由具有规则重复结构的物体反射的甜甜圈形光束产生的散射图案。 **wang， et al.， 2023， “optica”
在发表在《光学》杂志上的一项新研究中，科罗拉多大学博尔德分校的研究人员使用甜甜圈形光束拍摄了传统显微镜无法观察到的微小物体的详细图像。
这项新技术可以帮助科学家改善一系列“纳米电子学”的内部工作原理，包括计算机芯片中的微型半导体。 这一发现也在《光学与光子学新闻》的一期特刊中得到了强调。
这项研究是堆叠摄影领域的最新进展，这是一种难以发音（“p”是无声的）但用于观察非常小事物的强大技术。 与传统显微镜不同，断层扫描工具无法直接观察小物体。 取而代之的是，他们用激光照射目标并测量光线的散射方式——有点像在墙上制作皮影木偶。
到目前为止，这种方法非常有效，但有一个主要的例外，该研究的资深作者、杰出的物理学教授玛格丽特·穆尔南（Margaret Murnane）说。
直到最近，对于具有规则重复模式的高度周期性样品或物体，它完全失败了，“CU Boulder联合研究所和国家标准与技术研究院（NIST）的研究员Murnane说。 “这是一个问题，因为这包括很多纳米电子学。
她指出，许多重要的技术，如一些半导体，都是由硅或碳等原子组成的，它们以规则的模式连接在一起，如网格或网格。 迄今为止，这些结构已被证明是科学家使用堆栈法近距离观察的棘手问题。
然而，在这项新研究中，Murnane和她的同事设计了一个解决方案。 他们没有在显微镜中使用传统的激光，而是产生了甜甜圈形的极紫外光束。
该团队的新方法可以收集微小而精致的结构的精确图像，这些结构的大小约为10至100纳米，或比百万分之一英寸小许多倍。 未来，研究人员希望放大以看到更小的结构。 甜甜圈或光学角动量光束也不会在此过程中损坏微小的电子设备，因为一些现有的成像工具，如电子显微镜，有时会损坏。
将来，这种方法可用于检查用于制造和打印半导体的聚合物是否存在缺陷，而不会在此过程中损坏这些结构，“Muranene说。
Murnane说，这项研究突破了显微镜的基本极限：由于光的物理特性，使用镜头的成像工具只能看到大约200纳米的分辨率，这不足以捕获许多感染人类的病毒。 科学家可以冷冻和杀死病毒，并用强大的冷冻电子显微镜观察它们，但他们无法实时捕获这些病原体。
堆叠摄影在 2000 年代中期开创，可以帮助研究人员突破这一限制。
要了解如何操作，请回到那些皮影戏。 想象一下，一位科学家想要收集一个非常小的**结构，也许是字母拼写为“cu”。 为此，他们首先将激光束照射在字母上，扫描数次。 当光线照射到“c”和“u”（在本例中为木偶）时，光束会断裂并散射，从而形成复杂的图案（阴影）。 科学家使用灵敏的探测器记录这些模式，然后用一系列数学方程式对其进行分析。 Murnane解释说，只要有足够的时间，他们就会从他们投射的阴影中完全重建木偶的形状。
我们不是使用镜头来检索图像，而是使用算法，“Muranene说。
她和她的同事们以前曾使用这种方法来观察亚微观形状，如字母或星星。
但这种方法不适用于硅或碳网格等重复结构。 例如，如果将规则激光束照射到具有这种规律性的半导体上，它通常会产生非常均匀的散射图案——在这种图案中，Ptychograph算法很难理解变化不大的图案。
近十年来，这个问题一直困扰着物理学家。
然而，在这项新研究中，Murnane和她的同事决定尝试一些不同的东西。 他们没有使用普通的激光来制作皮影戏。 取而代之的是，它们产生极紫外线光束，然后使用称为螺旋相位板的装置将其扭曲成开瓶器或涡流的形状。 （当这样的光漩涡照射到平坦的表面上时，它会形成一个像甜甜圈一样的形状。
甜甜圈梁没有粉红色的釉料或洒水，但它们有。 研究小组发现，当这些类型的光束从重复结构中移除时，它们会产生比传统激光器更复杂的皮影木偶。
为了测试这种新方法，研究人员创建了一个碳原子网，其中一个链接中有一个微小的卡扣。 该团队能够以其他 Ptychograph 工具所没有的准确度发现缺陷。
如果你试图在扫描电子显微镜中对同样的东西进行成像，你会进一步损坏它，“Muranene说。
展望未来，她的团队希望使他们的甜甜圈策略更加准确，使他们能够观察更小、更脆弱的物体——包括有朝一日生物体细胞的运作。
更多信息：Bin Wang 等人，涡旋高谐波束对高周期结构的高保真串联成像，Optica （2023）。 doi： 10.1364/optica.498619