基于高次谐波光源的X射线全息成像实验研究

Precision imaging technique on the micro- and nano- scales is of great importance for understanding the microscopic world, especially for the applications in materials, biology, physics sciencens. With the development of the synchrotron raditiaon and X-ray free electron laser, x-ray imaging has attracted great interest in the recent years. However, the cost of such large scale sources is very high. Also it is a great chanllenge for conheret controling these soucres. These difficulties limite the worldwide applications of x-ray imaging based on the large-scale sources. To overcome these problems, in this project, a time-resolved x-ray holography imaging based on a tabletop coherent high-order harmonic soft-x-ray beams is developed. By using our lastly-development Arc-holography technique, high temporal and spatial of about 100 nm can be achieved. Moreover, tabletop high-order harmonic x-ray source in the "water window" region will be obtained using a infrared laser pulse, which will be generated by optical parametric application technique. The "water window" x-ray souce will enables us achieve a higher spatial resolution and also can be used to for lots of applications in nanomatericals and biomedical sicences. Such a tabletop x-ray holographic imaging system will provide a micro-nano research platform that is easily access for the worldwide users and also promote the development of the physical, chemical, materials and life sciences.

微纳尺度的精密成像技术是认识微观世界的重要手段，在材料、生物、物理学等领域有重要的应用价值。近年来，由于同步辐射和自由电子X射线激光的出现，基于这些光源的成像技术引起了人们极大的兴趣，并在相关学科中取得了重要成果。然而，由于这些大型光源造价昂贵、脉宽长、相干控制技术难度高、仪器规模大等原因，限制了其在世界范围内的普及和应用。为了克服这些困难，本项目提出了基于台面化高次谐波X射线光源的成像方案，同时结合我们最新提出的对称弧形参照物全息成像技术以实现百纳米级的超快成像。另外，拟采用中红外光参量激光获得水窗波段的X射线光源，从而可以实现更高分辨率的全息成像，并进一步开拓水窗X射线光源成像技术在生物医学方面的应用。该成像系统的建立将为国内外同行提供台面化的纳米成像研究平台，必将促进物理、化学、材料和生命等应用前沿的创新。

飞秒激光驱动的高次谐波提供了台面化的相干X射线光源。基于高次谐波X射线光源的衍射成像技术为认识微观物质结构提供了重要工具。在项目支持下，我们按照任务书的要求开展研究工作，深入研究了相干X射线高次谐波光源的产生及控制，针对如何提高高次谐波光源效率、压缩阿秒高次谐波光源的脉宽方面开展了大量的工作，取得很多优秀的成果。我们已经完成了实验平台的搭建、光路调试并开展了高次谐波的相关实验研究工作。在实验中，我们重点研究了高次谐波辐射的空间频谱特性，并基于观测到的空间和频谱特性开展了超快成像的研究。在高次谐波光源X射线全息成像方面，结合X射线衍射成像和高次谐波光谱学的技术，提出了基于高次谐波的分子轨道成像方案，并开展了实验证实，目前成功实现了N2，O2，CO2，C2H2等分子最外层的成像，空间分辨率达1埃。在理论和实验方面都取得了创新性成果，已发表学术论文27篇，均被SCI收录，其中包括光学国际重要刊物Sci. Report 1篇、Opt. Express 9篇、Phys. Rev. A 15篇，在国内外取得了重要影响，其中1篇论文入选ESI高被引用论文，另一篇发表在Phys. Rev. A的论文入选该杂志的KALEIDOSCOPE。同时，在高次谐波光源、衍射成像技术等方面取得了技术上的创新，已申请国家发明专利7项和国际发明专利1项。其中1项国家发明专利已获得授权。