1 中国科学院电工研究所，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 100049
环境扫描电子显微镜（ESEM）能够在低真空环境模式下对含水、含油以及生物等样品进行高分辨率观测。由于电子束通道与样品室间存在着极大的真空压差，采用真空差分结构会导致出现物镜的工作距离增加、偏转范围缩小、电子束和气体碰撞概率增加等问题，最终影响成像分辨率和效率。针对这些问题，本文从电子光学理论出发，综合考虑了ESEM中物镜结构和真空差分结构，将两者结合在一起进行优化设计，提出了一种具有可变真空结构的物镜设计方法，并搭建了实验平台，开展了物镜磁场测试、真空压差测试和分辨率测试。测试结果表明，在目前实验条件和133 Pa的低真空环境模式下，工作距离为15 mm时，20 μm×20 μm的扫描场对应的成像分辨率优于50 nm。
电子光学 物镜 可变真空结构 压差光阑 节流管
1 中国科学院电工研究所，北京 100190
2 中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 100049
3 兰州大学物理科学与技术学院，甘肃 兰州 730000
X射线多层膜是X射线光学领域的重要反射元件，可利用X射线的布拉格反射实现特定波段X射线的高效反射。多层膜的反射率与膜层材料和膜层结构密切关系，根据多层膜的工作原理，对于高能波段的X射线，为获得较大掠射角下的高反射率，通常需要多层膜具有更小的周期厚度和更大的周期数，因此高精度薄膜生长技术是X射线多层膜元件制备的必要条件。本文研究了基于原子层沉积技术的X射线多层膜的制备，首先利用Fresnel系数递推法计算出HfO2/Al2O3、Ir/Al2O3、Ru/Al2O3、W/Al2O3四种材料组合的多层膜的反射率，讨论了材料组合、周期厚度、周期数、占空比等参数对多层膜反射率的影响。在此基础上，选取并制备了周期厚度为4 nm、周期数为60、占空比为0.5的HfO2/Al2O3 X射线多层膜。X射线（0.154 nm）反射率的分析结果显示，该多层膜的周期厚度为3.86 nm，反射率约43%，多层膜截面的透射电子显微镜（TEM）图显示膜层间界面清晰。该结果验证了原子层沉积法制备小周期厚度X射线多层膜元件的可行性。
原子层沉积 X射线 多层膜 反射率
1 中国科学院电工研究所，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 100049
目前，国产大功率端窗X射线管存在束流和功率小于设计值的问题。从热电子发射理论和空间电荷受限发射理论出发，对大功率端窗X射线管的束流进行优化研究。在理论仿真中，计算两种理论模型下的电子束轨迹、束流大小和靶面焦斑。计算分析表明，现有问题主要是灯丝附近的电势分布不合理造成的。基于这一分析，对现有结构提出两种优化方案：一种不改变现有结构仅通过改变灯丝电势来克服灯丝附近的空间电荷效应；另一种通过改变灯丝位置来使灯丝附近的加速电压分布更加合理。基于这两种优化方案，再次进行仿真计算，计算结果显示，两种方案可以有效提高现有大功率X射线管的束流。最后设计了验证性实验，测得了该结构在额定最大灯丝电流下的温度限制束流大小，并验证了仿真计算的准确性，同时也验证了提出的两种优化方案的可行性。
X射线源 空间电荷限制 热电子发射 性能优化 光学学报
2023, 43(22): 2234001
1 中国科学院微电子研究所，北京 100029
2 中国科学院电工研究所，北京 100190
3 中国科学院大学，北京 100049
4 中国科学院上海高等研究院上海同步辐射光源，上海 201800
针对X射线波带片对大高宽比的应用需求，采用原子层沉积法在光滑的金属丝表面生长膜厚可高精度控制的多层膜环带结构，再利用聚焦离子束切片技术获得大高宽比的多层膜X射线波带片。采用复振幅叠加法设计了以Al2O3/HfO2分别为明环和暗环材料的X射线波带片，实验上利用原子层沉积在直径为72 μm的金丝表面交替沉积了10.11 μm的Al2O3/HfO2多层膜，环带数为356，总直径为92.22 μm，最外环宽度为25 nm。通过聚焦离子束切割得到高为1.08 μm、高宽比达43∶1的X射线多层膜菲涅耳波带片。该波带片应用于上海光源（BL08U1A）软X射线成像线站时，在1.2 keV X射线下实现聚焦成像功能，展现出利用该技术制备多层膜X射线波带片的潜力。
X射线菲涅耳波带片 原子层沉积 聚焦离子束 大高宽比 多层膜 光学学报
2023, 43(11): 1134001
1 武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070
2 武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430070
3 武汉理工大学湖北省新能源与智能网联车工程技术研究中心，湖北 武汉 430070
针对现有立体匹配算法在弱纹理区域及深度不连续区域匹配精度低的问题，提出一种基于自适应区域划分的立体匹配算法。首先，利用十字交叉域算法获取像素点臂长，计算像素变化率完成区域划分。然后，通过绝对差算法，改进Census变换和自适应加权梯度算子计算初始代价卷，利用十字交叉域进行代价聚合，对聚合后图像通过改进引导图滤波优化，使用赢者通吃策略筛选最优视差。最后，利用左右一致性检测、迭代区域投票、视差填充优化和中值滤波得到最终视差图。在Middlebury测试平台上测试结果表明，所提算法平均误差率为4.21%，能够有效提升在弱纹理区域及深度不连续区域的匹配精度。
机器视觉 立体匹配 自适应区域划分 像素变化率 引导图滤波 激光与光电子学进展
2023, 60(10): 1010015
M′-型Nd3+:GdTaO4微晶被成功合成并用于变温和变压光谱测试研究。在293~373 K的测试温度范围内，3F3/2→4I9/2跃迁的光谱位置具有高热稳定性，3F3/2(R2)→4I9/2(Z5)跃迁的温度系数仅为0.003 9 cm?傆b1·K?傆b1，3F3/2(R2)→4I9/2(Z2)和3F3/2(R1)→4I9/2(Z2)跃迁荧光的强度比具有高温度依赖性，在生理温度范围内的相对灵敏度为(0.60-0.52)(%·K-1)。在高达11.39 GPa的测试压力范围内，所有跃迁随压力呈线性移动。3F3/2(R2)→4I9/2(Z5)跃迁的光谱位置对压力非常敏感，其灵敏度为15.18 cm?傆b1·GPa?傆b1。此外，各跃迁的荧光强度和光谱宽度在升温和增压过程中的变化也被分析和讨论。与其它近红外光学传感器的对比表明，M′-型Nd3+:GdTaO4在温度和压力传感方面具有良好性能。
钕离子 稀土钽酸盐 光致发光 温度传感 压力传感 neodymium ion rare-earth tantalate photoluminescence temperature sensing pressure sensing
1 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室, 陕西 西安 710049
2 海南电网有限责任公司电力科学研究院, 海南 海口 570125
绝缘纸的老化状态决定了油浸式变压器的剩余寿命, 对绝缘纸的老化状态进行快速有效的评估具有重要意义。 聚合度是表征纤维素绝缘纸老化程度最直接可靠的参量, 在实验室中通过粘度法检测获得, 但该方法需要获得设备纸样, 不但检测耗时长, 还会对变压器类设备的绝缘造成破坏。 近红外光谱分析技术可以快速有效测定物质中的组分含量, 检测过程非侵入、 对绝缘无损, 目前已成功应用于多个领域, 有望成为替代传统聚合度检测的新方法。 然而, 现有的近红外光谱定量分析方法尚不能满足绝缘纸聚合度的预测精度需求, 建立了基于高斯过程回归(GPR)的绝缘纸老化状态定量评估方法。 构建了不同老化程度绝缘纸样本—近红外光谱数据库, 使用Savitzky-Golay卷积平滑算法对光谱数据进行平滑处理以提高信噪比; 研究了不同核函数GPR模型并开展了模型预测精度分析与参数敏感性检验。 结果显示, Exp核模型泛化性能较差, Matern32核、 Matern52核以及RQ核模型对参数敏感性较高、 模型稳定性较差, 最终选择了SE核GPR模型作为最优模型。 将SE核GPR模型与近红外分析领域常用的PLS, SVR与BPNN模型进行性能对比, 结果表明, GPR模型对校正集以及验证集样本的预测误差均最小(RMSE分别为65.5与70.6), 且预测结果与粘度法结果相关系数最高(r分别为0.94与0.93)。 与其他三种模型相比, GPR模型的RMSE比PLS, SVR与BPNN模型低54.1%, 58.8%和12.9%, 显示GPR模型在绝缘纸近红外光谱老化评估领域具有一定优势。
油纸绝缘 近红外光谱 老化状态 定量分析 高斯过程 Oil-paper insulation Near-infrared spectroscopy Aging condition Quantitative analysis Gaussian process 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3073
1 中国科学院电工研究所，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 100049
棒阳极X射线源能够深入到被检物内部进行无损检测，是具有小孔腔特征的金属管壁零部件的可靠性检测的首选方法。具有良好电子光学设计的聚焦系统是棒阳极X射线源获得高分辨率检测的关键之一。首先，从电子光学理论出发，结合棒阳极X射线源的结构特点建立了聚焦系统模型。然后，优化了聚焦系统模型的电子光学参数。最后，搭建了样机，并进行了分辨率测试实验。仿真与实验结果均表明，在50~130 kV加速电压下，样机的分辨率优于50 μm。
X射线光学 棒阳极 长工作距离 电子光学 光学学报
2022, 42(22): 2234001
光学 精密工程
2022, 30(18): 2232
Author Affiliations
Abstract
1 College of Physics and Optoelectronic Engineering, Hangzhou Institute for Advanced Study, University of Chinese Academy of Sciences, Hangzhou 310024, China
2 State Key Laboratory of Infrared Physics, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China
3 Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
4 Department of Optoelectronic Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China
5 Terahertz Technology Innovation Research Institute, Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
6 e-mail:
7 e-mail:
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Topological insulators represent a new quantum phase of matter with spin-polarized surface states that are protected from backscattering, exhibiting electronic responses to light, such as topological quantum phase transitions. However, the effects of high-frequency driving topological intrinsic systems have remained largely unexplored challenges experimentally for high-sensitivity terahertz detection. In this study, by integrating topological insulators with subwavelength metal antennas through micro-nano processing, a high-frequency terahertz detector with high sensitivity is proposed. The enhanced response originates from the asymmetric scattering of the surface electrons in the flakes induced by the terahertz wave. The device displays room-temperature photodetection with a responsivity of 192 mA/W and equivalent noise power of less than in the frequency range from 0.02 to 0.3 THz. These results pave the way for the exploitation of topological insulators for high-frequency operation in real-time imaging within long-wavelength optoelectronics.
Photonics Research
2022, 10(10): 2302
