高强度飞秒激光脉冲实现电子束波前整形

强激光脉冲（红色）调控电子束（黄色）轮廓。

奥地利和德国的研究人员提出了使用高强度的短激光脉冲来调控电子束轮廓的新方法。新方法能够应用于扫描电子显微镜，通过校正像差来提高电子显微镜的分辨率。相关研究成果目前已发表于Physics Review X（Phys. Rev. X, doi: 10.1103/PhysRevX.12.031043）。

波前整形

近年来，自适应光学技术受到来自天文学、深层组织成像和其他涉及可见光应用的关注。自适应光学的思想是通过可编程元件修改光的波前，以精确补偿由湍流环境或致密材料的存在引起的失真，从而提高图像分辨率。

将自适应手段从光束引入到电子束的优势是，由于电子束的波长非常短，因此更高分辨率的成像和观测。目前调控电子束波前的方法有，利用图案化薄膜，并使用纳米加工来调整电势和静磁势，以及通过阿秒激光脉冲场塑造电子束。然而，迄今为止的所有方法都削弱了光束质量。这是因为存在衍射或非弹性散射的副作用。

相位调制

奥地利维也纳大学和德国锡根大学的研究人员进行的最新工作依赖于一种被称为有质动力的现象。该现象早在 1930 年代被首次提出，这种相互作用涉及一个不均匀的振荡电磁场，它改变了电子的相位，从而改变了运动。实现该过程需要仔细地将电子与足够高强度激光相结合。

维也纳大学的 Thomas Juffmann团队使用了改进的超快扫描电子显微镜和飞秒红外脉冲激光作为光源。具体地，他们将脉冲分为两束，其中强度较低的部分，经过四倍频后从金属尖端产生电子源，然后，高能量的部分来产生有质动力。他们还使用了空间光调制器来调控光强度变化分布，以及对电子的调控。

随着电子束和激光束沿着真空室内的一个平面向前汇聚，光强度的变化转化为电子波前相位的调制。调制的像素大小为 4.3 µm。考虑到塑造一个像素所需的能量和每个激光脉冲的总能量，本装置原则上可以生成 1,600 个像素点。

Juffmann表示，他们的光束整形过程中通过添加不同的相位可以产生凸面和凹面电子透镜，前者施加的相移在光束轴上呈二次方减小，而后者导致相移呈二次方增加。传统的技术只能产生凸透镜，新方法和其相比更加灵活。

更重要的是，该过程是可编程的，从而能够产生经过设计的任意形状的光束。研究人员使用反向传播技术计算出空间光调制器所需的相位变化，以产生独特的光束形状，例如散光以及三叶形和彗形像差。他们还使用了更复杂的 Gerchberg-Saxton 算法进行 20 次迭代来生成笑脸形状。

研究人员表示此项工作实现了使用数百个可单独寻址的像素对电子波前进行无损整形。特别地，新方案可用于校正脉冲电子显微镜中的任意像差，即有可能在没有散射、亚孔径衍射和能量损失的情况下实现更高的分辨率。然而，鉴于空间的限制，需要进一步研究以确定新方案中的所有装置是否可以集成在相关的显微镜中。