專利名稱：超快無透鏡相干電子衍射成像方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及時間分辨的電子顯微成像，特別是一種具有優(yōu)于I皮秒時間分辨率和優(yōu)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。
背景技術：
本發(fā)明涉及的背景技術分為兩方面；
一、電子顯微鏡的時間和空間分辨率問題傳統(tǒng)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(zhì)三個主要方向，其空間分辨率的提高已經(jīng)幾近極限。 由于傳統(tǒng)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(tǒng)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(fā)展的前沿。已有的時間分辨電子成像系統(tǒng)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(tài)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(tǒng)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(xiàn)的，由于電子經(jīng)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(tǒng)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(xiàn)這一點極端困難；二是整個實驗裝置必須足夠穩(wěn)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(jīng)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(jīng)評論說，如果沒有數(shù)據(jù)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(shù)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(fā)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(fā)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?；陔娮友苌涞南喔蔁o透鏡成像，對裝置的高穩(wěn)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(yōu)勢在于干涉條件是否滿足僅僅決定于樣品內(nèi)部本身的散射，不要求電子束流在傳輸系統(tǒng)中長距離漂移后再干涉。然而與傳統(tǒng)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(tǒng)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(zhì)量(如像差和色差等)制約， 通過采用高質(zhì)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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)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(tǒng)的電子顯微成像技術，具有高時間分辨率，特指可實現(xiàn)優(yōu)于I皮秒的時間分辨率。它通過與過程激發(fā)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(xiàn)三維瞬態(tài)原子尺度的結構和形貌重構，解決傳統(tǒng)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。本發(fā)明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(xiàn)超高時間分辨和超高空間分辨的瞬態(tài)成像；該方法采用與過程激發(fā)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(jīng)過樣品后不經(jīng)過任何電子光學系統(tǒng)(即電磁透鏡)，直接由探測系統(tǒng)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(shù)據(jù)處理和三維重構系統(tǒng)利用現(xiàn)有的反演計算方法計算電子的散射相位信息，實現(xiàn)三維瞬態(tài)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(fā)源、脈沖電子系統(tǒng)、脈沖電子控制系統(tǒng)、樣品、探測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和三維重構系統(tǒng)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(tǒng)、脈沖電子控制系統(tǒng)、樣品和探測系統(tǒng)置于所述的高真空樣品靶室內(nèi)，樣品置于高真空樣品靶室內(nèi)的五維調(diào)整架上，其中所述的脈沖電子系統(tǒng)由脈沖電子源及其加速、整形元件組成；所述的過程激發(fā)源產(chǎn)生過程激發(fā)脈沖，輸入所述的高真空樣品靶室激發(fā)位于所述的五維調(diào)整架上的樣品。
所述的脈沖電子源產(chǎn)生與所述的過程激發(fā)脈沖精確同步的電子脈沖，該脈沖電子經(jīng)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(yōu)于50納米，時間相干長度優(yōu)于50納米；經(jīng)過所述的脈沖電子控制系統(tǒng)聚焦照射在處于高真空樣品靶室內(nèi)的被過程激發(fā)脈沖激發(fā)的樣品區(qū)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(tǒng)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(shù)據(jù)處理和三維重構系統(tǒng)，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(fā)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可變光路延遲調(diào)節(jié)系統(tǒng)、第三激光伺服反射鏡、光參量放大激光轉化系統(tǒng)、第四激光伺服反射鏡、聚焦透鏡構成。所述的脈沖電子系統(tǒng)由高真空樣品靶室外的第五激光伺服反射鏡、由第六激光伺服反射鏡、第七激光伺服反射鏡和第二平移臺構成的第二光路延遲調(diào)節(jié)系統(tǒng)、第八激光伺服反射鏡、飛秒激光三倍頻裝置、紫外聚焦透鏡和高真空樣品靶室內(nèi)的金屬膜和多級微波加速器構成。所述的脈沖電子控制系統(tǒng)由位于高真空樣品靶室內(nèi)依次的第一偏轉板、第二偏轉板、由第一電磁透鏡、第一孔徑、第二電磁透鏡和第二孔徑構成。沿所述的飛秒激光光源的激光前進方向是所述的分束鏡，該分束鏡將飛秒激光光源輸出的飛秒激光脈沖分為反射光束和透射光束；沿所述的反射光束的前進方向依次經(jīng)所述的第一激光伺服反射鏡、第二激光伺服反射鏡、第三激光伺服反射鏡、光參量放大激光轉化系統(tǒng)、第四激光伺服反射鏡反射，經(jīng)所述的聚焦透鏡聚焦后，穿過所述的高真空樣品靶室照射位于五軸樣品調(diào)節(jié)架上的樣品；沿所述的透射光束的前進方向依次經(jīng)過所述的第五激光伺服反射鏡、第六激光伺服反射鏡、第七激光伺服反射鏡、第八激光伺服反射鏡、飛秒激光三倍頻裝置和紫外聚焦透鏡聚焦后轉化為266nm激光脈沖。所述的266nm激光脈沖照射位于所述高真空樣品靶室內(nèi)的金屬膜，并通過光電效應產(chǎn)生脈沖電子，該電子脈沖經(jīng)多級微波加速器、第一偏轉板、第二偏轉板、由第一電磁透鏡、第一孔徑、第二電磁透鏡、第二孔徑構成的電子聚焦準直系統(tǒng)后，形成約50納米或更小的相干電子斑，照射在所述的樣品區(qū)域內(nèi)，被衍射形成的布拉格衍射峰和布拉格峰間干涉信息的衍射圖樣，該衍射圖樣由所述的探測系統(tǒng)接收，通過所述的數(shù)據(jù)處理和三維重構系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，利用“位置敏感衍射成像”(PSDI)技術，解析出樣品的散射相位信息。所述的過程激發(fā)脈沖和所述的電子脈沖通過泵浦-探測技術精確同步。所述的五軸樣品調(diào)節(jié)架具有上下、前后、左右、旋轉和傾斜調(diào)整姿態(tài)。所述的第一激光伺服反射鏡和第二激光伺服反射鏡設置于第一平移臺上構成的第一可變光路延遲調(diào)節(jié)系統(tǒng)，所述的第六激光伺服反射鏡和第七激光伺服反射鏡設置于第二平移臺上構成的第二光路延遲調(diào)節(jié)系統(tǒng)。本發(fā)明技術解決方案的原理
I.解決無時間分辨能力或時間分辨率受限問題采用電子脈沖，特別是可以采用兆電子伏特飛秒電子脈沖，該電子脈沖與過程激發(fā)源(如飛秒激光)精確同步。2.解決空間分辨率受物鏡的質(zhì)量制約問題采用無透鏡相干電子衍射成像，不使用物鏡(即散焦電磁透鏡)，且縮短電子飛行距離。
3.解決通過采用兆電子伏特電子脈沖提高時間分辨率的高成本問題采用無透鏡相干電子衍射成像，不使用物鏡，大幅度降低成本。4.實現(xiàn)超高空間分辨率由于采用高亮度的相干電子束(空間相干長度優(yōu)于50納米，時間相干長度優(yōu)于50納米)和緊聚焦電子光學(聚焦電子斑小于50納米)，保證電子散射相位的反演，從而使該技術可實現(xiàn)優(yōu)于I納米的空間分辨率。5.實現(xiàn)超高時間分辨率超快(即時間分辨)電子顯微成像可以通過精密調(diào)節(jié)過程激發(fā)脈沖與探測電子脈沖之間的時間延遲，進而探測每一個相對時刻的無透鏡相干電子衍射圖樣，并進行該時刻的反演和樣品的三維重構，最終獲得泵浦激發(fā)樣品區(qū)域前后的瞬態(tài)結構信息。通過控制過程激發(fā)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(xiàn)優(yōu)于I皮秒的時間分辨率。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是
I.實現(xiàn)超高時間分辨和超高空間分辨的瞬態(tài)成像它利用了與過程激發(fā)源(如激 光)精確同步的高能電子脈沖，結合泵浦-探測方法，可同時實現(xiàn)超高時間分辨(優(yōu)于I皮秒)和超高空間分辨(優(yōu)于I納米)的瞬態(tài)成像能力。2.避免電磁透鏡對提高時間分辨率的限制它的無透鏡設計，避免了飛秒探測電子脈沖經(jīng)過電子透鏡后的脈沖展寬，保持了電子脈沖寬度，保證了該方法的時間分辨率。3.極大降低成本它的無透鏡設計，結構簡單，避免采用昂貴的散焦電磁透鏡。4.提供時間分辨電子衍射所缺乏的重要的局域瞬態(tài)結構信息。


圖I是本發(fā)明超快無透鏡相干電子衍射成像裝置的結構簡圖。圖2是本發(fā)明裝置的一個實施例的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。本發(fā)明所述的超快無透鏡相干電子衍射成像方法具有脈沖電子控制系統(tǒng)簡單、空間分辨率不受散焦物鏡制約等優(yōu)點，只需要一組強聚焦磁透鏡將脈沖電子聚焦在樣品上，無需散焦電磁透鏡，就可實現(xiàn)在實空間的超高時間和超高空間分辨。該方法極易與兆電子伏特超快電子衍射相結合，但這一方法對脈沖電子束的相干性有極高的要求。脈沖電子束的相干性以及聚焦電子斑大小決定本發(fā)明的空間分辨率。本發(fā)明所述的超快無透鏡相干電子衍射成像方法所采用的電子脈沖是與過程激發(fā)源精確同步；探測電子脈沖的脈沖寬度、過程激發(fā)脈沖的脈沖寬度、電子脈沖與過程激發(fā)源的同步精度等決定了該方法的時間分辨能力，可以實現(xiàn)I皮秒甚至更優(yōu)的時間分辨率。先請參閱圖1，圖I是本發(fā)明超快無透鏡相干電子衍射成像裝置的結構簡圖。本發(fā)明超快無透鏡相干電子衍射成像裝置，由過程激發(fā)源01、脈沖電子系統(tǒng)02、脈沖電子控制系統(tǒng)03、樣品04、探測系統(tǒng)05、數(shù)據(jù)處理和三維重構系統(tǒng)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(tǒng)02、脈沖電子控制系統(tǒng)03、樣品04和探測系統(tǒng)05置于所述的高真空樣品靶室07，樣品04置于高真空樣品靶室07內(nèi)的五維調(diào)整架上，其中所述的脈沖電子系統(tǒng)02由脈沖電子源及其加速、整形元件組成；所述的過程激發(fā)源01產(chǎn)生過程激發(fā)脈沖，輸入所述的高真空樣品靶室07激發(fā)位于所述的五維調(diào)整架上的樣品04。所述的脈沖電子源產(chǎn)生與所述的過程激發(fā)脈沖精確同步的電子脈沖，該脈沖電子經(jīng)過加速、整形成為高亮度相干的脈沖電子束，經(jīng)過所述的脈沖電子控制系統(tǒng)03聚焦照射在處于高真空樣品靶室07內(nèi)的被過程激發(fā)脈沖激發(fā)的樣品區(qū)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；該衍射圖樣有所述的探測系統(tǒng)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(shù)據(jù)處理和三維重構系統(tǒng)06，通過在線快速傅里葉方法，從衍射圖樣中找回相位。請參閱圖2，圖2是本發(fā)明裝置的一個實施例的結構示意圖。實施例是以飛秒脈沖激光為過程激發(fā)源的裝置，由圖可見，本發(fā)明超快無透鏡相干電子衍射成像裝置的構成
所述的過程激發(fā)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、第二激光伺服反射鏡4和第一平移臺5構成的第一可變光路延遲調(diào)節(jié)系統(tǒng)、第三激光伺服反射鏡 6、光參量放大激光轉化系統(tǒng)7、第四激光伺服反射鏡8、聚焦透鏡9構成。所述的脈沖電子系統(tǒng)02由位于高真空樣品靶室24外的第五激光伺服反射鏡10、由第六激光伺服反射鏡11、第七激光伺服反射鏡12和第二平移臺13構成的第二光路延遲調(diào)節(jié)系統(tǒng)、第八激光伺服反射鏡28、飛秒激光三倍頻裝置14、紫外聚焦透鏡15和位于高真空樣品祀室24內(nèi)的金屬膜16和多級微波加速器17構成。脈沖電子控制系統(tǒng)03由位于高真空樣品革巴室24內(nèi)依次的第一偏轉板18、第二偏轉板19、由第一電磁透鏡20、第一孔徑21、第二電磁透鏡22、第二孔徑23構成。沿所述的飛秒激光光源I的激光前進方向是所述的分束鏡2，該分束鏡2將飛秒激光光源I輸出的飛秒激光脈沖分為反射光束A和透射光束B ;沿所述的反射光束A的前進方向依次經(jīng)所述的第一激光伺服反射鏡3、第二激光伺服反射鏡4、第三激光伺服反射鏡6、光參量放大激光轉化系統(tǒng)7、第四激光伺服反射鏡8反射，經(jīng)所述的聚焦透鏡9聚焦后，穿過所述的高真空樣品靶室照射位于五軸樣品調(diào)節(jié)架25上的樣品；沿所述的透射光束B的前進方向依次經(jīng)過所述的第五激光伺服反射鏡10、由第六激光伺服反射鏡11、第七激光伺服反射鏡12、第八激光伺服反射鏡28、飛秒激光三倍頻裝置14和紫外聚焦透鏡15聚焦后轉化為266nm激光脈沖。所述的266nm激光脈沖照射位于所述高真空樣品靶室24內(nèi)的金屬膜16上，并通過光電效應產(chǎn)生脈沖電子，該脈沖電子經(jīng)多級微波加速器17、第一偏轉板18、第二偏轉板19、由第一電磁透鏡20、第一孔徑21、第二電磁透鏡22、第二孔徑23構成的電子聚焦準直系統(tǒng)后照射在所述的樣品區(qū)域內(nèi)，被衍射形成的布拉格衍射峰和布拉格峰間干涉信息的衍射圖樣，該衍射圖樣由所述的探測系統(tǒng)26接收，送入所述的數(shù)據(jù)處理和三維重構系統(tǒng)27進行數(shù)據(jù)處理，利用“位置敏感衍射成像”(PSDI)技術，解析出樣品的散射相位信息。所述的過程激發(fā)脈沖和所述的電子脈沖通過泵浦-探測技術精確同步。所述的五軸樣品調(diào)節(jié)架具有上下、前后、左右、旋轉和傾斜調(diào)整姿態(tài)。所述的第一激光伺服反射鏡3和第二激光伺服反射鏡4設置于第一平移臺5上構成的第一可變光路延遲調(diào)節(jié)系統(tǒng)，所述的第六激光伺服反射鏡11和第七激光伺服反射鏡12設置于第二平移臺13上構成的第二光路延遲調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
其中放置樣品的高真空樣品靶室、脈沖電子源的腔室、脈沖電子控制系統(tǒng)的腔室以及探測系統(tǒng)的腔室都處于高真空或超高真空環(huán)境，可以通過前級機械泵以及分子泵抽至IO-7Pa以下，再通過離子泵及升華泵保持超高真空狀態(tài)。本發(fā)明所述的超快(即時間分辨的)無透鏡相干電子衍射成像(即電子顯微成像)可以通過精密調(diào)節(jié)第一平移臺5或第二平移臺13調(diào)節(jié)泵浦脈沖與探測電子之間的時間延遲，進而探測每一個相對時刻的無透鏡相干電子衍射圖樣，并進行該時刻的反演和樣品的三維重構，最終獲得泵浦激發(fā)樣品區(qū)域前后的瞬態(tài)結構信息。由于過程激發(fā)脈沖在飛秒量級，過程激發(fā)脈沖與探測電子脈沖同源(可實現(xiàn)精確同步至飛秒量級)，只要通過控制探測電子脈沖寬度在I皮秒以下，以及平移臺的移動精度優(yōu)于150微米，就可以實現(xiàn)優(yōu)于I皮秒的時間分辨率。本發(fā)明所述的發(fā)生相干衍射的電子脈沖要求具有一定的空間和時間相干性。電子脈沖的空間相干性和時間相干性決定了該方法的可操作性和空間分辨率?；谀壳艾F(xiàn)有的
3MeV超短電子源，空間相干長度可達30納米，時間相干長度可達O. 5納米，可以滿足飛秒電子衍射的需求。為實現(xiàn)超快無透鏡相干電子衍射成像，需要進一步對超短兆電子伏特電子脈沖進行優(yōu)化，使能散從10_3降至10_5從而提高電子的時間相干長度兩個數(shù)量級，同時降低電子發(fā)散角以提高空間相干長度3倍以上，從而通過導入的雙聚焦鏡及聚焦鏡孔徑，超快電子束斑可聚焦到30-50納米，對納米粒子、超薄樣品都可望實現(xiàn)I納米的空間分辨，從而實現(xiàn)同時獲得超高時間分辨和超高空間分辨能力。
權利要求
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(xiàn)超高時間分辨和超高空間分辨的瞬態(tài)成像；該方法采用與過程激發(fā)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(jīng)過樣品后直接由探測系統(tǒng)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(shù)據(jù)處理和三維重構系統(tǒng)利用現(xiàn)有的反演計算方法計算電子的散射相位信息，實現(xiàn)三維瞬態(tài)原子尺度的結構和形貌重構。
2.根據(jù)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(yōu)于50納米，時間相干長度優(yōu)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(xiàn)優(yōu)于I納米的空間分辨率。
3.根據(jù)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(fā)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(fā)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(xiàn)優(yōu)于I皮秒的時間分辨率。
4.電子脈沖的脈沖寬度、過程激發(fā)源的脈沖寬度、電子脈沖是與過程激發(fā)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(fā)源(01)、脈沖電子系統(tǒng)(02)、脈沖電子控制系統(tǒng)(03)、樣品(04)、探測系統(tǒng)(05)、數(shù)據(jù)處理和三維重構系統(tǒng)(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(tǒng)(02)、脈沖電子控制系統(tǒng)(03)、樣品(04)和探測系統(tǒng)(05)置于所述的高真空樣品靶室(07)內(nèi)，樣品(04)置于高真空樣品靶室(07)內(nèi)的五維調(diào)整架上，所述的脈沖電子系統(tǒng)(02)由脈沖電子源及其加速、整形機構組成，所述的過程激發(fā)源(01)產(chǎn)生過程激發(fā)脈沖，輸入所述的高真空樣品靶室(07)激發(fā)位于所述的五維調(diào)整架上的樣品(04)； 所述的脈沖電子源產(chǎn)生與所述的過程激發(fā)脈沖精確同步的電子脈沖，該脈沖電子經(jīng)過加速、整形成為高亮度相干的脈沖電子束，經(jīng)過所述的脈沖電子控制系統(tǒng)(03)聚焦照射在處于高真空樣品靶室(07)內(nèi)的被過程激發(fā)脈沖激發(fā)的樣品區(qū)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(tǒng)(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(shù)據(jù)處理和三維重構系統(tǒng)(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(jù)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(fā)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)、第二激光伺服反射鏡(4)和第一平移臺(5)構成的第一可變光路延遲調(diào)節(jié)系統(tǒng)、第三激光伺服反射鏡(6)、光參量放大激光轉化系統(tǒng)(7)、第四激光伺服反射鏡(8)、聚焦透鏡(9)構成； 所述的脈沖電子系統(tǒng)(02)由高真空樣品靶室(24)外的第五激光伺服反射鏡(10)、由第六激光伺服反射鏡(11 )、第七激光伺服反射鏡(12)和第二平移臺(13)構成的第二光路延遲調(diào)節(jié)系統(tǒng)、第八激光伺服反射鏡(28)、飛秒激光三倍頻裝置(14)、紫外聚焦透鏡(15)，和位于高真空樣品祀室(24)內(nèi)依次的金屬膜(16)和多級微波加速器(17)構成； 所述的脈沖電子控制系統(tǒng)(03)由位于高真空樣品靶室(24)內(nèi)依次的第一偏轉板(18)、第二偏轉板(19)、由第一電磁透鏡(20)、第一孔徑(21)、第二電磁透鏡(22)、第二孔徑(23)構成； 沿所述的飛秒激光光源(I)的激光前進方向是所述的分束鏡(2)，該分束鏡(2)將飛秒激光光源(I)輸出的飛秒激光脈沖分為反射光束(A)和透射光束(B);沿所述的反射光束(A)的前進方向依次經(jīng)所述的第一激光伺服反射鏡(3)、第二激光伺服反射鏡(4)、第三激光伺服反射鏡(6)、光參量放大激光轉化系統(tǒng)(7)、第四激光伺服反射鏡(8)反射，經(jīng)所述的聚焦透鏡(9)聚焦后，穿過所述的高真空樣品靶室照射位于五軸樣品調(diào)節(jié)架(25)上的樣品；沿所述的透射光束(B)的前進方向依次經(jīng)過所述的第五激光伺服反射鏡(10)、由第六激光伺服反射鏡(11)、第七激光伺服反射鏡(12)、第八激光伺服反射鏡(28)、飛秒激光三倍頻裝置(14)和紫外聚焦透鏡(15)聚焦后轉化為266nm激光脈沖； 所述的266nm激光脈沖照射位于所述高真空樣品靶室(24)內(nèi)的金屬膜(16)上，并通過光電效應產(chǎn)生脈沖電子，該電子脈沖經(jīng)多級微波加速器(17 )、第一偏轉板(18)、第二偏轉板(19)、由第一電磁透鏡(20)、第一孔徑(21)、第二電磁透鏡(22)、第二孔徑(23)構成的電子聚焦準直系統(tǒng)后照射在所述的樣品區(qū)域內(nèi)，被衍射形成的布拉格衍射峰和布拉格峰間干涉信息的衍射圖樣，該衍射圖樣由所述的探測系統(tǒng)(26)接收，送入所述的數(shù)據(jù)處理和三維重構系統(tǒng)(27)進行數(shù)據(jù)處理，解析出樣品的散射相位信息。
7.根據(jù)權利要求3所述的超快無透鏡相干電子衍射成像裝置，其特征在于，所述的五軸樣品調(diào)節(jié)架具有上下、前后、左右、旋轉和傾斜調(diào)整姿態(tài)。
8.根據(jù)權利要求3所述的超快無透鏡相干電子衍射成像裝置，其特征在于，所述的第一激光伺服反射鏡(3)和第二激光伺服反射鏡(4)設置于第一平移臺(5)上構成的第一可變光路延遲調(diào)節(jié)系統(tǒng)，所述的第六激光伺服反射鏡(11)和第七激光伺服反射鏡(12)設置于第二平移臺(13)上構成的第二光路延遲調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明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(fā)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(xiàn)三維瞬態(tài)原子尺度的結構和形貌重構，解決傳統(tǒng)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。
文檔編號H01J37/26GK102903591SQ20121038570
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月12日 優(yōu)先權日2012年10月12日
發(fā)明者陳潔, 王西杰, 陳明偉, 朱溢眉, 朱鵬飛 申請人:上海交通大學