Ultrafast lensless imaging using coherent diffraction of XUV produced by high harmonic generation.
Imagerie nanométrique ultra-rapide par diffraction cohérente de rayonnement XUV produit par génération d'harmoniques d'ordre élevés
Résumé
The aim of this dissertation is to develop new lensless single shot imaging technique in 2D and
3D with XUV harmonic sources which can be applied to study biological objects and phase objects. Firstly, we
introduce the theory underlying lensless imaging techniques and we describe the methods used during this thesis
to reconstruct the light field diffracted by the studied object. The imaging techniques are split in two catego-
ries : iterative and holographic. The iterative methods reconstruct the phase of the diffracted wave front using
constraints in the Fourier space and the reel space. With the holographic techniques, the phase is encoded directly
in the interference fringes between the reference and the object within the diffraction pattern. We discuss the
experimental parameters required to achieve an image reconstruction and we compare the respective advantages
of the two types of method. Then, we describe the experimental parameters of the XUV beam produced by high
harmonic generation (HHG) and we briefly explain the theory of the HHG. The next section discusses the para-
meters the quality of the reconstructed image. We show how to improve the resolution and the signal to noise ratio
using the HERALDO technique in the low flux regime. We then show the result of a new technique for the single
shot characterization of the spatial coherence of XUV beams. Indeed, the spatial coherence is a critical parameter
for coherent diffractive imaging techniques. Using a NRA of reference holes, we measure the spatial coherence
for each distance between each pair of holes, without the knowledge of the intensity distribution on the sample.
We show that the spatial coherence has a gaussian distribution and that its diameter varies according to the
generation parameters of the harmonic beam. We also study quantitatively the effect of multi-shots accumulation
of the diffraction pattern on the apparent coherence of the beam. We also show the result of phase object imaging
using coherent diffractive imaging with a harmonic source. To our knowledge, this if the first time such result has
been achieved. The rest of the dissertation present new lensless imaging 3D techniques using harmonic sources.
The first of the last two experiments shown is a lensless single shot stereo 3D technique. It is the first one allowing
a 3D reconstruction from a single acquisition, with a nanometer spatial resolution and a femtosecond temporal
resolution, without using a priori knowledge of the sample studied. This method has a vast spectrum of appli-
cation and is particularly interesting for the structural study of biological sample sensitive to radiation damage
and for the study of non-reversible dynamical phenomena in 3D. Furthermore, this can easily be implemented in
FELs and synchrotrons to reach even better spatial resolution. The second 3D experiment shown in this thesis is
a proof of concept of cryptotomography using a high harmonic source in a low
ux regime. To reconstruct the 3D
volume of the sample, cryptotomographie uses diffraction pattern acquired for unknown sample orientations and
therefore non-classified. The low flux regime used here simulate the flux of a harmonic source generated in the
water window. We conclude from this experiment that, with the proper experimental conditions, the diffraction
signal is sufficient to allow the classiffcation by orientation of the diffraction patterns. With enough diffraction
pattern and angles of the sample recorded, we can achieve a 3D reconstruction of the sample. This result implies
that the cryptotomography of biological objects using a water window harmonic source is possible.
L'objectif de ce mémoire est de développer de nouvelles méthodes d'imagerie sans lentille en simple tir 2D et 3D avec des sources harmoniques XUV. Un intérêt particulier est porté aux techniques d'imageries permettant l'imagerie des objets biologiques et de phase.
Dans un premier temps, on introduit la théorie de l'imagerie dans lentille et on détaille les méthodes utilisées au cours de cette thèse pour reconstruire le champ diffracté par l'objet que l'on souhaite imager. Les techniques d'imageries sont séparées en deux catégories : itératifs et holographiques. On discute des conditions expérimentales nécessaires à la reconstruction de l'image de l'objet et on compare les avantages respectifs des deux types de méthodes. Puis, on détaille les aspects expérimentaux du faisceau XUV obtenu par HHG et on couvre brièvement la théorie associée à ce processus.
La section suivante traite des paramètres et des techniques de traitement des données influant sur la qualité de l'image reconstruite en imagerie sans lentille. On montre comment améliorer les reconstructions HERALDO dans un régime de faible flux de photons. On présente ensuite les résultats d'une technique de caractérisation complète de la cohérence spatiale d’un faisceau XUV en simple tir. Cette dernière est un paramètre critique de l'imagerie sans lentille. A l'aide d'un tableau non redondant de références ponctuelles, on mesure la cohérence spatiale pour chaque distance entre les références, sans aucune mesure du profil spatial du faisceau. On montre que la distribution de la cohérence est gaussienne et que son diamètre dépend des conditions de génération du faisceau harmonique. On étudie aussi quantitativement comment l'accumulation de plusieurs tirs de diffraction diminue la cohérence apparente du faisceau. Une expérience d'imagerie d'objets de phase avec une source harmonique pouvant être appliquée à des objets biologiques est ensuite présentée. A notre connaissance c'est la première reconstruction par méthode CDI d'objets de phase avec une source harmonique.
La suite du manuscrit présente les résultats de deux expériences visant à réaliser de l'imagerie 3D à l'échelle nanométrique avec une source harmonique. Tout d’abord, on présente une technique d'imagerie 3D simple tir. C'est la première expérience permettant une reconstruction 3D à partir d'une seule acquisition, avec une résolution spatiale nanométrique et une résolution temporelle femtoseconde, sans utiliser de connaissances a priori sur l'objet étudié. Cette technique possède un vaste spectre d'application, particulièrement pour l'étude structurelle d'échantillons biologiques sensibles aux dégâts d'irradiation. De plus, cette technique peut être facilement applicable à des FELs et des synchrontrons pour obtenir de meilleures résolutions. La deuxième expérience d'imagerie 3D est une preuve de concept validant la faisabilité de la cryptomographie avec une source harmonique. Pour reconstruire le volume 3D de l'échantillon, la cryptotomographie utilise des figures de diffraction qui sont acquises pour des orientations de l'échantillon inconnues. Le régime de faible flux dans lequel on se place nous permet de simuler les paramètres d'une source harmonique fonctionnant dans la fenêtre de l'eau.
On conclut que, le niveau du signal de diffraction est suffisant pour pouvoir identifier l'orientation de l'objet à partir des figures de diffraction enregistrées, dans des conditions expérimentales optimisées. Ainsi, avec suffisamment de figures de diffraction enregistrées et assez d'orientations de l'objet, on peut reconstruire le volume 3D de l'objet. Ces résultats impliquent qu'une expérience de cryptotomographie d'objets biologiques avec une source harmonique fonctionnant dans la fenêtre de l'eau serait réalisable.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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