近日，德國耶拿大學(xué)研究人員開發(fā)出一種稱為“極紫外光相干成像”（XCT）的新工藝技術(shù)。該技術(shù)有望在未來應(yīng)用于材料研究和數(shù)據(jù)處理，并且可以實現(xiàn)半導(dǎo)體材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無損研究。

“新工藝的成像過程是基于光學(xué)相干層析成像（OCT）的操作原理，而OCT技術(shù)當(dāng)前已在眼科等領(lǐng)域上有實踐應(yīng)用，”耶拿大學(xué)博士候選人Felix Wiesner表示，“OCT設(shè)備可以無創(chuàng)逐層掃描檢查人眼的視網(wǎng)膜，并且能夠創(chuàng)建三維圖像。”

■Gerhard Paulus教授，耶拿大學(xué)光學(xué)與量子電子研究所激光實驗室Felix Wiesner博士和Silvio Fuchs博士（左起）（圖片來源：耶拿大學(xué)）

目前在眼科應(yīng)用中，OCT使用紅外光掃射視網(wǎng)膜。眼科醫(yī)生選擇紅外光是為了防止視網(wǎng)膜組織吸收過多的光輻射。作為一種無損傷性、非接觸式的影像學(xué)檢查方法，OCT運用紅外光對視網(wǎng)膜的細微結(jié)構(gòu)進行橫截面掃描，通過不同視網(wǎng)膜層、不同細胞層的反射波形成最終圖像，清晰顯示出視網(wǎng)膜不同層次的結(jié)構(gòu)，幫助醫(yī)師做出準確分析。

在研究過程中，為了達到小尺寸和高精度的要求，研究人員在OCT設(shè)備上采用了短波極紫外光而非長波紅外光。為了檢測半導(dǎo)體材料里的納米級內(nèi)部結(jié)構(gòu)，光的波長就必須小 到只有幾納米。

以往，只有大型研究機構(gòu)才能產(chǎn)生短波光。但隨著高次諧波技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在普通實驗室就能生成短波光。中功率激光器就能產(chǎn)生頻率比普通光高很多倍的光。諧波次數(shù)越高，產(chǎn)生的波長越短。

耶拿大學(xué)非線性光學(xué)教授Gerhard Paulus說：“通過這種方式，我們使用紅外波激光器產(chǎn)生波長在10nm-80nm之間的光。如同激光輻射一樣，所生成的寬頻極端紫外光也是相干的，這意味著它具有類似激光的特性。”

為了測試該方法，研究人員將硅的納米層結(jié)構(gòu)暴露在相干的極紫外線輻射下，并分析了反射光。硅制樣品包含了不同深度的金屬薄層，例如鈦或銀。由于這些材料的反射特性不同于硅，因此研究人員能夠在反射輻射中檢測到它們。

該工藝方法被證明能精確成像樣品的深層結(jié)構(gòu)。由于反射特性的變化，研究人員還可能以此確定樣品的化學(xué)成分。“OCT為半導(dǎo)體、太陽能電池或多層光學(xué)組件檢測提供了新方法。”Gerhard Paulus表示。

未來，OCT在納米級材料生產(chǎn)的品控中將發(fā)揮巨大的潛力，同時還可用于檢測納米級材料的內(nèi)部缺陷或化學(xué)雜質(zhì)。

■耶拿大學(xué)研究人員的成果刊登在最新一期雜志Optica上，讀者如有需要請自行下載閱讀

延伸閱讀——高次諧波

單一頻率的基頻波入射到非線性介質(zhì)后，由于高次非線性電極化系數(shù)的耦合效應(yīng)而產(chǎn)生頻率為入射光波（基頻波）的三倍、四倍甚至更高倍的光波輻射，這種非線性光學(xué)現(xiàn)象稱為高次諧波效應(yīng)（higher harmonic effect），產(chǎn)生的光波稱為高次諧波（higher harmonic）。

2017年，上海光機所強場激光物理國家重點實驗室在高次諧波研究中取得進展。科研人員發(fā)現(xiàn)在定向的非對稱分子同強激光場相互作用時，可以產(chǎn)生獨特的純偶次高次諧波光譜，并揭示了其物理本質(zhì)。這一結(jié)果豐富了人們對于超快強激光場同物質(zhì)相互作用產(chǎn)生高次諧波現(xiàn)象的認識。

■純偶次高次諧波光譜和奇次高次諧波光譜對比圖

研究表明，純偶次高次諧波可以產(chǎn)生。當(dāng)非對稱線性分子的分子軸與線偏光的偏振方向垂直時，在分子軸方向會有高次諧波產(chǎn)生，這一方向的高次諧波不會像激光偏振方向的高次諧波那樣每半個光周期就改變一次相位，高次諧波的相位在每個光周期里一致是產(chǎn)生純偶次諧波的本質(zhì)。

這一研究是完整的高次諧波理論中不可或缺的一步，并且這一理論適用于所有具有永久偶極矩的體系，例如多分子原子和大塊晶體等熱門材料，因而將成為強場物理領(lǐng)域重要應(yīng)用之一。