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(wú)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(jiàn)光，但成像光學(xué)元件并不完美。層析成像是一種強(qiáng)大的無(wú)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)。

最強(qiáng)大的無(wú)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(guò)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(wú)法重建出良好的圖像。

最近畢業(yè)的博士研究員Bin Wang和Nathan Brooks，與JILA研究員Margaret Murnane和Henry Kapteyn合作，開(kāi)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(lái)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(jiàn)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(jiàn)超分辨率顯微鏡�，F(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。”

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(guò)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(wàn)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(lái)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(pán)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(wú)透鏡成像至關(guān)重要。

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