使用OAM-HHG EUV光束对高度周期性结构进行成像的EUV聚光显微镜

  为了研究微电子或光子元件中的纳米级图案，一种基于无透镜成像的新方法可以实现近乎完美的高分辨率显微镜。 层析成像是一种强大的无透镜成像形式，它使用扫描光束收集散射光进行图像重建，面临着周期性样品的挑战。为了研究微电子或光子元件中的纳米级图案，一种基于无透镜成像的新方法可以实现近乎完美的高分辨率显微镜。这在波长短于紫外线时尤为重要，其成像空间分辨率高于可见光，但成像光学元件并不完美。

  最强大的无透镜成像形式称为层析成像，其工作原理是扫描激光束穿过样品，收集散射光，然后使用计算机算法重建样品的图像。

  虽然层析成像可以可视化许多纳米结构，但这种特殊的显微镜在分析具有非常规则、重复图案的样品时遇到困难。这是因为散射光在扫描周期性样品时不会发生变化，因此计算机算法会感到困惑，无法重建出良好的图像。

  最近毕业的博士生Bin Wang和Nathan Brooks，与JILA研究员Margaret Murnane和Henry Kapteyn合作，开发了一种新方法，该方法使用具有特殊涡流或圆环形状的短波长光来扫描这些重复表面，从而产生更多样化的衍射图案。这使得研究人员能够使用这种新方法捕获高保真图像重建，他们最近在《光学》杂志上发表了这一成果。这一结果也将在《光学杂志》的《光学与光子学新闻》中重点介绍，作为2023年《光学》年鉴的亮点。这种新的成像方法对纳米电子学、光子学和超材料的应用尤其有效。Murnane解释道：“将可见激光束结构化(或改变形状)为甜甜圈和其他形状的能力彻底改变了可见超分辨率显微镜。现在有一条前进的道路，可以将这些强大的功能应用于更短的波长，这非常令人兴奋。”

  为了在桌面级装置中产生短波长激光束，JILA团队使用了一种称为高次谐波产生(HHG)的过程。当超快激光脉冲击中原子时，会拔出一个电子，然后将其驱回母原子进行重组，从而产生高次谐波。原子接触后，会将电子的动能转化为极紫外(EUV)光。如果数百万个原子同时发射EUV光，则产生的波会产生明亮的激光状EUV光束。为了对重复图案进行成像，JILA的研究人员需要找到一种方法来改变HHG光束，以便当EUV光束在样品上扫描时，散射光会发生变化。研究人员诱导HHG光束从圆盘变成涡旋或圆环形状，即轨道角动量(OAM)光束，以实现这一效果。这种不同的形状对于实现周期性样品的无透镜成像至关重要。

  当科学家们用涡旋形HHG光束照亮他们的显微镜时(见附图)，产生了更复杂的散射图案，随着样品的扫描而变化。这些变化编码了关于样品重复图案的信息，使算法能够提取出精确的图像。

  除了这一令人兴奋的结果外，这种新型涡流束无透镜成像技术对微细样本的损伤也小于扫描电子显微镜。由于许多软材料、塑料和生物样本都很脆弱，因此以精确而温和的方式对它们进行成像至关重要。此外，涡流束无透镜成像在检测纳米图案中的缺陷方面比扫描电子显微镜更有效，因为扫描电子显微镜往往会熔化精细的样品。图案，图案，到处都是——现在我们可以看得更清楚了!对于为下一代纳米、能源、光子和量子器件制造图案化材料的科学家来说，这一进步实现了对高度周期性结构的高分辨率成像，而不会破坏它们。正如Kapteyn所阐述的那样：“在未来，这可能还使高空间分辨率成像精细活细胞成为可能。”

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