Anisotropisch mehrschichtig-fokaler Photon-Sieb-Teiler vom extremen Ultraviolett bis zum weichen Röntgen

Winzige Welten mit neuen Lichttricks betrachten

Unsere moderne Welt beruht auf Technologien, die Merkmale weit kleiner als ein Staubkorn erzeugen und untersuchen können, von Computerchips bis zu fortschrittlichen Werkstoffen. Dafür verwenden Forscher Licht mit sehr kurzen Wellenlängen, im Bereich des extremen Ultravioletts und des weichen Röntgenbereichs, das Details zeigt, die mit sichtbarem Licht unerreichbar sind. Das Formen und Aufspalten dieser Lichtarten ist jedoch extrem schwierig, weil die meisten Materialien es absorbieren, statt es sauber zu beugen oder zu reflektieren. Diese Arbeit stellt eine neue Art von ultradünnem optischen Bauteil vor, das solches Licht in mehrere Punkte auf unterschiedlichen Tiefen aufspalten und fokussieren kann und damit schärfere Bildgebung und neue Messmethoden ermöglicht.

Eine neue Art winzigen Licht-Siebs

Statt herkömmlicher Linsen oder Spiegel nutzen die Forschenden ein Konzept namens Photonensieb — eine dünne Membran, in die tausende sorgfältig platzierte mikroskopische Löcher gebohrt sind. Wenn Licht durch dieses Lochmuster fällt, wird es durch Beugung umgelenkt und kann so wie durch eine Linse fokussiert werden, jedoch ohne dickes Glas. Photonensiebe sind besonders attraktiv für extremes Ultraviolett und weiches Röntgen, wo normale Optiken versagen, weil die Materialien zu viel Energie absorbieren. Durch Variation der Position und Größe der Löcher können Wissenschaftler das Licht in feinen Mustern formen, wodurch Photonensiebe eine leistungsfähige Alternative zu konventionellen Optiken in diesem anspruchsvollen Wellenlängenbereich darstellen.

Licht in der Tiefe aufteilen, nicht nur seitlich

Die Hauptinnovation dieser Arbeit ist ein Bauteil, das die Autoren anisotropisch mehrschichtig-fokales Photonensieb-Teiler nennen. Einfacher gesagt handelt es sich um ein Photonensieb, das drei getrennte helle Lichtpunkte erzeugt, die nicht nur räumlich voneinander getrennt sind, sondern auch auf zwei verschiedenen Fokus-Ebenen entlang des Strahls liegen. Ein heller Punkt liegt auf einer Einzel-Fokusebene, während ein Paar von Punkten gemeinsam auf einer zweiten, weiter entfernten Ebene erscheint. Dies zu erreichen erfordert die Kodierung einer speziellen Zahlenfolge — basierend auf einer alten „griechischen Leiter“-Sequenz — in die Anordnung der Löcher. Das Muster wird mit einem Computeralgorithmus optimiert, der jede mögliche Anordnung als „Chromosom“ behandelt und diese schrittweise verbessert, bis das gewünschte Drei-Punkt-Fokusverhalten erreicht ist.

Herstellung und Prüfung des ultradünnen Teilers

Um die Entwürfe in die Realität umzusetzen, fertigte das Team ein Photonensieb-Teiler von etwa 0,8 Millimetern Durchmesser auf einer sehr dünnen Siliziumnitrid-Folie an, unter Verwendung von Mikrostrukturierungstechniken ähnlich denen der Chipproduktion. Ungefähr die Hälfte der Membran besteht aus offenen Löchern, was die Herstellung vergleichsweise einfach hält, aber auch die Effizienz bei der Umlenkung des Lichts begrenzt. Der Teiler wurde mit einem 46,9 Nanometer extremen Ultraviolettlaser getestet, der sehr kurze, intensive Pulse liefert. Ein Kunststoffmaterial namens PMMA diente als Aufzeichnungsplatte: Das einfallende Licht verändert dessen Oberfläche leicht und nach Verarbeitung zeigt die Oberflächenform direkt, wo die Intensität am größten war. Durch mechanisches Abtasten dieser Platte entlang der Strahlrichtung und Untersuchung mit Mikroskopen konnten die Forschenden beobachten, wie sich die fokussierten Punkte in Größe und Position in der Nähe jeder Fokusebene veränderten.

Überprüfung, dass der Fokus dem Entwurf entspricht

Die Rohbilder der winzigen Krater und Beulen im PMMA zeigten, dass sich die drei Brennpunkte wie vorgesehen verhalten: Beim Verschieben der Aufzeichnungsplatte durch den Strahl verkleinerten sich die Punkte zu einem Minimum an einer Einzel-Fokusebene und an einer zweiten Ebene mit zwei Punkten. Zur präziseren Messung nutzte das Team Rasterkraftmikroskopie, um die Oberfläche detailliert abzubilden, und wandte anschließend ein numerisches „Autofokus“-Verfahren an. Durch digitales Vor- und Zurückpropagieren der gemessenen Muster im Raum mittels bekannter Beugungsformeln konnten sie die Entfernungen finden, bei denen die Punkte am schärfsten wurden. Die resultierenden Punktgrößen lagen nur wenige hundert Milliardenstel Meter im Durchmesser und stimmten eng mit theoretischen Vorhersagen überein, was bestätigte, dass der Teiler die richtigen Fokuspositionen und Intensitäten trotz kleiner experimenteller Unvollkommenheiten erzeugte.

Warum das für zukünftige Bildgebungswerkzeuge wichtig ist

Indem gezeigt wird, dass eine einzelne, flache, perforierte Membran extremes Ultraviolettlicht zuverlässig in mehrere fokussierte Punkte bei unterschiedlichen Tiefen aufspalten kann, liefert diese Arbeit einen neuen Baustein für fortschrittliche Bildgebungs- und Messsysteme. Ein solcher Teiler könnte es Forschenden erlauben, mehrere Beugungsmuster in einem einzigen Messdurchgang zu erfassen oder leicht unterschiedliche Fokusebenen zu vergleichen, ohne schwere Optiken zu bewegen — nützlich bei Techniken wie kohärenter Beugungsbildgebung, Phasendiversität und Interferometrie. Alltagssprachlich ist es wie ein papierdünnes „Lichtverteilerpult“, das einen leistungsstarken, schwer zu handhabenden Strahl gleichzeitig in mehrere präzise Kanäle lenken kann. Diese Fähigkeit könnte helfen, die Grenzen dessen zu verschieben, wie fein wir Strukturen in den winzigen Welten sehen und messen können, die der modernen Technologie zugrunde liegen.

Zitation: Keyang Cheng, Huaiyu Cui, Ziyi Zhang, Yuni Zheng, Dongdi Zhao, Qi Li, Yongpeng Zhao, and Junyong Zhang, "Anisotropically multiplanar-focal photon-sieve splitter from extreme ultraviolet to soft X-ray," Optica 12, 1388-1390 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.559913

Schlüsselwörter: extremes Ultraviolett-Optik, Photonensieb, multifokale Strahlaufspaltung, diffraktive Bildgebung, Fokussierung weicher Röntgenstrahlung