Anisotropiskt multiplan-fokalt fotonsikt-delare från extrem-ultraviolett till mjuk röntgen

Att betrakta små världar med nya ljustricks

Vår moderna värld är beroende av tekniker som kan rita och inspektera detaljer mycket mindre än ett dammkorn, från mikrochips till avancerade material. För detta använder forskare ljus med mycket kort våglängd, i området som kallas extrem-ultraviolett och mjuk röntgen, vilket kan avslöja detaljer långt bortom vad synligt ljus visar. Men att forma och dela den här typen av ljus är extremt svårt eftersom de flesta material absorberar det istället för att avböja eller reflektera det rent. Denna artikel presenterar en ny typ av ultratunn optisk anordning som kan dela och fokusera sådant ljus på flera punkter vid olika djup, vilket öppnar för skarpare avbildning och nya mätmetoder.

En ny typ av litet ljussikt

I stället för traditionella linser eller speglar förlitar sig forskarna på ett koncept som kallas fotonsikt — en tunn membran perforerad med tusentals noggrant placerade mikroskopiska hål. När ljus passerar genom detta mönster av hål böjs det av diffraktion och kan göras att fokuseras, ungefär som en lins men utan behov av tjockt glas. Fotonsikt är särskilt attraktiva för extrem-ultraviolett och mjuk röntgen där vanliga optiska komponenter misslyckas eftersom materialen absorberar för mycket energi. Genom att ändra var hålen sitter och hur stora de är kan forskare skulptera ljuset på intrikata sätt, vilket gör fotonsikt till ett kraftfullt alternativ till konventionell optik i detta krävande våglängdsområde.

Att dela ljus i djupet, inte bara åt sidan

Huvudinnovation i detta arbete är en anordning som författarna kallar anisotropiskt multiplan-fokalt fotonsikt-delare. Enklare sagt är det ett fotonsikt utformat för att skapa tre separata ljusa fläckar som inte bara är åtskilda i sidled utan också ligger i två olika fokusplan längs strålens riktning. En ljus fläck ligger på ett enda fokusplan, medan ett par fläckar framträder tillsammans på ett andra plan längre bort. Att åstadkomma detta kräver att en speciell talföljd — baserad på en uråldrig ”grekisk stege”-sekvens — kodas in i hålens arrangemang. Mönstret optimeras med en datoralgoritm som behandlar varje möjlig layout som ett ”kromosom” och successivt förbättrar den tills önskat trefläcksfokus uppnås.

Bygga och testa den ultratunna delaren

För att förverkliga designen tillverkade teamet ett fotonsikt-delare ungefär 0,8 millimeter i diameter på en mycket tunn kiselnitridfilm, med mikrotillverkningstekniker liknande dem som används vid chipframställning. Ungefär hälften av membranet är öppna hål, vilket håller tillverkningen relativt enkel men också begränsar hur effektivt det omdirigerar ljuset. Delaren testades sedan med en 46,9 nanometer extrem-ultraviolett laser som levererar mycket korta, intensiva pulser. Ett plastmaterial kallat PMMA användes som inspelningsplatta: inkommande ljus ändrar subtilt dess yta, och efter bearbetning avslöjar ytformen direkt var ljuset var som mest intensivt. Genom att mekaniskt skanna denna platta längs strålens riktning och undersöka den med mikroskop kunde forskarna se hur de fokuserade fläckarna ändrade storlek och position nära varje fokusplan.

Kontroll att fokuset stämmer med designen

De råa bilderna av de små kratrarna och utbuktningarna i PMMA visade att de tre fokala fläckarna uppträdde som avsett: när inspelningsplattan förflyttades genom strålen krympte fläckarna till en minimal storlek vid ett enda fokusplan och vid ett andra plan med två fläckar. För att mäta detta mer precist använde teamet atomkraftmikroskopi för att kartlägga ytan i detalj och tillämpade sedan en numerisk ”autofokus”-procedur. Genom att digitalt propagera de uppmätta mönstren fram och tillbaka i rummet med kända diffraktionsformler kunde de hitta de avstånd där fläckarna blev skarpast. De uppmätta fläckstorlekarna var bara några hundra miljarder meter i tvärsnitt och stämde väl överens med teoretiska förutsägelser, vilket bekräftar att delaren gav rätt fokuspositioner och intensiteter trots små experimentella imperfektioner.

Varför detta spelar roll för framtida avbildningsverktyg

Genom att visa att en enda, platt, perforerad membran pålitligt kan dela extrem-ultraviolett ljus i flera fokala fläckar vid olika djup, ger detta arbete en ny byggsten för avancerade avbildnings- och mätsystem. En sådan delare skulle låta forskare fånga flera diffraktionsmönster i en enda exponering, eller jämföra något olika fokusplan utan att flytta skrymmande optik — vilket är värdefullt för tekniker som koherent diffraktionsavbildning, faz-diversitet och interferometri. I vardagliga termer är det som en pappers-tunn ”ljus-switchover” som kan skicka en kraftfull, svårhanterlig stråle in i flera precisa kanaler samtidigt. Denna förmåga kan hjälpa till att pressa gränserna för hur fint vi kan se och mäta strukturer i de små världar som ligger till grund för modern teknik.

Citering: 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

Nyckelord: extrem-ultraviolettoptik, fotonsikt, multifokalt stråldelning, diffraktiv avbildning, mjuk röntgenfokusering