為了研究微小電子或光子元件中的奈米級圖案，一種基於無透鏡成像的新方法可以實現近乎完美的高解析度顯微鏡觀察。這在波長短於紫外線的情況下尤其重要，因為紫外線的成像空間解析度高於可見光，但成像光學元件並不完善。

圓環狀光束從具有規則重複結構的物體上反彈產生的散射圖案。資料來源：Wang 等人，2023 年，”Optica”（光學）。

功能最強大的無透鏡成像技術稱為”層析成像”，其工作原理是用類似雷射的光束掃描樣品，收集散射光，然後利用電腦演算法重建樣品影像。

雖然層析成像技術可以觀察到許多奈米結構，但這種特殊的顯微鏡在分析具有非常規則的重複圖案的樣品時會遇到困難。這是因為在掃描週期性樣品時，散射光不會發生變化，因此電腦演算法會感到困惑，無法重建良好的影像。

面對這項挑戰，剛畢業的博士研究員王斌和內森-布魯克斯與JILA 研究員Margaret Murnane 和Henry Kapteyn 合作，開發出一種新方法，利用具有特殊渦旋或甜甜圈形狀的短波長光來掃描這些重複表面，從而產生更多不同的衍射圖樣。這使得研究人員能夠利用這種新方法捕捉到高保真的圖像重建，他們最近在《光學》（Optica）雜誌上發表了這篇論文。這項成果也將在《Optica》雜誌的《光學與光子學新聞》（Opticsand Photonics News）2023 年光學年度要聞中重點介紹。

這種新的成像方法對於奈米電子學、光子學和超材料的應用尤其具有影響力。Murnane 解釋說：”將可見雷射光束結構化（或改變其形狀）為甜甜圈和其他形狀的能力徹底改變了可見光超分辨率顯微鏡技術。現在，我們有了將這些強大功能應用到更短波長的途徑，這非常令人興奮”。

雕刻渦形高次諧波束

為了在桌上型裝置中產生類似雷射的短波長光束，JILA 小組使用了一種稱為高次諧波發生（HHG）的過程。當超高速雷射脈衝擊中一個原子時，高次諧波產生器會將一個電子拉走，然後將其驅回母體原子重新結合。原子在接觸時，會將電子的動能轉換為極紫外線（EUV）光。如果數以百萬計的原子都同步發出極紫外光，那麼這些光波就會產生類似雷射的明亮極紫外光束。

為了給重複圖案成像，JILA 的研究人員需要找到一種改變HHG 光束的方法，這樣當EUV 光束在樣品上掃描時，散射光就會改變。為了達到這一效果，研究人員將HHG 光束從圓盤狀轉變為渦旋狀或甜甜圈狀，這就是所謂的軌道角動量（OAM）光束。這種不同的形狀對於實現週期性樣品的無透鏡成像至關重要。

當科學家用漩渦狀的HHG 光束照射顯微鏡時（​​見附圖），會產生更複雜的散射圖案，這些圖案會隨著樣品的掃描而改變。這些變化編碼了樣品重複圖案的訊息，使演算法能夠提取精確的圖像。

除了這令人興奮的結果之外，與掃描電子顯微鏡相比，這種新型渦流束無透鏡成像技術對脆弱樣本的損傷也更小。由於許多軟性材料、塑膠和生物樣本都很脆弱，因此有一種精確而溫和的方法來對它們進行成像是非常關鍵的。

此外，渦流束無透鏡成像比掃描電子顯微鏡更能檢測出奈米圖案中的缺陷，因為掃描電子顯微鏡往往會融化脆弱的樣品。

對於為下一代奈米、能源、光子和量子設備製造圖案化材料的科學家來說，這項進步能夠在不破壞高週期結構的情況下對其進行高解析度成像。正如Kapteyn 所說：”未來，這也有可能以高空間分辨率對微妙的活細胞進行成像”。

編譯自: ScitechDaily