无衍射光学晶格主要采用函数传递的方式进行数值计算分析,数学模型抽象,程序构建复杂,难以灵活地分析不同光学元件及其缺陷和光路结构对光学晶格物理形成过程的影响。从光路仿真角度出发,提出了一种无衍射光学晶格的分析方法,实现了基础方晶格、最大对称组合基础方晶格、一级稀疏方晶格等典型光学晶格结构的仿真,并验证了光束的无衍射性,说明了该方法的可行性。将该方法应用于光路结构和光学元件特性与光学晶格结构之间的关联分析,有助于探索无衍射二维光学晶格的形成与调控方法,以及潜在应用效果的评估。

反射镜是光学仪器的核心元件,其面形的精密测量一直是研究领域的重要内容。利用光场调控产生大小灵活可变的空间周期性分布的光学点阵,并提出了一种基于二维光学点阵形变实现面形快速测量的方法。结合几何光学和空间三维变换理论,建立了二维光学点阵几何形变量与反射镜三维面形的数学关联模型,并提出了基于点阵质心的面形重构算法,研究分析了测量方法的测量范围和单像素点分辨率,并对反射镜进行了多倾角的实验测试,实现了对直径为10.5 mm的反射镜的亚微米级的测量。通过将测试数据与商用干涉仪的测量数据进行比较,验证了所提方法的可行性。该方法具有测量精度高、速度快和适应强等特点。

为了提高原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)的成像速度, 本文提出了一种新的AFM结构设计方案并搭建了相应的实验系统。在该方案中, Y、Z扫描器集成于测头内驱动探针进行慢轴扫描和形貌反馈; X扫描器与测头分离, 驱动样品做快轴扫描。X扫描器采用高刚性的独立一维纳米位移台, 能够承载尺寸和质量较大的样品高速往复运动而不易发生共振; 同时Z扫描器的载荷实现最小化, 固有频率得以显著提高。为了避免测头的扫描运动引起检测光束与探针相对位置的偏差, 设计了一种随动式光杠杆光路; 为了便于装卸探针以及精确调整激光在探针上的反射位置, 设计了基于磁力的探针固定装置和相应的光路调节方案。对所搭建的AFM系统的初步测试结果表明, 该系统在采用三角波驱动和简单PID控制算法的情况下, 可搭载尺寸达数厘米且质量超过10 g的较大样品实现13 μm×13 μm范围50 Hz行频的高速成像。

有机薄膜半导体器件在微电子和光电子领域具有重要的研究与应用价值, 其成膜质量是影响器件性能的重要因素, 如空间分布的均一性.采用反射差分显微测量方法, 对各向异性基底上生长的并五苯薄膜的反射差分显微图像进行分析, 研究了该薄膜参数空间分布的非均一性, 同时展示了反射差分显微术在薄膜制备检测及工艺研究的应用价值.

细胞是生命体的基本单位和功能单位, 对活细胞内部结构及其功能的研究是了解掌握生命本质的基础之一, 因此活细胞的实时观测对生命科学的发展具有重要意义。传统的光学显微技术受衍射极限的限制, 无法观测200 nm以下的生物结构细节。近20年来, 随着超衍射极限光学理论、技术、器件和荧光探针等方面的快速发展, 超分辨显微成像技术已成为应用于生命科学研究的重要手段。然而, 大多数超分辨显微方法或测量耗时长, 或易引起荧光蛋白漂白/细胞损伤, 在活细胞研究中受到极大限制, 已成为超分辨显微领域重点攻关的方向之一。为此, 文中结合作者在快速超分辨显微技术研究的基础上, 介绍了基于单分子成像的光激活定位显微技术和随机光学重构显微技术、基于荧光非线性可饱和光转换的受激发射显微技术以及基于结构光照明的超分辨显微技术, 并探讨了在活细胞成像中的发展应用。最后, 文中展望了超分辨显微成像技术在活细胞成像中的未来发展趋势。

为了实现对液态环境中微球三维位置的快速精密测量, 尤其是轴向的测量分辨力和速度, 基于离焦成像测量理论, 结合并改进象限插值法和矢径投影算法, 提出了一种新的方法, 实现了对微球三维方向1 nm测量分辨力的跟踪测量。该方法测量效率高, 对单个粒子轴向位置的测量速率最快达到每秒上百帧甚至更高。进一步讨论了横向位置测量误差对轴向测量分辨力的影响, 分析了轴向方向大范围的跟踪测量分辨力。通过和相同实验条件下的互相关方法对比, 说明该方法在实际测量中具有可行性, 在实现相同轴向测量分辨力的情况下测量效率更高。

液晶相位延迟器(LCVR)是一种新型偏振器件,精确标定其光电特性是实现基于该器件的精密光学偏振测量的关键环节.通过建立探测光强与相位延迟值和器件方位角的数学模型,提出了一种基于单偏振器的测量新方法,可快速计算出不同电压作用下的LCVR本征轴方位角和相位延迟值.该方法具有测试结构简单、相位延迟测量过程无需机械旋转、全谱测量速度快的优点.此外,该测量结构便于集成在其它偏振测量结构中,实现LCVR的在线、实时标定.实验结果表明基于上述方法的测试系统,LCVR的相位延迟测量重复性优于5‰,本征轴方位角的测量分辨率优于0.1°.

提出一种用于测量微结构表面形貌的离轴显微干涉术。该技术的实验装置为一个优化的马赫-曾德尔干涉仪。其特点为参考波是具有一定载频的倾斜波。该技术中应用CCD 记录离轴显微干涉图，并用傅里叶变换方法对记录的干涉图在傅里叶面进行频谱滤波求解相位。不同于经典显微干涉术，离轴显微干涉图的载频较高，仅需单幅干涉图即可得到相位信息。因此该技术在测量中具有防振、快捷有效的特点。利用一个标准微台阶以及微孔阵列的形貌检测结果验证该技术的有效性，同时与轮廓仪的测试结果进行对比，证明结果一致。被测物也应用Mirau干涉显微镜进行测试，实验结果表明经典显微干涉图干涉信息载频不足，仅使用单幅干涉图不能得到正确相位，该组实验证明了离轴显微干涉术相对于传统显微干涉术的优越性。

有机薄膜器件是微电子和光电子领域的重点研究方向.薄膜制备过程的在线监测作为研究成膜机理和优化工艺参数最直接的测量手段,对薄膜器件的高质量制备具有重要意义.为实现真空环境有机薄膜制备过程的实时在线监测,提出了一种基于差分反射光谱术的高精度测量方法.采用离轴抛物面反射镜、光学平板和光纤等基本光学元器件构建紧凑型光路系统,运用差分算法分析光谱信号,具有较高的测量性能.测试了不同实验环境下光谱信号的波动,得出在控温条件下,系统的长时间测量重复性优于2‰.还研究了并五苯分子通过分子束外延制膜法在Au基底成膜初始阶段的生长过程.通过与膜厚仪和原子力显微镜测试结果比对,光谱信号精确反映出超薄膜在生长中引起的细微光学演变,其测量精度优于亚单分子层.实验结果表明,该差分反射光谱测量系统具有宽光谱(300～820 nm)、高稳定性(重复性优于2×10－3)、高测量精度(亚单分子层)等特点,并有效地抑制了光路装配误差、光学器件缺陷和环境干扰等对光信号的影响,作为一种高精度表面表征方法,适合于薄膜制备过程的实时在线监测。

微球三维位置的精确测量是单分子力谱测量技术中的关键。采用同轴数字全息技术对微球的三维位置进行测量。通过同轴数字全息显微系统采集一系列微球的全息图像，利用瑞利-索末菲传播原理对全息图进行三维重构，同时对重构光场进行去卷积运算，消除了散斑、离焦信号等噪音，并对微球球心纵向光场分布进行多项式拟合，提高了微球三维位置测量精度。实验表明，该方法不仅能够对全视场中的微球进行并行测量，而且能够对交叠微球进行测量，纵向分辨力达到2 nm，在生物单分子动力学、粒子图像测速技术等研究领域具有重要意义。