Anisotropisch multiplanair-focaal fotonzeef-splitser van extreme ultraviolet tot zacht röntgen

Nieuwe lichttrucs om piepkleine werelden te bekijken

Onze moderne wereld steunt op technologieën die kenmerken kunnen tekenen en onderzoeken die veel kleiner zijn dan een stofdeeltje, van computerchips tot geavanceerde materialen. Om dit te doen gebruiken wetenschappers licht met zeer korte golflengten, in het bereik dat extreme ultraviolet en zacht röntgen wordt genoemd, waarmee details zichtbaar worden die zichtbaar licht niet kan tonen. Maar het vormen en splitsen van dit soort licht is buitengewoon lastig, omdat de meeste materialen het absorberen in plaats van het op een zuivere manier te buigen of te reflecteren. Dit artikel introduceert een nieuw soort ultradun optisch element dat dergelijk licht kan splitsen en focussen op meerdere punten op verschillende dieptes, en daarmee de deur opent naar scherper beeldvorming en slimme nieuwe meetmethoden.

Een nieuw soort piepkleine lichtzeef

In plaats van traditionele lenzen of spiegels gebruiken de onderzoekers een concept dat een fotonzeef heet — een dun membraan met duizenden zorgvuldig geplaatste microscopische gaatjes. Wanneer licht door dit patroon van openingen gaat, wordt het door diffractie afgebogen en kan het worden gefocusseerd, enigszins als een lens maar zonder de noodzaak van dik glas. Fotonzeven zijn bijzonder aantrekkelijk voor extreme ultraviolet en zacht röntgenlicht, waar normale optica falen omdat materialen te veel energie absorberen. Door te variëren in waar de gaatjes zitten en hoe groot ze zijn, kunnen onderzoekers het licht op ingewikkelde manieren vormgeven, waardoor fotonzeven een krachtig alternatief vormen voor conventionele optica in dit veeleisende golflengtegebied.

Het licht in diepte splitsen, niet alleen opzij

De belangrijkste innovatie van dit werk is een apparaat dat de auteurs een anisotropisch multiplanair-focaal fotonzeef-splitser noemen. Simpel gezegd is het een fotonzeef die is ontworpen om drie afzonderlijke heldere lichtpunten te creëren die niet alleen van elkaar verwijderd zijn maar ook op twee verschillende focusvlakken langs de bundelrichting liggen. Eén heldere plek ligt op een enkel focusvlak, terwijl een paar punten samen voorkomt op een tweede vlak verder weg. Dit bereiken vereist het coderen van een speciaal getallenpatroon — gebaseerd op een oud ‘‘Grieks ladder’’-sequentie — in de manier waarop de gaatjes zijn gerangschikt. Het patroon wordt geoptimaliseerd met een computeralgoritme dat elke mogelijke lay-out als een ‘‘chromosoom’’ behandelt en het geleidelijk verbetert totdat het gewenste driepunts-focuss gedrag is bereikt.

Bouwen en testen van de ultradunne splitser

Om het ontwerp werkelijkheid te maken fabriceerde het team een fotonzeef-splitser van ongeveer 0,8 millimeter doorsnede op een zeer dun silicumnitride-film, met microfabricagetechnieken vergelijkbaar met die in de chipfabricage. Ongeveer de helft van het membraan bestaat uit open gaten, wat de productie relatief eenvoudig houdt maar ook beperkt hoe efficiënt het licht wordt omgeleid. De splitser werd vervolgens getest met een 46,9 nanometer extreme ultraviolet-laser die zeer korte, intense pulsen levert. Een kunststofmateriaal genaamd PMMA diende als opnameplaat: het binnenkomende licht verandert subtiel het oppervlak, en na verwerking onthult de oppervlaktestructuur direct waar het licht het meest intens was. Door deze plaat mechanisch langs de bundelrichting te scannen en met microscopen te onderzoeken, konden de onderzoekers zien hoe de gefocusseerde punten in grootte en positie veranderden nabij elk focusvlak.

Controleren of de focus overeenkomt met het ontwerp

De ruwe afbeeldingen van de kleine kraters en bulten in de PMMA toonden dat de drie focale plekken zich gedroegen zoals bedoeld: terwijl de opnameplaat door de bundel bewoog, krompen de punten tot een minimale grootte op een enkel focusvlak en op een tweede vlak met twee punten. Om dit nauwkeuriger te meten gebruikte het team atomaire-krachtenmicroscopie om het oppervlak in detail te scannen en paste vervolgens een numerieke ‘‘autofocus’’-procedure toe. Door de gemeten patronen digitaal vooruit en achteruit te propagëren in de ruimte met bekende diffractieformules, konden ze de afstanden vinden waar de punten het scherpst werden. De resulterende puntsizes waren slechts een paar honderden miljardsten van een meter en kwamen goed overeen met theoretische voorspellingen, waarmee werd bevestigd dat de splitser de juiste focusposities en intensiteiten produceerde ondanks kleine experimentele imperfecties.

Waarom dit belangrijk is voor toekomstige beeldvormingsinstrumenten

Door aan te tonen dat een enkel, vlak, geperforeerd membraan betrouwbaar extreme ultraviolet-straling kan splitsen in meerdere gefocusseerde punten op verschillende dieptes, biedt dit werk een nieuw bouwblok voor geavanceerde beeldvormings- en meetsystemen. Zo’n splitser kan onderzoekers in staat stellen meerdere diffractiepatronen in één opname vast te leggen, of licht verschillende focusvlakken te vergelijken zonder lompe optische elementen te verplaatsen — wat waardevol is voor technieken zoals coherente diffractie-imaging, fase-diversiteit en interferometrie. In alledaagse termen is het alsof je een papierdunne ‘‘lichtcentrale’’ hebt die één krachtige, moeilijk hanteerbare bundel tegelijk in meerdere precieze kanalen kan sturen. Deze capaciteit kan helpen de grenzen te verleggen van hoe fijn we structuren kunnen zien en meten in de piepkleine werelden die de moderne technologie ondersteunen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: extreme ultraviolet-optica, fotonzeef, multifocaal bundel-splitsing, diffractieve beeldvorming, zacht röntgen-focussering