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近日，浙江大學(xué)極端光學(xué)技術(shù)與儀器全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、浙江大學(xué)杭州國(guó)際科創(chuàng)中心極端光學(xué)技術(shù)與儀器研究院聯(lián)合研發(fā)的前沿科技成果集中發(fā)布。揭開(kāi)掩蓋的紅色紗布，桌面式高分辨極紫外光顯微鏡便呈現(xiàn)在媒體的鏡頭前，該設(shè)備集成了極紫外光源、光束濾波、能量檢測(cè)、衍射成像、光譜診斷等模塊。

浙江大學(xué)極端光學(xué)技術(shù)與儀器全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任劉旭介紹，該設(shè)備的成功研發(fā)，標(biāo)志著中國(guó)在極紫外光學(xué)、精密加工等領(lǐng)域達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

用算法代替鏡片，用小設(shè)備替代大裝置

探索微觀世界，是人類科技前進(jìn)的核心驅(qū)動(dòng)力之一。從芯片里的納米電路，到細(xì)胞內(nèi)的病毒顆粒，看得越清，才能懂得越深。

傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡受限于“衍射極限”——可見(jiàn)光波長(zhǎng)太長(zhǎng)，看納米級(jí)的東西，就像用粗毛筆描繡花針，細(xì)節(jié)糊成一團(tuán)；電子顯微鏡雖能看清原子，但只能看樣品表面，還得在真空中把樣品處理得“面目全非”；X射線顯微鏡能看內(nèi)部，但想拍出高清圖像，大多得靠大科學(xué)裝置同步輻射光源，不僅費(fèi)用高，國(guó)內(nèi)數(shù)量極少，普通科研人員很難用上。

有沒(méi)有一種技術(shù)，既能看清納米尺度的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，又不需要跑去大科學(xué)裝置，能在普通實(shí)驗(yàn)室里“即插即用”？

歷時(shí)數(shù)年，桌面式高分辨極紫外光顯微鏡橫空出世。

據(jù)核心研發(fā)人員、浙江大學(xué)極端光學(xué)技術(shù)與儀器全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科創(chuàng)百人研究員徐月暑介紹，顯微鏡進(jìn)行革命式的創(chuàng)新，采用了“疊層衍射成像”的無(wú)透鏡計(jì)算成像技術(shù)?！八恍枰魏纬上裢哥R，而是用一束極紫外光照射樣品，記錄下光穿過(guò)樣品后形成的衍射圖樣，再通過(guò)計(jì)算機(jī)算法（相位恢復(fù)算法）將這些衍射圖樣還原成樣品的清晰圖像?！?/p>

徐月暑還介紹，疊層衍射成像的優(yōu)勢(shì)在于：首先，它繞過(guò)了極紫外透鏡制造的難題。傳統(tǒng)顯微鏡的鏡片再好也有像差限制，而它直接用算法成像，分辨率只取決于光的波長(zhǎng)和探測(cè)數(shù)值孔徑。

其次，它能獲取更豐富的信息。除了樣品的吸收?qǐng)D像，還能得到相位信息，這對(duì)于微納樣品的內(nèi)部檢測(cè)意義重大。徐月暑補(bǔ)充道，例如在檢測(cè)極紫外掩模版內(nèi)部的相位型缺陷時(shí)，這類缺陷雖然對(duì)吸收影響不大，但會(huì)改變光相位，從而影響成像質(zhì)量，而相位信息可以很好地揭示這類微納結(jié)構(gòu)。

再次，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活。光路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，既能透射成像也能反射成像，非常適合做成桌面級(jí)設(shè)備。

“這套系統(tǒng)，讓原本需要龐大裝置的尖端顯微技術(shù)，走進(jìn)了普通實(shí)驗(yàn)室?！眲⑿裾f(shuō)道。

三個(gè)維度展示“超能力”

研發(fā)過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)對(duì)桌面式高分辨極紫外光顯微鏡的性能進(jìn)行了三個(gè)維度的系統(tǒng)測(cè)試。首先是“眼力”。實(shí)驗(yàn)表明，顯微鏡在極紫外波段下實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的高分辨率成像，最高可看到優(yōu)于25納米的細(xì)節(jié)。

25納米是什么概念？比頭發(fā)絲細(xì)3000多倍，已經(jīng)逼近理論極限，已達(dá)國(guó)內(nèi)最高水準(zhǔn)。目前國(guó)際上最高的水準(zhǔn)是12.6納米。

其次是“識(shí)別力”。極紫外光有個(gè)天然優(yōu)勢(shì)就是不同材料對(duì)它的反應(yīng)不一樣。這是因?yàn)闃O紫外波段與多種元素的內(nèi)層電子能級(jí)相近，利用這一點(diǎn)，系統(tǒng)可以在不給樣品標(biāo)記、染色的情況下，直接分辨出哪里是硅、哪里是金屬、哪里是生物組織。

“這相當(dāng)于在看清結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還能做化學(xué)成分分析?！毙煸率钸€介紹道，疊層衍射成像技術(shù)不僅能得到樣品的吸收?qǐng)D像，還能獲取相位信息，從而可以還原出樣品的深度或者高度信息，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的高度測(cè)量。

第三是“集成度”。傳統(tǒng)短波成像對(duì)同步輻射光源的依賴，使其只能存在于國(guó)家級(jí)的大科學(xué)裝置中。而團(tuán)隊(duì)通過(guò)高次諧波產(chǎn)生（HHG）技術(shù)，將極紫外光源壓縮到桌面尺度，同時(shí)將無(wú)透鏡成像的光路、高靈敏度探測(cè)器與高速相位恢復(fù)算法深度整合，形成一套高度集成的“交鑰匙”系統(tǒng)。

整套設(shè)備占地面積不足5平方米，這種從“大科學(xué)裝置”到“桌面級(jí)儀器”的跨越，讓尖端顯微技術(shù)真正走進(jìn)了普通實(shí)驗(yàn)室。

多個(gè)“超能力”的加持，讓這臺(tái)顯微鏡在材料研究、芯片檢測(cè)、生物觀察等場(chǎng)景大顯身手。

顯微鏡可以分析材料界面、摻雜分布、薄膜厚度。比如研究鋰電池的科學(xué)家，可以用它觀察電極材料在充放電過(guò)程中的微觀變化。

在芯片檢測(cè)方面，顯微鏡可以對(duì)光刻掩模版進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，找出納米級(jí)的缺陷，這對(duì)提升芯片良率至關(guān)重要。

極紫外光還對(duì)生物組織中的碳、氮、氧等輕元素特別敏感，尤其是在“水窗波段”，用顯微鏡觀察細(xì)胞，不需要染色標(biāo)記，就能直接看到細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為病毒入侵、藥物作用等研究提供新的觀測(cè)手段。

未來(lái)，團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)很明確：讓光源更穩(wěn)定、設(shè)備更小巧、成像更智能。徐月暑介紹，他們正在探索用人工智能優(yōu)化圖像重建算法，讓成像速度更快、分辨率更高。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)正在向集成電路檢測(cè)、新材料開(kāi)發(fā)、生命科學(xué)研究等方向加速落地。