前沿 | 基于费马螺旋光子筛的EUV波段结构涡旋聚焦

研究背景

      短波光源的发展，特别是极紫外光(EUV)领域，为材料科学、阿秒光谱技术、光刻和高分辨率成像提供了强大的新能力。先进短波光源的开发和应用要求光学元件产生和操纵具有可控特性的结构光场。涡旋光作为一种具有轨道角动量(OAM)的结构光场，在粒子操纵、超分辨率成像和量子光通信等领域具有广泛的应用前景。这种涡旋光场可以用红外和可见光灵活地产生、测量和操纵，使其成为控制光-物质相互作用或阐明物理电子动力学的工具。

      近年来，通过高次谐波、同步加速器辐射和自由电子激光器产生极紫外光涡旋光束的研究取得了进展。因此，在极紫外光和其他短波长波段产生和操纵OAM是一个活跃的研究领域，它为将成熟的可见光整形设备与极紫外光辐射联系起来开辟了一条重要的渠道，提高在原子尺度上光学操纵光-物质相互作用的能力。然而，众所周知，大多数光学材料对EUV波段的强吸收阻碍了短波结构涡旋聚焦光场的产生，而自支撑结构的费马螺旋光子筛为实现这一目标提供了可能性。

论文导读

      2001年光子筛的出现，为短波聚焦提供了不同于波带片的器件选择。相比环数有限的波带片，数以百万、亿计的小孔为光子筛的设计提供了近乎无限的调控自由度。同古希腊梯子光子筛的分束机理类似，原理上各类螺旋线都可以产生相似的涡旋光场，如阿基米德螺旋、斐波那契螺旋、费马螺旋、等角螺旋等。基于这一指导，本研究将遗传算法引入费马螺旋光子筛的优化设计中，设计出了用于EUV复杂涡旋聚焦的异形费马螺旋光子筛，在气体放电等离子体（DPP）极紫外激光实验光路上成功获得衍射极限的结构涡旋聚焦光斑，用相干衍射成像复原了结构涡旋聚焦光斑的相位信息。本研究以Producing Focused Extreme Ultraviolet Vortex with Fermat-spiral Photon Sieves为题目于2024年4月25日发表于 PhotoniX 期刊。

主要研究内容

      材料在EUV和软X射线波段具有强吸收，在硬X射线波段具有强穿透，菲涅耳波带片是目前唯一可用的透射式短波聚焦成像器件，但镂空的波带片并非天然的自支撑结构，自支撑光子筛的出现极大弥补了波带片这一缺陷。在本项工作中，我们介绍了费马螺旋光子筛的设计、制作和实验过程，成功实现了EUV的聚焦涡旋，实验结果与理论结果吻合。本文将遗传算法引入螺旋光子筛优化算法中，设计出了复杂涡旋聚焦光斑，在波长46.9nm极紫外激光实验中不仅实现了拓扑+1和-3的标准涡旋聚焦光斑（半值全宽260nm和742nm），而且获得了拓扑-1宽度467nm的结构涡旋聚焦光斑，最后利用多平面相干衍射成像重构出了具有不同拓扑电荷的聚焦涡旋的相位分布，即成功还原了其中心螺旋相位结构。极紫外相干光场调控器件的出现为短波分束相干衍射成像和干涉传感提供了新的发展空间。

技术突破

      基于费马螺旋光子筛的EUV OAM聚焦示意图如图1所示，本工作中我们将遗传算法引入到直径290um焦距2.5mm费马螺旋光子筛的优化设计中，得到了结构涡旋聚焦光斑，它由外围的花瓣光斑和内圈的中空光斑组成。

      在实验过程中，普通的球面透镜聚焦，在焦面前后对称位置上的衍射图相同，因此无法辨别探测器究竟是焦前还是焦后记录。相比之下，异形费马螺旋光子筛产生的结构涡旋聚焦光斑的离焦衍射图打破了对称性，利用离焦衍射图的单调变化这一特征很容易判别探测器的离焦情况，这为纳米精度的长度测量提供了一个新选项。为了利用多平面相干衍射成像技术确定结构涡旋聚焦光斑的相位信息，首要解决的是要获得记录焦斑的真实位置（运动平移台的记录值仅供参考）。为此，先通过仿真获得210幅不同离焦位置的衍射图，从焦前40um到焦后40um等距采样。将记录的聚焦光斑每次先随机抖动若干像素，再依次与仿真的210幅离焦衍射图进行相关运算，相关曲线的峰值所对应的离焦距离即为真实的记录位置，如图2d所示。记录距离一旦确定，基于多平面相干衍射成像就可以重构出聚焦光斑的相位信息，如图2f所示，显然这是一个结构涡旋聚焦光斑。实验中获得宽度467nm的结构涡旋聚焦光斑，其对应的理论值为428nm。

      在这项工作中，我们探究了费马螺旋光子筛用于实现不同拓扑荷值的涡旋光场聚焦，该项成果证明了光子筛可用于EUV波段下的光场调控和聚焦。此外，与菲涅尔波带片相比，光子筛还有其他几个明显的优势：1. 光子筛可以克服菲涅尔波带片中由区域最外宽度决定空间分辨率的限制；2. 与单焦菲涅尔波带片相比，光子筛的设计自由度更高，数十万个针孔可具有不同的尺寸、形状和位置坐标，可实现更复杂的结构焦点，如多焦点阵列等，可用于干涉测量和在EUV和软X射线区域的衍射；3. 基于自支撑结构的光子筛更容易制作和加工。

观点评述

      相比于光学段经典的分束相干衍射成像和干涉传感，由于缺乏短波功能性器件而严重阻碍了光学技术在短波领域的拓展。与波带片比较，自支撑的异形光子筛因为天然的镂空结构特性，特别适用于EUV和软X射线的相干光聚焦与分束调控。EUV相干激光的衍射极限涡旋聚焦实验充分证明了光子筛在短波领域的应用可行性，为涡旋光在EUV波段的应用开辟了一条新路径。此外，我们也相信，随着不同种类不同功能的异形光子筛的出现，能够极大促进极紫外到X射线波段高精度波前传感与超分辨成像技术的发展。

主要作者

      张军勇（共同一作，共同通讯作者），中国科学院上海光学精密机械研究所副研究员，研究方向为异形光子筛设计及其应用。提出了古希腊梯子光子筛、广义斐波那契光子筛、剪切干涉光子筛、费马螺旋光子筛、移相分束光子筛等，实现了光子筛的自干涉波前传感、相干衍射成像和EUV到X射线波段的分束调控。先后承担有国家自然科学基金、中国科学院青年人才项目、中国科学院战略性先导科技专项等，研究成果在APL Photonics, Scientific Reports, Applied Physics Letters, Optics Letters, Optics Express, Optics and Laser Technology, Optics and Lasers in Engineering等期刊发表论文60余篇，授权发明专利10余项。

      崔怀愈（共同一作），哈尔滨工业大学航天学院副教授，黑龙江省高层次人才。研究方向为极紫外激光及其应用。以主要作者在Scientific Reports、APL Photonics、Applied Surface Science、Optics and Laser Technology等期刊发表论文20余篇。

      刘远远（共同一作），上海理工大学光电信息与计算机工程学院讲师，研究方向包括相干衍射成像,、相位恢复技术、波前整形与光场调控等，在Optics Express、Optics Letters、Optics and Lasers in Engineering 、Photonics Research等期刊发表论文10余篇。

      詹其文（共同通讯作者），上海理工大学光电信息与计算机工程学院教授。1996年获中国科学技术大学物理学士，2002年获美国明尼苏达大学电子工程博士，同年获得美国五大光学中心之一的代顿大学电子光学系教职，历任助理教授（2002年），终身制副教授（2008年），终身制教授（2012年），创立代顿大学纳米电子光学实验室（Nano Electro-Optics Laboratories），创立并担任美国代顿大学Fraunhofer研究中心主任。现任上海理工大学纳米光子学杰出教授，上海市纳米光子学重点建设创新团队负责人。在Nature Photonics等重要国际学术期刊发表论文300余篇，文章引用超过14000次，单篇最高引用>2900次，研究工作三次入选全球光学年度重大进展（2010，2020， 2022）；两次入选中国光学年度10大进展（2020，2022）。现任PhotoniX副主编、Science Bulletin副主编、中国光学学会理事；由于在光场调控及微纳米光子学领域的开创性工作，分别于2012年和2013年获选国际光电学会（SPIE）Fellow和美国光学学会（OPTICA）Fellow。

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