通过改造透射电镜电子枪、样品室结构以及成像系统，将超快激光系统和透射电镜结合起来，采用泵浦探测技术结合超快激光的高时间分辨和透射电镜高空间分辨实现高时空分辨的物态结构的动力学图像研究。团队经过几年的努力，我们成功研制了国内首台超快时间分辨透射电子显微，并拥有自己的核心专利技术（中国专利公开号：CN104766776A，国际公开号：WO 2015/103829）。时间分辨电子显微镜技术将会下一代透射电镜发展的重要技术，是透射电镜发展史上的有一个里程碑。 时间分辨超快透射电子显微镜基于时间分辨超快激光系统和透射电子显微镜系统，通过将激光系统和透射电镜结合起来实现，超快激光器发出的脉冲激光经过分光镜分为两束，其中一束作为探测脉冲，经过三倍频后聚焦到电子枪的阴极上产生超短电子脉冲；另一束作为泵浦激光，经过单频或者倍频后再经过延迟光路导入透射电镜中的样品室，最终聚焦到样品表面用于激发超快过程，采用泵浦探测技术结合超快激光的高时间分辨和透射电镜高空间分辨可以实现高时空分辨的物态结构的动力学图像研究。我们自主研制的时间分辨透射电子显微镜空间分辨率达到0.34nm，时间分辨率优于1ps，可以实现超快电子衍射和超快实空间成像，以及激光原位诱导的结构变化，对于探索新奇宏观量子现象、新奇物性机理等有重要意义。而且我们独立研制的超快多功能电子枪，可以根据需求和各种不同的激光系统结合，在不同性能的电子显微镜上使用。 利用第一代的超快时间分辨超快电镜，开展了多种材料体系的超快结构动力学实验，包括多壁碳纳米管的各向异性晶格膨胀；电荷密度波体系的公度-非公度相变；在马氏体相变的超快动力学研究中首次在皮秒尺度上观测到正空间中畴的消失与形成；在低温下确定了1T-TaS2-xSex系统的量子隐含态。目前正在发展第二代的时间分辨超快场发射透射电镜。 1T-TaSe2中激光诱导的超快公度-非公度相变。(a) 1T-TaSe2的HR-STEM图像及电子衍射花样。(b) 超快激光激发后不同时间延迟下的衍射花样。Difference为5ps与−5ps的衍射花样差值。(c) 超快激光激发后公度相与非公度相衍射强度的变化。

时间分辨超快透射电子显微镜有广阔的应用领域：在物理和材料科学中，研究各种相变行为的动力学过程，是理解材料各种物理性能机理的基础。在生物学和医学中，研究不同生物分子的结构，有利于理解其在生命体中的主要功能，能极大的促进现代医学和生物学的发展。化学反应的动力学过程和反应机理。此外，由于对样品的辐照时间缩短，可以用于研究许多易受辐照损伤的样品，如有机材料、细胞和生物分子等。