Анизотропный многоплоскостной фотонный ситовой разделитель от крайнего ультрафиолета до мягкого рентгеновского излучения

Новые приемы света для наблюдения крошечных миров

Современный мир опирается на технологии, которые могут формировать и изучать объекты значительно меньшие, чем пылинка — от микросхем до передовых материалов. Для этого учёные используют свет с очень короткой длиной волны в диапазоне, называемом крайним ультрафиолетом и мягким рентгеновским излучением, который раскрывает детали, недоступные видимому свету. Но формировать и расщеплять такой свет крайне трудно, потому что большинство материалов его поглощают, а не эффективно преломляют или отражают. В статье представлен новый тип ультратонкого оптического элемента, который может разделять и фокусировать этот свет на несколько точек на разных глубинах, открывая путь к более четкой визуализации и новым методам измерений.

Новый тип крошечного светового сита

Вместо традиционных линз или зеркал исследователи опираются на концепцию, называемую фотонным ситом — тонкой мембраны с тысячами тщательно размещённых микроскопических отверстий. Когда свет проходит через этот узор отверстий, он отклоняется в результате дифракции и может фокусироваться, подобно линзе, но без необходимости в толстом стекле. Фотонные сита особенно привлекательны для крайнего ультрафиолета и мягкого рентгена, где обычная оптика не работает из‑за сильного поглощения материалами. Изменяя положение и размер отверстий, учёные могут точно формировать свет, что делает фотонные сита мощной альтернативой традиционной оптике в этом требовательном диапазоне длин волн.

Расщепление света в глубину, а не только по сторонам

Главное новшество работы — устройство, которое авторы называют анизотропным многоплоскостным фотонным ситовым разделителем. Проще говоря, это фотонное сито, спроектированное так, чтобы создавать три отдельные яркие точки света, которые не только разделены в поперечной плоскости, но и лежат на двух разных плоскостях фокусировки вдоль направления пучка. Одна яркая точка расположена на одной плоскости фокуса, а пара точек появляется вместе на второй плоскости, расположенной дальше. Для этого требуется закодировать особую числовую последовательность — основанную на древней «греческой лесенке» — в расположении отверстий. Шаблон оптимизируют с помощью компьютерного алгоритма, который рассматривает каждую возможную компоновку как «хромосому» и постепенно улучшает её до достижения требуемого поведения с тремя фокусами.

Изготовление и тестирование ультратонкого разделителя

Чтобы воплотить дизайн в реальность, команда изготовила фотонное сито‑разделитель диаметром около 0,8 мм на очень тонкой плёнке нитрида кремния, используя микрофабрикационные приемы, близкие к тем, что применяются при производстве микросхем. Примерно половина мембраны состоит из открытых отверстий, что облегчает изготовление, но также ограничивает эффективность перенаправления света. Разделитель протестировали с помощью источника крайнего ультрафиолета на длине волны 46,9 нм, дающего очень короткие интенсивные импульсы. В качестве регистрационной пластины использовали пластик PMMA: падающий свет слегка изменяет его поверхность, и после обработки форма поверхности напрямую показывает, где интенсивность была наибольшей. Механически сканируя такую пластину вдоль направления пучка и исследуя её в микроскопах, исследователи могли наблюдать, как меняются размеры и положение фокусных пятен около каждой плоскости фокуса.

Проверка соответствия фокуса проекту

Сырые изображения крошечных кратеров и бугорков в PMMA показали, что три фокусные точки ведут себя, как задумано: по мере перемещения регистрационной пластины через пучок точки сжимаются до минимального размера на одной плоскости фокуса и на второй плоскости, содержащей пару точек. Для более точных измерений команда использовала атомно‑силовую микроскопию для детального картирования поверхности, а затем применила численную процедуру «автофокусировки». Цифровой перенос измеренных профилей в пространстве назад и вперёд с использованием известных дифракционных формул позволил найти расстояния, на которых точки становятся наиболее резкими. Полученные размеры пятен составили всего несколько сотен миллиардных долей метра и в целом соответствовали теоретическим предсказаниям, подтверждая, что разделитель создаёт правильные положения фокусов и интенсивности несмотря на небольшие экспериментальные отклонения.

Почему это важно для будущих инструментов визуализации

Показав, что одна плоская перфорированная мембрана может надёжно расщеплять свет крайнего ультрафиолета на несколько фокусных точек на разных глубинах, эта работа даёт новый строительный блок для передовых систем визуализации и измерений. Такой разделитель позволит регистрировать несколько дифракционных картин за один кадр или сравнивать слегка разные фокусные плоскости без перемещения громоздкой оптики, что полезно для методов вроде когерентной дифракционной визуализации, фазового разнообразия и интерферометрии. Проще говоря, это похоже на бумажно‑тонкую «световую коммутационную панель», которая может направлять один мощный, трудноуправляемый пучок в несколько точных каналов одновременно. Эта возможность может помочь продвинуть границы того, насколько тонко мы можем видеть и измерять структуры в крошечных мирах, лежащих в основе современной технологии.

Цитирование: 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

Ключевые слова: оптика крайнего ультрафиолета, фотонное сито, многоточечное расщепление пучка, дифракционная визуализация, фокусировка мягкого рентгеновского излучения