一种基于无透镜成像的新方法可以实现近乎完美的高分辨率显微镜观察

圆环状光束从具有规则重复结构的物体上反弹产生的散射图案。资料来源：Wang 等人，2023 年，"Optica"（光学）。

功能最强大的无透镜成像技术被称为"层析成像"，其工作原理是用类似激光的光束扫描样品，收集散射光，然后利用计算机算法重建样品图像。

虽然层析成像技术可以观察到许多纳米结构，但这种特殊的显微镜在分析具有非常规则的重复图案的样品时会遇到困难。这是因为在扫描周期性样品时，散射光不会发生变化，因此计算机算法会感到困惑，无法重建良好的图像。

面对这一挑战，刚刚毕业的博士研究员王斌和内森-布鲁克斯与 JILA 研究员 Margaret Murnane 和 Henry Kapteyn 合作，开发出一种新方法，利用具有特殊涡旋或甜甜圈形状的短波长光来扫描这些重复表面，从而产生更多不同的衍射图样。这使得研究人员能够利用这种新方法捕捉到高保真的图像重建，他们最近在《光学》（Optica）杂志上发表了这篇论文。这项成果还将在《Optica》杂志的《光学与光子学新闻》（Opticsand Photonics News）2023 年光学 年度要闻中重点介绍。

这种新的成像方法对于纳米电子学、光子学和超材料的应用尤其具有影响力。Murnane 解释说："将可见激光束结构化（或改变其形状）为甜甜圈和其他形状的能力彻底改变了可见光超分辨率显微镜技术。现在，我们有了将这些强大功能应用到更短波长的途径，这非常令人兴奋"。

雕刻涡形高次谐波束

为了在台式装置中产生类似激光的短波长光束，JILA 小组使用了一种称为高次谐波发生（HHG）的过程。当超高速激光脉冲击中一个原子时，高次谐波发生器会将一个电子拉走，然后将其驱回母体原子重新结合。原子在接触时，会将电子的动能转化为极紫外（EUV）光。如果数以百万计的原子都同步发出极紫外光，那么这些光波就会产生类似激光的明亮极紫外光束。

为了给重复图案成像，JILA 的研究人员需要找到一种改变 HHG 光束的方法，这样当 EUV 光束在样品上扫描时，散射光就会发生变化。为了达到这一效果，研究人员将 HHG 光束从圆盘状转变为涡旋状或甜甜圈状，这就是所谓的轨道角动量（OAM）光束。这种不同的形状对于实现周期性样品的无透镜成像至关重要。

当科学家们用漩涡状的 HHG 光束照射显微镜时（见附图），会产生更复杂的散射图案，这些图案会随着样品的扫描而变化。这些变化编码了样品重复图案的信息，使算法能够提取精确的图像。

除了这一令人兴奋的结果之外，与扫描电子显微镜相比，这种新型涡流束无透镜成像技术对脆弱样品的损伤也更小。由于许多软性材料、塑料和生物样本都很脆弱，因此有一种精确而温和的方法来对它们进行成像是非常关键的。

此外，涡流束无透镜成像比扫描电子显微镜更能检测出纳米图案中的缺陷，因为扫描电子显微镜往往会融化脆弱的样品。

对于为下一代纳米、能源、光子和量子设备制造图案化材料的科学家来说，这一进步能够在不破坏高周期结构的情况下对其进行高分辨率成像。正如 Kapteyn 所说："未来，这也有可能以高空间分辨率对微妙的活细胞进行成像"。

编译自:ScitechDaily