轴二维物镜

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

近日，国家市场监督管理总局（国家标准化管理委员会）发布2021年第7号国家标准公告，批准发布386项推荐性国家标准和3项国家标准修改单，其中包括两项石墨烯相关标准：由泰州巨纳新能源有限公司牵头起草的国家标准GB/T 40071-2021《纳米技术 石墨烯相关二维材料的层数测量 光学对比度法》，以及由中国科学院半导体研究所牵头起草的国家标准GB/T 40069-2021《纳米技术 石墨烯相关二维材料的层数测量 拉曼光谱法》。以上两项标准同属于我国石墨烯领域首批国家标准计划项目，将于2021年12月1日起正式实施。石墨烯相关二维材料是层数不超过10层的碳基二维材料，包括石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯、氧化石墨烯等，具有优异的电学、光学、力学、热学等性能，引起了学术界和工业界广泛的研究兴趣。石墨烯相关二维材料的层数是影响其性能的关键参数。准确测量石墨烯相关二维材料的层数对于材料的研究、开发和应用意义重大。光学对比度法与拉曼光谱法因其快速、无损和高灵敏度等优势，被广泛应用于测量石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯等石墨烯相关二维材料的层数。《纳米技术 石墨烯相关二维材料的层数测量 光学对比度法》由泰州巨纳新能源有限公司、东南大学、泰州石墨烯研究检测平台有限公司等单位主导起草。利用光学对比度法测量石墨烯相关二维材料层数时，测量结果会受到硅（Si）衬底表面二氧化硅（SiO2）层的厚度、显微物镜的数值孔径、数据的处理方法等各种测试条件的影响。为提高层数测量结果的可靠性和一致性，该标准规定了光学对比度法（包括反射光谱法和光学图片法）测量石墨烯相关二维材料的层数的步骤、仪器参数要求、数据分析、层数判定准则。《纳米技术 石墨烯相关二维材料的层数测量 拉曼光谱法》由中国科学院半导体研究所 、贝特瑞新材料集团股份有限公司 、河北大学 、东南大学等单位主导起草。该标准规定了拉曼光谱法测量石墨烯相关二维材料层数时的样品制备、仪器参数要求、表征步骤、图谱分析及结果表示等内容，并列出基于本标准规定的方法测量某几个石墨烯薄片样品的实例。以上标准是重要的石墨烯相关二维材料层数测量方法标准，将为石墨烯相关二维材料的生产、应用、检验、流通、科研等领域，提供两种快速、无损和高灵敏度的测量方法，为石墨烯相关产业健康发展起到积极的推动作用。科技创新，日新月异，只有成为先进标准的制定者，才能在激烈的全球化竞争中增强产业核心竞争力，才能抢占战略性新兴产业发展制高点。值得一提的是，本次标准牵头起草方之一的泰州巨纳新能源有限公司，曾牵头制定我国首个石墨烯国家标准GB/T 30544.13-2018《纳米科技 术语 第13部分：石墨烯及相关二维材料》，该标准已于2019年11月起实施。泰州巨纳新能源有限公司成立于2010年，是国内最早从事石墨烯研究、检测、应用、标准化工作的公司之一。截至目前，公司获批国际标准2项，国家标准项目4项（2项已发布），江苏省地方标准2项，编制联盟标准项目7项（3项已发布）；率先发布全国首批石墨烯检测技术领域19项企业标准。2013年组织召开了全国首届石墨烯标准化论坛。2016年12月，经国家标准委和中国科学院批准，承担全国纳米技术标准化技术委员会低维纳米结构与性能工作组（编号为SAC/TC279/WG9）秘书处，负责协调和组织全国低维纳米材料的标准化工作。2017年，被评为泰州市标准化先进集体。2018荣获泰州市首届标准创新奖。2020年被评为泰州市专利标准融合创新示范企业，同年获批承担全国微细气泡技术标准化技术委员会微细气泡技术应用工作组（编号为SAC/TC584/WG3）秘书处。从2013年起举办多项全国性标准化活动，打造了行业知名的LDMAS国际会议品牌，在全国乃至国际上形成了巨大的影响力。

全共线多功能超快光谱仪BIGFOOTMONSTR Sense Technologies是由密歇根大学研究人员成立的科研设备制造公司。该公司致力于研发为半导体研究应用而优化的超快光谱仪和显微镜，突破性的技术可将光学器件和射频电子器件耦合在一起，以稳健的方式测量具有干涉精度的光学信号，真正实现一套设备、一束激光、多种功能。图1. 全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT不仅兼具共振和非共振超快光谱探测，还可以兼容瞬态吸收光谱（Transient absorption (TAS)）、相干拉曼光谱(Coherent Raman Spectroscopy (CRS))、多维相干光谱探测(Multidimensional Coherent Spectroscopy (MDCS))。开创性的全共线光路设计，使其可以与该公司研发的高精度激光扫描显微镜（NESSIE）联用，实现超高分辨超快光谱显微成像。全共线多功能超快光谱仪的开发也充分考虑了用户的使用体验，系统软件可自动调控参数，光路自动对齐、无需校正等特点都使得它简单易用。全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT主要技术参数：高精度激光扫描显微镜NESSIEMONSTR Sense Technologies的高精度激光扫描显微镜NESSIE可用入射激光快速扫描样品，在几秒钟内就能获得高光谱图像。该设备可适配不同高度的样品台和低温光学恒温器，物镜高度最多可变化5英寸，大样品尺寸同样适用。NESSIE显微镜是具有独立功能，可以与几乎任何基于激光测量与高分辨率成像的设备集成在一起，也非常适合与该公司研发的全共线多功能超快光谱仪集成。图2. 高精度激光扫描显微镜NESSIE 高精度激光扫描显微镜-NESSIE的输入信号为单个激光光束，输出信号为样品探测点收集的单个反向传播光束，这样的光路设计确保了反传播信号在扫描图像时不会相对于输入光束漂移，因而非常适用于激光的实验中的成像显微镜系统。图3. 使用NESSIE在室温下测量的GaAs量子阱的图像。a） 用相机测量的白光图像。b） 用调谐到GaAs带隙的80MHz激光器（5mW激光输出）进行激光扫描线性反射率测量。c） 同时测量的激光扫描四波混频图像揭示了影响GaAs层的亚表面缺陷 BIGFOOT+NESSIE应用案例：1. 高精度激光扫描显微镜用于材料表征美国密歇根大学课题组通过使用基于非线性四波混频（FWM）技术的多维相干光谱MDCS测量先进材料的非线性响应，利用激子退相和激子寿命来评估先进材料的质量。课题组使用通过化学气相沉积生长的WSe2单分子层作为一个典型的例子来证明这些功能。研究表明，提取材料参数，如FWM强度、去相时间、激发态寿命和暗/局部态分布，比目前普遍的技术，包括白光显微镜和线性微反射光谱学，可以更准确地评估样品的质量。在室温下实时使用超快非线性成像具有对先进材料和其他材料的快速原位样品表征的潜力。图4. (a)通过拟合时域单指数衰减得到的样本的去相时间图，在图(a)中用三角形标记的选定样本点处的FWM振幅去相曲线【参考】Eric Martin, et al Rapid multiplex ultrafast nonlinear microscopy for material characterization. Optics Express 30, 45008 (2022). 2.二维材料中激子相互作用和耦合的成像研究过渡金属二卤代化合物（TMDs）是量子信息科学和相关器件领域非常有潜力的材料。在TMD单分子层中，去相时间和非均匀性是任何量子信息应用的关键参数。在TMD异质结构中，耦合强度和层间激子寿命也是值得关注的参数。通常，TMD材料研究中的许多演示只能在样本上的特定点实现，这对应用的可拓展性提出了挑战。美国密歇根大学课题组使用了多维相干成像光谱（Multi-dimensional coherent spectroscopy, 简称MDCS），阐明了MoSe2单分子层的基础物理性质——包括去相、不均匀性和应变，并确定了量子信息的应用前景。此外，课题组将同样的技术应用于MoSe2/WSe2异质结构研究。尽管存在显著的应变和电介质环境变化，但相干和非相干耦合和层间激子寿命在整个样品中大多是稳健的。图5. （a）hBN封装的MoSe2/WSe2异质结构的白光图像。（b）MoSe2/WSe2异质结构在图（a）中的标记的三个不同样本点处的低功率低温MDCS光谱。（c）图（b）中所示的四个峰值的FWM(Four-Wave Mixing)四波混频积分图。（d）MoSe2/WSe2异质结构上的MoSe2共振能量图。（e）MoSe2/WSe2异质结构的WSe2共振能量图。（f）所有采样点的MoSe2共振能量与WSe2共振能量【参考】Eric Martin, et al Imaging dynamic exciton interactions and coupling in transition metal dichalcogenides, J. Chem. Phys. 156, 214704 (2022) 3. 掺杂MoSe2单层中吸引和排斥极化子的量子动力学研究当可移动的杂质被引入并耦合到费米海时，就形成了被称为费米极化子的新准粒子。费米极化子问题有两个有趣但截然不同的机制： (i)吸引极化子（AP）分支与配对现象有关，跨越从BCS超流到分子的玻色-爱因斯坦凝聚；（ii）排斥分支（RP），这是斯通纳流动铁磁性的物理基础。二维系统中的费米极化子的研究中，许多关于其性质的问题和争论仍然存在。黄迪教授课题组使用了Monstr Sense公司的全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT研究了掺杂的MoSe2单分子层。课题组发现观测到的AP-RP能量分裂和吸引极化子的量子动力学与极化子理论的预测一致。随着掺杂密度的增加，吸引极化子的量子退相保持不变，表明准粒子稳定，而排斥极化子的退相率几乎呈二次增长。费米极化子的动力学对于理解导致其形成的成对和磁不稳定性至关重要。图6. 单层MoSe2在不同栅极电压下的单量子重相位振幅谱【参考】Di HUANG, et al Quantum Dynamics of Attractive and Repulsive Polarons in a Doped MoSe2 Monolayer, PHYSICAL REVIEW X 13, 011029 (2023)