Anizotropowo wielopłaszczyznowy dzielnik sito‑fotoniczne od ekstremalnego ultrafioletu do miękkiego promieniowania rentgenowskiego

Patrząc na maleńkie światy nowymi trikami ze światłem

Nasz współczesny świat opiera się na technologiach, które rysują i kontrolują struktury znacznie mniejsze niż drobina kurzu — od układów scalonych po zaawansowane materiały. Aby to osiągnąć, naukowcy korzystają z bardzo krótkofalowego światła z zakresu ekstremalnego ultrafioletu i miękkiego promieniowania rentgenowskiego, które ujawnia szczegóły niedostępne dla światła widzialnego. Kształtowanie i dzielenie takiego promieniowania jest jednak wyjątkowo trudne, ponieważ większość materiałów je absorbuje zamiast czysto załamywać czy odbijać. W artykule przedstawiono nowy rodzaj ultracienkiego elementu optycznego, który potrafi rozdzielać i ogniskować to światło na kilku ogniskach położonych na różnych głębokościach, otwierając drogę do ostrzejszego obrazowania i nowych metod pomiarowych.

Nowy rodzaj miniaturowego sita świetlnego

Zamiast tradycyjnych soczewek lub luster badacze wykorzystują koncepcję zwaną sitem fotonowym — cienką membranę z tysiącami starannie rozmieszczonych mikroskopijnych otworów. Gdy światło przechodzi przez taki wzór otworów, ulega dyfrakcji i może zostać zogniskowane, podobnie jak przez soczewkę, lecz bez potrzeby grubej szyby. Sita fotonowe są szczególnie atrakcyjne dla ekstremalnego ultrafioletu i miękkiego promieniowania rentgenowskiego, gdzie konwencjonalne elementy optyczne zawodzą z powodu silnej absorpcji materiałów. Zmieniając położenie i wielkość otworów, naukowcy mogą precyzyjnie formować pole świetlne, co czyni sita fotonowe potężną alternatywą dla zwykłej optyki w tym wymagającym zakresie długości fal.

Dzielenie światła w głąb, nie tylko w bok

Główną innowacją pracy jest urządzenie nazwane przez autorów anizotropowo wielopłaszczyznowym dzielnikiem — sitem fotonowym. Mówiąc prościej, to sito zaprojektowane tak, by tworzyć trzy oddzielne jasne ogniska, które nie tylko są od siebie przesunięte bocznie, lecz także leżą na dwóch różnych płaszczyznach ogniskowych wzdłuż kierunku wiązki. Jedno jasne ognisko znajduje się na pojedynczej płaszczyźnie ogniskowej, podczas gdy para ognisk pojawia się razem na drugiej, dalszej płaszczyźnie. Uzyskanie takiego efektu wymaga zakodowania specjalnego wzoru liczb — opartego na starożytnej sekwencji „greckiej drabiny” — w rozmieszczeniu otworów. Wzór jest optymalizowany za pomocą algorytmu komputerowego, który traktuje każde możliwe rozmieszczenie jako „chromosom” i stopniowo je udoskonala, aż osiągnie pożądane trzyogniskowe działanie.

Budowa i testy ultracienkiego dzielnika

Aby przenieść projekt do rzeczywistości, zespół wykonał dzielnik — sito fotonowe o średnicy około 0,8 milimetra na bardzo cienkiej warstwie azotku krzemu, korzystając z technik mikrofabrykacji podobnych do stosowanych przy produkcji układów scalonych. Około połowa membrany to otwory, co upraszcza produkcję, ale jednocześnie ogranicza efektywność przekierowywania światła. Dzielnik przetestowano za pomocą lasera ekstremalnego ultrafioletu o długości fali 46,9 nm, dostarczającego bardzo krótkie, intensywne impulsy. Płytką rejestrującą był plastik zwany PMMA: padające światło subtelnie zmienia jego powierzchnię, a po obróbce kształt powierzchni ujawnia miejsca największej intensywności. Przesuwając tę płytkę mechanicznie wzdłuż kierunku wiązki i badając ją mikroskopami, badacze obserwowali, jak rozmiary i położenia ognisk zmieniają się w pobliżu każdej płaszczyzny ogniskowej.

Sprawdzanie zgodności ognisk z projektem

Surowe obrazy małych kraterów i wyniosłości w PMMA pokazały, że trzy ogniska zachowywały się zgodnie z założeniem: przy przesuwaniu płyty rejestrującej ogniska kurczyły się do minimalnego rozmiaru na jednej płaszczyźnie ogniskowej i na drugiej płaszczyźnie zawierającej dwa ogniska. Aby to zmierzyć dokładniej, zespół użył mikroskopii sił atomowych do szczegółowego zmapowania powierzchni, a następnie zastosował numeryczną procedurę „autofokusa”. Poprzez cyfrową propagację zmierzonych wzorców w przestrzeni przy użyciu znanych formuł dyfrakcyjnych można było znaleźć odległości, w których ogniska stawały się najostrzejsze. Uzyskane rozmiary plam wynosiły zaledwie kilka setek miliardowych części metra i w dużym stopniu zgadzały się z przewidywaniami teoretycznymi, potwierdzając, że dzielnik wytwarzał prawidłowe pozycje i natężenia ognisk pomimo drobnych niedoskonałości eksperymentalnych.

Dlaczego to ma znaczenie dla przyszłych narzędzi obrazujących

Pokazując, że pojedyncza, płaska, perforowana membrana może niezawodnie rozdzielać światło ekstremalnego ultrafioletu na wiele zogniskowanych plam na różnych głębokościach, praca ta dostarcza nowy blok konstrukcyjny dla zaawansowanych systemów obrazowania i pomiaru. Taki dzielnik mógłby pozwolić naukowcom na rejestrację kilku wzorców dyfrakcyjnych w jednym ujęciu lub porównywanie nieco różnych płaszczyzn ogniskowania bez przesuwania masywnej optyki, co jest cenne dla technik takich jak spójne obrazowanie dyfrakcyjne, różnorodność fazowa i interferometria. W prostych słowach, to jak papierowo cienka „centrala świetlna”, która potrafi rozdzielić jedną mocną, trudną w obsłudze wiązkę na kilka precyzyjnych kanałów naraz. Ta zdolność może pomóc przesunąć granice w tym, jak drobiazgowo możemy obserwować i mierzyć struktury w maleńkich światach leżących u podstaw nowoczesnych technologii.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: optyka ekstremalnego ultrafioletu, sito fotonowe, wielogniskowe rozdzielanie wiązki, obrazowanie dyfrakcyjne, ogniskowanie miękkiego promieniowania rentgenowskiego