相干衍射成像--高次谐波的应用解析

毕业论文

题目：衍射成像——高次谐波的应用

学院：物理与电子工程学院

专业：物理学

毕业年限：2015年

学生姓名：杜宁

学号：201172010307

指导教师：王国利

目录

摘要 (1)

一、引言 (2)

二、高次谐波的发射 (3)

2.1高次谐波的发射机制 (3)

2.2高次谐波的特点及应用 (4)

三、实验机制 (5)

四、结果与讨论 (6)

4.1光源的产生 (6)

4.2光源的空间相干性 (7)

4.3衍射图像的采集 (8)

五、图像分析 (9)

六、总结 (11)

七、展望 (11)

参考文献 (13)

致谢 (15)

衍射成像——高次谐波的应用

摘要：高次谐波是强激光与原子分子等介质相互作用而产生的一种相干辐射波，其具有从可见光到真空紫外甚至软X 射线光辐射的宽频区域，可以用作一种非常便捷的相干光源。本文介绍了一个高次谐波在衍射成像中的应用实验。在相干衍射成像中，用高次谐波作为空间相干光源照射要研究的样品，而被电荷耦合元件CCD (Charge coupled device)照相机所记录的衍射图像通过迭代相位恢复法来重构目标物体。利用13.5 nm的谐波进行相干衍射成像，其空间分辨率可以达到200 nm。

关键字：高次谐波辐射，迭代相位恢复法，相干衍射成像

Diffractive Imaging Using High Order Harmonic Generation Abstract: High order harmonic, which occurs in the interacion between an intense laser pulse and an atomic or molecuar medium, is a coherent radiation wave. High order harmonic can be used as a very convenient coherent light source because it has a broadband range from visible light to vacuum ultraviolet even a soft X-ray soure. In this article, we will introduce an experiment about high order harmonic apply in diffractive imaging. The sample to be investigated is illuminated with high order harmonic and the object is reconstructed from the diffraction pattern recorded on a CCD camera by means of iterative phase retrieval algorithms.

A spatial resolution of ~200nm can be achieved if one use harmonic around 13.5nm to proceed the coherent diffractive imaging.

Keyword: high order harmonic generation；iterative phase retrieval algorithms；coherent diffractive imaging

一、引言

相干衍射成像（Coherent diffractive imaging，CDI）是一种不需要光学元件（比如透镜组）来获得放大图像的成像技术[1-6]。在相干衍射成像中，用空间相干光源照射要研究的样品，而被电荷耦合元件CCD (Charge coupled device)照相机所记录的衍射图像通过迭代相位恢复法来重构目标物体。对这种成像技术而言，入射光的相干长度是至关重要的，并且要比样品的横向尺寸大。另外，还需要设定实验的条件使得远场衍射图案满足夫琅禾费标准以及衍射图案的过采样，也就是说来源于最高空间频率的衍射峰必须在比尼奎斯特定理更高的速率下被采样。由于没有物理透镜，这种方法可以使实验结果免于失常。衍射成像技术的分辨率基本依赖于入射光的波长、能被探测的最大衍射角和CCD照相机的像素大小。

相干衍射成像技术已经通过使用多种的相干光源得到了成功应用。这些光源包括同步辐射加速器[7]、自由电子X射线激光[8]、等离子体激光[9]和波长为30 nm的高次谐波辐射[10-12]等。其中，强激光脉冲与原子或分子介质相互作用[13]而产生的高次谐波辐射可以提供高度的空间相干性。而且，相比于同步加速器和X射线激光源，高次谐波辐射源能够成为更加便捷的光源。由其本身产生机理所决定，高次谐波的带宽很宽。然而图像重构的迭代方法通常需要完全的相干波场。为了满足这个要求，通常使用具有狭窄带宽的光学元件（如单色仪）来选择得到某一阶谐波。然而，这会导致样品上的入射光通量显著减少。利用尽量多的谐波辐射通量可以保证采集时间尽量短，进而避免谐波源可能的长期不稳定性。人们发展了传统的衍射成像法使得复色光[10]也能被用于相干衍射成像，而且人们已经使用30 nm附近的谐波成功进行了实验[11,12]。

由于分辨率是和入射波长成反比的，照射光波波长越短，分辨率越高。为了追求更高分辨率，在Dinh等人[1]的高次谐波在衍射成像中的应用实验中用一些在13.5 nm光谱范围比其他范围拥有更高的光通量的谐波进行了衍射成像实验。为了获得这样的入射光，实验中使用了在13.5 nm处拥有狭窄带宽的多层光聚焦反射镜，这样就可以产生狭窄光谱范围的照射光并且提高在样品上的光子通量密度。

本文系统地介绍了高次谐波的理论研究及其应用，并且详细介绍了用高次谐波作为相干光源来实现相干衍射成像的实验。

论文内容的具体安排如下：

第二部分主要介绍了高次谐波的发射机制以及它的特点与应用前景。

第三部分介绍了本次相干衍射成像实验的实验装置图以及实验设定的参数。