利的情况下开创我国电子显微学研究和应用的？本期唠科跟随国科大学子的笔触一起来看看吧！电子显微镜下的噬菌体来源：Bitesize Bio01 电子之“光”与电子操纵术——电子的旅行作为国科大本科生必修课的光学和原子物理，可以帮助我们理解电镜的基本原理。电子在波粒两方面都可以类比光学现象：对应于几何光学，带电粒子在电磁场中的运动同样可由变分原理描述，由此可以引入电子光学折射率；对应于波动光学，高速电子的德布罗意波波长很短，比可见光更能“感知”微观世界的细节——通常电镜中使用的电子能量在10~100keV，对应的波长在pm量级。这样的电子作为“光”，为我们照亮一条通往显微世界的幽深小径。1933 Ruska (right) and Knoll working on their TEM (Berlin)来源: poster.sciencemag.org1938 First SEM by Manfred von Ardenne来源: poster.sciencemag.org但值得一提的是，当年开发电子显微镜的Ruska等先辈并不像国科大学子一样学过这些理论。事实上最早的“电镜”是在J.J. Thomson证明阴极射线是带负电的粒子束后不久，作为一种电子束扫描仪诞生的。直到今天，扫描电镜的基本结构与老式电视里的阴极射线管（CRT）仍十分相似——不过是立起来，加了更多的电磁透镜和信号探测器而已。CRT结构与后文SEM结构非常相似 来源：快科技如今电子的波粒二象性在电子显微学中各有用处，例如电镜家族的两种基本原型，扫描电子显微镜（SEM）采取电子束逐点扫描样品方式成像，这可以直接反映样品表面信息；而透射电子显微镜（TEM）可采集电子衍射图案以及样品的实空间放大图像，揭示晶体的微观结构。典型的SEM和TEM结构示意图来源Technology Networks那么电子显微镜是如何实现“看见”的呢？作为一阶近似可以说，电子显微镜的实质即“操纵电子”。在光学里，我们有光源和透镜，同样地对于电镜，我们首先要有电子枪和电磁透镜，但是对电子的操纵手法完全不同，毕竟电磁场连续分布在空间中，不像光学玻璃可以做成一块一块的。电子的发射可以采用和白炽灯类似的方法——加热钨灯丝。在真空环境中，给钨灯丝通以电流，将其加热到上千摄氏度，热电子从固体中逃离出来。钨灯丝常做成发叉型，用较小的尖端发射电子，能得到较细小的电子束。电子枪电场和电子轨迹模拟来源：UCAS-SEM搭建小组为了保证好不容易逃离固体的电子不四处飞散被浪费，前人开发出电子枪的三极结构，这三个电极分别是阴极、栅极、阳极。阴极即前面所说提供电子的灯丝，而阳极和阴极之间的高压可以加速电子，栅极上有比阴极更负的电压，三者一起能起到静电透镜的作用，使电子束在到达阳极前不至于过多发散开。SEM电子枪设计样例 来源：UCAS-SEM搭建小组将前人的三电极结构搬到微米级别的材料上，制备出微型电子枪。将金属微尖锥作为阴极，和材料表层另一层作为栅极的金属一起构成了上文所述的三电极电子枪的前两个电极。由于尺寸小，使用较小的电压就能够达到较大的场强。可利用半导体工业中成熟的方法对硅片进行氧化和刻蚀，而后可在尖锥结构顶端涂上碳纳米管制备片上电子源（Krysztof, 2021）。精巧的加工方法，让经典的三电极结构在微型世界重新焕发光彩。有了近似可看做点光源的电子枪，就该电子透镜上场了。电子透镜一般可分为静电透镜和磁透镜两种。静电透镜利用电场控制电子运动方向，磁透镜则通常是靠轴对称磁场来操控电子。电子受到磁场作用，产生两种运动——旋转和折射。电子在磁透镜的折射与光通过玻璃凸透镜的折射相似。波粒凸透镜可用于光的放大成像，而磁透镜可作电子光学的凸透镜。这样，几何光学中的光线作图法与一些术语（如焦点、焦距、物距、像距等）也可被用于描述电子在磁透镜中的运动规律。Ruska设计的带极靴透镜来源：Ruska诺奖致辞最终汇聚成纳米尺寸的电子束或平行入射的电子束照射于样品，前者一般用于如前所说的SEM成像：入射电子的能量通常比原子最外层电子束缚能要高几个量级，电子与原子相互作用后产生一系列的出射信号，最常见的出射信号仍是电子——包括电离产生的二次电子和原初散射的背散射电子。通过接收来自样品不同位置的信号，就可以获得样品的形貌、元素、电位等信息。至于平行电子波，则可以对薄样品直接产生透射像或衍射花样。但电子与样品相互作用还可能会产生其他多种信号（如下图），这一点与光学显微镜完全不同。电子束与样品相互作用产生的各种信号及其相应的作用范围来源：Wikipedia关于电镜的工作原理还应补充一句：和现代大多数高精尖表征仪器一样，电镜的稳定工作离不开基础的后勤保障：真空、电路和软件。电镜的真空度一般要求在10^-5Pa的数量级以上。但这些就不仅仅是电镜的故事了。若想进一步了解真空，推荐物理学院张余洋老师的精彩讲解：《科学1小时：真空是真的空了吗？》（Bilibili bv号：BV1VS4y1Y7s9）SEM真空系统设计样例来源：UCAS-SEM搭建小组SEM电路系统设计样例来源：UCAS-SEM搭建小组02长缨在手：凝聚态物理，小花，冰淇淋——上得厅堂，下得厨房如今电镜已经成为研究物质材料的“居家必备”，同扫描探针家族、先进光学技术、输运测量方法等构成凝聚态物理研究的军械库。对此，大家可以翻看现今期刊上材料科学、凝聚态物理或者化学领域的研究论文，会发现大部分文章都会利用到高分辨的电子显微图像或者衍射图案来对样品的结构进行深入分析。但电镜或许更让人感到亲切，理由在于：其图像非常接近于肉眼的视觉，而不仅仅是一堆信号谱。另外尤其是扫描电镜，所适用的样品范围超广阔，平凡的事物在其下展现出艺术品级别的惊艳本质。国科大里的小花来源：物理学院时金安老师小花撕一瓣拍摄的SEM图像来源：物理学院时金安老师通过逐点扫描，探测器接收从样品表面返回的电子信号，不需对样品进行超薄切片，可以直接对大块物体表面进行成像。因此，扫描电子显微镜可以直接观察块体样品（例如花瓣）的表面形貌。未来会是怎样的，也许出乎今天的想象。正如今天超乎过去的想象。如今，电子显微镜在新材料研发、半导体工业（例如用于分析芯片结构）、食品工业（例如用于研究巧克力、冰淇淋中晶粒大小对口感的影响）、生物医药研究（观察药物颗粒形貌、生物大分子结构等）、地质研究（例如可以研究矿石微观结构和孔隙分布，进而分析油、气含量）等领域都有非常广泛的应用。在嫦娥5号月球样本的分析中，电子显微镜也发挥了重要作用。电镜下的冰淇淋来源：日立科学仪器03斯人已去，事业仍在——为中国电子显微事业做出卓越贡献的老科学家们驻足，回望，老一辈中国电子显微学家是在条件极其不利、信息非对称的情况下，不懈奋斗，做出了许多个新中国的“第一台”，使得我国学者在电镜领域占有一席之地。黄兰友先生来源：中国科学院官网20世纪60年代在德国获得博士学位后，黄兰友依然选择回到祖国。面对质疑，他说要“做中国人自己的电子显微镜”，带领团队艰苦攻关，用仅仅三个月的时间，成功仿制出我国第一台中型电子显微镜，作为中华人民共和国成立十周年的献礼。李林先生来源：中国核工业在剑桥大学学习金相学和电子显微学，用电镜观察和研究金属的微观结构。李林先生完成博士论文《低碳钢的时效硬化》后，排除反华势力阻扰，没等拿到学位证书，便由剑桥大学回到祖国。而后几经调度，从反应堆材料到高温超导体，研究领域改变，不变的是以国家需要作为自己第一志愿的崇高奋斗精神。郭可信先生（右）来源：中国科学院金属研究所20世纪60年代，郭可信先生率先开拓透视电镜显微结构研究工作；70年代以来，在电子衍射图的几何分析与自动标定计算机程序领域贡献巨大；80年代在国内率先引入高分辨电子显微镜，将观察晶体结构跨入原子尺度，为我国物理冶金方面做出突出贡献。智慧坚韧，勇敢执着实验室中日月流转镜中世界逐渐清晰却仍不改一腔赤子心当今“卡脖子”技术中，“扫描电镜”几字依然显眼。作为窥见微观世界的媒介，如若技术常年受制于人而不能独立自主，那在微观结构面前，我们便真似“弱视”，相应材料领域的科研及工业，也难以“明察秋毫”。国产电镜部件仍和主流显微镜有一定差距。正如我国应用物理学家、中国工程院院士姚骏恩先生所说，“生产高质量仪器的关键在于建立一条完整的科学仪器产业链”“我们需要一个打基础的过程，一个积累的过程，而这样积累的过程是难以一蹴而就的。”高质量电子光学系统的生产、透镜内探测器的设计、低电压分辨率的突破等难题始终是科研人追逐的方向。中国科研人的路仍很长仍需要我们沉下心来，携手并进04结语：国有疑难可问谁？——未来青年距Ruska等人研制出第一台透射电镜近百年后的今天，人们对于电子显微镜的探索仍在继续。冷冻电镜以拍摄微观结构高分辨照片的重要功能成为生命科学研究中的有力工具；低压透射电镜以其高对比度、易操作的优点也已投入生物学与材料学的研究中。电镜家族仍以其广阔的应用前景吸引着世界各地的研究者为其注入新成员。缅怀，向前，如今我国电镜事业正处于关键时刻。传承、创新，坚守、突破。一次次尝试中的技术积累，一代代楷模的精神财富，都是我们勇气与信念的来源。国有疑难可问谁？强国一代有我在！未来，中国电子显微镜这道难题的回答一定会由我们来书写！本文文字作者：UCAS-SEM搭建小组、2019级物理学专业本科生魏琛、2019级物理学专业本科生程子涵、2020级计算机科学与技术专业本科生陈卓勋、2020级物理学专业本科生李新珩、2021级心理学专业本科生张韩乐

p style=" margin-left: 66px text-align: justify text-indent: 2em " br/ /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" font-size:19px font-family:宋体" 【作者按】 /span /strong span style=" font-size:19px font-family:宋体" 仪器的测试过程可归类为两件事：激发样品的信息，接收及处理样品的信息。因此其可被看成是由两类功能部件所组成：信号激发、信号接收处理。对扫描电镜来说电子枪和磁透镜属于激发样品信号的部件，探头属于接收样品信息的部件。它们都是构成扫描电镜的最基本部件，其性能的高低将对扫描电镜测试结果产生重大影响。学习扫描电镜也必须从认识这三个功能部件做起。篇幅所限，本文将只探讨激发信号的关键部件：电子枪、电磁透镜。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong style=" text-indent: 0em " span style=" font-size:24px" 一、 span style=" font-variant-numeric: normal font-variant-east-asian: normal font-weight: normal font-stretch: normal font-size: 9px line-height: normal font-family: & #39 Times New Roman& #39 " & nbsp & nbsp /span /span /strong strong style=" text-indent: 0em " span style=" font-size:24px font-family:宋体" 电子枪 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 0em " 电子枪是电子显微镜产生高能电子束，这一样品信号激发源的源头。透射电镜和扫描电镜电子枪的构造基本一致。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 电子枪分为两种：热发射、场发射，它们主体都是三极结构设计。不同点：热发射（阴、栅、阳）；场发射（阴极、第一阳极、第二阳极）。热场电子枪在阴极下方增加了一个抑制热电子发射的栅极。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" font-size:19px" 1.1 /span /strong strong span style=" font-size:19px font-family: 宋体" 热发射电子枪 /span /strong strong /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 热发射电子枪按阴极材质分为两类：发叉钨丝和六硼化镧。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 发叉钨丝材质是多晶钨，功函数大，电子须由高温激发。电子束发散性、色差都比较大，束流密度低。故本征亮度低，分辨能力较差。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 六硼化镧灯丝的材质为六硼化镧单晶，功函数较发叉钨丝低，激发电子的温度也较低，电子束发散性、色差较发叉钨丝小，束流密度较高。本征亮度和分辨力都好于发叉钨丝。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" font-size:19px" 1.1.1 /span /strong strong span style=" font-size:19px font-family:宋体" 钨灯丝结构图 /span /strong /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong span style=" font-size:19px font-family:宋体" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 215px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/ce0d7ace-71d6-4ab7-8f68-495672dab472.jpg" title=" 电子枪与电磁透镜的另类解析1.png" alt=" 电子枪与电磁透镜的另类解析1.png" width=" 664" height=" 215" border=" 0" vspace=" 0" / /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" font-size:19px" 1.1.2 /span /strong strong span style=" font-size:19px font-family:宋体" 六硼化镧灯丝结构图 /span /strong /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " span style=" text-indent: 0em font-size: 19px " strong img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 278px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/a3341978-d9d2-4556-b62b-1f1c8cfe9484.jpg" title=" 电子枪与电磁透镜的另类解析2.png" alt=" 电子枪与电磁透镜的另类解析2.png" width=" 664" height=" 278" border=" 0" vspace=" 0" / /strong /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" text-indent: 0em font-size: 19px " strong 1.1.3 /strong /span strong style=" text-indent: 0em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 热发射电子枪（钨灯丝、六硼化镧）结构如下图： /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong /strong /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 239px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/186b57f0-421c-4d0e-afcb-fcf35820cb7e.jpg" title=" 电子枪与电磁透镜的另类解析a.png" alt=" 电子枪与电磁透镜的另类解析a.png" width=" 664" height=" 239" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" font-size:19px" 1.2 /span /strong strong span style=" font-size:19px font-family: 宋体" 场发射电子枪 /span /strong strong /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 场发射电子枪分为：热场发射电子枪、冷场发射电子枪。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" font-size:19px" 1.2.1 /span /strong strong span style=" font-size:19px font-family:宋体" 场发射电子枪灯丝的结构及对比 /span /strong strong /strong /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 215px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/100f10a3-fe51-4966-96a8-ff2395470ad4.jpg" title=" 电子枪与电磁透镜的另类解析1.png" alt=" 电子枪与电磁透镜的另类解析1.png" width=" 664" height=" 215" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" font-size:19px" & nbsp 1.2.2 /span /strong strong span style=" font-size:19px font-family:宋体" 场发射电子枪的结构 /span /strong strong span style=" font-size:19px" & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp /span /strong strong /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 其结构图如下： /span span style=" font-size: 19px text-indent: 28px " & nbsp /span /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " span style=" font-size: 19px text-indent: 28px " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 219px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/201f9912-eb0e-4749-9f83-1d2fb5184e03.jpg" title=" 电子枪与电磁透镜的另类解析5.png" alt=" 电子枪与电磁透镜的另类解析5.png" width=" 664" height=" 219" border=" 0" vspace=" 0" / /span /p p style=" margin-left: 4px text-align: center text-indent: 2em " strong span style=" font-size: 18px " span style=" font-family: 宋体 " 左图为热场发射电子枪结构图 /span & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp span style=" font-family: 宋体 " 右图为冷场发射电子枪结构图 /span /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 从上图可见，电子枪无论是热场还是冷场，其基本架构都是阴极、第一阳极、第二阳极结构。热场电子枪结构多了一个栅极保护器，以抑制热场电子枪为降低功函数，在灯丝上加高温所发射的热电子。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px" strong 1.2.3 /strong /span strong span style=" font-size:19px font-family: 宋体" 场发射电子枪的工作过程 /span /strong strong /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" font-size:19px" 1.2.3.1 /span /strong strong span style=" font-size:19px font-family: 宋体" 热场发射电子枪： /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong style=" text-indent: 37px " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 氧化锆 /span /strong strong style=" text-indent: 37px " span style=" font-size:19px font-family: 宋体" ∕ /span /strong strong style=" text-indent: 37px " span style=" font-size:19px font-family: 宋体" 钨单晶 /span /strong strong style=" text-indent: 37px " span style=" font-size:19px font-family:宋体" ? /span /strong strong style=" text-indent: 37px " span style=" font-size:19px" 1.0.0 /span /strong strong style=" text-indent: 37px " span style=" font-size:19px font-family:宋体" ? /span /strong span style=" text-indent: 37px font-size: 19px font-family: 宋体 " 所构成的灯丝（阴极）通电后其温度达到 /span span style=" text-indent: 37px font-size: 19px " 1200K /span span style=" text-indent: 37px font-size: 19px font-family: 宋体 " 。位于灯丝下方的栅极（电压低于阴极）保护层将抑制多晶钨和单晶钨的热电子发射。栅极保护层下方第一阳极上加载的电位高于阴极，称为引出电压，在该电压作用下氧化锆电子被从灯丝尖部拔出，由第二阳极与阴极间的加速电场加速，形成扫描电镜信息激发源 /span span style=" text-indent: 37px " /span span style=" text-indent: 37px font-size: 19px font-family: 宋体 " — /span span style=" text-indent: 37px " /span span style=" text-indent: 37px font-size: 19px font-family: 宋体 " 直径小于 /span span style=" text-indent: 37px font-size: 19px " 50nm /span span style=" text-indent: 37px font-size: 19px font-family: 宋体 " 的“高能电子束”。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" font-size:19px" 1.2.3.2 /span /strong strong span style=" font-size:19px font-family:宋体" 冷场发射电子枪： /span /strong strong /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 冷场发射电子抢灯丝尖为单晶钨? /span span style=" font-size:19px" 3.1.0 /span span style=" font-size:19px font-family:宋体" ?面。该晶面逸出功低，可由位于其下方第一阳极上的引出电压直接拔出。该电子枪不设栅极保护层。拔出的电子由阴极与第二阳极间加速电场加速，形成扫描电镜信号激发源 — 直径小于 span 10nm /span 的“高能电子束”。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong style=" text-indent: 0em " span style=" font-size:19px" 1.2.4 /span /strong strong style=" text-indent: 0em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 冷、热场电子枪的优缺点 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong style=" text-indent: 0em " span style=" font-size:19px" 1.2.4.1 /span /strong strong style=" text-indent: 0em " span style=" font-size:19px font-family: 宋体" 冷场电子枪 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" text-indent: 0em font-size: 19px font-family: 宋体 " 冷场电子枪阴极采用单晶钨（ /span span style=" text-indent: 0em font-size: 19px " 3.1.0 /span span style=" text-indent: 0em font-size: 19px font-family: 宋体 " ）面，功函数极低，针尖电子可以被第一阳极直接拔出。在工作中电子枪温度和环境温度一致而得名“冷场电子枪”。该电子枪灯丝电子的出射范围小，溢出角（立体角）也小，溢出电子的能量差也小（色差）。这些结果会使得以该阴极为基础形成的电子枪本征亮度大。电子枪本征亮度大有利于扫描电镜获取高分辨的测试结果。 /span /p p style=" margin-left: 4px text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 由于电子枪温度低，镜筒中气体分子容易在灯丝表面积累，对拔出电子产生影响。故在工作中发射电流会逐渐下降，需要不断提升引出电压（ /span span style=" font-size:19px" set /span span style=" font-size:19px font-family:宋体" ）或定时加一个瞬时电流（ /span span style=" font-size:19px" FLASH /span span style=" font-size:19px font-family: 宋体" ）来驱赶这些气体分子，使发射束流满足测试需求。为了保持束流在测试中尽可能稳定，镜筒真空要求更高，高真空也是高分辨的基础条件之一。 /span /p p style=" margin-left: 4px text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 由于发射面积较小，因此虽然电子枪的本征亮度大，但是束流总量不如热发射以及热场电子枪来的大。 /span /p p style=" margin-left: 4px text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 冷场电子枪可以有更好的图像分辨，但束流的稳定度以及束流总量略显不足。不过现在最新的日立 /span span style=" font-size:19px" REGULUS 8230 /span span style=" font-size: 19px font-family:宋体" 冷场电镜在电子枪设计、真空度以及镜筒质量上的改进使这些缺陷有所弥补。 /span /p p style=" margin-left: 4px text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" font-size:19px" 1.2.4.2 /span /strong strong span style=" font-size:19px font-family: 宋体" 热场电子枪 /span /strong strong /strong /p p style=" margin-left: 4px text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 热场电子枪问世时间较冷场电子枪来得早。电子枪阴极采用的是单晶钨（ /span span style=" font-size:19px" 1.0.0 /span span style=" font-size:19px font-family:宋体" ）面，其功函数较多晶钨丝和六硼化镧单晶要低很多但比冷场枪的单晶钨（ /span span style=" font-size:19px" 3.1.0 /span span style=" font-size:19px font-family:宋体" ）面要大。电子发射虽然也是由第一阳极拔出，但需要采用一系列降低功函数的方法： /span span style=" font-size:19px" 1. /span span style=" font-size:19px font-family:宋体" 灯丝加一定电流产生 /span span style=" font-size:19px" 1200K /span span style=" font-size:19px font-family: 宋体" 的高温， /span span style=" font-size: 19px" 2. /span span style=" font-size:19px font-family:宋体" 表面涂覆一层氧化锆，以降低灯丝表面的功函数，提升发射效果。由于电子基本由第一阳极在单晶钨针尖部拔出，因此其发射面积、立体角及色差都较热发射小很多，但比冷场要大。故本征亮度要比热发射提高很多，但略低于冷场电子枪。 /span /p p style=" margin-left: 4px text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" font-size:19px font-family: 宋体" 热场和冷场电子枪对比： /span /strong span style=" font-size: 19px font-family:宋体" 本征亮度低会造成仪器分辨能力不足；氧化锆的消耗会降低灯丝束流发射效果，氧化锆有破损，灯丝的高分辨寿命也到头，因此其高分辨寿命较短。束流大且稳定对微区分析有利，但是随着分析设备（ /span span style=" font-size:19px" EDS\EBSD /span span style=" font-size:19px font-family:宋体" ）性能的提升该优势也在逐步淡化，而分析过程中的空间分辨劣势也会逐步加深。不过这都有个度，而且和测试需求有关，辩证的关系无处不在。 /span /p p style=" margin-left: 4px text-align: justify text-indent: 2em " strong style=" text-indent: 0em " span style=" font-size:24px" 二、 span style=" font-variant-numeric: normal font-variant-east-asian: normal font-weight: normal font-stretch: normal font-size: 9px line-height: normal font-family: & #39 Times New Roman& #39 " & nbsp & nbsp /span /span /strong strong style=" text-indent: 0em " span style=" font-size:24px font-family:宋体" 电磁透镜 /span /strong /p p style=" margin-left: 48px text-align: justify text-indent: 2em " strong /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 透镜系统是显微镜对样品信息激发源（光）进行操控的部件。不同激发源（光束、电子束）使用不同的透镜系统：光学显微镜用的是光学透镜，电子显微镜是电磁透镜和静电透镜（静电透镜在电镜中应用面较窄，效果也较差，本文不予探讨）。无论光学透镜还是电磁透镜都是通过对激发源（可见光、高能电子束）运行方向的改变来对其进行操控。尽管高能电子束在电磁透镜中的运行轨迹较可见光在光学透镜中要复杂的多，但结果基本相似，因此在电子显微镜教材中对电磁透镜和电子光路路径的探讨都是以光学显微镜为模板。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px" strong 2.1 /strong /span strong span style=" font-size:19px font-family:宋体" 光学透镜 /span /strong strong /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" font-size:19px" 2.1.1 /span /strong strong span style=" font-size:19px font-family: 宋体" 光的折射现象 /span /strong strong /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 直线传播、反射、折射是光的三种运行（传播）模式。在同一种均匀介质中光是以直线方式来运行，小孔成像、影子等都是光线直线传播的反映。光线在两种介质交界处会发生传播方向的改变，如果光返回原来介质中这就是反射，反射光光速和入射光相同。光线从一个介质进入另一个介质，会发生传播方向以及传播速度的改变，这就是光线的折射现象。初中的物理教科书告诉我们透镜的成像原理正是基于这种折射现象。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px" strong 2.1.2 /strong /span strong span style=" font-size:19px font-family:宋体" 光学透镜的成像原理 /span /strong strong /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 透镜可以看成许多棱镜按照特别设计的构造所进行的组合。通常情况下光通过透镜时：凸透镜会将光线经两次折射后会聚在透镜另一侧的焦点（平行光）或像平面上，凹透镜将光线经两次折射后按照像点和虚像各点连线所形成的角度发散出去。 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 347px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/323d613a-1a81-4dda-9653-58a36a6d5ef1.jpg" title=" 电子枪与电磁透镜的另类解析7.png" alt=" 电子枪与电磁透镜的另类解析7.png" width=" 664" height=" 347" border=" 0" vspace=" 0" / /span /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong span style=" font-size:19px font-family: 宋体" 凸透镜和凹透镜的经典成像图 /span /strong strong /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 显微系统中凸透镜的作用是对光线进行会聚、成像（实像、虚像、放大、缩小），也可对光路进行调整，是组成显微系统的主体部件。凹透镜在显微系统中主要是用于消除系统像差对分辨率的影响。 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 307px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/3543cd28-5d88-47f4-9ff7-0e6d73d304ad.jpg" title=" 7.jpg" alt=" 7.jpg" width=" 664" height=" 307" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong span style=" font-size:19px font-family: 宋体" 透镜的成像规律 /span /strong strong /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" font-size:19px" 2.1.3 /span /strong strong span style=" font-size:19px font-family: 宋体" 像差及像差校正 /span /strong strong /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 色差和球差是显微系统中光线经过透镜时形成的两个主要像差，对显微镜分辨率有极大影响。消除像差影响对获取高分辨像帮助极大。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" font-size:19px" 2.1.3.1 /span /strong strong span style=" font-size:19px font-family: 宋体" 色差 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: 宋体 font-size: 19px " 任何光都很难保证光束中能量完全一致。不同能量的光线传播速度不同，通过透镜时折射程度也存在差别，因此其焦点也不相同。如此就会在焦平面或像平面上形成一个弥散斑，使图像模糊不清，影响图像的分辨能力。不同能量的光线对应不同色彩，因此由光的能量差异而引起的像差被称为“色差”。不同形态（凸透镜、凹透镜）、不同材质的透镜色差通过合理的安排可以相互抵消，以此方式就可以消除整个透镜系统的色差。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 0em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/0cf133ab-eb6d-4b98-83bd-95d8413e54a0.jpg" title=" 电子枪与电磁透镜的另类解析8.png" alt=" 电子枪与电磁透镜的另类解析8.png" / /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" font-size:19px" 2.1.3.2 /span /strong strong span style=" font-size:19px font-family:宋体" 球差 /span /strong strong /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 透镜中心区与边缘区对光线折射会有差异，使得轴上某个物点发出的光束最后会聚在光轴上不同位置，在像面上形成一个弥散斑从而影响图像的分辨力，这种差异被称为“球差”。利用光阑只让近光轴光线通过可以减少球差，另外还有两种方法最常见：配曲以及组合。 /span /p p style=" text-align: justify " br/ /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" font-size:19px" 2.1.3.2.1 /span /strong strong span style=" font-size:19px font-family:宋体" 配曲 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 37px " 透镜两个曲面采用不同曲率半径，这两个曲面会对光线的折射产生差异，互相抵消和弥补会减少透镜球差的数值。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" font-size:19px" 2.1.3.2.2 /span /strong strong span style=" font-size:19px font-family:宋体" 组合 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 37px " 利用凸凹透镜的组合消除球差。组合方式有胶合和分离。 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 709px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/546f7baa-45c4-4b2c-9bf5-06508692bd6f.jpg" title=" 电子枪与电磁透镜的另类解析9.png" alt=" 电子枪与电磁透镜的另类解析9.png" width=" 664" height=" 709" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" font-size:19px" 2.2 /span /strong strong span style=" font-size:19px font-family:宋体" 电磁透镜 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: 宋体 font-size: 19px " 电子显微镜使用高能电子束做为光源，若用光学透镜对电子束进行会聚的结果是损耗大、工艺繁琐、效果差。因此必须选用另外的方式来对电子束进行操控。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 37px " 一个轴对称的均匀弯曲磁场对电子束拥有更好的折射效果，而且操控简单、效果优异，是对电子束进行会聚的主要方式，类似于光学透镜对光线的会聚，被称为“磁透镜”。该磁场是利用电流通过铜线圈来产生，故而被命名为“电磁透镜”。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px" strong 2.2.1 /strong /span strong span style=" font-size:19px font-family:宋体" 电磁透镜的构造及工作原理 /span /strong strong /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 电磁透镜构造是将一个轴对称螺旋绕制的铜芯线圈置于一个由软磁（顺磁）性质的材料 /span span style=" font-size:19px" ( /span span style=" font-size:19px font-family:宋体" 纯铁或低碳钢 /span span style=" font-size:19px" ) /span span style=" font-size:19px font-family: 宋体" 制成具有内环间隙的壳子里。内部插入磁导率更高的锥形环状极靴。该构造可以使得磁场强度、均匀性、对称性得到极大提升，从而在较小空间获得更大的电磁折射率来提升磁透镜的会聚效果。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 0em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 199px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/0ea4c139-2224-402e-8f16-0c835e6079c0.jpg" title=" 123.png" alt=" 123.png" width=" 664" height=" 199" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 19px " 电磁透镜的工作过程如下：当电流通过铜芯线圈时，将产生一个以线圈轴中心对称分布的闭环磁场。电子束在穿越磁场时因切割磁力线而受洛仑兹力作用发生向心的偏转折射，该偏转和电子运行方向叠加后使得电子在磁场中以圆锥螺旋曲线轨迹运行，并使电子束从磁场另一端飞出后被重新会聚。类似于光学透镜中的光线会聚，电磁场对电子束起到一个透镜的作用。改变线圈电流的大小，可以改变电磁透镜对电子束的折射率。电子显微镜通过对透镜电流的调节，来无级变换焦点及放大倍率。任何一级透镜可以在需要时打开，不用时关闭，因此更易于仪器的调整。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 0em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 199px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/21c7877d-4b03-4a3c-a3a9-778f4197b5e6.jpg" title=" 电子枪与电磁透镜的另类解析10.png" alt=" 电子枪与电磁透镜的另类解析10.png" width=" 664" height=" 199" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" font-size:19px" 2.2.2 /span /strong strong span style=" font-size:19px font-family: 宋体" 电磁透镜的像差 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: 宋体 font-size: 19px " 虽然电子束在电磁透镜中的电子轨迹比可见光在光学透镜中的轨迹要复杂得多，但结果基本类似。光学透镜成像过程中存在的像差，在电磁透镜的成像过程中也同样存在，只是程度以及解决方式不一样。解决像差，对扫描电镜和透射电镜成像效果的影响也不一样。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 电子显微镜使用高能电子束和电磁透镜，相对于光学显微镜，其所形成的像差要小很多。而解决像差影响也会对测试结果产生负面影响，比如束流密度增大带来的热损伤、运用单色器会对信号量形成衰减、会聚角增大在扫描电镜测试时会增加样品信号扩散，这些负面影响是否会超过解决像差所带来的正面效果？这里存在着一个辨证的关系。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 光学显微镜显然是解决像差带来的正面效果要大，所以大量的消像差组件存在于光路当中。电子显微镜呢？目前仅在场发射透射电镜中加入球差校正器有着极为明显的作用，扫描电镜中却未见使用。这与两种电子显微镜所针对的样品以及所获取的样品信息特性有关。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 透射电镜样品极薄、样品中信号扩散基本可以忽略不计。球差的改善会带来两个结果：束流密度的增加、会聚角的增加。束流密度增加会使得信息的激发区缩小同时信号量增加，这无疑对提高分辨力有利；电子束会聚角的增加有利于散射电子散射角的扩大，对 /span span style=" font-size:19px" stem /span span style=" font-size:19px font-family:宋体" 成像有利。因此对于透射电镜来说，解决球差所带来结果基本都是正面，这使得球差校正对透射电镜提高分辨力的影响十分明显。当然基础还是电子枪，热发射电子枪加装球差校正，结构更复杂而且结果差。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 28px " 扫描电镜样品相对电子束来说无穷厚，电子束击入样品所引起的信号扩散较大。采用信号又是溢出样品表面的二次电子和背散射电子，电子束会聚角的改变对它们溢出范围影响不可忽略。球差校正结果到底如何？目前还没看到球差校正在扫描电镜中被运用。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 19px " 球差校正器是采用多极子校正装置产生的磁场对电子束做一个补偿散射（如凹透镜对光线的散射），来消除聚光镜边缘所引起的球差。 /span /p p style=" text-align:center" span style=" font-size:19px" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/c178f974-3020-497b-9c33-5f66b75f8046.jpg" title=" 10.jpg" alt=" 10.jpg" / /span /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong span style=" font-size:19px font-family: 宋体" 球差校正器图解 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 28px " 电子显微镜减少色差主要依靠单色器。其原理是将电子束按照能量进行分离，然后选取某个能量段的电子束，由此降低电子束的能量差也就是色差。其缺点是电子束强度同时降低，这就要求样品能产生充足信号，同时信号接收器的接收效果也要相应提升。目前单色器主要被用在热场电子枪电镜。冷场电子枪由于色差很小，束流也较小，单色器对测试结果的正面影响不大，负面影响（束流的衰减）可能会更大，因此冷场电镜未见使用单色器。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" text-indent: 28px font-size: 19px font-family: 宋体 " 辩证法的规律无处不在，任何条件的改变，部件的设计都不会是完美无缺。任何事、任何物的存在和变化都包含有正、反两方面的结果。我们必须对事和物做全面的正确了解，根据自己需求选取最大的正面因素，才能使得我们在做事和选物时获得最好的结果。最后以老祖宗的名言来做结束。那就是被我们常常认为是消极思维，其实却包含极大哲理的 /span strong style=" text-indent: 28px " span style=" font-size:24px font-family: 宋体" “中庸之道、过犹不及”。 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " strong span style=" font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 28px " 作者简介： /span /strong /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" color: rgb(0, 0, 0) " span style=" font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 28px " img style=" max-width: 100% max-height: 100% float: left width: 100px height: 154px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/3b78ff26-962f-4859-9049-9705ef02e500.jpg" title=" 9735aac7-cc11-41a0-b012-437faf5b20b5.jpg" alt=" 9735aac7-cc11-41a0-b012-437faf5b20b5.jpg" width=" 100" height=" 154" border=" 0" vspace=" 0" / 林中清，87年入职安徽大学现代实验技术中心从事扫描电镜管理及测试工作。32年的电镜知识及操作经验的积累，渐渐凝结成其对扫描电镜全新的认识和理论，使其获得与众不同的完美测试结果和疑难样品应对方案，在同行中拥有很高的声望。2011年在利用PHOTOSHIOP 对扫描电镜图片进行伪彩处理方面的突破，其电镜显微摄影作品分别被《中国卫生影像》、《科学画报》、《中国国家地理》等杂志所收录、在全国性的显微摄影大赛中多次获奖。 /span /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" color: rgb(0, 0, 0) " span style=" font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 28px " br/ /span /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " strong span style=" font-size: 19px font-family: 宋体 " 参考书籍： /span /strong /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size: 19px font-family: 宋体 " 《扫描电镜与能谱仪分析技术》张大同 /span span style=" font-size: 19px " 2009 /span span style=" font-size: 19px font-family: 宋体 " 年 /span span style=" font-size: 19px " 2 /span span style=" font-size: 19px font-family: 宋体 " 月 /span span style=" font-size: 19px " 1 /span span style=" font-size: 19px font-family: 宋体 " 日 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 华南理工出版社 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 《微分析物理及其应用》 /span span style=" font-size:19px font-family: 宋体" 丁泽军等 /span span style=" font-size: 19px" & nbsp & nbsp & nbsp 2009 /span span style=" font-size:19px font-family:宋体" 年 /span span style=" font-size:19px" 1 /span span style=" font-size:19px font-family:宋体" 月 /span span style=" font-size:19px" /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 中科大出版社 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 《自然辩证法》 /span span style=" font-size:19px" & nbsp /span span style=" font-size:19px font-family:宋体" 恩格斯 /span span style=" font-size:19px" & nbsp /span span style=" font-size:19px font-family:宋体" 于光远等译 /span span style=" font-size:19px" 1984 /span span style=" font-size:19px font-family:宋体" 年 /span span style=" font-size:19px" 10 /span span style=" font-size:19px font-family: 宋体" 月 /span span style=" font-size:19px" /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 人民出版社 /span span style=" font-size:19px" & nbsp /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size: 19px font-family: 宋体 " 《显微传》 /span span style=" font-size: 19px " & nbsp /span span style=" font-size: 19px font-family: 宋体 " 章效峰 /span span style=" font-size: 19px " 2015 /span span style=" font-size: 19px font-family: 宋体 " 年 /span span style=" font-size: 19px " 10 /span span style=" font-size: 19px font-family: 宋体 " 月 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 清华大学出版社 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 日立 /span span style=" font-size:19px" S-4800 /span span style=" font-size:19px font-family:宋体" 冷场发射扫描电镜操作基础和应用介绍 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family:宋体" 北京天美高新科学仪器有限公司 /span span style=" font-size:19px" & nbsp /span span style=" font-size:19px font-family:宋体" 高敞 /span span style=" font-size:19px" 2013 /span span style=" font-size:19px font-family:宋体" 年 /span span style=" font-size:19px" 6 /span span style=" font-size:19px font-family: 宋体" 月 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family: 宋体" br/ /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" font-size: 19px font-family: 宋体 color: rgb(0, 176, 240) " 延伸阅读： /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " a href=" https://www.instrument.com.cn/news/20191029/515692.shtml" target=" _self" style=" text-decoration: underline " span style=" color: rgb(0, 0, 0) font-size: 19px font-family: 宋体 " 扫描电镜加速电压与分辨力的辩证关系——安徽大学林中清32载经验谈（1） /span /a /p p 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这里是TESCAN电镜学堂第四期，将继续为大家连载《扫描电子显微镜及微区分析技术》(本书简介请至文末查看)，帮助广大电镜工作者深入了解电镜相关技术的原理、结构以及最新发展状况，将电镜在材料研究中发挥出更加优秀的性能！扫描电子显微镜主要由电子光学系统、信号收集处理系统、真空系统、图像处理显示和记录系统、样品室样品台、电源系统和计算机控制系统等组成。第一节 电子光学系统电子光学系统主要是给扫描电镜提供一定能量可控的并且有足够强度的，束斑大小可调节的，扫描范围可根据需要选择的，形状完美对称的，并且稳定的电子束。电子光学系统主要由电子枪、电磁聚光镜、光阑、扫描系统、消像散器、物镜和各类对中线圈组成，如图3-1。图3-1 SEM的电子光学系统§1. 电子枪（Electron Gun）电子枪是产生具有确定能量电子束的部件，是由阴极（灯丝）、栅极和阳极组成。灯丝主要有钨灯丝、LaB6和场发射三类。① 钨灯丝电子枪：如图3-2，灯丝是钨丝，在加热到2100K左右，电子能克服大约平均4.5eV的逸出功而逃离，钨灯丝是利用热效应来发射电子。不过钨灯丝发射电子效率比较低，要达到实用的电流密度，需要较大的钨丝发射面积，一般钨丝电子源直径为几十微米。这样大的电子源直径很难进一步提高分辨率。还有，钨灯丝亮度差、电流密度低、单色性也不好，所以钨灯丝目前最高只能达到3nm的分辨率，实际使用的放大倍数均在十万倍以下。不过由于钨灯丝价格便宜，所以钨灯丝电镜得到了广泛的应用。图3-2 钨灯丝电子枪② LaB6电子枪：要提高扫描电镜的分辨率，就要提高电子枪的亮度。而一些金属氧化物或者硼化物在加热到高温之后（1500～2000K），也能克服平均逸出功2.4eV而发射热电子，比如LaB6，曲率半径为几微米。LaB6灯丝亮度能比钨灯丝提高数倍。因此LaB6灯丝电镜有比钨灯丝更好的分辨率。除了LaB6外，类似的还有CeB6等材料。不过目前在扫描电镜领域，LaB6灯丝价格并不便宜，性能相对钨灯丝提升有限，另外就是场发射的流行，使得LaB6灯丝的使用并不多见。图3-3 LaB6电子枪② 场发射电子枪：1972年，拥有更高亮度、更小电子束直径的场发射扫描电镜（FE-SEM）实现商品化，将扫描电镜的分辨率推向了新的高度。场发射电子枪的发射体是钨单晶，并有一个极细的尖端，其曲率半径为几十纳米到100nm左右，在钨单晶的尖端加上强电场，利用量子隧道效应就能使其发射电子。图3-4为场发射电子枪的结构示意图。钨单晶为负电位，第一阳极也称取出电极，比阴极正几千伏，以吸引电子，第二阳极为零电位，以加速电子并形成10nm左右的电子源直径。图3-5为场发射电子枪的钨单晶灯丝结构，只有钨灯丝支撑的非常小的尖端为单晶。图3-4 场发射电子枪结构示意图图3-5 场发射电子枪W单晶尖端场发射电子枪又分为冷场发射和热场发射。热场发射的钨阴极需要加热到1800K左右，尖端发射面为或取向，单晶表面有一层氧化锆（如图3-6），以降低电子发射的功函数（约为2.7eV）。图3-6 热场发射电子枪钨单晶尖端冷场发射不需加热，室温下就能进行工作，其钨单晶为取向，逸出功最小，利用量子隧道效应发射电子。冷场电子束直径，发射电流密度、能量扩展（单色性）都优于热场发射，所以冷场电镜在分辨率上比热场更有优势。不过冷场电镜的束流较小（一般为2nA），稳定性较差，每个几小时需要加热（Flash）一次，对需要长时间工作和大束流分析有不良影响。不过目前Hitachi最新的冷场SEM，束流已经能达到20nA，稳定性也比以往提高了很多，能够满足一些短时间EBSD采集的需要，不过对于WDS、阴极荧光等分析还不够。热场发射虽然电子束直径、能量扩展不及冷场，但是随着技术的发展，其分辨率也越来越接近冷场的水平，有的甚至还超越了冷场。特别是热场电镜束流大，稳定性好，有着非常广阔的应用范围。从各个电镜厂商对待冷场和热场的态度来看，欧美系厂商钟情于热场电镜，而日系厂商则倾向于冷场电镜。不过目前日系中的日本电子也越来越多的推出热场电镜，日立也逐步推出热场电镜，不过其性能与自家的冷场电镜相比还有较大差距。① 各种类型电子源对比：各类电子源的对比如表3-1。表3-1 不同电子源的主要参数SEM的分辨率与入射到试样上的电子束直径密切相关，电子束直径越小，分辨率越高。最小的电子束直径D的表达式为：其中D为交叉点电子束在理想情况下的最后的束斑直径，CS为球差系数、CC为色差系数、ΔV/V0为能量扩展、I为电子束流、B为电子源亮度，a为电子束张角。由此可以看出，不同类型的电子源，其亮度、单色性、原始发射直径具有较大的差异，最终导致聚焦后的电子束斑有明显的不同，从而使得不同电子源的电镜的分辨率也有如此大的差异。通常扫描电镜也根据其电子源的类型，分为钨灯丝SEM和冷场发射SEM、热场发射SEM。§2. 电磁透镜电磁透镜主要是对电子束起汇聚作用，类似光学中的凸透镜。电磁透镜主要有静电透镜和磁透镜两种。① 静电透镜一些特定形状的并成旋转对称的等电位曲面簇可以使得电子束在库仑力的作用下进行聚焦，形成这些等电位曲面簇的装置就是静电透镜，如图3-7。图3-7 静电透镜静电透镜在扫描电镜中使用相对较少。不过电子枪外的栅极和阳极之间，自然就形成了一个静电透镜。另外一些特殊型号的电镜在某些地方采用了所谓的静电透镜设计。② 磁透镜电子束在旋转对称的磁场中会受到洛伦兹力的作用，进而产生聚焦作用。能使产生这种旋转对称非均匀磁场并使得电子束聚焦成像的线圈装置，就是磁透镜，如图3-8。图3-8 磁透镜磁透镜主要有两部分组成，如图3-9。第一部分是软磁材料（如纯铁）制成的中心穿孔的柱体对称芯子，被称为极靴。第二部分是环形极靴的铜线圈，当电流通过线圈的时，极靴被磁化，并在心腔内建立磁场，对电子束产生聚焦作用。图3-9 磁透镜结构磁透镜主要包括聚光镜和物镜，靠近电子枪的透镜是聚光镜，靠近试样的是物镜，如图3-10。一般聚光镜是强励磁透镜，而物镜是弱励磁透镜。图3-10 聚光镜和物镜聚光镜的主要功能是控制电子束直径和束流大小。聚光镜电流改变时，聚光镜对电子束的聚焦能力不一样，从而造成电子束发散角不同，电子束电流密度也随之不同。然后配合光阑，可以改变电子束直径和束流的大小，如图3-11。当然，有的电镜不止一级聚光镜，也有的电镜通过改变物理光阑的大小来改变束流和束斑大小。图3-11 聚光镜改变电流密度、束斑和束流物镜的主要功能是对电子束做最终聚焦，将电子束再次缩小并聚焦到凸凹不平的试样表面上。虽然电磁透镜和凸透镜非常像似，不过电子束轨迹和光学中的光线还是有较大差别的。几何光学中的光线在过凸透镜的时候是折线；而电子束在过磁透镜的时候，由于洛伦兹力的作用，其轨迹是既旋转又折射，两种运动同时进行，如图3-12。图3-12 电子束在过磁透镜时的轨迹§3. 光阑一般聚光镜和物镜之间都有光阑，其作用是挡掉大散射角的杂散电子，避免轴外电子对焦形成不良的电子束斑，使得通过的电子都满足旁轴条件，从而提高电子束的质量，使入射到试样上的电子束直径尽可能小。电镜中的光阑和很多光学器件里面的孔径光阑或者狭缝非常类似。光阑一般大小在几十微米左右，并根据不同的需要选择不同大小的光阑。有的型号的SEM是通过改变光阑的孔径来改变束流和束斑大小。一般物镜光阑都是卡在一个物理支架上，如图3-13。图3-13 物理光阑的支架在电镜的维护中光阑的状况十分重要。如果光阑合轴不佳，那将会产生巨大的像散，引入额外的像差，导致分辨率的降低。更有甚者，图像都无法完全消除像散。另外光阑偏离也会导致电子束不能通过光阑或者部分通过光阑，从而使得电子束完全没有信号，或者信号大幅度降低，有时候通过的束斑也不能保持对称的圆形，如图3-14，从而使得电镜图像质量迅速下降。还有，物镜光阑使用时间长了还会吸附其它物质从而受到污染，光阑孔不再完美对称，从而也会引起额外的像差，信号的衰弱和图像质量的降低。图3-14 光阑偏离后遮挡电子束因此，光阑的清洁和良好的合轴，对扫描电镜的图像质量来说至关重要。光阑的对中调节目前有手动旋拧和电动马达调节两种方式。TESCAN在电镜的设计上比较有前瞻性，所有型号的电镜都采用了中间镜技术，利用电磁线圈代替了传统的物镜光阑。中间镜是电磁线圈，可以受到软件的自动控制，并且连续可调，所以TESCAN的中间镜相当于是一个孔径可以连续可变的无极孔径光阑，而且能实现很多自动功能。 §4. 扫描系统① 扫描系统扫描系统是扫描电镜中必不可少的部件，作用是使电子束偏转，使其在试样表面进行有规律的扫描，如图3-15。图3-15 扫描线圈改变电子束方向扫描系统由扫描发生器和扫描线圈组成。扫描发生器对扫描线圈发出周期性的脉冲信号，如图3-16，扫描线圈通过产生相应的电场力使得电子束进行偏转。通过对X方向和Y方向的脉冲周期不同，从而控制电子束在样品表面进行矩形的扫描运动。此外，扫描电镜的像素分辨率可由X、Y方向的周期比例进行控制；扫描的速度由脉冲频率控制；扫描范围大小由脉冲振幅进行控制；另外改变X、Y方向脉冲周期比例以及脉冲的相位关系，还可以控制电子束的扫描方向，即进行图像的旋转。图3-16 扫描发生器的脉冲信号另外，从扫描发生器对扫描线圈的脉冲信号控制就可以看出，电子束在样品表面并不是完全连续的扫描，而是像素化的逐点扫描。即在一个点驻留一个处理时间后，跳到下一个像素点。值得注意的是扫描电镜的放大率由扫描系统决定，扫描范围越大，相应的放大率越小；反之，扫描的区域越小，放大率越大。显示器观察到的图像和电子束扫描的区域相对应，SEM的放大倍数也是由电子束在试样上的扫描范围确定。① 放大率的问题有关放大率，目前不同的电镜上有不同的形式，即所谓的照片放大率和屏幕放大率，不同的厂家或行业有各自使用上的习惯，故而所用的放大率没有明确说明而显得不一样。这只是放大率的选择定义不一样而已，并不存在放大率不同的问题。首先是照片放大率。照片放大率使用较早，在数字化还不发达的年代，扫描电镜照片均是用照片冲洗出来。业内普遍用宝丽来的5英寸照片进行冲洗。所用冲洗出来的照片的实际长度除以照片对应样品区域的实际大小之间的比值，即为照片放大率。不过随着数字化的到来，扫描电镜用冲洗出来的方式进行观察已经被淘汰，扫描电镜几乎完全是采用显示器直接观察。所以此时用显示器上的长度除以样品对应区域的实际大小，即为屏幕放大率。同样的扫描区域，照片放大率和屏幕放大率会显示为不同的数值。不过不管采用何种放大倍数，在通常的图片浏览方式下，其放大率通常都不准确。对于照片放大率来说，只有将电镜图像冲印成5英寸宝丽来照片时观察，其实际放大倍数才和照片放大率一致，否则其它情况都会存在偏差；对屏幕放大率来说，只有将电镜照片在控制电镜的电脑上，按照1：1的比例进行观察时，实际放大倍数才和屏幕放大率一致。否则照片在电脑上观察时放大、缩小、或者自适应屏幕，或者照片被打印成文档、或者被投影出来、或者不同的显示器之间会有不同的像素点距，都会造成实际放大率和照片上标出的放大率不同。不过不管如何偏差，照片上的标尺始终一致。所以在针对放大率倍数发生争执时，首先要弄清楚照片上标的放大倍数为何种类型，尽量回避放大率的定义，改用视野宽度或者标尺来进行比对。 §5. 物镜扫描电镜的物镜也是一组电磁透镜，励磁相对较弱，主要用于电子束的最后对焦，其焦距范围可以从一两毫米到几厘米范围内做连续微小的变化。① 物镜的类型：物镜技术是相对来说比较复杂，不同型号的电镜可能其它部件设计相似，但是在物镜技术上可能有较大的差异。目前场发射的物镜通常认为有三种物镜模式，即所谓的全浸没式、半磁浸没式和无磁场式，如图3-17。或者各厂家有自己特定的名称，但是业界没有统一的说法，不过其本质是一样的。图3-17 全浸没式（左）、无磁场式（中）、半磁浸没式（右）透镜A．全浸没式：也被称为In-LensOBJ Lens，其特点是整个试样浸没在物镜极靴以及磁场中，顾名思义叫全浸没模式。但是其试样必须做的非常小，插入到镜筒里面，和TEM比较类似。这种电镜在市场里面非常少，没有引起人们的足够重视。B．无磁场式：也叫Out-lensOBJ Lens，这也是电镜最早发展起来的，大部分钨灯丝电镜都是这种类型的物镜。此类电镜的特点是物镜磁场开口在极靴里面，所以物镜产生的磁场基本在极靴里面，样品附近没有磁场。但是绝对不漏磁是不可能的，只要极靴留有让电子束穿下来的空隙，就必然会有少量磁场的泄露。这对任何一家电镜厂商来说都是一样，大家只能减少漏磁，而不可能彻底杜绝漏磁，因为磁力线总是闭合的。采用这种物镜模式的电镜漏磁很少，做磁性样品是没有问题的。特别是TESCAN的极靴都采用了高导磁材料，进一步减少了漏磁。TESCAN的VEGA、MIRA、LYRA系列均是采用此种物镜。C． 半磁浸没式：为了进一步提高分辨率，厂商对物镜做了一些改进。比较典型的就是半浸没式物镜，也叫semi-in-lens OBJ Lens。因为全浸没式物镜极少，基本别人忽视，所以有时候也把半浸没式物镜称为浸没式物镜。半浸没式物镜的特点是极靴的磁场开口是在极靴外面，故意将样品浸没在磁场中，以减少物镜的球差，同时产生的电子信号会在磁场的作用下飞到极靴里面去，探测器在极靴里面进行探测。这种物镜最大的优点是提高了分辨率，但是缺点是对磁性样品的观察能力相对较弱。为了弥补无磁场物镜分辨率的不足和半浸没物镜不能做磁性样品的缺点，半磁浸没物镜的电镜一般将无磁场式物镜和半磁浸没式物镜相结合，形成了多工作模式。从而兼顾无磁场和半浸没式的优点，做特别高的分辨率时，使用浸没式物镜（如TESCAN MAIA3和GAIA3的Resolution模式），做磁性样品的时候，关闭浸没式物镜使用一般的物镜（如TESCAN的Field模式）。从另一个角度来说，在使用无磁场模式物镜时，对应的虚拟透镜位置在镜筒内，距离样品位置较远；使用半浸没式物镜时，对应的透镜位置在极靴下，距离样品很近。根据光学成像的阿贝理论也可以看出，半浸没式物镜的分辨率相对更高，如图3-18。图3-18 无磁场式（左）和半磁浸没式（右）透镜对应的位置① 物镜的像差电磁透镜在理想情况下和光学透镜类似，必须满足高斯成像公式，但是光学不可避免的存在色差和像差以及衍射效应，在电子光学中一样存在。再加上制造精度达不到理论水平，磁透镜可能存在一定的缺陷，比如磁场不严格轴对称分布等，再加上灯丝色差的存在，从而使得束斑扩大而降低分辨率。所以减少物镜像差也一直是电镜在不断发展的核心技术。A．衍射的影响：由于高能电子束的波长远小于扫描电镜分辨率，所以衍射因子对分辨率的影响较小。图3-19 球差、色差、衍射的对束斑的影响B．色差的影响：色差是指电子束中的不同电子能量并不完全相同，能量范围有一定的展宽，在经过电磁透镜后焦点也不相同，导致束斑扩大。不同的电子源色差像差很大，也造成了分辨率的巨大差异。C．像差的影响：像差相对来说比较复杂，在传统光学理论中，由于成像公式都是基于旁轴理论，所以在数学计算上做了一定的近似。不过如果更严格的考虑光学成像，就会发现在光学成像中存在五种像差。a. 球差：电子在经过透镜时，近光轴的电子和远光轴电子受到的折射程度不同，从而引起束斑的扩大。而电镜中的电子束不可能细成完美的一条线，总会有一定的截面积，故而球差总是存在。不过球差对扫描电镜的影响相对较小，对透射电镜的影响较大。b. 畸变：原来横平竖直的直线在经过透镜成像后，直线变成曲线，根据直线弯折的情况分为枕形畸变和桶形畸变，如图3-20。不过在扫描电镜中因为倍数较大，所以畸变不宜察觉，但是在最低倍率下能观察到物镜的畸变。特别是扫描电镜的视场往往有限，有的型号的电镜具有了“鱼眼模式”，虽然增加了视场但却增加了畸变。TESCAN的电镜很有特点，利用了独特的技术，既保证了大视野，又将畸变减小到了最低甚至忽略不计，如图3-21。图3-20 透镜的畸变图3-21鱼眼模式和TESCAN的视野模式c. 像散：像散是由透镜磁场非旋转对称引起的一种像差，使得本应呈圆形的电子束交叉点变成椭圆。这样一个的束斑不再是完美对称的圆形，会严重影响电镜的图像质量。以前很多地方都说极靴加工精度、极靴材料不均匀、透镜内线圈不对称或者镜头和光阑受到污染，都会产生像散。但是，像散更是光学中的一种固有像差，即使极靴加工完美，镜头、光阑没有污染，也同样会有像散。当然由于加工及污染的问题，会进一步加大像散的影响。在光学理论中，不在光轴上的物点经过透镜后，用屏去截得到的光斑一般不再是圆形。其中有三个特殊位置如图3-23，一个叫做明晰圆位置，这里的光斑依然是圆形；而另外两个特殊的位置称为子午与弧矢，这里截到的是两条正交的直线；其它任意位置截到的是一个会随位置而变化的椭圆。图3-22 电镜中的消像散图3-23 光学理论中的像散 对于电子束来说也一样，原来圆形的束斑在经过电磁透镜后，会因为像散的存在变得不再是完美的圆形，引起图像质量的降低。要消除像散需要有消像散线圈，它可以产生一个与引入像散方向相反、大小相等的磁场来抵消像散，为了能更好的抵消各个方向的像散，消散线圈一般都是两组共八级线圈，构成一个米字形，如图3-24。如果电镜的像散没有消除，那么图像质量会受到极大的影响。图3-24 八级消像散线圈d. 慧差和像场弯曲：慧差也总是存在的，只是在扫描电镜中不易被发觉，不过在聚焦离子束中对中状况不好时可以发现慧差的存在；由于扫描电镜的成像方式和TEM等需要感光器件的仪器不同，像场弯曲在扫描电镜中也很难发现。慧差和像场弯曲在扫描电镜中都可以忽略。 福利时间每期文章末尾小编都会留1个题目，大家可以在留言区回答问题，小编会在答对的朋友中选出点赞数最高的两位送出本书的印刷版。奖品公布上期获奖的这位童鞋，请后台私信小编邮寄地址，我们会在收到您的信息并核实后即刻寄出奖品。【本期问题】哪种物镜设计的扫描电镜可以观测磁性样品（特指可充磁性样品）？↓ 往期课程，请关注微信“TESCAN公司”查阅以下文章：电镜学堂丨扫描电子显微镜的基本原理(一) - 电子与试样的相互作用电镜学堂丨扫描电子显微镜的基本原理(二) - 像衬度形成原理电镜学堂丨扫描电子显微镜的基本原理(三) - 荷电效应

5月14日，由国际信息显示学会（SID）主办的国际显示周在美国圣何塞隆重启幕。而京东方、维信诺、三星显示、LGD等厂商均携最新产品技术和创新成果亮相SID 2024，引起市场的极大关注。京东方作为全球半导体显示行业龙头企业，BOE（京东方）携50余款由ADS Pro、f-OLED、α-MLED三大显示技术品牌赋能的多款全球首发和行业领先的创新技术新品，以及裸眼3D、光场显示、AIoT、VR/AR等全新一代前沿技术应用重磅亮相，并首度提出了“全场景AI智慧显示”的技术方向和相关解决方案，在世界科技舞台上彰显了京东方的技术前瞻性和领导力以及中国显示力量的全球话语权。其中，京东方重磅首发的全球首款16K 110英寸超大尺寸裸眼3D显示屏，以超高清、超高分辨率、多视点、广色域等优势突破了显示行业的创新高度，该产品搭载高色域Mini LED背光技术以及京东方自主研发的16K交织排图算法，3D视角扩大至60°，广泛应用于广告、会议、教育等多元化场景。此外，京东方全球首发的电动柔性车载驾舱吸引了现场众多观众驻足，包括主驾驶侧的17英寸曲率渐变中控屏和副驾驶侧的首款15.05英寸电动折叠屏，曲率半径低至400mm，可根据不同使用需求实现自动形态变换。另外一款全球首发的京东方44.8英寸车载超大尺寸氧化物智能座舱同样亮点十足，搭配玻璃基MLED背光可实现百万级对比度和2000nit高亮画质，完美满足消费者对品质和沉浸式视觉体验感的卓越追求。此外，京东方还重磅推出行业领先的P0.3 Micro LED产品，具有2000nit峰值亮度、40000:1对比度和110%NTSC色域，无边框曲面滑动拼接车载原型机采用模块化滑动拼接的方式，实现无缝拼接，灵活布局屏幕和显示内容。京东方为电竞玩家带来的16英寸Ultra-S游戏笔记本显示产品，采用Mini LED背光技术，具有行业首发2000:1超高静态对比度设计，以及240Hz超高刷新率，可呈现媲美OLED画质的极致流畅游戏体验。而在此次SID展会上，京东方基于AI+显示带来系列抢眼的技术和产品，为显示行业升维发展注入了新动能。其中，京东方重磅推出全球首发第三代UB Cell AI TV，不仅具有BT2020 95%超高色域，还使屏幕光线反射率大幅降低至0.7%，100Lux环境光下可感知对比度提升至1400:1（超过OLED两倍以上），且全视角无色偏无褪色，带来画质可超越OLED电视的极致震撼体验；在智慧显示方面，通过行业首创的屏幕集成温感和多路光感传感器，多维度实时感知面板和环境温度、环境亮度和色温，并通过自适应动态调节驱动，实现在任意环境和场景下都保持最佳显示画质。同时，在LCD上全球首发了局部动态刷新的灵动显示技术，实现不同区域1Hz-120Hz智能刷新模式，可满足可变区域显示、智慧调频等更多创新应用场景，并可实现屏幕功耗降低15%-50%以上。在创新应用基础上，京东方还带来了系列“AI＋显示”的画质技术方案，率先布局技术升级风口，定义未来显示行业发展趋势。为更好降低OLED模组功耗，京东方推出全球首发的硬件级AI低功耗画质提升技术，通过AI神经网络在屏端的深度融合，实现OLED显示模组8K 120 Hz实时画质处理，降低OLED模组功耗20%以上，达到功耗降低与画质提升的最佳平衡。此外，京东方还带来了14英寸低功耗笔记本显示产品、31.5英寸AB MNT高端LCD显示器、27英寸H显示器等多款领先的低功耗技术及绿色低碳的笔记本、显示器、手机等产品，实现从设计、模组、面板到整机的全流程一体化的绿色可持续发展。维信诺作为“秀场”上的常驻代表，本届展会维信诺带来MLA+COE/ UBA+COE低功耗、高性能组合解决方案、AMOLED Real In-cell TP屏内集成触控解决方案、小折叠主副屏一体化解决方案、AMOLED透明一体机解决方案、88英寸P0.5前维护TFT基Micro-LED拼接显示等5项全球领先新技术。同时还带来行业领先的新技术、新应用，覆盖小、中、大、全尺寸，以创新广度促进显示性能再升级，拓宽应用新场景。小尺寸方面，维信诺从显示性能、形态和集成功能上进行优化升级。其中，性能上更精进，带来更低功耗解决方案MLA+COE/UBA+COE；形态上再创新，推出四周窄边框2K手机显示解决方案和3D球面贴合穿戴显示解决方案；屏幕集成上更智慧，包括屏幕定向发声集成技术、双频双极化AMOLED 5G毫米波屏上天线技术以及AMOLED屏上电磁触控与电容触控集成等解决方案。中尺寸方面，维信诺发布中尺寸20-640Hz宽频LTPS技术、智能分区多频技术、AMOLED全氧化物中尺寸技术、AMOLED曲面悬浮显示等系列解决方案，维信诺已做好充分准备，充分满足市场需求；同时，维信诺还带来多款中尺寸创新应用，包含智慧车载、智慧家居、智慧办公三大领域，开启智慧视界新体验。大尺寸方面，从中试向量产进阶。Micro-LED是维信诺面向显示布局的新赛道，2023年9月，维信诺参股公司辰显光电全球首条TFT基Micro-LED生产线奠基，加快从中试研发向商业化进程。本次展会，辰显光电展出全球领先的88英寸P0.5前维护TFT基Micro-LED拼接显示，可用于商业显示、指挥调度、高端会议等场景。值得提及的是，维信诺于2023年5月全球首发ViP技术，同年12月ViP AMOLED量产项目首片模组点亮，向规模量产实现关键一跃。时隔一年，维信诺在今年的SID展会上，带来基于ViP技术的G6小规模量产线成果。LG Display在2024年SID显示器周上，LG Display展示用于VR的OLEDoS，该技术首次向公众展示，与现有标准相比，其屏幕亮度和分辨率显著提高。尽管它有1.3英寸的硬币大小，但它实现了10000尼特的超高亮度和4000 ppi左右的超高分辨率，属于4K级别。此外，其色彩表达精度通过满足数字影院倡议（DCI）超过97%的DCI-P3标准色彩区域来实现。所有这些都使虚拟现实更加逼真，具有业界领先的画质。OLEDoS由沉积在硅片衬底上的OLED组成，作为一种即使在微尺度上也能提供高清晰度AR和VR的方式，它正吸引着人们的关注。特别地，与普通显示器相比，VR显示器需要更高的屏幕亮度和分辨率，以在外部光线被阻挡时增加观看者的沉浸感。用于VR的OLEDoS将新开发的高性能OLED元件与该公司的微透镜阵列（MLA）相结合，这是一种最大限度地提高光发射率的技术，与标准水平相比，亮度提高了约40%。MLA通过允许一层微米大小的凸透镜来提高亮度，这些凸透镜非常小，肉眼看不见，否则会在面板的内部反射中消失。LG Display还为智能手表展示了OLEDoS，这是同类产品中的第一个。它的尺寸为1.3英寸，具有4K分辨率，即使在手腕上也能清晰显示内容。它还配备了无眼镜的3D技术，称为光场技术，具有类似全息的效果。同样在2024年SID显示器周上，该公司通过展示83英寸OLED电视和游戏OLED面板来强调其无与伦比的大尺寸OLED领导地位。这两款产品都采用了LG Display的META Technology 2.0，其图像比传统OLED亮42%。META Technology 2.0的亮度代表了画质的关键元素之一，实现了3000尼特，是现有OLED电视面板中最亮的水平。此外，LG Display还展示27英寸480赫兹QHD游戏OLED面板、39英寸的超宽游戏OLED面板、用于车辆的高清OLED和LTPS LCD，以及基于高性能LTPS LCD的无玻璃3D仪表板等产品。三星Display三星Display推出了业界首次推出的QD-LED。三星Display公开的笔记本电脑大小的18.2英寸QD-LED，分辨率为3200x1800。同时还展示了上市第3年的QD-OLED最新产品，包括全球最先开发并备受关注的4K 31.5英寸和360Hz 27英寸等游戏显示器产品在内，最高亮度为3000nit的65英寸电视面板备受关注。三星显示器还推出了水平进一步提高的LFD显示器。LFD是无眼镜3D显示屏之一，是利用显示屏和光学技术，使左眼和右眼能够看到不同的影像，从而感受到立体感的技术。笔记本电脑类型的16英寸LFD，只要用户进入观看距离为40至70厘米以内，就会自动开启3D功能。进化的视线追踪技术在视听40度范围内，可根据使用者眼睛的位置实时修正3D画面，提供FHD级分辨率的内容。UT是针对IT用OLED优化的超薄OLED，是一种技术，可以在现有的2块玻璃底板的LED上省略1块玻璃，减少厚度和重量，制作更薄更轻的笔记本电脑和平板电脑。采用前氧化物背板，在IT用面板中首次将驱动频率减少到1赫兹。此外，三星Display和子公司imagine共同公开了瞄准扩张现实(XR)的RGB OLEDoS技术。特别是首次公开了用于RGB OLEDoS的FSM(Fine Silicon Mask)产品，素密度高达3500ppi，受到了业界的极大关注。友达在SID 2024展会上，友达首次亮相17.3吋Micro LED对折显示屏幕，其弯折铰链半径仅有4mm，对折设计让显示空间最大化，也让大型屏幕便于携带，更一机整合平板电脑与显示屏幕双功能，搭载广色域Adobe 100%、1000 nits超高亮度，在户外使用仍保有精准色相与清晰亮度，可满足旅人、摄影师、设计师、Youtuber或IG直播主等的即时制作需求，是即拍、即传、即时绘图、观看流量的最佳帮手。同时推出单片尺寸全球最大的31吋Micro LED显示屏幕，搭载先进驱动显示技术、ART两大技术，透过特殊的表面处理，让显示器减少环境光造成的反射眩光，放置户外或室内皆可如实呈现画面的质感，更以无边框设计带来超广角视觉体验，让显示器使用需求不受尺寸限制，可无缝拼接成无限大的屏幕打造超震撼效果，亦可应用于医疗管理场域。另外，还推出车舱前座的Micro LED屏幕、副驾驶座屏幕等产品。群创群创发布106吋AM-MicroLED自由拼接显示模组，具备高清细腻画质、高色饱、绝佳环境光对比、无缝拼接等四大特色，将锁定应用于大型空间高清沉浸式体验与数位艺术，抢攻全新利基应用。此外，群创Micro LED技术拥有极广色域、超高环境对比、高清细腻画质及无边框自由拼接等优势，并可提供26.4吋到220吋客制化需求尺寸，打破传统显示器限制，打造数位艺术。

一、液-固界面接触角的测量的实验目的1. 了解液体在固体表面的润湿过程以及接触角的含义与应用。2. 接触角测定材料表面接触角和表面张力的方法。二、接触角测量的过程 ： 用接触角测量仪注射器针头将一滴待测液体滴在基质上。液滴会贴附在基质表面上并投射出一个阴影。投影屏幕千分计会使用光学放大作用将影像投射到屏幕上以进行测量。三、接触角测量原理 润湿是自然界和生产过程中常见的现象。通常将固-气界面被固-液界面所取代的过程称为润湿。将液体滴在固体表面上，由于性质不同，有的会铺展开来，有的则粘附在表面上成为平凸透镜状，这种现象称为润湿作用。前者称为铺展润湿，后者称为粘附润湿。如水滴在干净玻璃板上可以产生铺展润湿。如果液体不粘附而保持椭球状，则称为不润湿。如汞滴到玻璃板上或水滴到防水布上的情况。此外，如果是能被液体润湿的固体完全浸入液体之中，则称为浸湿。上述各种类型示于图1。 光学接触角测量仪可以记录液滴图像并且自动分析液滴的形状。液滴形状是液体表面张力、重力和不同液体样品的密度差和湿度差及环境介质的函数。在固体表面上，液滴形状和接触角也依赖于固体的特性（例如表面自由能和形貌）。使用液滴轮廓拟合方法对获得的图像进行分析，测定接触角和表面张力。使用几种已知表面张力的液体进行接触角测试可以计算得到材料的表面自由能。 作为光学方法，光学接触角测量仪的测量精度取决于图片质量和分析软件。Attension光学接触角测量仪使用一个高质量的单色冷LED光源以使样品蒸发量降到zui低。高分辨率数码镜头、高质量的光学器件和精确的液体拟合方法确保了图片质量。图1 各种类型的润湿当液体与固体接触后，体系的自由能降低。因此，液体在固体上润湿程度的大小可用这一过程自由能降低的多少来衡量。在恒温恒压下，当一液滴放置在固体平面上时，液滴能自动地在固体表面铺展开来，或以与固体表面成一定接触角的液滴存在，如图2所示。图2 接触角假定不同的界面间力可用作用在界面方向的界面张力来表示，则当液滴在固体平面上处于平衡位置时，这些界面张力在水平方向上的分力之和应等于零，这个平衡关系就是著名的Young方程，即γSG - γSL = γLGcosθ 式中γSG，γLG，γSL分别为固-气、液-气和固-液界面张力；θ是在固、气、液三相交界处，自固体界面经液体内部到气液界面的夹角，称为接触角，在0o-180o之间。接触角是反应物质与液体润湿性关系的重要尺度。在恒温恒压下，粘附润湿、铺展润湿过程发生的热力学条件分别是：粘附润湿，铺展润湿， 粘附润湿、铺展润湿过程的粘附功、铺展系数。 以上方程说明，只要测定了液体的表面张力和接触角，便可以计算出粘附功、铺展系数，进而可以据此来判断各种润湿现象。还可以看到，接触角的数据也能作为判别润湿情况的依据。通常把θ＝90°作为润湿与否的界限，当θ＞90°，称为不润湿，当θ＜90°时，称为润湿，θ越小润湿性能越好；当θ角等于零时，液体在固体表面上铺展，固体被完全润湿。

前记：近五年来，在政策支持下，中国电镜产业化发展之路上多点开花，电镜、电镜功能附件装置与设备、电镜制样等方面不断有新的产业化技术涌现。其中不仅包含扫描透射电镜、场发射扫描电镜、聚焦离子束显微镜、透射电镜原位研究系统等重要技术的商品化，也不乏场发射枪、高压电源、光阑等电镜关键部件的攻克。在中国电镜技术产业化呈现百花齐放、国家对电镜设备产业化问题高度重视背景下，仪器信息网也别策划电镜技术系列征稿活动，共同探讨中国电镜产业技术、市场的机遇与挑战。相关投稿将整理至对应专题展示，并在仪器信息网相关渠道推广，欢迎大家投稿，电镜技术、市场相关均可（投稿邮箱：yanglz@instrument.com.cn，关于征稿内容要求也可邮件咨询或电话联系：15311451191，同微信）。本期主题为“电镜核心部件技术”，对应专题如下（点击图片进入专题），相关约稿将陆续上线，欢迎关注。以下为安捷伦科技（中国）有限公司真空事业部供稿，安捷伦科技（中国）有限公司真空部门的前身——创建于1948年的瓦里安（Varian）在1957年发明了第一台溅射离子泵（SIP），大大拓展了当时的技术所能达到的真空度，使超高真空成为可能，因此安捷伦对于真空技术有着丰富的经验和深刻的理解。安捷伦为了满足电子显微镜系统高真空、低电磁噪声和低振动的要求，基于Varian Vacuum 产品的基础，开发了一系列的真空系统。以下，安捷伦分享了对真空技术的看法及面向电子显微镜领域的真空系统整体解决方案。--------------------电子显微镜的真空系统介绍供稿：安捷伦科技（中国）有限公司真空事业部1.引言在上个世纪二三十年代，为了看到有机细胞（细胞核、线粒体等）内部的细微结构（无论是透射电子显微镜还是扫描电子显微镜，都是靠电子束照射样品来获取图像，其主要部分包含电子源（电子枪）、电子透镜、扫描线圈、检测器等，这些部件通常自上而下地装在一个高真空的腔室（镜筒）内。图1 电子显微镜的系统结构电子枪（也被称为电子源）：一般位于镜筒的顶部，它能发射电子并形成速度均匀的电子束。电子束向下通过电子透镜来聚焦。电子透镜：电子显微镜镜筒中最重要的部件之一，它用一个对称于镜筒轴线的空间电场或磁场使电子轨迹向轴线偏转以形成聚焦，其作用与玻璃凸透镜使光束聚焦的作用相似，所以称为电子透镜。现代电子显微镜大多采用电磁透镜，由很稳定的直流励磁电流通过带极靴的线圈产生的强磁场使电子聚焦。扫描线圈：控制和微调光束位置的电磁线圈。检测器：聚焦的电子束照射样品台上的样品并产生信号，这些信号被检测器检测到，然后被转换成图像。3.真空对于电子显微镜的重要性真空对电子显微镜有非常重要的作用。电子显微镜工作时，整个电子束路径与待分析的样品一起都会置于高真空的环境，如果真空度不够高，电子枪的栅极与阳极间可能会产生极间放电进而烧断灯丝，电子束与残留空气粒子发生碰撞还会导致散射，这种散射会导致电子束中的电子无法到达样品，或者分析失真。4.电子显微镜对真空的要求为了使电子束中的电子尽量不受阻碍地移动，电子显微镜的真空度通常需要达到1E-7mbar量级的高真空，甚至1E-10mbar量级的超高真空；除了真空度，真空泵工作时的振动水平也非常关键。由于电子束的截面小，在样品上的定位精度很高，只有处于振动水平极低的环境中，才能保持这种精度；另外，为了避免油蒸汽污染样品或显微镜内部元件，最好采用无油干式的真空泵。5.典型的真空系统配置下图是一个扫描电子显微镜系统的示例。左侧从上往下分别是装有电子枪和电子透镜的镜筒和放置样品的样品腔，样品腔的右边是一个进出样室（LoadLock）。待分析的样品被放置于进出样室内，进出样室被抽到一定的真空度后再把样品转移到样品腔中进行分析。有进出样室的电子显微镜可以将样品腔一直维持在高真空，从而缩短每次检测的准备时间，提高样品吞吐量，降低单次检测成本。图2 典型的真空系统配置该扫描电子显微镜的镜筒上配置有两台离子泵（IonPump），在样品腔和进出样室还配置了两套分子泵（TurboPump）机组和多个阀门（Valve），并配置了多个真空计以检测不同位置的真空度。6.安捷伦真空：提供适合电子显微镜的全套真空产品安捷伦真空部门的前身、创建于1948年的瓦里安（Varian）在1957年发明了第一台溅射离子泵（SIP）。离子泵的发明大大拓展了当时的技术所能达到的真空度，使超高真空成为可能。安捷伦真空对聚束系统真空应用有着非常丰富的经验，为了满足电子显微镜系统高真空、低电磁噪声和低振动的要求，开发了一系列的产品。离子泵：作为离子泵的发明者，安捷伦真空可以生产多种类型的离子泵。采用专利设计的安捷伦扫描电子显微镜专用离子泵，具有更加稳定和精准的压力读数，以及更少的粒子产生，特别适合安装于电子枪处（电子枪处对温度、磁场的要求都比较高，一般的冷阴极或热阴极真空计对其正常工作会有影响，而普通的离子泵测量的压力偏差又比较大）。安捷伦真空独有的StarCell离子泵在保留较高活性气体抽速的同时，还具有相当高的惰性气体抽速，一般将其安装于镜筒的下部，与电子枪上的SEM离子泵相结合，为电子显微镜提供一个强大的高真空抽气组合。图3 安捷伦SEM专用离子泵分子泵：安捷伦TwisTorr涡轮分子泵采用独有的AFS悬浮轴承技术，工作时振动非常低，被广泛地应用在世界各地的众多电子显微镜上。一个位于日本的业界领袖，从2015年起，在其生产的电子显微镜上使用了1000多台安捷伦分子泵，泵的可靠性非常接近100%，实测的振动水平低于0.01米/秒2，噪声等级更是只有40dB(A)。图4 安捷伦TwisTorr涡轮分子泵阻尼减振器：为了进一步减小分子泵振动对电子显微镜等高灵敏度分析仪器的影响，安捷伦真空专门开发了一款阻尼减震器，该减震器可以将涡轮分子泵在满转速时的振动减小到原来的1/40左右（CF法兰）。图5 阻尼减振器除此之外，安捷伦真空可以提供各种抽速的涡旋干泵、各种类型的真空计、电磁噪声几乎为零的各种真空泵控制器等，另外，基于其在聚束系统广泛的知识和灵活的制造能力，还可以为特定系统定制特殊的离子泵，还可以为敏感的显微镜应用提供最先进的振动模拟和测试。

在科学技术发展的历史上，出现过许多风靡一时、但如今只存在于博物馆的科学仪器，日光显微镜就是一例。现代显微镜大多使用人造光作光源，“日光”与“显微镜”的组合确实已经过时。但其实日光显微镜作为一种独特的光学仪器，其使用方式和实际效果远远超出现代人的想象——它从18世纪中期开始，独领风骚近百年，自有其独特之处。顾名思义，日光显微镜是以太阳光作为光源的显微镜，但它实际上可看作显微镜和投影仪的结合。日光显微镜有一块方形的木板 ，一边置反光镜，另一边固定一支镜筒，玻片安装在镜筒末端。日光显微镜必须在黑暗的房间里使用，操作者将它固定在窗户上，反光镜在室外，在室内调整反光镜的角度，阳光可反射进入镜筒，并通过镜筒内的聚光镜和凸透镜，将标本的图像放大，投射到墙上的屏幕供人观看。日光显微镜于18世纪40年代问世，发明者是德国的医生、解剖学家和物理学家约翰纳撒尼尔利伯库恩，除了研制日光显微镜，他最广为人知的工作还包括肠道研究——大肠黏膜中广泛分布的利氏肠腺窝（Crypts of lieberkuhn）就是以他的名字命名的。利伯库恩在1739年左右发明了日光显微镜，不过据说当时该装置还没有镜子，在它进入英国后，伦敦著名的光学仪器工匠约翰卡夫为它添加了镜子。倡导用显微镜开展科学研究的英国博物学家亨利贝克随后发表了关于日光显微镜使用的论文。日光显微镜开始在英国流行起来。亨利贝克明确指出“当使用这种显微镜时，房间必须尽可能黑暗，因为房间的黑暗和阳光的亮度决定了图像的清晰度和完美度”。可以说，借助自然的阳光和黑暗的房间，日光显微镜创造了一个场景，在此场景中，微观世界的物体从镜片之下被释放出来，它们的图像进入宏观世界——观众可以不直接通过显微镜，就能观看它们的样貌，欣赏它们的活动。1694年，荷兰数学和物理学教授尼古拉斯哈特索克发明了螺旋筒型显微镜，这种仪器便于携带到现场，易于使用，并且可以大规模生产。1702年，英国眼镜和仪器制造商詹姆斯威尔逊简化和推广了这种显微镜。大多数螺旋筒型显微镜由一个宽螺纹圆柱体组成，可以拧入或拧出镜筒，以便在固定于铜板之间的载玻片上聚焦。哈佛大学就收藏了一台用螺旋筒型显微镜改造的日光显微镜，其设计者爱德华布罗姆菲尔德是毕业于哈佛大学的一位发明家和艺术家。这台日光显微镜可能是美国殖民地时期制造的第一台显微镜，其制作拼接图纸现保存在哈佛医学院。日光显微镜及其技术在18世纪下半叶引起了特别关注，据印刷品描述和现存日光显微镜的数量可以推测其在当时非常流行。伦敦精密光学仪器制造商爱德华奈恩出售仪器所附的传单中有句话：“在所有类型的显微镜中，日光显微镜可以被认为是最有娱乐性的。”由此可窥见日光显微镜为何受欢迎。在18世纪一些自然哲学著作中，日光显微镜被认为是哲学仪器，与普通显微镜和望远镜处于同一类别。而到了19世纪，人们已经开始把日光显微镜当成玩具，专业的研究者甚至对日光显微镜持鄙视的态度，英国显微镜学家戈林曾这样评价日光显微镜：普通日光显微镜的图像可以被认为是一个单纯的影子，只适合于娱乐妇女和儿童……它最多只能给我们提供一个跳蚤的影子，或者一个像鹅或驴子一样大的虱子……无聊的庸人总是会对这种镜片感到满意，因为他们不知道显微镜除了能将物体的体积放大之外，还能做什么。在19世纪，光学仪器逐渐进入家庭生活和公共展览，成为非常受欢迎的一种娱乐仪器。伦敦的科学仪器制造商菲利普卡彭特1808年开始在伯明翰生产眼镜和显微镜，此后他积极投身万花筒和改良型幻影灯的研发和销售中，均取得了不俗的成绩，其研发的产品非常受消费大众的喜爱。1826年，卡彭特在伦敦威斯敏斯特摄政街24号开设了一家商店，策划了一个名为“微观世界”的展览，成为当地颇受欢迎的景点。这个展览最初就使用日光显微镜吸引顾客前来观看，观众们坐在提前准备的座位上，观看放大的图像。展览从早上11点持续到晚上8点，天黑后，卡彭特以燃烧可燃气体作为光源，后来在阴天时也如此操作，从而使图像更加明亮。可以说，在卡彭特这位19世纪的科学仪器制造商看来，科学和娱乐并没有明确的界限，他抓住了大众日益增长的娱乐需求，成功地将这种上个世纪中期的光学仪器转化成一种流行的新奇事物。如今我们去电影院看电影，其实也可以看作是这种科学+娱乐活动的延续。

仪器信息网讯 2024年3月31日，北京市2024年度激光共焦及超高分辨显微学学术研讨会在北京四川龙爪树宾馆成功举办。本次会议由北京理化分析测试技术学会电子显微学专业委员会主办，旨在推动北京市及周边省市激光共焦超高分辨显微学的进步和发展，提高广大相关工作者的学术及技术水平，促进生物光学成像技术在生命科学等领域中的应用。近200名来自高校、科研院所、仪器企业和仪器代理商等相关领域的代表参加了本次研讨会。会议现场会议由北京理化分析测试技术学会电子显微学专业委员会荣誉理事长张德添、理事长何其华等主持，来自企业、高校和科研院所的15位光学显微成像领域的技术专家和应用专家分享了共聚焦显微镜、超高分辨率显微镜、高内涵系统、扫描光场显微镜等的新技术、新产品和创新应用。报告人：吴嘉敏 清华大学自动化系 副教授报告题目：《扫描光场显微镜》吴嘉敏介绍了荷湖科技的Slim扫描光场显微镜。跨尺度介观活体显微观测一直是生命科学领域的重要目标，传统显微成像技术由于光学像差、光毒性和时空带宽积等物理局限，无法实现长时程大视场高速高分辨活体显微三维成像。通过提出扫描光场成像原理和数字自适应光学架构，结合独创的重建与图像增强算法，Slim扫描光场显微镜实现了亚细胞分辨率下的高速、高信噪比、长时程三维荧光活体成像。此外，他还介绍了Slim扫描光场显微镜在脑科学、免疫学和细胞生物学等领域的应用案例。报告人：董文浩 卡尔蔡司（上海）管理有限公司 应用工程师报告题目：《无损、高清、实时多维成像新体验》董文浩介绍了蔡司的Lattice Lightsheet7晶格层光显微镜，它的光漂白和光毒性极低，能还原细胞真实的生理状态，不会对活细胞造成损失，对长时间对干细胞进行成像至关重要。同时，Lattice Lightsheet7晶格层光显微镜能够实现近各向同性分辨率无变形成像和实时三维成像。董文浩还讲述了Lattice Lightsheet7中性粒细胞成像、疟原虫配子快速运动的纤毛摆动成像等应用案例。报告人：戚少玲 Evident Olympus公司 中国产品技术总监报告题目：《 Olympus/Evident新一代共聚焦显微镜FV4000》戚少玲介绍了Evident最新推出的FV4000激光扫描共聚焦显微镜，这款系统具有多项创新。FV4000采用了开创性的专利技术SilVIR检测器，该检测器将高信噪比、线性的大动态范围和宽光谱的高灵敏度融合于一体。此外，其半导体技术工艺确保了更均匀和稳定的光子探测能力。SilVIR检测器的高效率和高精度优势将完全取代传统的GaAsP-PMT检测器。此外，她还提到FV4000能实现更广泛的400-900nm光谱范围内的成像，系统引入了自动化和智能化功能，应用范围也更广泛。报告人：王瑜 瑞孚迪生物医学（上海）有限公司 细胞影像资深应用专家报告题目：《高内涵—从高通量样本拍摄到大数据分析》王瑜介绍了瑞孚迪公司推出的高内涵显微镜，它的主要特点是可以针对不同组别群体进行差异性数据的采集和分析。该款显微镜可以长时间多组自动成像，具备全自动、高通量、多参数、速度快、操作简便等优势。此外，她举例介绍了该款高内涵显微镜在类器官、脑瘤纤维化的3D筛选、机器学习辅助的明场PDO药物筛选和胚胎发育过程监测等领域中的应用案例。报告人：吴聪颖 北京大学 副教授、研究员报告题目：《细胞骨架对线粒体精细结构的调控及其对癌细胞迁移的影响》吴聪颖的课题组揭示了线粒体定位的肌动蛋白Myo19定位在线粒体嵴连接点处，参与维持线粒体嵴的结构和功能。该研究提出了机械力对细胞器精细结构的调控。并且，她进一步利用3D肿瘤细胞球，探究了Myo19对实体肿瘤内ROS的空间分布及对肿瘤细胞迁移侵袭的影响，创新性地提出了H2O2梯度诱导的肿瘤细胞趋化迁移，为肿瘤细胞侵袭转移的机制研究提供了新的理论基础。报告人：林雨 横河电机（中国）有限公司 高级技术经理报告题目：《横河生命科学高内涵成像分析与单细胞解决方案》林雨介绍了高内涵成像分析和单细胞解决方案。在横河电机的全线产品里都装载了他们的微透镜双转盘单，它是在单转盘的技术基础上又增加了微凸透镜转盘，这个微凸透镜转盘可以收集更多的激发光，提高光利用率，还能精准聚焦，提高信噪比。细胞解决方案SS2000可以对单个细胞或单个亚细胞的内容物进行取样，能在保留位置信息和形态学条件下取样，具备高分辨率成像和高内涵分析功能。此外，他还介绍了该方案在多核破骨细胞内部转录组学和表观遗传异质性研究上的应用。报告人：周建春 北京艾锐精仪科技有限公司 市场总监报告题目：《从共聚焦到超分辨—艾锐全体系解决方案介绍》周建春讲解了Polar-SIM的硬件特色 、软件特色、算法特色和应用特色。其中，硬件特色主要是应用了SLM，快速条纹旋转及切换，可达1.7KHZ，可根据用户需求定制化升级；软件特色是能呈现高品质大图视野，兼顾无缝拼图；算法核心特色有低信噪比重建，伪影抑制—高保真重构和偏振解析重构。同时，其还具有可视化重构评价体系，可以让用户客观评价重构效果。应用特色体现在四色超分辨同时成像、多模态（多达26种，兼具四台设备）、多维度、长时程和超快速。报告人：唐爱辉 中国科学技术大学 教授报告题目：《单分子超分辨成像在神经生物学中的应用》唐爱辉介绍道，单分子超分辨成像技术（STORM）在所有超分辨显微镜系统中分辨率是最高的一类技术，但是在解析突出蛋白纳米簇内部的分子排布和动态时分辨率仍然不足，因此其课题组应用MINFLUX纳米镜进行了相关研究。MINFLUX纳米镜它可以进行1-3纳米精度单分子定位，可实现真正分子尺度的单分子组织和动态成像，用基于MINFLUX的focus MT方法可以对数小时无衰减的活细胞单分子追踪。此外，唐爱辉还介绍了单分子成像在组学研究中的应用以及团队原创的空间转录组成像方法BASSFISH。报告人：席鹏 北京大学 教授报告题目：《偏振结构光超分辨与多色高速共聚焦》席鹏介绍了Polar-SIM的成像原理和Open-3DSIM开源重建工具，该工具具备自适应参数估计和优化频谱滤波的特点。同时，他还介绍了转盘共聚焦和Multi- resolution analysis高保真提升算法。席鹏还提到艾锐Polar-SIM偏振结构光超分辨显微系统，融合了结构光成像的所有模态，如纺织一般，将光线交织的美映入复杂的活体细胞，揭示生命的奥秘。报告人：南希 徕卡显微系统（上海）贸易有限公司 共聚焦产品经理报告题目：《超高分辨率成像的新维度》南希介绍了徕卡的TauSTED Xtend这一技术创新。她讲到，TauSTED是利用荧光的物理寿命读数来描述STED过程，探测荧光团所经历的能量梯度，并识别来自非相关背景噪声的信号。它与典型的扫描STED采集同时进行。随后她展开介绍了TauSTED Xtend这一项温和的纳米级多色活细胞成像技术，可以在不损失分辨率的情况下进行长时间的脆弱样本观察和更大体积的样本拍摄，避免活性氧的积累、光毒性和细胞内信号的变化，在更低的光剂量下扩展超分辨显微镜的边界。在TauSTED Xtend中，可以通过已知的系统参数和实验寿命读数的组合确定有效的PSF，并且TauSTED Xtend成像分辨率和信号比之前的TauSTED更强。报告人：张毅 北京师范大学 教授报告题目：《纤维素合酶分泌的非经典途径》张毅分享了他的团队通过长时程活细胞成像，发现了一条将纤维素合酶转运出高尔基体的非经典途径：高尔基体局部形变产生管状结构，管状结构延伸、断裂、产生一类称为SmaCCs/MASCs的囊泡，从而将纤维素合酶转运出高尔基体。此工作揭示了一种新的囊泡生成途径及其促进纤维素合酶胞内转运的机制，为研究囊泡生成和物质运输机制提供了新的视角和突破口。报告人：王丽丽 尼康精机（上海）有限公司 应用工程师报告题目：《尼康新品Eclipse Ji 多模态成像解决方案》王丽丽介绍了尼康新品Eclipse Ji的产品特色。Eclipse Ji是一体化设计，环境稳定，无需暗室和防震台。它利用人工智能工具强化了导航和检测能力，AI工具会找寻样本、设置适当波长、曝光和照明功率以定位目标区域。Eclipse Ji应用了智能检测模块，从图像采集到分析和图形创建，可以完全自动执行。此外，它的软件/硬件可以灵活扩展。报告人：施可彬 北京大学 教授报告题目：《高时空分辨光学成像技术探讨》施可彬分享了全景、活细胞、长时程的高时空分辨光学成像技术。这项技术可以做到大视野（160μmx160μmx40μm）、高速(1FPS@3D)、超分辨(横向150nm，轴向400nm)、无标记(无需染色，无光毒性、光漂泊）定量折射率成像（折射率精度＞0.0015）和超长时间连续（＞20h）成像。此外，他还介绍了该技术在多类别、非侵入活细胞成像，活细胞死亡机制研究和活细胞生命活动跟踪分析等领域中的应用。报告人：赵瑚 北京脑科学与类脑研究所 高级研究员报告题目：《透明化包埋技术与外周和大脑神经投射图谱成像》赵瑚分享了他们研发的TESOS透明化技术和PEGASOS透明化技术的原理及应用价值。他的透明化技术无需设备，一个试剂盒就能使软组织、硬组织这些结构透明化，里面含有能长久保护组织且高折射率的透明夜，溶液无毒性，兼容多种染色方法。同时，赵瑚还给大家以3D动画的形式展示了他们对完整小鼠的成像成果。报告人：Igor Lyuboshenko PhaseView Ceo报告题目：《phaseview先进光片显微镜》Igor介绍了Phaseview先进光片显微镜Alpha3的功能和特点。Alpha3可以实现大尺寸样本、无需切片、快速扫描、深度成像和高分辨率3D动态图像输出，能应用在模式动物整体3D成像、胚胎成像和神经生物学研究等多领域。会上大家积极提问交流会议现场除了有嘉宾们分享精彩的报告，还有十余家国内外光学显微镜厂商展示了自己的产品，并同参会者们热情友好地交流互动。参展厂商

超透镜是实现透镜成像功能的光学超表面，它基于亚波长的人工结构单元对入射光的相位与振幅等参量进行调控，实现透镜聚焦或成像的功能。超透镜具有超轻超薄的平面结构，可以组成高集成度的成像系统，有望替代传统光学系统中繁琐的透镜组。但利用超透镜实现可见光波段的主动变焦成像仍面临挑战。光子轨道角动量（OAM）是一种新颖的光场调控维度，携带OAM的涡旋光束具有螺旋型相位波前，中心相位存在奇点，同时不同拓扑荷之间保持本征正交无串扰的物理属性，为主动调控提供全新的技术手段，在微粒操控、超分辨显微成像、大容量光通信等领域应用前景广阔。近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心微加工实验室的李俊杰研究组和纳米物理与器件实验室的顾长志研究组（N10）一起，提出了一种基于轨道角动量(OAM)的多波段选择解码方法，通过全介质TiO2超表面结构的独特设计，实现了可见光频段多路复用的主动变焦超透镜。他们设计了具有面内C2旋转对称性和螺旋排布的TiO2高深宽比纳米鳍阵列结构，成功实现了较高转极化率的圆偏振光调制，同时利用附加的Pancharatnam Berry (PB)相位实现了2π范围的有效螺旋相位调控（图1）。超透镜中包含了四个OAM通道，对应四个焦距深度的聚焦。当入射光携带的OAM拓扑荷数l与超透镜中通道设计的螺旋相位模式l’互为相反数时（ l=l' ），该通道获得解码。因此，四种OAM入射可以实现超透镜在四个焦距位置上的聚焦，通过切换入射光携带OAM的模式即可实现主动切换焦距的功能，在532 nm处获得了5-35 mm的四个焦点（图2）。这种主动变焦的超透镜显示出在非机械转换成像和三维成像等领域具有重要应用潜力。该研究成果以“Active Multiband Varifocal Metalenses Based on Orbital Angular Momentum Division Multiplexing”为题，于2022年07月25日在线发表在《Nature Communications》上。N10组的博士研究生郑睿瑄为第一作者，顾长志和李俊杰为通讯作者，北京理工大学的黄玲玲教授和蒋强博士在测试方面提供了支持。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院和北京市科委的项目资助。文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32044-2 图1. 主动变焦超透镜的功能示意图图2.主动变焦超透镜在532nm处的聚焦光斑强度、半径及景深

要想在摄影和光学显微镜中产生清晰的图像，消色差透镜必不可少。它们可以确保不同颜色，即不同波长的光，能够清晰聚焦，从而消除模糊现象。直到现在才开发出一种用于X射线的消色差透镜，这一事实乍一看可能令人惊讶，毕竟可见光消色差透镜已经存在了200多年。它们通常由两种不同的材料组成。光线穿透第一种材料，分裂成光谱颜色，就像穿过传统的玻璃棱镜一样。然后，它通过第二种材料来逆转这种效果。在物理学中，分离不同波长的过程称为“色散”。然而，瑞士保罗谢勒研究所（PSI）X射线纳米科学与技术实验室X射线光学与应用研究组负责人、物理学家克里斯蒂安大卫解释说：“这种适用于可见光范围的基本原理并不适用于X射线范围。”对于X射线来说，没有哪两种材料的光学性质在很大的波长范围内有足够的差异，从而使一种材料可以抵消另一种材料的影响。换句话说，X射线范围内材料的色散太相似了。此次，科学家没有在两种材料的组合中寻找答案，而是将两种不同的光学原理联系在一起。这项新研究的主要作者亚当库贝克说：“诀窍是意识到我们可以在衍射镜前面放置第二个折射镜。”PSI用已有的纳米光刻技术来制造衍射镜，并用微米级的3D打印制造出折射结构，成功开发出用于X射线的消色差透镜，解决了上述问题。X射线消色差仪的概念和试验装置为了表征他们的消色差X射线透镜，科学家们在瑞士同步辐射光源使用了一条X射线光束线，还使用光刻技术来描述X射线光束，从而描述消色差透镜。这使得科学家们能够精确地探测到不同波长的X射线焦点的位置。他们还使用一种方法对新透镜进行了测试，这种方法将样品以小光栅步移过X射线束的焦点。当X射线束的波长改变时，用传统X射线透镜产生的图像变得非常模糊。然而，当使用新的消色差透镜时，这种情况就不会发生。使用消色差仪演示不同能量的STXM成像X射线束轮廓的演变，其能量用X射线照相术测量消色差透镜和单个FZP（能量范围从5.6keV到6.8keV）多色X射线聚焦模拟该研究成果已发表在近期的《自然通讯》上。文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28902-8DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-28902-8

白内障指眼球内晶状体混浊，眼睛就像蒙上一层霭，致使视力模糊的一种疾病。通常治疗方式会采用外科手术摘除混浊的晶状体，但患者需要佩戴很厚的眼镜或隐形眼镜。近年来，越来越多的白内障手术在摘除晶状体后，会植入直径约6 mm的眼内透镜。眼内透镜会长年保留在眼内，因此，需要严格把控眼内透镜的材质纯度。此次实验测定了常用的丙烯材料眼内透镜中的6种成分。 表1. 成分名称和眼内透镜作用 图1. 混合样品（成分A与成分D浓度为100 mg/L，其他成分为10 mg/L）色谱图 表2. 测定条件 表3. 流动相梯度程序 图2. 样品制备步骤ü　使用梯度分析法，成功实现丙烯材料眼内透镜中的6种成分的分离。 ü　成分D具有宽分子量分布，可检测到3个峰。ü　制备各成分浓度分别为1, 10, 20, 40 mg/L的样品，得到的线性均为1.000。关于日立液相色谱仪的详情，请见链接：https://www.instrument.com.cn/netshow/SH102446/Product-C0102-0-0-1.htm关于日立高新技术公司：日立高新技术公司，于2013年1月，融合了X射线和热分析等核心技术，成立了日立高新技术科学。以“光”“电子线”“X射线”“热”分析为核心技术，精工电子将本公司的全部股份转让给了株式会社日立高新，因此公司变为日立高新的子公司，同时公司名称变更为株式会社日立高新技术科学，扩大了科学计测仪器领域的解决方案。日立高新技术集团产品涵盖半导体制造、生命科学、电子零配件、液晶制造及工业电子材料，产品线更丰富的日立高新技术集团，将继续引领科学领域的核心技术。

近期，厦门大学杭纬教授在JACS上发表了题为“Nanoscale three-dimensional imaging of drug distributions in single cells via laser desorption post-ionization mass spectrometry”的高水平论文，中央民族大学再帕尔阿不力孜教授对该课题组近些年的工作进行了评述。中央民族大学 再帕尔阿不力孜教授再帕尔• 阿不力孜：中央民族大学原副校长，现任药学院院长、中央民族大学生物成像与系统生物学研究中心负责人、“质谱成像与代谢组学”国家民委重点实验室主任，二级教授。中国医学科学院药物研究所研究员、博士生导师，天然药物活性物质与功能国家重点实验室副主任，北京协和医学院药物分析学系主任。北京市政协常委，国务院学位委员会第七届药学学科评议组成员，教育部科技委药学与中医药学部委员；中国分析测试协会副理事长，中国化学会质谱分析专业委员会副主任委员等。首批“新世纪百千万人才工程”国家级人选，享受国务院政府特殊津贴专家，国家民委领军人才。APSB、RCM、JANPR以及《分析化学》、《药学学报》、《化学进展》、《质谱学报》、《分析测试学报》和《分析仪器》等国内外学术期刊编委。长期从事基于质谱技术的分析方法、新技术及其生物医药的应用研究。曾担任国家“863”计划项目首席专家，现任国家重点研发计划项目负责人。作为主要作者发表学术论文约120篇。获得教育部自然科学奖一等奖（第3完成人）；以第一完成人分别获得北京市科技进步二等奖1项，中国分析测试协会科学技术奖二等奖3项、一等奖1项、特等奖1项等。随着1997年R. Caprioli教授等首次将MALDI-TOF MS技术用于生物组织中多肽和蛋白质成像分析后，极大地推动了质谱成像技术（MSI）的发展。这20多年来，因不同原理及多种类型MSI技术的发展及其应用领域的拓展，使其成为质谱领域乃至分析化学、分子影像技术以及生物医药等领域的前沿与热点方向之一而备受关注。此外，单细胞水平的研究可以揭示生命活动规律、疾病发病机制、药物靶向治疗等重大科学问题，是当前生命科学中最热点的研究领域之一。目前，从分析化学与技术角度来看，荧光显微镜技术在单细胞分析领域的应用最为普遍，但该技术因需引入能发荧光的探针分子，这为单细胞内源物质、小分子药物及其代谢物的发现与表征带来了严重的限制。与之相比，质谱成像技术以其免标记、多元素/分子同时检测等优点，为单细胞分析提供了新的研究手段。其中，SIMS技术因具有高空间分辨率等优势发挥着重要作用；而应用面更广的MALDI-MSI等激光解吸电离质谱技术常常受限于空间分辨率等关键问题，遇到巨大挑战。为解决激光解吸电离质谱单细胞成像技术面临的空间分辨率等瓶颈问题，近年来，厦门大学杭纬课题组相继研发出3个新技术，并取得了一系列的创新成果。1）针尖增强解吸质谱仪的研制。创新性地将激光照射贵金属针尖所产生等离激元共振增强效应作为解吸机制，并采用自制的TOF MS质量分析器，展现了纳米尺度弹坑并采集相应质谱信号的能力和重现性，实现了多种无机盐残留物的多元素分析，获得了50 nm横向分辨率的钾盐残留物质谱成像。该方法为化学组成在纳米尺度的分析与成像提供了新的途径。2）近场解吸成像质谱仪的研制。采用有孔光纤传导激光、光纤尖端开孔仅200 nm以及尖端的瞬逝光进行解吸等手段，通过原子力自动控制光纤尖端到样品表面的距离，无需使用探针，获得空间分辨率为250 nm的多种药物在单细胞内的分布成像结果。该质谱仪将近场解吸的分子通过深紫外激光后电离，具有离子效率高、传输性好等特点，达到amol级绝对检出限；克服了样品表面起伏产生误信号的问题，精准实现形貌和化学成分清晰的共成像图。3）微透镜光纤激光解吸电离质谱仪的研制与单细胞质谱成像分析新进展。首先，该课题组研制了微透镜光纤激光解吸电离质谱仪（MLF-LDPI-TOF MS），即借助物理研磨手段，在单模光纤的一端加工得到曲率半径极小的微球面（R=4.5 μm），以此微球作为微型平凸透镜，将激光聚焦在样品表面，实现对样品的解吸与离子化，并通过自主研制的飞行时间型质量分析器进行检测。因采用极短的焦距，在样品表面获得采样弹坑直径约为350 nm的结果。通过将抗癌药物柔红霉素（DRB）负载在叶酸修饰的Fe3O4颗粒表面并与癌细胞共同培养，对不同培养时间的癌细胞进行质谱成像分析，同时获得细胞内纳米颗粒、纳米颗粒表面的叶酸修饰基团和所负载药物在细胞器水平上的分布，直观地揭示出药物随着培养时间的增加，从纳米颗粒表面释放、进入细胞核，并最终诱导癌细胞凋亡这一动态过程的结果。该课题组进一步采用MLF-LDPI-TOF MS技术，成功实现单细胞3D成像分析，在纳米尺度实现了2种抗肿瘤药物在单个细胞内三维空间分布成像，获得500 nm×500 nm×500 nm的空间分辨率。通过采用微透镜光纤实现在细胞表面纳米尺度的采样，并引入157 nm后电离激光提高了离子化效率、检测灵敏度及电离源的信号稳定性。同时提出了一种基于嵌入式均匀圆形聚苯乙烯微球的三维定位方法，可用于准确重构还原药物在单细胞内的三维分布分析。在此基础上，通过自主设计具有三通结构的样品剥蚀池，将微透镜光纤激光采样技术与ICP-MS相结合，构建微透镜光纤激光溅射-ICP-MS的单细胞质谱成像技术平台，实现低至400 nm空间分辨率的生物组织和单细胞内多种化合物的质谱成像分析。该装置还可实现可调分辨率的成像模式，如对同一小鼠小肠剖面组织切片进行从500 nm至10 μm空间分辨率的药物成像分析，高分辨模式的成像能够更直观、更精准地描绘出小肠组织内微小细节和药物的分布，获得小肠对药物的吸收和作用机理相关的关键信息。此外，将HeLa细胞与金纳米棒、卡铂等药物同时培养后进行成像分析，结果发现金纳米棒主要位于细胞的溶酶体内；而卡铂药物被癌细胞摄取后主要分布在细胞核内，通过与核内DNA的相互作用诱导癌细胞的凋亡。杭纬课题组长期致力于激光溅射/解吸质谱技术与装置的研制，其中在基于激光解吸电离的高空间分辨质谱成像技术中，微透镜光纤激光解吸电离质谱技术尤为出色。该技术首次提出了一种经济可靠、操作简单、普适性强、具有纳米空间分辨率的激光解吸电离质谱成像手段，其空间分辨率远超目前商品化的激光采样质谱技术，并成功实现了对细胞内多种元素和分子在细胞器水平上的可视化分析与定位，有望在生命科学、医学和药学等多个领域拓展应用。doi: 10.7538/zpxb.2022.2000杭纬：厦门大学南强特聘教授，厦门大学化学化工学院教授、博士生导师。主要从事分析仪器的研究和发展，包括质谱仪器的研制、信号检测新技术的开发、离子源及其接口技术的研究、其他分析仪器与质谱分析法的联用新技术；分析仪器的应用，包括以质谱为核心的各种分析仪器在生物、医药、环境、材料、冶金、矿产、安检和商检等领域的应用。在Sci. Adv., J. Am. Soc. Chem., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Anal. Chem.等期刊发表SCI论文170余篇。主持国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目、科学仪器基础研究专款、面上项目和国家863计划等课题以及美国能源部、国土安全部、疾病防治与预防中心资助课题。

p 　　透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope, 简称TEM)，是一种把经加速和聚集的电子束透射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度等相关，因此可以形成明暗不同的影像，影像在放大、聚焦后在成像器件(如荧光屏，胶片以及感光耦合组件)上显示出来的显微镜。 /p p 　 strong 　1 背景知识 /strong /p p 　　在光学显微镜下无法看清小于0.2微米的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超细结构。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。目前TEM分辨力可达0.2纳米。 /p center p style=" text-align:center" img alt=" " src=" http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/e4bcd2dc67574096b089e3a428a72210_th.jpeg" height=" 316" width=" 521" / /p /center p style=" text-align: center " strong 电子束与样品之间的相互作用图 /strong /p p & nbsp & nbsp & nbsp 来源：《Characterization Techniques of Nanomaterials》[书] /p p 　　透射的电子束包含有电子强度、相位以及周期性的信息，这些信息将被用于成像。 /p p 　　 strong 2 TEM系统组件 /strong /p p 　　TEM系统由以下几部分组成： /p p 　　电子枪：发射电子。由阴极，栅极和阳极组成。阴极管发射的电子通过栅极上的小孔形成射线束，经阳极电压加速后射向聚光镜，起到对电子束加速和加压的作用。 /p p 　　聚光镜：将电子束聚集得到平行光源。 /p p 　　样品杆：装载需观察的样品。 /p p 　　物镜：聚焦成像，一次放大。 /p p 　　中间镜：二次放大，并控制成像模式(图像模式或者电子衍射模式)。 /p p 　　投影镜：三次放大。 /p p 　　荧光屏：将电子信号转化为可见光，供操作者观察。 /p p 　　CCD相机：电荷耦合元件，将光学影像转化为数字信号。 /p center img alt=" " src=" http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/077c0e70dca94509a9990ee4bf72b7c8_th.jpeg" height=" 359" width=" 358" / /center p style=" text-align: center " strong 透射电镜基本构造示意图 /strong /p p & nbsp & nbsp & nbsp 来源：中科院科普文章 /p p 　　 strong 3 原 理 /strong /p p 　　透射电镜和光学显微镜的各透镜及光路图基本一致，都是光源经过聚光镜会聚之后照到样品，光束透过样品后进入物镜，由物镜会聚成像，之后物镜所成的一次放大像在光镜中再由物镜二次放大后进入观察者的眼睛，而在电镜中则是由中间镜和投影镜再进行两次接力放大后最终在荧光屏上形成投影供观察者观察。电镜物镜成像光路图也和光学凸透镜放大光路图一致。 /p center img alt=" " src=" http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/e9d4e63ae7de44bdb90ac7b937a15169_th.jpeg" height=" 333" width=" 422" / /center p style=" text-align: center " strong 电镜和光镜光路图及电镜物镜成像原理 /strong /p p & nbsp & nbsp & nbsp 来源：中科院科普文章 /p p 　　 strong 4 样品制备 /strong /p p 　　由于透射电子显微镜收集透射过样品的电子束的信息，因而样品必须要足够薄，使电子束透过。 /p p 　　试样分类：复型样品，超显微颗粒样品，材料薄膜样品等。 /p p 　　制样设备：真空镀膜仪，超声清洗仪，切片机，磨片机，电解双喷仪，离子薄化仪，超薄切片机等。 /p p 　　 /p center img alt=" " src=" http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/57ee42cd8391437292cd04cc7bd24694_th.jpeg" height=" 296" width=" 406" / /center p style=" text-align: center " strong 超细颗粒制备方法示意图 /strong /p p & nbsp & nbsp & nbsp 来源：公开资料 /p center img alt=" " src=" http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/2ddf2c80dbe34a069bc51a3595a55160_th.jpeg" height=" 325" width=" 404" / br/ strong 材料薄膜制备过程示意图 /strong /center p 　　来源：公开资料 /p p 　 strong 　5 图像类别 /strong /p p 　　 strong (1)明暗场衬度图像 /strong /p p 　　明场成像(Bright field image):在物镜的背焦面上，让透射束通过物镜光阑而把衍射束挡掉得到图像衬度的方法。 /p p 　　暗场成像(Dark field image):将入射束方向倾斜2θ角度，使衍射束通过物镜光阑而把透射束挡掉得到图像衬度的方法。 /p center img alt=" " src=" http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/c458ccf5fa5c4ffa9cb948e2d28b76b0.png" height=" 306" width=" 237" / br/ strong 明暗场光路示意图 /strong /center center img alt=" " src=" http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/701e2e4343ea4409b3afdd92e1717804.jpeg" height=" 318" width=" 294" / br/ strong 硅内部位错明暗场图 /strong /center p 　　来源：《Characterization Techniques of Nanomaterials》[书] /p p 　　 strong (2)高分辨TEM(HRTEM)图像 /strong /p p 　　HRTEM可以获得晶格条纹像(反映晶面间距信息) 结构像及单个原子像(反映晶体结构中原子或原子团配置情况)等分辨率更高的图像信息。但是要求样品厚度小于1纳米。 /p p 　　 /p center img alt=" " src=" http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/264c1d9b2f454ea9b8aa548033200a33.png" height=" 312" width=" 213" / /center p style=" text-align: center " strong HRTEM光路示意图 /strong /p center img alt=" " src=" http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/d53de1201a4e41948d4d095401c3dc3b.jpeg" height=" 234" width=" 321" / br/ strong 硅纳米线的HRTEM图像 /strong /center p 　　来源：《Characterization Techniques of Nanomaterials》[书] /p p 　　 strong (3)电子衍射图像 /strong /p p 　　选区衍射(Selected area diffraction, SAD): 微米级微小区域结构特征。 /p p 　　会聚束衍射(Convergent beam electron diffraction, CBED): 纳米级微小区域结构特征。 /p p 　　微束衍射(Microbeam electron diffraction, MED): 纳米级微小区域结构特征。 br/ /p p 　　 /p center p style=" text-align:center" img alt=" " src=" http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/f6fc1e403ef74234af93d4f9979429cd.png" height=" 296" width=" 227" / /p p strong 电子衍射光路示意图 /strong /p /center p 　　来源：《Characterization Techniques of Nanomaterials》[书] /p center img alt=" " src=" http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/b0631c33d4b44f10bf9bdb0f908830c5.png" height=" 174" width=" 173" / /center p style=" text-align: center " strong 单晶氧化锌电子衍射图 /strong /p center img alt=" " src=" http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/2ac3b6fb7b03421096ee3af0790b9acb.png" height=" 174" width=" 175" / /center p style=" text-align: center " strong strong 无定形氮化硅电子衍射图 /strong /strong /p center img alt=" " src=" http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/02f2f6c3980a4450a36bc7bbc36f10e5.png" height=" 174" width=" 170" / br/ strong 锆镍铜合金电子衍射图 /strong /center p 　　来源：《Characterization Techniques of Nanomaterials》[书] /p p 　　 strong 6 设备厂家 /strong /p p 　　世界上能生产透射电镜的厂家不多，主要是欧美日的大型电子公司，比如德国的蔡司(Zeiss),美国的FEI公司，日本的日立(Hitachi)等。 /p p 　　 strong 7 疑难解答 /strong /p p 　　 strong TEM和SEM的区别： /strong /p p 　　当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、背散射电子、俄歇电子、特征X射线、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。扫描电镜收集二次电子和背散射电子的信息，透射电镜收集透射电子的信息。 /p p 　　SEM制样对样品的厚度没有特殊要求，可以采用切、磨、抛光或解理等方法特定剖面呈现出来，从而转化为可观察的表面 TEM得到的显微图像的质量强烈依赖于样品的厚度，因此样品观测部位要非常的薄，一般为10到100纳米内，甚至更薄。 /p p 　　 strong 简要说明多晶(纳米晶体)，单晶及非晶衍射花样的特征及形成原理： /strong /p p 　　单晶花样是一个零层二维倒易截面，其倒易点规则排列，具有明显对称性，且处于二维网格的格点上。 /p p 　　多晶面的衍射花样为各衍射圆锥与垂直入射束方向的荧光屏或者照相底片的相交线，为一系列同心圆环。每一族衍射晶面对应的倒易点分布集合而成一半径为1/d的倒易球面，与Ewald球的相贯线为圆环，因此样品各晶粒{hkl}晶面族晶面的衍射线轨迹形成以入射电子束为轴，2θ为半锥角的衍射圆锥，不同晶面族衍射圆锥2θ不同，但各衍射圆锥共顶、共轴。 /p p 　　非晶的衍射花样为一个圆斑。 /p p 　 strong 　什么是衍射衬度?它与质厚衬度有什么区别? /strong /p p 　　晶体试样在进行电镜观察时，由于各处晶体取向不同和(或)晶体结构不同，满足布拉格条件的程度不同，使得对应试样下表面处有不同的衍射效果，从而在下表面形成一个随位置而异的衍射振幅分布，这样形成的衬度称为衍射衬度。质厚衬度是由于样品不同微区间存在的原子序数或厚度的差异而形成的，适用于对复型膜试样电子图象做出解释。 /p p 　　 strong 8 参考书籍 /strong /p p 　　《电子衍射图在晶体学中的应用》 郭可信，叶恒强，吴玉琨著 /p p 　　《电子衍射分析方法》 黄孝瑛著 /p p 　　《透射电子显微学进展》 叶恒强，王元明主编 /p p 　　《高空间分辨分析电子显微学》 朱静，叶恒强，王仁卉等编著 /p p 　　《材料评价的分析电子显微方法》 (日)进藤大辅，及川哲夫合著，刘安生译。 /p p 　　来源：中国科学院科普文章《透射电子显微镜基本知识介绍》 /p

近日，哈尔滨工业大学（深圳）徐科教授、宋清海教授课题组，提出一种基于像素编码的片上数字型超构透镜，因其灵活的设计自由度而具备强大的光场调控能力。该工作以折叠级联的方式构建了高度紧凑的色散元件，结合重构算法实现了片上集成的高分辨率光谱仪。文章提出的数字型超构透镜可显著提升面内光束聚焦、准直和偏转能力。所设计的级联折叠型超构透镜组能够很好地解决传统色散光谱仪尺寸和分辨率互为矛盾的问题。结合重构算法，该器件以100 μm ×100 μm的紧凑尺寸在近红外波段超过35 nm的波长范围内实现了0.14 nm的分辨率，并且可以完成任意光谱的重构和解析。该光谱仪完全通过标准硅光工艺制造，在系统级集成和CMOS兼容性方面具有优势。所提出的超构透镜结构还可移植到氮化硅或其他光子集成平台，以轻松扩展到可见光或中红外波长等波段，为成像、光学计算等其他应用提供有力的光场调控方案。该研究成果以“Folded digital meta-lenses for on-chip spectrometer”为题于2023年4月11日在线发表在《Nano Letters》上。随着物联网、消费电子等应用领域的不断发展，对光谱仪的小型化提出了更高的要求。近40年里，光谱仪的微型化技术经历了从基于分立器件技术到集成光学技术的发展，逐渐趋于低成本和片上集成化。近年来，受到自由空间超构表面波前调控的启发，基于超构波导的一些平面内衍射光网络正在成为片上光波操纵的有力工具。目前已报道的片上超构系统都是基于各单元长度不等的传输阵列，结构规则简单但设计自由度受限，导致系统集成度和功能的局限性。如何突破设计自由度的限制，是提升片上超构表面光场调控能力以及拓展应用的关键。借助超构表面强大的光学操控能力，有望突破传统片上光谱仪分辨率和器件尺寸相互制约的矛盾。为了解决设计自由度受限的问题，文章提出了一种基于像素编码的数字型超构表面。基本思想为求解超构表面目标相位分布。为降低算力消耗，我们将目标区域划分为多个单元，通过逆向设计对每个单元图案分别进行编码，在平面任意区域实现任意相位响应。与数字型超构波导在局部区域内的原位控制不同，本文提出的数字型超构表面可以整体操纵面内波衍射及其在整个平板区域内的传播。这种特性使该结构能够设计连续大相位梯度的高色散数字型超构透镜，允许光束在紧凑的尺寸内实现聚焦、准直和大角度弯曲等类似几何光学透镜的功能。具体设计原理如图1所示。图1. 基于数字型超构表面的超构透镜逆向设计原理。(a)超构透镜在1550 nm处的光弯曲 (θ=45°)和聚焦(f = 19.5 μm)的射线光学演示。(b)透镜的理想相位轮廓曲线(φ)，可视为45°弯曲相位曲线 (φ1)和聚焦相位曲线(φ2)的叠加。I:计算的绝对相位，II:对应的菲涅耳相位。(c)每个单元的优化器件图案和对应的理想相位曲线(φ)。(d) 计算出的理想相位掩模（黑色实线）与所设计超构透镜的模拟相位响应（红色虚线）之间的比较。(e)所设计单个超构透镜的模拟光场分布。(f)模拟超构透镜的焦点AI不同波长下沿x'轴的偏移。插图为不同波长下焦点的横截面光场分布图。要实现更高的波长分辨率，需要累积色差和增加光程。为了验证设计效果，本文设计并制备了一种基于五层折叠超构透镜的光谱仪，器件尺寸仅为100 μm×100 μm。该器件的模拟光场和实测结果如图2所示。图2(a)中的五层超构透镜功能不同，透镜I用于准直扩束输入光同时转折光路，透镜II-IV则承担着累积色散和波长分束的作用。受到读出波导间距的限制，此时该器件直接读出的分辨率约为1 nm (图2(d))。为了进一步提高光谱仪性能以及器件的制备容差，在色散分光的基础上引入了光谱重构算法。图2. 基于五层折叠超构透镜的光谱仪。(a)五层折叠超构透镜光谱仪在1550 nm处的模拟光场分布。(b)器件尺寸为100 μm×100 μm的光谱仪显微镜图像。插图:超构透镜和输出波导阵列的局部电镜图像。(c)器件实测的输出强度与输入波长的映射图。(d)两个相邻输出通道11和12的透射光谱，通道间距约为1 nm。(e)谱相关函数C(δλ)的半高半宽δλ为0.108 nm，与光谱仪的估计分辨率相对应。为了体现光谱仪的性能，构造了几种不同类型的预编程光谱来测试光谱仪的性能。重构光谱见图3。结果表明，结合重构算法后，该光谱仪的光谱分辨率提升至0.14 nm(图3(a))，整体工作带宽覆盖1530 nm-1565 nm，且性能在边带依旧保持稳定(图3(c))。此外，对于同时具有宽高斯背景和窄带单峰特征的复杂频谱(图3(d))，本文提出的片上光谱仪依旧能与商用光谱仪保持良好的一致性。图3. 使用基于五个折叠超构透镜的片上光谱仪进行光谱重建（实线表示重建光谱，虚线表示商用光谱仪测试结果）。(a)两条相隔约0.14 nm的窄光谱线的重建光谱。(b)距离约20.61 nm的双峰重建光谱。(c)在工作带宽上分别重建7处不同波长的窄带光谱。(d)宽带光源入射的重建光谱。此文提出的基于数字型超构透镜的片上光谱仪在超过35 nm的波长范围内实现了0.14 nm的分辨率。整体尺寸仅为100 μm ×100 μm，最小特征尺寸为120 nm，可通过标准硅光工艺大规模制造。该设计方案具有可移植性，使用氮化硅或其他集成平台，基于超构透镜的光谱仪可以扩展到可见光或中红外波长。目前器件的数据读出依赖于片外功率计，可以通过集成片上光电探测器阵列来改善。此外，片上数字型超构透镜作为一种功能强大的片上光场调控器件，在成像、光计算等领域也有应用潜力。

p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 近期，中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室微纳光子集成课题组利用单层超透镜（metalens）实现了左、右旋圆偏振光在三维空间的分离聚焦，打破了以往自旋相关光束聚焦的对称性，超越了传统几何光学透镜的光场聚焦能力，对光学成像研究具有重要意义。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 传统几何光学透镜仅是通过玻璃厚度的变化来调节入射光相位实现聚焦，无法完成矢量光场（如偏振、自旋等）的操控。超透镜是一种二维平面透镜结构，其体积极小，重量轻，易于集成，可实现对入射光振幅、相位、偏振等参量的灵活调控，在超分辨显微成像、全息光学、消色差透镜等方面有重要应用。该研究利用构成超透镜的纳米天线动力学相位与Pancharatnam-Berry几何相位结合的方法，通过巧妙设计超透镜上纳米天线几何结构与空间取向，在单层超透镜上同时实现了左、右旋圆偏振光相位的独立操控，在横向和径向完成了不同自旋态光束的聚焦，提升了超透镜的光束操控及聚焦能力，具有结构紧凑、灵活性强等优点，能够满足光学系统及器件小型化功能多样化的要求。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 该研究得到中科院战略性先导科技专项（B类)“大规模光子集成芯片”和国家自然科学基金项目的大力资助。相关成果发表在《先进光学材料》（Advanced Optical Materials）上。 /p

超透镜能够超越传统光学成像分辨率的极限，实现亚波长级别的微观结构和生物分子的更好观测。然而，超透镜的本征损耗一直是该领域长期存在的关键科学问题，限制了成像分辨率的进一步提升。　　近日，来自香港大学、国家纳米科学中心和英国帝国理工学院等机构的研究人员密切合作，提出了多频率组合复频波激发超透镜成像理论机制，通过虚拟增益来抵消本征损耗，成功提高了超透镜的成像分辨率约一个量级。该研究成果于8月18日在《科学》杂志上在线发表。　　“超透镜”概念最早由英国帝国理工学院教授John Pendry于2000年首次提出。根据理论预测，超透镜将具有突破传统光学成像分辨率极限的能力。随后，为实现超透镜构想，中国科学院外籍院士、香港大学教授张翔团队率先提出了新型银-聚合物超透镜的实验方案，极大推动了超透镜技术的发展和应用。此后，各国科学家纷纷加大研究投入，超透镜迅速成为光学领域的热门课题，并被广泛应用于生物医学、光纤通信、光学成像等场景。合成复频波方法提升超透镜成像质量的原理示意图（研究团队供图）　　目前，基于极化激元材料和超构材料的超透镜已被广泛验证可以实现亚衍射成像，但其本征损耗的严重限制了其分辨率进一步提升，从而也限制了其应用发展。　　为了解决这一重大挑战，由香港大学教授张霜、张翔、国家纳米科学中心研究员戴庆以及John Pendry组成国际科研团队开展联合攻关。　　在最新发表的论文中，张霜介绍：“针对光学损耗提出一种实用的解决方案，即借助多频率组合的复频波激发来获得虚拟增益，进而抵消光学体系的本征损耗。”　　作为验证，他们把这一方案运用到超透镜成像机制，理论上实现了成像分辨率的显著提升。最后，进一步借助微波频段双曲超构材料的超透镜实验进行了论证，获得与理论预期一致的良好成像效果。　　戴庆团队基于长期对原子制造技术下的高动量极化激元的积累，创制了基于合成复频波的碳化硅声子极化激元超透镜。“我们最终实现了超透镜成像分辨率约一个量级的提升，相信这将对光学成像领域产生巨大影响。”戴庆表示。　　科研人员介绍，合成复频波技术是一种克服光子学系统本征损耗的实用方法，不仅在超透镜成像领域有卓越的表现，还可以扩展到光学的其他领域，包括极化激元分子传感和波导器件等。该方法还可以针对不同的系统和几何形状进行定制化应用，为提高多频段光学性能、设计高密度集成光子芯片等方向提供了一条潜在的途径。　　“这是一个优美而普适的方法，可以拓展到其它波动体系来弥补损耗问题，如声波、弹性波以及量子波等。”张翔说。　　香港大学博士后管福鑫、国家纳米科学中心特别研究助理郭相东和香港大学博士生曾可博为本文共同一作。张霜、张翔、戴庆和John Pendry为本文共同通讯作者。

近期，中国科学院上海天文台陕欢源课题组和上海交通大学物理与天文学院张鹏杰课题组合作，基于目前国际上最先进的千平方度巡天（Kilo-Degree Survey，KiDS）数据和Planck卫星宇宙微波背景辐射弱引力透镜（CMB lensing）数据，探究了利用二者的交叉关联限制宇宙学，并首次在这一结果中完整考虑扣除来自星系内秉指向性（intrinsic alignment，IA）带来的污染。5月16日，相关研究成果发表在《天文学与天体物理学》（Astronomy & Astrophysics）上。弱引力透镜是暗物质宇宙演化的唯一无偏探针，在限制宇宙学、大尺度结构演化、暗能量模型等方面具有其他观测手段无法替代的优势。弱引力透镜描述了光线因相对论效应在弱引力场中产生偏折，而对应光源即会在观测者眼中发生形变而偏离原本形状。通过对这一形变效应的观测，即可推测出光源和观测者之间的引力场分布或物质分布，从而更深入地理解宇宙成分性质和宇宙大尺度结构的演化规律（图1）。天文学家认为，使用星系形状因弱引力透镜的形变（剪切场，shear）和CMB光子因弱引力透镜的形变（汇聚场，convergence）的交叉关联，可以有效避免一些系统误差的影响，更好地提取出宇宙学信息。这一交叉关联自2015年首次被观测到以来，已被多项研究工作使用不同数据得以验证。然而，这一信号的处理仍存在一些简单的假设，而这些假设在未来的观测中可能会被打破。上海天文台博士姚骥提出，星系内秉指向性IA即星系在被弱引力透镜扭曲之前的形状，对这一交叉关联信号的影响一般均基于一些假设，而这些假设的正确性值得更深入探讨。本研究总结了过去八年对这一信号所有的处理方法（图2），其中忽略IA的处理方法以橙色线段标注，考虑了IA的影响但对IA的模型和参数进行了很强的假设的工作以绿色线段标注。为了弥补这方面探索的缺失，研究利用星系内秉指向性和弱引力透镜信号在光路上是否具有对称性这一特征，使用自修正的方法分离并扣除KiDS数据中星系内秉指向性（IA）的影响，并验证了IA导致的这一系统误差在如今的数据中已拥有一定的影响，约合0.5σ，超出无偏宇宙学0.31σ的要求。而这一影响在即将到来的第四代弱引力透镜巡天中将会随着统计误差的缩小而极速放大。本研究所使用的全新的IA自修正方法是在弱引力透镜宇宙学的首次应用。这一新方法为宇宙学研究提供了除模型拟合、模拟数据验证等传统的手段之外，直接从测光巡天数据中提取IA并消除其宇宙学影响的方法，也是目前唯一基于对称性的IA修正手段。研究显示，通过大量的基于模拟数据和观测数据的自洽性检验，自修正方法能够很好的减少IA对宇宙学信号的污染，且通过打破简并现象，保持了观测对宇宙学的限制力。上海天文台研究员陕欢源表示，本研究的重要意义体现在通过大量验证、完善了扣除方法的方式对IA进行了更为翔实的研究，同时本研究使用了独立于其他方法的、全新的自修正扣除方法，首次在测光巡天数据中从对称性的角度提取并扣除IA污染。这种全新的扣除方法也可以扩展到许多其他宇宙学研究上。陕欢源还补充道，本次从星表到宇宙学的研究，在工程实现方面也具有重要意义，期望后续在我国自主研发的空间站工程巡天望远镜（CSST）上开展相关的应用研究。研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等的支持。图1.弱引力透镜示意图。左上角的星系发出的光线如果沿蓝色直线传播到望远镜处被我们观察到，则呈现出左下蓝色框中的图景。而实际上光线的传播会被途经的物质的（中上部）引力场所扭曲，以黄色光路传播。对应地，观测到的星系形状也会呈现相应的扭曲，如右下黄色框中所示。从蓝色框到黄色框中星系图像发生的形变，可以用来研究光路经过的物质分布。图2.使用IA自修正方法与之前结果获得的引力透镜幅度的对比（幅度为1表示和Planck宇宙学吻合）。本研究的三个主要结果：使用IA自修正方法扣除IA、完全忽略IA的存在、不使用IA自修正也不对IA进行强的假设，在图中以蓝色呈现。本研究中和IA的物理本质无关的一些对数据、模型、处理方式的选择所造成的差异，以红色呈现。对之前工作的总结以橙色（忽略IA）和绿色（对IA有强假设）呈现，其中橙色做法对应蓝色“ignore IA”，未能扣除IA的污染，绿色做法如果不对IA进行强假设，则误差棒会像蓝色“IA w/o SC”的情况一样显著增大。

仪器信息网讯 近日，瑞士保罗谢尔研究所(Paul Scherrer Institute,简称PSI) 的科学家开发了一种X射线显微镜的突破性光学元件——X 射线消色差透镜。这使得 X 射线束即使具有不同的波长也可以准确地聚焦在一个点上。对应成果于3月14日发表在科学杂志Nature Communications上，成果表示，新型X射线镜头将使使用 X 射线研究纳米结构变得更加容易；这种类型的X射线消色差仪将克服衍射光学和折射光学的色差限制，并为宽带X射线管光源在光谱学和显微镜中的新应用铺平道路。DOI: 10.1038/s41467-022-28902-8用于在微纳米尺度上无损研究物质内部结构和元素组成的X射线技术需要高性能的X射线光学系统。为此，在过去的十年中，人们开发了各种类型的反射、折射和衍射光学元件。衍射和折射光学元件已成为大多数高分辨率X射线显微镜的组成部分。然而，始终遭受固有色差的影响。到目前为止，这限制了它们在窄带辐射中的使用，从本质上说，这类高分辨率X射线显微镜仅限于高亮度同步辐射源。与可见光光学类似，解决色差的一种方法是将具有不同色散功率的聚焦光学和散焦光学结合起来。在这次新成果中，PSI科学实现了X射线消色差仪的首次成功实验，该消色差仪由电子束光刻和镀镍制作的聚焦衍射菲涅耳波带片（FZP）和3D打印双光子聚合制作的散焦折射透镜（RL）组成。利用扫描透射X射线显微镜（STXM）和光学显微镜，科学家演示了在宽能量范围内的亚微米消色差聚焦，而无需任何焦距调整。这种类型的X射线消色差仪将克服衍射光学和折射光学的色差限制，并为宽带X射线管光源在光谱学和显微镜中的新应用铺平道路。消色差镜头对于在摄影和光学显微镜中产生清晰的图像至关重要。它们确保不同颜色（即不同波长的光）具有共同的焦点。然而，迄今为止，X 射线还没有消色差透镜，因此只有单色 X 射线才能实现高分辨率 X 射线显微镜。在实践中，这意味着必须从 X 射线光束光谱中滤除所有其他波长，因此只能有效使用一小部分光，从而导致相对低效的图像捕获过程。由 3D 打印机创建的微结构：由 PSI 科学家开发的创新折射结构与衍射元件相结合，形成一个消色差 X 射线镜头，约一毫米长（或高，如图所示）。打开它的末端，就像一个微型火箭。它是由 3D 打印机使用特殊类型的聚合物创建的。该结构的图像由扫描电子显微镜拍摄。图片来源：Paul Scherrer Institute/Umut SanliPSI 科学家团队已通过成功开发用于 X 射线的消色差 X 射线透镜解决了以上问题。由于 X 射线可以揭示比可见光小得多的结构，创新的镜头将特别有利于微芯片、电池和材料科学等领域的研发工作。比可见光消色差更加复杂对于可见光，消色差透镜的应用已经超过200多年。但对于X 射线的消色差透镜直到现在才被开发出来，这一事实乍一看似乎令人惊讶。可见光的消色差透镜是由一对不同的材料组成，当可见光穿透第一种材料时，分散成不同光谱颜色（就像穿过传统的玻璃棱镜时一样），然后这些光谱再通过第二种材料时就会逆转这种分散效果，聚焦在一个点上。（在物理学中，分散不同波长的过程称为“色散”）消色差聚焦原理：散焦折射透镜（RL）的色度作为聚焦菲涅耳波带片（FZP）色度特性的校正器。b扫描电子显微镜（SEM）显示了通过电子束光刻和镍电镀制作的镍FZP，用于对比测量。c由四个堆叠抛物面组成的RL的SEM图像，使用双光子聚合光刻技术进行3D打印。d使用消色差作为聚焦光学元件的扫描透射X射线显微镜（STXM）和光学成像实验装置的草图。PSI 的X 射线纳米科学与技术实验室 X 射线光学与应用研究组负责人、物理学家 Christian David 解释说：“这种适用于可见光范围的基本原理在 X 射线范围内不再起作用。对于 X 射线，没有任何两种材料的光学特性能够在很宽的波长范围内足以抵消另一种材料的影响。换句话说，材料在 X 射线范围内的色散是太相似了。”两个原理而不是两种材料因此，科学家们没有将寻找答案放在在两种材料的组合中，而是探索将两种不同的光学原理联系在一起。“诀窍是要意识到我们可以在衍射透镜前面放置第二个折射透镜，”新研究的主要作者Adam Kubec说。Kubec 目前是 Christian David 小组的研究员，现在为 XRnanotech 工作，XRnanotech 是 PSI 在 X 射线光学研究过程中的一个衍生公司。“多年来，PSI 一直是 X 射线镜片生产的世界领导者，”David 说，“我们为全球同步加速器光源的 X 射线显微镜提供专门的透镜，称为菲涅耳波带片。” David 的研究小组使用已建立的纳米光刻方法来生产衍射透镜。然而，对于消色差透镜中的第二个元素——折射结构——需要一种新方法，这种方法最近才得以实现：微米级的 3D 打印。这最终使 Kubec 能够制作出一种类似于微型火箭的形状。使用消色差仪演示在不同能量下的 STXM 成像。a）使用消色差获得的图b 中所示的Siemens star样品的 STXM 图像，表明在最佳能量约 6.4 keV 的附近，消色差范围 1 keV。b) Siemens star 测试样品的 SEM 图像，外圈和内圈的径向线和间距 (L/S) 的宽度分别为 400 nm 和 200 nm，见红色箭头。c) STXM 的比较结果是使用消色差 (上) 和传统 FZP (下) 获得的能量范围为 6.0 keV 至 6.4 keV。虽然 FZP 图像的对比度随能量快速变化，但使用消色差获得的图像质量变化很小。潜在的商业应用新开发的镜头使得X射线显微镜实现了从研究应用到商业应用（例如工业）的飞跃。“同步加速器源产生如此高强度的 X 射线，以至于可以滤除除单个波长以外的所有波长，同时仍保留足够的光来产生图像，”Kubec 解释说。然而，同步加速器是大型研究设施。迄今为止，在工业界工作的研发人员被分配了固定的光束时间，在研究机构的同步加速器上进行实验，包括 PSI 的瑞士同步辐射光源 SLS。这种光束时间极其有限、昂贵，且需要长期规划。“行业希望在他们的研发过程中拥有更快的响应循环，”Kubec 说，“我们的消色差 X 射线镜头将在这方面提供巨大帮助：它将使工业公司可以在自己的实验室内操作紧凑型 X 射线显微镜。”PSI 计划与 XRnanotech 一起将这种新型镜头推向市场。Kubec 表示，他们已经与专门在实验室规模上建造 X 射线显微镜设施的公司建立了适当的联系。作为元件安装在瑞士同步辐射光源SLS上进行测试为了测试他们的消色差仪的性能，科学家们在将其作为聚焦光学元件安装在瑞士同步辐射光源SLS的cSAXS光束线上。其中一种方法是非常先进的 X 射线显微镜技术，称为 ptychography。“这种技术通常用于检测未知样本，”该研究的第二作者、Christine David 研究小组的物理学家、X 射线成像专家 Marie-Christine Zdora 说，“另一方面，我们使用 ptychography 来表征 X 射线束，从而表征我们的消色差透镜。” 这使科学家能够精确检测不同波长的 X 射线焦点的位置。他们还使用一种方法对新镜头进行了测试，该方法使样品以小光栅步长穿过 X 射线束的焦点。当改变 X 射线束的波长时，使用传统 X 射线镜头产生的图像会变得非常模糊。但是，在使用新的消色差镜头时不会发生这种情况。“当我们最终在广泛的波长范围内获得测试样品的清晰图像时，我们知道我们的镜头正在发挥作用，” Zdora高兴地说道。David 补充说：“我们能够在 PSI 开发这种消色差 X 射线镜头，并且很快将与 XRnanotech 一起将其推向市场，这一事实表明，我们在这里所做的这类研究将在很短的时间内实现实际应用。”

近日，瞬态光学与光子技术国家重点实验室在太赫兹频段可变焦消色差超透镜领域取得新进展，相关研究成果发表于Journal of Science: Advanced Materials and Devices(IF = 7.38)。论文第一作者为博士生江晓强，通讯作者为范文慧研究员。 　　超透镜是一种二维平面透镜结构，具有体积小、重量轻、易于集成等特点，可实现对太赫兹波振幅、相位、偏振等参量的灵活调控，有望解决天然材料在太赫兹频段电磁响应不足而导致的效率低、体积大等问题。近年来，消色差超透镜由于能够有效消除宽频带成像产生的色差问题而受到广泛关注。然而，如何在实现宽频带消色差的同时，赋予超透镜连续变焦的能力，仍然是目前亟待解决的难题。 　　针对此问题，研究团队首先基于Ⅲ-Ⅴ族半导体材料锑化铟(InSb)设计了性能优异的单元结构。随后，研究团队采用几何相位和传输相位相结合的方式，巧妙设计超透镜单元结构的排布方式与空间取向，采用单层超透镜实现了太赫兹波的宽频带聚焦，有效消除了色差现象。进一步地通过改变器件工作温度，进而调控器件单元结构的相位补偿范围，实现了焦距736.25 μm (NA = 0.62)至 861.02 μm(NA = 0.56)的连续变焦。本研究成果为设计多功能消色差超透镜提供了一种新思路，有望进一步拓展太赫兹频段超透镜在显微成像和内窥镜等领域的实际应用。 图1 连续变焦消色差超透镜工作示意图 　　西安光机所范文慧研究员带领的太赫兹光子学与表面微纳智造团队已在超宽频谱太赫兹波产生与探测、超快太赫兹波谱成像与应用、太赫兹频段超材料与超表面功能器件等领域开展持续研究并取得一定突破。相关研究成果陆续发表于Angewandte Chemie - International Edition、Carbon、Journal of Science: Advanced Materials and Devices、Optics Letters、Optics Express、Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy、Nanomaterials等国际知名期刊，获得了国内外同行的广泛认同。

瑞士保罗谢勒研究所（PSI）的科学家开发了一种突破性的X射线消色差透镜。这使得X射线束即使具有不同的波长也可以准确地聚焦在一个点上。根据14日发表在《自然通讯》上的论文，新透镜将使利用X射线研究纳米结构变得更加容易，特别有利于微芯片、电池和材料科学等领域的研发工作。要想在摄影和光学显微镜中产生清晰的图像，消色差透镜必不可少。它们可以确保不同颜色，即不同波长的光，能够清晰聚焦，从而消除模糊现象。直到现在才开发出一种用于X射线的消色差透镜，这一事实乍一看可能令人惊讶，毕竟可见光消色差透镜已经存在了200多年。它们通常由两种不同的材料组成。光线穿透第一种材料，分裂成光谱颜色，就像穿过传统的玻璃棱镜一样。然后，它通过第二种材料来逆转这种效果。在物理学中，分离不同波长的过程称为“色散”。然而，PSIX射线纳米科学与技术实验室X射线光学与应用研究组负责人、物理学家克里斯蒂安大卫解释说：“这种适用于可见光范围的基本原理并不适用于X射线范围。”对于X射线来说，没有哪两种材料的光学性质在很大的波长范围内有足够的差异，从而使一种材料可以抵消另一种材料的影响。换句话说，X射线范围内材料的色散太相似了。此次，科学家没有在两种材料的组合中寻找答案，而是将两种不同的光学原理联系在一起。这项新研究的主要作者亚当库贝克说：“诀窍是意识到我们可以在衍射镜前面放置第二个折射镜。”PSI用已有的纳米光刻技术来制造衍射镜，并用微米级的3D打印制造出折射结构，成功开发出用于X射线的消色差透镜，解决了上述问题。为了表征他们的消色差X射线透镜，科学家们在瑞士同步辐射光源使用了一条X射线光束线，还使用光刻技术来描述X射线光束，从而描述消色差透镜。这使得科学家们能够精确地探测到不同波长的X射线焦点的位置。

1. 前言　 使用紫外分光光度计测定固体样品时，会用到积分球。积分球的种类繁多，有不同的尺寸、形状、涂层材质。日立紫外可见近红外分光光度计UH4150具有多种积分球检测器，可以满足不同样品的测量需求。图1 日立UH4150及其丰富附件这里以透镜测定为例，介绍标准积分球和全积分球。 2. 积分球结构标准积分球的内壁涂层为BaSO4，副白板的材质为Al2O3。它不但可以测定透过率，还可以测定全反射率和漫反射率。全积分球的副白板位置处无开孔，其内层材质同样为BaSO4。因此，全积分球不能测定全反射率和漫反射率。图2 标准积分球和全积分球的结构 3. 透镜的测定实例当测定如透镜类的样品时，其透射光束会在积分球内发生较大变化，若使用标准积分球时，透射光会从积分球背面的副白板溢出，并由副白板和积分球内壁反射。如图3所示，由于Al2O3和积分球内层BaSO4的反射率不同，因此基线校正(仅通过副白板反射校正)和样品测定时的光学条件不同，无法得到正确的测光值。图3 Al2O3和BaSO4的反射光谱详细信息请点击：https://www.instrument.com.cn/netshow/SH102446/s930350.htm 4. 总结 日立提供多种积分球，包括全积分球和标准积分球，以及开口倾角不同的标准积分球等，满足多种样品的精确测定。拨打400-830-5821，联系我们。

2011年9月7日报道 德国马尔堡大学将与德国塑料中心合作研究用于太赫兹和亚毫米波的新聚合物透镜。这种透镜可以改进图像质量，并降低材料和生产成本。 太赫兹和微波系统在过去二十年发展迅速，相关技术已经逐渐成熟，近年来更出现了一些创新性技术，如低成本塑料光学技术。新项目将开发以聚合物和二氧化钛或氧化铝粉末等添加物的混合物为基础的太赫兹透镜。

p 　　将超表面透镜和MEMS技术相结合，或能为光学系统带来高速扫描和增强的聚焦能力。 /p p 　　目前，透镜技术在各个领域都获得了长足的发展，从数码相机到高带宽光纤，再到激光干涉仪引力波天文台 LIGO的仪器设备等。现在，利用标准的计算机芯片制造技术开发出了一种新的透镜技术，或将替代传统曲面透镜复杂的多层结构和几何结构。 /p center img alt=" " src=" http://07.imgmini.eastday.com/mobile/20180226/20180226155844_edbff27bad1f96d86a071f94afa52e29_1.jpeg" height=" 249" width=" 533" / /center p 　　集成在MEMS扫描器上的基于超表面技术的平面透镜(超级透镜)，左图为扫描电镜图片，右图为光学显微成像图片。在MEMS器件上集成超级透镜，将有助于整合高速动态控制和精确波阵面空间控制优势，打造光控制新模型 /p p 　　与传统曲面透镜不同，基于超表面光学纳米材料的平面透镜相对更轻。当超表面亚波长纳米结构形成某种重复图纹时，它们便可以模仿能够折射光线的复杂曲度，但是体积更小，聚光能力更强，同时还能减少失真。不过，大部分这种纳米结构器件都是静态的，功能性有限。 /p p 　　据麦姆斯咨询报道，超级透镜技术开拓者——美国哈佛大学应用物理学家Federico Capasso，和MEMS技术早期开发者——美国阿尔贡国家实验室纳米制造和器件小组负责人Daniel Lopez，他们俩来了一番头脑风暴，为超级透镜增加了运动控制能力，例如快速扫描和光束控制能力，或将开辟超级透镜新应用。 /p p 　　Capasso和Lopez联手开发了一款器件，在MEMS上集成了中红外光谱超级透镜。他们将该研究成果发表在了本周的《APL Photonics》期刊上。 /p p 　　MEMS是一种结合微电子和微机械的半导体技术，在计算机和智能手机中可以找到，包括传感器、执行器和微齿轮等机械微结构。MEMS现在几乎无处不在，从智能手机到汽车安全气囊、生物传感器件以及光学器件等，MEMS可以借助典型计算机芯片中的半导体技术完成制造。 /p

中国电子显微镜学会，仪器信息网共同报道 为促进科技成果转化，搭建科学家与企业家沟通合作平台，2021年4月23日下午，第十五届中国科学仪器发展年会（ACCSI2021）同期，由中国电子显微镜学会和仪器信息网共同发起并主办的“首届中国电镜产业化发展论坛”在无锡融创万达文华酒店会议中心召开。论坛邀请电镜技术专家、电镜及相关联技术企业家等百余位电镜产业化相关人士共聚一堂，就中国电镜技术产业化现状、未来发展与合作等展开讨论，共同为促进中国电镜产业化健康发展建言献策。“首届中国电镜产业化发展论坛”现场中国电子显微镜学会理事长韩晓东教授致辞论坛致辞中，中国电子显微镜学会理事长韩晓东教授谈了三点感想。首先，不同以往中国电子显微镜学会举办的以学术为主的会议、或仪器信息网举办的产业为主的会议，本次是第一次双方合作举办的以产学研用为主旨的论坛，并分别负责科学家和企业家们的召集。从这次论坛开始，我们要强化这样的理念：从学术的迫切需求来带动仪器产业化的升级，同时，也希望通过仪器产业化的进步来推动学术的发展。其次，仪器产业化与学术发展之间并不是零和游戏，而是加和、乘和游戏，两者大幅度相互促进。诺奖的重要补充-科维理奖，2020年其纳米科学奖授予了对像差校正电镜技术的发展做出巨大贡献的四位欧洲科学家，其中Maximilian Haider和Ondrej L. Krivanek，既是科学家也是企业家，两位分别是世界知名球差校正技术企业德国CEOS GmbH公司和美国Nion公司的创始人之一。同时，另外两位Harald Rose、Knut Urban则是纯学术科学家，四位获奖者对球差校正先进技术的推动，则体现了一个科学家、企业家，以及学术与产业化的融合，是科学仪器发展推动科技进步的范例。再次，国家“十四五”规划在多个层次都强调科技成果转化，我们电镜技术经过以往多年的积累，目前在座的许多企业家已经取得了很好的进展，在扫描电镜、很多附件乃至透射电镜等方面都有着手去做或取得很好的发展。希望通过这样的论坛，学术界与产业界相互促进的创新形式，能够对整个电镜领域有更高更强的推动作用，也希望在座的无论是学术专家还是企业家都能够有所收获。开篇报告：中国电子显微镜产业发展现状及展望报告人：中国科学院电工研究所 副所长 韩立研究员韩立首先介绍了电镜技术及商业化产品约九十年的发展历程，接着介绍中国电镜发展史时表示，我国电镜产业化有过自己的辉煌，但在市场经济和国际竞争的冲击下，目前国产扫描电子显微镜仅占全部扫描电子显微镜的百分之一二，且销售额十分微薄，国产透射电子显微镜也已全军覆没。但随着国家科研技术的不断发展，产业需求增加，大致在2007年前后，国内对电镜的研制与生产逐渐重视，特别是产业的介入。如中科科仪在科技部重大专项支持下，于2018年完成场发射扫描电镜项目验收并实现千万级别产出；聚束科技高通量扫描电镜取得很好的市场效果；东方晶圆在承担电子束检测装备研发和产业化的科技部重大专项等取得了系列进展；上海精测全自动电子束晶圆缺陷复查设备（eView SEM）已经完成首台套客户交付；中科院物理所开展桌面型扫描电镜研制；广州纳境鼎新开展透射电镜研制；国仪量子开展扫描电镜研制等。同时，也有西安威思曼、广州纳境鼎新、大束科技等开展了电镜相关关键部件的研发生产。总体而言，在国家支持下，国内电镜产业化热情很高，整体发展对产业的发展处于非常有力的局面。最后，结合国内电镜产业化发展现状，韩立对中国电镜的发展前景进行了分析，并提出加强相关基础学科建设、研制生产高附加值电镜附件、逐步建立自己的产业链等系列发展建议。仪器信息网专家委员会电镜专业组成立、专家证书颁发合影（部分专家代表）接下来，论坛从中国电镜产业化现状、电镜产业化经验分享、成果转化/合作机会三个议题出发，邀请6位企业代表和1位成果转化专家代表分别进行了议题发言。企业家及专家代表议题发言（按发言顺序，部分发言摘要如下）北京中科科仪股份有限公司电镜事业部总经理孟祥良介绍了中科科仪近50多年电镜研制历史，作为国内率先实现扫描电镜产业化的企业，50多年来产业化的十余款电镜型号包括1965年透射电镜DX-2，1975年国内第一台扫描电镜DX-3，2014年国内首台场发射枪扫描电镜KYKY-EM8000F，2019年首台国产低真空钨灯丝扫描电镜KYKY-EM6900LV等。接着介绍了中科科仪电镜系列扩展应用定制化技术方案，包括电子束曝光系统、高低温台、集成纳米操作机等。最后分享了其电镜产品在高校院所、电子材料、半导体、金属/非金属、新能源、生命科学等领域的应用情况。百实创(北京)科技有限公司总经理李海鑫介绍了国家级高新技术企业“百实创科技”的最新透射电镜原位技术产业化进展。原子分辨高温力学原位研究方法是国际瓶颈技术，百实创成功转化高校科技成果 “原子分辨原位高温力学研究系统”， 将实验室原型科学仪器升级为国际领先和独有的原创科学仪器并产业化，发展了系列显微芯片技术，首次实现1150℃高温下材料变形机理的原位原子层次研究。通过产学研合作及科技成果转化，在中美日本专利布局，于2019年推出INSTEMS系列新品。百实创分享了该系列产品可实现1200℃高温应力耦合场下材料显微结构演化的原子层次原位研究、多场耦合下的原子尺度分辨、原子分辨下pm级位移控制等优势，以及在一维纳米材料、二维薄膜材料和三维块体纳米取样材料等领域的广泛应用。作为进口品牌代表，TESCAN(中国)总经理冯骏介绍了TESCAN在捷克布尔诺数十年的电镜产业化历程，并分享了其中的优秀经验。TESCAN的前身为TESLA，TESLA于1951年生产了第一台商品化电镜 Tesla BS 241。1991年TESCAN成立，最初以提供现有显微镜的数字化升级服务赚取公司第一桶金，并在1997年推出TESCAN首台钨灯丝电镜VEGA。经验分享包括：人才培养方面，TESCAN和政府、高校与科研院所以及第三方仪器公司加强合作，共同促进电镜产业人才培养；完善供应链体系方面，TESCAN自有的现代化工厂和来自捷克布尔诺强大的电子、精密机械制造，软件技术等相关产业的支撑；资本方面，资本是电镜产业发展的充分条件，而不是必要条件；TESCAN在中国，核心价值观首要是成就客户等。作为代理商代表，北京欧波同光学技术有限公司产品及业务拓展总监韩鹏分享了欧波同在构建全方位服务平台方面的多年成功经验。利用独特的商业模式，欧波同实现连续十年业绩两位数增长，年销售额超2亿美元。客户价值主张方面，欧波同主要帮助客户加速创新、有效提升实验室效率。为客户提供多维的服务包括：场地测试、实验室规划及设备调试安装、设备维修与维护等一站式技术服务；便捷的沟通；技术支持、Demo中心、售后服务等应用支持；线上公益讲座、线下客户培训会、技术服务万里行等客户增值服务等。社会责任方面则包括助学活动、共建实验室、设立奖学金、公益大赛等。聚束科技(北京)有限公司总经理何伟首先以“莫听穿林打叶声，何妨吟啸且徐行”回顾了15年来，作为中国新一代电镜人的产业化历程。从2009年，团队的技术不先进、资本不受青睐、客户不认可、供应商不支持，经过六七年时间，不断磨练技术、筹措资金、分析市场、培养供应链，2015年聚束科技成立，拥有研发、制造、销售及维护工程师120余人，国内技术能力最强的一支技术团队。回首聚束科技的成功离不开尊重技术团队、重视知识产权、关爱客户等。2020年聚束科技获得新一轮的资金注入，并在新加坡开设海外第一家工厂，或是中国电镜公司走出去的第一步。作为专家代表，中国科学院物理研究所研究员李建奇分享了时间分辨电子显微镜研发及成像技术发展情况。超快透射电镜，因能够在埃-亚皮秒的空间-时间尺度拍摄结构的动力学过程，为解决多个重大学术问题提供关键线索，而备受全球物理学、化学、材料学和生命科学等多个领域的关注。2012年，在中科院科研装备研制项目的支持下，李建奇团队率先在国内发展超快透射电子显微技术，先后攻破了光发射电子枪改造技术、样品室改造技术、激光-电镜联机技术、以及弱电子计量成像技术等技术壁垒，成功搭建了国内第一台超快透射电子显微镜。第二代超快透射电子显微镜主要基于场发射电子枪，其电子相干性明显优于热发射电子枪，且能够兼容球差矫正技术，该产品已在怀柔科学城开始培训。该成果也已通过和怀柔仪器公司合作推动北京怀柔科学城高端科学设备制造及产业化发展。国仪量子（合肥）技术有限公司营销中心副总经理付永强介绍了国仪量子扫描电镜的业务情况与发展规划。作为一家年轻的科学仪器公司，国仪量子于2019年推出扫描电镜，并将其作为四大业务领域之一，先后掌握了电子光学系统、超高真空系统、扫描技术、真空样品台等核心技术。发展规划方面，包括高投入，建设研发生产线，提供稳定可靠产品；供应链上下游充分沟通合作，降低成本；强化应用，2个电镜应用实验室，6名专职应用工程师，多个合作实验室等。议题发言最后，论坛在场专家和企业家代表针对议题发言及电镜产业化问题等进行了开放讨论。部分讨论环节发言专家（按发言顺序，部分发言摘要如下）西安交通大学康永锋教授从电子光学学科及人才培养方面谈了自己的看法。首先，从科学研究角度，西安交大在上世纪90年代将其像差分析理论用在电镜高分辨像差理论中，具有高阶像差计算方便的优点，目前已经覆盖了电镜所有部件，建立了五级像差等，这些都是我国发展高分辨电镜的一个基础和工具。中国在电子显微镜发展方面西安交大作出很大贡献，包括现在所有电镜采用的物镜结构等都有西安交大的贡献，所以我们有信心能够把国家的电子显微镜产业一直推进至国际前列。其次，关于人才培养，电子光学学科在某一段时间以来，面临着萎缩的局面。他希望能为光电学科作出贡献的基础上做一些工作，除了理论研究、人才培养方面外，今年准备出一本新的电子光学教材，希望能对电子光学方面人才培养起到一定的支撑作用。中科院深圳先进技术研究院赵海涛副研究员分享了合作需求。表示该院将搭建高端科研仪器研制中心，主要推动自主研制电镜等仪器，打造功能强大，配置优良高效率的实验分析测试服务和学科交叉的重要平台，围绕产业升级对高端科研仪器的基础需求布局国际一流的软硬件，保障各团队高效利用共享的仪器设备中心。希望广大专家可以进一步深入合作或指导工作。中国科学院物理研究所白雪冬研究员表示，当下确实是大家如何群策群力把产业化推向更高水平的关键时机，自己认为要有所为有所不为，高端电镜或核心部件很难短期研制成功，但如果我们首先做一些配件或做一些代工，这些都是有意义的。另外电镜附件一些功能的拓展方面，国内做的比较多，比如百实创、泽攸科技做的一些原位方面的工作，类似的功能拓展与国外差别并不大，大家都在同一起跑线，希望国内产品能够在更多国际舞台亮相，与国际品牌同台竞争来提高整体竞争力。另外就是如何形成有序竞争，如何大家既能团结，又能各有侧重，把每个有特色的技术做到极致，这些是我们科研人员、企业与相关领域人才等多方同心合力发展的一个方向。东南大学孙立涛教授表示，就目前科技战而言，我们有很多关键技术被卡脖子，从短期和长期看，短板都需要去努力做。要有更多人投入科技这个行业，从长远讲，都需要大力支持。而且我们具备了天时地利与人和的时机，无论是国际环境下中国迎来的机会，还是国内良好的发展氛围，今天大家能够聚在一起重视这件事，在电镜领域也是一个非常好的开端。另外，我们需要找到真正的产业需求，以上企业分享的长板和短板都值得进一步探讨，探讨如何做的更好。同时，个人角度也愿意去做一些事情，无论是作为江苏省真空学会理事长所负责的真空领域，还是在光电倍增等方面，大家有需求都可以寻求合作，共同推进中国电镜产业发展。武汉大学王建波教授表示，武汉大学近两年采购了过亿元的仪器设备，进口品牌居多，为前沿科技提供支撑的科研设备出口，都会具有专属排他性，真正顶尖的技术不会以商化的产品购买到，因此，追求顶尖技术最终还是要依赖我们自己厂商把国产仪器做好。所以本次参会也抱着很大期望，相信大家可以把产业化共同做好，包括从电子光学基础学科，到电镜、到相关附件等。北京工业大学张跃飞研究员表示，刚刚百实创公司介绍了透射电镜原位系统，自己负责该重大专项扫描电镜的原位高温拉伸和高温成像方面的成果转化，该成果已在杭州桐庐落地转化，于2019年成立祺跃科技公司，并逐渐推出一些产品。产业化过程中也面临一些问题，比如一些部件还没有完全自主，人才需求不能满足等。也很欢迎与更多专家或企业合作，一起解决疑难，共同推进国产仪器的进步。武汉理工大学吴劲松教授表示，许多高端科学仪器都面临卡脖子的可能。电镜产业化而言，国内有许多方面都有希望，比如现在电镜关键的部件透镜，主流的是磁透镜来做，也有电场透镜，电场透镜制造工艺很难，这就会给我们一些机会，比如电场做凹透镜、凸透镜，以及两者叠加的球差校正等新思路等。另外球差校正电镜近几年的发展主要是在CCD方面的重大突破，那么在CCD或探测器等原位配置方面都有可能为国内市场乃至国外市场带来机会。上海交通大学刘攀教授表示，本次论坛认识到许多国产电镜技术，而且一些已经达到进口指标，有些可以作为高校采购的选择对象。另外也建议国产的这些优秀产品，扫描电镜或透射电镜拓展型系统，如百实创、厦门超新芯、祺跃科技等能够在一线或二线城市也建立用户体检中心，让更多用户能够接触与认识。韩立研究员表示，听完大家的分享，让人感觉到国内对于电镜产业化的热情关注，且相应产业化内容也已非常丰富，而在几年前很少有人关注电镜产业化这件事，这对于电镜发展而言是很好的阶段。首先，大家应该更加重视关键部件，真正电镜取得突破都是关键部件的突破，虽然关键部件确实钱少，但确实能解决大问题，这需要企业和研究院所共同去推动。另外，国内科学仪器企业要关注科学仪器的先进性，科学仪器行业必须重视技术的先进性；最后，科学仪器不能急功近利，需要遵循市场周期与自然规律，需要逐渐积累发展。工信部电子五所高级工程师施明哲表示，首先，政府应该大力支持有特色的国产企业，比如类似新能源汽车，设置一定的补贴。其次，是人才培养问题，电子光学是电镜技术的基础，但能开设这门学科的学校却很少，尤其是电子光学专业的中高层次的设计人员，这是亟需补救的问题。在会议小结中，韩晓东教授感谢了各位专家和企业代表的出席，并表示，本次论坛让我们看到电镜领域已经有了我们中国自己的企业。企业家与科学家的深入交流，能够产生更高层次的创新，今天具有起航的意义。再次感谢大家的积极发言与建议，会后，会务组会整理会议内容，形成建议，通过各种渠道呼吁支持电镜产业化进程。另外，也感谢国家快速发展下给大家提供的机遇。卡脖子的芯片与叶片背后是科技，科技的背后是科学仪器。科学仪器决定了一个国家原始创新的科学水平，决定其科技发展力量和总体科技发展水平。最后，如大家提出的愿望，希望中国电镜事业在十到十五年内，有更多显微原创性技术从中国产出，助力中国科技创新强国！最后，关于中国电镜产业化更多建议或意见，欢迎扫以下二维码填写以下建议，我们将整理汇总提交至相关部门，共同促进中国电镜产业化发展。首届中国电镜产业化发展论坛参会嘉宾代表合影留念

2024年1月9日，钢研纳克检测技术股份有限公司公开了“一种用于电感耦合等离子体质谱仪的聚焦传输透镜装置”的发明专利，公开号为CN117373899A。发明人为：沈学静 王雷 李凯 任立志 方哲 王超刚 王立平 王海舟。　　发明内容　　本发明的目的是提供一种用于电感耦合等离子体质谱仪的聚焦传输透镜装置，能够在三重四极质谱仪结构基础上增设三个透镜，通过灵活施加三个透镜的电压使其有助于离子沿离子光轴集中和聚焦，有效提高离子传输效率，从而提高质谱仪的灵敏度。　　为实现上述目的，本发明提供了如下方案：　　一种用于电感耦合等离子体质谱仪的聚焦传输透镜装置，所述电感耦合等离子体质谱仪为三重四极质谱仪，所述聚焦传输透镜装置设置在所述三重四极质谱仪的第一级四极杆与第二级多极杆之间或第二级多极杆与第三级四极杆之间 　　所述聚焦传输透镜装置包括：依次设置的透镜一、透镜二、透镜三，所述透镜一、透镜二、透镜三之间互不接触且相对距离可调节，所述透镜一、透镜二、透镜三的中心均开设有通孔，且所述透镜一、透镜二、透镜三的通孔的中心处于同一水平轴 通过直流电压施加装置分别对所述透镜一、透镜二和透镜三施加零电压、正电压或负电压。　　专利内容为：本发明涉及电感耦合等离子体质谱仪技术领域，公开了一种用于电感耦合等离子体质谱仪的聚焦传输透镜装置，应用于三重四极质谱仪，设置在所述三重四极质谱仪的第一级四极杆与第二级多极杆之间或第二级多极杆与第三级四极杆之间 所述聚焦传输透镜装置包括：依次设置的透镜一、透镜二、透镜三，透镜一、透镜二、透镜三之间互不接触且相对距离可调节，所述透镜一、透镜二、透镜三的中心均开设有通孔，且通孔的中心处于同一水平轴 通过直流电压施加装置分别对透镜一、透镜二和透镜三施加零电压、正电压或负电压。本发明提供的聚焦传输透镜装置，能够实现对电压的灵活施加，实现离子的有效传输与聚焦，从而提高质谱仪的灵敏度。

据美国航空航天局(NASA)官网报道，NASA喷气推进实验室(JPL)与加州理工学院研究人员合作开发了一种超薄光学透镜，通过“元表面”(metasurface)技术实现对光路的控制，可应用于先进显微镜、显示器材、传感器、摄像机等多种仪器，使光学系统集成度大大提高，并使透镜制造方式产生革命性变化。　　这种透镜的“元表面”由硅晶阵列组成，单个硅晶的横截面为椭圆形。通过改变硅晶的半径与轴向，可以改变通过光线的相位与偏振性，从而使光路弯曲，实现聚焦。传统的光学系统由多组玻璃镜片组成，每个镜片都要求非常精密的制造工艺 而这一新技术可以采用标准的半导体制造工艺，将厚度仅为微米级的“元表面”相互叠加，即可获得所需的光学系统，可以像半导体芯片一样实现大规模批量化自动制造。　　该研究团队正与企业伙伴进行合作，使这一技术进一步商业化。这一项目还获得了美国能源部与国防部高等研究计划局(DARPA)的资助。