相干衍射成像高次谐波的应用讲解.docx

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相干衍射成像高次谐波的应用讲解

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（Chargecoupleddevice）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13.5nm的谐波进行相干衍射成像，其空间分辨率可以达到200nm。

关键字：

高次谐波辐射，迭代相位恢复法，相干衍射成像

DiffractiveImagingUsingHighOrderHarmonicGeneration

Abstract:

Highorderharmonic,whichoccursintheinteracionbetweenanintenselaserpulseandanatomicormolecuarmedium,isacoherentradiationwave.HighorderharmoniccanbeusedasaveryconvenientcoherentlightsourcebecauseithasabroadbandrangefromvisiblelighttovacuumultravioletevenasoftX-raysoure.Inthisarticle,wewillintroduceanexperimentabouthighorderharmonicapplyindiffractiveimaging.ThesampletobeinvestigatedisilluminatedwithhighorderharmonicandtheobjectisreconstructedfromthediffractionpatternrecordedonaCCDcamerabymeansofiterativephaseretrievalalgorithms.Aspatialresolutionof~200nmcanbeachievedifoneuseharmonicaround13.5nmtoproceedthecoherentdiffractiveimaging.

Keyword:

highorderharmonicgeneration；iterativephaseretrievalalgorithms；coherent

diffractiveimaging

一、引言

相干衍射成像（Coherentdiffractiveimaging，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（Chargecoupleddevice）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30nm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30nm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13.5nm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13.5nm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。

第四部分对实验中出现的问题以及需要注意的地方给予了解释说明。

第五部分对实验所得的衍射图样进行了分析。

第六部分是对整篇文章的总结以及展望。

二、高次谐波的发射

2.1高次谐波的发射机制

当光强达到1014W/cm2量级的飞秒激光脉冲照射到原子或分子气体靶，激光的电场强度达到甚至超过了原子内部的库仑场强，此时，除了发生强场电离外，还能发射出频率为入射激光频率整数倍的电磁辐射，这种光波辐射称为高次谐波发射。

高次谐波谱具有如下特征：

低阶次谐波的强度随着阶次增加迅速下降；接着谐波发射谱出现了一个平台，在该区域的谐波强度随谐波阶次的增加而下降缓慢甚至几乎不变，高次谐波发射谱中平台区的出现，是微扰理论不能解释的；最后，在某一阶次谐波附近，谐波的强度迅速下降，被称为高次谐波的截止位置。

图1高次谐波的特点示意图

1993年，Corkum提出了高次谐波产生的半经典“三步模型”。

半经典三步模型理论能简洁、清晰地给出高次谐波发射的物理图像。

图2“三步模型”示意图。

①电子波包在外激光场作用下有一部分发生电离；②电离电子在外场下被加速；③当激光反向时部分电子回到母核，跃迁回基态并放出高能光子。

“三步模型”理论可以用图2清晰的表示：

初始电子处在基态，概率分布主要集中在原子核附近，当激光脉冲达到时，压制了库伦势，电子可能发生多光子电离或者遂穿电离进入到连续态，即发生第一步的电离过程，这一步中电子的行为可以看成是量子的；第二步，达到连续态的电子可以看成是自由电子，在外激光脉冲的振荡中获得额外的动能，也叫颤动动能。

此过程中电子是准自由电子，激光脉冲看成是随时间变化的经典电场，因此可以用经典的牛顿运动方程来描述；第三步，当激光脉冲的电场方向改变时，部分电离电子返回到母核附近，有一定几率跃迁回基态并放出高能光子，即发生高次谐波辐射。

谐波的最高能量等于原子的电离能加上电子在外激光脉冲作用下获得的最大动能，恰好与实验得到的经验规律一致。

为了方便计算，对“三步模型”作了如下的假设：

（1）电子在电离时刻t0的位移和速度为零，即x（t0）=0，v（t0）=0；

（2）电离后的电子，忽略库仑势对电子的影响，只跟外激光场有关；（3）电子反向后，能够无限靠近母离子，即可以回到母核位置。

半经典三步模型理论自提出以来被人们普遍地接受，并用来预测谐波截止位置等。

2.2高次谐波的特点及应用

高次谐波研究的主要意义在于它广泛的应用前景。

首先，利用高次谐波辐射人们可以获得相干的、脉冲持续时间短的极紫外高频段辐射源和X射线源。

目前，利用超短超强激光脉冲与惰性气体介质相互作用产生的高次谐波已经成功地进入了“水窗”波段，因为该波段可以将水分子作为背景直接观察生物细胞内的其他分子动态，这对于活的生物细胞和亚细胞结构的无损伤三维显微成像具有重大意义[14]。

此外，由于高次谐波辐射脉冲持续时间可达到飞秒量级且具有频带窄、波长可调谐的特点，所以它在一些需要高的时间和空间分辨的微观快过程研究领域有着更加广泛的应用与前景，例如激光等离子体诊断、原子内壳层的光电离和双光子电离、材料科学和化学中的表面物理和化学、半导体的全息光刻、原子团簇的电子和几何结构等。

其次，实验上合成阿秒脉冲的最有效方法是利用高次谐波发射。

阿秒脉冲是目前能获得的脉宽最短的激光脉冲，具有瞬间功率高，聚焦能力强等特点，为进一步探究物理微观世界提供了更方便的条件。

强场高次谐波由于辐射谱呈现平台区以及平台区谐波有规律的等频率间隔分布的独特优点，成为突破阿秒界限的首选光源。

一旦突破阿秒界限，人类有可能实现原子尺度上观测和操纵物理化学过程，将超快过程的测量范围扩展到各种物质形态中电子的运动过程，如复杂分子中的电荷跃迁、分子中价电子的运动状态等。

第三，高次谐波的研究对强场物理的研究有着强大的推动作用。

由于强激光脉冲的飞速发展，人们利用台式激光器，获得的电场强度已经可以达到甚至超过原子单位电场强度，破坏了微扰理论应用的前提。

这些强场的实现直接推动着微观物理学的发展。

研究强场物理学的目的是发现物质在（超）强外场这种极端物理条件下所辐射的各种强场效应（比如高次谐波辐射）以及建立和发展新的非微扰理论来解释这些强场效应。

高次谐波辐射的实验和理论研究是检验强场物理理论合理性的一个重要工具，同时也为强场物理理论奠定了新的基础，因此，高次谐波已成为当前强激光场物理中最具活力的研究方向。

三、实验机制

在Dinh等人的高次谐波在衍射成像中的应用实验中，高次谐波辐射所需要的激光脉冲是由1kHz多阶多道的啁啾脉冲放大器系统产生的，激光脉冲的能量为10mJ、中心波长为810nm、宽度为30fs。

激光脉冲经过焦距为300mm的透镜会聚进一个150mm长、在入