科罗拉多大学博尔德分校的研究人员在《光学》（Optica）杂志上发表的一项新研究中，利用“甜甜圈”形状的光束拍摄到了传统显微镜无法观察到的微小物体的细节图像。

这项新技术可以帮助科学家改进一系列 "纳米电子学 "的内部结构，包括计算机芯片中的微型半导体。光学与光子学新闻》（Optics & Photonics News）特刊也重点报道了这一发现。

这项研究是叠层成像术领域的最新进展。"ptychography "（叠层成像术）是一种功能强大的技术，用于观察非常小的物体。与传统的显微镜不同，叠层成像术工具并不直接观察小物体。相反，它们用激光照射目标，然后测量光如何散射--这有点像在墙上制作皮影戏的微观效果。

该研究的资深作者、物理学特聘教授、科罗拉多大学博尔德分校（CU Boulder）和美国国家标准与技术研究院（NIST）的联合研究机构 JILA 的研究员Margaret Murnane说：到目前为止，这种方法的效果非常好，但有一个重大例外。直到最近，对于高度周期性的样品或具有有规律重复图案的物体，它都完全失效了。这是一个问题，因为其中包括很多纳米电子器件。她继续指出：许多重要技术，如某些半导体，都是由硅或碳等原子以网格或网状等规则模式连接在一起构成的。迄今为止，科学家们还很难使用层析成像技术近距离观察这些结构。

高周期结构的强大可靠的叠层成像。(a) 利用传统高斯-HHG 照明对周期性结构进行 HHG 层析成像的示意图。由此产生的衍射阶是孤立的（见放大的绿色圆圈），白色圆圈表示每个衍射阶的边缘。这导致在远场衍射中完全丢失了阶次之间的相对相位信息，从而导致 (b) 中的叠层重建失败。(c) OAM-HHG 照明本身具有较大的光源发散和环形强度曲线，支持衍射阶次之间的重叠和干涉（见放大的蓝色圆圈），其中黄色圆圈表示每个衍射阶次的边缘。这种干涉将衍射阶次之间的相对相位转化为可测量的强度调制，从而快速、稳定地重建（d）中的二维周期结构。在（b）、（d）中，复值振幅和相位分别绘制为亮度和色调。资料来源：Bin Wang 等人，《High-fidelity ptychographic imaging of highly periodic structures enabled by vortex high harmonic beams》，Optica (2023)。

不过，在这项新研究中，Murnane和她的同事们想出了一个解决方案。他们没有在显微镜中使用传统的激光，而是产生了“甜甜圈”形状的极紫外线光束。研究小组的新方法可以收集到微小而精致结构的精确图像，这些结构的尺寸大约在 10 到 100 nm之间，比一英寸的百万分之一还要小很多倍。未来，研究人员有望放大观察更小的结构。在此过程中，“甜甜圈”光束或光学角动量光束也不会伤害到微小的电子元件，而现有的一些成像工具，如电子显微镜，有时会伤害到电子元件。Murnane说：未来，这种方法可用于检测用于制造和打印半导体的聚合物是否存在缺陷，而不会在此过程中破坏这些结构。

挑战显微镜的极限

Murnane 说：这项研究突破了显微镜的基本极限：由于光的物理学原理，使用透镜的成像工具只能看到约200nm的世界。这还不够精确，无法捕捉到许多感染人类的病毒。科学家们可以冷冻并杀死病毒，用功能强大的冷冻电子显微镜来观察它们，但还不能实时捕捉这些病原体的活动。2000 年代中期开创的叠层成像术可以帮助研究人员突破这一限制。
要了解其原理，请回到那些皮影戏。想象一下，科学家们想要收集一个非常小的结构的叠层图像，也许是拼写 "CU "的字母。为此，他们首先用激光束照射字母，对其进行多次扫描。当光线照射到 "C "和 "U"（在本例中为皮影人的角色）时，光束会分离散射，产生复杂的图案（阴影）。科学家利用灵敏的探测器记录下这些图案，然后用一系列数学公式进行分析。Murnane 解释说：只要有足够的时间，他们就能完全根据皮影人投射出的阴影重现皮影人的形状。

Murnane说：我们不使用镜头来获取图像，而是使用算法。她和她的同事以前曾用这种方法观察过字母或恒星等亚显微形状。但这种方法对硅或碳网格等重复结构不起作用。举例来说，如果用一束规则的激光照射具有这种规则性的半导体，通常会产生一种均匀得令人难以置信的散射图案--叠层成像算法很难理解那些没有太多变化的图案。近十年来，这个问题一直困扰着物理学家。

“甜甜圈”显微镜
不过，在这项新研究中，Murnane 和她的同事们决定尝试一些不同的方法。他们没有使用规则激光制作皮影戏。相反，他们产生了一束极紫外光，然后利用一种叫做螺旋相位板的装置将这些光束扭曲成螺旋状，即漩涡状。(当这样的漩涡光照射在一个平面上时，就会形成像甜甜圈一样的形状）。研究小组发现，当这类光束在重复结构上反弹时，它们会产生比规则激光复杂得多的皮影戏。为了测试这种新方法，研究人员创建了一个碳原子网，在其中一个环节上有一个微小的缺口。该研究小组能够精确地发现这一缺陷，而这是在其他叠层成像工具中无法看到的。Murnane说：如果你试图用扫描电子显微镜对同样的东西进行成像，你会进一步破坏它。

使用 OAM-HHG 极紫外光束的极紫外叠层成像显微镜，用于对高周期结构进行成像。螺旋相位板（波长为 395 nm 时 ℓ=1）将波长为 395 nm 的驱动激光转换为 OAM 光束，然后将其聚焦到半无限气体池中，产生波长为 56 nm、OAM 电荷为 ℓ=7 的近单色七次谐波光束。双环形镜聚焦系统将 OAM-HHG 光束聚焦到二维周期性样品上，并使用 EUV-CCD 摄像机记录远场衍射图样。Bin Wang 等人，《High-fidelity ptychographic imaging of highly periodic structures enabled by vortex high harmonic beams》，Optica (2023)。

与低发散高斯-HHG 光束相比，高发散 OAM-HHG 光束能产生更高质量的周期结构平片图像。研究了三种不同周期和形状的测试样品，即周期为 9 µm 的方形孔、周期为 4.5 µm 的圆形孔和周期为 3 µm 的圆形孔。对于高斯-HHG 光束，三个测试样品的衍射图样示例如图（a）-（c）所示，相应的叠层成像重建图像如图（d）-（f）所示。来自 OAM-HHG 光束的衍射图样和层析图像示例如 (g)-(i) 和 (j)-(l) 所示。(d)-(f)、(j)-(l)中的复值图像以复值表示法绘制，其中振幅和相位分别以亮度和色调表示。Bin Wang 等人，《High-fidelity ptychographic imaging of highly periodic structures enabled by vortex high harmonic beams》，Optica (2023)。

利用 OAM-HHG 光束提高对周期性结构中纳米级缺陷的灵敏度。(a)-(c) 在不同条件下对二维正方形周期结构（周期为 9 µm，纳米级缺陷的尺寸为 ∼ 300nm）进行叠层成像重建的振幅图像：(a) 双 HDR 的 OAM-HHG 光束（0. 1 s和 1 s曝光时间），(b) 与使用双 HDR 的 OAM-HHG 光束（0.1 s和 1 s曝光时间）曝光时间相等的高斯-HHG 光束，以及 (c) 与使用三 HDR 的 OAM-HHG 光束（0.1 s、1 s和 3 s曝光时间）曝光光子数量大致相等的高斯-HHG 光束。红色箭头表示薄碳条中的纳米缺陷。 (d) (a)-(c)中方框内含有纳米缺陷（红色箭头表示）的薄碳条的叠层成像重建透射剖面图。透射剖面是垂直方向的平均值。红色箭头表示纳米缺陷。(e) 同一样品区域的 SEM 图像显示了 300 nm宽的缺陷。顶部和底部边缘的亮区是由于高能电子束（3 keV）造成的样品损坏。Bin Wang 等人，《High-fidelity ptychographic imaging of highly periodic structures enabled by vortex high harmonic beams》，Optica (2023)。

她的团队希望能让他们的甜甜圈策略更加精确，让他们能够观察更小、更脆弱的物体--包括有朝一日观察活的生物细胞的运作。

更多信息： Bin Wang 等人，《High-fidelity ptychographic imaging of highly periodic structures enabled by vortex high harmonic beams》，Optica (2023)。