近日，南方科技大學(xué)電子與電氣工程系副教授張福才課題組在相干衍射成像(CDI)研究方面取得進(jìn)展，提出了一種基于幀間連續(xù)性的動態(tài)樣品序列CDI方法(serial CDI)。相關(guān)成果以“Serial coherent diffraction imaging of dynamic samples based on inter-frame continuity”為題，發(fā)表于光學(xué)頂級期刊Light:Science&Applications。

相干衍射成像(CDI)技術(shù)以其無需透鏡的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和納米級分辨率，近年來廣泛應(yīng)用于同步輻射、自由電子激光等先進(jìn)光源裝置。CDI通過相位恢復(fù)算法直接從樣品衍射強(qiáng)度圖數(shù)據(jù)重構(gòu)獲得樣品復(fù)透過率分布信息，避免了高質(zhì)量成像元件制造面臨的材料和諸多工藝上的挑戰(zhàn)。對應(yīng)靜態(tài)樣品，疊層掃描相干衍射成像技術(shù)(Ptychography)已趨于成熟。對于具有更大科學(xué)意義的動態(tài)樣品和超快動態(tài)過程，目前尚缺少成熟相干衍射成像方法。并且，傳統(tǒng)CDI方法在處理動態(tài)樣品時存在重建質(zhì)量不穩(wěn)定、收斂性差等問題。此次研究首次提出利用幀間結(jié)構(gòu)連續(xù)性作為重建約束，開發(fā)出適用于多種樣品的新型算法框架serialCDI，有效提升了動態(tài)樣品的成像能力。

該方法的核心理念在于通過自適應(yīng)相似性矩陣對幀間局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量評估，用獲得的相似性矩陣對不同的幀的重構(gòu)圖像進(jìn)行加權(quán)生成改進(jìn)的樣品函數(shù)估計。相較于現(xiàn)有的相干調(diào)制成像、低秩相位恢復(fù)等方法，serialCDI在無需引入復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，大幅提升了對噪聲與數(shù)據(jù)缺失的穩(wěn)定性、收斂速度與重建精度，呈現(xiàn)出良好的通用性和可擴(kuò)展性。

圖1.使用SerialCDI對厚晶體生長過程進(jìn)行動態(tài)成像

圖2.SerialCDI重建結(jié)果與疊層掃描相干衍射成像對比

研究團(tuán)隊通過模擬晶體生長過程(圖1)以及實際采集的眼蟲游動數(shù)據(jù)，驗證了serialCDI在不同動態(tài)場景下展現(xiàn)出的卓越成像效果和相位還原能力。在一項模擬X射線自由電子激光(XFEL)實驗場景中，serialCDI同樣展現(xiàn)出了優(yōu)異的重建效果，彰顯了其在飛秒動態(tài)成像領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景(圖2)。此項研究成果為未來動態(tài)過程的無損高分辨率成像提供了新思路，并為推動CDI在材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)反應(yīng)等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。

南方科技大學(xué)電子與電氣工程系碩士研究生盛鵬舉為論文第一作者，張福才為通訊作者。南方科技大學(xué)為論文第一單位。該成果獲得國家自然科學(xué)基金、深圳市科技計劃項目資助以及深圳市恩斯貝科技有限公司游劍鋒顧問的獎學(xué)金資助。研究過程中得到了南方科技大學(xué)多學(xué)科交叉平臺的有力支持。

審核編輯 黃宇