光束扫描系统在光学显微成像中扮演着重要的角色，针对现有光束扫描中继系统尺寸、像差较大以及装调精度要求高的问题，提出一种双二维微机电系统（MEMS）振镜光束扫描方法。该方法采用两片二维MEMS振镜进行光束远心扫描，其中，一片MEMS振镜替代传统中继系统中的scan lens和tube lens，避免像差的引入，缩减系统尺寸，最终完成了小型化、结构简单和无像差的光束扫描系统设计。基于该方法构建了小型化共焦扫描显微镜，并对台阶样品进行扫描成像，验证了该方法的可行性。该方法为光学显微成像提供了一种新型的光束扫描手段，可为光学显微成像技术在深空探测、现场检测和生物医学等领域的进一步应用提供一种新的技术途径。

激光共焦拉曼光谱技术由于具有分子指纹及层析成像特性，成为探索微观分子世界的重要手段；但受原理限制，现有激光共焦拉曼光谱技术的分辨力及图谱成像能力逐渐桎梏了其发展。近年来，围绕激光共焦拉曼光谱技术性能改善方面，本研究团队基于发明的超分辨激光差动共焦技术，提出了激光差动共焦拉曼图谱成像系列新方法和新技术。系统地介绍所提激光差动共焦拉曼图谱系列测量方法及仪器化研究进展，并对未来发展方向进行了评述和展望。

矿物分类与识别是地质研究领域的重要内容, 对地质勘探和环境演化的研究具有重要意义。 然而, 传统的矿石分类识别方法依靠专业人员通过矿石的外形及物理性质进行人工鉴定, 主观性强, 准确率低, 激光诱导击穿光谱技术(LIBS)由于其元素“指纹”特性、 灵敏度高以及快速在线检测的特点, 非常适合用于地质研究领域。 利用共焦激光诱导击穿光谱技术与机器学习结合, 提高了矿石分类识别的精准度, 利用共焦LIBS系统获得8种天然矿石样品(金矿、 铜矿、 银辉矿、 赤铁矿、 铝矿、 方铅石、 磷灰石以及闪锌矿)的光谱数据, 采用主成分分析方法(PCA)对数据进行降维处理, 并对降维后的数据采用线性判别分析(LDA)、 最邻近规则(KNN)以及支持向量机(SVM)三种方法进行特征谱线的高精准分类识别。 首先, 采用标准铜片作为样品, 对比了非共焦LIBS系统和共焦LIBS系统的稳定性及其对PCA主成分累计贡献率的影响, 结果表明与非共焦LIBS系统相比, 共焦LIBS系统的稳定性提升了63.75%, 主成分累计贡献率提高了17.81%; 然后, 采用共焦LIBS系统获取上述8种矿石样品的光谱信息, 并进行去噪等预处理, 采用PCA对矿石特征数据进行提取, 并保留累计贡献率达到99.4%的前10维特征空间; 最后, 将特征数据分别与LDA, KNN以及SVM结合构建分类模型, 进行种类识别。 结果表明, PCA方法与LDA和KNN方法结合的分类准确度分别为95.78%和92.58%, 而与SVM相结合的方法, 准确率可达到97.89%。 因此, 采用共焦激光诱导击穿光谱技术与PCA和SVM相结合的方法, 可为地质勘探和矿物识别领域提供一种快速、 高准确度的分类识别方式, 具有广阔的应用前景。

共焦拉曼技术结合了共焦显微技术和拉曼光谱技术, 具有高分辨率、 高灵敏度、 可层析成像的优势, 广泛应用于物理、 材料科学、 生物医学、 文物鉴定以及刑侦等领域。 由于拉曼光谱成像需要较长时间, 测量中系统易受环境等因素影响产生漂移, 造成离焦, 而现有商用共焦拉曼光谱仪并无定焦能力, 容易影响测量结果。 针对此问题, 研制了一种具有抗漂移能力的激光共焦拉曼光谱探测系统。 在不改变共焦拉曼探测基本原理的基础上, 利用拉曼轴向响应曲线最大值对应显微物镜焦面这一特性, 对每个探测点进行轴向扫描, 采集一定数量的轴向信号, 通过曲线拟合寻找光谱强度极值位置, 保证扫描过程中样品始终处于系统的焦点位置处, 抑制离焦影响, 改善拉曼光谱成像效果。 以单层石墨烯样品进行单点测试, 证明仪器在5 μm离焦范围内可以实现实时定焦, 定焦后采集到的拉曼光谱强度几乎不变, 具有良好的抗漂移能力; 对硅台阶样品进行成像测试, 结果表明成像过程中, 信号强度未发生明显变化, 且横向分辨率有一定改善, 效果明显优于普通共焦拉曼光谱探测系统。

随着现代科技对纳米微观区域兴趣的增加, 如DNA测序、 分子纳米器件微结构检测等, 其对拉曼光谱技术的空间分辨力提出了更高的要求, 而现有共焦拉曼光谱技术受自身原理限制, 空间分辨力已无法满足科学需求。 针对这一问题, 在现有共焦拉曼光谱技术的基础上, 提出一种基于最大似然算法的共焦拉曼光谱成像方法。 该方法将超分辨图像复原技术与共焦拉曼光谱技术相结合, 利用基于Poisson-Markov约束的最大似然超分辨复原算法对共焦拉曼光谱图像进行超分辨图像复原处理, 恢复图像高频成分, 进而改善共焦拉曼光谱系统的空间分辨能力, 实现超分辨成像。 仿真分析和实验结果表明, 提出的基于最大似然算法的共焦拉曼光谱成像方法在不改变现有共焦拉曼光谱系统光学结构的前提下, 仅对单幅拉曼光谱图像进行超分辨图像复原处理, 即可将系统空间分辨力提高到200 nm, 实现超分辨成像, 同时该方法具有较强的噪声抑制能力。 该方法有效地提高了共焦拉曼光谱系统的空间分辨力, 为物理化学、 材料科学等前沿领域中的高空间分辨微区光谱探测提供了一种新的途径, 是一种行之有效的高空间分辨的共焦拉曼光谱成像方法。

拉曼光谱技术因其光谱信息丰富、 非接触、 无破坏、 样品用量少、 高灵敏度等特点, 为现代前沿基础科研领域提供一种有力的分析手段, 成为分析科学的研究热点。 激光共焦拉曼技术结合共焦显微探测和拉曼光谱探测技术, 具有空间分辨力高、 可层析探测的优势, 在物理化学、 材料科学、 生物医学、 考古及文物鉴定、 刑侦科学等众多领域应用广泛。 现有共焦拉曼系统由于在扫描过程中无法对探测点进行定焦, 因而在长时间的探测过程中会因环境变化、 系统漂移等问题导致系统离焦, 从而造成测量结果存在误差甚至错误的问题。 本文针对这一问题, 在现有共焦拉曼系统的基础上, 提出一种基于二次曲线拟合的共焦拉曼光谱探测方法。 该方法利用二次曲线对光谱共焦曲线进行拟合, 通过寻找曲线最大值, 得到系统焦点, 进而在扫描过程中对每个探测点进行焦点定位后, 采集该点光谱信息, 从而保证扫描过程中系统始终位于焦点位置, 消除系统离焦对实验结果的影响, 实现共焦拉曼光谱系统的精确测量。 通过仿真分析和实验结果表明: 本文提出的基于二次曲线拟合的共焦拉曼光谱探测方法可以有效消除系统离焦对实验结果造成的影响, 提高系统轴向定焦的准确度, 为共焦拉曼光谱技术的进一步应用提供了保证, 是一种行之有效的定焦准确、 抗漂移强的拉曼光谱测量方法。

电磁波谱中的γ-射线、X-射线、紫外线、可见光、红外线和微波等都已经在医学治疗领域发挥了重要作用，唯独处在微波和红外之间的太赫兹(THz)技术还处在发展的初级阶段。将特定波长的THz波聚焦成为一线，称为THz针，并用于睡眠治疗研究，探索THz针调节睡眠的临床疗效。经过临床实验判断，THz波可以有效地改善睡眠质量。为进一步研究THz波与人体相互作用的机理，观察了一些临床实验细节，即经过照射THz波，光电容积脉搏波(PPG)信号出现显著的第二小峰，患者的血钾浓度有所上升。本研究不仅为睡眠治疗提供了一个有效、物理无创式的方法，而且为THz技术本身的研究提供了素材。