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光學工程
X光傅里葉變換鬼成像

X光顯微具有一些獨特的優勢:波長短,極限分辨率高;穿透能力強,可以穿透厚度大于幾微米甚至幾十微米的生物和材料樣品。因此,X光顯微理論上可以實現生物細胞組織、材料內部結構等的原子尺度觀測。

X光衍射打開了X光顯微技術的大門,但它只能對具有周期性結構的晶體實現原子級的顯微結構分析,而大量的蛋白質(如膜蛋白)以及多種納米材料是難以結晶的。對于非晶態樣品,傳統的X光顯微技術都是基于光場的一階關聯效應,在現有的技術水平下難以達到原子級分辨。

近年來,利用非相干熱光場的高階關聯獲取物體圖像信息的鬼成像技術開始在遙感、超分辨等多領域得到應用。不過相關研究目前尚局限于可見光波段,波長的限制導致在結構解析方面難以發揮其優勢。若能在X光波段實現鬼成像技術,則將對實現非晶態樣品原子級顯微具有重要意義。


圖1 X光傅里葉變換鬼成像(FGI)實驗方案

上海光機所量子光學重點實驗室量子成像研究團隊與上海光源BL13W1生物醫學成像及應用光束線站合作,突破傳統X光成像光學理論框架,利用波長0.1 nm的非相干X光,通過測量光場的二階強度關聯函數,在菲涅爾區獲得了非晶態復振幅樣品的傅里葉變換衍射譜,并且在實空間成功重建了樣品的振幅和相位分布,在國際上首次實驗實現了X光傅里葉變換鬼成像。相關結果發表在2016年9月7日國際物理學頂級期刊Phys. Rev. Lett. [117, 113901 (2016)]上。


圖2 實驗樣品傅里葉變換衍射譜(上圖振幅,下圖相位)

X光傅里葉變換鬼成像是通過測量光場的漲落及其二階關聯以獲取樣品傅里葉變換衍射譜信息。成像樣品無需結晶,其成像分辨率僅受限于X光波長,理論上這一技術可實現原子級分辨。并且,它不要求光源的高空間相干性,可以采用非相干X光源實現細胞組織以及功能材料內部結構顯微,因而具有廣泛的應用前景。


圖3 實驗樣品實空間分布重構結果(上圖振幅,下圖相位)

該研究團隊發展的這一鬼成像技術,不僅可以應用于生物醫學等顯微領域,還有利于解決X光衍射成像領域中長期存在的相位問題。同時,該工作也為原則上不可能獲得高亮度相干源的費米子(如中子、電子等)衍射成像提供了可能的技術思路。


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