| 单词 | X射线激光全息术 |
| 释义 | 【X射线激光全息术】 指用X射线激光作为相干光源对物体进行全息摄影，获得全息图，然后通过全息图的再现获得微观物体的的空间分辨的三维图像的新技术。当前，X射线激光和X射线光学所取得的进展，对生物和生命科学的研究具有重大现实意义。由于X射线激光具有短波长、高亮度、短脉冲、相干性等特点，因而X射线激光全息术能够使人们看到活的生物细胞和亚细胞结构以及动力学过程。从长远来看，X射线激光全息术有可能使人们第一次看到分辨为原子尺度的生命、物理和化学动力学过程。 全息原理是1948年英国丹尼斯·伽柏(Dennis Gabor)为提高电子显微镜的分辨本领而提出的。全息术的原理适应于各种形式的波动，如微波、声波、电子波、X射线等。而用X射线全息术，可以获得活的细胞的三维结构。从研究生物样品的观点，可以把X射线全息技术分为两类：菲涅耳变换全息术和博里叶变换全息术。菲涅耳全息术有共轴菲涅耳变换全息术(伽柏全息术)和离轴菲涅耳变换全息术。伽柏全息术的优点是简单，样品与X射线束共轴，X射线束既是参考波又是样品的照明(物波)。伽柏全息术的不足之处是需要有高分辨记录介质，同时记录面必须放在样品的“远场”，否则实像与虚像会互相干扰。离轴全息术是对伽柏全息术的改进，记录时参考光波和物光波之间有一夹角，再现时得到分开的两个立体像，并且也和直射光分开，避开了互相干扰。傅里叶全息图是指物体的像可以通过全息图作傅里叶变换而得到。可以证明，所有的傅里叶变换全息图，是用非准直光照明物体所记录的无透镜傅里叶变换全息图的一个特殊情况，参考源发射的球面波与样品的散射波在记录面相干扰，傅里叶变换全息图中条纹图像的空间频率可以通过改变参考源和样品间的距离或改变记录面样品的法向距离而加以调整，因此可以避开像菲涅耳全息术那样空间分辨受记录的感光介质颗粒大小影响。按照波动光学，能够分辨的最小间隔称为分辨极限，它是光学成像系统的重要性能之一。按照瑞利判据，显微镜的分辨极限ε=0．61λ／A，式中λ为入射光的波长，A为显微镜的数值孔径，分辨极限和入射光波长成正比。现代生物学中，人们想要直接分析小于光显微镜分辨极限(～2000×10－10m)的大分子结构(例如染色质－酶复制复合物、核膜孔结构、蛋白质复合物结构等)，了解它们的功能。随着国际间遗传学研究的进展，要求能够提供像遗传物质DNA(脱氧核糖核酸)和RNA(核糖核酸)结构和功能信息。光学显微镜已不能满足要求，虽然电子显微镜的分辨极限比光学显微镜小得多，但是由于成像过程中要对生物样品进行切片、脱水、染色和固定等，引起部分结构解体和环境变化，与真实的活的状态有所不同，不能满足研究的需要。人们希望研究活的生物细胞和亚细胞结构和功能，了解正常环境下三维大分子结构和生命过程动力学。把全息技术和显微镜相结合，作成全息显微镜进行放大称作全息显微术。用强脉冲激光束可将物体的信息在短瞬间内冻结起来，以便对瞬变物体进行深层次的三维动态戊析。发展中的X射线激光全息术可以满足生物显微术的这些新的要求。X射线激光器可以提供短脉冲、高亮度和相干的软X射线作为全息术的光源，配合合适的X射线光学部件，可以获得反映动态过程的瞬间全息图，通过计算机数值再现这个全息图，可以获得高空间分辨的生物微观结构的三维图像。虽然早在1952年就有人考虑了X射线全息术，但是由于存在X射线源、X射线光学部件和探测器方面等技术原因，高分辨X射线全息术的实验演示姗姗来迟，60年代和70年代同步加速器技术的发展为新的高亮度X射线源创造了条件；70年代建立的高功率、亚纳秒脉冲的光学激光器为X射线激光器提供了必要的泵浦源；70年代和80年代半导体电子工业技术的进步，使得人们有能力制造X射线光学部件(透镜、反透镜和分光镜等)。这一切对X射线全息术来说都是非常重要的。1984年实验室X射线激光演示实验成功；1986年Howells等人利用布鲁克海文实验室的NSLS(国家同步光源)电子贮存环的波荡器和单色器的25×10－10m辐射作X光源，获得老鼠胰腺酶颗粒的伽柏全息图；1987年美国利尔实验室用软X射线激光作光源进行了世界上第1例X射线激光全息术的原理性演示实验，获得一个直径为0．008mm的炭纤维的伽柏全息图。X射线激光指波长为(300～0．1)×10－10m的激光，在研究短波长激光时把波长为(300～20)×10－10m的辐射称为软X射线。产生X射线激光所需的泵浦源的功率密度(W／cm2)与X射线激光的波长的9／2次方成反比。因此世界各国实验室中用于X射线激光研究的泵浦源大都是脉冲宽度为纳秒或亚纳秒的高功率激光器。但由于功率仍有限，所以只能进行软X射线激光的研究。和其它的X射线源如X射线管、同步辐射源等相比，X射线激光的优点是亮度高、脉冲短，因此特别适合于微观过程的动态全息摄影。泵浦激光打靶后产生的等离子体是X射线激光的激活物质。目前实验室软X射线激光的研究主要集中于3种物理机制，即离子的电子碰撞激发、离子的碰撞复合和离子的线共振激发。离子的电子碰撞激发机制是目前世界上唯一获得高放大和增益饱和的软X射线激光机制，也是唯一可用于全息术的X射线激光。处于基态的等电子系列闭合壳层的离子(类氖、类镍和类钕离子)经电子碰撞激发到激光跃迁的上能级，由于下能级相对基态是电偶极允许跃迁，辐射衰减速率很大。结果形成上下能级间的粒子转反转如果枉状等离子体中能够产生粒子数反转从而形成受激跃迁上迁辐射放大的区域足够大，维持时间足够长，就能产生软X射线激光。这种机理产生的软X射线激光的上下能级差Δn=0，n为原子的主量子数，即只能在同一主壳层的不同次壳层之间发生跃迁，例如氖离子的3p－3s跃迁，类镍离子的4d－4p跃迁等。这种机理有一个显著的特点，就是对于不同的等电子系列的闭合壳层的离子，单极激发强度随n的增大而增大。从能量利用效率看，类镍离子(n=3)和类钕离子(n=4)的电子碰撞激发比类氖离子(n=2)的电子碰撞激发更有效。美国利弗弗尔实验室的类镍钨离子(4d－4p)跃迁的辐射放大实验中观测到GL≈7，其中G是增益系数，L是增益区长度。并观测到类镍金离子的4d－4p跃迁的35．6×10－10m的辐射放大，进入了“水窗”［(43．7～23．2)×10－10m］。类镍钽离子的4d－4p跃迁谱线λ=44．8×10－10m是软X射线激光全息术光源的有力候选者。生物细胞X射线全息摄影有一个最佳波长，这时相干的X射线散射最大，同时X射线吸收和对样品的损伤都最小。生物细胞的散射截面最大值约在44×10－10m处，吸收剂量最小值刚好在碳的K吸收边上，因此软X射线全息摄影的最佳波长为44×10－10m，位于“水窗”的外边。为了防止在产生X射线全息图过程中生物体吸收X射线引起的损伤，需要限制入射X射线能量和曝光时间。使被摄物体不会膨胀到大大超过其初始尺寸的程度，即全息图一定要在X射线加热引起的爆炸可能破坏物体之前就已产生了。为此，要求X射线激光脉冲要尽可能短，例如小于50ps。如果生物体含有X射线散射截面大的物质，例如用免疫金标记法把直径小到10×10－10m的尘微球加到细胞结构中，这样X射线剂量可以大大降低，尘微球颗粒愈大所需剂量愈低。用直径300×10－10m的金微球作标记，允许曝光时间达几百个ps，处于目前研制中的X射线激光器输出脉冲宽度之内。波长44×10－10m的软X射线在蛋白质中的平均自由程有2μm，因此限制了成像的生物体的厚度。另一个最佳波长值在24×10－10m处，这个波长的X射线在蛋白质中的平均自由程有9μm，因此成像的范围较宽，它可能是X射线全息术的最终运转的波长。目前实验室X射线激光研究中要解决的问题是：泵浦能量转换为X射线激光能量的效率低(而且装置庞大、价值昂贵)；相干性差，普通激光可用谐振腔选模，软X射线谐振腔的研究尚处于起步阶段；可供生物体全息摄影的波长选择性小，近期波长44×10－10m附近的软X射线激光有可能达到增益饱和，但要得到波长24×10－10m附近的软X射线光困难很大，而且波长愈短难度愈大。用X射线拍摄的全息图可以用可见光再现而获得放大的还原图像，放大倍数为可见光波长与所用的X射线波波长之比，这也称为全息放大。计算机数值模拟和数值再现是研究X射线激光全息术的重要手段。以平面波为例，计算机模拟过程分两步：第一步，一个模拟的物体散射一个向前传播的相干平面波，新的场被记录在一张底片上，给出一个真实的强度分布的模拟，即全息图。第二步，一个相干的平面波通过全息图而被散射，在某一确定距离处，散射波的强度分布近似于模拟物体的初始场。具体的过程是假定入射场在时间上是谐振的、散射的、各向同性的，这时能推导出一个标量方程称为亥母霍兹(Helmholt2)方程，这个方程的解给出各处的场。如果我们能记录一处的场(振幅和位相)，我们就能计算另一处的场，也就是说能作成一个物体的“像”。除了特殊情况外，解亥姆霍兹方程是很困难的，但可用近似方法求解。为了确保计算机模拟结果是正确的，可以用可见光进行实验。用底片和数字化相机记录全息图，然后把数字化信息传递给计算机，通过数值模拟给出再现图像。通过对不同样品的图像对比，修改模拟程序，最后可得到可信的计算机模拟系列程序。利用这套程序进行X射线全息系统问题的研究就会有指导价值。模拟研究表明，为了分析具有几十个nm分辨高分子三维结构，需要多视图全息术。X射线激光全息术是建立在X射线激光器、X射线光学和全息术基础上的交叉学科新技术，目前还处在原理性演示阶段。近期目的是利用波长44×10－10m左右的X射线激光完成全息过程的演示实验。利用波长更短的(例如～24×10－10m)X射线激光全息摄影，获得三维的活细胞结构图像，进而利用波长更短(例如－1×10－10m)的X射线激光全息术进行诸如表面物理、原子分子物理、化学反应动力学等方面需要高分辨率的快过程的研究。获得价格相对低廉、易操纵、重复频率高和波长在水窗区或更短的X射线激光器和相应傅里叶变换全息术的X射线光学部件，仍然是非常艰巨的任务。X射线激光技术的迅速发展已经使X射线光全息摄影脱离了科学幻想，预计很快就能实现。(北京应用物理与计算数学研究所彭惠民撰) |
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