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图1 改进型费马螺旋光子筛产生分束的EUV聚焦涡旋光场。
1. 导读
携带轨道角动量（OAM）的涡旋光场在粒子操纵、超分辨率成像和量子光通信等领域有着巨大的应用潜力。这种涡旋光束可以在红外和可见光波段灵活地产生、测量和操纵，使其成为控制光与物质相互作用或阐明物理学中电子动力学的重要工具。近年来，通过高次谐波、同步加速辐射和自由电子激光器产生EUV涡旋光束的最新进展，为在原子尺度上监测和操纵光与物质相互作用的OAM开辟了可能性。然而，受限于大多数光学材料对EUV波段的强烈吸收作用，导致用于波前整形的光学器件匮乏，如空间光调制器或任何透射元件，这种限制阻碍了在EUV波段中赋予OAM应用的能力。针对在EUV波段结构光场调控具有较大的挑战性这一难题，近日上海理工大学詹其文教授团队联合上海光机所张军勇团队和哈尔滨工业大学赵永蓬团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了利用改进型费马螺旋光子筛同时产生两个具有相反螺旋相位的聚焦涡旋光束。该方法具有普适性，通过改变光子筛的结构来控制拓扑电荷和旋转方向。为了证明该方法的可行性，研究人员在46.9nm的光源下进行了一系列实验验证，并通过自参考干涉术进一步检测出分裂涡旋光束螺旋相位的旋转方向。这项工作不仅为EUV辐射中的OAM驱动应用开辟了新的前景，也为基于分束器件的EUV全息技术的研究铺平了道路。2. 研究背景
EUV拥有超短的波长和大量元素的吸收边，是研究纳米级光刻技术必不可少的工具，同时也是超快光谱学和阿秒科学的基础。携带OAM的光场为光刻技术、量子光学和微粒操纵等领域的应用提供了强大的能力，因此，在EUV和其他短波长下生成和操纵OAM是一个活跃的研究领域，它将成熟的可见光整形器件与EUV辐射的联系开辟了一条重要通道。然而，在现实世界中，几乎所有的材料对EUV都存在强烈的吸收作用，光学段常规的透镜或其它折射元器件无法直接应用于这一波段。迄今为止，EUV波段的聚焦光学元件仅限于掠入射式反射元件或衍射菲涅耳波带片（FZP），因此，产生并调控复杂结构的EUV聚焦光场具有更大的难度和挑战性，以至于研究人员目前主要集中在如何实现EUV波段的有效聚焦上。最近，哈佛大学Federico
Capasso教授等人在《科学》杂志上发表了使用金属超透镜聚焦EUV光场的文章，该方法通过构建阵列超表面的多孔结构，改变EUV光的传输相位特性，使其聚焦到一个光斑上。然而，这种具有超高深宽比的结构只能通过最先进的电子束蚀刻来实现，工艺难度极大。最近我们证明了自进化光子筛可以有效地用于聚焦和整形EUV光，这为控制和整形短波长的复杂聚焦光束开辟了一条途径。这里我们提出了一种不同的策略，通过设计费马螺旋光子筛结构来实现EUV涡旋分束器这一概念，以在EUV辐射中产生具有纳米级焦斑的结构聚焦涡旋光束。3. 创新研究
针对上述挑战，研究人员从费马螺旋光子筛结构出发，提出了一套普适的产生极紫外分束涡旋聚焦光束并测量的新方法。基于改进型费马螺旋光子筛,采用遗传全局优化算法，研究者设计出能够产生分束涡旋光束的EUV器件。作为这一新概念的首次演示，本文选取拓扑荷值为1，但螺旋方向相反的两束EUV聚焦涡旋光束作为证明。该涡旋光束分束器的示意图如图2所示，对应的仿真结果如图2（b-c）所示，正如预期的那样，两个聚焦涡旋沿着光传播出现环形强度分布，这是它们携带OAM结构特征的标志。对于相位，两个聚焦涡旋具有相同的拓扑电荷和不同的螺旋方向。理论上，所提出的方法可以提供OAM选择性，使我们能够在EUV区域实现不同的OAM值（包括拓扑电荷和扭曲方向），用于光束整形和聚焦。所加工的光子筛器件的扫描电子显微镜（SEM）图像如图2（d-e）所示。![]()
图2 基于改进的费马螺旋光子筛产生分束EUV涡旋的示意图。（a） 分束涡旋光束示意图；（b），（c）拓扑电荷l1=1和l2=-1的两个聚焦涡旋光束的强度和相位分布；（d）该光子筛EUV分束器件的扫描电子显微镜图像；（e） 局部放大的SEM图片。
为了证明该方法的有效性和可行性，研究人员进行了一系列EUV实验。实验光路如图3（a）所示，EUV光源为基于毛细管放电的激光器，选取波长为46.9nm的单次谐波阶数。激光输出被准直，然后照射到该光子筛涡旋分束器上，产生一阶衍射光束，分别是携带l=+1和l=-1的聚焦OAM光场。这两个涡旋光束在时间上同步重叠，但在空间上完全分离。产生的分束聚焦涡旋光束真空室中传输，然后进行检测和分析，这里，采用PMMA作为焦平面的记录介质。聚焦双涡旋的扫描原始SEM图像如图3（b）所示。它们的空间强度分布相似，中心暗核宽度相等，约为900nm，这表明双涡旋的拓扑电荷的绝对值相等。此外，我们还进一步通过干涉实验证明了两束涡旋光束具有不同的螺旋方向。![]()
图3 EUV涡旋分束实验。（a） 实验装置图；（b） 两束聚焦涡旋光束的SEM图像分布；（c） 双涡旋的强度曲线分布（OAM光束1-红色实线和OAM波束2-蓝色实线）。
4. 应用与展望
在这篇文章中，我们提出了一种利用改进型费马螺旋光子筛用于产生和调控EUV涡旋光束的普适方法，该方法通过设计光子筛中小孔结构的空间分布以此来改变涡旋光束的拓扑荷值和旋转方向。在实验上我们首次证明了EUV波段下的涡旋分束器件的实现，即同时产生两束具有相等OAM值但螺旋相位相反的涡旋光束。本研究为产生EUV波段下的分裂涡旋光束提供了一种突破性的方法，后续可将分束涡旋光束通过光阱干涉作为光镊，发挥其短波长的优势能够在原子尺度上操纵细胞结构，这在EUV光镊的纳米级操纵中具有重大的潜在应用。此外，我们还演示了使用全息干涉来检测具有特定拓扑电荷的OAM光束，为EUV辐射的通用操纵光学器件（如全息干涉所需的分束器件）的研究提供了技术支撑。该研究成果以“Vortex bifocusing of extreme ultraviolet using
modified Fermat-spiral photon-sieve splitter”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者分别是Yuanyuan
Liu, Huaiyu Cui, Yujie Shen, Yongpeng Zhao, Shumin Yang, Gangwei Wang, Xin
Tong, Junyong Zhang and Qiwen Zhan，其中前二位作者为共同第一作者，Junyong
Zhang和Qiwen
Zhan教授为共同通讯作者。詹其文教授团队隶属于上海理工大学光电学院。
