各向异性多平面焦点光子筛分束器：从极紫外到软X射线

用新光学把戏观察微小世界

我们的现代世界依赖于能够描绘和检查比灰尘颗粒小得多的结构的技术，从集成电路到先进材料。为此，科学家使用波长极短的光——处于极紫外和软X射线范围——来揭示可见光无法呈现的细节。但塑造和分离这种光非常困难，因为大多数材料会吸收它，而不是像处理可见光那样清晰地折射或反射。本文介绍了一种新型超薄光学器件，它能够将此类光分离并聚焦到不同深度的多个焦点上，为更清晰的成像和巧妙的新测量技术打开了大门。

一种新型微小光筛

研究人员没有使用传统透镜或反射镜，而是依赖一种称为光子筛的概念——在薄膜上钻有成千上万个精确布置的微小孔。当光通过这些孔的模式时，会被衍射而弯曲，从而可以实现聚焦，有点类似透镜但不需要厚玻璃。光子筛对极紫外和软X射线尤其有吸引力，因为在这些波长范围内常规光学元件往往失效，材料会吸收过多能量。通过改变孔的位置和尺寸，研究者可以以复杂方式塑造光场，使光子筛成为在这一苛刻波段中替代传统光学的强有力工具。

在深度上分离光，而不仅仅是横向分裂

这项工作的主要创新是一种作者称之为各向异性多平面焦点光子筛分束器的器件。简单来说，它是一种设计为产生三个独立明亮光斑的光子筛，这些光斑不仅彼此分离，而且位于沿光束方向的两个不同焦平面上。一个光斑位于单一焦平面上，而另两个光斑成对出现在更远处的第二个平面上。要实现这一点，需要在孔的排列中编码一种特殊的数字模式——基于古老的“希腊阶梯”序列。该模式通过计算机算法优化，算法将每一种可能的布局视为“染色体”，并逐步改进直到达到期望的三点聚焦行为。

制造并测试超薄分束器

为了将设计变为现实，团队在非常薄的氮化硅膜上制造了直径约0.8毫米的光子筛分束器，采用与芯片制造相似的微加工技术。大约一半的膜区域是开孔，这使制造相对简单，但也限制了其引导光的效率。然后，研究人员用波长46.9纳米的极紫外激光对分束器进行了测试，该激光发出极短且强烈的脉冲。以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等塑料材料作为记录板：入射光会微弱改变其表面，经处理后，表面形貌直接揭示光的最强位置。通过沿光束方向机械扫描该记录板并用显微镜查看，研究者可以观察到每个焦平面附近聚焦点的尺寸和位置如何变化。

验证焦点是否符合设计

PMMA上的微小坑洞和隆起的原始图像表明三个焦点如预期般工作：当记录板穿过光束时，光斑在单一焦平面和包含两点的第二焦平面处缩小到最小尺寸。为更精确地测量，团队使用原子力显微镜详细绘制表面，然后应用数值“自动对焦”程序。通过使用已知的衍射公式在空间上对测得的图样进行数字传播，他们能够找到光斑最清晰时的距离。得到的光斑尺寸仅为几百纳米级（即几百亿分之一米），并且与理论预测高度一致，证实尽管存在小的实验不完美，该分束器仍能产生正确的焦点位置和强度。

对未来成像工具的意义

该工作展示了一块单一、平坦且穿孔的薄膜能够可靠地将极紫外光分离成位于不同深度的多个聚焦点，为先进成像和测量系统提供了新的构建模块。这样的分束器可以让科学家在一次曝光中捕获多个衍射图样，或在不移动笨重光学元件的情况下比较略有不同的焦平面，这对相干衍射成像、相位多样性和干涉测量等技术非常有价值。用通俗的话说，这就像拥有一块纸片厚的“光学配线板”，能够将一束强大且难以处理的光同时送入几个精确通道。这种能力可能推动我们在微观世界中观察和测量结构的极限，进而促进支撑现代技术的基础研究和应用发展。

引用: 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

关键词: 极紫外光学, 光子筛, 多焦点光束分离, 衍射成像, 软X射线聚焦