消色差正胶合透镜

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。

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。

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

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。”

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

日常生活中人们通过颜色与明暗差异来识别物体，感知空间维度上的物质信息。与人类的眼睛只能感知可见光不同，一些生物能够接收到人类看不到的图像信息，例如虾姑能够感知紫外与红外波段而乌贼可以通过独特的眼睛构造识别偏振信息。　　从描述光子本征属性的维度出发，光子除了具有强度维度外，还具有波长、偏振、拓扑荷等多种维度属性，其中一组正交的物理量可以作为无串扰的图像信息通道从而携带不同的外部信息。如虾姑与乌贼，其独特的图像感知能力使其能够看到人眼所看不到的信息，帮助其更好地完成捕猎、躲避危险、与同伴交流等活动，从而获得生存优势。　　人类利用光学器件同样能够获得更卓越的“人工视觉”。如常用于地球遥感的红外偏振相机，通过波长与偏振的调制能够筛选识别出复杂环境下的具有红外与偏振特征的目标物。然而现阶段传统器件依然存在的问题是，为了实现多维度的感知功能，往往需要多种光学元件进行级联组合，导致器件体积、重量庞大，同时也引起了能量的损失与图像信息的误差累计。因此，可以说虽然人们制造的“人工视觉”光子器件已经实现了远超自然界的绝对性能，但在体积与集成性方面，相对于虾姑与乌贼精巧的视觉器官，传统器件依然没有超越自然界数十亿年的进化。　　中国科学院上海技术物理研究所李冠海、陈效双、陆卫课题组与澳大利亚新南威尔士大学Andrey Miroshnichenko教授合作利用超构单元像素级的光场多维度调控能力，基于与传统硅基半导体工艺兼容的全硅双折射超表面体系在中波红外范围实现了色散调控模式下的波片式偏振解耦宽带中红外成像光子器件，能够实现比昆虫复眼更小尺寸下的光场调控与成像。　　经过设计的光子成像器件由于像素级单元在波长-偏振维度的双重衍射效果设计，能够将正交偏振通道上的不同图像汇聚到不同的深度上，从而为后续级联的光处理器件与电处理器件提供了直接的物理接口。同时，研究团队也实现了消色差与消偏振的微型中红外光子成像器件，实现了集成的宽谱消偏振成像。值得注意的是，其不仅能够在工作波段内同时采集两个正交通道上的图像信息，同时其单元的结构排布角度，能够消除大入射角下的偏振效应，从而提升图像的准确度。　　研究者相信，该研究成果将会为研究相对比较匮乏、难度较大但具有广泛应用前景的中波红外光电探测领域提供新的契机，该研究成果有望在自由空间量子通信、三维激光雷达、航空遥感等领域得到应用。　　该研究得到了科技部重点研发计划量子调控和量子信息专项、纳米专项、国家自然科学基金委、上海市科委启明星项目、中国科学院青年创新促进会等项目的支持。图1 (a)不同正交偏振通道的消色差超透镜示意图；(b)用于不同偏振态调控的单元数据图；(c)超表面单元在不同波长及偏振下的等效折射率、透过率与相位分布示意图；

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

近年来，作为一种可调控波相位、极化方式、传播模式的超薄声学人工表面结构，声学超构表面(Acoustic metasurfaces)可以实现许多新奇的波控功能，在吸声降噪、医学超声、声波器件、探测、通信等领域展现了广阔的应用前景。然而，绝大多数声学超构表面都面临突出的窄带和功能色散问题，且主动调控的手段也存在功能色散、低可靠性、高系统复杂度和高制造成本等诸多挑战。更重要的是，可重构超构表面虽可保证离散频率下波动功能，但不太可能适用于含多个频率的宽带入射波包。因此，从工程应用的角度来看，声学超构表面亟需实现被动式超宽带、非频变特性，也需更多新的结构形式与调控机理。近期，北京理工大学方岱宁院士和董浩文副教授、香港理工大学成利院士、天津大学汪越胜教授、美国罗文大学沈宸助理教授、青岛大学赵胜东副教授密切合作，并联合德国锡根大学张传增院士、美国杜克大学Steven A. Cummer教授、中科院深圳先进技术研究院郑海荣教授和邱维宝研究员等国内外学者，在超构材料领域取得重要进展。该团队提出了定制化色散的逆向设计方法，利用面投影微立体光刻技术(nanoArch S140，摩方精密)实现了声学超构表面的高精度3D打印，成功构造了消色差声学超构表面，实现了高效、相对带宽为93.3%的声波定向传输、相对带宽为120%的能量聚焦、相对带宽为118.9%的超声粒子悬浮等超宽带声学波束工程，并揭示了超宽带消色差特性的力学机理，为超宽带、高效、多功能超构材料器件提供了新的设计范式，可为先进结构技术与完美波动调控的结合提供系统的理论与方法。该研究以“Achromatic metasurfaces by dispersion customization for ultra-broadband acoustic beam engineering”为题发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR, https://doi.org/10.1093/nsr/nwac030, 2022)。为获得超构表面的定制化色散特性，该研究提出了系统的超宽带消色差 “至下而上”逆向设计框架（图1）。为实现声波异常折射、聚焦和超声悬浮功能，超构表面需分别产生具备线性非色散、非线性非色散、非线性色散特性的三类波束，即：定向传输波束、聚焦束和局域空心束（图1b）。事实上，为实现特定的色散、严苛的相位分布与传输效率，所有超构表面单元必须同时满足特定的等效折射率、相对群延迟以及相对群延迟色散。因此，本研究建立了超构表面单元的“相位-效率-色散”的拓扑优化模型，利用遗传算法完成了超宽带、消色差、高效声学超构表面的逆向设计。图1：超宽带消色差超构表面的逆向设计方法 为证实逆向设计方法的正确性与有效性，本研究首先针对声波异常折射功能，设计出具有非对称局部腔体、弯曲空气通道的超构表面单元（图2a）。在低频宽带范围内(1600-4400 Hz)，优化单元具备恒定的等效折射率与高传输率（图2b, 2c）以及线性非色散特性。值得注意的是，这种拓扑特征与传统的Helmholtz共振腔和迷宫结构非常不同。这种区别意味着超宽带非色散特性无法由单一构型所决定，而需要多种拓扑特征的组合来实现。仿真和实验结果也进一步验证了具有恒定折射角的高效、异常透射功能（图2d，2e）。图2：逆向设计的声学超构表面与其超宽带高效异常波束折射 本研究进一步设计出更复杂的非对称超构表面单元（图3a），其具备超宽带恒定的等效折射率（图3b），且折射率增加的程度逐渐降低；大部分超构表面单元均可保持高于80%的传输效率（图3c）。有趣的是，#4、#5、#6和#7单元具有非常相似的拓扑特征，但#3、#2单元却呈现完全不同的特征，这意味着单一的拓扑构型无法实现超宽带非色散功能。结果表明，优化的超构表面可实现具有恒定焦距、高效、声波聚焦功能（图3d，3e），证实了其超宽带[1000 Hz, 4000 Hz]、消色差特性。图3：逆向设计的声学超构表面与其超宽带高效聚焦 为更进一步展示所发展优化模型与方法的优势，本研究还针对宽低频、高度复杂的色散特性，设计出一系列具有非色散、非线性色散特性的高效超构表面单元（图4a）。通过特定的单元集成方式，构建了含13×13个微米尺度单元(4.2 mm×4.2 mm×1.2 cm,S140，摩方精密，10 μm打印精度)、轻质、超薄的3D声波超表面(5.46 cm×5.46 cm×1.2 cm)。结果表明，超构表面可在[16.5 kHz, 66 kHz]内产生具有恒定悬浮位置的局域空心束（图4e），从而实现了单边、稳定、超宽带的超声悬浮现象（图4f），显著优于目前已知的超声悬浮技术。此外，超构表面的波动功能对热粘滞损耗也具有很强的鲁棒性。图4：逆向设计的声学超构表面与超宽带、单边、稳定的超声粒子悬浮 为揭示超宽带消色差特性的机理，本研究详细地考察了具有线性非色散、线性非色散、非线性色散特性的3个代表性超构表面单元，分析了其相位响应（图5a-5c）、等效阻抗矩阵（图5d-5f）和散射性质（图5g-5i）。结果显示，优化的非对称单元均存在明显的内部共振(internal resonance)，从而有效地补偿了由单个结构块体色散而产生的复杂相移。此外，3种单元也存在一定程度的双各向异性(bi-anisotropy)。更有趣的是，这种优化的超构表面单元还存在显著的多散射效应，可被视为一种新的超构表面设计自由度。 图5：超宽带消色差特性的协同作用机理 针对声波超宽带声束工程，本研究发展了融合相位、幅值、色散、功能的声学超构表面通用逆向设计框架，设计出一系列新型非对称超表面，实现了超宽带、消色差声波负折射、聚焦和超声悬浮三类功能，揭示了超宽带消色差特性的协同作用机理，即：集成的内部共振、双各向异性以及多散射效应。研究可为超宽带、被动式、多功能超构材料的构造提供系统性逆向设计方法，可为2D/3D弹性波/声波超构材料的大规模、集成设计提供重要的理论指导与结构基础。近年来，本团队已提出了多种弹性波/声波超构材料的逆向设计模型，揭示了宽带力学机理，实现了一系列高性能弹性波、声波、水声功能及器件，为超构材料宽低频响应的系统性创新设计提供了解决方案。作者：董浩文

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。

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

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 style=" text-align: justify text-indent: 2em " a href=" https://www.instrument.com.cn/news/20191126/517778.shtml" target=" _self" style=" text-decoration: underline " span style=" font-size: 19px font-family: 宋体 color: rgb(0, 0, 0) " 扫描电镜放大倍数和分辨率背后的陷阱——安徽大学林中清32载经验谈（2） /span /a /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-size:19px font-family: 宋体" /span /p

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

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。

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。

2023年，成像技术研究成果丰硕，无论是关键器件，还是相关的新技术、新仪器研制都取得了许多令人振奋的研究成果。徐涛/纪伟团队在多色超分辨显微成像技术领域取得新突破 2023年1月，中国科学院生物物理研究所徐涛院士团队与纪伟研究员团队提出了一种基于激发谱拆分的多色超分辨成像技术（ExR-STORM）。该技术通过激发效率差异来识别不同的远红荧光探针，实现了四色单分子定位超分辨成像。ExR-STORM提供了一种单分子识别新方法，并进一步提高了单分子光谱拆分能力。成像结果表明该技术具有光谱拆分能力强、色差导致的定位误差小等优点，在细胞器互作、生物大分子共定位分析等生物研究领域具有广泛应用前景。程和平/王爱民团队开发深脑成像利器：微型化三光子显微镜2023年2月，北京大学程和平、王爱民研究团队在《自然-方法》杂志在线发表了一项最新研究成果：一款重量仅为2.17克的微型化三光子显微镜能直接透过大脑皮层和胼胝体，首次实现对自由行为中小鼠的大脑全皮层和海马神经元功能成像，一举突破了此前微型化多光子显微镜的成像深度极限。从2.2克微型双光子显微镜，到空间站双光子显微镜，再到2.17克微型化三光子显微镜，程和平院士带领团队不断刷新“世界首次”的纪录。我国高端磁兼容脑PET功能成像仪器实现零突破2023年2月，中国科学院深圳先进技术研究院成功研发国内首台高清晰磁共振兼容人脑PET功能成像仪器（命名为“SIAT bPET”），实现了我国在高端磁兼容脑PET成像仪器研发方面零的突破。与国外同类商业仪器相比，SIAT bPET的效率提高近2倍，平均体分辨率提高30倍以上。同时，仪器采用了创新的电子学和磁兼容设计，使得磁共振成像对PET成像的影响几乎可以忽略不计，PET成像对磁共振成像图像信噪比的影响小于5%，满足同时开展PET/MRI成像的尖端科研需求。香港城市大学成功研制高时空分辨率电子显微镜2023年4月20日，由香港城市大学深圳福田研究院院长陈福荣教授团队研制的“高时空分辨率电子显微镜”正式发布。该成果是我国首台自有知识产权的高时空分辨率电子显微镜，也是世界上第一台同时具备低电压、场发射、扫描透射一体化模式的紧凑型电子显微镜。系统包括脉冲电子源、超快相机、分段抽气真空系统及像差校正器，团队拥有相关的知识产权并可自由设计系统，特定电子显微镜的售价有望降到目前市场同类产品六成。戴琼海院士团队开发新型双光子合成孔径显微成像术2023年5月，清华大学戴琼海院士团队在Cell期刊发表最新研究论文，首次提出了基于空间约束的多角度衍射编码，实现非相干光孔径合成；建立了双光子合成孔径显微术（2pSAM），可以实现深层组织毫秒级的亚细胞三维成像，显著降低光毒性(相当于比TPM慢1000倍以上)。2pSAM能够在哺乳动物深层散射组织中非侵入式观测大范围亚细胞级动态变化，将毫秒级三维连续观测时长从数分钟提高到数十小时，为系统性地研究大规模细胞在不同生理与病理状态下的交互作用打开了大门。西安光机所太赫兹消色差超透镜研究取得进展2023年5月，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在太赫兹频段可变焦消色差超透镜领域取得新进展。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。该成果为设计多功能消色差超透镜提供了新思路，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。生物物理所开发冷冻结构光照明与电镜关联成像新技术2023年5月，中国科学院生物物理研究所研究团队在前期研发的冷冻光电关联成像高真空光学冷台HOPE基础上，通过引入结构光照明成像技术，成功研制了冷冻结构光照明成像系统HOPE-SIM，实现了横向优于200纳米的光学分辨率，以及优于150纳米的光镜-聚焦离子束三维关联对齐精度。HOPE-SIM通过冷冻样品杆直接衔接三束共焦光电关联成像系统ELI-TriScope，在实现高分辨三维冷冻荧光成像的同时，可以完成后续原位荧光实时监控聚焦离子束减薄全技术流程，在原位结构生物学中有巨大应用潜力。7T超高场无液氦磁共振成像系统关键技术通过鉴定2023年8月，由中国科学院电工研究所、北京大学、北京斯派克科技发展有限公司联合完成的“7T超高场无液氦磁共振成像系统关键技术”通过成果鉴定，鉴定委员会一致认为，该技术成果整体处于国际领先水平。成果面向无液氦超高场磁共振成像重大需求，开展了超导磁体传导冷却、超导匀场线圈精准调控、梯度线圈工程优化和超高场射频线圈设计优化等一系列关键技术研究，成功研制出7T超高场无液氦磁共振成像系统，并在生物体成像检测中得到应用。新方法成功将超透镜成像分辨率提高一个量级2023年8月，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展开合作，分别从微波频段和光频段进行实验设计合成复频波的超透镜，成功将超透镜成像分辨率提高约一个量级，有望对光学成像领域产生巨大影响。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途径。相关研究成果已在线发表于国际著名期刊《自然》。新一代无液氦亚3K低温扫描探针显微镜研制获进展2023年9月，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心郇庆研究员团队与高鸿钧院士团队合作，研制了一套技术就绪度为TRL8级的无液氦亚3K低温SPM系统。该系统将低频大幅震动的制冷机安装在远端的独立制冷腔体，颠覆了现有无液氦SPM近端安装制冷机的方式。经过测试验证，该设备在非接触原子力显微镜原子级分辨成像、扫描隧道谱以及非弹性电子隧道谱的性能方面，达到了与传统液氦杜瓦的湿式SPM系统相媲美的水平。西工大研发平面超分辨多色立体显微成像新成果2023年9月，西北工业大学与香港城市大学合作在平面超分辨多色立体显微成像研究中取得重要进展，相关研究成果已发表在国际著名期刊Nature Communications上。该研究以平面超振荡透镜为研究对象，提出多焦点拼接延长焦深及多波长复消色差可控优化设计方法，首次展示了荧光标记神经元细胞的多色荧光三维成像，获得了高数值孔径透镜下的大视场、消色差、长焦深远场超分辨聚焦，有望为国产化高端显微成像系统提供底层硬件解决方案，推动我国高端显微成像系统自主研发进程。国防科技大学实现反射层析激光雷达三维超分辨成像2023年11月，国防科技大学胡以华教授团队创新性提出了反射层析激光雷达三维成像技术架构，建立了激光探测的多角度多视场交叠取样、窄脉冲激光回波的高速高保真采集及图像重构融合处理方法，研制出反射层析激光雷达三维成像实验系统。本成果取得了超过同口径光学成像衍射极限的远距离小目标超分辨成像能力，其成像分辨率居激光成像领域国内外最优水平，特别是通过独创的技术手段和处理算法首次得到立体目标结构的十千米距离厘米级超分辨三维成像结果。

首先介绍一下医用光学显微镜，它在很多的校园里用于教学科学研究，它的结构非常的匀称，显微镜的即体非常的稳定和刚性，整体上下是一体化结构，在电压方面，可以自我适应110伏特-220伏特的电压，无限远无应力物镜，提供像质更好，它能够提供给使用者非常清晰非常美观的微观世界。而且它的偏光载物台是专业的金属设置，转动、操作舒适，可以任意旋转，使用是非常方便的。　　显微镜的光学系统主要包括物镜、目镜、反光镜和聚光器四个部件。广义的说也包括照明光源、滤光器、盖玻片和载玻片等。　　（一）、物镜　　物镜是决定显微镜性能的zui重要部件，安装在物镜转换器上，接近被观察的物体，故叫做物镜或接物镜。　　1、物镜的分类　　物镜根据使用条件的不同可分为干燥物镜和浸液物镜；其中浸液物镜又可分为水浸物镜和油浸物镜（常用放大倍数为90—100倍）。　　根据放大倍数的不同可分为 低倍物镜（10倍以下）、中倍物镜（20倍左右）高倍物镜（40—65倍）。　　根据像差矫正情况，分为消色差物镜（常用，能矫正光谱中两种色光的色差的物镜）和复色差物镜（能矫正光谱中三种色光的色差的物镜，价格贵，使用少）。（所谓象差是指所成的像与原物在形状上的差别；色差是指所成的像与原物在颜色上的差别）　　（消除色差（当不同波长的光线通过透镜的时候，它们折射的方向略有不同，这导致了成像质量的下降）　　2、物镜的主要参数：　　物镜主要参数包括：放大倍数、数值孔径和工作距离。　　①、放大倍数是指眼睛看到像的大小与对应标本大小的比值。它指的是长度的比值而不是面积的比值。例：放大倍数为100×，指的是长度是1μm的标本，放大后像的长度是100μm，要是以面积计算，则放大了10,000倍。　　显微镜的总放大倍数等于物镜和目镜放大倍数的乘积。　　②、数值孔径也叫镜口率，简写N• A 或A，是物镜和聚光器的主要参数，与显微镜的分辨力成正比。干燥物镜的数值孔径为0.05-0.95，油浸物镜（香柏油）的数值孔径为1.25。　　③、工作距离是指当所观察的标本zui清楚时物镜的前端透镜下面到标本的盖玻片上面的距离。物镜的工作距离与物镜的焦距有关，物镜的焦距越长，放大倍数越低，其工作距离越长。例：10倍物镜上标有10/0.25和160/0.17，其中10为物镜的放大倍数；0.25为数值孔径；160为镜筒长度（单位mm）；0.17为盖玻片的标准厚度（单位 mm）。10倍物镜有效工作距离为6.5mm，40倍物镜有效工作距离为0.48mm 。　　3、物镜的作用是将标本作*次放大，它是决定显微镜性能的zui重要的部件——分辨力的高低。　　分辨力也叫分辨率或分辨本领。分辨力的大小是用分辨距离（所能分辨开的两个物点间的zui小距离）的数值来表示的。在明视距离（25cm）之处，正常人眼所能看清相距0.073mm的两个物点，这个0.073mm的数值，即为正常人眼的分辨距离。显微镜的分辨距离越小，即表示它的分辨力越高，也就是表示它的性能越好。　　显微镜的分辨力的大小由物镜的分辨力来决定的，而物镜的分辨力又是由它的数值孔径和照明光线的波长决定的。　　那么医用光学显微镜到底在哪些领域有所应用呢？适合电子、地质、矿产、冶金、化工和仪器仪表等行业，在这些行业领域中，用于观察透明、半透明或不透明的物资,例如金属陶瓷、集成块、印刷电路板、液晶板、薄膜、纤维、镀涂层以及其它非鑫属材料，除此之外，也适合医药、农林、*、学校、科研部门作观察分析用。透反射式矿相显微镜不仅能实时观察动态图像，还能将所需要的图片进行编辑、保存和打印。透反射式矿相显微镜广泛应用于生物学、细胞学、组织学、药物化学等研究工作。如果医用光学显微镜物象不在视野中心，可移动玻片，将所要观察的部位调到视野范围内。（注意移动玻片的方向与视野物象移动的方向是相反的）。如果视野内的亮度不合适，可通过调整光圈的大小来调节，如果在调节焦距时，镜台下降已超过工作距离（5.40mm）而未见到物象，说明此次操作失败，则应重新操作，切不可心急而盲目地上升镜台。

微透镜阵列是由微米级或亚毫米级透镜按一定规律排列而成的阵列，被广泛应用于光学和光子学领域，包括立体显示、光均匀化、光束整形和三维成像等。与单个透镜相比，微透镜阵列可以收集每一点上的信息，如入射光线的强度和角度。在集成成像系统中，微透镜阵列上的透镜从不同的观察角度在不同的空间位置捕捉一组子图像，而这些图像可以被重建在一起以提供一个伪视觉。此外，在光场成像系统中，位于物镜和图像传感器之间的微透镜阵列能够在单次摄影曝光下收集空间和方向信息，无需聚焦于3D物体。大多数的微透镜阵列中，所有透镜的焦距都是相同的，这导致景深狭窄、深度感知能力有限。因此，这些微透镜阵列不能直接获取距离不同的物体的清晰图像。近日，上海理工大学张大伟教授课题组提出了一种多焦距微透镜阵列的制作方法。该微透镜阵列制造过程具体如下：首先，利用摩方精密面投影微立体光刻3D打印技术（nanoArch P140，BMF Precision，Shenzhen, China）制备出孔壁呈不同倾斜角度的微孔阵列，再采用旋涂的方法使微孔中残留部分光敏树脂并得到不同曲率的液面，最后经过PDMS翻模即可得到多焦距微透镜阵列。该多焦距透镜阵列能够扩展成像景深，具有感知物体深度的能力。该成果以“Fabrication of uniform-aperture multi-focus microlens array by curving microfluid in the microholes with inclined walls”为题发表在光学期刊Optics Express上。图一 多焦距微透镜阵列制作原理图图二 (a) 多焦距微透镜阵列设计，(b) 3D打印的微孔阵列，(c) 复刻的多焦距微透镜阵列，(d) 多焦距微透镜阵列局部显微图。图三 利用多焦距微透镜阵列拍摄不同物距情况下的物体，物距为(a) 14.3mm，(b) 28.5mm，(c) 45.5mm时拍摄的图像。当物距为14.3mm时，中心区域的透镜可呈现清晰图像；当物体移离微透镜阵列时，外圈的透镜可以呈现清晰的图像。文章链接：https://doi.org/10.1364/OE.425333官网：https://www.bmftec.cn/links/10

微透镜阵列是由微米级或亚毫米级透镜按一定规律排列而成的阵列，被广泛应用于光学和光子学领域，包括立体显示、光均匀化、光束整形和三维成像等。与单个透镜相比，微透镜阵列可以收集每一点上的信息，如入射光线的强度和角度。在集成成像系统中，微透镜阵列上的透镜从不同的观察角度在不同的空间位置捕捉一组子图像，而这些图像可以被重建在一起以提供一个伪视觉。此外，在光场成像系统中，位于物镜和图像传感器之间的微透镜阵列能够在单次摄影曝光下收集空间和方向信息，无需聚焦于3D物体。大多数的微透镜阵列中，所有透镜的焦距都是相同的，这导致景深狭窄、深度感知能力有限。因此，这些微透镜阵列不能直接获取距离不同的物体的清晰图像。近日，上海理工大学张大伟教授课题组提出了一种多焦距微透镜阵列的制作方法。该微透镜阵列制造过程具体如下：首先，利用摩方精密面投影微立体光刻3D打印技术（nanoArch P140，BMF Precision，Shenzhen, China）制备出孔壁呈不同倾斜角度的微孔阵列，再采用旋涂的方法使微孔中残留部分光敏树脂并得到不同曲率的液面，最后经过PDMS翻模即可得到多焦距微透镜阵列。该多焦距透镜阵列能够扩展成像景深，具有感知物体深度的能力。该成果以“Fabrication of uniform-aperture multi-focus microlens array by curving microfluid in the microholes with inclined walls”为题发表在光学期刊Optics Express上。图一 多焦距微透镜阵列制作原理图图二 (a) 多焦距微透镜阵列设计，(b) 3D打印的微孔阵列，(c) 复刻的多焦距微透镜阵列，(d) 多焦距微透镜阵列局部显微图。图三 利用多焦距微透镜阵列拍摄不同物距情况下的物体，物距为(a) 14.3mm，(b) 28.5mm，(c) 45.5mm时拍摄的图像。当物距为14.3mm时，中心区域的透镜可呈现清晰图像；当物体移离微透镜阵列时，外圈的透镜可以呈现清晰的图像。文章链接：https://doi.org/10.1364/OE.425333官网：https://www.bmftec.cn/links/10

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。

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。

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。

2021年，《高分子学报》邀请了国内擅长各种现代表征方法的一流高分子学者领衔撰写从基本原理出发的高分子现代表征方法综述并上线了虚拟专辑。仪器信息网在获《高分子学报》副主编胡文兵老师授权后，也将上线同名专题并转载专题文章，帮助广大研究生和年轻学者了解、学习并提升高分子表征技术。在此，向胡文兵老师和组织及参与撰写的各位专家学者表示感谢。更多专题内容详见：高分子表征技术专题 高分子表征技术专题前言孔子曰：“工欲善其事，必先利其器”。 我们要做好高分子的科学研究工作，掌握基本的表征方法必不可少。每一位学者在自己的学术成长历程中，都或多或少地有幸获得过学术界前辈在实验表征方法方面的宝贵指导！随着科学技术的高速发展，传统的高分子实验表征方法及其应用也取得了长足的进步。目前，中国的高分子学术论文数已经位居世界领先地位，但国内关于高分子现代表征方法方面的系统知识介绍较为缺乏。为此，《高分子学报》主编张希教授委托副主编王笃金研究员和胡文兵教授，组织系列从基本原理出发的高分子现代表征方法综述，邀请国内擅长各种现代表征方法的一流高分子学者领衔撰写。每篇综述涵盖基本原理、实验技巧和典型应用三个方面，旨在给广大研究生和年轻学者提供做好高分子表征工作所必须掌握的基础知识训练。我们的邀请获得了本领域专家学者的热情反馈和大力支持，借此机会特表感谢！从2021年第3期开始，以上文章将陆续在《高分子学报》发表，并在网站上发布虚拟专辑，以方便大家浏览阅读. 期待这一系列的现代表征方法综述能成为高分子科学知识大厦的奠基石，支撑年轻高分子学者的茁壮成长！也期待未来有更多的学术界同行一起加入到这一工作中来.高分子表征技术的发展推动了我国高分子学科的持续进步，为提升我国高分子研究的国际地位作出了贡献. 借此虚拟专辑出版之际，让我们表达对高分子物理和表征学界的老一辈科学家的崇高敬意！透射电子显微镜在聚合物不同层次结构研究中的应用Applications of Transmission Electron Microscopy in Study of Multiscale Structures of Polymers作者：王绍娟，辛瑞，扈健，张昊，闫寿科 作者机构：青岛科技大学 橡塑材料与工程省部共建教育部重点实验室,青岛,266042 北京化工大学材料科学与工程学院 化工资源有效利用国家重点实验室,北京,100029作者简介：辛瑞，女，1990年生. 青岛科技大学高分子科学与工程学院副教授，2018年在北京化工大学获得博士学位，2014~2018年在中国科学院化学研究所进行联合培养，2018~2020年在青岛科技大学从事博士后研究并留校任教. 获“国家青年科学基金”资助. 主要研究方向是多晶型聚合物的晶型调控与相转变研究.摘要聚合物材料的性能与功能取决于各级结构，其中化学结构决定材料的基本功能与性能，而不同层次聚集态结构能够改变材料的性能和赋予材料特殊功能，如高取向超高分子量聚乙烯的模量比相应非取向样品提高3个数量级，聚偏氟乙烯的β和γ结晶结构则能赋予其压电、铁电等特殊功能. 因此，明确聚合物不同层次聚集态结构的形成机制、实现各层次结构的精准调控和建立结构-性能关联具有非常重要的意义，致使对聚合物各级结构及其构效关系的研究成为高分子物理学的一个重要领域. 本文将着重介绍透射电子显微镜在聚合物不同层次结构研究中的应用，内容包括仪器的工作原理、样品的制备方法、获得高质量实验数据的仪器操作技巧、实验结果的正确分析以及能够提供的相应结构信息.AbstractThe performance and functionality of polymeric materials depend strongly on the multiscale structures. While the chemical structure of a polymer determines its basic property and functionality, the structures at different scales in solid state can change the performance and even enable the polymer special functions. For example, the modulus of highly oriented ultrahigh molecular weight polyethylene is three orders of magnitude higher than that of its non-oriented counterpart. For the polymorphic poly(vinylidene fluoride), special piezoelectric and ferroelectric functions can be endowed by crystallizing it in the β and γ crystal modifications. Therefore, it is of great significance to disclose the structure formation mechanism of polymers at all levels, to realize the precise regulation of them and to correlate them with their performance. This leads to the study of polymer structure at varied scales and the related structure-property relationship a very important research field of polymer physics. Here in this paper, we will focus on the application of transmission electron microscopy in the study of different hierarch structures of polymers, including a brief introduction of the working principle of transmission electron microscopy, special techniques used for sample preparation and for instrument operation to get high-quality experimental data, analysis of the results and correlation of them to different structures.关键词聚合物   透射电子显微镜   样品制备   仪器操作   结构解释 KeywordsPolymer   Transmission electron microscopy   Sample preparation   Instrument operation   Structure explanation  聚合物是一类重要的材料，其市场需求日益增长，说明聚合物材料能够满足使用要求的领域越来越广，这应归因于聚合物材料性能和功能的各级结构依赖性. 首先，包括组成成分、链结构及构型、分子量及分布等的化学结构决定材料的基本性能和功能. 例如：高密度聚乙烯(即直链型聚乙烯)的热稳定和机械性能明显优于低密度聚乙烯(支化型聚乙烯)，而分子链的共轭双键结构则能赋予聚合物导电能力[1~5]. 对化学结构固定的同一聚合物材料而言，不同形态结构可以展示出完全不同的物理、机械性能. 以超高分子量聚乙烯为例，其非取向样品的模量与强度分别为90 MPa和10 MPa，分子链高度取向后，模量增加到90 GPa，增幅为3个数量级，强度(3 GPa)也增加了近300% [6]. 另外，有机光电材料的性能也与分子链排列方式密切相关[7~12]. 对结晶性聚合物材料而言，聚集态结构调控不仅影响性能，而且可以实现特殊功能，如常规加工获得的α相聚偏氟乙烯属于普通塑料，特殊控制形成的β或γ相聚偏氟乙烯则具有压电、铁电等功能[13~20]. 由此可见，揭示聚合物不同层次聚集态结构的形成机制，明确各级结构的影响因素，发展聚合物多层次聚集态结构的可控方法，对发掘聚合物材料的特殊功能和提高性能进而拓展其应用领域具有十分重要意义，致使对聚合物各级结构及其构效关系的研究一直是高分子物理学的一个重要领域.高分子不同层次结构既与高分子的链结构有关，又与加工过程有关. 因此，高分子形态结构的研究内容十分丰富，且对形态结构的研究不仅是深入理解聚合物结构-性能的基础，而且能为聚合物加工过程结构控制提供依据. 经过长期研究积累，目前已经发展了针对聚合物不同层次聚集态结构表征的多种成熟技术手段，如光谱技术[21~28]、散射与衍射技术[29~37]、显微技术[38~50]以及理论计算模拟[51]等，这些方法在聚合物聚集态结构表征中各有优势. 如光谱技术的长处在于表征高分子链结构、晶区与非晶区的链取向和晶态中分子链相互作用等.散射和衍射可用于表征聚合物的结晶态结构、结晶程度与取向和微区结构尺寸等. 相对于光谱、散射和衍射技术，显微术的优势在于能够直观地展示微观尺度结构，如光学显微镜用来展示聚合物的微米尺度结构、跟踪球晶的原位生长过程等[38,39]，而原子力显微镜能显示纳米尺度结构及片晶的生长行为，甚至给出聚合物的单链结构信息[42]. 当然，大多数情况下，需不同技术相结合来准确揭示一些聚合物的不同层次结构[52~59]. 例如：聚(3-己基噻吩)(P3HT)因其b-轴(0.775 nm)和c-轴(0.777 nm)的晶面间距基本相同，无法用衍射技术精准确定其分子链取向，而衍射与偏振红外光谱结合可以明确其晶体取向[54]. 透射电子显微镜(本文中简称为电镜)是集明场(BF)和暗场(DF)显微术以及电子衍射(ED)技术于一体的设备，能够直接关联各类晶体的不同形态结构[60]. 例如：对聚乙烯单晶的电镜研究[61~63]，证明了片晶仅有十几个纳米厚，但分子链沿厚度方向排列，根据这一电镜结果提出了高分子结晶的链折叠模型，对推动结晶理论的迅速发展做出了巨大贡献. 然而，电镜对观察样品要求苛刻，且样品在高压电子束轰击下不稳定，导致电镜研究高分子形态结构具有很大挑战性.针对电镜研究高分子形态结构面临的挑战，本文将着重介绍电镜在聚合物不同层次结构研究应用中的一些技巧，主要内容包括电镜的工作原理、不同类型样品的制备方法以及稳定手段、获得高质量实验数据的仪器操作技术、实验结果的正确分析，并结合具体示例解释相关数据对应的聚合物结构信息.1电镜工作原理显微术是将微小物体放大实现肉眼观察的技术. 实际上，人们常用放大镜对细小物体的直接观察就是一种最原始的显微手段，只是受限于放大能力仅能实现对几百微米以上物体的观察. 为观察更细小物体，人们通过透镜组合来提高放大能力，从而诞生了光学显微镜. 如图1所示，光学显微镜是通过对中间像的投影放大提升了放大本领，其两块透镜组合的放大能力是两块透镜的放大率之积. 基于这一原理，增加透镜数目可进一步提高光学显微镜的放大能力，而透镜本身缺陷造成的求差、色差、象散、彗差、畸变等象差会使图像随透镜数目增加变得不清晰. 另外，考虑到人眼的分辨本领大概为0.1 mm，而光学显微镜的极限分辨率为0.2 μm，500倍是光学显微镜有效放大倍率，即500倍就能使一个尺寸为0.2 μm放大到人眼能分辨的 0.1 mm. 由此可见，要观察更细微结构需要提高显微镜的分辨率. 根据瑞利准则，光学显微镜的分辨本领可表示为：Fig. 1Sketch illustrating the working principle of optical microscope.其中，λ为光源的波长，NA为数值孔径，其值是透镜与样品间的介质折射率(n)与入射孔径角(α)正弦的乘积，即NA = nsinα. 可见，减少波长能有效提高光学显微镜的分辨能力，例如以紫外光为光源的显微镜分辨率可提高到0.1 μm，欲进一步提高显微镜分辨能力须选择波长更短的光源.电子波的波长与加速电压(V)相关，可用λ=12.26 × V−−√式表示，根据该公式，100 kV和200 kV电压加速电子束的波长分别为0.00387 nm和0.00274 nm，经相对论修正后变为0.0037 nm和0.00251 nm，如以高压加速电子束为光源，能使显微镜的分辨率得到埃的量级，这就促使了电子显微镜的开发. 如图2所示，电子显微镜工作原理与光学显微镜相似，只是使用高压技术的电子束为光源，而相应的玻璃聚光镜(condenser)、物镜(objective lens)以及投影镜(projection lens)均由磁透镜替代了光学显微镜的玻璃透镜. 另外，电子束能与样品中原子发生多种不同作用(图3)，除部分电子束被样品吸收生热外，还产生不同种类的电子，如透过电子、弹性和非弹性散射电子、背散射电子、X-射线、俄歇电子以及二次电子等，采用不同特征的电子成像就产生了不同类型的电子显微镜. 例如：扫描电子显微镜用二次电子和背散射电子成像，透射电子显微镜用弹性和非弹性散射电子成像，借助具有能量特征的X-射线或具有电子能量损失特征非弹性散射电子可使扫描电子显微镜或透射电子显微镜具备材料成分分析功能.Fig. 2Sketch illustrating the working principle of electron microscope.Fig. 3Sketch shows different electrons generated after interaction of the incident electrons with the atoms in the sample.2样品制备由于电子的穿透能力非常差，只能穿透几毫米的空气或约1 µm的水. 因此，要求电镜观察用样品非常薄，在200 nm以内，最好控制在30~50 nm. 用于高分辨成像的样品需更薄，最好为10 nm左右. 因此，电镜样品的制备十分困难但非常重要，需要一定的技巧性. 一方面，要求样品足够薄，能使电子束透过成像；另一方面，要确保制备过程不破坏样品的内在微细结构. 另外，尽管电镜样品用不同目数的铜网支撑(通常为400目)，如此薄的样品在上百万伏电压加速的电子束下并不稳定，如电子束轰击破碎、电子束下抖动等，从而需进一步加固样品. 基于需观察材料的品性和形态不同，甚至是同一种材料因不同的研究目的，制样方法也各不相同，从而发展了各种各样的制样方法. 下面将重点介绍一些常用的不同类型聚合物材料的电镜样品制备方法.2.1支撑膜制备支撑膜在电镜实验中十分常用，在纳米胶囊与颗粒等本身无法成膜样品的形态结构观察时，是必须使用的. 支撑膜的厚度一般为10 nm左右，要求稳定且无结构，常用的支撑膜有硝化纤维素(又称火棉胶)、聚乙烯醇缩甲醛和真空蒸涂的无定型碳，针对这些常用材料的薄膜制备方法如下.2.1.1硝化纤维素支撑膜制备硝化纤维素支撑膜可通过沉降和滤纸捞膜2种方法获得.沉降制膜法相对简单，初学者容易实现. 如图4(a)所示，用一个制膜器，在底部放置网格，将电镜铜网置于网格上方，然后注入蒸馏水，在蒸馏水表面滴加硝化纤维素的乙酸戊酯溶液，待乙酸戊酯溶液挥发成膜后，打开底部阀门排尽蒸馏水，硝化纤维素支撑膜便覆盖在铜网上，由此得到的带有硝化纤维素支持膜的铜网烘箱中50~60 ℃干燥后便可投入使用. 根据所需膜的厚度要求，硝化纤维素的乙酸戊酯溶液浓度可设定在0.5 wt%~1.5 wt%范围内. 对有经验的学者而言，滤纸捞膜法更简洁. 如图4(b)所示，用浓度为0.5 wt%~1.5 wt%的硝化纤维素乙酸戊酯溶液直接浇注在蒸馏水表面成膜后，将铜网整齐地放置在膜上，然后用滤纸平放在硝化纤维素膜的上面，并快速反转捞起带有硝化纤维素支撑膜的铜网，干燥后即可备用.Fig. 4Sketch illustrating the ways for preparing nitro cellulose (NC) supporting membrane used in electron microscopy experiments. (a) Sedimentation of the NC membrane on copper grids. (b) Filter paper fishing of copper grids supported by the NC membrane.2.1.2聚乙烯醇缩甲醛支撑膜制备硝化纤维素支撑膜制备方法也同样适用于聚乙烯醇缩甲醛(PVF)支撑膜的制备，但考虑到PVF的溶剂为氯仿，挥发速率很快，还可以通过玻片蘸取的方法获得. 如图5(a)所示，将沉浸于0.1 wt%~0.2 wt% PVF氯仿溶液中的表面光洁的载玻片(图5(a)左半部分)缓慢提起，并在充满这种溶液饱和气体的气氛中干燥(图5(a)右半部分)，干燥后用刀片将载玻片边缘的PVF薄膜划破，通过漂浮的方法将PVF薄膜转移到蒸馏水表面(图5(b))，放置铜网后用滤纸捞起干燥即可获得含PVF薄层支撑膜的铜网.Fig. 5A diagram illustrating the preparation of PVF support film through dipping a clean glass slide into its chloroform solution (a) and then floating the thin PVF layer onto the surface of distilled water (b).2.1.3无定型碳支撑膜制备用电镜研究微粒状材料的结构、形状、尺寸和分散状态时，根据微粒材料的分散状况，主要有如下几种电镜样品的制备方法.(a) 悬浮法. 对在液体里分散均匀、沉降速度慢且无丝毫溶解能力的微粒，可制备浓度适当的均匀分散悬浮液，用微量滴管将悬浮液滴到有支撑膜的铜网上，干燥后使用.(b) 微量喷雾法. 用悬浮法将悬浮液直接滴在支撑膜上，在干燥过程中可能会引起微粒间的聚集. 为避免这种情况，可将悬浮液装入微量喷雾器，利用洁净的压缩气体使其产生极细雾滴，直接喷到带支撑膜的铜网上. 微量喷雾法能获得单分子分散的样品，是研究聚合物单分子结晶行为理想制样方法.(c) 干撒法. 对在干燥状态，相互间凝聚力不强且无磁性的微粒材料，可直接撒在带硝化纤维素或聚乙烯醇缩甲醛支撑膜的铜网上，用吸耳球吹掉未很好附着的微粒后即可使用.

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

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。

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。

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

2016年1月7日，由中国科学院高能物理研究所为上海交通大学研制的高温超导磁透镜在上海完成了磁场测量，磁场分布结果满足设计要求，将用于电子显微镜的总装调试。　　电子显微镜是用于原子尺度超高时空分辨兆伏特电子衍射与成像系统，利用电子与物质作用所产生的讯号来鉴定微区域晶体结构、微细组织、化学成分、化学键结和电子分布情况的电子光学装置。用超导磁体做成的磁透镜来聚焦电子，是电子显微镜镜筒中的重要部件。　　互相支持高端科研仪器的研制是高能所与上海交大签订的战略合作内容之一，实验物理中心的超导磁体工程中心承担了具体工作。　　高温超导磁透镜是国际上首次用高温超导磁体作为电子显微镜的磁透镜，使用国产的高温超导带材绕制磁体，不用液氦或者液氮等低温介质，用一台脉管制冷机采取传导冷却的方式对磁体降温，最高工作温度约50K。采用高温超导技术，将提高电子显微镜的分辨率，减少整个设备的体积和重量，提高集成度。　　高温超导磁透镜也是高能所研制的第一台高温超导磁体，相关技术将促进我国高端电子显微镜仪器的研制。高温超导磁透镜磁场测量沿磁体轴线的磁场分布

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

新一期美国《纳米通讯》杂志发表的一项研究显示，自然界的蜘蛛丝是一种天然的超级透镜，可以有效帮助常规光学显微镜突破“视力”极限。这是生物超级透镜首次登上科技舞台，为超级透镜研究开辟了全新的发展方向。　　这项研究由英国班戈大学电子工程系的王增波主持，并与牛津大学弗里茨沃尔拉特教授等人合作完成。　　王增波对记者说：“这项研究的漂亮之处就在于它的简单性，超级透镜设计和制备一直是个比较复杂的课题，需要专业的知识和设备。但天然的蜘蛛丝居然可以实现超级透镜的功能，根本不需要加工，就能使显微镜分辨率提升2至3倍。”　　观测时，研究人员首先利用透明胶带把蜘蛛丝放置于样品上，并在样品和蛛丝的缝隙之间注入无水酒精以提高成像质量，然后利用普通白光显微镜进行观测。由于蜘蛛丝对光的折射，原有“看不见”的纳米结构被放大2到3倍，从而把传统光学显微镜的分辨极限由200纳米提高到至少100纳米。　　王增波说，他们利用蜘蛛丝透镜直接观察到了蓝光光盘上的线槽。蓝光光盘线槽最细只有100纳米，使用普通显微镜原本是看不见的。下一步，他们将探索利用蜘蛛丝透镜来观测亚细胞结构和细菌病毒。　　蜘蛛丝透镜的发现纯属偶然。“一天我跟我家小孩在后院玩儿，看到了好几个新结的蜘蛛网，细细长长的丝，比头发丝还细，突然产生了用蜘蛛丝成像的想法。很快，我们就在实验上得到了证实。”王增波回忆道。

人的肉眼分辨本领在0.1毫米左右，我们是怎么一步步地看见细菌、病毒，乃至蛋白质结构的呢？这背后离不开这群“强迫症”。采访专家：张德添（军事医学科学院国家生物医学分析中心教授）“我非常惊奇地看到水中有许多极小的活体微生物，它们如此漂亮而动人，有的如长矛穿水而过，有的像陀螺原地打转，还有的灵巧地徘徊前进，成群结队。你简直可以将它们想象成一群飞行的蚊虫。”1675年，一名荷兰代尔夫特市政厅的小公务员给英国皇家学会写了这样一封信，向学会的会员们描述自己用自制的显微镜观察到的奇妙景象。作为给当时欧洲最富盛名的学术组织寄去的一封学术讨论信件，这名公务员并没有进行大篇幅严谨却枯燥的科学论证，而是用朴实的语言，在字里行间留下了自己发现新事物时那种孩童般的惊奇与喜悦。这位当时默默无闻的小公务员，正是大名鼎鼎的微生物学和显微镜学先驱者—安东尼范列文虎克。在50年的时间里，列文虎克用制作的显微镜观察到了细菌、肌纤维和精细胞等微观生物，并先后给英国皇家学会寄去了300多封信件来讨论他的新发现。正是在列文虎克的不懈坚持下，人类观察世界的眼睛终于来到了微生物层面。初代显微镜：拨开微生物世界的迷雾列文虎克能发现色彩斑斓的微生物世界，主要得益于他在透镜制作方面的天赋。他一生中制作了多达400多台显微镜，与今日我们熟知的显微镜存在很大不同，列文虎克的显微镜绝大多数属于单透镜显微镜，仅由一个小黄铜板构成，使用时需要仰身将这个铜板面向阳光进行观察。列文虎克凭借他的一系列惊人发现迅速成为当时科学界的“网红级”人物。然而真正奠定显微镜学理论基础的，则是同时期的英国科学家罗伯特胡克。在列文虎克还在钻研透镜制作技艺时的1665年，在英国皇家学会负责科学试验的胡克，就制作了一台显微镜，与列文虎克使用的单透镜显微镜不同，这是一台复式显微镜，其工作原理和外形已经很接近现代的光学显微镜了。胡克用这台显微镜观察一片软木薄片，发现了密密麻麻的格子状结构，酷似当时僧侣居住的单人房间，因此胡克就用英语中单人间一词“cell”来命名这种结构，而这个单词在当代被翻译为“细胞”。不久，胡克写就了《显微图谱》一书，将这一重要观察成果写入书中。胡克的研究成果很快引起了列文虎克的注意，他曾研究过胡克的显微镜，但最后还是使用了自制的单透镜显微镜来进行观察。原因就在于胡克显微镜存在严重的色差问题。所谓色差，就是在光线经过透镜时，不同颜色的光因折射率不同，会聚焦于不同的点上，使得样品的成像被一层色彩光斑所包围，严重影响清晰度。列文虎克提出的解决方案也很简单，就是在透镜研磨的精细程度上下功夫，将单透镜制成小玻璃珠，并将之嵌入黄铜板的细孔内，这样在放大倍数不低于胡克显微镜的基础上，最大程度避免色差对成像的干扰。但代价是，由于观察时是需要对着阳光，对观测者的眼睛伤害很大。除了色差，早期显微镜还存在着球面像差问题，即光线在经过透镜折射时，接近中心与靠近边缘的光线不能将影像聚集在一点上，使得成像模糊不清。自显微镜诞生之日起，色差和球面像差就成为“与生俱来的顽疾”，一直制约着人们向微观世界进军的步伐。直到19世纪，光学显微技术才在工业革命的助力下完成了一次实质性蜕变，从而在根本上解决了这两个难题。挑战色差与球面像差：逐渐清晰的微观视角首先是1830年，一个名为李斯特的英国业余显微镜学爱好者首先向球面像差发起挑战，他创造性地用几个特定间距的透镜组，成功减小了球面像差影响。此后，改进显微镜的主阵地很快转移到了德国，其中1846年成立的蔡司光学工厂，更是在此后一个世纪里成为领头羊。1857年蔡司工厂研制出第一台现代复式显微镜，并成功打入市场。不过在研制和生产过程中，蔡司也深受色差之苦：当时通行的增加透镜数量的做法，虽能提升显微镜的放大倍数，却仍无法消除色差对成像清晰度的干扰。1872年，德国耶拿大学的恩斯特阿贝教授提出了完善的显微镜学理论，详细说明了光学显微镜的成像原理、数值孔径等科学问题。蔡司也迅速邀请阿贝教授加盟，并研制出一批划时代的光学部件，其中就包括复消色差透镜，一举消除了色差的影响。在阿贝教授的技术加持下，蔡司工厂的显微镜成为同类产品中的佼佼者，很快成为欧美各大实验室的抢手货，并奠定了现代光学显微镜的基本形态。不久，蔡司又拉来了著名化学家奥托肖特入伙，将其研制的具有全新光学特性的锂玻璃应用在自家产品上。1884年，蔡司更是联合阿贝与肖特，成立了“耶拿玻璃厂”，专为显微镜生产专业透镜。显微镜技术的突飞猛进也让各种现代生物学理论不断完善，透过高分辨率的透镜，微观世界中各种复杂的结构逐步以具象的形式呈现在人类眼前。由于微观层面的生物结构大多是无色透明的，为了让他们在镜头下变得清晰可见，当时的科学家普遍将生物样品染色，以此提高对比度方便观察。这一方法最大的局限在于，染料本身的毒性往往会破坏微生物的组织结构，这一时期染剂落后的材质，也无法实现对某些特定组织的染色。直到1935年荷兰学者泽尼克发现了相衬原理，并将之成功应有于显微镜上。这种相衬显微技术，利用光线穿过透明物体产生的极细微的相位差来成像，使得显微镜能够清晰地观察到无色透明的生物样品。泽尼克本人则凭借此次发现斩获了1953年的诺贝尔物理学奖。军事医学科学院国家生物医学分析中心教授，长期致力于电子显微镜领域研究的张德添向记者介绍道：“人的肉眼分辨本领在0.1毫米左右，而光学显微镜的分辨本领可以达到0.2微米（1毫米=1000微米）的水平，能够看到细菌和细胞。但由于光具有波动性，衍射现象限制了光学显微镜分辨本领的进一步提高。”二战结束后，随着各种新理论新技术的不断应用，光学显微镜得到了长足进步，但也是在这一时期，光学显微镜的潜力已经被发掘到了极限。为蔡司工厂乃至整个显微镜学立下汗马功劳的阿贝教授就提出了“分辨率极限理论”，认为普通光学显微镜的分辨率极限是0.2微米，再小的物体就无能为力了—这一理论又被称为“阿贝极限”，这就好像一层屏障将人类的探索目光阻隔在更深度的微观世界大门之前，迫使科学家们另寻他途。电子显微镜：另辟蹊径，重新发现既然可见光存在这样的短板，那么能否利用其他波长较短的光束来实现分辨率的突破呢？张德添进一步介绍道：“1924年后，人们从物质领域内找到了波长更短的媒质—电子，从而发明了电子显微镜，其分辨本领达到了0.1纳米的水平。”1931年，德国科学家克诺尔和他的学生鲁斯卡在一台高压示波器上加装了一个放电电子源和三个电子透镜，制成了世界首台电子显微镜，就此为人类探索微观世界开拓了一条全新的思路。电子显微镜完全不受阿贝极限的桎梏，在分辨率上要远远超越当时的光学显微镜。鲁斯卡在次年对电子显微镜进行了改进，分辨率一举达到纳米级别（1微米=1000纳米）。在这个观测深度，人类终于亲眼看到了比细菌还要小的微生物—病毒。1938年，鲁斯卡用电子显微镜看到了烟草花叶病毒的真身，而此时距离病毒被证实存在已经过去了40年时间。对于电子显微镜技术的发明，张德添这样评价道：“电子显微镜是人们认识超微观世界的钥匙和工具，它解决了光学显微镜受自然光波长限制的问题，将人们对世界的认识从细胞水平提高到了分子水平。” 从肉眼只能观察到的毫米尺度，到光学显微镜能够达到的微米尺度，再到电子显微镜能进一步下探到纳米尺度，显微成像技术正在迅速突破人类对微观世界的认知极限。不过电子显微镜本身的缺憾也愈加明显。由于电子加速只能在真空条件下实现，在真空环境之下，生物样品往往要经过脱水与干燥，这意味着电子显微镜根本无法观测到活体状态下的生物样品，此外电子束本身又容易破坏样品表面的生物分子结构，这就导致样品本身会丢失很多关键信息。这一顽疾在此后又困扰了科学家多年。直到1981年，IBM苏黎世实验室的两位研究员宾尼希与罗雷尔，用一种当时看起来颇有些“离经叛道”的方法，首先解决了电子束损害样品结构的问题。他们利用量子物理学中的“隧道效应”，制作了一台扫描隧道显微镜。与传统的光学和电子显微镜不同，这种显微镜连镜头都没有。在工作时，用一根探针接近样品，并在两者之间施加电压，当探针距离样品只有纳米级时就会产生隧道效应—电子从这细微的缝隙中穿过，形成微弱的电流，这股电流会随着探针与样品距离的变化而变化，通过测量电流的变化人们就能间接得到样品的大致形状。由于全程没有电子束参与，扫描隧道显微镜从根本上避免了加速电子对生物样品表面的破坏。扫描隧道显微镜在今天也被称为“原子力显微镜”，“在微米甚至纳米水平，动态观察生物样品表面形貌结构的变化规律，原子力显微镜是有其独特优势的”，张德添向记者解释说，“如果条件允许，还可以检测生物大分子间相互作用力的大小，为结构与功能关系研究提供便利。”1986年，宾尼希和罗雷尔凭借扫描隧道显微镜，获得当年的诺贝尔物理学奖，有趣的是，与他们一起分享荣誉的，还有当初发明电子显微镜的鲁斯卡，当时的他已是耄耋老人，而他的恩师克诺尔也早已作古。新老两代电子显微镜技术的里程碑人物同台领奖，成为当时物理学界的一段佳话。老树新芽：突破“阿贝极限”的光学显微镜电子显微镜在问世之后的几十年间，极大拓展了人类对生物、化学、材料和物理等领域认知疆界。而无论是鲁斯卡，还是宾尼希和罗雷尔，他们所作的贡献不仅让自己享誉世界，还助力其他领域的学者登上荣誉之巅。比如英国化学家艾伦克鲁格凭借对核酸与蛋白复杂体系的研究获得1982年度诺贝尔化学奖，而他的科研成果正式依靠高分辨电子显微镜技术和X光衍射分析技术而取得的。在克鲁格获奖的当年，以色列化学家达尼埃尔谢赫特曼更是使用一台电子显微镜，发现了准晶体的存在，并独享了2011年的诺贝尔化学奖。目前，电子显微镜已经成为金属、半导体和超导体领域研究的主力军。但在生物和医学领域，电子显微镜本身对生物样品的损害，依旧是难以逾越的技术难题。于是不少科学家开始从两条路径上寻求解决之道：一条是研发冷冻电镜技术，这种技术并不改变电子显微镜整体的工作模式，而是从生物样品本身入手，对其进行超低温冷冻处理。这样状态下，即使处在真空环境中，样品也能保持原有的形态特征与生物活性。“由于观测温度低，生物样品也处于含水状态，分子也处于天然状态，样品对辐射的耐受能力得以提高。我们可以将样品冻结在不同状态，观测分子结构的变化。”张德添向记者解释道。瑞士物理学家雅克杜波切特、美国生物学家乔基姆弗兰克和英国生物学家理查德亨德森凭借这项技术分享了2017年度诺贝尔化学奖。新冠疫情暴发后，冷冻电镜技术又为人类研究和抗击疫情做出了突出贡献。2020年，西湖大学周强实验室就利用这种技术，首次成功解析了此次新冠病毒的受体—ACE2的全长结构，让人类对新冠病毒的认识向前迈出了关键性一步。另一条路径是从传统的光学显微镜入手。在电子显微镜的黄金时代，不少科学家就开始着手研制超高分辨率光学显微镜，甚至开始尝试突破一直以来困扰光学显微镜的“阿贝极限”，而“荧光技术”就成为实现这一切的关键。早在19世纪中叶，科学家们就发现：某些物质在吸收波长较短而能量较高的光线（比如紫外光）时，能将光源转化为波长较长的可见光。这种现象后来被定义为“荧光现象”。荧光现象在自然界是普遍存在的，这一现象背后的原理也在20世纪迅速被应用在光学显微镜上。1911年，德国科学家首次研制出荧光显微镜装置，用荧光色素对样品进行荧光染色处理，并以紫外光激发样品的荧光物质发光，但成像效果不佳，而且把荧光物质当作染色剂，和早期的染色剂一样，本身的毒性会伤害活体样品。直到1974年，日本科学家下村修发现了绿色荧光蛋白，其毒性远弱于以往的荧光物质，是对活体标本进行荧光标记的理想材料——这一发现成为日后科学家突破“阿贝极限”的有力武器。时间来到1989年，供职于美国IBM研究中心的科学家莫尔纳首次进行了单分子荧光检测，使得光学显微镜的检测尺度精确到纳米量级成为可能。随后在莫尔纳的基础上，美国科学家贝齐格开发出一套新的显微成像方法：控制样品内的荧光分子，让少量分子发光，借此确定分子中心和每个分子的位置，通过多次观察呈现出纳米尺度的图像。通过这种方法，贝齐格轻而易举地突破了光学显微镜的阿贝极限。几乎在同时，德国科学家斯特凡赫尔在一次光学研究中突发奇想：根据荧光现象原理，如果用镭射光激发样品内的荧光物质发光，同时用另一束镭射光消除样品体内较大物体的荧光，这样就只剩下纳米尺度的分子发射荧光并被探测到，不就能在理论上得到分辨率大于0.2微米的微观成像了吗？他随即开始了试验，并制成了一台全新显微镜，将光学显微镜分辨率下探到了0.1微米的水平。困扰光学显微技术百年的阿贝极限难题，就这样历经几代科学家的呕心沥血，终于在本世纪初被成功攻克。莫尔纳、贝齐格和赫尔三位科学家更是凭借“超分辨率荧光显微技术”分享了2014年度的诺贝尔化学奖。时至今日，在探索微观世界的征途上，光学显微镜和电子显微镜互有长短、相得益彰。当然在实际应用中，科学家越来越依赖于将多种显微成像技术结合使用。比如今年5月，英国弗朗西斯克里克研究所就依托钙化成像技术、体积电子显微技术等多种显微成像技术，成功获得了人类大脑神经网络亚细胞图谱。在未来，多种显微成像技术相结合，各施所长，将进一步完善我们在生物、医学、化学和材料等领域的知识结构，把这个包罗万象的奇妙世界更完整地呈现在我们眼前。