桌面；式极紫外光显微镜“透视”微观{世}界
近日，随着红色纱布被缓缓揭开，一台占地约5平方米的设备呈现在媒体镜头前。这台集成极紫外光源、光束滤波、能量检测、衍射成像、光谱诊断等模块的设备名为桌面式高分辨极紫外光显微镜，是由浙江大学极端光学技术与仪器全国重点实验室、浙江大学杭州国际科创中心极端光学技术与仪器研究院联合研发的前沿科技成果。
据浙江大学极端光学技术与仪器全国重点实验室主任刘旭介绍，该设备的成功研发，标志着中国在极紫外光学、精密加工等领域达到了国际领先水平。
小设备替代大装置
探索微观世界，是驱动人类科技迭代进阶的核心力量之一。从芯片里的纳米电路，到细胞内的病毒颗粒，看得越清，才能了解越深。
受限于衍射极限，传统光学显微镜看纳米级的东西，就像用粗毛笔描绣花针，细节糊成一团。电子显微镜虽能看清原子，但只能看样品表面，还需在真空中把样品处理得“面目全非”。X射线显微镜能看内部，但想拍出高清图像，大多得靠同步辐射光源——那是占地几个足球场、耗资数十亿元的国家大科学装置。而且这种装置在国内数量极少，难以满足广大科研人员的使用需求。
有没有一种技术，既能看清纳米尺度的内部结构，又不需要用到大科学装置，在普通实验室里就可以“即插即用”？
历时数年，桌面式高分辨极紫外光显微镜横空出世。
该设备核心研发人员、浙江大学极端光学技术与仪器全国重点实验室“科创百人”研究员徐月暑介绍，显微镜采用了一种名为“叠层衍射成像”的无透镜计算成像技术。“它不需要任何成像透镜，而是用一束极紫外光照射样品，记录下光穿过样品后形成的衍射图样，再通过计算机算法（相位恢复算法）将这些衍射图样还原成样品的清晰图像。”他说。
徐月暑介绍，叠层衍射成像的优势在于，它绕过了极紫外透镜制造的难题。传统显微镜的镜片再好也有像差限制，而它直接用算法成像，分辨率只取决于光的波长和探测数值孔径。
此外，桌面式高分辨极紫外光显微镜获取更丰富的信息。除了样品的吸收图像，它还能得到相位信息，这对于微纳样品的内部检测意义重大。例如对于极紫外掩模版内部相位型缺陷的检测，这类缺陷虽然对吸收影响不大，但会改变光相位，从而影响成像质量，而相位信息可以很好地揭示这类微纳结构。
除了上述两个优点，该设备的结构简单。其光路设计既能透射成像也能反射成像，非常适合做成桌面级设备。
“这套系统，让原本需要庞大装置的尖端显微技术，走进了普通实验室。”刘旭说道。
多维度展示“超能力”
研发过程中，团队对桌面式高分辨极紫外光显微镜的性能进行了三个维度的系统测试。首先是“眼力”。实验表明，显微镜在极紫外波段下实现了稳定的高分辨率成像，最高可看到优于25纳米的细节。
25纳米是什么概念？比头发丝细3000多倍，已经逼近理论极限，达国内最高水准。目前国际上最高的水准是12.6纳米。
其次是“识别力”。极紫外光有个天然优势就是不同材料对它的反应不一样。这是因为极紫外波段与多种元素的内层电子能级相近。利用这一点，系统可以在不给样品标记、染色的情况下，直接分辨出哪里是硅、哪里是金属、哪里是生物组织。
“这相当于在看清结构的同时，还能做化学成分分析。”徐月暑介绍道，叠层衍射成像技术不仅能得到样品的吸收图像，还能获取相位信息，从而还原出样品的深度或者高度信息，实现纳米级的高度测量。
第三是“集成度”。传统短波成像依赖同步辐射光源，使其只能存在于国家级的大科学装置中。而团队通过高次谐波产生（HHG）技术，将极紫外光源压缩到桌面尺度，同时将无透镜成像的光路、高灵敏度探测器与高速相位恢复算法深度整合，形成一套高度集成的“交钥匙”系统。
多个“超能力”的加持，让这台显微镜在材料研究、芯片检测、生物观察等场景可以大展身手。
显微镜可以分析材料界面、掺杂分布、薄膜厚度。比如研究锂电池的科学家，可以用它观察电极材料在充放电过程中的微观变化。在芯片检测方面，显微镜可以对光刻掩模版进行无损检测，找出纳米级的缺陷，这对提升芯片良率至关重要。
极紫外光还对生物组织中的碳、氮、氧等轻元素特别敏感，尤其是在“水窗波段”，用显微镜观察细胞，不需要染色标记，就能直接看到细胞内部结构，为病毒入侵、药物作用等研究提供新的观测手段。