[论文解读] Single-Pixel Imaging in Space and Time with Optically-Modulated Free Electrons

Andrea Konečná, Enzo Rotunno+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Advanced Electron Microscopy Techniques and Applications被引用 1

一句话总结

本文提出了一种基于电子的单像素成像（ESPI）方法，利用超快电子显微镜中光学调制的自由电子，实现亚纳米级空间分辨率和飞秒级时间分辨率。通过使用空间光调制器（SLM）调控光学场，使其通过逆向跃迁辐射调制电子波包，该方法实现了仅需极少电子剂量的压缩感知重建，可获得二维和一维时间图像，展示了亚0.3 nm的空间分辨率，并具备在原子尺度上研究动态材料的潜力。

ABSTRACT

Single-pixel imaging, originally developed in light optics, facilitates fast three-dimensional sample reconstruction as well as probing with light wavelengths undetectable by conventional multi-pixel detectors. However, the spatial resolution of optics-based single-pixel microscopy is limited by diffraction to hundreds of nanometers. Here, we propose an implementation of single-pixel imaging relying on attainable modifications of currently available ultrafast electron microscopes in which optically modulated electrons are used instead of photons to achieve subnanometer spatially and temporally resolved single-pixel imaging. We simulate electron beam profiles generated by interaction with the optical field produced by an externally programmable spatial light modulator and demonstrate the feasibility of the method by showing that the sample image and its temporal evolution can be reconstructed using realistic imperfect illumination patterns. Electron single-pixel imaging holds strong potential for application in low-dose probing of beam-sensitive biological and molecular samples, including rapid screening during in situ experiments.

研究动机与目标

• 通过用调制电子替代光子，克服光学单像素成像的衍射限制空间分辨率。
• 利用现有超快电子显微镜基础设施，在电子显微镜中实现亚纳米级空间分辨率和飞秒级时间分辨率。
• 通过压缩感知和结构化照明，最小化测量次数，降低电子束敏感样品成像中的电子剂量。
• 证明可使用真实、不完美的照明图案，重建静态二维图像和动态一维时间演化图像。
• 探索深度学习与压缩感知的结合，以实现电子单像素成像中最佳照明图案的选择。

提出的方法

• 使用空间光调制器（SLM）生成可编程光学图案，通过电子-光相互作用调制电子波包的横向分布。
• 利用金属板的逆向跃迁辐射，将长光脉冲耦合至电子脉冲，实现纵向调制，用于时间成像。
• 采用压缩感知（CS）方法，结合哈达玛基和傅里叶基图案，从少于像素数的测量中重建图像（M << Npix）。
• 使用测量矩阵 H 将总散射强度（χ）与样品透射函数（T）关联，即 χ = HT，实现图像重建。
• 模拟理想与非理想条件下的电子束剖面，包括有限动量截止和SLM图案不完美情况。
• 使用由周期性光脉冲导出的基函数，对测量散射强度进行类傅里叶时间动态重建。

实验结果

研究问题

• RQ1 光学调制的自由电子是否能够在电子显微镜中实现亚纳米级空间分辨率的单像素成像？
• RQ2 在保持图像保真度的前提下，压缩感知在电子单像素成像中能将所需测量次数减少到何种程度？
• RQ3 能否利用由长光脉冲调制的结构化电子脉冲，实现材料时间动态的飞秒级分辨率重建？
• RQ4 照明基的选择（哈达玛基与傅里叶基）对电子单像素成像的空间分辨率和重建质量有何影响？
• RQ5 在光学调制和电子束剖面存在真实不完美性的情况下，是否仍能实现高保真度的图像重建？

主要发现

• 使用哈达玛基和动量截止 ω₀c⁻¹ 时，重建图像实现了亚0.3 nm的空间分辨率，采用傅里叶基时分辨率进一步提升至0.25 nm。
• 该方法仅需单像素探测器和结构化电子照明，即可实现二维空间图像（如西门子星形图案、鬼成像）和一维时间动态的重建。
• 在真实非理想条件下（包括SLM图案不完美和光学场中有限动量截止）图像重建依然具有鲁棒性。
• 使用100个基函数对三态系统进行时间重建，结果与真实动态高度吻合，类傅里叶重建方法表现出高保真度。
• 该方法支持远低于奈奎斯特极限的采样率，结合深度学习可将采样率降至6%左右，显著降低电子剂量。
• 该技术与现有超快电子显微镜兼容，可实现低剂量、原位探测电子束敏感的生物与分子样品。