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原子射流透鏡聚焦極紫外光

來源: 發布時間:2019-06-10 18:00:02

  德國馬克斯·伯恩研究所(MBI)的科學家們開發了首個可以聚焦極紫外光線的透鏡。研究人員并沒有使用在極紫外光區域不透明的玻璃透鏡,而是使用由原子射流所形成的透鏡。研究結果發表在《Nature》雜志上,為實現短時間成像生物樣本提供了新的機會。 

  研究人員認為,該技術可以開辟折射光學的適用范圍,折射光學廣泛用于顯微鏡和其他光譜不同部分應用,現在也適用于極紫外波段。  

  極紫外輻射覆蓋10nm124nm的波長區域,光子能量范圍為10124eV。所有物質都強烈吸收那些短波長的光。這意味著操縱極紫外光束的技術需要在超高真空中進行。這也意味著聚焦和重定向這些光束不能依賴于折射元件(這將吸收太多的光能量以至于無用),而是依賴于反射元件,例如多層布拉格堆疊鏡和衍射菲涅耳波帶片。甚至這些元素也傾向于吸收下一代光刻平臺等系統中極紫外能量的很大一部分;因此,這些系統必須包括非常明亮的極紫外源,以克服損失并完成工作。  

  用于極紫外輻射的透鏡和棱鏡,如果能以某種方式設計,從而可以大大提高設計極紫外系統的靈活性,特別是對于顯微鏡和超快現象的應用。由BerndSchütte領導的新工作背后的MBI團隊希望看到它是否能夠以一種新穎的方式創造出這種折射元素,使用氣流而不是傳統的固體鏡頭。   

  

  1. 遠紫外折射棱鏡 

  在基本設置中,來自飛秒持續時間近紅外脈沖的高次諧波產生的極紫外光束,從脈沖水平的惰性氣體射流的中心通過,該惰性氣體流由壓電閥產生,噴嘴直徑為0.5毫米。該閥門產生的氣流具有很強的垂直密度梯度,中心有高氣體密度,徑向向外移動密度較低。 當極紫外脈沖通過不同密度的氣體區域時,脈沖光子激發氣體原子,氣體原子以相同的光子能量重新發射輻射。相對于原始脈沖,重新發射的能量相移不同的量,用于不同氣體密度的區域,其將傾斜波前。并且,因為折射率函數看起來在原子共振附近的能量處強烈分散,所以在共振值附近具有不同光子能量(和波長)重新發射的輻射光譜分量可以“看到”不同的折射率,并且彎曲成不同的方向。這就是折射棱鏡的基礎。  

  利用這些原理,MBI團隊能夠制造氦射流棱鏡,當光束通過偏離中心的氣體區域時能夠按波長彎曲和分裂極紫外光,就像玻璃棱鏡分裂可見光一樣。并且,當未聚焦的極紫外光束穿過氣體射流的中心而不是偏離中心時,研究小組發現氣體射流兩側的密度梯度充當透鏡,將極紫外光束彎曲并聚焦到比氣體噴射更集中的更緊密的點。 

  該團隊還證明,通過改變氣體背壓,噴射密度分布或使用的氣體,它可以控制偏轉的程度(在棱鏡中)和聚焦(在透鏡中)。例如,團隊演示中的氬透鏡在約2.5巴的壓力下實現了峰值聚焦。該團隊表示,在更高的壓力下,焦平面越靠近噴嘴。這表明可以使用壓力作為控制旋鈕來調整這些氣體透鏡的特性。  

  除了可調性之外,該團隊還指出,氣體透鏡對極紫外光具有高透射性,“免受損壞(因為氣體樣品不斷得到補充),并保持入射光的傳播方向。”而該團隊表示,在這些初步實驗中顯示出來的聚焦特性表明,在微米尺度上,將該技術與另一種聚焦元件(如菲涅耳波帶片)相結合,可以實現納米級聚焦。 

  該方法的一個缺點是,目前,使用該技術構建的透鏡僅限于極紫外光譜中相對長的波長,來自大約10eV24eV低能量端的光子能量。但研究人員認為,通過使用高電荷離子和電子等離子體而不是原子或分子氣體作為折射介質的系統,從而聚焦更短波長、更高能量的極紫外輻射的透鏡是可能的。 

  編譯自:https://physicsworld.com/a/helium-jet-focuses-extreme-ultraviolet-light/ 

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