基于飞秒激光的单颗粒衍射成像系统及方法

本申请涉及单颗粒衍射成像领域，特别是涉及一种基于飞秒激光的单颗粒衍射成像系统及方法。

背景技术：

1、单颗粒衍射成像技术(singleparticleimaging,spi)是x射线自由电子激光装置(x-rayfree electronlaser,xfel)的主要应用技术之一。该技术利用飞秒级x射线脉冲与非晶态样品相互作用，在样品结构未受到辐射损坏之前，携带结构产生的衍射信息进行成像。单颗粒衍射成像技术具有广泛的应用前景，该技术的成功实施为生物学蛋白质分子、病毒或细胞、无机颗粒、环境微粒的研究奠定了基础，为原位研究原子级分辨的微粒动力学成像提供了借鉴。

2、然而，单颗粒衍射成像技术目前处在发展阶段，需要攻克一些核心问题，包括提高样品传输系统的效率、优化海量数据的高速采集方案和发展后续的重建恢复算法。由于我国硬x射线自由电子激光具备高重频、高亮度、全相干性特性，发展适用于我国硬x射线自由电子激光装置的高重频单颗粒衍射成像技术至关重要。但是，现有技术无法在实验室内建立可见光飞秒激光相干衍射成像系统来模拟高重频x射线自由电子激光装置从而研究单颗粒衍射成像技术。另外，由于单颗粒衍射成像技术还未成熟，依赖于x射线自由电子激光装置的单颗粒衍射成像实验费用过于高昂，目前还尚未研究出在实验成本更低的实验室中展开对单颗粒衍射成像技术的进行模拟的前期研究方法。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种基于飞秒激光的单颗粒衍射成像系统及方法，用于解决现有技术无法以较低成本、较高精度模拟高重频x射线自由电子激光装置的单颗粒衍射成像技术的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本申请的第一方面提供一种基于飞秒激光的单颗粒衍射成像系统，包括：飞秒激光器、衍射光路单元、样品台单元、探测器；所述飞秒激光器用于产生飞秒激光，所述飞秒激光入射至所述衍射光路单元；所述衍射光路单元用于使所述飞秒激光发生衍射以在所述样品台单元形成高斯光斑；所述样品台单元用于移动样品以使所述高斯光斑内仅有单个所述样品；所述探测器用于采集所述高斯光斑照射在单个所述样品时产生的衍射信号。

3、于本申请的第一方面的一些实施例中，还包括：控制单元；所述控制单元与所述飞秒激光器、所述探测器通信连接，用于接收所述飞秒激光器的电位信号以控制所述探测器，使所述探测器在曝光时间内采集到所述衍射信号。

4、于本申请的第一方面的一些实施例中，所述控制单元包括脉冲延时产生器；所述脉冲延时产生器用于在接收所述飞秒激光器开启时的第一电位信号后，向所述脉冲延时产生器发送令所述探测器开启的第二电位信号，以使所述探测器在一次曝光时间内仅采集一次所述衍射信号。

5、于本申请的第一方面的一些实施例中，所述控制单元还包括示波器；所述示波器用于记录所述脉冲延时产生器所接收与发送的电位信号的延时，作为调整所述脉冲延时产生器的所述电位信号的延时的依据。

6、于本申请的第一方面的一些实施例中，所述脉冲延时产生器还用于将所述探测器的单次曝光时间调整至10μs内。

7、于本申请的第一方面的一些实施例中，所述衍射光路单元包括：衍射子单元；所述衍射子单元包括第一光阑和第二光阑；所述第一光阑的中心与所述飞秒激光的光束中心重合，所述飞秒激光先后经过所述第一光阑和所述第二光阑后发生衍射以在所述样品台单元形成无圆孔衍射条纹的光斑图样。

8、于本申请的第一方面的一些实施例中，所述衍射子单元还包括三维调节支架；所述三维调节支架用于支撑所述第二光阑，并在上位机的控制下带动所述第二光阑以纳米级步长在x、y、z三轴上移动，直至所述飞秒激光先后经过所述第一光阑和所述第二光阑后发生衍射以在所述样品台单元处形成无圆孔衍射条纹的光斑图样时，停止移动所述三维调节支架。

9、于本申请的第一方面的一些实施例中，所述衍射光路单元还包括：扩束子单元；所述扩束子单元用于扩大所述飞秒激光的光束束腰；所述飞秒激光经扩束后再入射至所述衍射子单元。

10、于本申请的第一方面的一些实施例中，所述扩束子单元包括第一凸透镜和第二凸透镜；所述飞秒激光先后经过所述第一凸透镜和所述第二凸透镜后被扩束为束腰更宽的光束。

11、于本申请的第一方面的一些实施例中，所述高斯光斑的尺寸为单个所述样品尺寸的3到4倍。

12、于本申请的第一方面的一些实施例中，所述样品台单元包括：x向位移台、y向位移台、位移控制子单元、样品窗；所述x向位移台用于支撑所述y向位移台，并带动所述y向位移台作往返扫描；所述y向位移台用于夹持其上方的所述样品窗，并带动所述样品窗移动；所述位移控制子单元与所述x向位移台和所述y向位移台通信连接，用于控制所述x向位移台和所述y向位移台分别在x向移动和y向移动；所述样品窗用于容置多个所述样品

13、为实现上述目的及其他相关目的，本申请的第二方面提供一种基于飞秒激光的单颗粒衍射成像方法，包括以下步骤：飞秒激光器产生飞秒激光，所述飞秒激光入射至衍射光路单元；衍射光路单元使所述飞秒激光发生衍射以在所述样品台单元形成高斯光斑；样品台单元移动样品以使所述高斯光斑内仅有单个所述样品；探测器采集所述高斯光斑照射在单个所述样品时产生的衍射信号。

14、如上所述，本申请的一种基于飞秒激光的单颗粒衍射成像系统及方法，具有以下有益效果：

15、本申请通过设置由飞秒激光器、衍射光路单元、样品台单元、探测器、控制单元组成的一套单颗粒衍射成像系统，能够对高重频x射线自由电子激光装置下的单颗粒衍射成像技术进行高精度、低成本的模拟。具体而言，本申请通过高精度的电动位移台控制消杂光光阑与限光光阑的精确位置，既实现了对光斑大小的调节，又消除了光阑本身产生的衍射信号对实验的影响；本申请还通过调整超快相机拍摄时间与飞秒激光器产生脉冲信号的同步，实现了每个脉冲产生的单颗粒衍射信号都能被探测器收集到，提高了实验数据的采集效率。基于此，本申请的模拟效果良好，且能够在实验成本更低的实验室内完成搭建，显著地降低了模拟高重频x射线自由电子激光装置研究单颗粒衍射成像技术的成本，能够对单颗粒衍射成像技术的关键问题进行研究，具备良好的科学研究前景。

技术特征：

1.一种基于飞秒激光的单颗粒衍射成像系统，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的基于飞秒激光的单颗粒衍射成像系统，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的基于飞秒激光的单颗粒衍射成像系统，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的基于飞秒激光的单颗粒衍射成像系统，其特征在于，

5.根据权利要求3所述的基于飞秒激光的单颗粒衍射成像系统，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的基于飞秒激光的单颗粒衍射成像系统，其特征在于，

7.根据权利要求6所述的基于飞秒激光的单颗粒衍射成像系统，其特征在于，

8.根据权利要求6所述的基于飞秒激光的单颗粒衍射成像系统，其特征在于，

9.根据权利要求8所述的基于飞秒激光的单颗粒衍射成像系统，其特征在于，

10.根据权利要求1所述的基于飞秒激光的单颗粒衍射成像系统，其特征在于，

11.根据权利要求1所述的基于飞秒激光的单颗粒衍射成像系统，其特征在于，

12.一种基于飞秒激光的单颗粒衍射成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本申请提供一种基于飞秒激光的单颗粒衍射成像系统及方法，该系统包括：飞秒激光器、衍射光路单元、样品台单元、探测器；飞秒激光器用于产生飞秒激光，飞秒激光入射至衍射光路单元；衍射光路单元用于使飞秒激光发生衍射以在样品台单元形成高斯光斑；样品台单元用于移动样品以使高斯光斑内仅有单个样品；探测器用于采集高斯光斑照射在单个样品时产生的衍射信号。基于本申请，可以解决现有技术无法以较低成本模拟高重频X射线自由电子激光装置的单颗粒衍射成像技术的问题，本申请具备试验成本低、模拟精度高的有益效果，具备良好的科学应用前景。

技术研发人员：谢青,范家东,聂勇敢,温平平,江怀东
受保护的技术使用者：上海科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14