一种实现光学聚焦和连续扫描的透射电镜系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种实现快速聚焦和扫描的透射电镜系统及方法。所述透射电镜系统包括透射电子显微镜和激光引导系统，所述透射电子显微镜具有样品杆，所述透射电子显微镜的成像方向垂直于所述样品杆，所述样品杆内部具有光纤束，所述激光引导系统包括空间光调制器和图像采集器件，所述激光引导系统引导偏振激光从所述光纤束的一端进入所述光纤束，并从所述光纤束的另一端出射到所述图像采集器件，所述图像采集器件用于直接或间接获取所述空间光调制器上加载的相位信息。本发明专利技术通过空间光调制器的加载实现了光学聚焦和焦点连续扫描的透射电镜，可在激光聚焦的基础上实现焦点的连续扫描，从而在透射电镜中完成光谱学测量以及成像。

【技术实现步骤摘要】
一种实现光学聚焦和连续扫描的透射电镜系统及方法
本专利技术涉及透射电子显微镜
，更具体地，涉及一种实现光学聚焦和焦点连续扫描的透射电镜系统及方法。
技术介绍
探索材料原子结构、电子结构与其物理性质的对应关系是凝聚态物理研究的最重要任务之一，目前在实验技术上还是一个挑战。光谱学技术可用于研究材料的光谱产生及其与物质之间的相互作用，超快动力学过程反映微观物质结构的基本运动规律和材料本征特性，是自然科学研究中一直受到重视的方向，具有重要的应用前景，如动力学过程和原子能级结构等。发展超高空间分辨的光谱学和超快动力学表征技术，测量研究纳米体系激发态及其动力学过程的微观机理，对于开拓凝聚态物理研究新的研究方向和应用领域具有重要的意义。最近几年透射电子显微镜的发展将结构表征能力推进到了原子尺度，并可在原子尺度表征电子结构。同时，光谱学表征技术的发展，以及飞秒激光技术的出现和应用，使得探测超快的物理和化学过程，尤其是动态瞬时和中间过程成为可能。一些新学科，如飞秒动力学、飞秒光化学，也随之产生和发展起来。但商业的电镜仅仅具有结构表征能力，功能单一，无法与材料物性直接关联。如果能研发一种在透射电子显微镜中研究光谱学和超快动力学过程的测量系统，以用来研究材料微观结构和性质的直接联系，这不论是在基础科学研究方面，还是在应用技术方面都具有重要意义。然而就现有技术而言，还无法实现这一目的。并且，受透射电子显微镜的空间所限，现有技术中更加无法实现在透射电镜系统中的光学聚焦和焦点连续扫描。
技术实现思路
<br>本技术的目的在于解决目前透射电子显微镜技术无法测量材料光谱学性质和超快动力学过程的技术难题，从而实现原位地研究材料微观结构和性质。针对现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种能够将激光有效地引入到透射电子显微镜中进而实现物质微观结构和光谱学与动力学特性同步研究的透射电镜系统以及相应的利用透射电镜系统进行光谱学和电子双重研究的方法。具体而言，一方面，本专利技术提供一种实现快速聚焦和扫描的透射电镜系统，其特征在于，所述透射电镜系统包括透射电子显微镜和激光引导系统，所述透射电子显微镜具有样品杆，所述透射电子显微镜的成像方向垂直于所述样品杆，所述样品杆具有光纤束，所述激光引导系统包括空间光调制器和图像采集器件，所述激光引导系统引导偏振激光从所述光纤束的一端进入所述光纤束，并从所述光纤束的另一端出射到所述图像采集器件，所述图像采集器件基于所采集到的图像信息确定所述空间光调制器加载的相位信息，所述空间光调制器用于对所述偏振激光的至少部分进行调制，并将调制后的偏振激光引入所述光纤束。在一种优选实现方式中，所述激光引导系统将偏振激光分成参考光波和物光波，并将所述物光波引导通过所述光纤束，所述空间光调制器对所述参考光波进行调制，并与从所述光纤束出射的物光波离轴干涉，所述图像采集器件采集离轴干涉的数字全息图，基于所述数字全息图重建所述物光波的共轭相位信息并加载到所述空间光调制器，所述激光引导系统还用于在遮挡物光波的情况下，将被空间光调制器调制后的参考光波耦合至所述光纤束的第一端，从而在所述光纤束的第二(出口)端实现光波的聚焦。在另一种优选实现方式中，在用于图像采集的图像采集器件上选取任意目标点的光强做反馈，迭代调整所述空间光调制器上加载的相位信息，直到所述光纤束聚焦于所述目标点。在另一种优选实现方式中，对所述空间光调制器所加载的图案进行修饰处理，叠加倾斜相位因子，以实现聚焦点扫描。在另一种优选实现方式中，所述样品杆包括：前端头和样品杆本体；其中，所述前端头的第一端与所述样品杆本体相接，所述前端头的第二端上安装有样品，所述样品杆内的光纤束从其一端延伸到另一端并对向所述前端头上所述样品。在另一种优选实现方式中，所述前端头包括：样品固定件和三维定位装置，样品固定件用于固定所述样品，所述光纤束延伸进入所述前端头并且其前端由所述三维定位装置进行定位。在另一种优选实现方式中，所述前端头还包括后端外壳和前端支架，所述后端外壳与所述样品杆本体相接，所述前端支架呈U型，所述样品固定件安装在所述前端支架上，所述三维定位装置固定在所述后端外壳内。另一方面，本专利技术提供一种操作所述系统进行光学聚焦和焦点连续扫描的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：步骤S1、产生偏振激光，并将偏振激光引导通过样品杆中的光纤束，采集从光纤束出射的光波，基于所采集的光波信息进行空间光调制器的加载；步骤S2、对空间光调制器加载的图案信息进行修饰处理，叠加上相应的倾斜相位因子，再加载到空间光调制器上，引导激光经空间光调制器调制后从光纤束的第一端(入口)耦合进入所述光纤束，实现激光焦点的偏移；步骤S3、改变叠加的倾斜相位因子并重复步骤S2，调节光纤束端面会聚激光的出射位置。在一种优选实现方式中，步骤S1中基于所采集的光波信息进行空间光调制器的加载包括：将偏振激光分成物光波和参考光波，使所述物光波从样品杆的光纤束的第二端入射，在所述样品杆的第一端出射后与参考光波在第一图像采集器件处形成离轴干涉，获得相应的数字全息图，基于数字全息图重建所述物光波的共轭相位信息，将所述共轭相位信息加载到所述空间光调制器。在一种优选实现方式中，步骤S1中基于所采集的光波信息进行空间光调制器的加载包括：在用于图像采集的图像采集器件上选取任意目标点的光强做反馈，迭代调整所述空间光调制器上加载的相位信息，直到所述光纤束聚焦于所述目标点；技术效果本专利技术可以实现在透射电镜系统中进行物质微观结构和光谱学与动力学特性的同步研究。并且本专利技术借助空间光调制器对激光的调制作用，通过连续改变加载到空间光调制器上的图案，可以连续地调节光纤束端面会聚激光的出射位置，从而实现通过安装有光纤束的样品杆的激光焦点的连续二维扫描，且扫描精度不受限于位移台的精度，可以任意小。附图说明通过参考附图会更加清楚的理解本专利技术的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本专利技术进行任何限制，在附图中：图1为本专利技术实施例1中的透射电镜系统中光谱学部分的示意图，其具有数字光学相位共轭功能。图2显示为本专利技术安装有光纤束的样品杆的示意图。图3为实施例2中的透射电镜系统中光谱学部分的示意图，具有迭代波前整形功能。图4显示为本专利技术使用图1所示的透射电镜系统焦点扫描的示意图。图5显示为本专利技术使用图3所示的透射电镜系统焦点扫描的示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1本实施例的透射电镜系统包含透射电子显微镜和激光引导系统两大部分，透射电子显微镜可以为商用透射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实现快速聚焦和扫描的透射电镜系统，其特征在于，所述透射电镜系统包括透射电子显微镜和激光引导系统，所述透射电子显微镜具有样品杆，所述透射电子显微镜的成像方向垂直于所述样品杆，所述样品杆具有光纤束，所述激光引导系统包括空间光调制器和图像采集器件，所述激光引导系统引导偏振激光从所述光纤束的第一端进入所述光纤束，并从所述光纤束的第二端出射到所述图像采集器件，所述图像采集器件基于所采集到的图像信息确定所述空间光调制器加载的相位信息，所述空间光调制器用于对所述偏振激光的至少部分进行调制，并将调制后的偏振激光引入所述光纤束。/n

【技术特征摘要】
1.一种实现快速聚焦和扫描的透射电镜系统，其特征在于，所述透射电镜系统包括透射电子显微镜和激光引导系统，所述透射电子显微镜具有样品杆，所述透射电子显微镜的成像方向垂直于所述样品杆，所述样品杆具有光纤束，所述激光引导系统包括空间光调制器和图像采集器件，所述激光引导系统引导偏振激光从所述光纤束的第一端进入所述光纤束，并从所述光纤束的第二端出射到所述图像采集器件，所述图像采集器件基于所采集到的图像信息确定所述空间光调制器加载的相位信息，所述空间光调制器用于对所述偏振激光的至少部分进行调制，并将调制后的偏振激光引入所述光纤束。


2.根据权利要求1所述的实现快速聚焦和扫描的透射电镜系统，其特征在于，所述激光引导系统将偏振激光分成参考光波和物光波，并将所述物光波引导通过所述光纤束，所述空间光调制器对所述参考光波进行调制，并与从所述光纤束出射的物光波离轴干涉，所述图像采集器件采集离轴干涉的数字全息图，基于所述数字全息图重建所述物光波的共轭相位信息并加载到所述空间光调制器，所述激光引导系统还用于在遮挡物光波的情况下，将被空间光调制器调制后的参考光波耦合至所述光纤束的第一端，从而在所述光纤束的第二端实现光波的聚焦。


3.根据权利要求1所述的实现快速聚焦和扫描的透射电镜系统，其特征在于，在用于图像采集的图像采集器件上选取任意目标点的光强做反馈，迭代调整所述空间光调制器上加载的相位信息，直到所述光纤束聚焦于所述目标点。


4.根据权利要求2或3所述的实现快速聚焦和扫描的透射电镜系统，其特征在于，对所述空间光调制器所加载的图案进行修饰处理，叠加倾斜相位因子，以实现聚焦点扫描。


5.根据权利要求2所述的实现快速聚焦和扫描的透射电镜系统，其特征在于，所述样品杆包括：前端头和样品杆本体；其中，所述前端头的第一端与所述样品杆本体相接，所述前端头的第二端上安装有样品，所述样品杆内的光纤束从其一端延伸到另一端并对向所述前端头上所述样品。

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【专利技术属性】
技术研发人员：马超杰，刘畅，刘开辉，王恩哥，白雪冬，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11