小型电子地磅

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室院士李儒新和研究员田野团队在小型化自由电子相干光源研究领域取得进展。研究团队实验探索飞秒激光驱动的超短电子脉冲泵浦表面等离极化激元(surface plasmon polariton，SPP)的动力学过程，通过对自由电子脉冲泵浦SPP相干放大的动态过程观测，阐述了自由电子与SPP作用过程中的受激放大机理。该研究采用超快光学技术探测了自由电子受激辐射放大的全过程，指明了采用自由电子泵浦SPP实现其相干放大的全新途径，对发展小型化/集成化的相干光源具有重要意义。11月3日，相关研究成果于发表在《自然》(Nature)上。回顾激光器的发展历程，提高激光的辐射功率、追求更宽可调谐的频谱，以及实现体积更小、成本更低的光源一直都是激光科学领域的不懈追求。常见的激光装置，如红宝石激光器等一般需要依赖光学晶体等增益介质来实现激光的输出。而基于自由电子辐射的光源则可以脱离晶体或其它增益介质的束缚，不仅能够产生自由空间光辐射，也可在波导表面形成一类束缚于波导表面光场模式的光源。相比自由空间中传播的光场，以SPP为代表的表面光场具有亚波长压缩和近场增强的优异特性，近年来已逐步应用于新一代无线通信、纳米尺度的成像与探测等诸多领域，并有望为集成光电子器件的开发以及光谱探测、传感、信息处理等领域的应用带来变革性的技术影响。目前，国际上产生表面光场主要有电子直接激发与波导耦合两种方式，但不论采用何种方式，所产生的表面光场都受限于低耦合效率导致的弱光场能量，进而限制了SPP在上述领域的应用。因此，发展相干的高功率SPP光源是该领域亟待解决的问题。近年来，作为半导体集成电路基础的微纳制造工艺不断进步，使集成化的自由电子光源成为可能。围绕小型化自由电子相干光源，科研团队展开飞秒激光驱动的超短电子脉冲泵浦SPP种子研究，采用超快光学泵浦-探测技术，观测到自由电子脉冲对SPP的相干放大。实验通过对SPP的电磁场时空波形、能量、频谱的记录，首次动态演示了SPP受激辐射放大的动力学过程，并揭示SPP经历了高增益自由电子激光中超辐射、指数增长和饱及等三阶段的受激辐射光放大过程。该研究发展了自由电子泵浦实现SPP相干放大的新途径，在光谱探测、传感、信息处理等应用领域颇具应用价值。该成果的实现得益于研究团队在小型化自由电子光源领域中的长期积累，例如，团队相继发现了微型电子波荡器辐射(Nature Photonics，2017)、激光调制阿秒电子脉冲序列(Nature Photonics，2020)等新原理，相关研究成果分别被评为“2017年度中国光学十大进展”和“2021年度中国光学十大进展”。研究团队将基于这一全新技术进一步发展小型化/集成化的相干光源，并将拓展到在光谱探测、传感、信息处理领域的交叉应用。研究工作得到中科院战略性先导科技专项、国家自然科学基金优秀青年基金项目、上海市“基础研究特区计划”项目、中科院基础前沿科学研究计划“从0到1”原始创新项目、中科院青年创新促进会等的支持。

9月18日，中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室徐至展院士、李儒新研究员带领研究团队，在超强超短激光驱动尾波场加速产生高亮度高品质电子束研究中取得突破性进展。研究团队提出了级联尾波场加速新方案，突破了激光尾波场加速中能散度难以压缩等重大技术瓶颈，实验获得了高亮度高品质(200-600 MeV、能散0.4-1.2%、流强1-8 kA、发散角～0.2 rms mrad)的高能电子束，电子束六维相空间亮度达到1015-16A/m2/0.1%，远高于目前国际上报道的同类研究结果，在国际上首次接近了最先进的直线加速器上所能获得的电子束亮度。　　相关研究成果于9月16日在线发表于《物理评论快报》，上述论文被该国际物理学领域顶尖刊物优选(Editors’ Suggestion)为亮点论文(Highlighted Articles)发表。　　发展小型化、低成本激光粒子加速器是科学家们一直梦寐以求的目标。超强超短激光驱动的尾波场电子加速器具有比传统的射频加速器高出三个量级以上的超高加速梯度，为实现小型化的高能粒子加速器等提供了全新技术途径，对未来的同步辐射装置、自由电子激光以及高能物理研究等也将带来深远的影响。近十年来，激光尾波场电子加速研究已经取得许多重要进展，但是在产生高品质电子束方面还面临诸多难题和挑战，例如能散度压缩与稳定性提高等，使其在应用方面的研究受到限制。　　近年来上海光机所该研究团队在激光尾波场电子加速方向开展了独具特色的研究，国际上首次成功实现级联双尾波场准单能高能电子加速方案，实验获得了GeV级准单能电子束等重要研究成果。在本项研究中又创新地设计了级联尾波场加速新方案，通过在两段级联的等离子体之间引入一段高密度等离子体，控制电子束的稳相加速及能量啁啾反转和能散度压缩，克服了单级尾波场加速方案中能散度无法独立控制的技术瓶颈，实验获得了高品质(200-600 MeV、能散0.4-1.2%、流强1-8 kA、发散角～0.2 rms mrad)的高能电子束。电子束各项重要性能指标的全面提升，使得电子束最高的六维相空间亮度达到6.5×1015A/m2/0.1%，远高于目前国际上报道的同类研究结果，也是激光电子加速在国际上首次接近了最先进的直线加速器所能获得的电子束亮度。三维粒子模拟也揭示，该级联加速新方案能够有效的抑制电子的二次注入，实现电子束的稳相加速，并通过控制电子束的能量啁啾和压缩能散度获得低能散度、低发散角及高流强的高亮度高品质电子束。　　评审专家对该研究结果给予了高度评价：“该亮度是迄今激光尾波场加速器实现的最高纪录” “相比于以前的方案，该方案通过高密度区，恰当地操控了自注入电子束的注入位相...并且电子束的能量啁啾在加速过程中能够得到补偿...是一个新的方案，在产生数百MeV具有千分之一级相对能散并高电荷量的高品质、高亮度电子束方面取得了重大进展...” “利用优化结构的密度分布产生了200-600 MeV的具有低能散度、低发散角的电子束...提出的新方法实现了创纪录的电子束流品质”。　　据悉，利用该方案获得的高亮度高能电子束应用于逆康普顿散射伽马射线源产生方面也获得了突破。利用该电子束与超强超短激光对撞产生了超高亮度准单色MeV 量级伽马射线源，其最高峰值亮度达3×1022 photons s-1 mm-2 mrad-2 0.1%BW，与国际上报道的同类伽马射线源亮度相比高出一个量级以上，比传统伽马射线源同能区的峰值亮度提高了10万倍。目前，该研究团队正在开展小型化全光自由电子激光装置的研制工作。利用该级联尾波场加速新方案成功产生的高亮度高能电子束，将会显著促进小型化自由电子激光等重要领域的研究进程。

操作简单换样快捷，换样仅需3 min成本低廉 无需冷却水无需专业实验室维护成本低新一代超小型台式透射电子显微镜LVEM 5 随着科研技术的进步，人们对科研设备的要求也越来越高。在保证高精度、高灵敏度等条件的前提下，便捷操作的台式小型化设备越来越受科研人员的青睐。尤其是科研工作者在前期科研探索过程中，面对繁重的样品筛选工作，迫切需要操作便捷、换样快速的表征仪器，特别是透射电镜领域，满足这样需求的仪器少之又少。为此，美国Delong Instrument公司推出新一代LVEM5超小型多功能台式透射电镜，以实现这一功能。操作简单，换样快捷，成本低廉 LVEM5直观的用户界面、简便的控制台设计，用户仅需少的培训，即可轻松操作，让用户在使用时感觉更加舒适。不同于传统透射电镜每次更换样品后需要长时间抽真空，LVEM5更换样品仅需3分钟，可节省大量时间。LVEM5次购置费用远低于传统透射电镜。LVEM5特的设计优势，在使用中无需冷却水等外设，无需安装在特殊实验室，维持成本低。 台式设计：体积小巧，灵活性高 传统透射电子显微镜体积庞大，对放置环境有严格的要求，并且需要水冷机等外置设备。通常会占据整间实验室。LVEM5从根本上区别于传统电镜，尺寸较传统电镜缩小了90%，对放置环境无严格要求，无需任何外置冷却设备，可以安装在用户所需的任意实验室或办公室桌面。TEM-ED-SEM-STEM四种成像模式 LVEM5是新一代电子显微镜，不仅具有传统透射电镜功能，同时集成了扫描电镜功能，在一台电镜上即可实现TEM-ED-SEM-STEM四种成像模式。通过控制软件，LVEM5可以在四种模式间快速切换。研究人员可以获取同一样品、同一区域的不同模式图像，更加方便多方位深入的研究样品。电子光学-光学两图像放大 LVEM5电子光学系统采用倒置设计，场发射电子枪位于显微镜底端。电子枪发射出的高亮度电子束，经过加速、聚焦以及样品作用后，照射在高分辨率 YAG荧光屏上。荧光屏上的图像，包含了纳米的样品信息。YAG荧光屏将电子光学信号，转化成光学信号。采用光学显微镜对图像进一步进行放大。TEM模式下，放大倍数～20万倍（TEM Boost升版 ～50万倍）。而整个电镜体积，仅与光学显微镜相仿。5 kV低加速电压，有效提高轻元素样品成像质量生物样品无需染色 LVEM5采用5 kV低电压设计。相比高电压，低压电子束同样品的作用更强，对密度和原子序数有很高的灵敏度，对于0.005 g/cm3的密度差别仍能得到很好的图像对比度。例如，对20 nm碳膜样品，5 kV电压下比100 kV电压下对比度提高10倍以上。而LVEM5的空间分辨率在低电压下仍能达到1.5 nm。 生物样品的主要元素为C、H、O等轻元素，使用传统透射电镜观测时，需要使用重金属元素对样品进行染色，以增强对比度。 LVEM5观测生物样品时无需喷金，避免了染色造成的样品污染和扭曲，展现样品的本征形貌。超小型多功能台式透射电镜LVEM5与传统透射电镜的对比：传统透射电镜LVEM放大倍数高，分辨率0.2 nm左右分辨率：1.5nm（LVEM5）1nm (LVEM25)进样速度慢，约15-30分钟进样速度快，约3分钟操作复杂：操作人员需经过长期的严格培训为保证设备正常运行，好是专门做电镜的研究生操作，人工成本高操作简单：半天培训即可立操作无需专人操作放置于一层或地下室，需要特殊处理的实验室，需防震处理，环境要求高可放置于任何位置，厂房、办公室、实验室需要动力电（不能断电）、需要水冷机、液氮等维护成本高无需特殊电源，无需水冷、液氮维护成本低超小型多功能台式透射电镜LVEM5新应用案例TEM模式SEM模式STEM和ED模式用户评价LVEM5 User Profile: Dr. Betty Galarreta “While we were looking for an electron microscope, we knew we wanted to get one that did not require complicated and expensive maintenance. We also wanted equipment that was able to resolve details within the 1-2 nm range and that we could use to analyze not only metallic nanoparticles but also some biopolymers. The LVEM5 not only met our requirements but also made it possible to have sort of a 3 in 1 electron microscope, being able to characterize the same area in TEM, SEM and STEM mode.” "当我们在调研射电子显微镜时，我们想要一台不需要复杂和昂贵维护的设备。同时，我们还希望这台透射电子显微镜能够观察到1-2纳米尺度内的细节，而且这台电镜不仅可以用来分析金属纳米颗粒，还可以分析一些生物聚合物材料。LVEM5不仅满足了我们的要求，而且这台透射电子显微镜同时拥有三种功能，能够在TEM、SEM和STEM模式下对同一区域进行表征。" LVEM5 User Profile: Dr. Francesca Baldelli Bombelli “We are very satisfied with the instrument as it allows us to screen a high number of samples in a short time with a limited cost. It’s easy to use, without the need of a specific technician to run it, and with a low cost of maintenance. It allows the screening of a high number of samples in a quite short time. It is also quite good in the imaging of organic nanomaterials thanks to its low voltage which does not degrade them.” "我们非常满意这台透射电子显微镜，因为它允许我们在短时间内以有限的成本筛选大量的样品。这台设备很容易使用，不需要专门的技术人员来运行它，而且维护成本低。它可以在相当短的时间内筛选大量的样品。同时，归功于低电压操作模式，LVEM5非常擅长于有机纳米材料的成像，不会使它们发生降解。" LVEM5 User Profile: Dr. Fabrice Piazza “The most exciting moment was to find diffraction patterns of single bilayer graphene domain with AB stacking with LVEM5. The single bilayer graphene domain with AB stacking discriminates from AA counterpart by the three-fold symmetry of the spot intensity distribution on the inner ring of the diffraction patterns. This cannot be observed at 60–100 keV. Those observations confirmed the calculations of one of our collaborator at CEMES, Dr. Pascal Puech. Definitively, one of the greatest moments in my 22-year-long career.We have found that the advantages of using a LVEM go beyond cost issues. Indeed, by using LVEM to analyze 2D materials, in many cases, one can quickly obtain the number of layers and stacking sequence. Also, as we demonstrated the methodology is useful for materials other than graphene, such as transition metal dichalcogenides (TMD) which are nowadays very popular worldwide. Analyzing these materials in these ways is not possible using a conventional TEM operating at 60–100 keV.” "激动人心的时刻是用LVEM5衍射模式证明了单双层石墨烯域是以AB方式堆积的。具有AB堆积的单双层石墨烯域在衍射图像上与AA堆积的单双层石墨烯域的区别为，内环上的光斑强度分布的三倍对称性不同。这在60-100 KeV电压下是无法观察到的。这些观察结果证实了我们一位合作者的计算结果，来自CEMES的Pascal Puech博士。这肯定是我22年职业生涯中伟大的时刻之一。我们已经发现，使用LVEM5已经远超出了其成本优势。事实上，通过使用LVEM5来分析二维材料，在许多情况下，人们可以快速获得层数和堆叠顺序。另外，正如我们所展示的，该方法对石墨烯以外的材料也是有用的，例如当今非常流行的过渡金属二氯化物（TMD）材料。对于使用60-100 keV电压操作的传统透射电子显微镜,这些材料是不能用这种方法分析的。"用户单位