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光学工程
X光傅里叶变换鬼成像

X光显微具有一些独特的优势:波长短,极限分辨率高;穿透能力强,可以穿透厚度大于几微米甚至几十微米的生物和材料样品。因此,X光显微理论上可以实现生物细胞组织、材料内部结构等的原子尺度观测。

X光衍射打开了X光显微技术的大门,但它只能对具有周期性结构的晶体实现原子级的显微结构分析,而大量的蛋白质(如膜蛋白)以及多种纳米材料是难以结晶的。对于非晶态样品,传统的X光显微技术都是基于光场的一阶关联效应,在现有的技术水平下难以达到原子级分辨。

近年来,利用非相干热光场的高阶关联获取物体图像信息的鬼成像技术开始在遥感、超分辨等多领域得到应用。不过相关研究目前尚局限于可见光波段,波长的限制导致在结构解析方面难以发挥其优势。若能在X光波段实现鬼成像技术,则将对实现非晶态样品原子级显微具有重要意义。


图1 X光傅里叶变换鬼成像(FGI)实验方案

上海光机所量子光学重点实验室量子成像研究团队与上海光源BL13W1生物医学成像及应用光束线站合作,突破传统X光成像光学理论框架,利用波长0.1 nm的非相干X光,通过测量光场的二阶强度关联函数,在菲涅尔区获得了非晶态复振幅样品的傅里叶变换衍射谱,并且在实空间成功重建了样品的振幅和相位分布,在国际上首次实验实现了X光傅里叶变换鬼成像。相关结果发表在2016年9月7日国际物理学顶级期刊Phys. Rev. Lett. [117, 113901 (2016)]上。


图2 实验样品傅里叶变换衍射谱(上图振幅,下图相位)

X光傅里叶变换鬼成像是通过测量光场的涨落及其二阶关联以获取样品傅里叶变换衍射谱信息。成像样品无需结晶,其成像分辨率仅受限于X光波长,理论上这一技术可实现原子级分辨。并且,它不要求光源的高空间相干性,可以采用非相干X光源实现细胞组织以及功能材料内部结构显微,因而具有广泛的应用前景。


图3 实验样品实空间分布重构结果(上图振幅,下图相位)

该研究团队发展的这一鬼成像技术,不仅可以应用于生物医学等显微领域,还有利于解决X光衍射成像领域中长期存在的相位问题。同时,该工作也为原则上不可能获得高亮度相干源的费米子(如中子、电子等)衍射成像提供了可能的技术思路。


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