Введение

Голография электронных волн

Электронная голография – это голография с использованием электронных материальных волн. Она была изобретена Деннисом Габором в 1948 году в попытке улучшить разрешение изображения в электронном микроскопе. Первые эксперименты по проведению голографии с электронными волнами были выполнены Хейном и Малвеем в 1952 году; они записали голограммы кристаллов оксида цинка с использованием 60 кэВ электронов, продемонстрировав реконструкции с разрешением около 1 нм. В 1955 году Г. Мёленштедт и Х. Дюкер изобрели электронную бипризму, что позволило записывать электронные голограммы по схеме с разнесением пучков. Существует множество различных возможных конфигураций для электронной голографии, более 20 из которых были задокументированы Коули в 1992 году. Как правило, для проведения голографических измерений требуется высокая пространственная и временная когерентность (то есть малая энергия разброса) электронного пучка.

Высокоэнергетическая электронная голография в схеме вне оси

Электронная голография с использованием электронов высокой энергии (80–200 кэВ) может быть реализована в трансмиссионном электронном микроскопе (TEM) по схеме вне оси. Электронный луч разделяется на две части очень тонкой положительно заряженной проволокой. Положительное напряжение отклоняет электронные волны таким образом, чтобы они перекрывались и создавали интерференционную картину с равноотстоящими полосами. Реконструкция голограмм вне оси выполняется численно и состоит из двух математических преобразований. Сначала выполняется преобразование Фурье голограммы. Полученное комплексное изображение состоит из автокорреляции (центральной полосы) и двух взаимно сопряженных боковых полос. Выбирается только одна боковая полоса путем применения фильтра нижних частот (круглой маски), центрированного на выбранной боковой полосе. Центральная полоса и противоположная боковая полоса обнуляются. Затем выбранная боковая полоса переносится в центр комплексного изображения и применяется обратное преобразование Фурье. Полученное изображение в объектном пространстве является комплекснозначным, и таким образом реконструируются распределения амплитуды и фазы объектной функции.

Электронная голография в схеме in-line

Оригинальная голографическая схема Денниса Габора – это схема прямого распространения, что означает, что опорная и объектная волны используют одну и ту же оптическую ось. Эта схема также называется точечной голографией. Объект помещается в расходящийся электронный луч, часть волны рассеивается объектом (объектная волна) и интерферирует с нерассеянной волной (опорной волной) в плоскости детектора. Пространственная когерентность в схеме прямого распространения определяется размером источника электронов. Голография с низкоэнергетическими электронами (50–1000 эВ) может быть реализована в схеме прямого распространения.

Электромагнитные поля

Важно защитить интерферометрическую систему от электромагнитных полей, так как они могут вызывать нежелательные сдвиги фаз вследствие эффекта Ааронова — Бома. Статические поля приведут к фиксированному сдвигу интерференционной картины. Очевидно, что каждый компонент и образец должны быть правильно заземлены и экранированы от внешних помех.

Приложения

Электронная голография обычно используется для изучения электрических и магнитных полей в тонких плёнках, так как магнитные и электрические поля могут изменять фазу интерферирующей волны, проходящей через образец. Принцип электронной голографии также может быть применен к интерференционной литографии.