首次EUV超透镜突破登上Science，greateyes CCD完成关键探测

图1 用于测试EUV超透镜的HHG-高次谐波腔体及用于光谱和光斑检测的greateyes极紫外CCD相机实物图

图2

极紫外( Extreme Ultraviolet) 是处于真空紫外与软 X 射线之间，波长在几纳米至几十纳米的一个特殊波段。由于在极紫外波段存在着大量的原子共振线，因此对于所有的固体，液体及气体都会对极紫外光有较强的吸收。入射光会在很短的距离被吸收，典型的吸收长度为百纳米量级（100nm@水），所以无法制作像针对可见光一样的折射透镜。在之前的文章《隐藏在德国Jena的小巨人：optiX fab.》文章我们介绍了使用基于多层膜多次反射的干涉相长，抑或在文章《以创新为先导，聚焦EUV极紫外/X射线光学器件的研发- 捷克RITE》中基于单层金属膜在掠入射下的全反射，或者在文章《EUV tech发布HVM级、极紫外波带片显微系统- AIRES》中的基于菲涅尔波带片的衍射原理，都可以实现对于极紫外光束的有效调制。

2011年来自美国哈佛大学的Federico Capasso 团队在发表于Science杂志的文章《Light Propagation with Phase Discontinuities: Generalized Laws of Reflection and Refraction》中提出了“超表面”的概念，开辟了通过亚波长结构调控光场的新方向。2016 年，基于超表面概念，Federico Capasso 教授团队发明了首个超透镜（Metalenses），展示了首个在可见光范围内有效工作的超透镜。

超透镜（Metalenses）又称超构透镜。是一种二维平面透镜结构，是由超表面（具有亚波长厚度的平面二维 (2D) 超材料）聚焦光的光学元件制成。相比传统透镜，超透镜拥有体积更薄、重量更轻、成本更低、成像更好、更易集成的优点，为紧凑集成的光学系统提供了潜在的解决方案。接下来我们将探究一下研究人员如何将超透镜推向极紫外领域。

图3 Extreme ultraviolet metalens by vacuum guiding标题页截图

2023年来自美国哈弗大学的Federico Capasso教授团队及奥地利格拉茨理工大学实验物理研究所的Martin Schultze教授团队等人在超薄硅薄膜上精心设计制备了纳米孔阵列结构，研制出一款超透镜（波长：50 nm，焦距：10 mm，NA：0.05，透镜直径：1 mm）；该透镜借助真空导波机制，可将超快极紫外脉冲聚焦至接近衍射极限（理论尺寸：0.45微米，实际测试聚焦尺寸：0.7微米）。这项研究成果为极紫外波段开辟了透射式光学的应用路径。相应的研究成果发表于著名杂志Science。

图4 真空导光使EUV超透镜成为可能

在传统可见光超透镜中，通常利用高折射率纳米柱来限制和引导光传播。由于材料的折射率高于空气，光主要在材料内部传播，因此可以通过调节纳米结构尺寸来控制光的相位。这本质上是一种“材料导光（material guides light）”机制。而在极紫外（EUV）波段，情况正好相反。此时硅等材料的折射率实部会小于1，而真空的折射率始终为1，因此真空反而成为了相对“高折射率”的区域。

如上图4基于这一特殊物理现象，论文提出了“Vacuum Guiding（真空导光）”机制：不再让光在材料中传播，而是让光在硅膜中的纳米孔洞里传播。周围的硅相当于包层，真空孔洞则成为导光区域。通过改变孔径大小，研究人员可以调控EUV光的传播相位，从而实现超透镜聚焦。

图5

为了测试EUV超透镜的实际聚焦能力，研究人员选取的更易获取的实验室HHG-高次谐波极紫外光源。由于理论的聚焦光斑为亚微米量级，所以很难通过极紫外相机（greateyes CCD像素节距为：13.5微米，捷克RITE透镜耦合EUV相机最小空间分辨约为200nm）直接成像。因此研究人员巧妙的利用具有色散和成像功能的超环面光栅结合众星联恒合作伙伴德国greateyes的极紫外CCD相机-ALEX对聚焦光斑成像，为超透镜聚焦入射光的可行性提供了实验证据。同上使用了那边测量法测试以得到更为精确的聚焦尺寸：0.7 ± 0.3 mm。 所以greateyes的极紫外CCD相机-ALEX是一个精确定量测量器件，同时实现了空间分辨和光谱分辨。

随即作者总结到：将超表面技术及其优异的设计自由度拓展应用至极紫外（EUV）光谱波段，为该频段透射式光学器件的制备提供了通用技术路径。

这一技术能力有望催生诸多应用，例如：具备前所未有的时空分辨率的显微成像技术、超高频轨道角动量光束，以及可直接作用于原子与分子内层电子跃迁的结构光。

极紫外光刻已成为支撑摩尔定律持续演进的核心制造工艺；反之，基于超表面的光学器件，可依托深紫外光刻，在主流互补金属氧化物半导体（CMOS） 工艺的半导体晶圆厂内完成制备。半导体加工工艺与光学技术的深度融合，将进一步推动利用极紫外光刻制备超构光学器件，实现更小的特征尺寸与更复杂的纳米结构形貌。

与此同时，工作在极紫外波段的超表面，还将赋能新一代光刻光学系统的发展。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg6881

greateyes 成立于2008年，以德国柏林洪堡大学的技术为基础，迅速发展成为国际知名的先进探测器生产 企业。如今，其科研与工业客户群体己遍布多个国家。greateyes开发、生产并销售高性能科学级CCD相机。其作为精确探测器，广泛应用于成像与谱学应用领域。

北京众星联恒科技有限公司 作为 greateyes 公司中国区授权总代理商，为中国客户提供 greateyes 所有产品专业的售前咨询，销售及完整的售后服务。

同时，众星联恒作为一家专业的极紫外、X射线核心部件及解决方案提供商，目前已储备一定规模的EUV与X射线相关设备与核心部件库存，具备快速交付能力，以更好地服务我们的用户。同时我们创建了设施完善的X射线开放实验室，配备了多套先进的X射线光源系统、光学元件以及探测器，可支持包括X射线成像、相衬成像、衍射分析、荧光检测以及X射线源性能表征在内的多样化的测试、预研和论证工作。

我们是一支对于极紫外、X射线技术充满热情的团队，如果你有任何疑问想要和我们交流、探讨，不要犹豫，请直接联系我们。

END