專利名稱：高次諧波軟x射線相襯顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種顯微鏡，特別是一種高次諧波軟X射線相襯顯微鏡，這種相襯顯微鏡在生物醫(yī)學(xué)中有著極其廣泛的用途。
背景技術(shù)：
近幾年來，由于超強(qiáng)超短激光的發(fā)展，使高次諧波輻射進(jìn)入到水窗波段，這一巨大的進(jìn)展引起了人們的廣泛關(guān)注。超短是指極端的時間尺度，激光脈寬僅為幾個飛秒，光在一個飛秒內(nèi)傳播的距離為0.3μm，超強(qiáng)是指極高的功率和功率密度。目前，一個激光系統(tǒng)可以產(chǎn)生1015W的峰值功率，聚焦后的光強(qiáng)可以達(dá)到1021～1022W/cm2，其所產(chǎn)生的電場已經(jīng)遠(yuǎn)大于原子內(nèi)部的庫侖場，而且還可以產(chǎn)生104T的超強(qiáng)磁場、1011par的超高壓和溫度高達(dá)109K的黑體輻射。在這種極端物理條件下，激光與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生了許多新的現(xiàn)象，而高次諧波就是強(qiáng)場物理的產(chǎn)物。
高功率飛秒激光與惰性氣體相互作用產(chǎn)生高次諧波，是一種非線性現(xiàn)象，可以用半經(jīng)典理論來進(jìn)行解釋。
原子中的電子，在不同強(qiáng)度激光場的作用下產(chǎn)生電離，電離機(jī)制也是完全不同的，與高次諧波產(chǎn)生的有關(guān)電離有以下幾種多光子電離(Multiphoton Ionization)、閾上電離(Above Thresuold Ionization)、隧道電離(Tunneling Ionization)和過勢壘電離(Over-the barrier Ionization)。
多光子電離是指原子中的電子，通過吸收所需最少數(shù)目的多個光子能量而電離的過程，這通常發(fā)生在激光強(qiáng)度較低、脈沖持續(xù)時間較長的情況下。
所謂閾上電離，指原子中的電子可以吸收多于其電離所需最少數(shù)目的光子而電離。
當(dāng)激光強(qiáng)度足夠高，并且激光頻率很低，在準(zhǔn)靜態(tài)近似下，此時處于激光場中的原子，其勢能被激光電場調(diào)制而發(fā)生嚴(yán)重畸變，即原子的庫侖電場與激光電場在其偏振方向相疊加，而形成了一個合成勢壘。隨著激光強(qiáng)度的進(jìn)一步增大，勢壘被壓低，使得基態(tài)電子可能通過隧道效應(yīng)，越過勢壘而電離，這就是隧道電離現(xiàn)象。
隨著激光強(qiáng)度進(jìn)一步增加，原子的庫侖勢場可能被完全抑制，使勢壘高度降低到等于或小于原子的電離電勢時，基態(tài)電子就能直接越過它而成為自由電子，這就是過勢壘電離機(jī)制。
被電離了的電子進(jìn)一步被激光場加速，有些電子遠(yuǎn)離原子核，有些電子則會經(jīng)過原子核附近，那些經(jīng)過原子核附近的電子，與核發(fā)生碰撞而產(chǎn)生高次諧波，這就是產(chǎn)生高次諧波的工作原理。
1997年，Michigan大學(xué)超快光學(xué)實驗室，用脈寬為6飛秒的780nm激光脈沖與He相互作用，觀察到了高達(dá)297次的諧波輻射，最短波長為2.73nm。
1998年，Vienna技術(shù)大學(xué)的一個實驗小組，采用脈寬為5飛秒的780nm激光脈沖與He相互作用，亦獲得了諧波輻射波長小于3nm的結(jié)果。
這兩個實驗小組取得的實驗結(jié)果，使高次諧波輻射進(jìn)入到水窗波段。
2003年，D.G，Lee等人證明高次諧波X射線源在真空紫外與軟X射線區(qū)域和同步輻射以及X射線激光相比，它的輻射特性為角發(fā)散、超短脈沖持續(xù)時間和空間相干性都比它們?yōu)楹肹參見在先技術(shù)D.G，Lee等Wave-front phase measurments of high-order harmonic beams by use ofpoint-diffraction interferometry，Optics Letters vol.28，No.6，480，2003]。
近年來，X射線相襯成像技術(shù)取得了飛速發(fā)展，這種成像技術(shù)的最大特點是，它不需要任何用來改變X射線位相的光學(xué)元件，就可以獲得位相信息。
當(dāng)部分相干X射線通過物體時，除了吸收以外，還要產(chǎn)生位相變化，即發(fā)生波前的畸變。這種波面畸變導(dǎo)致部分波面的傳播方向發(fā)生變化，它將和未發(fā)生畸變的波面重疊而形成干涉。這樣，位相變化轉(zhuǎn)化成強(qiáng)度變化，這種圖像不經(jīng)過任何重構(gòu)技術(shù)，可直接獲得位相變化圖像。
X射線相襯成像技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于研究生物活體、材料分析等諸多領(lǐng)域，已經(jīng)取得了許多卓有成效的結(jié)果。但令人遺憾的是，目前X射線相襯成像中所使用的X射線源都是同步輻射源的X射線管，并且圖像都是在記錄以后再進(jìn)行放大，限制了它對動態(tài)過程以及超細(xì)微結(jié)構(gòu)的研究，分辨率僅為10μm左右。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述在先技術(shù)中所存在的缺點，提出一種高次諧波X射線相襯顯微成像裝置，該裝置具有較高的分辨率和實時處理能力，可用來研究超細(xì)微結(jié)構(gòu)的超快物理過程。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種高次諧波X射線相襯顯微鏡，包括飛秒激光器，其特征是在該的激光器的輸出光路上依次有會聚透鏡、空心毛細(xì)管波導(dǎo)、樣品室、波帶片、探測器，所述的空心毛細(xì)管波導(dǎo)、樣品室、波帶片、探測器被置于一真空室中，所述的探測器通過導(dǎo)線與真空室外的計算機(jī)相連，所述的飛秒激光器發(fā)出的激光經(jīng)會聚透鏡聚焦在空心毛細(xì)管波導(dǎo)中，將充在該空心毛細(xì)管波導(dǎo))中的氣體產(chǎn)生電離，輻射出高次諧波軟X射線，從空心毛細(xì)管波導(dǎo)中出射的軟X射線照射在樣品室的待測樣品上，被放置在樣品室和探測器之間的波帶片放大成像在探測器上，該探測器將相襯像送入計算機(jī)進(jìn)行處理。
所述的飛秒激光器是一臺鈦寶石飛秒激光器。
所述的會聚透鏡是一塊消色差透鏡。
所述的空心毛細(xì)管波導(dǎo)是一根內(nèi)徑為100μm～300μm石英管制成的長度為6.4m空心毛細(xì)管波導(dǎo)，內(nèi)充有He氣或氬氣。
所述的探測器是一臺CCD電荷耦合器，對軟X射線波段有較高的靈敏度。
本發(fā)明的技術(shù)效果如下本發(fā)明的軟X射線相襯顯微鏡，采用了高次諧波軟X射線源，可以看成是一個點光源，有較高的空間相干性，這已為許多實驗所證明，這為相襯成像提供了一個相干光源。
本發(fā)明的軟X射線相襯顯微鏡，使用了一個波帶數(shù)大于500的波帶片，這種波帶片成像符合單色透鏡成像公式1f=1u+1v]]>式中，f為波帶片的焦距，u為物距，v為像距。如果我們將物距接近焦距，此時成像放大倍數(shù)可達(dá)到1000倍。
設(shè)CCD的每個像素大小為24μm，即可分辨的物體間距為24μm，則可分辨的物體大小為48μm。又已知微波帶片預(yù)放大的倍數(shù)為1002，則該X射線全息顯微鏡的分辨率為48μm/1002＝48nm。此數(shù)值證明了采用微波帶片預(yù)放大，大大降低對記錄介質(zhì)的分辨率要求，大幅度提高軟X射線相襯顯微鏡的成像分辨率。
與在先技術(shù)相比，本發(fā)明高次諧波軟X射線相襯顯微鏡，采用高次諧波軟X射線作光源，有較高的空間相干性，由于使用了波帶片對相襯圖像進(jìn)行放大，將相襯成像的分辨率提高了100倍，這為生物醫(yī)學(xué)的研究可提供一理想的工具。


圖1為本發(fā)明的高次諧波軟X射線相襯顯微鏡實施例原理圖。
具體實施例方式
先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明的高次諧波軟X射線相襯顯微鏡實施例原理圖，它是由八部分組成飛秒激光器1，會聚透鏡2、空心毛細(xì)管波導(dǎo)樣品室4、波帶片5、探測器6、計算機(jī)7和真空室8。在本實施例中所說的飛秒激光器1是一臺脈寬為20fs，輸出能量為100μJ，輻射波長為800nm的飛秒鈦寶石激光系統(tǒng)。
所說的會聚透鏡2是一塊消色差的玻璃透鏡，焦距長為100mm，直徑為80mm。
所說的空心毛細(xì)管波導(dǎo)3，內(nèi)徑為150μm，長度為64mm，充有氦氣。
所說的樣品室4是一個用來放置生物樣品的工作室。
所說的波帶片5是一塊直徑為3mm，焦距為4mm，波帶數(shù)大于500的菲涅耳波帶片。
所說的探測器6是一臺對軟X射線有較高靈敏度的CCD電荷耦合器。
所說的計算機(jī)7是一臺能實時顯示相襯圖像的計算機(jī)。
所說的真空室8是一個真空度為10-3τ簡易真空室。
本發(fā)明高次諧波軟X射線相襯顯微鏡的工作原理和基本過程如下從飛秒激光器1中輻射出的激光，經(jīng)會聚透鏡2聚焦到充有氦氣的空心毛細(xì)波導(dǎo)3中，并產(chǎn)生波長為3nm的軟X射線，該軟X射線入射到樣品室4，在自由空間傳播一距離Z以后Z=0.49Z1λU12Z1-0.49]]>式中，Z1為空心毛細(xì)管波導(dǎo)3中心部分到樣品室4的距離，λ是軟X射線輻射波長，U1為樣品室中的樣品空間頻率。
進(jìn)入到放置在距樣品室4的距離為U＝Z+3.996mm的波帶片5中，然后被距波帶片的距離為3996mm的探測器6所接收，這一系統(tǒng)將相襯像放大1000倍，將軟X射線相襯成像分辨率也提高1000倍，可探測到48nm的超細(xì)微結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種高次諧波X射線相襯顯微鏡，包括飛秒激光器(1)，其特征是在于該的激光器(1)的輸出光路上依次有會聚透鏡(2)、空心毛細(xì)波導(dǎo)(3)、樣品室(4)、波帶片(5)、探測器(6)，所述的空心毛細(xì)管波導(dǎo)(3)、樣品室(4)、波帶片(5)、探測器(6)被置于一真空室(8)中，所述的探測器(6)通過導(dǎo)線與真空室(8)外的計算機(jī)(7)相連，所述的飛秒激光器(1)發(fā)出的激光經(jīng)會聚透鏡(2)聚焦在空心毛細(xì)管波導(dǎo)(3)中，將充在該空心毛細(xì)管波導(dǎo)(3)中的氣體產(chǎn)生電離，輻射出高次諧波軟X射線，從空心毛細(xì)管波導(dǎo)(3)中出射的軟X射線照射在樣品室(4)的待測樣品上，被放置在樣品室(4)和探測器(6)之間的波帶片(5)放大成像在探測器(6)上，該探測器(6)將相襯像送入計算機(jī)(7)進(jìn)行處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高次諧波X射線相襯顯微鏡，其特征在于所述的飛秒激光器(1)是一臺鈦寶石飛秒激光器，脈沖寬度為5～150fs，單脈沖能量為1μJ～300μJ，輻射波長為780～830nm，重復(fù)頻率為103～106Hz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高次諧波X射線相襯顯微鏡，其特征在于所述的會聚透鏡(2)是一塊消色差透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高次諧波X射線相襯顯微鏡，其特征在于所述的空心毛細(xì)管波導(dǎo)(3)是一根內(nèi)徑為100μm～300μm石英管制成的長度為6.4m空心毛細(xì)管波導(dǎo)，內(nèi)充有He氣或氬氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高次諧波X射線相襯顯微鏡，其特征在于所述的探測器(6)是一臺CCD電荷耦合器，對軟X射線波段有較高的靈敏度。
全文摘要
一種高次諧波X射線相襯顯微鏡，包括飛秒激光器，其特征是在該的激光器的輸出光路上依次有會聚透鏡、空心毛細(xì)管波導(dǎo)、樣品室、波帶片、探測器，所述的空心毛細(xì)管波導(dǎo)、樣品室、波帶片、探測器被置于一真空室中，所述的探測器通過導(dǎo)線與真空室外的計算機(jī)相連，所述的飛秒激光器發(fā)出的激光經(jīng)會聚透鏡聚焦在空心毛細(xì)管波導(dǎo)中，將充在該空心毛細(xì)管波導(dǎo))中的氣體產(chǎn)生電離，輻射出高次諧波軟X射線，從空心毛細(xì)管波導(dǎo)中出射的軟X射線照射在樣品室的待測樣品上，被放置在樣品室和探測器之間的波帶片放大成像在探測器上，該探測器將相襯像送入計算機(jī)進(jìn)行處理。本發(fā)明的裝置具有較高的分辨率和實時處理能力，可用來研究超細(xì)微結(jié)構(gòu)的超快物理過程。
文檔編號G02B21/14GK1564046SQ20041001706
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月19日
發(fā)明者陳建文, 高鴻奕, 李儒新, 徐至展 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所