单次X射线曝光的高空间分辨相干衍射成像方法研究

发布时间：2020-10-24 15:33

　　 相干衍射成像方法(Coherent Diffraction Imaging,CDI)是一种利用二维探测器和计算机来代替透镜作用的无透镜成像方法,其理论上的成像分辨率仅受限于成像所用入射光的波长。该方法经过多年发展,目前已经可以被广泛地应用于同步辐射光源、X射线自由电子激光光源(XFEL)等大科学装置,对材料、生物、环境等多种研究领域的样品进行二维或三维成像。根据重建图像依靠的是一幅或者多幅衍射图像,相干衍射成像方法可以被分为扫描CDI(Ptychography)和常规CDI。Ptychography由于有收敛快、成像质量好、不要求样品是孤立样品等优点,被广泛应用在同步辐射光源。然而Ptychography方法所要求的对样品多次曝光,使得其不适用于一些像自由电子激光这样特殊的场合。相比之下,常规CDI方法虽然有着收敛慢、成像质量差、需要样品是孤立样品等缺点,但是不需要对样品进行多次曝光,因此其可应用的范围比Ptychography方法要广,目前仍然在X射线成像中占据着重要地位。立足于国际前沿的研究趋势,本文主要工作围绕常规CDI方法的改进进行,主要的方向有两点:1、借鉴Ptychography方法中重叠区域和探针重建等概念,将其应用于CDI中,从而提高CDI方法的可靠度。2、改进已有的三维成像方法,发展适合CDI方法的三维成像技术。目前已经取得的主要成果如下:(1)提出了空间关联相干衍射成像方法,提高了重建图像的可靠度。该方法提出的思路来自于扫描CDI中重叠区域的概念以及X射线全息成像中样品附近标识物的应用。空间关联相干衍射成像方法通过在各个孤立样品的周围添加同样的人工制品,人为制造关联性,从而提高CDI方法的图像重建质量以及提高整个重建过程的稳健性。该方法理论上可以应用在自由电子激光装置或是其它的一些Ptychography难以应用或者不适合应用的特殊情况。我们通过可见光实验验证了该方法的效果,同时用模拟实验进一步探究了该方法中一些实验参数对于成像效果的影响。(2)改进了常规的入射光信息(探针)提取算法,明显改进成像质量。在算法中实现入射光信息的重建有利于提高重建图像的成像质量,而在CDI方法中实现入射光信息重建这一概念(由Takahashi等人于2016年提出)则是借鉴了扫描CDI方法中入射光信息重建的算法。在本文的工作中,我们发现了在CDI方法中实现入射光信息重建所必须满足的条件——“错位”条件,并且通过数值模拟和可见光实验验证了“错位”条件对于CDI方法的必要性,探针重建CDI必须在满足“错位”条件的情况下才能成功重建样品和探针图像。同时,我们还通过可见光实验来验证探针重建CDI相对于传统CDI在成像质量上的提升。(3)初步探讨了双光束Ankylography方法。对双光束Ankylography方法进行研究是为了解决Ankylography方法中第三维度(沿光路方向)分辨率不足的问题。双光束Ankylography方法中,需要利用分光装置将一束光分为两束再汇聚到一个点对样品进行成像,对于实验的装置有一定的要求,前人的工作为分光装置的设计提供了参考。在本文中,我们首先进行可见光实验验证了双光束Ankylography方法相对于Ankylography方法在第三维度上分辨率的提升,同时发现双光束的夹角会影响样品三维结构的重建质量。通过数值模拟实验,我们还探究了对于双光束Ankylography方法而言最合适的夹角。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O434.1
【部分图文】：

相干 X 射线衍射成像方法介绍1 X 射线显微成像简介随着现代生物学、材料科学、纳米科学、药理学等学科的不断发展，人测物质微观结构的需求越来越高，这也推动着显微技术的不断发展。自Robert Hooke）在 1665 年利用自制的光学显微镜观察并绘制了软木细胞成像经过了长时间的发展已经成为了一个成熟的学科，除了可见光显微为人们提供了多种先进的显微成像技术。1931 年，鲁斯卡（Ernst Rusk制了世界上第一台电子显微镜[2]；1985 年，宾宁（Gerd Binning）等人界上第一台原子力显微镜[3]。电子显微镜和原子力显微镜为人们提供了至是原子级分辨率的成像精度[4,5]，但是其局限性在于无法穿透样品内对样品表面信息进行探测。

单次 X 射线曝光的高空间分辨相干衍射成像方法研究利用 X 射线进行显微成像有着得天独厚的优势：X 射线的波长比可见光波长要短至少两个数量级，其理论上可达到的极限分辨率要远高于可见光显微镜；X 射线穿透物质的本领使得其可以被应用于探测样品内部信息，更可以进一步地对样品进行三维成像；X 射线与样品之间地作用方式丰富，有吸收、散射、荧光等等，利用这些作用方式可以发展出多种显微成像方法[7,8]。

图 1.3 上海光源俯视图Figure 1.3 The vertical view of Shanghai Synchrotron Radiation Facitity由电子激光是利用自由电子为工作媒质产生的强相干辐射[15-17]。具有的（1）完全相干性，自由电子激光产生的脉冲可以被看作是完全相干的超短脉冲时间，自由电子激光的脉冲时间是飞秒级别的；（3）超高的脉相比于第三代同步辐射光源，自由电子激光的脉冲强度更要高上几个数而高脉冲强度这一特性会带来样品损坏这一不利于成像的事实。相干 X 射线衍射成像方法于已有的大装置相干光源，目前发展出的 X 射线显微成像的方法有： X 射线显微镜（Full-field Transmission X-ray Microscopy，Full-field TX
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本文编号：2854645