高次谐波软X射线相衬显微镜 技术领域：
本发明涉及一种显微镜，特别是一种高次谐波软X射线相衬显微镜，这种相衬显微镜在生物医学中有着极其广泛的用途。
背景技术：
近几年来，由于超强超短激光的发展，使高次谐波辐射进入到水窗波段，这一巨大的进展引起了人们的广泛关注。超短是指极端的时间尺度，激光脉宽仅为几个飞秒，光在一个飞秒内传播的距离为0.3μm，超强是指极高的功率和功率密度。目前，一个激光系统可以产生1015W的峰值功率，聚焦后的光强可以达到1021～1022W/cm2，其所产生的电场已经远大于原子内部的库仑场，而且还可以产生104T的超强磁场、1011par的超高压和温度高达109K的黑体辐射。在这种极端物理条件下，激光与物质相互作用，产生了许多新的现象，而高次谐波就是强场物理的产物。
高功率飞秒激光与惰性气体相互作用产生高次谐波，是一种非线性现象，可以用半经典理论来进行解释。
原子中的电子，在不同强度激光场的作用下产生电离，电离机制也是完全不同地，与高次谐波产生的有关电离有以下几种：多光子电离(Multiphoton Ionization)、阈上电离(Above Thresuold Ionization)、隧道电离(Tunneling Ionization)和过势垒电离(Over-the barrier Ionization)。
多光子电离是指原子中的电子，通过吸收所需最少数目的多个光子能量而电离的过程，这通常发生在激光强度较低、脉冲持续时间较长的情况下。
所谓阈上电离，指原子中的电子可以吸收多于其电离所需最少数目的光子而电离。
当激光强度足够高，并且激光频率很低，在准静态近似下，此时处于激光场中的原子，其势能被激光电场调制而发生严重畸变，即原子的库仑电场与激光电场在其偏振方向相叠加，而形成了一个合成势垒。随着激光强度的进一步增大，势垒被压低，使得基态电子可能通过隧道效应，越过势垒而电离，这就是隧道电离现象。
随着激光强度进一步增加，原子的库仑势场可能被完全抑制，使势垒高度降低到等于或小于原子的电离电势时，基态电子就能直接越过它而成为自由电子，这就是过势垒电离机制。
被电离了的电子进一步被激光场加速，有些电子远离原子核，有些电子则会经过原子核附近，那些经过原子核附近的电子，与核发生碰撞而产生高次谐波，这就是产生高次谐波的工作原理。
1997年，Michigan大学超快光学实验室，用脉宽为6飞秒的780nm激光脉冲与He相互作用，观察到了高达297次的谐波辐射，最短波长为2.73nm。
1998年，Vienna技术大学的一个实验小组，采用脉宽为5飞秒的780nm激光脉冲与He相互作用，亦获得了谐波辐射波长小于3nm的结果。
这两个实验小组取得的实验结果，使高次谐波辐射进入到水窗波段。
2003年，D.G，Lee等人证明高次谐波X射线源在真空紫外与软X射线区域和同步辐射以及X射线激光相比，它的辐射特性为：角发散、超短脉冲持续时间和空间相干性都比它们为好[参见在先技术：D.G，Lee等Wave-front phase measurments of high-order harmonic beams by use ofpoint-diffraction interferometry，Optics Letters vol.28，No.6，480，2003]。
近年来，X射线相衬成像技术取得了飞速发展，这种成像技术的最大特点是，它不需要任何用来改变X射线位相的光学元件，就可以获得位相信息。
当部分相干X射线通过物体时，除了吸收以外，还要产生位相变化，即发生波前的畸变。这种波面畸变导致部分波面的传播方向发生变化，它将和未发生畸变的波面重叠而形成干涉。这样，位相变化转化成强度变化，这种图像不经过任何重构技术，可直接获得位相变化图像。
X射线相衬成像技术已经被广泛用于研究生物活体、材料分析等诸多领域，已经取得了许多卓有成效的结果。但令人遗憾的是，目前X射线相衬成像中所使用的X射线源都是同步辐射源的X射线管，并且图像都是在记录以后再进行放大，限制了它对动态过程以及超细微结构的研究，分辨率仅为10μm左右。
发明内容：
本发明针对上述在先技术中所存在的缺点，提出一种高次谐波X射线相衬显微成像装置，该装置具有较高的分辨率和实时处理能力，可用来研究超细微结构的超快物理过程。
本发明的技术解决方案如下：
一种高次谐波X射线相衬显微镜，包括飞秒激光器，其特征是在该的激光器的输出光路上依次有会聚透镜、空心毛细管波导、样品室、波带片、探测器，所述的空心毛细管波导、样品室、波带片、探测器被置于一真空室中，所述的探测器通过导线与真空室外的计算机相连，所述的飞秒激光器发出的激光经会聚透镜聚焦在空心毛细管波导中，将充在该空心毛细管波导)中的气体产生电离，辐射出高次谐波软X射线，从空心毛细管波导中出射的软X射线照射在样品室的待测样品上，被放置在样品室和探测器之间的波带片放大成像在探测器上，该探测器将相衬像送入计算机进行处理。
所述的飞秒激光器是一台钛宝石飞秒激光器。
所述的会聚透镜是一块消色差透镜。
所述的空心毛细管波导是一根内径为100μm～300μm石英管制成的长度为6.4m空心毛细管波导，内充有He气或氩气。
所述的探测器是一台CCD电荷耦合器，对软X射线波段有较高的灵敏度。
本发明的技术效果如下：
本发明的软X射线相衬显微镜，采用了高次谐波软X射线源，可以看成是一个点光源，有较高的空间相干性，这已为许多实验所证明，这为相衬成像提供了一个相干光源。
本发明的软X射线相衬显微镜，使用了一个波带数大于500的波带片，这种波带片成像符合单色透镜成像公式：
1f=1u+1v]]>
式中，f为波带片的焦距，u为物距，v为像距。如果我们将物距接近焦距，此时成像放大倍数可达到1000倍。
设CCD的每个像素大小为24μm，即可分辨的物体间距为24μm，则可分辨的物体大小为48μm。又已知微波带片预放大的倍数为1002，则该X射线全息显微镜的分辨率为48μm/1002＝48nm。此数值证明了采用微波带片预放大，大大降低对记录介质的分辨率要求，大幅度提高软X射线相衬显微镜的成像分辨率。
与在先技术相比，本发明高次谐波软X射线相衬显微镜，采用高次谐波软X射线作光源，有较高的空间相干性，由于使用了波带片对相衬图像进行放大，将相衬成像的分辨率提高了100倍，这为生物医学的研究可提供一理想的工具。
【附图说明】
图1为本发明的高次谐波软X射线相衬显微镜实施例原理图。
【具体实施方式】
先请参阅图1，图1是本发明的高次谐波软X射线相衬显微镜实施例原理图，它是由八部分组成：飞秒激光器1，会聚透镜2、空心毛细管波导样品室4、波带片5、探测器6、计算机7和真空室8。在本实施例中：
所说的飞秒激光器1是一台脉宽为20fs，输出能量为100μJ，辐射波长为800nm的飞秒钛宝石激光系统。
所说的会聚透镜2是一块消色差的玻璃透镜，焦距长为100mm，直径为80mm。
所说的空心毛细管波导3，内径为150μm，长度为64mm，充有氦气。
所说的样品室4是一个用来放置生物样品的工作室。
所说的波带片5是一块直径为3mm，焦距为4mm，波带数大于500的菲涅耳波带片。
所说的探测器6是一台对软X射线有较高灵敏度的CCD电荷耦合器。
所说的计算机7是一台能实时显示相衬图像的计算机。
所说的真空室8是一个真空度为10-3τ简易真空室。
本发明高次谐波软X射线相衬显微镜的工作原理和基本过程如下：
从飞秒激光器1中辐射出的激光，经会聚透镜2聚焦到充有氦气的空心毛细波导3中，并产生波长为3nm的软X射线，该软X射线入射到样品室4，在自由空间传播一距离Z以后
Z=0.49Z1λU12Z1-0.49]]>
式中，Z1为空心毛细管波导3中心部分到样品室4的距离，λ是软X射线辐射波长，U1为样品室中的样品空间频率。
进入到放置在距样品室4的距离为U＝Z+3.996mm的波带片5中，然后被距波带片的距离为3996mm的探测器6所接收，这一系统将相衬像放大1000倍，将软X射线相衬成像分辨率也提高1000倍，可探测到48nm的超细微结构。