在一项开创性的研究中，研究人员利用了轨道角动量高谐波生成（ Orbital Angular Momentum High Harmonic Generation，OAM-HHG）光束的独特特性，显著提高了摄影成像的能力。这一创新在纳米级、高周期结构成像方面提供了前所未有的精度，克服了传统高斯高谐波生成（ Gaussian High Harmonic Generation, Gaussian-HHG）光束的限制。
长期以来，以原子尺度观察和理解世界一直是科学研究的驱动力。叠层成像相干衍射成像（ptychographic coherent diffractive imaging）的出现标志着这一探索的重大飞跃，特别是在极紫外线和X射线波长的纳米级结构成像方面。然而，一个持续的挑战是对高周期样品进行有效成像，这在纳米电子和其他先进材料中很常见。这一挑战源于传统叠层成像（ptychography）的局限性，这种摄影技术通常使用高斯-HHG光束，在应用于周期性结构时，需要与缺乏衍射模式的多样性问题作斗争。
研究突破：叠层成像中的OAM-HHG光束
美国科罗拉多大学博尔德分校的研究团队最近进行的研究通过在叠层成像中引入OAM-HHG光束，为这一挑战带来了新的解决方案。OAM-HHG光束的特点是其轨道角动量，即光束中的光子表现出螺旋或扭曲的波前，导致独特的螺旋相结构和甜甜圈形状的强度分布。
OAM-HHG光束的这种独特的结构属性导致发散性增加和数据多样性增强，这对在叠层成像中准确重建图像至关重要。特别是发散性的增加，允许更广泛的衍射级进行重叠，这是将更多信息编码到衍射模式中的关键因素。该属性能够以更高的保真度和分辨率对周期性结构进行成像，这是以前高斯-HHG光束无法实现的壮举。
OAM-HHG光束在光像成像中的引入在几个方面将这项研究与现有方法区分开来：
1.周期性结构增强成像：传统的叠层光检查在对高度周期性样品进行成像方面受到限制，而使用OAM-HHG光束通过提供更多样化和复杂的相干模式克服了这一障碍。
2.检测近衍射极限的缺陷：对周期性样品中孤立、近衍射极限的缺陷进行检测和成像的能力是一个重大进步。这种能力有助于识别可能影响纳米级设备功能的微小缺陷。
3. 卓越的分辨率和保真度：OAM-HHG光束的螺旋相结构和增加的发散度允许在周期性结构中捕获更精细的细节，突破了在纳米尺度上可以观察到的界限。
这项研究的潜在应用广泛而多样，跨越了纳米精度至关重要的各个领域：
1.半导体制造：在半导体制造中，周期结构的完整性至关重要，这种技术可以改变缺陷检查和质量控制的游戏规则，大大提高检测技术水平。
2.纳米技术和材料科学的进步：对纳米材料和纳米结构的详细分析对其开发和应用至关重要。这种成像技术提供了一种新的手段，以前所未有的分辨率理解这些材料。
3.光子和量子设备开发：对于新兴的光子学和量子计算领域，这种方法为检查和细化复杂的纳米级组件提供了精确的工具。
4. 增强EUV光刻：在EUV光刻领域，对生产微处理器和存储芯片至关重要，这种技术可以极大地帮助检查光掩模，确保光刻过程的准确性和效率。
5. 生物医学应用：在生物医学研究中，以高分辨率观察生物样本至关重要，这种方法可以降低样本损坏，同时提供详细的成像。
6. 对低温电子显微镜和4D-STEM的影响：这种方法在叠层成像方面的成功可能会激发电子叠层成像领域类似进步，使冷冻电子显微镜（Cryo-Electron Microscopy）和4D-STEM等领域受益，这 些领域正在积极寻求提高成像保真度。
结论
将OAM-HHG光束集成到光像成像中，标志着纳米级成像领域的变革性一步。通过克服成像高度周期性结构的挑战，以及揭示接近衍射极限的缺陷，这项研究不仅解决了一个长期存在的问题，还开辟了各种尖端技术和科学研究领域的一系列应用。
