南方科技大学在动态样品相干衍射成像研究方面取得进展

近日，南方科技大学电子与电气工程系副教授张福才课题组在相干衍射成像(CDI)研究方面取得进展，提出了一种基于帧间连续性的动态样品序列CDI方法(serial CDI)。相关成果以“Serial coherent diffraction imaging of dynamic samples based on inter-frame continuity”为题，发表于光学顶级期刊Light:Science&Applications。

相干衍射成像(CDI)技术以其无需透镜的结构优势和纳米级分辨率，近年来广泛应用于同步辐射、自由电子激光等先进光源装置。CDI通过相位恢复算法直接从样品衍射强度图数据重构获得样品复透过率分布信息，避免了高质量成像元件制造面临的材料和诸多工艺上的挑战。对应静态样品，叠层扫描相干衍射成像技术(Ptychography)已趋于成熟。对于具有更大科学意义的动态样品和超快动态过程，目前尚缺少成熟相干衍射成像方法。并且，传统CDI方法在处理动态样品时存在重建质量不稳定、收敛性差等问题。此次研究首次提出利用帧间结构连续性作为重建约束，开发出适用于多种样品的新型算法框架serialCDI，有效提升了动态样品的成像能力。

该方法的核心理念在于通过自适应相似性矩阵对帧间局部结构进行定量评估，用获得的相似性矩阵对不同的帧的重构图像进行加权生成改进的样品函数估计。相较于现有的相干调制成像、低秩相位恢复等方法，serialCDI在无需引入复杂系统结构的前提下，大幅提升了对噪声与数据缺失的稳定性、收敛速度与重建精度，呈现出良好的通用性和可扩展性。

图1.使用SerialCDI对厚晶体生长过程进行动态成像

图2.SerialCDI重建结果与叠层扫描相干衍射成像对比

研究团队通过模拟晶体生长过程(图1)以及实际采集的眼虫游动数据，验证了serialCDI在不同动态场景下展现出的卓越成像效果和相位还原能力。在一项模拟X射线自由电子激光(XFEL)实验场景中，serialCDI同样展现出了优异的重建效果，彰显了其在飞秒动态成像领域的广阔应用前景(图2)。此项研究成果为未来动态过程的无损高分辨率成像提供了新思路，并为推动CDI在材料科学、生物医学、化学反应等领域的应用奠定了坚实基础。

南方科技大学电子与电气工程系硕士研究生盛鹏举为论文第一作者，张福才为通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。该成果获得国家自然科学基金、深圳市科技计划项目资助以及深圳市恩斯贝科技有限公司游剑锋顾问的奖学金资助。研究过程中得到了南方科技大学多学科交叉平台的有力支持。

审核编辑 黄宇