西安光機所在阿秒高時空分辨成像研究中取得新進展

圖1.多色衍射演示。(a) 衍射設(shè)置。(b) 示例圖像。(c) (b) 的 FT。(d) 通過圍繞 (b) 的零填充獲得。(e) (d) 的 FT。(f) 通過裁剪獲得 (e)。

阿秒光源具有超短脈沖寬度、短波長、高相干性、高精度同步控制等特點，在超快成像領(lǐng)域應(yīng)用潛力極高。尤其是當阿秒光源達到“水窗”波段，在此波段內(nèi)，氧、氫原子對該波段的X射線的吸收較弱，因此水對其相對透明，而碳、氮等組成生物體的基本元素則對該波段X射線的吸收非常強，因而可實現(xiàn)高對比度的生物樣品成像，有望推動高時空分辨生物活細胞的研究。然而，受時間-能量不確定關(guān)系約束，阿秒脈沖兼具極高的時間分辨與超寬的光譜，而后者會在成像系統(tǒng)中造成大量的色差，例如高次諧波產(chǎn)生的孤立阿秒脈沖，其脈寬可達50 as左右，典型帶寬可達Δλ/λc = 100%以上(其中Δλ表示光譜的全寬，λc表示中心波長)。

同時，阿秒脈沖通常在極紫外/軟X射線波段，缺少用于反射、聚焦、分束、合束等的高質(zhì)量光學器件，這給成像系統(tǒng)帶來了諸多限制。因此要實現(xiàn)阿秒成像技術(shù)，既要克服短波波段成像的困難，還要解決超寬帶光譜中不同光譜成分之間的干擾，是困擾當前國內(nèi)外研究的一大難題。

圖 2.(a) (d)窄帶光相干衍射成像;(b) (e) 寬帶光衍射圖樣直接反演結(jié)果;(c) (f) 團隊提出的單色化方法實現(xiàn)的寬帶光相干衍射成像

近日，中科院西安光機所阿秒科學與技術(shù)研究中心在阿秒高時空分辨成像研究方面取得新進展，研究成果發(fā)表于國際高水平學術(shù)期刊Photonics Research(IF: 7.254)。論文第一作者為中國科學院西安光機所特別研究助理李博洋，通信作者為王虎山副研究員和付玉喜研究員。

研究團隊提出了一種高效的基于傅里葉變換模式映射的梯度單色化方法，可以對復色/寬譜的衍射圖進行處理，獲得高質(zhì)量的單色衍射圖，進而采用傳統(tǒng)的相干衍射成像方法實現(xiàn)高分辨成像(如圖2所示)。該方法極大拓展了成像光源的適用帶寬，支持使用光譜帶寬達到140%的光源進行單發(fā)成像，并將計算時間壓縮到了秒級。同時，該方法還支持跨越多個倍頻程的梳狀光譜，可實現(xiàn)光通量更高的高次諧波光源(阿秒脈沖串)的成像應(yīng)用。此外，基于該衍射成像技術(shù)，研究團隊還提出了一種無光柵、無透鏡的光譜測量方法，降低了極紫外/X射線波段的阿秒脈沖光譜的測量難度。研究成果邁出突破阿秒高時空分辨成像的關(guān)鍵一步，為“先進阿秒激光設(shè)施”成像終端提供了重要技術(shù)支撐，有望推動阿秒光源在激光精密加工、生物醫(yī)藥、半導體等領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。

研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃-政府間國際科技創(chuàng)新合作專項、中國科學院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃、中國科學院國際伙伴計劃、中國科學院重大科技基礎(chǔ)設(shè)施預研、陜西省自然科學基礎(chǔ)研究計劃等項目的支持。

審核編輯 黃宇