[发明专利]一种基于涡旋圆艾里的激增自聚焦电子束生成方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于涡旋圆艾里的激增自聚焦电子束生成方法及系统，电子枪发射电子束；电子束透射过一个纳米全息衍射图，纳米全息衍射图的图样经过计算进行立方相位调制，使透射过的电子束被调制成圆艾里电子束；圆艾里电子束再经过一个叉形衍射全息图，在圆艾里电子束中心轴处生成涡旋，得到带有中心涡旋的圆艾里电子束，即为涡旋圆艾里电子束；涡旋圆艾里电子束再通过磁透镜聚焦，涡旋圆艾里波包在焦平面上形成并且焦平面开始记录涡旋圆艾里电子束的传播；通过透射电子显微镜观察到涡旋圆艾里电子束的横截面。本发明能够很好地控制圆艾里电子束的初始场，便于调控参数；生成的电子束相比于其他电子束具有更强的聚焦能力，并且带有轨道角动量。

技术领域

本发明涉及电子束激增自聚焦技术领域，具体涉及一种基于涡旋圆艾里的激增自聚焦电子束生成方法及系统。

背景技术

激增自聚焦效应首先出现在光学领域，描述一种从激光器发出后经过特殊调制，使其不需要经过透镜就可以自动聚焦的光束。自从 1979 年 Berry 和 Balazs 首次在理论上提出艾里波包以来，艾里光束以其独特的性质引起了广泛的关注。2010年Nikolaos和Demetrios发现一种初始平面表达式中含有艾里函数的新颖光束：圆艾里光束。通过将艾里光束的横向自加速特性转移到径向，该种类光束表现出激增自聚焦特性。基于相同的原理，利用电子束纳米全息衍射图的技术，我们可以生成涡旋圆艾里电子束。根据数值模拟的结果，该电子束也会在传播过程中表现出激增自聚焦的特性。圆艾里可以通过加载中心与光斑中心重叠的涡旋而携带轨道角动量。

而涡旋圆艾里电子束不仅可以携带轨道角动量，而且其激增自聚焦的特性使得其在聚焦平面能量密度急剧增大，光斑大小急剧减小。更小的光斑能够提高电镜的分辨率。其携带轨道角动量，有可能在磁手性二色性谱（EMCD）有潜在应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于涡旋圆艾里的激增自聚焦电子束生成方法及系统，能够很好地控制圆艾里电子束的初始场，便于调控参数；生成的电子束相比于其他电子束具有更强的聚焦能力，并且带有轨道角动量。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一方面，本发明提供一种基于涡旋圆艾里的激增自聚焦电子束生成方法，包括如下步骤：

电子枪发射电子束；

电子束透射过一个纳米全息衍射图，纳米全息衍射图的图样经过计算进行立方相位调制，使透射过的电子束被调制成圆艾里电子束；

圆艾里电子束再经过一个叉形衍射全息图，在圆艾里电子束中心轴处生成涡旋，得到带有中心涡旋的圆艾里电子束，即为涡旋圆艾里电子束；

涡旋圆艾里电子束再通过磁透镜聚焦，涡旋圆艾里波包在焦平面上形成并且焦平面开始记录涡旋圆艾里电子束的传播；

通过透射电子显微镜观察到涡旋圆艾里电子束的横截面。

作为优选地，所述纳米全息衍射图的图样是根据计算后给电子束进行圆艾里调制计算后制作而成。

作为优选地，所述叉形衍射全息图是利用了全息重构技术，用一参考波束和目标波束干涉形成干涉条纹，然后按照干涉条纹的明暗进行互换制作成为光栅，即全息光栅，其目的是在圆艾里电子束中央增加涡旋。

作为优选地，所述透射电子显微镜的分辨率达到微米级，能观察衍射图样的精细程度和涡旋圆艾里电子束传播的界面。

作为优选地，所述圆艾里电子束初始场分布为，

其中为场强，r为半径，exp为自然常数e, 为艾里函数，为主环半径，为电子束宽，为衰减因子。

作为优选地，取值为0.1。

作为优选地，所述涡旋圆艾里电子束初始场分布相较于圆艾里电子束多了涡旋相位，初始场分布为；