西安光機(jī)所在阿秒高時空分辨成像研究中取得新進(jìn)展

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(diǎn)，在超快成像領(lǐng)域應(yīng)用潛力極高。尤其是當(dāng)阿秒光源達(dá)到“水窗”波段，在此波段內(nèi)，氧、氫原子對該波段的X射線的吸收較弱，因此水對其相對透明，而碳、氮等組成生物體的基本元素則對該波段X射線的吸收非常強(qiáng)，因而可實現(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，阿秒脈沖兼具極高的時間分辨與超寬的光譜，而后者會在成像系統(tǒng)中造成大量的色差，例如高次諧波產(chǎn)生的孤立阿秒脈沖，其脈寬可達(dá)50 as左右，典型帶寬可達(dá)Δλ/λc = 100%以上（其中Δλ表示光譜的全寬，λc表示中心波長）。

圖1.多色衍射演示。（a） 衍射設(shè)置。（b） 示例圖像。（c） （b） 的 FT。（d） 通過圍繞 （b） 的零填充獲得。（e） （d） 的 FT。（f） 通過裁剪獲得 （e）。

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，這給成像系統(tǒng)帶來了諸多限制。因此要實現(xiàn)阿秒成像技術(shù)，既要克服短波波段成像的困難，還要解決超寬帶光譜中不同光譜成分之間的干擾，是困擾當(dāng)前國內(nèi)外研究的一大難題。

圖 2.(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) 團(tuán)隊提出的單色化方法實現(xiàn)的寬帶光相干衍射成像

近日，中科院西安光機(jī)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新進(jìn)展，研究成果發(fā)表于國際高水平學(xué)術(shù)期刊Photonics Research（IF: 7.254）。論文第一作者為中國科學(xué)院西安光機(jī)所特別研究助理李博洋，通信作者為王虎山副研究員和付玉喜研究員。

研究團(tuán)隊提出了一種高效的基于傅里葉變換模式映射的梯度單色化方法，可以對復(fù)色/寬譜的衍射圖進(jìn)行處理，獲得高質(zhì)量的單色衍射圖，進(jìn)而采用傳統(tǒng)的相干衍射成像方法實現(xiàn)高分辨成像（如圖2所示）。該方法極大拓展了成像光源的適用帶寬，支持使用光譜帶寬達(dá)到140%的光源進(jìn)行單發(fā)成像，并將計算時間壓縮到了秒級。同時，該方法還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（阿秒脈沖串）的成像應(yīng)用。此外，基于該衍射成像技術(shù)，研究團(tuán)隊還提出了一種無光柵、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。研究成果邁出突破阿秒高時空分辨成像的關(guān)鍵一步，為“先進(jìn)阿秒激光設(shè)施”成像終端提供了重要技術(shù)支撐，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。

研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃-政府間國際科技創(chuàng)新合作專項、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊計劃、中國科學(xué)院國際伙伴計劃、中國科學(xué)院重大科技基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)研、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃等項目的支持。

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