[发明专利]一种实现光学聚焦和连续扫描的透射电镜系统及方法

说明书

本发明提供一种实现光学聚焦和连续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。

技术领域

本发明涉及透射电子显微镜技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

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，本发明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，本发明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。