[发明专利]一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置及应用

说明书

本发明涉及一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置及应用，属于显微成像技术领域；成像装置包括沿光束传播方向依次排列设有的宽波长展宽光源、探针光斑产生组件、反射样品台组件、中心挡板装置和信号收集与图像重建系统；本发明装置基于非相干的宽带光源的条件下，以反射与扫描相干衍射相结合的形式，可以实现对样品在入射光源所包含的不同波长模式下的表面结构模值信息、相位信息和光斑信息的重构，并能由此判断出样品对不同波长光的吸收情况；具有利用非相干光源应用于表面结构成像以及表面元素分析的广阔前景。

技术领域

本发明涉及一种基于宽带光源的反射扫描相干衍射显微成像装置及应用，属于显微成像技术领域。

背景技术

传统的相干衍射成像是一种以相干光照射样品，在样品后方远场的夫琅禾费衍射区域使用电荷耦合元件CCD采集样品的相干衍射图样，在满足采样的条件下，衍射数据可以通过相位恢复算法找回相位信息并重构出样品的空间信息。扫描相干衍射成像是一种基于传统相干衍射成像技术的新型相干衍射成像技术，它的提出解决了传统相干衍射成像技术要求样品为孤立样品，成像视场小，重建算法收敛速度慢、停滞、重建结果不唯一等缺陷。到目前为止，扫描相干衍射成像技术日趋完善，并且在生物和材料等领域应用广泛，尤其适用于对薄样品的二维成像，能得到较高分辨率的成像结果，但是在对厚样品成像过程中，由于埃瓦尔德球弯曲效应，对扫描相干衍射成像结果影响较大。所以在对厚材料表面的形貌特征，以及化学反应最活跃的不同物相界面等表面结构及表面元素分布问题的研究当中，使用反射与扫描相干衍射成像技术相结合的形式，能得到较好的成像结果，并且相较于目前已有的扫描电镜、原子力显微镜等表面结构成像方法有着工作范围大、样品损伤低、成像衬度高、元素分辨等优点。理论上，光波传输过程中经过材料表面反射后，光束的传输方向发生改变，并携带着材料表面对光束的吸收和散射信息，该衍射图样在远场区域分布近似等于光斑探针与样品相互作用后的傅里叶变换，以此，我们设计并采用了反射与扫描相干衍射成像技术相结合的实验方式，使用CCD收集光斑探针扫描样品后反射到远场夫琅禾费衍射区域的衍射图样，并利用叠层衍射技术(Ptychography)相位恢复算法，来实现样品表面结构信息的重构。此时，反射扫描相干衍射成像质量与光斑探针的大小以及传输到样品平面的入射角相关，并已经通过理论和实验证明，入射角越小，成像质量越好，光斑探针越小，入射角大小对成像质量影响越小。所以，当使用X射线光源做光斑探针时，扫描光斑大小约为1-3微米，也能以掠入射的形式利用X射线光源实现对样品的反射扫描相干衍射成像实验。

另一方面，针对宽波长展宽光源，包括同步辐射X射线部分相干光源，以及基于高次谐波产生的阿秒级紫外超快脉冲光源，目前仅限于光谱测量等领域的应用，在成像领域的应用十分受限，这是由于宽波长展宽光源的低相干性降低了可实现的空间分辨率，而且在对X射线的透镜设计也是非常困难和具有挑战性的。然而相干衍射成像技术通过算法重建来取代透镜进行成像，尤其是扫描相干衍射成像方法相较于传统相干衍射成像方法，增加了领域重叠限制以及高数据冗余度的特性，对于部分相干光源在成像应用中也有着较好的效果，并且，目前已开发出了多模式PIE重建算法来进行成像重建，非常合适的解决了宽波长展宽的光源在成像应用时相干性差的问题。在应用方面，可以利用宽带光源的宽波长范围的特性，根据元素对不同波长吸收系数的差异性，对不同物相界面或者是材料表面进行结构成像以及元素分布的定量分析。针对这方面的应用前景，本申请提出了一种采用宽带光源的反射扫描相干衍射成像装置及应用，而且成功应用于400-700nm波长范围的白光LED光源的反射扫描相干衍射成像装置。经检索，相关扫描相干衍射显微成像装置及应用，尤其是一种采用宽带光源和利用样品反射信号成像的扫描相干衍射成像装置及应用未见文献报道。

发明内容

本发明的目的是为解决扫描相干衍射成像技术在表征材料表面形貌特征研究方面的不足，以及宽波长展宽光源的低相干度对扫描相干衍射显微成像质量的限制，并拓展扫描相干衍射显微成像技术对不同物相界面或者是材料表面进行结构成像以及元素分布的定量分析以及宽带入射光源光谱分析等方面的应用。