日本团队实现飞秒软X射线高光谱显微镜 单脉冲同步获取空间与能量信息

日本科学技术振兴机构、理化学研究所和东京大学8月21日发布消息称，东京大学固体物理研究所助理教授武尾洋子、副教授木村隆，东京大学先进科学技术研究中心助理教授江川悟，以及理研SPring-8中心研究组组长矢桥真纪奈等组成的研究团队，成功开发并实现了飞秒软X射线高光谱显微镜。相关成果已于8月20日发表在美国科学期刊《Optica》上。

该技术利用X射线自由电子激光器(XFEL)的单个软X射线脉冲，可同时采集样品不同位置透射出的软X射线光谱，实现一次拍摄中同步获得空间信息和能量信息。研究团队表示，这一方法突破了传统测量中空间分辨率与能量分辨率难以兼顾的限制，为快速、非均匀变化样品的分析提供了新的观测手段。

在系统设计上，研究团队将无色差沃尔特镜显微镜与新制造的多孔径衍射光栅相结合。沃尔特镜可在较宽能量范围内放大软X射线图像，多孔径衍射光栅则集成了417个微小光谱单元，能够把放大后的二维图像分割成多个空间通道，并在二维探测器上同步记录各通道的光谱信息。借助这一结构，研究人员可以把“不同位置、不同能量下的吸收信息”叠加到显微图像中，用于分析样品内部成分和化学状态的空间差异。

为验证该技术，研究团队在兵库县播磨科学园区SACLA X射线自由电子激光装置软X射线光束线BL1上开展实验。结果显示，该系统能够可视化XFEL光束在不同脉冲之间的光谱波动及空间不均匀性。研究人员还以氮化硅薄膜为样品，使用脉宽小于100飞秒的单脉冲，在硅吸收边附近捕捉到样品存在与否引起的透射光谱变化。

研究团队认为，该成果可作为无需扫描的高速软X射线光谱成像基础技术，未来有望用于材料和器件局部分析、催化反应和降解过程研究、生物样品化学状态成像，以及XFEL实验中的光束诊断。后续研究将围绕提升光源带宽、探测器和光谱元件性能，进一步发展飞秒级时空成像能力。