利用自由光子筛分光器进行极紫外单次绝对波前传感

《Optics and Lasers in Engineering》：Single-shot absolute wavefront sensing with a freestanding photon-sieve splitter in extreme ultraviolet

　　

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  提出了一种基于自由站立光子筛的绝对波前传感方法。
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  波前可在单次曝光中完成重构。
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  该方法不引入设备引起的固有像差。

引言

随着光刻和显微镜等尖端纳米技术向更高分辨率发展，相应光学系统中采用的光源波长趋于更短，同时对光束质量的要求也日益严格。现有短波长光源在特定应用中的部署仍然相对困难，而光学系统中不可避免的微小缺陷和错位会干扰波前特性，从而影响整体性能。这些问题给当前的制造和校准技术带来了巨大挑战，使其完全消除成为不可能。因此，波前传感在表征短波长光源方面变得越来越重要，这反过来有助于补偿光学系统中的系统像差并保持其高精度。

从极紫外光到软X射线的辐射被材料强烈吸收，导致可用的光学元件稀缺，因此波前传感方法也很少。现有的方法包括耗时的离轴傅里叶变换，以及对条纹分辨率要求严格的干涉测量。此外，目前最广泛使用的哈特曼波前传感由于专用设备限制而空间分辨率有限。此外，由于瑞利四分之一波长规则，像高精度成像系统等短波长光学系统对光束波前提出极其严格的要求，相应的波前传感精度需求同样日益严苛，从而需要对光学元件制造提出极高精度要求。为应对上述挑战，我们提出了一种基于自由站立光子筛分束器的绝对波前传感方法，称为艾里可交换离焦量。光子筛作为从极紫外光到软X射线的复杂光场调制元件已展现出优势，由于其穿孔结构，可作为测量元件避免设备引起的固有像差的产生，从而实现绝对测量。此外，所用的光子筛分束器可以同时产生单焦点面和双焦点面。由于两个焦点面遵循相同的衍射物理，产生的艾里斑满足已知的固定关系，因此一个焦点面的艾里斑可以数值交换到另一个焦点面。源自多个焦点面艾里斑的离焦斑携带符合离焦量要求的不同离焦信息，可在单次曝光中捕获并交换到相同的焦点配置。与传统的离焦量技术相比，该方法可以消除由机械位移引起的误差。而且，离焦距离由光子筛分束器参数决定，这既提高了离焦量测量精度，又提高了实时性能。本工作展示了使用光子筛分束器进行单次绝对极紫外离焦量波前传感的实验演示。该方法实现了高集成和高精度的极紫外波前传感，为目前缺乏的紧凑型多功能极紫外光学系统的发展做出了贡献。

章节摘要

方法

图1(a)展示了基于光子筛分束器的艾里可交换离焦量示意图，其中辐射源为单脉冲模式的毛细管放电46.9纳米极紫外激光。激光通过光子筛分束器聚焦到具有固定相对间距的二维材料板上，从而在单次曝光中同时捕获对应于不同焦点面的离焦图像。图1(b)展示了光子筛分束器的扫描电子显微镜图像，直径为800微米，短单焦距长度为3.182

结果

照明波前使用变换后的长焦3微米欠焦平均斑和短焦6微米过焦斑进行重构，其原子力显微镜图像见图3(a)和(b)。在计算过程中，10微米大小的对齐斑图像需要下采样到原始256采样点的1/8，并零填充以匹配800微米照明孔径。由于光子筛分束器不引入设备引起的像差，艾里可交换离焦量重构的照明波前是绝对的

结论

总之，我们提出了一种使用交换的单次长焦和短焦衍射图来增强测量精度和实时性能，同时由于光子筛分束器的自由站立结构而不引入设备引起的固有像差的绝对波前传感方法——艾里可交换离焦量。艾里可交换离焦量成功重构了46.9纳米极紫外激光的照明波前。凭借更精确的附加相位生成和更宽松的离焦限制，其

资金

国家自然科学基金（62175245 和 62005066）；中国科学院战略性先导科技专项（XDA25020302 和 XDA25020101）；激光空间信息国家重点实验室（LSI2025WDZC04）；黑龙江省重点研发计划（2025ZX04A04）。

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