超快無透鏡相干電子衍射成像方法及裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種超快無透鏡相干電子衍射成像方法及裝置，通過與過程激發源（如飛秒激光脈沖）精確同步的電子脈沖和無透鏡相干衍射成像技術相結合，分析被衍射的相干電子脈沖的強度分布，反演計算確定電子散射相位，實現三維瞬態原子尺度的結構和形貌重構，解決傳統的電子顯微成像方法不具有高時間分辨能力或目前的超快電子成像時間和空間分辨率受限的技術困境。

【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及時間分辨的電子顯微成像，特別是一種具有優于I皮秒時間分辨率和優于I納米空間分辨率的超快無透鏡相干電子衍射成像方法及其可能的相應裝置。
技術介紹
本專利技術涉及的
技術介紹
分為兩方面； 一、電子顯微鏡的時間和空間分辨率問題傳統的電子顯微成像通過提高電子加速電壓、使用電磁透鏡、提高電子源的品質三個主要方向，其空間分辨率的提高已經幾近極限。 由于傳統的電子顯微成像一般是時間累積的形貌成像，無法對物理、化學、生物等各領域中的過程進行高時間分辨成像。因此，在傳統的電子顯微成像技術中引入時間分辨能力，是當今世界科技發展的前沿。已有的時間分辨電子成像系統中，比較典型的有美國加州理工學院(Caltech)Zewail 研究組的超快電子顯微鏡(ultrafast electron microscopy,UEM)，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)Campbell研究組的動態透射電子顯微鏡(dynamic transmission electron microscope, DTEM)。在這些時間分辨電子成像系統中，從衍射空間(即倒空間)到實空間的電子成像是通過電磁物鏡主導的傅里葉變換實現的，由于電子經過樣品后使用電磁物鏡進行成像，損失了電子的相位信息，因此這些系統在空間分辨率和時間分辨率的提高上都受限。一方面，電子束的電磁透鏡成像的空間分辨率提高有兩個重大技術困難一是要求透鏡的像差極小，否則相位誤差將引入到衍射波中，無法獲得清晰像，對于電子透鏡成像和X射線波帶片成像，實現這一點極端困難；二是整個實驗裝置必須足夠穩定，從而位于衍射平面邊緣的大角度電子仍然可以在像平面相干干涉。所以，即使通過復雜的像差矯正，一般電子透鏡的可用角度范圍也僅僅在1-2度，這種動量空間(換句話說，透鏡可以接納入射電子束的最大散射范圍)的限制嚴重地影響了空間分辨率。另一方面，由于電子作為帶電粒子會相互排斥，經過電磁透鏡的長距離飛行過程中，電子脈沖寬度會展寬，從而導致時間分辨率降低。二、相干無透鏡衍射成像它借助于理論方法和計算機算法解決周期和非周期結構樣品中衍射的相位問題，在X射線領域被稱為相干X射線衍射成像(coherent x-raydiffractive imaging, CXDI)。人們很早就意識到可見光領域的相位問題,瑞利在給邁克耳遜的一封信中曾經評論說，如果沒有數據對稱性的相關信息，干涉中的相位問題是無法解決的。相位問題成功解決歸功于D. Sayre,他在1952年指出應該考慮Shannon的取樣理論和布拉格定律間的關系[Acta Crystallogr. 5, 843(1952)]。其后，Gerchberg和Saxton第一次編寫出了恢復相位的算法[Optik 35,237(1972)]。這種算法常被稱為hybrid input - output (HIO) algorithm [Appl. Opt. 21, 2758 (1982)]:對一個原函數在實空間和傅里葉空間反復迭代，每一次迭代都對實空間或者傅里葉空間加邊界條件。此領域在1990年前后開始得到快速發展，其中苗建偉等人1999年首次在軟X射線波段進行了實驗驗證[Nature 400, 342(1999)];隨后左建明等人2003年率先發表了電子相干無透鏡衍射成像的實驗研究成果[Science 300, 1419(2003)], 2008年朱溢眉等人提出“位置敏感衍射成像”(position-sensitive diffractive imaging, PSDI)用于電子的相干無透鏡衍射成像。在過去的20年間，這項技術從結晶學外延到對非晶樣品的高分辨率成像，并得到廣泛應用[Adv. Phys. 59，I (2010)]。相干電子衍射成像的基本原理是利用擬合電子衍射的衍射強度，通過逆向演算找回由于缺少物鏡所丟失的樣品相位信息。基于電子衍射的相干無透鏡成像，對裝置的高穩定性的要求和對入射束的能散要求相對放松。相干成像無需物鏡，直接利用光敏薄膜或者電荷耦合元件(CCD)探測器記錄衍射圖樣的強度。衍射成像的優勢在于干涉條件是否滿足僅僅決定于樣品內部本身的散射，不要求電子束流在傳輸系統中長距離漂移后再干涉。然而與傳統電子顯微成像類似，該方法還不具有時間分辨能力。因此傳統的電子顯微成像技術，主要存在如下技術問題I.無時間分辨能力或時間分辨率受限。2.空間分辨率低實空間像的空間分辨率受物鏡的質量(如像差和色差等)制約， 通過采用高質量的電磁物鏡提高空間分辨率的成本高。3.提高時間分辨率的成本高盡管可以通過采用兆電子伏特電子脈沖來抑制電子脈沖飛行過程中的展寬問題，從而提高時間分辨率，但電磁物鏡的成本與聚焦電子束的能量一般成正比關系(大約人民幣40元每電子伏特)，將極大程度地增加成本。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種超快無透鏡相干電子衍射成像方法及裝置。超快指相對于傳統的電子顯微成像技術，具有高時間分辨率，特指可實現優于I皮秒的時間分辨率。它通過與過程激發源(如飛秒激光脈沖)精確同步的電子脈沖和無透鏡相干衍射成像技術相結合，分析被衍射的相干電子脈沖的強度分布，反演計算確定電子散射相位，實現三維瞬態原子尺度的結構和形貌重構，解決傳統的電子顯微成像方法不具有高時間分辨能力或目前的超快電子成像時間和空間分辨率受限的技術困境。本專利技術的技術解決方案如下 一種超快無透鏡相干電子衍射成像方法，其特點在于該方法結合泵浦-探測技術和無透鏡相干電子衍射成像，以同時實現超高時間分辨和超高空間分辨的瞬態成像；該方法采用與過程激發脈沖精確同步的高亮度相干電子脈沖作為探測源；探測電子經過樣品后不經過任何電子光學系統(即電磁透鏡)，直接由探測系統收集相干電子衍射成像圖樣，從而保持電子的散射相位信息；該方法從所述的相干電子衍射成像通過數據處理和三維重構系統利用現有的反演計算方法計算電子的散射相位信息，實現三維瞬態原子尺度的結構和形貌重構。實施上述超快無透鏡相干電子衍射成像方法的超快無透鏡相干電子衍射成像裝置，由過程激發源、脈沖電子系統、脈沖電子控制系統、樣品、探測系統、數據處理和三維重構系統和高真空樣品靶室組成，上述元部件的功能和位置關系如下 所述的脈沖電子系統、脈沖電子控制系統、樣品和探測系統置于所述的高真空樣品靶室內，樣品置于高真空樣品靶室內的五維調整架上，其中所述的脈沖電子系統由脈沖電子源及其加速、整形元件組成；所述的過程激發源產生過程激發脈沖，輸入所述的高真空樣品靶室激發位于所述的五維調整架上的樣品。所述的脈沖電子源產生與所述的過程激發脈沖精確同步的電子脈沖，該脈沖電子經過加速、整形成為高亮度相干的脈沖電子束，其中空間相干長度優于50納米，時間相干長度優于50納米；經過所述的脈沖電子控制系統聚焦照射在處于高真空樣品靶室內的被過程激發脈沖激發的樣品區域，被所述的樣品衍射后，形成一系列相互耦合的、或者相互重疊的衍射圖樣；該衍射圖樣由所述的探測系統接收，包括布拉格衍射峰以及布拉格峰間的干涉信息；輸入所述的數據處理和三維重構系統，通過在線快速傅里葉方法，從衍射圖樣中找回相位。 所述的過程激發源包括飛秒激光光源、分束鏡、由第一激光伺服反射鏡、第二激光伺服反射鏡和第一平移臺構成的第一本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種超快無透鏡相干電子衍射成像方法，其特征在于：該方法結合泵浦？探測技術和無透鏡相干電子衍射成像，以同時實現超高時間分辨和超高空間分辨的瞬態成像；該方法采用與過程激發脈沖精確同步的高亮度相干電子脈沖作為探測源；探測電子經過樣品后直接由探測系統收集相干電子衍射成像圖樣，從而保持電子的散射相位信息；該方法從所述的相干電子衍射成像通過數據處理和三維重構系統利用現有的反演計算方法計算電子的散射相位信息，實現三維瞬態原子尺度的結構和形貌重構。

【技術特征摘要】
1.一種超快無透鏡相干電子衍射成像方法，其特征在于該方法結合泵浦-探測技術和無透鏡相干電子衍射成像，以同時實現超高時間分辨和超高空間分辨的瞬態成像；該方法采用與過程激發脈沖精確同步的高亮度相干電子脈沖作為探測源；探測電子經過樣品后直接由探測系統收集相干電子衍射成像圖樣，從而保持電子的散射相位信息；該方法從所述的相干電子衍射成像通過數據處理和三維重構系統利用現有的反演計算方法計算電子的散射相位信息，實現三維瞬態原子尺度的結構和形貌重構。2.根據權利要求I所述的超快無透鏡相干電子衍射成像方法，其特征在于采用高亮度的相干電子束，其空間相干長度優于50納米，時間相干長度優于50納米，作為探測源和緊聚焦電子光學，保證電子散射相位的反演，從而使該技術可實現優于I納米的空間分辨率。3.根據權利要求I所述的超快無透鏡相干電子衍射成像方法，其特征在于，采用與過程激發脈沖精確同步的超短電子脈沖作為探測源；通過控制過程激發脈沖、探測電子脈沖寬度以及兩者之間的同步精度均在I皮秒以下，可以實現優于I皮秒的時間分辨率。4.電子脈沖的脈沖寬度、過程激發源的脈沖寬度、電子脈沖是與過程激發源的同步精度等決定了該方法的時間分辨率。5.實施權利要求1-3任一項所述的超快無透鏡相干電子衍射成像方法的超快無透鏡相干電子衍射成像裝置，其特征在于，該裝置由過程激發源(01)、脈沖電子系統(02)、脈沖電子控制系統(03)、樣品(04)、探測系統(05)、數據處理和三維重構系統(06)和高真空樣品靶室(07)組成，上述元部件的功能和位置關系如下 所述的脈沖電子系統(02)、脈沖電子控制系統(03)、樣品(04)和探測系統(05)置于所述的高真空樣品靶室(07)內，樣品(04)置于高真空樣品靶室(07)內的五維調整架上，所述的脈沖電子系統(02)由脈沖電子源及其加速、整形機構組成，所述的過程激發源(01)產生過程激發脈沖，輸入所述的高真空樣品靶室(07)激發位于所述的五維調整架上的樣品(04)； 所述的脈沖電子源產生與所述的過程激發脈沖精確同步的電子脈沖，該脈沖電子經過加速、整形成為高亮度相干的脈沖電子束，經過所述的脈沖電子控制系統(03)聚焦照射在處于高真空樣品靶室(07)內的被過程激發脈沖激發的樣品區域，被所述的樣品衍射后，形成一系列相互耦合的、或者相互重疊的衍射圖樣；該衍射圖樣由所述的探測系統(05)接收，包括布拉格衍射峰以及布拉格峰間的干涉信息；輸入所述的數據處理和三維重構系統(06)，通過在線快速傅里葉方法，從衍射圖樣中找回相位。6.根據權利要求2所述的超快無透鏡相干電子衍射成像裝置，其特征在于所述的過程激發源(01)包括飛秒激光光源(I)、分束鏡(2)、由第一激光伺服反射鏡(3)、第二激光伺...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳潔，王西杰，陳明偉，朱溢眉，朱鵬飛，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發明
國別省市：