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维也纳大学: 使用激光对电子束进行整形并编制图案

挑战

Thomas Juffmann 博士是奥地利维也纳大学的副教授,他领导的研究小组专注于开发新型光电显微镜成像技术,以便“最大限度地从每个检测到的探针粒子中提取信息”。这项研究包括理论研究、多通道显微镜、自适应光学仪器和光学近场电子显微镜。 

Juffmann 博士解释说,近年来,显微镜和天文望远镜的光学技术发展都大大受益于利用空间光调制器和自适应光学仪器等有源器件来操纵光子。 电子显微镜能够提供有关不同样品的独有高分辨率数据,但这类显微镜尚未使用相同水平的智能电子控制技术。 但是,Juffmann 的小组和锡根大学的合作者刚刚发表的一项研究 [1] 表明,现在可以实现这一应用,并找到了合适的方法,这对众多科学学科中使用的脉冲电子显微镜和计量学方法具有巨大的潜在影响。 Juffmann 引用的潜在示例包括位相差显微镜或叠层成像术中的对比度增强以及应用,例如观察固体中的相变。

解决方案

Juffmann 和他的同事决定重点研究利用有质动力效应实现此目标。这是一种弱散射效应,在 1933 年由 Kapitza 和 Dirac [2] 首次预测。 Bucksbaum 等人使用脉冲激光器 [3],最终于 1988 年首次观察到了此效应。后来,Freimund 等人在一次近乎完美实验中,展示了电子脉冲对驻光波的衍射 [4]。 Juffmann 的团队着手利用这一基本机制,以前所未有的方式操纵电子束。

这种方法的原理是什么呢? 有质动力是指电子在振荡电磁场中的运动,例如强度不均匀的光束。 这种力导致电子从高强度区域移动到低强度区域。Juffmann 知道这可以提供一种用光操纵电子的方法。 然而,这也是一种弱效应,需要极高的光强度。 因此,他的团队开始使用飞秒激光器和空间光调制器创造必要的强场模式。

这个实验室配备了一台 Monaco 1035 超快激光器,结果证明这是此类实验的理想光源。 Juffmann 解释说:“这种激光器兼具短脉冲宽度 (<300 fs) 和高脉冲能量 (40 µJ),为我们当前的实验以及未来的更高像素电子图案试验装置提供了充足的峰值功率。 1 MHz 的脉冲重复频率缩短了数据采集时间。”他还指出,这款激光器非常可靠,在其实验室运行近 4 年没有发生停机。

结果

在 Juffmann 的实验装置中,分束器截取了百分之几的激光强度。 这些能量聚焦在金属尖端上以产生电子爆发,然后将其加速成为准直光束。 激光束的其余部分由空间光模块编制图案,然后与电子束以反向传输布置相互作用。 该图说明了这种方法几乎能够创造任何几何形状和细节的任意电子束形状: 这显示了被电子束照射的荧光屏的图像,该荧光屏已受到操纵以创造出各种图案,包括“笑脸”。 

Juffmann 指出,与其他电子操纵技术相比,这种新方法是可编程的,并且避免了由于材料衍射元件劣化而导致的损失、非弹性散射和潜在的不稳定现象。 因此,将来您的电子显微镜的某些零件可能包括光学调整功能。 Juffmann 实验室的博士研究生 Marius Mihaila 总结道:“我们的整形技术能够成功地在脉冲电子显微镜中进行像差校正和自适应成像。 它可以用来调整显微镜以适应所研究的标本,从而最大限度提高灵敏度。”

 

参考文献
  1. MCC Mihaila et al, Transverse Electron-Beam Shaping with Light, Phys Rev. X 12, 031043 (2022). https://doi.org/10.1103/PhysRevX.12.031043
  2. P.L. Kapitza and P.A.M. Dirac, The reflection of electrons from standing light waves. Proc. Camb. Phil. Soc. 29, 297–300 (1933).
  3. P.H. Bucksbaum et al, High intensity Kapitza–Dirac effect. Phys. Rev. Lett. 61, 1182–1185 (1988).
  4. Freimund et. al, Observation of the Kapitza-Dirac effect, Nature, 413, 142-143 (2001). 

     

 

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“这种激光器兼具短脉冲宽度 (<300 fs) 和高脉冲能量 (40 µJ),为我们当前的实验以及未来的更高像素电子图案试验装置提供了充足的峰值功率。 ”

— Thomas Juffmann,奥地利维也纳大学物理系副教授

 


 



图 1. Thomas Juffmann(右)和他的研究小组成员。

 

图 2. 电子束整形系统关键元件的示意图。 来自 [1]

 

图 3. 由成形电子束照射的荧光屏上的图像,包括笑脸。 来自 [1]。

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