Введение

Метод визуализации

Фазоконтрастная визуализация — это метод визуализации, имеющий широкий спектр применений. Он измеряет разницу в показателях преломления различных материалов для дифференциации анализируемых структур. В обычной световой микроскопии фазовый контраст может быть использован для различения структур с близкой прозрачностью, а также для изучения кристаллов на основе их двойного лучепреломления. Это находит применение в биологии, медицине и геологии. В рентгеновской томографии те же физические принципы могут быть использованы для повышения контрастности изображения, выделяя небольшие детали с различным показателем преломления внутри структур, которые в противном случае были бы однородными. В просвечивающей электронной микроскопии (TEM) фазовый контраст обеспечивает получение изображений с очень высоким разрешением (HR), позволяя различать объекты, отстоящие друг от друга на несколько ангстрем (на данный момент наивысшее достижимое разрешение составляет 40 пм).

Поляризация контрастной визуализации (Фарадеевская визуализация)

При поляризационном контрастном изображении эффект Фарадея, возникающий при взаимодействии света с веществом, используется для визуализации облака с помощью стандартной схемы визуализации поглощения, модифицированной зондирующим лучом с сильным рассогласованием и дополнительным поляризатором. Эффект Фарадея поворачивает линейную поляризацию зондирующего луча при прохождении через облако, поляризованное сильным магнитным полем в направлении распространения луча. Классически линейно поляризованный зондирующий луч можно представить как суперпозицию двух циркулярно поляризованных лучей с противоположной направленностью. Взаимодействие вращающегося магнитного поля каждого луча с магнитными диполями атомов в образце. Если образец магнитно поляризован в направлении с ненулевой проекцией на вектор волнового поля **k**, то два циркулярно поляризованных луча будут взаимодействовать с магнитными диполями образца с разной интенсивностью, что соответствует разности фаз между этими лучами. Эта разность фаз, в свою очередь, приводит к повороту линейной поляризации входного луча. Квантовая физика фарадеевского взаимодействия может быть описана взаимодействием второго квантования параметров Стокса, описывающих поляризацию зондирующего светового поля, с полным состоянием углового момента атомов. Таким образом, если конденсат Бозе-Эйнштейна или другой холодный, плотный образец атомов подготовлен в определенном спиновом (гиперфинном) состоянии, поляризованном параллельно направлению распространения света, можно контролировать как плотность, так и изменение спинового состояния, направляя прошедший зондирующий луч через разделитель луча перед визуализацией на сенсор камеры. Регулируя оптическую ось поляризатора относительно входной линейной поляризации, можно переключаться между схемой темного поля (отсутствие света в отсутствие атомов) и визуализацией с переменным фазовым контрастом.

Темное поле и другие методы

Помимо фазового контраста существует ряд других аналогичных методов дисперсионной визуализации. В методе темного поля вышеупомянутая фазовая пластина делается полностью непрозрачной, так что вклад нулевого порядка в луч полностью исключается. В отсутствие какого-либо объекта изображения плоскость изображения будет темной. Это эквивалентно удалению множителя 1 из приведенного выше уравнения. Сравнивая квадраты двух уравнений, можно обнаружить, что в случае темного поля диапазон контраста (или динамический диапазон сигнала интенсивности) фактически уменьшается. По этой причине этот метод вышел из употребления. В методе контраста по дефокусу фазовая пластина заменяется дефокусировкой объективной линзы. Это нарушает равенство длин путей параллельных лучей, в результате чего между параллельными лучами возникает относительная фаза. Контролируя степень дефокусировки, можно добиться эффекта, аналогичного эффекту фазовой пластины в стандартном фазовом контрасте. Однако в этом случае дефокусировка искажает фазовую и амплитудную модуляцию дифрагированных лучей от объекта таким образом, что не позволяет точно определить фазовую информацию объекта, но генерирует сигнал интенсивности, пропорциональный количеству фазового шума в объекте. Существует также другой метод, называемый методом сбалансированного яркого поля (BBD). Этот метод использует комплементарные изменения интенсивности прошедших дисков при различных углах рассеяния, обеспечивая простую, дозоэффективную и устойчивую к шумам фазовую визуализацию в диапазоне от атомного разрешения до промежуточных масштабов длины, таких как легкие и тяжелые атомные колонны и наномасштабные магнитные фазы в образцах FeGe.

Световой микроскопии

Фазовый контраст основан на том, что различные структуры имеют разные показатели преломления и, следовательно, по-разному изгибают, преломляют или замедляют прохождение света через образец. Эти изменения в прохождении света приводят к тому, что волны теряют синхронность друг с другом, то есть становятся «не в фазе». Этот эффект фазоконтрастные микроскопы преобразуют в различия амплитуды, которые наблюдаются в окулярах и эффективно отображаются как более темные или более светлые области на полученном изображении. Фазовый контраст широко применяется в оптической микроскопии, как в биологии, так и в геологии. В биологии он используется для наблюдения не окрашенных биологических образцов, что позволяет различать структуры с близкой прозрачностью или схожими показателями преломления. В геологии фазовый контраст используется для выявления различий между минеральными кристаллами, полученными в виде стандартизированных тонких шлифов (обычно 30 мкм) и помещенными под световой микроскоп. Кристаллические материалы способны проявлять двойное лучепреломление, при котором световые лучи, входящие в кристалл, разделяются на два пучка, которые могут иметь разные показатели преломления в зависимости от угла их вхождения. Разность фаз между этими двумя лучами может быть обнаружена человеческим глазом с использованием специальных оптических фильтров. Поскольку характер двойного лучепреломления различается для разных кристаллических структур, фазовый контраст помогает в идентификации минералов.

Рентгеновская томография

Существует четыре основных метода фазово-контрастной рентгеновской визуализации, которые используют различные принципы для преобразования фазовых изменений в рентгеновском излучении, выходящем из объекта, в изменения интенсивности на рентгеновском детекторе. Фазовый контраст, основанный на распространении, использует свободное распространение луча для усиления границ, интерферометрия Талбота и полихроматическая интерферометрия дальнего поля используют набор дифракционных решеток для измерения производной фазы, визуализация с усилением рефракции использует анализирующий кристалл также для дифференциальных измерений, а рентгеновская интерферометрия использует кристаллический интерферометр для непосредственного измерения фазы. Преимущества этих методов по сравнению с обычной рентгеновской визуализацией на основе поглощения заключаются в более высоком контрасте для материалов с низкой поглощающей способностью (поскольку фазовый сдвиг – это механизм, отличный от поглощения) и в соотношении сигнал/шум, которое увеличивается с пространственной частотой (поскольку многие методы фазового контраста обнаруживают первую или вторую производную фазового сдвига), что позволяет визуализировать более мелкие детали. Этот метод был использован для визуализации эмбрионов прекамбрийских метазоев из формации Душантуо в Китае, что позволяет изучать внутреннюю структуру хрупких микроокаменелостей, не разрушая исходный образец.

Трансмиссионная электронная микроскопия

В области просвечивающей электронной микроскопии фазово-контрастная визуализация может быть использована для получения изображений столбцов отдельных атомов. Эта возможность обусловлена тем, что атомы в материале дифрагируют электроны при их прохождении (относительные фазы электронов изменяются при прохождении через образец), что приводит к дифракционному контрасту в дополнение к уже существующему контрасту в прошедшем пучке. Фазово-контрастная визуализация – это метод визуализации с самым высоким разрешением, когда-либо разработанный, способный достигать разрешения менее одного ангстрема (менее 0,1 нанометра). Таким образом, она позволяет непосредственно наблюдать столбцы атомов в кристаллическом материале. Интерпретация фазово-контрастных изображений – непростая задача. Разделение контраста, наблюдаемого на HR-изображении, для определения того, какие особенности обусловлены конкретными атомами в материале, практически невозможно выполнить визуально. Вместо этого, поскольку комбинация контрастов, возникающих из-за множества дифрагирующих элементов, плоскостей и прошедшего пучка, является сложной, для определения того, какой контраст могут создавать различные структуры на фазово-контрастном изображении, используются компьютерные симуляции. Следовательно, для правильной интерпретации фазово-контрастного изображения необходимо понимать достаточно информации об образце, например, предположение о его кристаллической структуре. Фазово-контрастные изображения формируются путем полного удаления объективной диафрагмы или использования диафрагмы с очень большим отверстием. Это обеспечивает вклад в изображение не только прошедшего пучка, но и дифрагированных пучков. Приборы, специально разработанные для фазово-контрастной визуализации, часто называют HRTEM (просвечивающими электронными микроскопами высокого разрешения) и отличаются от аналитических TEM главным образом конструкцией электронной колонны. В то время как аналитические TEM используют дополнительные детекторы, прикрепленные к колонне для спектроскопических измерений, HRTEM имеют минимальное количество или вообще не имеют дополнительных приспособлений, чтобы обеспечить однородную электромагнитную среду по всей длине колонны для каждого пучка, покидающего образец (прошедшего и дифрагированного). Поскольку фазово-контрастная визуализация основана на разнице фаз между электронами, покидающими образец, любые дополнительные сдвиги фаз, возникающие между образцом и экраном, могут сделать изображение неинтерпретируемым. Таким образом, очень низкая степень аберраций объектива также является требованием для HRTEM, а достижения в коррекции сферической аберрации (Cs) позволили новому поколению HRTEM достигать разрешений, которые ранее считались невозможными.