使用OAM-HHG EUV光束對高度周期性結構進行成像的EUV聚光顯微鏡

為了研究微電子或光子元件中的納米級圖案，一種基于無透鏡成像的新方法可以實現(xiàn)近乎完美的高分辨率顯微鏡。 層析成像是一種強大的無透鏡成像形式，它使用掃描光束收集散射光進行圖像重建，面臨著周期性樣品的挑戰(zhàn)。為了研究微電子或光子元件中的納米級圖案，一種基于無透鏡成像的新方法可以實現(xiàn)近乎完美的高分辨率顯微鏡。這在波長短于紫外線時尤為重要，其成像空間分辨率高于可見光，但成像光學元件并不完美。

最強大的無透鏡成像形式稱為層析成像，其工作原理是掃描激光束穿過樣品，收集散射光，然后使用計算機算法重建樣品的圖像。

雖然層析成像可以可視化許多納米結構，但這種特殊的顯微鏡在分析具有非常規(guī)則、重復圖案的樣品時遇到困難。這是因為散射光在掃描周期性樣品時不會發(fā)生變化，因此計算機算法會感到困惑，無法重建出良好的圖像。

最近畢業(yè)的博士生Bin Wang和Nathan Brooks，與JILA研究員Margaret Murnane和Henry Kapteyn合作，開發(fā)了一種新方法，該方法使用具有特殊渦流或圓環(huán)形狀的短波長光來掃描這些重復表面，從而產(chǎn)生更多樣化的衍射圖案。這使得研究人員能夠使用這種新方法捕獲高保真圖像重建，他們最近在《光學》雜志上發(fā)表了這一成果。這一結果也將在《光學雜志》的《光學與光子學新聞》中重點介紹，作為2023年《光學》年鑒的亮點。這種新的成像方法對納米電子學、光子學和超材料的應用尤其有效。Murnane解釋道：“將可見激光束結構化(或改變形狀)為甜甜圈和其他形狀的能力徹底改變了可見超分辨率顯微鏡。現(xiàn)在有一條前進的道路，可以將這些強大的功能應用于更短的波長，這非常令人興奮。”

散射圖案雕刻渦旋形高次諧波光束

為了在桌面級裝置中產(chǎn)生短波長激光束，JILA團隊使用了一種稱為高次諧波產(chǎn)生(HHG)的過程。當超快激光脈沖擊中原子時，會拔出一個電子，然后將其驅回母原子進行重組，從而產(chǎn)生高次諧波。原子接觸后，會將電子的動能轉化為極紫外(EUV)光。如果數(shù)百萬個原子同時發(fā)射EUV光，則產(chǎn)生的波會產(chǎn)生明亮的激光狀EUV光束。為了對重復圖案進行成像，JILA的研究人員需要找到一種方法來改變HHG光束，以便當EUV光束在樣品上掃描時，散射光會發(fā)生變化。研究人員誘導HHG光束從圓盤變成渦旋或圓環(huán)形狀，即軌道角動量(OAM)光束，以實現(xiàn)這一效果。這種不同的形狀對于實現(xiàn)周期性樣品的無透鏡成像至關重要。

當科學家們用渦旋形HHG光束照亮他們的顯微鏡時(見附圖)，產(chǎn)生了更復雜的散射圖案，隨著樣品的掃描而變化。這些變化編碼了關于樣品重復圖案的信息，使算法能夠提取出精確的圖像。

除了這一令人興奮的結果外，這種新型渦流束無透鏡成像技術對微細樣本的損傷也小于掃描電子顯微鏡。由于許多軟材料、塑料和生物樣本都很脆弱，因此以精確而溫和的方式對它們進行成像至關重要。此外，渦流束無透鏡成像在檢測納米圖案中的缺陷方面比掃描電子顯微鏡更有效，因為掃描電子顯微鏡往往會熔化精細的樣品。圖案，圖案，到處都是——現(xiàn)在我們可以看得更清楚了!對于為下一代納米、能源、光子和量子器件制造圖案化材料的科學家來說，這一進步實現(xiàn)了對高度周期性結構的高分辨率成像，而不會破壞它們。正如Kapteyn所闡述的那樣：“在未來，這可能還使高空間分辨率成像精細活細胞成為可能。”

審核編輯 黃宇