[發明專利]一種實現光學聚焦和連續掃描的透射電鏡系統及方法

有效

• 申請號: 201910982704.6
• 申請日: 2019-10-16
• 公開（公告）號: CN111855708B
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發明（設計）人: 馬超杰;劉暢;劉開輝;王恩哥;白雪冬
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: G01N23/04
• 分類號: G01N23/04;G01N23/20008;G01N21/01;G01N21/25;G01N21/63;G01N21/64;G01N21/47
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 王勇

本發明提供一種實現光學聚焦和連續掃描的透射電鏡系統及方法。所述透射電鏡系統包括透射電子顯微鏡和激光引導系統，所述透射電子顯微鏡具有樣品桿，所述透射電子顯微鏡的成像方向垂直于所述樣品桿，所述樣品桿內部具有光纖束，所述激光引導系統包括空間光調制器和圖像采集器件，所述激光引導系統引導偏振激光從所述光纖束的一端進入所述光纖束，并從所述光纖束的另一端出射到所述圖像采集器件，所述圖像采集器件用于直接或間接獲取所述空間光調制器上加載的相位信息。本發明通過空間光調制器的加載實現了光學聚焦和焦點連續掃描的透射電鏡，可在激光聚焦的基礎上實現焦點的連續掃描，從而在透射電鏡中完成光譜學測量以及成像。

技術領域

本發明涉及透射電子顯微鏡技術領域，更具體地，涉及一種實現光學聚焦和焦點連續掃描的透射電鏡系統及方法。

背景技術

探索材料原子結構、電子結構與其物理性質的對應關系是凝聚態物理研究的最重要任務之一，目前在實驗技術上還是一個挑戰。光譜學技術可用于研究材料的光譜產生及其與物質之間的相互作用，超快動力學過程反映微觀物質結構的基本運動規律和材料本征特性，是自然科學研究中一直受到重視的方向，具有重要的應用前景，如動力學過程和原子能級結構等。發展超高空間分辨的光譜學和超快動力學表征技術，測量研究納米體系激發態及其動力學過程的微觀機理，對于開拓凝聚態物理研究新的研究方向和應用領域具有重要的意義。

最近幾年透射電子顯微鏡的發展將結構表征能力推進到了原子尺度，并可在原子尺度表征電子結構。同時，光譜學表征技術的發展，以及飛秒激光技術的出現和應用，使得探測超快的物理和化學過程，尤其是動態瞬時和中間過程成為可能。一些新學科，如飛秒動力學、飛秒光化學，也隨之產生和發展起來。

但商業的電鏡僅僅具有結構表征能力，功能單一，無法與材料物性直接關聯。如果能研發一種在透射電子顯微鏡中研究光譜學和超快動力學過程的測量系統，以用來研究材料微觀結構和性質的直接聯系，這不論是在基礎科學研究方面，還是在應用技術方面都具有重要意義。然而就現有技術而言，還無法實現這一目的。

并且，受透射電子顯微鏡的空間所限，現有技術中更加無法實現在透射電鏡系統中的光學聚焦和焦點連續掃描。

發明內容

本技術的目的在于解決目前透射電子顯微鏡技術無法測量材料光譜學性質和超快動力學過程的技術難題，從而實現原位地研究材料微觀結構和性質。

針對現有技術存在的不足，本發明提供了一種能夠將激光有效地引入到透射電子顯微鏡中進而實現物質微觀結構和光譜學與動力學特性同步研究的透射電鏡系統以及相應的利用透射電鏡系統進行光譜學和電子雙重研究的方法。

具體而言，一方面，本發明提供一種實現快速聚焦和掃描的透射電鏡系統，其特征在于，所述透射電鏡系統包括透射電子顯微鏡和激光引導系統，所述透射電子顯微鏡具有樣品桿，所述透射電子顯微鏡的成像方向垂直于所述樣品桿，所述樣品桿具有光纖束，所述激光引導系統包括空間光調制器和圖像采集器件，所述激光引導系統引導偏振激光從所述光纖束的一端進入所述光纖束，并從所述光纖束的另一端出射到所述圖像采集器件，所述圖像采集器件基于所采集到的圖像信息確定所述空間光調制器加載的相位信息，所述空間光調制器用于對所述偏振激光的至少部分進行調制，并將調制后的偏振激光引入所述光纖束。

在一種優選實現方式中，所述激光引導系統將偏振激光分成參考光波和物光波，并將所述物光波引導通過所述光纖束，所述空間光調制器對所述參考光波進行調制，并與從所述光纖束出射的物光波離軸干涉，所述圖像采集器件采集離軸干涉的數字全息圖，基于所述數字全息圖重建所述物光波的共軛相位信息并加載到所述空間光調制器，所述激光引導系統還用于在遮擋物光波的情況下，將被空間光調制器調制后的參考光波耦合至所述光纖束的第一端，從而在所述光纖束的第二(出口)端實現光波的聚焦。

在另一種優選實現方式中，在用于圖像采集的圖像采集器件上選取任意目標點的光強做反饋，迭代調整所述空間光調制器上加載的相位信息，直到所述光纖束聚焦于所述目標點。