传统透射电子显微镜（TEM）凭借原子级空间分辨能力，已在生物学、化学、物理学等领域取得多项突破性成果，但受时间分辨率限制，难以追踪超快速动态过程。随着激光技术与电子光学技术的融合，激光驱动超快透射电子显微镜（UTEM）出现，成为突破时空分辨率限制、研究多维度微观动态的关键工具。
（1）TEM的基础原理与结构
TEM 的核心原理，是用高能电子束穿透极薄样品，通过分析电子与样品相互作用后的散射信号，还原样品的微观结构与性质。其空间分辨率已达原子级别，配备像差校正装置的 TEM，能清晰分辨小于 0.1 纳米的细节，相当于直接观测原子排列。
从结构来看，TEM 主要由电子枪、电子光学镜筒和探测器三部分组成。
电子枪负责产生高能电子束，是决定电子束质量的核心部件；电子光学镜筒内装有聚光镜、物镜、中间镜等，聚光镜调节电子束的强度与聚焦程度，物镜形成样品的放大图像并生成衍射图案，中间镜与投影镜进一步校正图像、调节放大倍数，最终将电子信号传递至探测器；探测器可记录实空间图像、反映原子排列规律的衍射图案以及表征样品能量状态的光谱，部分 TEM 还配有能量过滤器，用于深入分析样品的光谱特性。
为满足不同研究需求，TEM 有多种工作模式。
按电子与样品的相互作用类型，可分为弹性散射和非弹性散射模式：弹性散射中电子不与样品交换能量，分析衍射图案可获取材料的晶体结构信息；非弹性散射中电子与样品发生能量转移，借助电子能量损失谱（EELS）技术，能解析样品的化学组成与电子状态。
按散射信号的相干性，可分为相干散射和非相干散射模式，分别适用于原子结构、磁结构表征以及样品成分与厚度成像。需要注意的是，TEM 对样品厚度要求严格，对于 200 千伏的电子束，样品厚度通常需控制在 10-100 纳米之间，比头发丝细上千倍，以保证电子束顺利穿透。
（2）UTEM的核心改造与特性
UTEM 的诞生，核心是对传统 TEM 的关键部件进行针对性改造，并与超快激光技术融合。改造重点集中在电子枪与激光耦合系统，通过这两部分的优化，实现时间分辨率的大幅提升，同时保留 TEM 原有的高空间分辨率优势。
电子枪的脉冲模式改造
电子枪是电子束的源头，其性能直接决定 UTEM 的探测能力。UTEM 采用的电子枪主要分为热电子发射枪（TEG）和场发射枪（FEG）两类，二者通过不同改造方案实现脉冲式电子发射，各有特点（相关结构与发射图案如图 1 所示）。
图1 | UTEM用电子枪：a-d 为热电子枪（TEG，图 a）和场发射电子枪（FEG，图 b）的结构示意图，以及对应的电子发射图案（TEG 为图 c、FEG 为图 d）。
在 TEG 中，韦内尔特（Wehnelt）偏压较低时（未达饱和），阴极侧面（杆部）发射的电子无法聚焦到枪交叉点，多面晶体可形成环形或四叶形图案（图 1c 左）；偏压饱和时，电子会聚焦成明亮的小点（图 1c 右）。当光子能量（单光子或多光子）超过阴极逸出功，就会产生光电子。
FEG 的原理是引出电极在纳米级针尖施加高压电场，让电子隧穿到真空，再经静电透镜聚焦到约 100 纳米的交叉点，形成高亮度、亚纳米光斑的电子束。抑制栅帽可避免热电子枪的杆部发射和环形图案，但冷场发射电子枪（CFEG）无需此部件。
图 | e-f 为 TEG（图 e）和 FEG（图 f）中电子跃迁的能量态势图
图 1 e-f 分别为 TEG（图 1e）和 FEG（图 1f）中电子跃迁的能量态势图：激光脉冲帮助电子克服针尖逸出功（Φ）后，从导带（费米能级 EF 处）跃迁至真空能级（0 eV）。脉冲工作模式下，第一阳极电压会降低；场辅助光发射中，激光电场的偏振方向与引出电场对齐（见图 1b），紫外光子帮助电子降低并突破隧穿势垒，最终发射出来。
热电子发射枪的改造核心，是在电子枪对中线圈与聚光镜光学系统之间的黄铜漂移段增设端口，通过 45° 轴上铝镜将紫外激光脉冲引导至平坦的钽（Ta）或六硼化镧（LaB₆）光电阴极，触发光电子发射。改造后新增的弱透镜（C0 透镜），可增强电子脉冲与聚光镜系统的耦合，平衡空间相干性与信号强度。
这类电子枪的优势是电子光学设计简单、稳定性高、成本较低，平均电流可超过 200 皮安，在合适的工作参数下能实现 0.23 纳米的点 - 点分辨率；局限性在于亮度与空间相干性低于场发射枪，且可能出现侧面电子发射形成的环形图案，需通过优化光阑等方式排除。
场发射枪分为肖特基热场发射枪（SFEG）和冷场发射枪（CFEG），改造重点是让飞秒激光脉冲精准聚焦于钨（W）尖端顶点。
肖特基热场发射枪采用含氧化锆储存层的钨（310）单晶作为阴极，高温下形成的锆/二氧化锆涂层可降低功函数，增强电子发射稳定性，通过单光子光发射产生电子脉冲；冷场发射枪无需抑制阳极，借助短焦距光学系统最小化阴极受激区域，可实现高亮度电子发射。
场发射枪的核心优势是空间相干性极佳（相干长度大于 300 纳米），峰值亮度与传统场发射枪相当，适合电子全息术、相干纳米衍射等高精度研究；但肖特基热场型的涂层消耗较快，冷场发射型的平均电流较低，均会增加实验操作的复杂性或延长信号采集时间。
（3）激光泵浦 - 探测系统的集成
UTEM 实现超快探测的关键，是搭建激光泵浦-探测系统，其布局与超快光谱学中的经典设计类似，相关实验装置如图2所示。
图 2 | a 热电子枪 UTEM 示意图，其核心结构和 TEM 一致，包含电子枪、聚光镜系统、物镜成像系统、中间镜与投影镜系统，以及探测器。黄色方框标出了 TEM 镜筒的改造部位，这些改造让激光能抵达平面光电阴极和样品区域，使仪器具备超快泵浦 - 探测频闪功能。注：THG = 三次谐波产生，UV = 紫外光
图 2 | b FEG 光电枪示意图，FEG 枪由引出电极、静电聚焦元件（枪镜）和加速阳极组成，飞秒激光脉冲从枪体顶部入射，枪镜上的反射镜会将激光精准导向尖锐的钨针尖。注：BS = 分束器、FA（V2）= 聚焦阳极、FM = 平面镜、HWP = 半波片、M = 反射镜、OW = 光学窗口、P = 偏振器、PM = 抛物面镜、pw = 功率计、UHV = 超高真空、Vext（V1）= 引出电压、CCD = 电荷耦合器件、WL = 白光源）。
图 2 | c 固体中电子 / 结构与磁激发的分类图谱，图中呈现了材料中各类激发的能量 - 动量分布，清晰标注了结构、磁、电子等集体模式，以及带间跃迁、芯能级激发的能量范围。
通过分束器将一束激光分为两束，分别作为泵浦脉冲和探测脉冲：泵浦脉冲触发样品的动态过程，探测脉冲生成光电子束探测样品状态；借助光学延迟线改变其中一束激光的传播距离，可精确调节两束脉冲之间的时间延迟，实现对不同时间节点样品状态的 “抓拍”。
激光的入射路径经过专门设计：激发样品的泵浦脉冲通过经改装的物镜探测器端口进入 TEM 镜筒，无需改变成像透镜的正常运行；触发电子发射的探测脉冲通过专门改造的光学端口抵达电子枪区域，确保激光与电子枪的精准耦合。这种改造方案仅需对传统 TEM 进行小幅硬件调整，即可实现飞秒到皮秒级的时间分辨率，为后续多维度探测打下基础。
（4）多维度探测能力与 8 维数据立方体
UTEM 的核心优势是具备强大的多维度探测能力，可同时覆盖实空间、倒易空间、能量维度和时间维度，最终获取包含3个空间维度、3个倒易空间维度、1 个能量维度和1个时间维度的 “8维超立方体数据”。
在空间维度，UTEM 继承了传统 TEM 的原子级分辨率；在倒易空间，通过衍射模式可解析原子排列的动量分布；在能量维度，借助电子能量损失谱（EELS）和能量过滤透射电子显微镜（EFTEM）技术，能捕捉电子与样品相互作用的能量变化，实现特定元素成像和集体激发模式探测；在时间维度，通过激光泵浦 - 探测技术的时间延迟调节，可追踪超快速动态过程的演化。
与 X 射线相比，电子与物质的相互作用截面高出 100 万倍，波长更短，且可通过静电透镜和磁透镜灵活控制，特别适合极薄薄膜、低维材料（如石墨烯）和纳米结构的研究。
（5）UTEM的实验方法体系
UTEM 整合了多种实验技术，形成了覆盖成像、衍射、光谱分析的完整方法体系，可根据研究需求灵活组合，实现特定的探测目标。
基础成像与衍射模式
UTEM 保留了传统 TEM 的成像模式和衍射模式，并将其扩展至时间维度。成像模式可直接获取样品的三维空间信息，直观呈现微观形貌；衍射模式基于布拉格衍射原理，通过分析电子束经周期性晶格散射形成的衍射图案，能定量确定样品的原子结构，结合样品旋转可完整表征三维动量空间。
在物镜的背焦平面插入光阑，可选择不同衍射级次形成图像，分为明场成像（中心衍射束成像，背景亮、细节暗）和暗场成像（边缘衍射束成像，背景暗、细节亮），满足不同对比度需求的观测。
光谱与能量过滤技术
电子能量损失谱（EELS）是 UTEM 中表征样品能量状态的核心技术，通过测量电子穿过样品后的能量损失或增益，可分析带间跃迁、芯能级激发、声子、等离激元等多种相互作用过程。不同元素的内层电子结合能不同，其电离时产生的能量损失具有特征性，因此 EELS 还可用于样品的元素组成分析。
能量过滤透射电子显微镜（EFTEM）技术，通过在电子谱仪的色散平面放置狭缝，选择特定能量范围的电子形成图像。若在多个能量损失窗口中应用 EFTEM，可生成同时包含样品成分、厚度以及等离激元、声子散射模式的三维数据立方体，为多维度分析提供丰富信息。
特殊探测技术：光子诱导近场电子显微镜
光子诱导近场电子显微镜（PINEM）是 UTEM 特有的技术，专门用于表征具有纵向电场分量且可被超快激光脉冲共振驱动的材料激发。该技术通过激光与样品的共振相互作用，增强特定激发模式的信号，为能量过滤成像增加时间维度，是实现 8 维数据探测的关键技术之一，适用于纳米光学和新型材料激发态研究。
核心策略：频闪泵浦 - 探测技术
频闪式 UTEM 是研究超快速可逆过程的主流方案，其工作原理与泵浦 - 探测超快光谱学相似：通过泵浦脉冲在特定时间点启动样品的可逆动态过程，然后记录一系列与泵浦脉冲存在不同时间延迟的探测事件，如同用相机连续抓拍，“冻结” 动态过程在不同时间节点的状态。这种策略结合电子束的高空间分辨率和激光的超短脉冲特性，实现了飞秒到微秒尺度的时间分辨测量，是 UTEM 捕捉超快速动态过程的核心手段。
（6）UTEM 的应用场景与未来展望
UTEM 的多维度、高时空分辨率特性，使其在多个前沿领域具有强大的应用潜力。在凝聚态物理领域，可用于研究新型量子材料的拓扑保护态、电子关联效应等，追踪多铁性、高温超导性、斯格明子磁性等特殊性质的动态演化；在光谱学领域，能探测费米能级附近的多体结构激发和电子激发，解析等离激元、声子的动量色散关系；在物理生物学和物理化学领域，可深入研究蛋白质折叠机制、表面催化反应、水分解过程和太阳能收集等，为相关领域的基础研究和技术突破提供微观视角。
参考资料Laser-driven ultrafast transmission electron microscopy
来源于老千和他的朋友们，作者孙千