使用OAM-HHG EUV光束對(duì)高度周期性結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jí)圖案，一種基于無透鏡成像的新方法可以實(shí)現(xiàn)近乎完美的高分辨率顯微鏡。 層析成像是一種強(qiáng)大的無透鏡成像形式，它使用掃描光束收集散射光進(jìn)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(jí)圖案，一種基于無透鏡成像的新方法可以實(shí)現(xiàn)近乎完美的高分辨率顯微鏡。這在波長(zhǎng)短于紫外線時(shí)尤為重要，其成像空間分辨率高于可見光，但成像光學(xué)元件并不完美。

最強(qiáng)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(jì)算機(jī)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(jié)構(gòu)，但這種特殊的顯微鏡在分析具有非常規(guī)則、重復(fù)圖案的樣品時(shí)遇到困難。這是因?yàn)樯⑸涔庠趻呙柚芷谛詷悠窌r(shí)不會(huì)發(fā)生變化，因此計(jì)算機(jī)算法會(huì)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(zhǎng)光來掃描這些重復(fù)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(xué)》雜志上發(fā)表了這一成果。這一結(jié)果也將在《光學(xué)雜志》的《光學(xué)與光子學(xué)新聞》中重點(diǎn)介紹，作為2023年《光學(xué)》年鑒的亮點(diǎn)。這種新的成像方法對(duì)納米電子學(xué)、光子學(xué)和超材料的應(yīng)用尤其有效。Murnane解釋道：“將可見激光束結(jié)構(gòu)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(jìn)的道路，可以將這些強(qiáng)大的功能應(yīng)用于更短的波長(zhǎng)，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(jí)裝置中產(chǎn)生短波長(zhǎng)激光束，JILA團(tuán)隊(duì)使用了一種稱為高次諧波產(chǎn)生(HHG)的過程。當(dāng)超快激光脈沖擊中原子時(shí)，會(huì)拔出一個(gè)電子，然后將其驅(qū)回母原子進(jìn)行重組，從而產(chǎn)生高次諧波。原子接觸后，會(huì)將電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為極紫外(EUV)光。如果數(shù)百萬個(gè)原子同時(shí)發(fā)射EUV光，則產(chǎn)生的波會(huì)產(chǎn)生明亮的激光狀EUV光束。為了對(duì)重復(fù)圖案進(jìn)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(dāng)EUV光束在樣品上掃描時(shí)，散射光會(huì)發(fā)生變化。研究人員誘導(dǎo)HHG光束從圓盤變成渦旋或圓環(huán)形狀，即軌道角動(dòng)量(OAM)光束，以實(shí)現(xiàn)這一效果。這種不同的形狀對(duì)于實(shí)現(xiàn)周期性樣品的無透鏡成像至關(guān)重要。

當(dāng)科學(xué)家們用渦旋形HHG光束照亮他們的顯微鏡時(shí)(見附圖)，產(chǎn)生了更復(fù)雜的散射圖案，隨著樣品的掃描而變化。這些變化編碼了關(guān)于樣品重復(fù)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(jié)果外，這種新型渦流束無透鏡成像技術(shù)對(duì)微細(xì)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(duì)它們進(jìn)行成像至關(guān)重要。此外，渦流束無透鏡成像在檢測(cè)納米圖案中的缺陷方面比掃描電子顯微鏡更有效，因?yàn)閽呙桦娮语@微鏡往往會(huì)熔化精細(xì)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(duì)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(xué)家來說，這一進(jìn)步實(shí)現(xiàn)了對(duì)高度周期性結(jié)構(gòu)的高分辨率成像，而不會(huì)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(xì)活細(xì)胞成為可能。”

審核編輯 黃宇