相干衍射成像方法(Coherent Diffraction Imaging,CDI)是一種利用二維探測器和計算機來代替透鏡作用的無透鏡成像方法,其理論上的成像分辨率僅受限于成像所用入射光的波長。該方法經(jīng)過多年發(fā)展,目前已經(jīng)可以被廣泛地應(yīng)用于同步輻射光源、X射線自由電子激光光源(XFEL)等大科學(xué)裝置,對材料、生物、環(huán)境等多種研究領(lǐng)域的樣品進行二維或三維成像。根據(jù)重建圖像依靠的是一幅或者多幅衍射圖像,相干衍射成像方法可以被分為掃描CDI(Ptychography)和常規(guī)CDI。Ptychography由于有收斂快、成像質(zhì)量好、不要求樣品是孤立樣品等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用在同步輻射光源。然而Ptychography方法所要求的對樣品多次曝光,使得其不適用于一些像自由電子激光這樣特殊的場合。相比之下,常規(guī)CDI方法雖然有著收斂慢、成像質(zhì)量差、需要樣品是孤立樣品等缺點,但是不需要對樣品進行多次曝光,因此其可應(yīng)用的范圍比Ptychography方法要廣,目前仍然在X射線成像中占據(jù)著重要地位。立足于國際前沿的研究趨勢,本文主要工作圍繞常規(guī)CDI方法的改進進行,主要的方向有兩點:1、借鑒Ptychography方法中重疊區(qū)域和探針重建等概念,將其應(yīng)用于CDI中,從而提高CDI方法的可靠度。2、改進已有的三維成像方法,發(fā)展適合CDI方法的三維成像技術(shù)。目前已經(jīng)取得的主要成果如下:(1)提出了空間關(guān)聯(lián)相干衍射成像方法,提高了重建圖像的可靠度。該方法提出的思路來自于掃描CDI中重疊區(qū)域的概念以及X射線全息成像中樣品附近標識物的應(yīng)用�？臻g關(guān)聯(lián)相干衍射成像方法通過在各個孤立樣品的周圍添加同樣的人工制品,人為制造關(guān)聯(lián)性,從而提高CDI方法的圖像重建質(zhì)量以及提高整個重建過程的穩(wěn)健性。該方法理論上可以應(yīng)用在自由電子激光裝置或是其它的一些Ptychography難以應(yīng)用或者不適合應(yīng)用的特殊情況。我們通過可見光實驗驗證了該方法的效果,同時用模擬實驗進一步探究了該方法中一些實驗參數(shù)對于成像效果的影響。(2)改進了常規(guī)的入射光信息(探針)提取算法,明顯改進成像質(zhì)量。在算法中實現(xiàn)入射光信息的重建有利于提高重建圖像的成像質(zhì)量,而在CDI方法中實現(xiàn)入射光信息重建這一概念(由Takahashi等人于2016年提出)則是借鑒了掃描CDI方法中入射光信息重建的算法。在本文的工作中,我們發(fā)現(xiàn)了在CDI方法中實現(xiàn)入射光信息重建所必須滿足的條件——“錯位”條件,并且通過數(shù)值模擬和可見光實驗驗證了“錯位”條件對于CDI方法的必要性,探針重建CDI必須在滿足“錯位”條件的情況下才能成功重建樣品和探針圖像。同時,我們還通過可見光實驗來驗證探針重建CDI相對于傳統(tǒng)CDI在成像質(zhì)量上的提升。(3)初步探討了雙光束Ankylography方法。對雙光束Ankylography方法進行研究是為了解決Ankylography方法中第三維度(沿光路方向)分辨率不足的問題。雙光束Ankylography方法中,需要利用分光裝置將一束光分為兩束再匯聚到一個點對樣品進行成像,對于實驗的裝置有一定的要求,前人的工作為分光裝置的設(shè)計提供了參考。在本文中,我們首先進行可見光實驗驗證了雙光束Ankylography方法相對于Ankylography方法在第三維度上分辨率的提升,同時發(fā)現(xiàn)雙光束的夾角會影響樣品三維結(jié)構(gòu)的重建質(zhì)量。通過數(shù)值模擬實驗,我們還探究了對于雙光束Ankylography方法而言最合適的夾角。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O434.1
【部分圖文】：

相干 X 射線衍射成像方法介紹1 X 射線顯微成像簡介隨著現(xiàn)代生物學(xué)、材料科學(xué)、納米科學(xué)、藥理學(xué)等學(xué)科的不斷發(fā)展，人測物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的需求越來越高，這也推動著顯微技術(shù)的不斷發(fā)展。自Robert Hooke）在 1665 年利用自制的光學(xué)顯微鏡觀察并繪制了軟木細胞成像經(jīng)過了長時間的發(fā)展已經(jīng)成為了一個成熟的學(xué)科，除了可見光顯微為人們提供了多種先進的顯微成像技術(shù)。1931 年，魯斯卡（Ernst Rusk制了世界上第一臺電子顯微鏡[2]；1985 年，賓寧（Gerd Binning）等人界上第一臺原子力顯微鏡[3]。電子顯微鏡和原子力顯微鏡為人們提供了至是原子級分辨率的成像精度[4,5]，但是其局限性在于無法穿透樣品內(nèi)對樣品表面信息進行探測。

單次 X 射線曝光的高空間分辨相干衍射成像方法研究利用 X 射線進行顯微成像有著得天獨厚的優(yōu)勢：X 射線的波長比可見光波長要短至少兩個數(shù)量級，其理論上可達到的極限分辨率要遠高于可見光顯微鏡；X 射線穿透物質(zhì)的本領(lǐng)使得其可以被應(yīng)用于探測樣品內(nèi)部信息，更可以進一步地對樣品進行三維成像；X 射線與樣品之間地作用方式豐富，有吸收、散射、熒光等等，利用這些作用方式可以發(fā)展出多種顯微成像方法[7,8]。

圖 1.3 上海光源俯視圖Figure 1.3 The vertical view of Shanghai Synchrotron Radiation Facitity由電子激光是利用自由電子為工作媒質(zhì)產(chǎn)生的強相干輻射[15-17]。具有的（1）完全相干性，自由電子激光產(chǎn)生的脈沖可以被看作是完全相干的超短脈沖時間，自由電子激光的脈沖時間是飛秒級別的；（3）超高的脈相比于第三代同步輻射光源，自由電子激光的脈沖強度更要高上幾個數(shù)而高脈沖強度這一特性會帶來樣品損壞這一不利于成像的事實。相干 X 射線衍射成像方法于已有的大裝置相干光源，目前發(fā)展出的 X 射線顯微成像的方法有： X 射線顯微鏡（Full-field Transmission X-ray Microscopy，F(xiàn)ull-field TX
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