Multiphoton microscopy is the enabling tool for biomedical research, but the aberrations of biological tissues have limited its imaging performance. Adaptive optics (AO) has been developed to partially overcome aberration to restore imaging performance. For indirect AO, algorithm is the key to its successful implementation. Here, based on the fact that indirect AO has an analogy to the black-box optimization problem, we successfully apply the covariance matrix adaptation evolution strategy (CMA-ES) used in the latter, to indirect AO in multiphoton microscopy (MPM). Compared with the traditional genetic algorithm (GA), our algorithm has a greater improvement in convergence speed and convergence accuracy, which provides the possibility of realizing real-time dynamic aberration correction for deep in vivo biological tissues.

光阴极注入器为X射线自由电子激光提供高品质电子束团，其中，阴极面上电子发射的均匀性在很大程度上影响着电子束团的束流品质，实验中常通过测量光阴极量子效率分布来评估电子发射的均匀性。成像法测量光阴极量子效率分布时具有实时、高分辨的特点，目前，此方法只在电磁分离型光阴极注入器中有所应用。探索成像法在电磁叠加型光阴极注入器中应用的可行性，采用理论分析结合数值模拟的方法，研究结果显示成像法适用于电磁叠加型光阴极注入器，且由此获得的量子效率分布具有阴极面中心位置处分辨率优于外层的特点。此外，针对成像法在初始束团横向动量分布测量中的应用进行模拟计算分析，并在此基础上提出一种判断阴极面剩余磁场是否为零的方法。

介绍了均方根（RMS）、半高全宽（FWHM）和50%调制传递函数（MTF）等效均匀分布等焦斑尺寸评价方法。针对一台直线感应加速器，通过建立理论模型和开展逐束片PIC模拟研究了长脉冲（约100 ns）电子束的聚焦过程，分析了能量、流强与平顶区差异较大的脉冲上升/下降沿对FWHM和MTF焦斑尺寸的影响。研究结果表明：能散度较大的束流上升/下降沿会导致束流焦斑，尤其是MTF焦斑显著增长，在模拟结果中FWHM尺寸增长约9%，而MTF尺寸增长达到约24%，是目前导致束流底宽偏大的主要因素之一。

在一种猝发高重频的X射线自由电子激光（XFEL）装置中，由于受到光阴极注入器内补偿螺线管与电子枪之间特殊结构的限制，阴极附近电场与磁场为叠加状态。实验中需要对阴极热发射度进行测量，而测量热发射度常用的螺线管扫描法基于几何发射度不变的前提，无法直接应用于电磁场叠加的结构。针对这一问题，考虑到归一化过程可以剔除电场对发射度的影响，基于此，研究归一化相空间中应用的螺线管扫描法，并通过仿真计算与分析，最终证明该方法适用于电磁叠加场中阴极热发射度的测量。