光学硬脆材料在机械加工过程中不可避免地形成表面/亚表面损伤, 对器件性能、使用寿命等具有至关重要的影响。相较于磨削、研磨两种前道工艺, 抛光阶段材料的损伤逐渐减少至极其微量的程度, 而最终残留的损伤将伴随材料的使用全周期, 研究抛光阶段表面质量的变化过程对掌握抛光的工艺质量十分必要, 但测量难度高。针对这一问题, 本文在总结抛光阶段损伤形式的基础上, 首先仿真分析了准布儒斯特角法检测表面质量的原理和优势, 随后以Nd∶GGG激光晶体为研究对象, 利用椭偏仪对不同抛光工艺下样品表面质量的变化进行了实验研究。通过与白光干涉法测量的表面形貌进行对比, 准布儒斯特角偏移量和相位角变化曲线斜率准确地反映了抛光过程中表面质量的变化, 展现了该方法的无损伤和高灵敏度特性, 以及辅助研究抛光工艺的可行性。最后, 对准布儒斯特角法在表面质量检测方面面临的问题进行了分析和展望。

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。

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°.

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。

荧光发射强度在荧光显微术科学观测中至关重要。 理论分析了三大影响荧光发射强度的重要因素: 分子吸收激发光光子的能力、 荧光量子产量及其荧光饱和与荧光猝灭, 指出选择具有大光吸收截面和高量子产量的荧光分子, 能有效保证荧光发射强度； 确定合理的激发光强度范围, 可避免不必要的荧光饱和现象。 进一步实验研究了超高真空和大气环境下的荧光猝灭现象, 得出超高真空时荧光分子的荧光猝灭现象极不明显, 而大气环境可造成荧光光强指数递减的结论。