非线性超声检测

据河北工业大学网站消息，近日，由胡宁教授主持申报的国家重大科研仪器研制项目“多模态相控阵非线性超声检测原理及仪器研制”获得国家自然科学基金委员会批准立项（批准号：12227801），项目直接经费845万元。这是河北工业大学今年获批的又一项重大科研项目，也是河北工业大学近年来第二次获批重大仪器项目。“多模态相控阵非线性超声检测原理及仪器研制”项目面向增材制造航空发动机关键零部件中微裂纹和残余应力的可视化与智能化检测的重大需求，拟开发出高分辨力、高灵敏度、高效的多模态相控阵非线性超声检测仪器。仪器的特色体现在原创的多模态非线性超声相控阵探头上，涵盖多模态相控阵工作模式设计和机理研究、多模态超声探头设计与复合增材制造、多模态相控阵超声大数据获取及验证、基于大数据和深度学习算法的微裂纹与残余应力智能评价软件系统、多模态相控阵非线性超声仪器系统集成等五方面的研究内容与重点突破。包括复杂相控阵声场下微裂纹与残余应力特征评估、复杂微裂纹和残余应力的信号解耦、探头面投影微立体光刻-微滴喷射-电射流复合增材制造等三个关键技术难题。该项目将最终实现仪器在现场和远程两种工作模式下对早期微裂纹和残余应力的高精度检测与评价，确保增材制造航空发动机关键零部件的成形质量，为零部件的疲劳寿命和服役性能评估提供指导，助推我国超声无损检测仪器在基础原理、技术创新方面取得突破性进展，填补世界范围内非线性超声检测仪器空白。仪器系统简图

作者：朱汉斌 来源：中国科学报华南师范大学华南先进光电子研究院教授詹求强课题组在非线性荧光损耗机理及超分辨荧光显微成像领域取得重要进展。相关研究5月23日在线发表于《自然通讯》（Nature Communications）。该研究在荧光损耗物理机理上，提出了受激辐射诱导激发损耗新机理，“拔本塞源”式对敏化能级进行损耗，从源头阻断荧光的激发能量，新机理带来的“荧光损耗放大效应”大幅降低了超分辨所需要的激光光强，在低光强条件下实现了9种不同光谱探针的荧光损耗。在超分辨成像技术上，由此发展了一种通用性强的基于单对低光强、近红外、连续波激光的多色超分辨显微成像技术，克服了传统多色STED超分辨系统所依赖的多对超快脉冲光束协同工作的复杂系统、高成本、低稳定性等问题。受激发射损耗（Stimulated emission depletion, STED）超分辨显微镜的概念由德国科学家Stefan W. Hell于1994年提出，该技术于2014年获得了诺贝尔奖。然而，传统STED显微镜存在原理性局限和问题：受激辐射作用如果要在与自发辐射（寿命有机染料通常为纳秒级）竞争中占主导，通常需要高功率的超短脉冲（飞秒/皮秒）激光作为损耗激光，这往往会导致严重的光漂白、光毒性和重激发背景等问题。此外，多色STED超分辨技术和系统复杂度高、成本高、维护难。詹求强自2017年起带领研究生探索新机理，最终以STED原理性缺陷为突破口，提出全新机理解决了关键问题。上转换荧光纳米颗粒是一种纳米荧光探针，具有近红外激发、反斯托克斯位移大、无背景荧光、发光极其稳定等独特优势。上转换纳米探针通常是一个敏化-发光二元系统，敏化离子负责吸收激发光能量，然后传递给发光离子辐射波长更短的荧光。为解决STED面临的上述难题，詹求强课题组基于上转换荧光技术提出了全新的思路：抑制敏化离子和发光离子间的能量传递过程就可以切断对发光离子的能量补给，使得发光离子被“釜底抽薪”，即受激辐射诱导激发损耗（Stimulated-emission induced excitation depletion, STExD）机理。结合上转换发光的多光子非线性泵浦依赖特性（非线性效应随泵浦的光子数增多而不断增强），实现了光子数越高的荧光能级电子损耗越强烈，STExD机理具有传统STED所不具有的对荧光损耗进行非线性放大的独特效应，与之伴随的技术意义就是可以逐级降低高能级荧光损耗所需要的饱和光强，这突破了传统STED中的饱和光强理论的限制（实验测得值显著低于传统理论值）。基于此，课题组使用740 nm的激发光和1064 nm的损耗光，在钕掺杂的上转换荧光探针中实现了高达99.3%的超高损耗效率，损耗饱和光强降低至23.8 kW/cm2，比传统STED探针降低了3个数量级。结合上转换发光一对多的敏化-发光特性，STExD可以实现一对激光实现对多种UCNPs探针的光开关控制。钕离子是上转换发光常用的敏化离子，可以单独或与镱离子联合敏化多种发光离子，课题组利用镱离子的能量传递桥梁作用，仅使用一组固定波长的激光器就成功实现了铒离子，钬离子的高效荧光损耗，损耗效率分别超过90%和80%。进一步地，也分别在镨、铕、铥、铽掺杂的体系中实现了高效的荧光损耗效应，总计实现9种不同光谱探针的同时荧光损耗。以此新机理STExD为基础，课题组发展了一种基于单对低光强、近红外、连续波激光的多色超分辨显微成像技术，分别对钕（黄色），铒（红色），钬（绿色）掺杂的上转换荧光探针实现了不同颜色的超分辨成像，原始图像分辨率达34 nm，并进一步实现了钕、钬掺杂的上转换荧光双色超分辨成像。通过荧光探针的表面改性和特异性修饰，课题组成功将上转换荧光探针免疫标记到HeLa癌细胞的肌动蛋白纤维，实现了亚细胞结构的超分辨生物成像。该工作提出的STExD通用发光损耗策略巧妙地利用了上转换荧光的传能发光特性，为解决传统STED技术的问题、开发新型探针提供了新的方案，为开发低光毒性、深层组织（近红外II区损耗激光）的多色超分辨成像技术奠定了基础，在突破衍射极限的光传感、光遗传学、光刻等前沿领域也具有广泛的应用前景。华南师范大学博士研究生郭鑫、蒲锐为该论文共同第一作者，来自瑞典皇家理工学院（KTH）的刘海春博士、Jerker Widengren教授等人以及詹求强课题组2016级黄冰如、2015级吴秋生等硕士生对该课题的完成做出了重要贡献，詹求强教授为论文通讯作者，华南师范大学为论文第一完成单位。该研究得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金等项目经费的支持。相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30114-z

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1月5日，由华东理工大学牵头，联合复旦大学协同攻关的国家重大科研仪器研制项目“高温合金损伤演化非线性超声表征与分析仪器研制”启动暨实施方案论证会在上海举行。国家自然科学基金委数学物理学部物理科学一处处长刘强，复旦大学、南京大学等多所高校、科研院所的专家学者，项目组骨干等40余人参加会议。我校校长轩福贞出席会议并致辞，科研院院长赵黎明主持会议。轩福贞代表项目牵头单位致辞。他简要介绍了学校在学科建设、科技创新平台、重大科研仪器研制项目等方面的新进展。他指出，近年来，学校坚持“顶天立地”科技发展战略，面向科学前沿和国家需求，以科学目标为导向，坚持前瞻性思考、全局性谋划、整体性推进，提升高校科研原始创新能力。本次仪器项目面向声学科技前沿，立足于高端装备服役安全保障等国家重大需求，是学校聚焦“四个面向”不断提升高校科技创新能力的具体体现。下一步，学校将加强项目过程管理，为项目提供切实保障，确保项目顺利推进。刘强对仪器项目启动会的召开表示祝贺。他肯定了项目研究的科学和工程价值，对项目组提出了具体工作要求，希望项目组成员坚持严谨求实的科研态度，积极攻坚克难，高标准严要求完成项目。项目负责人项延训教授汇报了项目总体情况，详细阐述了项目的研发目标、研究方案、拟解决的关键问题、项目实施管理等方面的工作安排。参研单位课题负责人也对所负责的项目内容进行了详细汇报。与会专家对仪器研制实施方案等进行了热烈、深入的讨论，对项目实施中涉及的关键技术、解决方案等提出了宝贵的意见和建议。据悉，本项目围绕高端装备设计、制造、服役全寿命过程的跨尺度损伤检测和性能状态演化分析预测等仪器需求，重点突破高温材料和部件损伤表征从宏观缺陷检测向早期微观结构演化的智能检测仪器创制，为高端装备的高质量制造和高可靠服役提供支撑。

中国科学技术大学郭光灿院士团队在多体非线性量子干涉研究中取得重要进展。该团队任希锋研究组与德国马克斯普朗克光科学研究所MarioKrenn教授合作，基于光量子集成芯片，国际首次展示了四光子非线性产生过程的干涉，相关成果于1月13日发表在光学权威学术期刊Optica上。量子干涉是众多量子应用的基础，特别是近年来基于路径不可区分性产生的非线性干涉过程越来越引起人们的关注。尽管双光子非线性干涉过程已经实现了二十多年，并且在许多新兴量子技术中得到了应用，直到2017年人们才在理论上将该现象扩展到多光子过程，但实验上由于需要极高的相位稳定性和路径重合性需求，一直未获得新的进展。光量子集成芯片，以其极高的相位稳定性和可重构性逐渐发展成为展示新型量子应用、开发新型量子器件的理想平台，也为多光子非线性干涉研究提供了实现的可能性。任希锋研究组长期致力于硅基光量子集成芯片开发及相关应用研究并取得系列重要进展：(1)国际上首次基于硅基光子集成芯片实现了四光子源的制备(Light Sci Appl 8, 41, 2019)；(2)首次实现频率兼并四光子纠缠源制备(npj Quantum Inf 5, 90, 2019)；(3)首次实现波导模式编码的量子逻辑门操作(Phys. Rev. Lett. 128, 060501,2022)和超紧凑量子逻辑门操作(Phys. Rev. Lett., 126, 130501,2021)等。在这些工作基础上，研究组同MarioKrenn教授合作，通过进一步将多光子量子光源模块、滤波模块和延时模块等结构进一步片上级联，在国际上首次展示了四光子非线性产生过程的相干相长、相消过程。实验结果如图1(a)所示，四光子干涉可见度为0.78。而双光子符合并未观测到随相位的明显变化，这同理论预期一致。整个实验在一个尺寸仅为3.8×0.8mm2的硅基集成光子芯片上完成，如图1(b)所示。(a)(b) 　　图1. (a)量子干涉测量结果；(b)用于实现四光子非线性量子干涉的集成光量子芯片。该成果成功地将两光子非线性干涉过程扩展到多光子过程，为新型量子态制备、远程量子计量以及新的非局域多光子干涉效应观测等众多新应用奠定了基础。审稿人一致认为这是一个重要的研究工作，并给出了高度评价：“The chip is well-designed and contains various integrated optical components such as entangled photon source, an interferometer, frequency filter/combiner (该芯片设计精良，包含多种集成光学元件，如纠缠光子源、干涉仪、频率滤波器/组合器)”、“This work pushes forward the research field of integrated photonic quantum information science and technology(这项工作推动了集成光子量子信息科学与技术研究领域的发展)”。中科院量子信息重点实验室任希锋教授、德国马克斯普朗克光科学研究所MarioKrenn教授为论文共同通讯作者，中科院量子信息重点实验室特任副研究员冯兰天为论文第一作者。此外，浙江大学戴道锌教授和张明助理研究员为该工作提供了技术支持。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省以及中国科学技术大学的资助。

近日，美国布朗大学物理系的Angela Pizzuto等人完成了第一个使用蓝光的扫描近场显微镜的实验演示。通过410纳米的飞秒脉冲，研究人员直接从体硅中产生太赫兹脉冲，以纳米级的分辨率进行空间分辨，这些信号提供了使用近红外激发无法获得的光谱信息。他们开发了一个新的理论框架来解释这种非线性相互作用，使得材料参数的精确提取成为可能。这项工作为使用扫描近场显微镜方法研究技术上相关的宽带隙材料建立了一个可能的新领域。上世纪90年代中期，散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）的出现，改变了亚波长光学领域。这种技术涉及到将电磁辐射耦合到一个尖锐的亚波长金属尖端，并随后在远场测量从该尖端-样品交界处散射的辐射。在过去的十年里，这种近场测量的方法在光谱的红外和太赫兹区域产生了显著的影响。基于孔径的亚波长光谱学方法是具有挑战性的，随着波长的增加，入射波与金属尖端的耦合变得更容易，而空间分辨率仍然受到尖端尺寸的限制。关于短波长辐射与纳米级尖端的耦合是一项艰巨的任务，阻碍了对重要的宽带隙材料的纳米级研究，如硅和氮化镓等。这些材料已经用低于带隙的激发方式在近场进行了线性光学研究。将纳米级的非线性光学方法应用于其他材料已比较成熟，但由于将该方法应用于这些高度相关的材料系统一般需要更高的能量光激发，至今还没有实现。布朗大学的Angela Pizzuto等人描述了一个入射光子能量超过3eV的扫描近场光学显微镜测量。使用410纳米的飞秒脉冲，研究人员照亮了一个锋利的金属原子力显微镜（AFM）尖端，并通过二阶非线性光学过程诱导来自几种不同材料的太赫兹发射，以实现具有纳米级空间分辨率的激光太赫兹发射显微镜（LTEM）。由于宽直接带隙以上的双光子激发，泵浦光子的高能量使大块晶体硅的强太赫兹发射成为可能。激光太赫兹发射显微镜的特性导致了对光学对准的要求大大放宽；传统的线性扫描近场光学显微镜使用纳米尖来限制入射波，这种聚焦短波长辐射在纳米尖下的精确对准实际上是有挑战性的。在实验中，通过对一小部分的宏观光生太赫兹偶极子的外耦合，可以获得纳米级的分辨率，研究人员首次实现了在扫描近场光学显微镜中使用紧密聚焦的蓝光。他们得到了第一个硅的近场激光太赫兹发射显微镜图像，并将结果与太赫兹扫描近场光学显微镜通过尖端的太赫兹脉冲的弹性散射获得的结果相比较。图1是激光路径和扫描近场光学显微镜实验装置示意图。近红外、蓝光和太赫兹光束分别产生，其中太赫兹脉冲使用传统的光电导天线产生，所有的三束光重叠并耦合到原子力显微镜中。散射或发射的太赫兹脉冲在另一侧通过自由空间电光采样进行相干检测。图1 实验装置示意图为了说明在宽带隙材料中使用激光太赫兹发射显微镜的价值，研究人员使用硅片作为样品，它在近红外激发下不会发出明显的太赫兹辐射。该硅片有一个小的区域，受到了离子注入，随后的退火激活了这个区域注入的掺杂物。这样硅片包含两个掺杂密度非常不同的区域，它们之间有一个清晰的边界。研究人员对这个边界区域进行了线性和非线性测量，并对结果进行比较。图2 硅样品的太赫兹辐射。（a）太赫兹脉冲 （b）太赫兹脉冲峰峰值与泵浦光束的平均功率之间的关系首先，当用超快蓝光泵浦时，未注入的基底和注入的区域都会发出太赫兹脉冲。图2a显示了由蓝光激发的THz脉冲，在探针敲击频率的二次谐波处解调得到的结果。可以观察到，轻度掺杂的基底比重度掺杂的植入区域产生明显更多的太赫兹发射。为了更好地理解太赫兹的产生机制，研究人员测量了发射的太赫兹峰峰值与蓝色泵浦光束的平均功率之间的关系，如图2b所示。当功率在大约2 mW以上，太赫兹发射强度受蓝光功率增加的影响较小；事实上，一旦泵浦通量足够高，很大一部分可用的电荷载流子将被光激发，任何多余的泵浦光子将被高的局部导电性屏蔽。由图2b中的插图可以看出，发射的太赫兹场的振幅和泵浦光功率之间有一个明显的二次方关系。这表明THz产生的主要机制是双光子吸收；价带中的载流子吸收了超过6 eV的泵浦能量，并被激发到远高于块状Si的宽4.2 eV的直接带隙之上。该实验结果为扫描近场光学显微镜方法在宽带隙材料上的应用提供了新的可能性。

红外非线性光学晶体作为激光频率转换的关键器件，在全固态激光器中具有广泛的应用。当前商用的中远红外非线性光学晶体主要包括类金刚石结构的AgGaS2(AGS)， AgGaSe2和ZnGeP2等化合物。然而，由于各自本征的性能缺陷，这些材料已不能完全满足当前红外激光技术发展的需求。因此，亟需开发性能优异的新型红外非线性光学材料。为了获得大的倍频效应，有利于朝向一致排列的四面体是最常用的结构基元。相比于上述经典材料中规则排列的四面体基团，八面体是另一类有利于规则排列的基团，有望用于硫属化合物光学性能的调控。但由于MQ6(M = 主族金属元素，Q = S/Se)八面体基团较低的形成几率，相关的研究是十分匮乏的。中科院新疆理化所晶体材料研究中心科研团队通过利用碱土金属八面体调控非线性活性四面体基团的排列，首次在AIBII3CIII3QVI8家族合成出9例新的硫属化合物。这些化合物均结晶于P-6空间群，表明结构中碱土金属八面体及非线性活性四面体构成的风车状框架具有高的结构稳定性，有利于原子的替代。NaMg3Ga3Se8展示出平衡的光学性能，如大的倍频效应(~ 1 ×AGS)，较大的带隙(2.77 eV)，适中的双折射率(0.079@546 nm)，高的激光损伤阈值(~ 2.3 ×AGS)。实验及计算的结果表明，相较于AgGaQ2，碱土金属八面体的引入降低了非线性活性四面体基团([MQ4])所构成结构的维度，但不影响四面体基团的朝向排列。同时，碱土金属的引入增大了材料的带隙。这些结果为后续设计带隙与倍频性能平衡的红外非线性光学材料提供了新的思路，将激励科研人员探索更多性能优异的八面体与四面体复合的红外非线性光学材料。该研究成果发表在《美国化学会志》上(J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 21916-21925.)。论文第一作者为硕士研究生罗琳、博士研究生王霖安及硕士研究生陈建邦，李俊杰研究员与潘世烈研究员为该论文的共同通讯作者。该研究工作得到了国家青年人才计划、中国科学院人才计划、国家自然科学基金及新疆自然科学基金等项目的支持。图1(a)AgMg3Ga3S8中Ag, Mg, Ga的配位环境；(b)四面体基团连接形成的Ga-S链结构；(c，e)[MgS6]与[GaS4]构成的[Mg3Ga3S24]基团；(d)AgMg3Ga3S8的三维结构 (f) AGS中形成的 [Ga6S18]基团 (g) AGS的三维结构图2(a)NaMg3Ga3Se8和AGS在2.09 μm激光下不同颗粒度的倍频效应；(b)实验的带隙值；(c)计算和实验的双折射值；(d)与典型硒化物光学性能的对比

WITec共聚焦拉曼系统采用模块化设计，拥有强大的性能扩展空间，有利于多种显微光学技术的联合分析测试。近来，华中科技大学翟天佑教授课题组将超快fs激光引入到alpha 300R共聚焦拉曼显微镜，如下图a。利用拉曼系统的高共聚焦性，实现二维层状材料MoS2的衍射极限SHG非线性光学成像，如下图c。对比光学图像b，SHG图像提供了非常丰富的样品生长取向与晶界等信息，如光学图像不可见的晶界1，晶畴i与ii区域。二维层状材料MoS2的衍射极限SHG非线性光学成像 a) SHG显微成像系统光路示意图：800 nm fs脉冲激光为SHG激发源；拉曼光谱系统探测400 nm二次谐波强度. b) CVD生长的单层MoS2. c)MoS2的SHG图像，提供了非常丰富的样品生长取向与晶界等信息，如光学图像不可见的晶界1，晶畴i与ii区域。d) SHG与光学图像叠加图，可明显观测到样品晶界与晶畴的空间分布。结合了SHG非线性成像, alpha300R共聚焦拉曼系统进一步扩展了自身的功能与应用领域，在同区域的拉曼、荧光及非线性光学(SHG, THG, TPPL等)多种成像联用方面表现出极大的技术优势，非常有利于全面理解与掌握样品的晶格振动、晶格取向、晶界及发光等重要性质。另附：2014年宾夕法尼亚州立大学Prof. Venkatraman Gopalan在alpha300R系统上自行搭建SHG成像系统，并应用于传统铁电材料的热致相变与边界分析，该工作发表在Nature Com.( DOI: 10.1038/ncomms4172)。铁电材料BaTiO3单晶SHG成像分析二次谐波(也被称为倍频或简称SHG)是一种非常重要的二阶非线性光学效应。两个相同频率光子(w0)与物质相互作用后淬灭，产生一个两倍频率的新光子(2w0)，属于和频非线性效应中的一种。SHG二阶效应产生机制要求物质及晶体结构不具备中心对称性。目前，通过与共聚焦光学显微镜联用，二维/三维二次谐波成像(SHG imaging)是非常热门的成像技术，并已广泛应用于众多领域。在材料方面，SHG成像可以用于探索材料晶体取向、对称性与界面效应等，如传统非对称性的铁电材料(BaTiO3等)的热致相变问题；新型磁性拓扑绝缘体(Bi2Se3等)的晶格对称性与表面电荷；多相催化与晶体外延生长(MoS2)等。SHG成像技术在生物医学领域的潜在应用也受到广泛关注，如高度极化的胶原蛋白，微管，肌球蛋白、活体细胞与组织的病理分析。由表面等离子体(plasmonics)金属微纳米结构或电磁场的不对称性引起的SHG非线性效应也是该领域的研究热点。

中国科学技术大学郭光灿院士团队教授任希锋等人与新加坡国立大学教授仇成伟、博士郭强兵等合作，在二维材料非线性量子光源研究中取得重要突破。研究成果1月4日发表在《自然》杂志上。 　　小型化、集成化是解决空间光学量子系统稳定性差、不可扩展等问题的理想方案，也是光学量子计算、量子通讯等走向大规模和实用化的必经之路。量子光源作为量子光学系统必不可缺的部分，其小型化一直是人们研究的重点。任希锋前期与南京大学等单位合作，将超构表面引入到量子信息领域，集成超构透镜阵列与非线性光学晶体，实现了100路径参量下转换，制备了超高维量子纠缠态和多光子源。 　　为了进一步提高量子光源的集成化程度，任希锋与新加坡国立大学等单位的合作者一起，首次利用新型二维材料NbOCl2的非线性过程实现了超薄的量子光源，厚度可低至46nm。 　　二维材料的层内晶体结构稳定，而原子层间的相互作用力要弱很多。基于这种特性，单层二维材料可以在保持原子尺度厚度的同时也保持物理性质的稳定，使得二维材料可以稳定且灵活地与各种微纳尺度光学器件直接耦合，因此被广泛应用在集成光子芯片的各个重要组成部分之中。常见的二维材料(WS2、WSe2等)虽然具有很大的二阶非线性系数，但是单层厚度太薄(图一：NbOCl2晶体的结构测试，单层厚度约0.65nm图二：NbOCl2二维材料的倍频二阶非线性过程测试图三：基于NbOCl2二维材料的量子光源

中国科学技术大学郭光灿院士团队在集成光子芯片量子器件的研究中取得新进展。该团队邹长铃、李明研究组提出人工合成光学非线性过程的通用方法，在集成芯片微腔中实验观测到高效率的合成高阶非线性过程，并展示了其在跨波段量子纠缠光源中的应用潜力。相关成果10月20日在线发表于《自然—通讯》。　　自激光问世以来，非线性光学效应已经被广泛应用于光学成像、光学传感、频率转换和精密光谱等领域中。对于新兴的量子信息处理来说，它也是实现量子纠缠光源以及量子逻辑门操作的核心元素。然而受限于材料非线性极化率随阶数呈指数衰减这一本征属性，人们对光学非线性的应用主要局限于二阶和三阶过程，多个光子同时参与的高阶过程很少被研究。一方面，低阶过程限制了传统非线性与光量子器件的性能，比如量子光源的可扩展性；另一方面，人们也好奇高阶非线性过程所蕴含的新颖非线性与量子物理现象。　　利用集成光子芯片上的微纳光学结构可以增强光子间的非线性相互作用，这已经成为目前国际上集成光学与非线性光学方向的研究热点。邹长铃研究组李明等人长期致力于集成光子芯片量子器件的研究，开拓微腔增强的非线性光子学，提出并证实了微腔内多种非线性过程的协同效应，开辟了室温下少光子、甚至单光子级的量子器件的新途径。现阶段，该研究组已经能够将非线性相互作用强度随阶次的衰减速率从10-10提升到10-5。即使如此，在集成光子芯片上实验观测到阶次大于三的高效率非线性效应依然极具挑战。　　针对该难题，李明等人另辟蹊径，提出一种新颖的非线性过程人工合成理论，即利用材料固有的较强的二阶、三阶等低阶效应，通过人工调控多个低阶过程级联形成的非线性光学网络来实现任意形式、任意阶次的光子非线性相互作用。这种方法避免了在原子尺度去修饰材料的非线性响应，而仅需要控制微纳器件的几何结构就可实现高效率、可重构的高阶非线性过程。　　利用集成的氮化铝光学微腔，该团队在实验上同时操控二阶的和频过程和三阶的四波混频过程，合成了更高阶的四阶非线性过程。实验证明，该人工合成的过程比材料固有的四阶非线性效应强500倍以上。如果进一步提升微腔的品质因子，该增强倍数可达1000万以上。　　该团队将人工合成的四阶非线性应用于产生跨可见-通信波段的量子纠缠光源。通过测量跨波段光子间的时间-能量纠缠验证了人工合成过程的相干性。相比于传统跨波段量子纠缠光源的产生方法，该工作极大降低了相位匹配的困难，并且仅需要通信波段单一泵浦激光，展现了人工合成非线性过程的优势和应用潜力。审稿人高度肯定了该工作的创新性。　　中科院量子信息重点实验室博士研究生王家齐、杨元昊为论文共同第一作者，李明副研究员、邹长铃教授为论文通讯作者。

深紫外激光具有波长短、光子能量高等优点，因而在高分辨率成像、光谱应用、微细加工等诸多领域具有重要的应用价值，利用深紫外非线性光学晶体进行变频是获得深紫外激光的主要手段。优良的深紫外非线性光学晶体既要具有大的非线性光学效应，又要具有短的紫外吸收边，而这两种性能在某种程度上是相互冲突的，这就需要在两者之间达到一个微妙的平衡。目前，已知的深紫外非线性光学晶体几乎都是硼酸盐，基于磷酸盐的深紫外材料极为少见且非线性光学效应较弱。 　　在国家基金委优秀青年基金及科技部&ldquo 973&rdquo 重大研究计划等项目的支持下，中国科学院福建物质结构研究所中科院光电材料化学与物理重点实验室罗军华课题组引入较大尺寸的碱土金属和碱金属阳离子到磷酸盐中，成功构建了两个不含对称中心的新型磷酸盐化合物RbBa2(PO3)5和Rb2Ba3(P2O7)2。其中，RbBa2(PO3)5兼具深紫外磷酸盐中最短的紫外吸收边(163 nm)和最大的粉末倍频效应(1.4倍KDP)，从而在这两者之间实现了很好的平衡。同时，RbBa2(PO3)5在1064 nm处相位匹配，同成分熔融，易于晶体生长，这使得RbBa2(PO3)5作为深紫外非线性光学材料具有潜在应用前景。此外，该课题组与中科院理化技术研究所林哲帅研究员合作对相关磷酸盐的光学性质作了理论计算，发现随着磷氧结构基元中[PO4]3-单元聚合程度的提高，相应磷氧结构基元的微观非线性光学系数增大 在RbBa2(PO3)5晶体结构中，[PO4]3-单元共顶点连接形成无限的一维[PO3]&infin 链，从而使RbBa2(PO3)5显示出较大的非线性光学活性，这一工作为设计具有高非线性光学活性的深紫外磷酸盐材料提供了新思路。相关研究成果发表在了《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc.，2014, DOI: 10.1021/ja504319x)上。 　　最近，该课题组在非线性光学材料探索及其倍频机制研究方面取得了一系列进展，相关成果见Nat. Comm., 2014, 5:4019DOI: 10.1038/ncomms5019 Inorg. Chem., 2014, 53, 2521 J. Mater. Chem. C, 2013, 1, 2906 RSC Adv., 2013, 3, 14000等。此前，该课题组在相关极性分子光电功能晶体材料研究方面取得了重要进展，相关成果见Adv. Mater.,2013, 25, 4159 Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 3871 Adv. Funct.Mater.,2012, 22, 4855等。　　 福建物构所深紫外非线性光学晶体材料研究获进展

随着激光技术的发展，非线性光学材料在光限幅、全光开关、光通信等领域展现出广阔的应用前景。其中，有机π-共轭材料因具有高的非线性光学系数、低的非线性响应阈值、易于结构调控的非线性光学性能等优势而备受关注。线性并苯类稠环是一类经典的有机π-共轭材料，被广泛应用于有机光电器件中。而该类材料随着共轭长度的增加，化学稳定性变差，极易被氧化或发生Diels-Alder反应。同时，随着共轭体系的增大，分子间聚集程度增强，溶解性及其合成难度提高，因而限制了这类材料的开发及应用。 　　近日，中国科学院理化技术研究所特种影像材料与技术研究中心副研究员孙继斌、湘潭大学教授陈华杰课题组、英国剑桥大学博士曾维轩等合作，采用酮胺缩合策略，构建了一类化学性能稳定、溶解性好的氮掺杂非交替纳米带分子(图1)，并将该类材料应用于非线性光学领域，揭示了氮掺杂非交替纳米带分子优异的反饱和吸收性能(图2)。其中，研究引入末端三蝶烯和侧基三异丙基硅乙炔，有效抑制了分子间的聚集，显著提升了材料的溶解性，是目前已报道的分子长度最长的可溶解氮杂非交替纳米带——含13元稠环分子。此外，多重五元环的植入有效阻断了线性并苯类稠环的全局芳香性，实现了基态与激发态兼具的局域芳香性，因而提高了π-共轭系统的稳定性，使得材料(NNNR-2)的三阶非线性吸收系数达到374cmGW–1，且在同等测试条件下，显著高于经典非线性光学材料C60(153cmGW–1)。 　　相关研究成果以N-Doped Nonalternant Nanoribbons with Excellent Nonlinear Optical Performance为题，发表在《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、湖南省教育基金会和玛丽居里研究计划的支持。图1. 氮杂非交替纳米带分子NNNR-1和NNNR-2的(a)化学结构和(b)理论结构模拟图2. 氮杂非交替纳米带分子NNNR-1和NNNR-2的非线性光学性能

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室陈向军教授研究组与罗毅教授合作，利用自主研制的扫描探针电子能谱仪发现了全新的非线性电子散射现象，该现象的发现有可能发展出一种革命性的固体表面单分子探测技术。研究成果发表在最新一期的《自然&bull 物理》上，中国科大徐春凯副教授是论文的第一作者。Phys.org网站和《亚洲科学家杂志》对研究成果做了专题报道。 　　电子能量损失谱学是分析材料化学组成的一种重要手段，它通过测量电子的非弹性散射获得原子分子的信息。然而在常规的电子散射中，非弹性电子只占极少的比例，大多数电子是没有能量损失的弹性散射电子。陈向军教授研究组将电子能谱学技术与扫描探针技术结合自主研制了扫描探针电子能谱仪，并利用针尖场发射电子束与石墨表面的银纳米结构相互作用，测量散射电子的能谱。实验表明，银纳米结构激发出的局域等离激元场可以导致非线性的电子散射现象，使得非弹性电子的强度显著增强。罗毅教授提出一种单电子两步过程的理论模型解释了这种非线性电子散射。 　　非线性电子散射不仅是一种全新的物理现象，它同时还会带来一种新的、具有潜力的谱学技术即&ldquo 非线性电子散射谱学&rdquo ，未来可以用于研究吸附在金属纳米结构上的原子、分子。非线性电子散射过程会大大提高信噪比，从而实现固体表面纳米空间分辨的原子分子谱学测量。 　　上述研究得到了科技部、国家自然科学基金委、教育部和中组部&ldquo 千人计划&rdquo 的支持。

1931年，恩斯特鲁斯卡研制的电子显微镜使生物学发生了一场革命，也为人类打开了通往微观世界的大门。现如今成像技术不断迭代更新，新型显微技术层出不穷。在第十六届科学仪器发展年会上，创新型企业——振电（苏州）医疗科技有限公司（以下简称“振电医疗”）为大家带来相干拉曼散射技术和中红外光热成像技术，那么这两种技术相较于其他同类方案的优势是什么？未来又将应用到哪里？带着这些问题仪器信息网采访到了北京航空航天大学生物与医学工程学院特聘教授、振电医疗CEO——王璞，王博士不仅详细回答了上述问题，同时还对国产科学仪器行业的发展提出了自己的见解。王璞：博士，现任北京航空航天大学生物与医学工程学院特聘教授、生物医学高精尖中心研究员，博士生导师，入选第十四批国家海外青年人才项目。本科毕业于复旦大学物理系，2009-2014年博士就读于普渡大学生物医学工程学院，师从于非线性成像专家程继新教授。博士期间主要工作是生物光子学医疗器械的开发以及非线性显微镜的开发与应用。已发表SCI论文20余篇，专利5项。以第一或通讯作者在Nature Photonics，Science Advances，Light：Science & Applications, Nano letters等领域内一流期刊均有发表。曾主持开展多项美国小企业创新奖励基金（SBIR/STTR award），并代领团队完成多项科研转化工作。其中包括相干拉曼显微镜的产业化，光声成像在乳腺以及心血管的器械转化等等。目前王璞教授主要研究工作为非线性拉曼显微镜的开发以及在先进材料、单细胞代谢的表征方案，以及光致超声器件在生物医学中的应用。同时担任振电（苏州）医疗科技有限公司CEO，致力于开发推广最先进的分子光谱成像技术。放大拉曼信号，专注生命科学领域虽然自发拉曼散射显微成像是拉曼光谱在显微成像领域的应用形式，但由于自发拉曼显微成像数据的采集时间长达几十分钟甚至是几个小时，因此在某种程度上限制了其进一步的应用推广。而相干拉曼散射(CRS)技术利用共振放大了需要检测的拉曼信号，从而将传统拉曼信号提高了104到106倍，大大提高了拉曼光谱的采集速度，使其更适合从事生命科学研究。相干拉曼散射技术理论上需要同时输入两束光，除了泵浦光外，还需要与斯托克斯光同频率的入射光来产生共振，此时泵浦光能量往往会因为受激拉曼散射效应而减弱，而斯托克斯光能量则会被放大，这两种现象又分别被称为受激拉曼损耗（stimulated Raman loss, SRL）和受激拉曼增益（stimulated Raman gain, SRG），二者都属于受激拉曼散射（stimulated Raman scattering, SRS）范畴，此外还会产生一个新频率信号称为相干反斯托克斯拉曼散射（coherent anti-stokes Raman scattering, CARS）。因此，相干拉曼具有两种形式，SRS和CARS。通过上述方法将拉曼信号放大，在极大提升了图像信噪比和成像分辨率的同时，突破了传统荧光成像需要对样品进行染色处理或荧光蛋白标记的局限，做到了无标记成像。相干拉曼散射技术发展到今天经历了20年的更迭。据王璞介绍：“目前我们的相干拉曼散射技术在生命科学领域主要的应用方向是单细胞空间代谢组学以及单细胞空间蛋白组学这两个重要方向。”而之所以将生命科学领域作为相干拉曼显微镜的主要应用领域，原因是生命科学领域对于无标记高速度的成像需求更强烈。“在生命科学领域里，需求主要来自空间代谢组学和空间蛋白组学这2个细分。在空间代谢组学中的应用主要是用在肿瘤代谢、干细胞代谢、发育生物学等领域，同时我们最近主推的方向还有合成生物学，这都是用来满足测量细胞代谢的需求。在空间蛋白组学领域中，将相干拉曼散射技术与我们新开发的一种拉曼染料进行配合使用，从而实现对蛋白质超多重的免疫测量，所以这也吸引了很多免疫方向的客户来咨询我们的设备并开始试用。”王璞说。除此之外，振电医疗为更好的发展临床市场，研发了三种产品，预计明年拿到注册证后将会正式用于临床。UltraView多模态科研成像平台（包括相干拉曼散射成像模式）中红外光热成像——探索微观世界分子分布新工具中红外光热成像是振电医疗除相干拉曼散射技术外主推的另一种技术。由于样品的异质性，红外显微光谱很难准确测量生物样品中的吸收，其中光散射的波长依赖性也可能导致显著的基线伪影；其次，由于激发波长缺乏高数值孔径（NA）物镜，红外成像提供低空间分辨率，指纹区域为4~7μm，该分辨率远远不足以进行细胞内成像；此外，在透射模式下进行的红外成像没有深度分辨能力；最后，红外区域的强水吸收阻碍了其在水环境中生命系统的功能分析中的应用。以上这些劣势阻碍了红外显微光谱在体内成像和诊断中的应用。而中红外光热成像技术却可以很好地通过中红外光的振动激发和（利用热透镜效应）可见光探测吸收克服这些限制。虽然中红外光热成像技术相对较新，自程继新先生于2015年研发开始，只经过了四到五年的技术更迭，但该技术已经逐步趋于成熟。王璞表示：“这个技术比传统中红外显微成像设备的灵敏度提高了两个量级，分辨率提高了一个量级。这帮助我们在生命科学中首次实现单细胞红外显微成像。对于化学材料、农业、林业等其他相关领域，我们的技术优势在于可以形成高分辨、高速度激光扫描式显微成像。对从事精细化学、高分子、农业育种的应用者来说，这是一个特别好的探测微观世界分子分布的新工具。”中红外光热显微镜的应用场景主要是化、环、材、农、林这几个方面，王璞认为：“在这些细分领域中，我们做得最好的是微颗粒分析，包括高分子里的分析、军工里的火药分析和微塑料分析等。未来将主推工业应用方面，包括代谢工程和半导体应用场景。我们认为这些领域很有发展前景，并且这种高端的设备还是能够在应用市场中找到一席之地的。”王璞解释道。解决国产科学仪器行业痛点，供应链、人才、融资环境必不可少虽然国产科学仪器在近五年开始备受重视，但由于科学仪器行业是一个需要打磨的行业，面对已经有100年做科学仪器经验的海外市场，王璞认为当前国产仪器自主创新还存在着三个痛点：供应链、人才和融资环境。“首先，第一个问题，这些所谓国产创新的科学仪器核心零部件很多时候还需要海外供应链，如何打造自己的供应链是一个需要解决的核心问题；第二，是人才问题，科研仪器的开发及应用人才十分缺乏，况且仪器行业又是一个非常交叉的行当，所以不可能从一个系里找到一个非常合适的人才，培养人才耗时耗力，如何把人才留住又是一个问题，所以科学仪器产业发展需要国家在教育政策、人才政策等方面予以支持；第三个是资金量问题，科学仪器行业不是金融和投资的热点，投资科学仪器的投资机构数量不多，能够看懂科学仪器，尤其是创新型科研仪器的投资人也不多，因此打造一个良好的融资环境十分重要。”振电医疗立足于苏州，从事非线性分子振动光谱以及分子光谱的高端科研仪器研究。王璞介绍：“振电医疗的主要专利来自于我的博士生导师程继新先生，我们把程老师实验室里的相干拉曼显微镜、中红外光热成像显微镜，以及后续开发的瞬态吸收显微镜这三个非线性分子光谱成像系统产业化，后续也将在工业、医疗等方面进行应用。”

固体紫外激光器广泛应用于商业和科学领域。非线性光学材料能够对激光器输出的特定波长的激光进行激光频率的转换和拓展，颇具应用价值。例如，利用非线性光学材料进行的Nd:YAG激光辐射的四次谐波产生是输出266 nm紫外激光的有效方式。合成紫外非线性光学材料需要满足苛刻的性能要求，因而在材料设计中存在挑战。 既往研究提出了氟导向材料设计策略，以在硼酸盐体系中探索具有优异性能的双折射和非线性光学材料。向硼酸盐中引入氟可以有效地丰富结构化学和调控光学性能。LiB3O5(LBO)晶体是重要的非线性光学材料，并得到广泛应用，但遗憾的是其小的双折射导致LBO晶体无法实现1064 nm激光的直接四倍频输出。是否可以通过调整晶体结构来增大LBO的双折射，从而达到更短的相位匹配波长？ 　　近期，中国科学院新疆理化技术研究所晶体材料研究中心通过化学合成制备得到氟硼酸盐晶体LiNaB6O9F2。LiNaB6O9F2具有由[B6O11F2]基本构建模块组成的二互穿3[B6O9F2]∞三维网络，这是首次在氟硼酸盐体系中观察到。LiNaB6O9F2在深紫外截止边，大的倍频响应（1.1 × KDP），合适的双折射（0.067@1064 nm）之间实现了更好的平衡。随着氟的引入，LiNaB6O9F2展示出氟导向性能优化，包括比LBO更大的双折射（0.067@1064 nm之于LBO的0.040@1064 nm），比LBO更短的相位匹配波长（210 nm之于LBO的277 nm）。该工作丰富了氟硼酸盐的结构化学，证明了氟导向策略是探索具有优良光学性能的非线性光学晶体的可行方法。 　　相关研究成果以全文Research Article形式，发表在Advanced Optical Materials上。研究工作得到国家自然科学基金和中科院等的支持。

记者日前从中国科学技术大学获悉，该校合肥微尺度物质科学国家实验室陈向军教授研究组与罗毅教授合作，利用自主研制的扫描探针电子能谱仪首次发现了非线性电子散射现象，该现象的发现有可能催生出一种革命性的表面单分子探测技术。研究成果发表在最新一期的《自然· 物理》上。 　　电子能量损失谱学是分析材料化学组成的一种重要手段，电子打到样品上会损失能量而发生非弹性散射，电子损失的能量取决于样品原子及其所处的状态，通过收集测量非弹性散射电子，可以获得样品中元素分布和原子相互作用等信息。然而在常规的电子散射中，非弹性电子只占极小的比例，大多数电子是没有能量损失的弹性散射电子。 　　合肥微尺度物质科学国家实验室徐春凯副教授、陈向军教授及其同事将电子能谱学技术与扫描探针技术相结合，自主研制了扫描探针电子能谱仪。实验中，离样品表面只有几个微米距离的钨针尖加上电压后发射出携带能量的电子，电子与石墨表面的银纳米结构相互作用后，散射的电子被分析器收集并按照能量分类，从而获得它们的能量损失值。实验表明，电子在银纳米结构上激发出的局域的等离激元场(样品中电子集体运动形成的场)可以导致非线性电子散射现象，更多的电子损失能量，使非弹性电子的强度显著增强。罗毅教授提出了一种单电子两步过程的理论模型，解释了这种非线性电子散射。 　　非线性电子散射不仅是一种全新的物理现象，它同时还会带来一种新的、具有潜力的谱学技术&mdash &mdash &ldquo 非线性电子散射谱学&rdquo ，未来可以用于研究吸附在金属纳米颗粒上的单个原子或分子。

中国科学技术大学教授罗毅研究团队的副教授叶树集小组在界面蛋白质分子结构表征方面获新进展。该小组在国际上首次成功测出界面蛋白质的酰胺III谱带信号，解决了如何区分界面蛋白质a-螺旋结构和无规卷曲结构这一界面表征难题，研究成果发表于国际期刊J. Am. Chem. Soc. 2014, 136(4), 1206-1209上。 　　如何精确表征蛋白质，特别是界面蛋白质的分子结构是理解蛋白质结构演变的关键，是国内外学者共同面临的一个非常重要的难题。针对该难题，该小组发展了界面光谱多谱带协同表征方法，首次利用和频光谱技术成功测出了常规手段无法测量的界面蛋白质酰胺III信号。虽然a-螺旋与无规卷曲结构的酰胺I谱带振动峰都位于1650 cm-1左右，但在酰胺III谱带区域，它们的振动峰分别位于1260 cm-1以上和1260 cm-1以下，研究发现两种结构所对应的酰胺III谱带特征峰面积比与蛋白质中无规卷曲结构含量成线性关系。将酰胺I和酰胺III信号结合起来，解决了如何区分界面蛋白质a-螺旋与无规卷曲结构这一界面蛋白质多年的难题。审稿人给予了该工作极高的评价，其中一审稿人认为该工作解决了一个蛋白质表征上的缺口，提供了新的光谱窗口 另一审稿人说该工作是一个重要突破。 　　此外，在手性分子理论以及非线性光谱理论的启发下，该研究组成功发展了免标记的手性与非手性界面光谱表征技术，原位、实时地表征了胆固醇分子在生物膜上的组装与运输行为：胆固醇分子以10° 左右的倾斜取向角度插入中性生物膜中，并停留在生物膜磷脂双层膜的外层，在纯水环境下没有发生翻转行为(flip-flop)，胆固醇浓度较低和较高时分别以不同方式组装。该成果发表于J. Phys. Chem. Lett.。该技术将为胆固醇在真实细胞环境下的组装与动力学行为研究提供分子水平上的表征技术与研究思想指导。 　　叶树集研究小组作为国际上利用非线性和频光谱技术研究界面蛋白质分子结构与动力学仅有的几个小组之一，发展了具有特色的表面与界面生物分子结构表征手段，并围绕生物界面相关物理化学问题及其新表征方法的发展开展系统研究，在JACS、Langmuir、J.Phys.Chem.C、Analyst等国际期刊上发表多篇系统性文章，研究成果被JACS、PNAS、Ann.Rev.Anal.Chem.和Chem.Rev.等介绍与引用，获得国内外同行的高度认可。由于该小组系统而有特色的研究工作，2013年Elsevier出版社邀请该小组为丛书Advances in Protein Chemistry and Structural Biology撰写综述论文，成为该丛书1944年创刊以来，第五篇以国内为第一作者单位署名发表的文章。 　　上述研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中央高校创新团队等资金资助。

p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 据悉，近年来，二维磁性材料在国际上成为备受关注的研究热点。它们能将自发磁化保持到单原胞层厚度，为人们理解和调控低维磁性提供了新的研究平台，也为二维磁性与自旋电子学器件的研发开辟了新的方向，在新型光电器件、自旋电子学器件等方面有着重要应用价值。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 尽管二维磁性材料的铁磁性质已有研究，但反铁磁态由于不具有宏观磁化，材料体系整体对外不表现出磁性，加之样品既薄又小，其实验研究是领域内的一大难题。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 针对这一问题，近日，复旦大学物理系吴施伟课题组与华盛顿大学许晓栋课题组合作，在二维磁性材料双层三碘化铬中观测到源于层间反铁磁结构的非互易二次谐波非线性光学响应，并揭示了三碘化铬中层间反铁磁耦合与范德瓦尔斯堆叠结构的关联。北京时间8月1日凌晨，相关研究成果以《反铁磁双层三碘化铬中巨大的非互易二次谐波产生》（“Giant nonreciprocal second harmonic generation from antiferromagnetic bilayer CrI3”）为题发表于《自然》（Nature）杂志。 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 400px height: 273px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201908/uepic/4ab2a45d-ae2c-44ff-a0d7-2d4959a3a9a0.jpg" title=" caef76094b36acaf4a6e7356761eb51503e99cde.jpeg" alt=" caef76094b36acaf4a6e7356761eb51503e99cde.jpeg" width=" 400" height=" 273" border=" 0" vspace=" 0" / /span /p p style=" text-indent: 2em text-align: center " span style=" font-family: & quot times new roman& quot font-size: 14px " 双层三碘化铬 图片来自复旦大学物理系网站 /span /p p style=" text-align: justify " strong span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 将经典方法引入新领域 开辟广阔研究空间 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 研究工作中观测到的由层间反铁磁诱导的二次谐波响应让团队成员们非常兴奋，因为他们知道，这在二维材料的研究和非线性光学领域都具有重要的意义。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " “意义首先在于其独特性。”吴施伟介绍，迄今为止二维材料领域所研究的二次谐波大多由晶格结构的对称破缺引起。“对称破缺也就是破坏对称性，例如人的左右手原本是镜面对称的，如果一只手指受伤，那么镜面对称就破缺了。”而这种由磁结构产生的非互易二次谐波和前者有本质区别，从原理上就十分新颖。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 反铁磁材料由于没有宏观的磁矩，对外部的物理激励一般难以产生宏观的可测量的响应，对仅有几个原子层厚的二维反铁磁材料往往无能为力。“过去这个问题就像是灯光照不到的地方，一片黑暗无从下手。然而就是这样的一种‘暗’状态，现在能通过二次谐波的方式变‘亮’。这也是将一种经典的方法引入一个新领域的美妙所在。”吴施伟对此颇有感触。这种二次谐波过程对材料磁结构的对称性高度敏感，为二维磁性材料的研究开辟了广阔的研究空间。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 研究团队同时发现，双层反铁磁三碘化铬的二次谐波信号相比于过去已知的磁致二次谐波信号（例如氧化铬Cr2O3），在响应系数上有三个以上数量级的提升，比常规铁磁界面产生的二次谐波更是高出十个数量级。利用这一强烈的二次谐波信号，团队得以揭示双层三碘化铬的原胞层堆叠结构的对称性。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 吴施伟介绍，体材三碘化铬在高温下属于单斜（monoclinic）晶系，在低温下发生结构相变而变为菱形（rhombohedral）晶系，两者的差别在于范德瓦尔斯作用（一种原子或分子之间的相互作用力，相比于化学键的相互作用，范德瓦尔斯相互作用弱得多）的层间平移。但在寡层极限下，低温下的晶格堆叠结构还存在着争议。团队在实验中使用一束偏振光测量了材料在空间不同方向的极化，通过测量偏振极化的二次谐波信号，发现它与单斜晶格的堆叠结构都具备镜面对称性，这与国际上新近发表的理论计算结果一致，为研究二维材料层间堆叠结构与层间铁磁、反铁磁耦合的关联提供了新的实验证据和研究手段。 /span /p p style=" text-align: justify " strong span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 创新研发实验系统 实现基础研究突破 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 研究团队在实验中探测的反铁磁材料仅有两个原胞层厚度（厚度在2nm以下），而在此条件下，中子散射等测量手段很难奏效。针对这一问题，团队基于过去多年在二维材料非线性光学研究领域的积累，运用了光学二次谐波这一方法来探测二维磁性材料的磁结构与相关特性。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 光学二次谐波过程对体系的对称性高度敏感，光学二次谐波的探测方法从体系的对称性入手，能够灵敏地探测体系的反铁磁性。与通常探测磁性的实验手段不同，它不依赖于材料的宏观磁性，而取决于微观磁结构造成的对称破缺。双层三碘化铬在反铁磁态下，其磁结构不但打破了时间反演对称性，也同时打破了空间反演对称性，由此产生强烈的非互易二次谐波响应。当体系升至转变温度以上、或施加面外磁场拉为铁磁态后，磁结构的对称性却发生了改变，这一二次谐波信号也随之消失。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 自2017年至今，两年的协力共进浇灌出如今的成果。团队首先利用实验室已有的无液氦可变温显微光学扫描成像系统进行了初步测量，但由于该系统没有磁场，很多关键的实验测量受到了限制。为解决这一问题，课题组成员攻坚克难，利用一套无液氦室温孔超导磁体，自主研发搭建了一套无液氦可变温强磁场显微光学扫描成像系统，并借助新系统实现强磁场下的光学测量，完成了关键数据的探测。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 据了解，该研究工作的合作团队还包括香港大学教授姚望、卡耐基梅隆大学教授肖笛、华盛顿大学教授曹霆、美国橡树岭国家实验室研究员Michael McGuire，以及我系教授刘韡韬、陈张海、高春雷等。吴施伟和许晓栋为文章的通讯作者，我系博士研究生孙泽元和易扬帆为共同第一作者。研究工作得到自然科学基金委、科技部重大研究计划和重点研发专项计划等项目经费的支持。 /span /p p br/ /p

p 　　高分辨透射电子显微镜是研究微观结构的有力工具。获得可解释的高分辨像，样品厚度要满足苛刻的要求-弱相位物体近似。可以选择在Scherzer欠焦下观察，但有时不得不在大欠焦下拍摄图像提高图像衬度，比如在冷冻电镜中通常拍摄的离焦量为1-2μm，通过扣除成像过程中的衬度传递函数来获得样品的投影结构。实际中，很难获得如此薄的样品(冷冻电镜中样品厚度通常在100nm左右)，此时高分辨成像过程中电子束之间会发生强烈的相互作用。高分辨电子显微像包含线性成像信息、非线性成像信息，而已有的像衬理论通常以线性信息为研究对象，难以满足定量化的要求，因此有必要对非线性信息进行更加深入的研究。 /p p 　　在以往研究中，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)软物质物理实验室常云杰等结合透射交叉系数理论和赝弱相位物体近似理论，获得了衍射图中线性信息和非线性信息的解析表达式，并提出线性、非线性分离的方法。对分离后结果的研究发现，晶体厚度增大后，即使在Scherzer欠焦下线性成像也会偏离晶体结构，而非线性信息则更复杂。特殊条件下，非线性信息能够在某种程度下反映轻原子位置，比如负球差成像(这一现象已在实验上观察到)。这表明，可尝试利用非线性成像所包含的信息用于晶体结构的确定而不是简单地抛弃。 /p p 　　此外，透射交叉系数理论(TCC)以及杨氏干涉条纹实验表明，非线性信息的信息极限远高于线性信息的信息极限，在高频信息中起到主要作用。在球差为零的条件下，S.Van Aert等提出非线性信息的信息极限约是线性信息的1.41倍。研究结果显示，在通常理论可解释的线性信息极限之外，仍存在高频率的结构信息，有可能被用作结构信息的测定，但目前关于利用非线性信息进行结构研究的报道甚少。 /p p 　　近日，物理所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)软物质物理实验室的科研人员，以AlN为模型使用数值模拟方法，研究了不同厚度不同成像条件下衍射束的相位。研究发现对于普通电镜成像，当样品比较薄的时候，信息极限以内的012衍射斑的相位随着离焦量的变化而变化，但当样品厚度较厚时相位近似为一个常数，且与物体的结构因子的相位基本一致。通过分离线性和非线性部分发现，当样品较薄时非线性部分的影响可以忽略，线性部分的相位随着离焦量的变化而变化 当样品较厚时，非线性成像的影响占主导地位，且非线性部分的相位近似为一个常数，接近结构因子。对超出线性信息极限的更高频的013衍射的研究可以得到类似的结论，且由于频率更高，013衍射的相位在样品更薄的时候就趋于常数，即对于高频的衍射束，其非线性效应在同等样品厚度下比低频衍射束更显著。利用超出线性信息极限的衍射点013的信息进行结构解析，可分开AlN& lt 110& gt 方向投影的Al-N的哑铃对。也就是说，得益于非线性信息的存在，即使普通的透射电子显微镜也可以得到更高分辨率的结构信息。虽然部分机理尚不清楚，但提供了新思路，即“变废为宝”，充分利用不可避免的厚样品的非线性效应。相关研究结果发表在Microscopy上。 /p p 　　研究工作受到国家自然科学基金项目和中科院的支持。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 论文标题：Applicability of non-linear imaging in high-resolution transmission electron microscopy /p p & nbsp /p

【科学背景】近年来，尽管量子霍尔效应的线性响应特性得到了广泛研究，但高阶非线性响应仍然是一个未被充分探索的领域。特别是在二维材料如石墨烯中，量子霍尔态的非线性响应尚未被深入研究。量子霍尔态不仅具有绝缘体体和导电手性边缘态的特征，而且在不同的量子霍尔态下，可能会表现出复杂的非线性行为，这些行为对于理解边缘态的电子-电子相互作用具有重要意义。为了解决这一问题，为了解决这一问题，复旦大学何攀, 沈健，日本九州大学Hiroki Isobe，新加坡国立大学Gavin Kok Wai Koon，Junxiong Hu，日本理化研究所新兴物质科学中心Naoto Nagaosa等教授合作发现，在石墨烯的显著量子霍尔态下，存在明确的第三阶霍尔平台。这一平台在广泛的温度、磁场和电流范围内保持稳定，并且在不同几何形状和堆叠配置的石墨烯中均可观察到。第三阶霍尔效应的高度对环境条件不敏感，但与器件特性相关。此外，第三阶非线性响应的极性受磁场方向和载流子类型的影响。作者的研究揭示了量子霍尔态的非线性响应是如何依赖于器件特性的，并提出了一个新的视角来理解边缘态的性质。【科学亮点】（1）实验首次观察到石墨烯中量子霍尔态的第三阶霍尔效应，获得了第三阶霍尔效应的清晰平台。该平台在显著的量子霍尔态（\( \nu = \pm 2 \)）中展现出，且在广泛的温度、磁场和电流范围内保持稳定。（2）实验通过测量不同几何形状和堆叠配置的石墨烯器件，发现第三阶霍尔效应的平坦值与环境条件无关，但与器件特性相关。具体结果包括：&bull 第三阶霍尔效应的电压平台高度与探针电流的立方成正比，而第三阶纵向电压保持为零。&bull 该效应在磁场变化（至约5T）和温度变化（至约60K）下保持稳健。&bull 第三阶非线性响应的极性依赖于磁场方向及载流子类型（电子或空穴），并且其值在反转磁场方向时会改变符号。&bull 非线性霍尔平台的稳健性提供了关于边缘态的新见解，并可能违背量子霍尔电阻的精确量化。【科学图文】图1：在经典和量子域中，线性霍尔效应和非线性霍尔效应示意图。图2：在量子霍尔态quantum Hall states，QHSs内，三阶非线性霍尔平台的观测结果。图3：在量子霍尔态QHSs内，三阶霍尔效应的立方电流依赖性。图4：磁场和温度，对量子霍尔态QHS三阶非线性响应的影。【科学启迪】本文的研究为量子霍尔效应（QHE）中的非线性响应提供了新的视角，揭示了量子霍尔态（QHSs）中第三阶霍尔效应的显著平台。这一发现不仅扩展了作者对量子霍尔现象的理解，也对探索二维材料中的非线性电输运提供了新的途径。首先，实验首次在单层石墨烯中观察到稳定的第三阶霍尔效应平台，表明在量子霍尔态下，电子之间的相互作用可能导致非线性现象的出现。这种非线性响应在不同环境条件（如磁场和温度）下保持稳定，且在多种几何形状和堆叠配置的石墨烯器件中均能观察到。这表明该效应具有较强的普适性和稳健性。其次，研究发现第三阶霍尔效应的电压平台与探针电流立方成正比，而其幅度对环境条件变化表现出较强的稳健性。这一特性挑战了量子霍尔电阻的精确量化，提示作者在量子霍尔态的研究中需要考虑更高阶的非线性效应。这种非线性响应的发现不仅提供了关于边缘态性质的新见解，还可能揭示出与传统线性量子霍尔效应不同的物理机制。此外，本文的研究结果对未来探索量子霍尔系统的高阶响应具有重要启示。其他填充因子的量子霍尔态中的非线性响应，以及在其他量子霍尔系统中的应用，仍需进一步研究。这一发现为理解电子-电子相互作用、边缘态带曲率等物理现象提供了新的方法，也可能为研究分数量子霍尔效应的非线性响应开辟新的方向。原文详情：He, P., Isobe, H., Koon, G.K.W. et al. Third-order nonlinear Hall effect in a quantum Hall system. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01730-1

随着社会的发展，超声无损检测技术已经发展了近百年历史。在多种无损检测技术当中，该检测技术具有明显的优势作用，如检测精度以及深度较大、检测成本较低并且在检测过程中不会对设备造成二次伤害。因此，超声无损检测技术在工业领域被广泛应用。为推动超声无损检测技术发展和行业交流，促进新方法、新技术的推广与应用，在即将召开的第二届无损检测技术进展与应用网络会议，特别设置超声检测技术专场，特别邀请了多位业内专家老师围绕超声无损检测技术、设备、应用等展开分享。部分报告预告如下：大连交通大学副教授 赵新玉《超声自动检测和智能监测》（报名听会）赵新玉，大连交通大学副教授。中国机械工程学会焊接学会/协会理事，超声检测专委会委员。从事超声无损检测教学科研工作20余年，主持完成国家重点研发计划子课题、国家自然基金等纵横向课题20余项，发表科技论文60余篇，获批专利和软著20余项，曾获中国中车和中国兵器集团科技进步三等奖各1项，宁波市科技进步一等奖1项，辽宁省教学成果二等奖1项。报告摘要：针对传统超声频率低，难以检测复杂曲面，难以制造过程中实现质量检测等行业痛点。本报告将介绍高精度超声显微成像检测技术，光声联合检测曲面检测技术，和制造过程超声原位监测技术。中北大学副教授 李海洋《表面缺陷的激光超声检测技术研究》（报名听会）李海洋，中北大学副教授，担任中国声学学会检测声学分会委员、中国仪器仪表学会精密机械分会委员。主要从事非线性声学、激光超声等新型检测声学技术开发，在声学理论、算法开发和声信号处理方向共主持国家和省部级项目4项、发表文章28篇、发明专利2项、学术专著1本。研究成果获得了中国职业安全健康协会科学技术奖三等奖、中国特种设备检验协会科学技术奖二等奖、中国特种设备检测研究院青年科技二等奖以及山西省“三晋英才”青年优秀人才省部级人才称号。报告摘要：表面微缺陷往往是大型裂纹产生的开始，若不能被及时检测会对工业生产造成极大威胁。选用激光超声技术成功实现表面微缺陷的定量检测，研究内容涉及声学理论分析、有限元仿真计算以及实验平台搭建等。西安交通大学副教授 裴翠祥《新型柔性电磁超声、导波传感器开发及应用研究》（报名听会）裴翠祥，毕业于日本东京大学核能专业，工学博士，主要从事机械结构的无损检测与完整性评价等方面研究工作，具体包括新型电磁超声传感器及系统、超声导波检测技术、新型激光超声和激光红外热成像检测技术等的开发和应用研究。先后主持国家自然科学基金项目2项、国家重点研发计划子课题、两机专项项目子课题和企业合作项目等近20项，作为核心骨干参与国家自然科学基金委重大科研仪器项目、科技部ITER专项等多项，担任Sensors、Frontiers in Materials、Magnetochemistry等国际知名学术期刊客座编辑，先后发表论文84篇，其中第一/通讯作者SCI期刊论文36篇，申请及授权发明专利和软件著作权20余项。报告摘要：新一代核能等重大装备结构及工作环境日趋复杂和严酷，常规接触式超声检测方法已无法满足其检测需求。电磁超声及导波由于具有非接触、长距离快速检测的优点，有望克服上述难题。但相对于传统接触式压电超声，现有电磁超声由于灵敏度较低、探头体积大、结构刚性等限制，在大量工程现场狭窄空间环境和曲面结构上仍存在不可达、不可检或检测性能不足等问题，是制约其进一步发展和应用的技术瓶颈。因此，进一步提高其检测灵敏度和分辨率，并同时开发具有轻薄、柔性的新机制和新构型电磁超声及导波传感器，建立新型高可达性、高适应性检测方法，是突破重大装备狭窄空间环境、复杂结构有效检测的关键。中国飞机强度研究所副主任 樊俊铃《航空复合材料积木式验证自动化超声检测技术研究》（报名听会）樊俊铃，博士，高级工程师，现任中国飞机强度研究所16室副主任，中国航空研究院一级专家。承担、参与国家科工局、工信部、装发、自然科学基金、航空基金等各类预研课题10余项，主管、参与完成多个型号的结构强度验证工作，承担我国多型军民机结构试验的无损检测与评估任务，在损伤检测和结构强度领域具有较强的技术能力。长期从事业务领域的相关研究工作，发表论文50余篇，申请专利4项，登记软件著作权3项，荣获集团公司航空报国奖个人三等功等多项奖励。报告摘要：以国产大型客机研制为切入点，结合飞机结构完整性大纲、结构强度规范、民用飞机适航标准和无损检测手册等标准规范，分析了航空复合材料结构完整性验证和航空器持续适航对无损检测的相关要求，梳理了复合材料积木式验证体系不同层级的损伤检测需求、特点和侧重点。以碳纤维增强树脂基复合材料损伤检测为例，重点介绍了阵列超声声场仿真与高效换能器设计、复杂型面自适应扫查路径规划及损伤高精度成像等自动化超声检测关键技术，给出了涉及复合材料标准冲击试验件和机身曲面壁板的积木式强度验证自动化阵列超声检测典型应用案例，并对当前存在的瓶颈问题和未来发展趋势进行了总结和展望。北京工业大学讲师 高杰《基于MFC的锂离子电池荷电状态导波检测技术研究》（报名听会）高杰，讲师，硕士生导师。2022年毕业于北京工业大学机械工程专业，获工学博士学位，并留校任教。近年来一直从事声学波动特性理论分析及锂离子电池状态检测方面的研究。迄今为止，共发表学术论文17篇，以第一作者或通讯作者发表论文13篇，其中SCI论文9篇。作为项目负责人，主持国家重点研发计划项目课题子任务、教育部工程研究中心开放课题、北京市博士后基金及企事业委托项目共计5项。在研期间，入选北京市科协2023-2025年度青年人才托举工程，获2022年度中国石油和化工自动化行业科学技术二等奖、2021年Altair Battery Safety Young Researcher Award（优秀青年学者）、北京力学会青年力学工作者优秀学术论文奖及北方七省市区力学学会优秀青年论文等等荣誉奖项。报告摘要：以锂离子电池多区域运行状态的无损检测与评价为需求，提出了一种基于压电纤维复合材料传感器的超声导波检测新技术。采用状态矩阵与勒让德级数联合法，同步联立Biot理论，构建多层多孔锂离子电池声传播特性理论模型。以厚1.9mm软包钴酸锂电池为例，数值分析了荷电状态对多模态频散曲线的影响规律。同时，建立了相同结构特性的锂离子电池频域仿真模型，提取了不同荷电状态下的超声导波频散曲线。此外，以体积小、柔性强的压电纤维复合材料MFC传感器为基础，实验探究了不同SOC对锂离子电池中声学行为的影响。从实验分析，仿真及理论计算等方面，诠释了所提测量分析方法的可行性。随后，以MFC传感器阵列的形式，对商业锂离子电池的多区域荷电状态进行超声检测研究。通过对比分析放电过程中不同区域内的声传播特性，揭示锂离子电池全域运行状态的变化规律，为锂离子电池组运行状态的实时监测提供新的技术方案。第二届无损检测技术进展与应用网络会议为推动我国无损检测技术发展和行业交流，促进新理论、新方法、新技术的推广与应用，仪器信息网将于2023年9月26-27日召开第二届无损检测技术进展与应用网络会议。本届会议开设射线检测技术、超声检测技术、无损检测新技术与新方法（上）、无损检测新技术与新方法（下）四大专场，邀请二十余位无损检测领域专家老师围绕无损检测理论研究、技术开发、仪器研制、相关应用等方面展开研讨，欢迎大家在线参会交流。一、主办单位：仪器信息网二、支持单位：吉林大学三、参会指南1、进入会议官网（https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/ndt2023/）进行报名。扫描下方二维码，进入会议官网报名2、报名并审核通过后将以短信形式向报名手机号发送在线听会链接。3、本次会议不收取任何注册或报名费用。4、会议联系人高老师（微信：iamgaolingjuan 邮箱：gaolj@instrument.com.cn）周老师（微信：nulizuoxiegang 邮箱：zhouhh@instrument.com.cn）

大家好！我们非常高兴地宣布，振电（苏州）医疗科技有限公司的多模态非线性光学成像系统UltraView成功交付给了厦门大学。此次交付包括讲座和上机培训，反馈非常良好。讲座由公司CEO、北京航空航天大学特聘教授王璞亲自主讲，他向厦门大学的科研团队介绍了UltraView的技术特点和优势，现场进行了热烈的提问和交流。在场的学者们纷纷表示，通过此次讲座，他们对多模态非线性光学成像技术有了更深刻的认识，对UltraView的应用前景充满信心。 随后，我们安排资深工程师进行了上机培训，帮助他们熟悉UltraView的使用方法和操作流程。工程师耐心地为学者们解答各种问题，培训现场气氛轻松、活泼，学者们积极参与。通过此次交付，我们对UltraView的应用前景充满信心。我们相信，它将为厦门大学的科研工作带来很大的助力，并帮助他们在医疗诊断、药物研发等方面取得更好的成果。感谢厦门大学的信任和支持，我们将继续为客户提供最优质的产品和服务，助力科学研究事业的发展。 振电（苏州）医疗科技有限公司开发的“多模态非线性光学显微成像系统UltraView”利用相干拉曼成像技术，帮助您实现活体细胞、组织等样本，从核酸、氨基酸、脂质、糖类等组分的无标记、化学特异性显微成像，最大程度上保持了生物原有的生理状态；能实现二维到三维，从静态到动态变化过程的快速高分辨率成像。

天平称量的一般要求，包括超差的结果及其影响、称量对流程质量的影响、称量不确定度和最小称量值、安全因子、称量仪器的日常测试（频率、砝码、最小称量值评估、自动校正等）等要求 1. 介绍 在制药实验室中，称量仅是药物开发和质量控制的整个分析链中的一个步骤；但它却对最终结果的整体质量和完整性有着重要影响。此外在生产中，称量对获得批次的统一性和一致性（例如，在分装或配方过程中）具有决定性作用。在食品行业，准确的称量过程对该行业的两个最严峻的挑战具有重要作用：提高公众健康和消费者安全，以及提高生产力和竞争力。其它行业（例如化工、香料或汽车工业）也普遍存在相同或类似的问题，此外，检测实验室以及研发外包和代加工的企业也出现此类问题。在全球各地，准确称量对确保始终符合预设定的过程要求并避免频繁出现不合格结果 (OOS) 而言至关重要。 2. 超差结果及其影响 多年来，制药行业一直深受不合格结果的困扰，自 1993 年 Barr Labs 法院裁决后尤为严重。在该案例中，法院判决 Barr Labs 一方获胜，该实验室坚持认为 OOS 结果不一定会导致批次不合格，应查明是否存在诸如实验室错误等其他原因。2006 年 10 月，FDA 对其有关如何处理 OOS 结果以及如何进行正确调查的指南进行了修订。自此，FDA 已发出了大量 483 缺陷调查警告信。由此看来，即使在该指南发表 7 年后以及 Barr 裁决过去 20 年后的今天，我们在这方面仍有大量工作要做。 此外，FDA 在上述指南中还声明：“实验室错误应该是极少发生的。经常发生的错误更可能是由于分析员培训不足、维护不当或设备未正确校准或工作粗心而导致。” 在我们看到大量有关 FDA 483 缺陷调查警告信后，罕见的实验室错误可能就不会像我们所希望的那么罕见了。遗憾的是，由于没有公开数据显示所获得的每个 OOS 结果，因此存在更多没有导致 OOS 结果的小错误。这些错误可能被分类为“注意记录”，或只是简单地在实验室记事本上记录为错误。即使这些错误可能预示分析方法或过程将出现更严重的问题，许多企业也不会对其进行调查。应强调，OOS 也可能导致因调查引起的正常运行时间减少、批次释放延迟，或甚至可能导致成本昂贵的召回事件，这将对公司的效率和生产力产生负面影响，并可能会影响其声誉。不只是制药行业面临上述问题。食品行业也是如此，近几年食品安全和质量管理条例要求越来越严格。GMO（基因改造生物）或纳米技术的开发给食品安全和质量带来了新的挑战；此外，国际供应和食品交易以及供给的增加，预计也会使这一趋势更加明显。随着这些趋势的发展，以及国际和国家法律发生相应变化，标准和检查过程会进行定期修订。近期一个影响行业的立法案例就是于 2011 年 1 月开始实施的《美国食品安全现代化法案》(FSMA) 该法案将联邦监管机构的工作重心由应对安全问题转为预防问题的出现。该新法目前正在实施中，其中包括加强预防控制以及增加 FDA 强制性检查的频率。 3. 称量对过程质量的影响 称量是大多数实验室中的关键环节，但始终未得到足够的重视，其复杂性也经常被低估。由于称量质量对最终结果质量的影响很大，美国药典 (USP) 特别要求在定量分析过程中应获取准确度较高的称量结果 “应利用准确称量或准确测量的分析物制备定量分析溶液 如果规定测量值应为‘准确测量’ 或‘准确称量’，则应遵守相应的通则：容器 和天平 中的规定。” 上述通则中的要求非常严格，而其它仪器通常不执行类似标准，最常见的情况是由分析开发团队制定方法要求。与实验室相比，在生产环节中大部分情况下都低估了称量结果的重要性。天平和秤被视为生产工具，受到卫生状况、防护等级、腐蚀、火灾或爆炸风险，操作人员的健康和安全，以及生产力等外界因素的影响。在当前天平和秤的选择和操作标准中，相比其他计量要求，需更优先考虑所有这些因素。因此，未能充分考虑计量标准。通常情况下，生产环节中的操作人员资质等级低于实验室技术人员。这将导致生产过程中的操作错误比实验室更加频繁。因此，可以预料到生产过程中出现不合格结果的频率要高于实验室。 另一种做法是重新调配现有天平，把它们用于其他用途，而非其原有的应用。在这种情况下也一样，原有天平的功能可能无法满足新应用中的计量要求。生产中的不合格结果不仅预示质量可能存在风险，而且预示可能对消费者的健康和安全带来实际风险，可能违反贸易规则并给公司造成经济损失。一旦某个过程中出现低质量产品，会增加原材料、人力和资产损耗。产品必须重新加工或处置。在许多情况下，发生错误可能会导致漫长且昂贵的召回行动，给品牌带来负面影响。 4. 测量不确定度和最小称量值 4.1 称量系统的测量不确定度 满足始终准确且可靠的称量要求的最新策略包括：采用科学方法选择和测试仪器 。这些方法也解释了在行业中普遍存在的称量误解。 “我想购买读数精度为 0.1 mg 的分析天平，因为这是我的应用所需的精度。” 在制定设计认证时，经常会听到类似这样的表述。按照这一要求，用户可能会选择量程为 200 g 且读数精度 为0.1 mg 的分析天平，因为用户认为该天平“精确度达到 0.1 mg。”这是一种常见的误解，原因很简单：仪器的读数精度不等于其称量准确度。 称量仪器技术参数中的几大可测量参数限制了其性能。这些重要参数是重复性 (RP)、偏载 (EC)、非线性 (NL) 以及灵敏度 (SE)要回答这个问题，必须先讨论术语“测量不确定度”这一术语。《测量不确定度表示指南》(GUM) 将不确定度定义为“测量结果与被测变量实际值之间合理的数值分散特性”。 称量不确定度（即称量物体时的不确定度）可通过天平或秤的技术参数（一般在进行设计认证时），以及仪器安装后通过称量仪器的校准（一般通过操作认证中的初始校准，之后通过性能认证过程中的定期校准）测算得出。《非自动称量仪器国际准则》规定了称量不确定度评估的详细说明 [9, 10]。相关校准证书中清楚地阐明了校准结果。 一般来说，称量仪器的测量不确定度是一条特殊斜线 — 天平或秤上的载荷越高，测量不确定度（绝对值）越大4.2 天平参数与称量不确定度的关系 称量不确定度的表现特性更加明显，图中显示了导致量程为 200 g 分析天平的称量不确定度的各个因素（重复性、偏载、非线性和灵敏度）。可根据样品质量将不确定度分为三个独特的区域： 1. 区域 1 的样品质量小于拐点下限质量（即不确定度主要受重复性因素影响的最大样品质量）。在该具体示例中，样品质量大约为 10 g，以红色标示。此区域中，由于重复性受总载荷（如果有的话）的影响极小，因此相对不确定度与样品质量成反比。 2. 区域 2 的样品质量大于拐点上限质量（即不确定度主要受灵敏度偏置和偏载因素影响的最小样品质量）。在该具体示例中，该数值约为 100 g， 以绿色标示。此区域中，相对不确定度不受样品载荷的影响；因此，合起来的相对不确定度基本上仍保持不变。 3. 区域 3 是过渡区，样品质量在拐点质量下限和上限之间，相对不确定度由反比变为常量。 此外，对于大部分实验室天平而言，由于非线性在整个样品质量范围内对相对不确定度的影响小于其它因素，因此对相对不确定度几乎不起作用。秤所遵循的原理与天平一样，但其所使用的技术会产生一些额外的限制。大多数秤都采用分辨率比天平低的应变片式称重传感器。某些情况下，化整误差可能是主要原因，但对于分辨率较高的秤来说，重复性也是仪器在小量程段中测量不确定度的决定性因素，即计算出的标准偏差通常大于 0.41d。 线性偏差通常也被认为是一大因素，但是在称量小样品时，通常会被忽略。鉴于在称量较大样品时相对测量不确定度逐渐变小，我们可以推断，非线性在将仪器的测量不确定度保持低于规定工艺允差中仅起到很小的作用。我们需要重点关注重复性，以规定高精度工业秤的临界限值，实验室天平也是如此。 4.3 关于最小称量值的常见误解 最后，我们想指出行业中普遍存在的一个主要误解：许多企业错误地认为，是否可以加上去皮容器的重量以符合最小称量值的要求。换而言之，这些企业认为如果去皮容器的重量大于最小称量值，则可以添加任何重量的物质，而最小称量值要求也会自动满足。这将意味着，您甚至可以使用足够大的去皮容器在量程为 3 吨的工业地磅上称量一克的物质，并仍能够获得要求的过程准确度。由于称量示值的化整误差是仪器的最低不确定度限值，因此，显然无论在任何去皮容器中称量如此小的物质都不会获得满意的准确度结果。这个极端例子表明，这种普遍理解是错误的。同样，假如在一个去皮容器中称量不止一个样品（例如，作为配方过程的一部分），每一个样品均必须符合最小称量值要求。 修订版 USP 通则 中也阐述了这一误解： “在称量样品时，为了满足规定的称量允差，样品质量（即净重）必须等于或大于最小称量值。最小重量是指样品净重量，而不是皮重或毛重。” 最近，我们遇到的另一个误解是关于最小称量值约 100 千克磅秤的分装应用和所测量的最小称量值。该公司称，他们每次分装 20 千克的物质，然而为了遵照最小称量值要求，往往会在容器中留下超过 100 千克的物质。该公司不明白，为了符合自己的准确度度要求，他们需要称量至少 100 千克（而不是 20 千克）的物质。 简而言之，不论是称量前或称量后，在配方、分装和类似应用过程中，每一个组件都必须符合最小称量值要求。为了强调必须考虑样品净重，皮重与是否符合最小称量值标准无关，最小称量值通常指最小样品净重量。

近日，华南理工大学教授李志远团队成功造出一台全谱段白光激光器，其具备光斑明亮、光谱光滑且平坦、大脉冲能量的特点，能覆盖 300-5000nm 的紫外-可见-红外全光谱，单脉冲能量达到 0.54mJ。这样一台全谱段白光激光器的面世，可用于构建全谱段的超快光谱学探测技术，有望将激光技术推至世界领先水平，从而更好地服务于前沿研究。图 | 李志远（来源：李志远）基于本次成果，课题组将进一步构建全谱段的超快光谱学探测设备，届时有望对物质内部多个波段中的物理、化学和生命过程开展超快的精密探测，从而实现高速摄谱的技术能力，进而用于开展二维材料、锂离子电池、化学催化等领域的研究。本次研究中所涉及的光谱学技术，可以覆盖深紫外-可见波段的原子以及分子的电子跃迁吸收谱，也能覆盖近红外波段的半导体带间电子跃迁吸收谱、以及中红外波段的分子振动等。借此可以打造一种崭新的光谱学检测手段，对于那些使用传统手段所无法揭示的新现象和新规律，本次新手段很有希望填补相关空白。（来源：Light: Science & Applications）鉴于光学波段的光子和物质的电磁相互作用强度以及灵敏度，远远超过 X 射线光子与物质原子核、以及内壳层电子的电磁相互作用。而且，即便是 1mJ 量级的全谱段白光飞秒脉冲激光的光子亮度，也远远超过目前同步辐射 X 射线光源的亮度。“因此，全谱段白光激光器在物质科学和生命科学中所发挥的作用，也有望超过传统的同步辐射 X 射线光源。”李志远表示。日前，相关论文以《强紫外-可见-红外全谱段激光器》 （Intense ultraviolet–visible–infrared full-spectrum laser）为题发在 Light: Science & Applications，华南理工大学博士生洪丽红是第一作者，华南理工大学李志远教授、中国科学院上海光学精密机械研究所（上海光机所）李儒新院士担任共同通讯 [7]。图 | 相关论文（来源：Light: Science & Applications）助力解决 Science 125 个待解难题之一据介绍，作为一种崭新的激光光源，超宽带白光激光具有极宽带宽、高光谱平坦度、大脉冲能量、高峰值功率、高时空相干性等五大优点，能极大拓展激光技术的发展和应用范围。而如何构建一台覆盖紫外-可见-红外波段的全谱段白光激光器，同时拥有高峰值功率和高脉冲能量，是一个极具挑战的宏大目标。2020 年，Science 杂志将其列为 125 个前沿重大科学问题之一。主要原因在于，基于目前纯粹单一的激光器技术、二阶非线性变频技术、以及三阶非线性频率展宽技术，远不足以解决这一问题。过去十年，李志远团队基于自主开发的啁啾结构非线性铌酸锂晶体，结合大脉冲能量、高峰值功率的飞秒脉冲激光泵浦，利用二阶和三阶非线性协同作用的原创性物理机制，提升了白光飞秒激光的转换效率、频谱带宽、脉冲能量、光谱平坦度等指标。要想产生全谱段白光飞秒激光，需要达到两个先决条件：带宽超过一个光学倍频程的强泵浦飞秒激光光源，以及具有极大非线性频率上转换带宽的非线性晶体。不过，要想同时满足上述两个条件并非易事。为此，课题组使用光学参量啁啾脉冲放大技术，以及使用由充气空心光纤、纯铌酸锂晶体材料和啁啾极化铌酸锂晶体组成的极宽带非线性变频模块，将飞秒激光技术、二阶非线性变频技术、三阶非线性频率展宽技术加以综合，研制了这款全谱段白光激光器。其中，二阶和三阶非线性效应协同作用的原创性物理机制，是打造本次全谱段白光激光器的秘密。上述机制的好处在于，能够清除二阶非线性或三阶非线性方案中所存在的输出光谱性能不佳的限制。李志远表示：“全谱段白光激光有望成为激光技术发展历史上的一个里程碑，并能很好地回答 Science 杂志 2020 年的 125 个最前沿的科学问题，即人类能否造出与太阳光相似的非相干强激光。”（来源：Light: Science & Applications）让中国学界真正拥有属于自己的实验设备多年来，学界一直渴望产生像太阳光一样的白光激光。紫外-可见-红外全谱段白光激光的产生，则一直是激光技术等待攻克的堡垒，也是李志远团队努力追求的目标。十年来，该课题组历经 8 次阶段性成果的积累，才造出了上述全谱段白光激光器。2014 年，该团队将啁啾调制的概念引入一维铌酸锂晶体的周期设计中。在可调谐近红外光源的帮助之下，设计出多个不同啁啾度的准相位匹配晶体，让二次、三次谐波产生的非线性过程的相位失配，能够在单个晶体中得到补偿，借此实现宽带可调谐三基色光源的同时输出，也拉开了课题组“白光激光”之梦的序幕。2015 年，李志远让学生陈宝琴开展啁啾结构铌酸锂晶体中六次谐波产生的研究。在实验的关键阶段，李志远去现场看学生做实验，结果发现了又圆又白的激光束产生，这完全出乎意料之外。李志远觉察到这是一个“好东西”。仔细分析之后，确定啁啾结构铌酸锂晶体产生了二到八次谐波。在一个固体材料中产生高次谐波，这是一个前所未有的科学发现，也让课题组开始树立“白光激光”的梦想。随后，他们设计了啁啾结构非线性光子晶体，以中红外飞秒脉冲激光为泵浦源，在单块晶体中同时产生了超宽带二到八次谐波。其中，四到八次谐波形成 400-900nm 超宽带可见白光激光，其转换效率达到 18%。2014 年和 2015 年的这两项工作表明：该团队自主研发的铌酸锂晶体二阶非线性方案，可以支持宽带二次谐波产生。同时，也能支持宽带二次谐波和三次谐波产生，甚至支持基于级联三波混频的高次谐波产生，最终可以实现超宽带可见白光激光的产生。而要想产生全谱段白光飞秒激光，就需要继续深挖上述方案的潜能，以便满足产生全谱段激光所需要的苛刻条件：即泵浦激光脉冲带宽要足够宽，非线性晶体材料的准相位匹配带宽要足够大。2018 年，课题组选用更高能量的近红外飞秒脉冲激光作为泵浦源，针对相关泵浦条件设计出一款啁啾结构铌酸锂晶体，这块晶体在不同偏振状态之下，均能同时产生二次谐波和三次谐波。通过此他们首次发现了二阶和三阶非线性协同作用的新物理机制，并证明这一机制能够显著提升相关性能的指标。利用级联二次谐波和三次谐波方案，他们生成了 400-900nm 可见-近红外波段的可调谐白光激光，转换效率达到 30％。这一发现，也促使他们去发现产生白光激光的更优路线，即基于二阶和三阶非线性协同作用产生超连续白光激光的方案。在新路线的指导之下，他们设计出一块能同时产生二到十次谐波的宽带白光非线性晶体材料。针对这款白光非线性晶体材料，他们又采取 45μJ 脉冲能量的 3.6μm 中红外飞秒脉冲激光泵浦的设计方案，借此产生 25dB 带宽、覆盖 350-2500nm 的紫外-可见-红外超连续白光飞秒激光，单脉冲能量为 17μJ，转换效率为 37%。在此基础之上，他们继续优化二阶非线性和三阶非线性协同效应。期间，该团队发现石英玻璃的三阶非线性效应远远优于铌酸锂晶体，而特殊设计的铌酸锂啁啾非线性光子晶体可以同时使用高达十二阶次的准相位匹配。后来，他们利用 0.5mJ 的钛宝石飞秒脉冲激光器泵浦，来对熔融石英-啁啾极化铌酸锂晶体进行泵浦，最终实现 10dB 带宽覆盖 375-1200nm、20dB 带宽覆盖 350-1500nm 的超连续激光，单脉冲能量为 0.17mJ，转换效率为 34%。前面提到，课题组期望实现的白光飞秒激光具有五个高指标。因此，在追求极宽带宽范围的同时，他们还得实现更大的脉冲能量、更高的光谱平坦度。于是，该团队以高能量钛宝石主激光作为泵浦源，针对由熔融石英和啁啾极化铌酸锂晶体组成的级联光模块，对其整体非线性响应进行进一步的操纵，从而显著提高了白光飞秒激光的综合性能。期间，他们利用 3mJ 脉冲能量的钛宝石飞秒激光泵浦，对石英-超宽带白光非线性晶体级联模块进行熔融，基于二阶和三阶非线性协同作用的高效超宽带二次谐波产生方案，实现了 mJ 量级、3dB 带宽覆盖 385-1080nm 的超宽带白光飞秒激光。此外，自 2018 年起课题组联合一家外部公司研制了 3mJ/50 fs/1 kHz 钛宝石飞秒激光器，实现了相关仪器的国产替代。并以此作为泵浦源，和白光非线性变频模块加以结合，从而形成了成熟高效的白光飞秒激光生成方案，借此造出一款白光飞秒激光整机设备。以上成果也促使他们进一步思考：如何产生覆盖一到十次谐波的全谱段白光激光？为此，他们与上海光机所李儒新院士团队合作，提出一款非线性级联装置。这种装置可以满足以下两个条件：一个较强的带宽达到光学倍频的中红外泵浦激光光源；以及一个具有极大非线性频率上转换带宽的非线性晶体。随后，他们基于光学参量啁啾脉冲放大技术，研制出一种中红外飞秒脉冲激光器，它具有 3.5mJ、3.9μm 中心波长，可以起到泵浦激光光源的作用。接着，基于宽带二阶和三阶非线性变频模块，他们获得了光谱范围 25dB 带宽、覆盖 300-5000nm 的全谱段超连续白光飞秒激光。“至此，我们欣喜地发现借助强中红外飞秒激光作为泵浦源已经成功走通了全谱段白光激光产生的道路。”李志远表示。（来源：Light: Science & Applications）总的来说，课题组已经实现了“三高”型白光飞秒激光：大单脉冲能量（第一高）、300-5000nm 的频谱宽度（第二高）、高光谱的平坦度（第三高），基本涵盖了铌酸锂晶体的全部透光范围。接下来，他们将继续与李儒新院士团队合作，朝向更高目标前进，力争实现深紫外-紫外-可见-近红外-中红外-远红外的“三高”全谱段白光飞秒激光。假如可以实现，就能建造比拟同步辐射光源、以及自由电子激光光学波段的全谱段超连续激光光源。“届时，相信我们中国科学界将拥有属于真正自己的研究物质科学和生命科学的实验设备。”李志远最后表示。

一种精简的基因检测新方法为患卵巢癌的女性提供了快速而经济实惠的检测方法，让更多的病人能受益于个性化的癌症管理，让他们的亲属能受益于癌症预防策略。　　这种新方法为癌症患者提供了在日常癌症筛查就能进行基因检测的机会，而不必非得去专门的基因检测诊所。　　该方法不仅能提供更精简的就医体验、降低卫生系统资源损耗，如果全国实行的话，还能为NHS省下百万英镑/年。　　该检测方法由伦敦癌症研究所的研究人员开发，也是威康信托基金会资助的主流癌症遗传学计划的一部分。　　在一项由皇家马斯登NIHR生物医学研究中心和癌症研究协会(ICR)支持的研究中，在皇家马斯登NHS信托基金会对207位女性卵巢癌患者进行了BRCA基因检测。　　这项研究今日(星期三)在《科学报告》杂志上公布，报告显示该新的检测方法很受患者欢迎 所有207位卵巢癌患者都接受了BRCA基因检测，测试后的反馈也很积极。　　新的检测手段减少了患者去医院的次数，基本上能减少测试所花的时间，确保检测结果能够被纳入到临床决策中。　　检测结果对于五分之四正在接受癌症治疗的患者的医疗管理都有用。这包括32名发现有BRCA基因突变的女性，其中许多人因此而符合新药品的适应症—新药品的精度只适合BRCA相关性卵巢癌。　　这种新的检测方法需要癌症患者同意由肿瘤科医生或护士完成一个30分钟的在线培训模块，该模块由研究小组设计。所有BRCA基因突变的卵巢癌患者将自动获得与遗传学团队的预约，来详细讨论检测结果对她们自己及其家人的意义。　　对于每例确认有BRCA基因突变的患者，平均3个家庭成员也决定去咨询遗传学家，讨论这对于她们的影响。 BRCA突变会增加乳腺癌和卵巢癌发生的风险，而亲属进行检测能给予她们个性化的癌症风险信息。BRCA基因也发生了突变的亲属将有更多种选择，以提高对癌症的早期检测或预防。　　新的测试方法现在在皇家马斯登已经成为标准检测方法，英国和国际上的其他医院也正在采用。因此，更多卵巢癌女性已检测了BRCA。　　据现行的国家建议，几乎所有的卵巢癌患者都符合BRCA测试的条件，但测试规定一直在NHS修修补补。据估计，已经进行过测试的卵巢癌患者实际上不到三分之一。　　研究人员认为，新测试方法的简单性和效率决定了它的实用性，即在现有资源范围内，全英国所有符合条件的卵巢癌患者都能进行测试。研究人员估计，在NHS推行新的检测方法将比沿用现行方法省￡2.6M/年。　　这组研究人员与DRG Abacus and Astra Zeneca合作的一个伴行研究发现，新的测试方法极具成本效益，因为许多虽然身体健康、但是身为癌症高危人群的亲属会选择接受检测，来减少患癌的几率。　　研究发现，如果每年在英国确诊为卵巢上皮癌的所有7000名女性都接受了测试，那么随着时间的推移，只一年内的检测量就有可能预防数以百计的乳腺癌和卵巢癌发生、数十名亲属的死亡。　　研究人员发现，为所有卵巢癌患者实施该检测，国家将损耗￡4339每质量矫正后的生命年——远低于用来决定NHS应该提供何种检查方法和治疗方法的阈值￡20,000。　　研究负责人Nazneen Rahman教授是伦敦癌症研究所癌症遗传学和皇家马斯登NHS信托基金会的负责人。他说：　　“我们知道，BRCA基因检测可以为卵巢癌女性带来极大好处，让她们能得到针对其个人遗传信息的护理。这也能改进癌症我们可以提供给他们家庭的风险的信息。”　　“我们的新基因检测方法比NHS的标准检测方法更快、更简单、更好地满足癌症患者的需求。我们的研究表明，它不仅是为所有符合条件的卵巢癌女性提供BRCA检测的可行办法，还可以预防癌症、为NHS节省数百万英镑/年。”　　Martin Gore教授是皇家马斯登NHS信托基金会的肿瘤内科顾问，他说：　　“新的基因检测方法已经在临床取得了巨大的成功。这一切都进展得非常顺利，而且我知道，患者及家属真的非常感激。”　　来自皇家马斯登的49岁卵巢癌患者Preeti Dudakia参加了研究，她说：　　“我的癌症团队很清楚地解释了为什么这个测试方法有用，当结果阳性的时候，我能接受针对BRCA基因突变患者的治疗。如果我的母亲患卵巢癌时就能有这样的测试，那么我很快就能知道我患卵巢癌的风险，那么，我的情况可能就会完全不同。”　　伦敦癌症研究所的首席执行官Paul Workman教授说：“二十年前，BRCA2基因在ICR得到确认。这项研究，是将科学变成实际可用的东西的典范，可以改善对病人的护理，拯救生命。我们希望基因检测的新模式可以在全NHS推广。”

各相关单位和专家：中国声学学会生物医学超声工程分会、中国声学学会检测声学分会、中国声学学会物理声学分会、中国声学学会微声学分会、中国声学学会功率超声分会定于2024年11月1-4日在陕西省西安市西安曲江国际会议中心联合举办“2024年首届全国超声大会”，会议依托陕西省超声学重点实验室主办，由陕西师范大学物理学与信息技术学院承办。会议将围绕超声学及超声工程相关的基础理论、应用开发、前沿技术、工业及临床应用等研究热点，为在本领域从事科学研究、应用开发及临床应用研究的高校、科研院所、企事业单位和临床医学人员提供充分交流的平台，促进国内超声研究事业的高质量发展。一、征文范围生物医学超声及临床医学应用（01）诊断和治疗超声、超声生物效应、超声医学成像、超声造影剂微泡、医用光声成像、超分辨率超声成像、超声靶向治疗与药物输送、组织的超声波特性分析、超声弹性成像、医用超声换能器、医学超声的临床应用、功能超声成像、临床超声医学。检测超声、光声检测和固体声学（02）检测声学理论与方法；超声导波、非线性超声学、声发射技术、超声成像方法与技术；超声信号检测与处理；超声换能器与测试方法；超声在线检测系统等。固体中的声波与声波导理论；复杂固体介质中的声场计算；深部钻测声学理论、方法、技术及应用，包括声波测井理论与方法、声波测井换能器及有关仪器装备技术。物理声学（03）声学超构材料、声子晶体、拓扑声学、非厄米声学、非线性声学、复杂介质和结构中的计算声学、光声学、热声学、声表面波及应用等。功率超声（04）国内外功率超声领域研究动态；功率超声的新设备，新工艺，新应用；功率超声系统的设计、测试和评价方法；功率超声应用（如声化学、超声植物提取等）领域的理论和实验研究；其他功率超声领域的热点研究成果。超声传感与仪器（05）超声传感以及超声波仪器设备新系统开发；超声智能控制系统新工艺与新应用；超声信号处理新方法等。微声学（06）压电与弹性波理论，微声滤波器与信号处理器件，微声传感器，微声操控器件，新型微声器件与材料。交叉融合新兴领域（07）数字岩石和岩石声学物理学、储层声学中的机器学习和统计方法、储层声学和声波测井、新型大功率超声换能器材料与器件、超声加工前沿技术等。二、主办、承办、协办单位主办单位：中国声学学会生物医学超声工程分会中国声学学会检测声学分会中国声学学会物理声学分会中国声学学会微声学分会中国声学学会功率超声分会陕西师范大学陕西省超声学重点实验室承办单位：陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学应用声学研究所西安声学学会陕西省声学学会协办单位：中华医学会超声医学分会中国生物医学工程学会医学超声分会中国仪器仪表学会声学仪器专委会中国研究性医院学会超声医学专委会中国科学院声学研究所北京市海洋深部钻探测量工程技术研究中心陕西省超声医学工程学会西安科技大学三、大会委员会(排名不分先后)大会主席：林书玉 教授，陕西师范大学（功率超声分会主任）大会副主席：刘晓峻 教授，南京大学（物理声学分会主任）马晋毅 研究员，中国电子科技集团公司第二十六研究所（微声学分会主任）他得安 教授，复旦大学（生物医学超声工程分会主任）王秀明 研究员，中国科学院声学研究所（检测声学分会主任）学术委员会：学术委员会主席：郑海荣 院士 中国科学院深圳先进技术研究院/南京大学李风华 研究员 中国科学院声学研究所苏众庆 教授 香港理工大学学术委员会委员：程建春 教授 南京大学程　茜 教授 同济大学陈　昕 教授 深圳大学程　营 教授 南京大学丁德胜 教授 东南大学邓明晰 教授 重庆大学郭建中 教授 陕西师范大学胡恒山 教授 哈尔滨工业大学李保文 教授 南方科技大学梁　彬 教授 南京大学梁　萍 教授 中国人民解放军总医院第五医学中心林书玉 教授 陕西师范大学廉国选 研究员 中国科学院声学研究所林伟军 研究员 中国科学院声学研究所刘晓峻 教授 南京大学刘晓宙 教授 南京大学刘正猷 教授 武汉大学罗渝昆 教授 中国人民解放军总医院第一医学中心马晋毅 研究员 中国电子科技集团公司第二十六研究所孙明健 教授 哈尔滨工业大学(威海)他得安 教授 复旦大学唐晓明 教授 中国石油大学（华东）屠　娟 教授 南京大学王小民 研究员 中国科学院声学研究所王秀明 研究员 中国科学院声学研究所王　文 研究员 中国科学院声学研究所王成会 教授 陕西师范大学项延训 教授 华东理工大学徐春广 教授 北京理工大学杨　军 研究员 中国科学院声学研究所章　东 教授 南京大学周光平 教授 深圳职业技术大学祝　捷 教授 同济大学张　涛 教授 西安科技大学周晓东 教授 西安国际医学中心医院组织委员会： 曹　辉 教授 陕西师范大学凤飞龙 教授 陕西师范大学郭建中 教授 陕西师范大学郝长春 教授 陕西师范大学李　锦 教授 陕西师范大学何　晓 研究员 中国科学院声学研究所贺西平 教授 陕西师范大学李　勇 教授 同济大学刘　洋 教授 天津大学林伟军 研究员 中国科学院声学研究所莫润阳 教授 陕西师范大学沈壮志 教授 陕西师范大学唐代华 研究员 中国电科第二十六研究所（微声学分会秘书）王成会 教授 陕西师范大学 （功率超声分会秘书）王　玥 副研究员 中国科学院声学研究所 （生物医学超声工程分会秘书）许凯亮 研究员 复旦大学张光斌 教授 陕西师范大学张　涛 教授 西安科技大学张小凤 教授 陕西师范大学周吟秋 副研究员 中国科学院声学研究所 （检测声学分会秘书）张志旺 研究员 南京大学 （物理声学分会秘书）四、会务组崔致远 副教授 陕西师范大学高　洁 副教授 陕西师范大学胡　静 副教授 陕西师范大学田　华 高级实验师 陕西师范大学田　野 副教授 陕西师范大学尹冠军 副研究员 陕西师范大学唐一璠 博士后 陕西师范大学王成会 教授 陕西师范大学武耀蓉 博士 陕西师范大学五、相关说明1. 本次会议的会议网站已经发布，诚邀各位专家学者通过会议网站投稿链接投稿参会。投稿要求：通过会议网站投稿地址（http://ncu2024.meeting666.com/）投稿，本次会议只接收稿件摘要，摘要格式见附件：投稿摘要格式.docx。投稿截止日期：2024年6月30日，录用通知发送日期：2024年8月30日。2. 如有疑问，请与会务组联系。中国声学学会生物医学超声工程分会中国声学学会检测声学分会中国声学学会物理声学分会中国声学学会微声学分会中国声学学会功率超声分会2024年5月

“我们证实了利用硅基光学超表面通过三次谐波在红外成像上的潜力，为通过非线性硅基纳米光子学来研发下一代红外成像技术迈出了重要一步。”英国诺丁汉特伦特大学教授徐雷表示。图 | 徐雷（来源：徐雷）当前，刚好也是光学超表面研究，从理论向应用转向的一个过程，因此本次成果非常及时。同时，在本次课题的理论设计上，徐雷等人利用连续体中的束缚态概念，来实现任意品质因子纳米结构的操控，这为降低光源强度依赖性提供了很好的思路。首先，本次成果可被用于夜视技术，从而集可见光、以及红外光成像于一体，利用普通的硅基探测器直接实现高性能的夜间红外探测。其次，本次成果可被用于医学检测，通过将红外光转到到可见光波段，根据光学探测蛋白质结合和构象变化、药物分子与靶标分子之间的相互作用等，从而在检测端口实现对于红外光背底噪声的完全抑制，进而助力于提高医学检测的灵敏度和性能。再次，本次成果可被用于食品检测和国防安全，即结合非线性超表面、以及可调谐非线性超表面，有望实现红外波段的超分辨成像技术。（来源：Opto-Electronic Advances）让红外图像转换为可见光一直以来，红外探测被广泛用于各个领域，比如通过测量材料对红外辐射的吸收，可以提供关于分子结构和化学键的信息，故在医学诊断、视频质量控制、环境监测、夜视和安全等领域都有着很大潜力。红外探测的不断创新和发展，将有望推动其在医疗、食品、环保和安防等方面的应用。然而，红外探测技术的当前挑战在于：红外探测器大部分基于热探测器，尽管成本较低但是速度较慢，而且灵敏度不足，严重限制了其性能。半导体探测器作为另一种选择，虽然具有高灵敏度的优势，但其常常需特殊冷却、以及复杂的处理工艺，要么就是需要极低温度来维持适当的性能水平。这些技术难题限制了红外成像系统的灵活性和可靠性，影响了其在各种应用场景下的性能。因此，红外成像领域迫切需要创新性解决方案，以克服当前技术的局限性。而这可能涉及新型材料的研发、更高效探测器技术的研发、以及新型冷却和处理方法的研发。过去十多年中，由亚波长尺度介质谐振器组成光学超表面结构，受到广泛关注。这种结构可以增强光电磁场的局域效应。通过巧妙设计这些结构，就能调控入射光的相位、振幅、偏振以及近场光局域的程度。同时，光学超表面具有高度的灵活性和功能性，并已经在光学领域取得许多新成果，例如替代传统光学元件的透镜、棱镜和偏振器，这不仅减小了传统光学系统的体积，还能带来性能的提高。通过非线性过程，可以实现红外光的频率转换，为将红外转换为可见光提供手段。这样一来，只需使用普通且廉价的硅基探测器，就能实现红外成像。此外，不同的非线性混频过程可以提高能量利用效率，为实现高效红外成像系统提供可能性。而对于超表面来说，它在微型化、灵活性和轻量化方面展现出的独特潜力，更是为实现新一代红外成像技术提供了很好的平台。以上，也是徐雷团队本次课题的出发点。研究中，他们利用结合非线性光学超表面的方法，通过非线性光学这一过程，可以让红外图像转换为可见光，从而让普通硅基探测器直接探测红外图像成为可能。（来源：Opto-Electronic Advances）当亲眼看到绿光的时候......据介绍，徐雷对于成像技术和非线性光学一直充满兴趣。此前在澳洲工作时，他就曾与当时的合作者使用二次谐波和频过程实现红外探测。在当时，他们是第一个开展该类尝试的科研团队。自 2016 年起，徐雷开始深入研究非线性纳米光子学。彼时，Mie 共振机制和理论，在纳米光子学领域的发展越来越快，这不仅为各种体系的应用提供了框架，还能为预测光的传播特性带来指导。期间，徐雷积累了不少关于非线性纳米光子学方面的知识。2020 年 9 月，他来到英国诺丁汉特伦特大学，与该校的莫赫森拉赫曼尼（Mohsen Rahmani）教授以及应翠凤讲师，共同组建了先进光学与光子学实验室。“Rahmani 教授偏重于样品加工，他对于材料领域以及相关应用的研究有着很深的功底。应翠凤女士则在纳米光学和生物探测上具有很丰富的经验。我们仨的技能正好互为补充、各有所长。”徐雷表示。在研究材料属性、结构设计、以及 Mie 共振等手段，在实现非线性光场增强和光场的操控之后，他们三位以及博士生郑泽开始考虑如何将非线性光学与解决实际问题相结合，随后不久启动了本次课题。结构材料与参数设计，是摆在面前的第一个问题。要想最终实现应用化，必须从非线性材料的角度，考虑后期器件的集成化。鉴于硅材料本身具有良好的非线性效应，再加上硅的加工工艺相对成熟，于是他们选择硅作为研究材料。原因在于：这样不仅能够考虑到非线性效应，还能充分利用硅的加工工艺，从而加工复杂的结构，进而增强红外光到可见光的转化效率。证明上述方案的可行性之后，他们开始进入实验阶段。由于徐雷自身的研究方向，介于理论与实验之间。因此，他一般会在实验前先进行理论模拟。但是，实验并非一帆风顺，尤其是最初得到的信号与预期不符。徐雷说：“可能大部分人会在这时候觉得比较受挫。但是，这些看似不成功的实验数据，实际上是我最感兴趣的部分，因为它们或许可以指出理论和实验上的待改善之处。”在他看来，如果所有实验结果都和理论预期保持一致，反而并不是最好的。科学史上的很多关键性进步，都是基于一些失败的实验数据启发而来。举例来说，他们在最初设计器件结构时，曾尝试通过高品质因子的结构来实现光局域增强。然而，实验结果显示高品质因子并非最佳选择。这种意外的实验结果，也促使他们进一步完善理论模型、以及改进实验方案，进而也引发了他们对于使用连续光和超快光，在成像以及传感上的思考，并为研发红外成像技术带来了一定启发。（来源：Opto-Electronic Advances）同时，完成本次课题组的过程，也是徐雷培养自己第一个博士生的过程。这名博士生便是前面提到的郑泽。研究中，师生之间形成了互相学习的良好互动。徐雷也有意识地让郑泽更多地参与光路搭建，以培养独立设计实验的能力。“尤其重要的是，我一直注重培养他的科研自信心，鼓励他提出独立的想法，以及相信自己的能力。”徐雷说。搭建非线性测试系统的时候，郑泽是第一次涉足这类系统的搭建。当他第一次看到非线性信号产生，并能亲眼看到绿光的时候，郑泽的兴奋之情感染了整个实验室。徐雷说：“作为导师，看到他如此投入和满足的表情，让我和 Mohsen 教授还有应翠凤女士都感到无比欣慰。”在三位老师以及郑泽的努力之下，本次成果显示了硅基光学超表面在非线性纳米光子学领域的应用前景，这不仅为非线性光学的实际应用提供了新思路，也为后续开展更深入的研究奠定了基础。最终，相关论文以《谐振硅膜超表面的三次谐波产生与成像》（Third-harmonic generation and imaging with resonant Si membrane metasurface）为题发在 Opto-Electronic Advances（IF 14.1）。郑泽是第一作者，英国诺丁汉特伦特大学的徐雷教授和莫赫森拉赫曼尼（Mohsen Rahmani）教授担任共同通讯作者。图 | 相关论文（来源：Opto-Electronic Advances）接下来，他们将在理论方面继续深入发掘，以期增强红外光的转换效率，同时不断压缩红外成像对于光源能量的要求。同时，也将重点考虑器件的集成化和多功能性、探索如何将图像信号处理和光谱信息提取等功能结合起来、以及如何利用超表面实现多功能成像芯片器件，从而更好地走向应用。徐雷继续表示：“另外，我想提到一点的是，每个人的技能不一样，对事物的看法不一样。有时一个纯实验工作者随口的一句话，可能会激发理论工作者的重要灵感。”而一个纯理论的学者，可能也会为实验方案起到画龙点睛的作用。就以数学研究和物理研究为例：物理中有很多不同的现象和机制。但是，一个数学家可能不会去关注不同的现象，而是直接从公式上看到各个现象和机制的关联之处。同时，这些关联往往也是实现物理突破的关键点。“有时候我们以为的非专业人士，反而给出更深刻的见解。因此，和不同知识背景的人合作，对于科研来说非常重要。”徐雷最后表示。

【概述】中国材料与试验团体(Chinese Standards for Testing and Materials) （简称 CSTM）标准委员会在2020年9月25日发布了团体标准T/CSTM 00214-2020《无损检测 超声检测 凸曲面斜入射试块的制作与检验方法》，并于2020年12月25日正式实施。本文是对该标准内容进行解读。【标准制定背景】当前锻造、铸造、制管、焊缝及探头等厂家，在进行曲面检测的角度探头校准时，国内外仪器和生产使用单位均不能确认或出具曲面检测斜探头角度校准证书。为了降低生产成本，在符合工业产品生产适用性的前提下，需要简化方法过程，降低各项操作要求。我们通过发明制作了该曲面试块（或称为：3号校准试块—脚跟试块），保证了其具备可追溯性，也确保了工业生产中曲面检测斜探头使用中角度磨损的准确测量。一直以来，对于检测凸曲面工件的标定，在世界各国尚没有统一的校准试块。国内外超声波探头制造厂家和第三方校准实验室均不能出具曲面斜探头的测试报告，原因是没有合适的校准试块。脚跟试块的发明填补了这一空白，对产业发展起引领作用：（a）适用井口及采油树专用件井口及采油树专用件是指在石油、天然气钻井开采过程中，安装在陆上井口，用于控制气、液（油、水等）流体压力和方向，悬挂套管、油管，并密封油管与套管及各层套管环形空间的井口装置中的零部件，包括采油树阀、悬挂器、套管头、油管头、四通、法兰等。（b）适用深海设备专用件深海设备专用件是指用于制造深海油气设备的零部件，由于深海油气设备的安装操作难度高及使用环境恶劣，相较于陆上井口设备，深海油气设备对专用件的承压、抗腐蚀等各项性能指标和可靠性有着更高的要求，包括深海采油树、管汇、阀体等。（c）适用压裂设备专用件压裂设备专用件是开采页岩油气压裂作业设备的核心部件，包括压裂泵缸体、封井器、井口球阀、投球器、活动弯头、油壬、蜡球管汇、压裂管汇等。（d）适用钻采设备专用件钻采设备专用件是指勘探和开采油气的全套机械设备的零部件，包括防喷器壳体、活塞、顶盖、管汇等。【目的和意义】超声波探伤仪和探头的标定工作，目前主要的标准试块为V1(IIW1)船形试块和V2(IIW2)牛角试块，它们的作用主要为水平线性、垂直线性、动态范围、灵敏度余量、分辩力、盲区、探头的入射点、折射角等，探头的检测面为平面。而脚跟试块与船形试块或牛角试块的作用基本相同，但探头的检测面均为凹曲面。工件面的形状通常为平面和曲面，平面作为检测面的探伤工作，其仪器和探头标定为船形试块和牛角试块；曲面作为检测面的探伤工作，其仪器和探头标定全世界范围内没有检测试块。曲面锻件的超声波周向斜探测缺陷精确定位，在国际上一直没有标准试块调试。如何确定曲面锻件检测的角度、扫描速度及零点，成为无损检测领域重大难题。工件周向斜探测缺陷的检测，国际上采用的探伤方法主要是内外径缺口上获得的第一个反射的峰值之间连接一条线，建立振幅的基准线。但对缺陷的精度定位无法保证，现有的对比试块均无法满足角度、速度及零点标定工作。本标准有利于锻造、铸造、制管、焊缝及仪器、探头等厂家，在进行曲面工件检测的校准工作。本标准是基础通用标准，提供了曲面工件斜探头检测方法中的一种检测工艺验证技术，解决了这一检测工艺验证技术标准空缺的问题。因此，研制曲面斜探头的校准试块，精确标定出探头的入射点、折射角和扫描零点，进而实现准确的定位探伤，已经成为超声波检测亟待解决的重要课题。设计者通过长期探伤工作总结和归纳，设计出用于标定曲面斜探头的脚跟试块，并申报了中国国家发明专利和美国发明专利，均获得授权。【标准介绍】本标准是基础通用标准，在凸曲面工件斜探头检测方法中，提供了一种检测工艺验证技术，解决了这一检测工艺验证技术标准空缺的问题。适用范围：本标准的实施主体为厂家、用户及有关的检测机构等。本标准有利于超声波周向斜探测缺陷精确定位，可有效地判定曲面锻件的缺陷位置，利于后道工序是否加工或判废的制造过程，充分发挥探伤检测方法的潜力与优势。本标准有利于锻造、铸造、制管、焊缝及仪器、探头等厂家，在进行曲面工件检测的入射点、折射角、扫描零点和声速等探头校准工作。本标准发布后，有利于把握产品质量，给全球同行业带来良好的社会效益和一定的经济效益。本标准主要内容：范围；规范性引用文件；术语和定义；尺寸；材料；制备；标记；使用方法；证书；附录A(规范性附录)校准试块的特性和用途。探头的入射点通常采用“棱角反射法”进行标定。脚跟试块主要解决的难题是折射角的测定和扫描零点的确定。之所以将脚跟试块设计为半圆体与长方体的组合形状，是因为当探头沿试块的圆周面做周向运动时，折射声束的传播方向发生变化，当垂直于试块底面或矩形槽面时，声波发生全反射，探头接收的回波最大，由此可根据探头入射点处的角度刻度值得到折射角的大小。一般来说，通过调整仪器检测范围和扫描速度来确定时基线扫描零点的方法是，利用试块上已知声程差的两个反射面的回波来校准时基线刻度值，即可消除探头延迟块声程影响而获得金属中的声程。脚跟试块为轴对称形状，探头可从圆周体两侧以完全相同角度入射并获得全反射回波，但两者的声程不同，在矩形槽一侧为S1＝30＋Rcosβ，在无矩形槽一侧为S2＝60＋Rcosβ，如图所示，两者之间有固定的声程差30 mm，恰好满足确定扫描零点所需的条件。图 跟脚试块的设计及工作原理脚跟试块既要满足曲面斜探头的特殊标定要求，同时还需兼顾测试仪器性能和校验探伤灵敏度等一般用途，因此试块的尺寸设计至关重要。当折射声束垂直试块底面和矩形槽面传播时，探头与反射面之间声程应大于2倍探头近场区长度，可以避免近场区影响而造成的测量结果误差。对于晶片尺寸为13 mm×13 mm的2.5 MHz斜探头，波长λ＝C/f＝（3230×103）/（2.5×106）＝1.29 mm，则近场区长度：由于试块半径R一般大于30 mm，因此选择矩形槽面距水平圆心线30 mm可以满足声程不小于2N的最低要求。将长方体高度设计为60 mm，既使声程大于2N，还使声程差S2－S1＝30 mm足够大。【标准特点】本标准具有先进性，填补了世界同行业空白。船形试块和牛角试块的应用对象均为平面件产品。截至目前，对于检测凸曲面工件的凹曲面斜探头的标定，在世界各国尚没有统一的校准试块。脚跟试块保证了曲面斜探头对检出缺陷的精确定位，提高了凸曲面锻件、铸件和管件等形状产品的周向超声波检测的水平；同时，它还能“一块多用”，用来测试仪器性能（包括相控阵超声仪器）和校验灵敏度。本标准具有创新性，该标准标定了曲面斜探头入射点、折射角和扫描零点的校准试块，称为脚跟试块（或命名为3号试块）。本标准有利于锻造、铸造、制管、焊缝及仪器、探头等厂家，在进行曲面工件检测的角度探头校准工作。之前采用的校准试块为GB/T19799.1（等同ISO 2400）规定的1号船形试块或GB/T19799.2（等同ISO 7963）规定的2号牛角试块，均为平面探头。本标准是基础通用标准，提供了曲面工件斜探头检测方法中的一种检测工艺验证技术，解决了这一检测工艺验证技术标准空缺的问题。中国专利授权号：201410166754.4；美国发明专利授权号：US009810667B2。【标准应用】本标准适用于航空航天、造船、兵器、石油化工、汽车、采矿和核电等领域的曲面锻件缺陷的超声检测。这系例试块除了可以用来标定检测面为曲面探头的入射点、折射角和扫描零点，也可以测量仪器的水平线性、垂直线性、动态范围等性能指标。本标准规定了校准试块的尺寸、材料、制造，以及用它对超声检测设备进行曲面工件检测校准和校验的使用方法。本标准有利于锻造、铸造、制管、焊缝及仪器、探头等厂家，在进行曲面工件检测的角度探头校准工作。脚跟试块不仅能准确测定曲面斜探头的入射点和声束角度等，还为平面斜探头改制为曲面斜探头以及曲面斜探头使用磨损后维修提供了测量手段，扩大了检测范围，实现了更多领域的检测。脚跟试块的问世一定能为钢铁产品质量提升发挥重要作用，并带来良好的社会效益和经济效益。CSTM的建立和发展坚持以市场需求为导向，始终以推进无损检测基本方法建设为导向，以科研成果快速转化为目标，以确保钢铁产业链的高质量发展为己任。T/CSTM 00214-2020《无损检测 超声检测 凸面斜入射试块制造与检验方法》标准的建立，探索了凸曲面产品检测技术创新过程中标准化同步发展的新模式，最大限度地缩短技术创新与产品质量的关系，践行前沿技术研究成果直接转化为先进标准的新理念，加快推动新时代制造业高质量发展。【标准制定单位构成】主要起草单位有：南京迪威尔高端制造股份有限公司，中国特种设备检测研究院，山东瑞祥模具有限公司，钢研纳克检测技术股份有限公司，常州超声电子有限公司，卡麦隆(上海)机械有限公司。

中红外（2.5-25 μm）波段能够覆盖复杂分子的振动和转动能级跃迁，揭示多种分子的基础吸收带和复杂化合物独特的光谱特征。因此，高效分析工具——超灵敏中红外光谱探测，成为智能生化传感、新兴材料研究、环境气体监测、高精度医学层析成像等领域的重要测量手段。近年来，随着非线性频率上转换技术的进步，基于频率上转换的中红外光谱探测技术表现出显著的科研潜力。该技术利用强泵浦光场作用于非线性光学材料，将中红外光子耦合转换至近红外或可见光波段进行探测，从而规避了现有中红外探测器噪声大的不足，成为了一种有效的中红外直接光谱探测的替代方案，有望在中红外光谱探测灵敏度、探测效率、响应速度、成本效益等方面取得重要突破。现有对中红外光谱探测系统的研究成果表明，进一步扩大中红外频率上转换技术的超灵敏、宽频段的优势，可使其更广泛适用医学、生物、国防等领域的应用。然而，基于多种非线性光学材料的宽带中红外频率上转换系统往往需要强泵浦场来提升宽带转换效率，且系统在短波泵浦模式下工作，强泵浦场导致的非线性参量噪声将覆盖中红外波段，使得实现超灵敏的宽带中红外光谱探测极具挑战。为解决上述问题，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室武愕、陈昱、蔡羽洁等研究团队基于非简并光子对的时间-光谱量子关联技术，提出了一种低功耗、强鲁棒性的高灵敏中红外单光子光谱探测方案，实验验证了单光子水平光子通量下的中红外样品光谱测量。相关研究成果发表于Photonics Research 2022年第11期。该文章报道了一种极低光子通量条件下的中红外上转换光谱测量方案。该方案利用结合同步频率上转换技术的非简并关联光子、对时间-光谱量子关联特性实现了单光子水平的中红外上转换光谱探测，降低了强泵浦非线性噪声和环境噪声对中红外光谱测量的影响，大幅度提高单光子水平下的中红外光谱测量灵敏度和鲁棒性。图（a）展示了基于时间-光谱量子关联的宽带中红外单光子上转换光谱探测系统光路图。利用啁啾极化铌酸锂晶体中的非线性过程，自发参量下转换产生非简并宽频带的关联光子对，光子对产生率6.76×106 counts s-1 mW-1。其中，中红外信号光子覆盖3.14-3.80 μm中红外波段，提供了大于660 nm的光谱探测波长窗口。图（a）单光子频率上转换量子光谱系统图；（b）38 μm厚聚苯乙烯薄膜透射光谱实验基于同步脉冲泵浦技术实现了中红外信号光子的非线性频率上转换，验证了中红外上转换光子（0.78-0.81 μm）与共轭的近红外预报光子之间的非经典相关性得以保留，展示了基于时间-光谱量子关联的中红外单光子上转换光谱测量的可行性。利用该系统对38 μm厚的聚苯乙烯样品进行透射光谱的测量，如图（b）所示。入射样品的中红外光子通量低至每脉冲0.09光子。实验表明，中红外单光子上转换光谱与傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）的测量结果吻合，系统的光谱分辨率约为11.4 nm（10.5 cm−1）。相比于传统FTIR光谱探测方案，基于时间-光谱量子关联技术的宽带中红外单光子上转换光谱系统，既能够利用光子对的时间关联、频率关联量子特性降低频率上转换过程中多种噪声的影响，将中红外光谱测量灵敏度推进至单光子水平；又能使单光子探测器和单色仪等元件工作在其最优的工作波段，无需受待测样品特征波长的限制，拓展了系统的应用场景。系统高灵敏、低噪声、强鲁棒性、结构简单的优势，为光敏生化样品的中红外光谱测量提供了新的技术方案。后续将进一步开展更宽中红外带宽、更高灵敏度、更高信噪比的上转换光谱成像研究。

超声波是频率高于20 kHz的机械波，具有频率高、指向性好、能量集中，穿透性强等特点，应用领域广泛。近些年来，超声波传感技术发展迅速，在医疗健康领域（健康监测、疾病诊断）、工业领域（设备无损探伤、厚度测量、超声成像等）、交通运输领域（无人机、船舶等定位、追踪、导航和监控等）和军事应用领域（生化战剂的测量、航空检测等）得到普及应用。超声无损检/监测技术由于具有速度快、效率高、检测成本低等优势，且能够在极端条件下（高温高压、低温低压）实现无源感知、无线传播获取物理量，在军事应用领域显示出巨大潜力。本文在梳理超声无损检/监测技术的基础上，重点介绍几个发达国家在无损检/监测技术的布局及研究进展，结合军事应用前景，对无损检/监测技术的发展趋势进行探讨与展望。1 超声无损检/监测技术发展历程超声无损检测始于20世纪30年代。1935年，前苏联科学家SOKOLOV首次对超声检测材料中缺陷的技术申请了保护。1945年，美国Firestone公司研制出第一台脉冲回波式超声检测设备。20世纪60年代，超声检测设备在灵敏度、分辨力和放大器线性等主要性能上取得了突破性进展。20世纪70年代以后，电磁超声检测试验成功。1975年，美国康奈尔大学MAXFIELD和HULBER研究了应用于金属缺陷检测的电磁超声换能器（EMAT）。20世纪90年代，电磁超声进入实际商业应用。1989年，Innerspec公司发明了第一台电磁超声检测设备，并于1994年成为第一个电磁超声设备产业化厂家。1995年，美国约翰霍普金斯大学OURSLER和WAGNER采用剪切波，研制了窄带脉冲激光复合EMAT，应用于高温条件下的超声检测。2004年，日本福冈工业大学MURAYAMA等报道了可交替发射和接收高灵敏度的兰姆波和SH波、且不受焊接部分影响的EMAT，可对储罐和管道进行检测。2010年，日本东北大学URAYAMA等报道了降低噪声和改进信号处理的EMAT/EC（涡流）双探针，能够在高温环境下实现对管壁变薄的监测。2016年，英国华威大学THRING等使用聚焦EMAT，利用新的提高分辨率的方法，产生了2 MHz的瑞利波，可检测毫米级深度的缺陷。超声检/监测技术是超声领域应用极为广泛的一门技术，在军事领域应用广泛，其不但可以保证质量和保障安全，而且还可以节约能源和资源，降低成本，提高成品率，获得显著经济效益。2 超声无损检/监测技术发展动向传统无损检测技术由于设备笨重、检测速度慢、可检测范围小及自动化程度低，在检测大规模设施中的潜在损伤中（尤其在复杂环境下）可行性差且花费巨大。因此，大规模设施生命周期内多缺陷的智能化检测问题对无损检测技术提出了新挑战，一方面推动无损检测技术向高速、多物理场及多技术融合等方向发展；另一方面，也促进了无损检测技术与结构健康监测技术的相互融合。2.1 无损检测与结构健康监测相融合的无源无线声表面波传感技术声表面波（SAW）传感器具有强大的抗辐照能力、较宽的温度工作范围、无源工作以及固有的固态单片结构等优点，且可结合雷达射频收发技术实现无线信号感知，保证其在恶劣空间环境中的多参数压线检测性能。此外，声表面波器件可大批量、低成本制造，可进行RFID（射频识别）编码，并且体积和重量都很小，可广泛应用于航空航天工业领域高温高压高辐射等环境。2020年，NASA资助美国佩加森公司研究开发了首个应用于无损检测和结构健康监测的大型声表面波无线多传感器阵列系统。该工作还对无线声表面波温度传感器系统的基本元素进行分析与研究，包括测试框架和传感器阵列、构建用于声表面波器件实施的新RFID编码理论、实现声表面波器件模拟和新实施案例，以及后处理技术的系统配置分析。在美国国家航空航天局的一系列计划中（包括小型航天器计划），充气式飞行器和降落伞是太空交通工具安全与经济运行所必需的两种系统，这些复杂的系统结构给设计、分析和测试新系统带来了挑战。新的无源无线传感器（无需更换电池）可精确测量降落伞和充气结构的应变，从而使工程师们能够更好地理解这些复杂系统的行为，开发出能满足任务需求的更精确的模拟工具和设计结构。该传感器不但具备足够的安全裕度，而且不会产生不必要的额外重量和成本。可单独识别的无线传感器被部署在柔性结构的多个位置上，并由集中式读取器读取，从而确保在系统部署期间动态测量应变。2020年，NASA资助充气式航天器和降落伞用无源无线应变传感器研究，该研究中SENSANNA公司开发了新型无源无线声表面波应变传感器对降落伞和充气结构进行实时应变测量。这些设备可以由约几十个到一百个可单独识别的设备组成，协同工作，并由数据聚合器同时读取数据，可以保证不会出现传感器间的干扰。根据传输功率限制和环境的不同，可以在几十米或更大范围内无线读取传感器标签。为了满足海军探测推进剂的颗粒裂纹，并通过密封火箭发动机壳体进行无线传输数据的需求，2018年美国国防部资助美国智能感知系统公司开发一种新的推进剂健康（PHEM）监测系统。该系统将超声换能器作为信号发生器与传感器进行创新集成，采用超低功耗元件和电子设计。这种超声波推进剂监测传感器与数据传输链路的独特集成，使PHEM可检测推进剂的颗粒裂纹，并通过密封火箭发动机外壳的金属壁完成传感器数据传输，其中，压电传感器和致动器、低功耗电子器件和超级电容器拥有超过10年的使用寿命。因此，PHEM系统能够为军用飞机上的推进剂驱动装置提供长期可靠的监控。该项目的第一阶段通过设计和制造实验室规模的原型，展示PHEM系统的可行性，并展示其探测密封金属壳内推进剂颗粒裂纹和传输数据的能力；项目的第二阶段，通过改进和优化PHEM系统，开发全功能的原型，并证明其符合海军要求。SAW传感器系统可测量温度、应变、氢气以及磁场的变化，小尺寸的优点使其可插入各种应用系统。2019~2021年，NASA持续资助美国佩加森公司研究一套完全可操作的4.3 GHz无源传感器系统，该系统满足航天航空无线电子内部通信要求，研究人员重点开发以下关键技术组件：声表面波无源温度和应变传感器件、新的传感器天线和芯片级传感器天线集成、提供自适应射场收发器的软件定义无线电（SDR）、SDR控制软件和提取关键传感器信息的后处理软件。初步的研究结果表明，所有关键技术组件都可在4.3 GHz和200 MHz带宽下构建和实施，这将是SAW传感器及其无线无源系统技术的飞跃。2.2 用于船舶、管道、容器、混凝土等裂痕的现场无损超声检测技术几十年来，为了减轻重量和降低船舶重心，5xxx系列铝合金一直用作海洋船舶的材料。铝合金的敏化过程会造成晶间腐蚀损伤和应力腐蚀裂痕。美国海军希望能够开发一种快速获取材料状态及其敏感性的方法。2018年，美国海军资助美国技术数据分析公司（TDA）开发一种紧凑的传感器套件和监控系统，以检测5xxx系列铝合金的敏化程度，从而解决批次间的差异问题。TDA公司利用监测系统预测铝合金在敏化过程中容易出现的晶间腐蚀损伤和应力腐蚀裂痕，减少相同材料之间的脆弱性差异，满足美国海军对实时快速获取材料的状态及其敏感性的需求。在这项研究中，TDA公司采用一种原始方法，利用两种非破坏性技术（基于涡流的电导率和超声衰减）分离出两个独立的成分，即高角度晶界的微观结构及边界上物质的敏化状态。根据这些参数，使用近期建立的模型来计算引起批次间差异的敏化度。通常使用手持式超声波仪器对钢制容器、储罐、墙壁和管道进行腐蚀无损监测（包括钢壁的厚度测量），但这种方法既费时又费力，急需一种适用于密封通道的快速检测技术。2018年美国空军资助国际电子机械公司研发密闭通道区域的腐蚀无损评估技术。国际电子机械公司提出了一种快速腐蚀检测器（RCI），该检测器使用电磁超声传感器，内置机器视觉摄像系统，可自动分类腐蚀类型，绘制腐蚀位置和壁厚图，同时不需要应用耦合剂，也可快速覆盖大面积壁面，并允许用户单手高速扫描壁面。用于乏燃料存储的焊接不锈钢干式储罐出现应力腐蚀裂纹时，极易造成严重的环境危害。2019年，美国能源部资助INNESPEC技术公司开发用于材料结构健康实时监测的EMAT连续监测系统。该研究设计了首个冷喷雾EMAT磁致伸缩传感器原型，用于现场监测干储罐的腐蚀和裂纹扩展，同时将破坏和人为干预降至最低。该项目第一阶段评估具有不同粉末压力推进剂配置的便携式低压冷喷涂仪器的性能，以及使用手动喷枪在平坦、圆形或具有复杂几何形状的部件上产生均匀贴片的可行性，并测试在所述情况下使用EMAT产生超声波的效果，最终确定手动磁致伸缩贴片是否适合应用于干储罐监测。冷喷涂还允许人们使用导波来检测之前技术无法检测的区域。该项目的成果将大大促进核安全，防止和减少放射性泄漏及其对环境和人类健康的危害。混凝土裂纹及损伤的检测技术也取得重要进展。2021年，欧盟INFRASTAR计划资助波兰NeoStrain Spzoo公司和德国联邦材料研究所，提出一种利用新型嵌入式超声波传感器进行多结构损伤检测的主动技术。2.3 用于极端条件下实现物理量测量的超声传感技术飞行器在飞行过程中往往面临着极端环境条件（高温、高旋、高压等），在恶劣环境下原位实时获取系统及环境参数，对飞行器的设计与防护具有重要意义。2020年美国国防部资助Physical Sciences公司研究了一种超声波传感器，研究利用超声脉冲回波技术的非侵入性和远程询问能力，测量高超音速飞行器外壳板温度。开发的重点在于陶瓷/碳纤维基壳体等最具挑战性的表面材料方面，该方法可扩展到其他所有类型的材料，包括金属和烧蚀材料。该项目所开发的传感器能够处理来自不同深度多个界面的信号。项目第一阶段将演示高超声速、超音速冲压发动机应用相关材料及温度的原理证明，第二阶段将致力于实际高超声速试验台和飞行平台的系统加固和自动化。美国空军和航空航天工业迫切需要能够在涡轮发动机环境中提供实时监控的恶劣环境传感器。2015年美国空军资助美国环境技术公司（Environetix）研发可提供实时监测且可靠的恶劣环境传感器。该项目第一阶段验证了在1000 ℃高温环境中无线声表面波硅酸镧镓（LGS）温度传感器原型的稳定性，第二阶段对无线LGS声表面波传感器技术进行了成熟度TRL 4确认，并在涡轮发动机测试单元中进行了TRL 6验证。在该项目设计的恶劣环境下，无线无源小型传感器能够在1000 ℃以上对涡轮发动机进行监测，可对航空航天工业产生重大影响，其优势有：① 可靠运行数千小时甚至更长时间，并且可在测试单元的热区轻松运行最少4000小时；② 通过在其他传感器技术无法工作的位置无线监测发动机状况来验证发动机的建模和运行状况；③ 小尺寸和无线传感器操作，保证了密封、护罩和其他关键发动机位置的完整性；④ 去除用以提供所需传感信息的电线，节省了大量人力成本（传感器安装在涡轮机），减轻了重量，同时提高性能和可靠性；⑤ 通过更可靠的温度监测，降低发动机运行（或飞行）成本的同时，提高燃油效率和增加功率。除此之外，无线SAW传感器技术也有许多商业应用，如在发电、石油/天然气勘探、制造过程控制和其他高温恶劣环境中的应用。辐射条件下的超声传感技术研发也受到关注。在核工业中，受限的接触和高厚度部件通常限制了无损检测技术的应用。商用超声检测传感器的辐射耐受性局限在1~2 mGy的累积剂量，难以满足应用需求。英国创新署部署了由英国创新技术和科学有限公司承担的“耐辐射超声波传感器”研究。该公司主要致力于探索新型辐射弹性探测器的构建和测试，为核工业提供一个可靠的超声检测解决方案，以延长检测和监测时间。该研究成果有两种应用场景：① 在裂变核反应堆附近进行高辐射检测；② 在核废料处理场进行低辐射检测。在核工业中，超声波换能器在放射性环境下响应减弱，难以正常工作。针对该情况，英国精密声学有限公司开展耐辐射超声传感器的开发，建造和测试新型抗辐射超声换能器以及各种探头的装配技术，为核工业提供一种可靠的超声换能器解决方案。该项目开发了一系列原型超声探头，以满足特定的在役检测需求。日本NEDO先导研究项目——具有流量监控功能的实时超声波多相流量计研制（2019~2020年，北海道大学承担）共分为3个子课题，分别是：结合超声信号和多相流体动力学定律的数据同化流量计的研制；使用超声多普勒测量多相流体的脉动特性；使用超声脉冲回波扫描测量流体界面。JSPS的国际联合研究基金项目——联合开发在线超声多普勒测定技术（2018~2021年，北海道大学、瑞士联邦技术学院承担），重点开展3个主题研究，主题1是流速分布测量技术和流变控制方程的数据同化，主题2是通过超声波和光可视化调节空间分布的流变学，主题3是假定使用机器学习的流变大开发数据构建系统。2018年该项目已经开发了一种根据超声波多普勒流速分布仪获得的流速分布来测量不透明流体压力分布的方法。2019年，项目开发出一种通过水、油和气三相流中的超声波脉冲来测量相分布和流量的技术。日本防卫厅资助了MUT（超声换能器）声学超材料的声阻抗研究（2018年，日立制作所），该项目基于声阻抗匹配的物理模型，研发利用MEMS（微机电系统）技术实现主动控制声学特性的声学超材料。2.4 用于爆炸物和弹药的无损超声实时检测技术含能材料方面取得的最新成果为开发了铅的替代品，替代弹药配方中传统的苯甲酸铅和叠氮铅。然而，这些无铅高能材料可能对传统的弹药筒黄铜和其他弹药部件具有意想不到的腐蚀性。因此，在未来的部署中，从弹药生命周期（即从生产时间到使用时间）的角度，对弹药部件进行实地测试对于确保武器系统的有效性至关重要。2020年，美国陆军资助林泰克公司与美国西南研究院传感器系统和无损检测技术部合作研究了一种基于涡流和超声波检测的手持式设备，用于对小型武器弹药部件进行现场快速无损腐蚀检测。该研究分为3个阶段，第一阶段是在实验室条件下确定对现代爆炸物和弹药外壳进行无损检测的有效性和方法；第二阶段根据第一阶段确定的方法，开发手持式测试单元原型，并根据适当的军事标准、规格要求进行认证，并进行实地测试；第三阶段预期将用于现代爆炸物和弹药壳的无损检测，并推广到民用领域。军事应用包括小型武器部件（5.56，7.62 mm口径）、爆炸性弹药（M42、M55和M61启动器）、中等口径（20，25，30，40 mm）和潜在大口径（60，81，105，120 mm）弹药。3 结语与展望超声无损检/监测技术在军事领域应用前景广阔，在航天器、飞机、船舶和运输管道等的无损检测、恶劣环境感知、数据融合支持决策等领域发挥重要作用。超声传感技术可进行非破坏性的结构健康监测，能够快速准确检测裂纹、泄漏、腐蚀等缺陷，防止和减少放射性泄漏，促进核安全。超声传感不依赖于照明条件，能够抵抗雾的干扰，在高温高压等恶劣环境下进行实时快速感知，可应用于航空航天以及海上作业等领域。未来超声无损检/监测技术的发展趋势如下：用于无损检测与结构健康监测相融合的无源无线声表面波传感技术成为新的发展方向。传统无损检测技术由于设备笨重、检测速度慢、可检测范围小及自动化程度低等问题，在检测大规模设施中的潜在损伤，特别是在复杂环境下的损伤时，可行性差且花费巨大。大型设施生命周期内多缺陷的智能化检测需要无损检测与结构健康监测相融合的无源无线声表面波传感技术。极端条件下实现物理量的测量仍是未来超声传感技术的发展重点。飞行器在飞行过程中往往伴随着高温、高旋、高压等恶劣环境，因此，恶劣环境下温度、压力等参数的原位实时获取，仍然是超声传感技术在无损检测领域的发展重点。超声传感器向着集成化、微型化、多功能化的方向发展。为满足各种机载、车载、航载的需求，传感器的应用需与机械或电子系统集成使用，推动声表面波传感器系统向着集成化、微型化、多功能化方向发展，因而各种新型材料以及先进制造技术的进步将给超声传感器的发展带来巨大推动力，超声传感器本身无源无线传输的特性，亦将在集成化微型化多功能化方面发挥重要作用。作者：朱相丽1,2，张敬1,2，刘庚冉3，王文4，刘小平1,2工作单位：1.中国科学院 文献情报中心；2.中国科学院大学 经济与管理学院；3.军事科学院 战略评估咨询中心；4.中科院声学研究所第一作者简介：朱相丽，博士，副研究员，主要从事学科战略情报研究、学科态势评估研究和日本科技政策研究工作。