新技术使电子束成形成为可能|显微镜|激光器|电子束|脉冲|透镜

长三角G60激光联盟导读

一种结合了电子显微镜和激光技术的新技术使电子束的可编程、任意成形成为可能。它可以潜在地用于优化电子光学和自适应电子显微镜，最大限度地提高灵敏度，同时最小化束诱导损伤。现在，维也纳大学和锡根大学的研究人员已经证实了这一基础和颠覆性的技术。研究结果发表在《Physical Review X》上。

维也纳大学(University of Vienna)最近的实验表明，光(红色)可以用来任意塑造电子束(黄色)，这为电子显微镜和计量学开辟了新的可能性。来源：stefaneder.at, University of Vienna

当光穿过湍流或致密物质时，例如地球大气层或毫米厚的组织，标准成像技术在成像质量上有很大的局限性。因此，科学家们在望远镜或显微镜的光程中放置了可变形的镜面，以消除不希望看到的效果。这种所谓的自适应光学技术在天文学和深层组织成像领域取得了许多突破。

一种使用激光产生和塑造电子束的新方法可以提高电子显微镜的分辨率。

然而，尽管材料科学和结构生物学的许多应用需要这种水平的控制，但在电子光学中还没有实现。在电子光学中，科学家使用电子束而不是光来成像具有原子分辨率的结构。通常，静态电磁场被用来引导和聚焦电子束。

使用有质动力势的透镜。（a）用凹面（左侧，LG00）、无（中心）和凸面（右侧，LG10）有质动力透镜（比例尺1 mm）检测到电子分布。（b）对于LG00（绿色和紫色）和LG10（橙色）模式，焦距是激光脉冲能量的函数。插图显示了在与相互作用平面共轭的平面上测量的各个光强分布。

在这项新研究中，来自维也纳大学和锡根大学的研究人员现在已经证明，使用排斥电子的高强度、形状的光场几乎可以任意地偏转电子束。Kapitza和Dirac在1933年首次预测了这种效应，随着高强度脉冲激光器的出现，第一次实验演示成为可能。

这个位于维也纳的实验现在利用了我们塑造光线的能力。在改进的扫描电子显微镜中，激光脉冲由空间光调制器形成，并与反向传播的同步脉冲电子束相互作用。这样就可以按需对电子波进行横向相移，从而实现对电子束的前所未有的控制。

（a）实验装置的3D图纸，侧视图。（b）一系列模拟有质运动势（比例尺45 μm）以τ的倍数暂时位移激光脉冲后，在共轭平面上。所有图像都使用相同的线性比例。

这种创新技术的潜力是通过创造凸凹电子透镜和产生复杂的电子强度分布来证明的。正如这项研究的主要作者Marius Constantin Chirita Mihaila所指出的:“我们正在用电子波横向相位的激光束写作。我们的实验为具有数千个可编程像素的脉冲电子显微镜的波前整形铺平了道路。在未来，电子显微镜的部分部件可能是由光制成的。”

（a）共轭平面上测量的LG10光束的空间强度分布。（b）拟合分布的残差。拟合函数是主导LG10模式和次要LG00模式的总和。（c）横切图显示拟合（橙色）及其LG10（绿松石色）和LG00（蓝色）分量，以及ρ=0（紫色）附近的二次泰勒展开式。（d）探测器处电子束的直径作为激光脉冲能量的函数，以及由于我们在确定主要LG10组件的腰围时出错而导致的理论和误差区域。

与其他竞争的电子整形技术相比，该方案是可编程的，并避免了损耗、非弹性散射和由于材料衍射元件退化造成的不稳定性。维也纳大学研究小组的负责人Thomas Juffmann补充说:“我们的塑形技术使脉冲电子显微镜能够进行像差校正和自适应成像。它可以用来调整你的显微镜，以使你所研究的标本的灵敏度最大化。”