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摘要

相干衍射成像是近20年才发展起来的一种高分辨率计算成像技术. 其原理是通过采集相干光照明时样品产生的衍射图样, 使用相位恢复算法计算实现样品结构的三维(3D)成像. 区别于传统成像技术, 该技术具有多个显著优势: 1) 成像分辨率接近于照明光源波长; 2) 成像系统简单, 无需使用成像镜头, 成像系统通常由相干光源、样品和CCD组成; 3) 无相差、色差, 极紫外光子利用率高: 使用计算成像, 避免了引入器件的折射、反射和吸收等效应造成的相差和色差以及光子利用效率下降. 自上世纪末, 基于大型相干极紫外和X射线光源的相干衍射成像技术发展迅速, 已达亚纳米级分辨率. 此后, 随着飞秒激光高次谐波技术的成熟, 相干极紫外和X射线光源的体积和成本大幅度降低, 相干衍射成像技术得到进一步发展和推广. 发展至今日, 基于高次谐波的相干衍射成像技术已经成为一种有巨大应用潜力的纳米成像技术, 为半导体材料和器件表面形貌、生物微结构及动态演化、半导体和量子器件的化学成分及浓度分布、物理或化学动态过程以及量子状态等领域的探测成像提供了一种有效的技术方案, 并开始在高分辨率半导体检测领域中获得实际应用. 相信不久的将来, 基于高次谐波相干衍射成像技术将成为纳米量级显微成像技术的杰出代表, 成为和现有的原子力、近场光学、X射线、电子以及隧道扫描等显微成像相媲美的主流技术. 本文回顾了相干衍射成像及其照明光源技术的发展历程, 介绍了相干衍射成像技术现状和发展趋势, 然后说明高次谐波光源和相干衍射成像技术原理, 最后重点介绍了几种可以利用高次谐波的高相干、短波长、短脉冲及梳状超宽谱特性的衍射成像技术: 探针强度约束、反射模式、频闪照相、多模态叠层、单次曝光叠层、时间分辨多路复用叠层、角度扫描相敏成像等技术.

关键词:

Abstract

Coherent diffractive imaging (CDI) using ultra-short wavelength light source has become an three-dimensional(3D) nanoimaging technique. In CDI, a target sample is first illuminated by a coherent EUV and soft X-ray light, then the diffraction pattern is recorded by using a charge coupled device (CCD), and finally the image of the sample is obtained based on the pattern by using a phase retrieval algorithm. Of the many currently available coherent EUV and soft X-ray light sources, the high-order harmonic generation (HHG) is the simplest in structure, the lowest in cost, and most compact in size. Therefore, it has become the most promising light source for CDI. Through years of development, HHG based CDI technique(HHG-CDI) has become an outstanding 3D nano-imaging technique with the advantages of no aberration, no damage, and no contact either, and it also possesses the extra-capabilities of probing the dynamics, chemical composition and quantum information in various semiconductor and quantum devices. We believe that the HHG-CDI will soon become a generic nano-imaging tool that can complement or even replace the matured nanoimaging techniques, such as atomic force, near field, X-ray, electron, or scanning tunneling microscopes.

Keywords:

作者及机构信息

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通信作者:张晓世,zhangxs@aircas.ac.cn

作者简介:

麻永俊, 理学博士, 中国科学院空天信息创新研究院, 助理研究员. 研究领域: 第一性原理计算, 密度矩阵重整化群计算, 激光原理, 激光物质相互作用, 高次谐波, 相干衍射成像

张晓世, 中国科学院空天信息创新研究院研究员, 博士生导师, 中国科学院大学首席教授, 中国科学院近代物理研究所兼职博导, 2017年国家高层次人才. 中国科学技术大学学士, 美国科罗拉多大学博尔德分校, 美国国家标准局和实验室天体物理联合实验室联合培养博士. 长期从事飞秒激光, 极紫外激光, 极端非线性光学以及相干衍射和量子成像等领域的研究及其工程化和商业化应用. 曾任职于美国知名超快激光器公司KMLabs Inc., 先后担任激光科学家, 极紫外激光技术经理和研发首席科学家. 带领团队研发出世界上首台极紫外飞秒激光器, 并实现商业化. 研制出创世界纪录的低温冷却高能量和高重频飞秒激光器, 斩获2016年美国西部光电展会颁发的Prism Award奖和2013年美国CLEO展会颁发的Laser Focus World创新一等奖. 曾在PRL,Nature Physics,Nature Photonics,Optica等国际知名期刊发表论文共50余篇, 被SCI引用逾1, 200次, 在国际国内重要的学术会议上做邀请报告20多次. 曾担任Optics Letters的co-editor, SPIE Advanced Lithography分会委员会委员, 以及SPIE Photonics Asia, CIOP委员会委员

基金项目:中国科学院条件保障与财务局短脉冲激光技术团队(批准号: GJJSTD20200009)、国家重点研发计划(批准号: 2021YFB3602600)、国家自然科学基金青年科学基金(批准号62005291)和中国科学院“百人计划”(批准号: 2018-131-S)资助的课题.

Authors and contacts

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Corresponding author:Zhang Xiao-Shi,zhangxs@aircas.ac.cn

Funds:Project supported by the Short Pulse Laser Technology Team of Condition Guarantee and Finance Bureau, Chinese Academy of Sciences(Grant No. GJJSTD20200009), the National Key R&D Program of China (Grant No. 2021YFB3602600), the Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 62005291), and the Chinese Academy of Science Pioneer Hundred Talents Program (Grant No. 2018-131-S).

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施引文献

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纳米成像技术	分辨率/nm	光源	镜头	样品损伤/ 预处理	表面3D 形貌	镀层下结构/ 层厚度检测	化学成分/浓度	成像速度
光学显微镜	～100	红外, 可见光	透镜	无损伤无需处理	可探测	部分可探测/ 透明料可以	可探测/半导体不可	快
X射线显微镜	～20	SRS, XFEL	波带片	有损伤无需处理	不能探测	均可实现	可探测	慢
扫描电子显微镜	～0.1	电子束	磁透镜	有损伤需处理	可探测	金属层不可/厚度不可	无法探测	较慢
原子力显微镜	～0.1 nm	无	纳米探针	无损伤无需处理	可探测	无法探测	无法探测	最慢
HHG-CDI	<10 nm	SRS, FEL.HHG	无透镜	无损伤无需处理	可探测	均可探测	可探测	快

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