一种在自由空间产生完美拉盖尔高斯电子束的实验系统

1.本实用新型涉及电子束技术领域，具体涉及一种在自由空间产生完美拉盖尔高斯电子束的实验系统。


背景技术：

2.全息重构技术是使一个输入波通过由计算机生成的由一个参考波和一个输出模干涉得到的全息图，此技术可用于重构波动方程。二值振幅调制、相位调制等调制方法被广泛用于设计、生成应用于全息重构技术的相位掩模。但是，二值全息掩模中会产生多个衍射模式，这使得涡旋束难以利用全息掩模产生。在2010年，verbeeck等人使用一个计算机生成的二值的全息掩模首先在实验室中产生了纯涡旋电子束。
3.在2013年，n.voloch-bloch等人提出了名为“airy晶格”的新颖晶格，并以此构造了一个二值衍射光栅，进而设计了能够用于产生airy电子束内部结构的纳米尺度全息图，最终在实验室中实现了airy电子束的产生。
4.现有产生完美拉盖尔高斯电子束所需成本较高，不容易生产，且不易于调整，稳定性差。


技术实现要素：

5.有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本实用新型提出一种在自由空间产生完美拉盖尔高斯电子束的实验系统，首先将电子束打到制作好的全息掩模上，透过掩模后再经过一系列的傅里叶透镜系统，得到在自由空间传播的完美拉盖尔高斯电子束。
6.本实用新型通过以下技术手段解决上述问题：
7.一种在自由空间产生完美拉盖尔高斯电子束的实验系统，包括：
8.透射电镜，用于发射电子束；
9.扩束器，设置于透射电镜的出射口处，用于对电子束进行准直扩束处理；
10.全息掩模，设置在所述电子束的传输路径上；
11.4f系统，用于接收经全息掩模透射的电子束并进行滤波，获得自由空间传播的完美拉盖尔高斯电子束；
12.图像传感器，设置于4f系统后，用于收集电子束传播信息，并显示电子束传播图像；该电子束传播信息为完美拉盖尔高斯电子束在无扰动的空气中传输。
13.进一步地，所述4f系统包括两个磁透镜和一个狭缝；狭缝处于两个磁透镜之间，且到两个磁透镜的距离为各自磁透镜的焦距；其中，第一个磁透镜对电子束进行傅里叶变换，得到频谱面；狭缝用于选取所述频谱面的正一级干涉条纹；第二个磁透镜用于对经狭缝选取后的电子束进行逆傅里叶变化，获得含完美相位因子的完美拉盖尔高斯电子束。
14.进一步地，所述透射电镜为场发射枪透射电子显微镜。
15.进一步地，所述透射电镜发射波长为2.5pm的电子束。
16.进一步地，所述扩束器是倍率为
×
8的固定倍率的扩束器。
17.进一步地，将数值模拟平面波与含完美相位因子的完美拉盖尔高斯电子束发生干涉产生全息图，然后用聚焦离子束刻蚀出全息图样的金属或氮化硅薄模，生成全息掩模。
18.与现有技术相比，本实用新型的有益效果至少包括：
19.1、本实用新型所需成本较低，容易生产，系统简单，易于调整，稳定性好，具有通用用途；
20.2、本实用新型可产生携带角动量的空心圆环完美拉盖尔电子束，利用其传输时结构稳定的特点，可用于电子束的量子动力学和传输特性的研究，并且可用于对粒子的操纵。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1是本实用新型完美拉盖尔高斯电子束产生的传播路线实验图；
23.图2是本实用新型完美拉盖尔高斯电子束产生的实验方法流程图；
24.图3是本实用新型全息干涉条纹掩模板；
25.图4是本实用新型完美拉盖尔高斯电子束在不同涡旋拓扑荷数下，涡旋位置为(x1,y1)＝(0,0)的强度分布图；其中(a)-(i)都为仿真模拟电子束强度分布的在z＝0上的横向截面图(x-y图)；
26.图5是本实用新型完美拉盖尔高斯电子束在不同涡旋拓扑荷数下，涡旋位置为(x1,y1)＝(0,0)的相位分布图；其中(a)-(i)都为仿真模拟电子束相位分布的在z＝0上的横向截面图(x-y图)；
27.图6是本实用新型完美拉盖尔高斯电子束在涡旋拓扑荷数p＝2,l＝2下，涡旋位置为(x1,y1)＝(0,0)，且传播到不同距离的相位分布图；其中(a)-(d)都为仿真模拟电子束相位分布的的横向截面图(x-y图)。
具体实施方式
28.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
29.本实用新型提供一种在自由空间产生完美拉盖尔高斯电子束的实验系统，如图1所示，包括透射电镜、扩束器、全息掩模、4f系统和图像传感器；
30.所述透射电镜用于发射电子束；
31.所述扩束器设置于透射电镜的出射口处，用于对电子束进行准直扩束处理；
32.所述全息掩模设置在所述电子束的传输路径上，该掩模制造过程如下，首先运用计算机生成全息图(cgh)的方法，将数值模拟平面波与含完美相位因子的完美拉盖尔高斯电子束发生干涉产生全息图，然后用聚焦离子束刻蚀出所述全息图样的金属或氮化硅薄
模；
33.所述4f系统用于接收经全息掩模透射的电子束并进行滤波，获得自由空间传播的完美拉盖尔高斯电子束；
34.所述图像传感器(ccd)设置于4f系统后，用于收集电子束传播信息，并显示电子束传播图像；该电子束传播信息为完美拉盖尔高斯束在无扰动的空气中传输。
35.具体地，所述4f系统包括两个磁透镜和一个狭缝；狭缝处于两个磁透镜之间，且到两个磁透镜的距离为各自磁透镜的焦距；其中，第一个磁透镜对电子束进行傅里叶变换，得到频谱面；狭缝用于选取所述频谱面的正一级干涉条纹；第二个磁透镜用于对经狭缝选取后的电子束进行逆傅里叶变化，获得含完美相位因子的完美拉盖尔高斯电子束。
36.具体地，所述透射电镜为场发射枪透射电子显微镜。
37.具体地，固定倍率的扩束器的倍率为
×
8，扩束器对电子束进行准直扩束处理。
38.经扩束处理后的电子束照射到全息掩模，之后电子束经过4f系统进行傅里叶变换得到频谱面，狭缝选取正一级干涉条纹，再经过依次傅里叶逆变换则可以获得在自由空间传播的完美拉盖尔高斯电子束。
39.本实用新型产生完美拉盖尔高斯电子束的系统的实验流程图如图2所示，具体为：
40.通过数值模拟平面波与含完美相位因子的完美拉盖尔高斯电子束发生干涉，电子束的振幅和相位信息加载到干涉条纹上，获取相位全息图后将全息图嵌入到全息掩模中；
41.开启透射电镜发射电子束通过扩束器；
42.电子束透射过磁透镜后，通过全息掩模；
43.电子束透射过全息掩模后，经过4f系统传播后即可获得自由空间传播的完美拉盖尔高斯电子束；
44.完美拉盖尔高斯电子束在无扰动的空气中传输，通过ccd就可以观察完美拉盖尔高斯电子束传播的振幅和相位信息。
45.需要说明的是，本实用新型所讲述的和平面波产生干涉的完美拉盖尔高斯电子束的推导产生过程均是：
46.初始平面的完美拉盖尔高斯电子束表达式为
47.w0为电子束的束腰半径，其中l,θ分别为角向指数和径向指数；
48.将初始平面表达式代入薛定谔方程
[0049][0050]
其中为真空中角波数，方向指向z轴正方向，λ为波长；为水平坐标分量的导数。通过对ψ(x,y,z)的二维傅里叶变换
[0051][0052]
得到完美拉盖尔高斯电子束在自由空间下传播的表达式为
[0053][0054]
其中
[0055]
通过数值模拟即可得到完美拉盖尔高斯电子束的相位分布图。
[0056]
实施例1
[0057]
实施例1与图4吻合，在不同p和l值条件下完美拉盖尔高斯电子束的强度分布样式不同。在p值相同条件下，l越大，电子束半径越大，且在指数值相对大的情况下，l的值增大会带来电子束环数的增加，如图4(i)：p＝2，l＝2；而在l值相同条件下，p越大，电子束的第一级环数半径越小。
[0058]
s1、w0参数设置为50pm，x，y的参数设置为3w0。
[0059]
s2、将获取的相位全息图嵌入到全息掩模上；
[0060]
s3、利用图1的传播路线实验图则可以制出在自由空间传播的完美拉盖尔高斯电子束；
[0061]
s4、ccd可以记录传播的完美拉盖尔高斯电子束在z＝0上强度分布图。
[0062]
该实施例1的所有参数与图4一致。
[0063]
实施例2
[0064]
实施例2与图5吻合，在不同p和l值条件下完美拉盖尔高斯电子束的相位分布样式不同。完美拉盖尔高斯电子束的相变为2π的正整数倍，且这个正整数等于l值；并且在l值相同的情况下，电子束的相位随着p值的变化而变化。
[0065]
s1、w0参数设置为50pm，x，y的参数设置为3w0。
[0066]
s2、将获取的相位全息图嵌入到全息掩模上；
[0067]
s3、利用图1的传播路线实验图则可以制出在自由空间传播的完美拉盖尔高斯电子束；
[0068]
s4、ccd可以记录传播的完美拉盖尔高斯电子束在z＝0上相位分布图。
[0069]
该实施例1的所有参数与图5一致。
[0070]
实施例3
[0071]
实施例3与图6吻合，完美拉盖尔高斯电子束的相位分布不随传播距离z 的变化而变化，这是由于当电子束远离平面z＝0传播到平面时z＝z1，决定相位分布的相位因子中，取值不变，在相同l值下，只有exp(ilθ)中的θ影响着相位分布。
[0072]
s1、w0参数设置为50pm，x，y的参数设置为3w0。
[0073]
s2、将获取的相位全息图嵌入到全息掩模上；
[0074]
s3、利用图1的传播路线实验图则可以制出在自由空间传播的完美拉盖尔高斯电子束；
[0075]
s4、ccd可以记录传播到不同距离(z＞0，z/zr＞0)的完美拉盖尔高斯电子束的相位分布图。
[0076]
该实施例3的所有参数与图6一致。
[0077]
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。