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基于激光的透射电子显微镜相位对比技术

DOI：10.1017/S1431927619005646 期刊：Microscopy and Microanalysis 出版年份：2019 更新时间：2025-09-19 17:13:59
摘要： 利用激光控制自由电子推动了原子尺度物质探索的进展。例如，通过光对电子波进行时间调制，已实现阿秒分辨率的瞬态过程研究。相比之下，基于激光的电子波函数空间整形技术尚未实现——尽管该技术能用于在标准量子极限及更高精度下探测辐射敏感体系（如生物大分子）。我们通过透射电子显微镜（TEM）中激光调控电子波函数的空间相位分布，实现了图像对比度的提升。首先构建电子干涉仪，利用连续波激光诱导的延迟效应相干分裂电子束，并捕获光波的TEM图像；随后通过激光束使样品散射电子波相对于未散射波产生相位偏移，展示了泽尼克相位对比成像。电子与光的相互作用源于受激康普顿散射产生的排斥性等效力势。由于微米级激光焦点中电子-光相互作用时间极短，TEM所用相对论电子需数十GW/cm2的强度。目前此类强度仅能通过脉冲激光实现，但前沿连续运行的TEM需要连续波激光。我们通过近共焦法布里-珀罗光学腔（模腰w0=13微米）的4000倍共振功率增强获得所需激光强度：由低功率主激光器种子注入的光纤放大器系统提供λ=1064 nm的输入激光束。实验采用80 keV电子，在改装的FEI Titan TEM（配备将衍射图样放大至有效焦距f=20 mm的附加电子光学元件）中进行。如图1所示，该腔体悬置于TEM柱内，其轴线与电子束传播方向正交，模腰位于放大电子衍射平面中心附近。典型近焦图像（图1）清晰呈现碳膜结构的泽尼克相位对比效应。高强度连续波激光场在TEM中产生泽尼克相位对比，显著提升低空间频率区域的图像对比度。此类相位板将助力生物大分子单颗粒分析、玻璃化细胞电子断层扫描及敏感材料样品成像的剂量效率数据采集。该装置的可控相移还可用于样品后波函数的干涉重建。近期工作将拓展至300 keV电子（需构建低损耗光学镀膜新腔体以实现更高激光强度），并优化相位对比TEM的成像特性及其在结构生物学中的应用。
作者： O. Schwartz，J. J. Axelrod，S. L. Campbell，C. Turnbaugh，A. Herman，E. Planz，R. M. Glaeser，H. Müller
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

通过激光控制透射电子显微镜（TEM）中电子波函数的空间相位分布来展示图像对比度的提升。

研究成果

该研究成功证明，高强度连续波激光场可在透射电子显微镜中产生泽尼克相位衬度，显著提升低空间频率下的图像对比度。这一突破使得包括生物大分子单颗粒分析及冷冻细胞电子断层扫描在内的多种应用能实现剂量高效的数据采集。未来工作将聚焦于系统优化以适配更高能量电子，并拓展其在结构生物学中的进一步应用。

研究不足

当前配置需要构建一个带有低损耗光学涂层的新腔体才能与300千电子伏特电子配合使用，这表明在不进行改装的情况下，当前系统处理更高能量电子的能力存在局限。

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