西安光機所在阿秒高時空分辨成像研究方面獲進展

近日，中科院西安光機所阿秒科學(xué)與技術(shù)研究中心在阿秒高時空分辨成像研究方面取得進展。相關(guān)研究成果發(fā)表在《光子學(xué)研究》（Photonics Research）上。

阿秒光源具有超短脈沖寬度、短波長、高相干性、高精度同步控制等特點，在超快成像領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。當(dāng)阿秒光源達到“水窗”波段，此波段內(nèi)的氧原子、氫原子對該波段X射線的吸收較弱，水對該波段X射線相對透明，而碳、氮等組成生物體的基本元素則對該波段X射線的吸收較強，可實現(xiàn)高對比度的生物樣品成像，有望推動高時空分辨生物活細(xì)胞的研究。然而，受時間-能量不確定關(guān)系約束，阿秒脈沖兼具較高的時間分辨與超寬的光譜，而后者在成像系統(tǒng)中造成大量色差。同時，阿秒脈沖通常在極紫外/軟X射線波段，缺少用于反射、聚焦、分束、合束等的高質(zhì)量光學(xué)器件，這對成像系統(tǒng)帶來了較多限制。因此，實現(xiàn)阿秒成像技術(shù)，既要克服短波波段成像的困難，又要解決超寬帶光譜中不同光譜成分之間的干擾。

該團隊提出了高效的基于傅里葉變換模式映射的梯度單色化方法。這一方法可以處理復(fù)色/寬譜的衍射圖，以獲得高質(zhì)量的單色衍射圖，進而采用傳統(tǒng)的相干衍射成像方法實現(xiàn)高分辨成像。該方法拓展了成像光源的適用帶寬，支持使用光譜帶寬達到140%的光源進行單發(fā)成像，并將計算時間壓縮到秒級。同時，該方法支持跨越多個倍頻程的梳狀光譜，可實現(xiàn)光通量更高的高次諧波光源的成像應(yīng)用。進一步，基于這一衍射成像技術(shù)，該團隊提出了無光柵、無透鏡的光譜測量方法，降低了極紫外/X射線波段的阿秒脈沖光譜的測量難度。

上述研究邁出了突破阿秒高時空分辨成像的關(guān)鍵一步，為先進阿秒激光設(shè)施成像終端提供了技術(shù)支撐。同時，這一成果有望推動阿秒光源在激光精密加工、生物醫(yī)藥、半導(dǎo)體等領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。

(a)(d)窄帶光相干衍射成像；(b)(e)寬帶光衍射圖樣直接反演結(jié)果；(c)(f)單色化方法實現(xiàn)的寬帶光相干衍射成像

研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院相關(guān)項目、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃等的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1364/PRJ.532957