基于激光的透射电子显微镜相位对比技术

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。