第1622章 突破阿贝极限!

“常院士,这是……?”栾文杰环顾四周,有些不解。

相比旁边关乎国家半导体命脉的光刻机测试,这里的设备显得过于“普通”了。

“一项纯光学的……原理性验证实验。”常浩南言简意赅,目光落在栗亚波身上,“我们准备了快半年,最近才真正具备了测试条件。”

“纯光学?验证什么?”栾文杰心中的疑惑更甚。

“很快您就知道了。”常浩南依旧卖了个关子,示意栾文杰耐心观看,目光也投向了栗亚波的操作。

只见栗亚波最后确认了一下所有光学元件的共轴性,然后极其小心地将一块巴掌大小、表面布满极其细微黑白条纹的金属板插入一个特制的靶标架中,并微调了一下位置和角度。

接着走到控制电脑前,手指在键盘上快速敲击了几下。

嗡……

一声轻微的启动声,位于平台一端的光源被点亮。

霎时,一束鲜艳夺目的红色激光束激射而出,经过扩束准直后变成一道直径大约几个毫米的平行红光,射入中间黑色的遮光罩内。

而当光线从另一端射出时,已经略带上了一丝难以察觉的模糊感。

最终,这束光线投射在数米开外的精密成像屏上,形成一个边界柔和的光斑。

“红光?”栾文杰有些惊愕地低呼出声,“还是可见光?”

在他的认知里,要突破极限,理应使用波长更短的紫外光甚至极紫外光才对。

常浩南似乎早料到他有此一问,平静地解释道:

“我们要测试的,是一个理论上‘不可能’被传统透镜实现的结果……如果使用波长太短的光,那么……对测试系统本身的精度和噪声要求会很高,甚至大概率无法测出有效结果。”

他这边话音刚落,一直紧盯电脑屏幕的栗亚波已经抬起头:

“找到了。”

从他的脸上看不出太多情绪,但声音有些发颤:

“成像清晰!我找到靶标的成像结果了!”

“快!”

常浩南立刻上前几步,接替栗亚波坐到了显示器前面。

栾文杰也按捺不住好奇,迅速凑到旁边。

屏幕上显示的并非什么复杂的电路,而是一系列明暗相间、等宽等距的竖条纹图案。

条纹边缘锐利,对比度极高。

他快速搜索了一下脑海中的知识,并没有想起来符合当前场景的答案。

但看着面前师生二人的这副架势,已经能冥冥中感觉到,眼前这东西恐怕不太寻常。

好在,常浩南并没有让对方的疑惑持续太久。

“这是分辨率测试靶标的一部分。”他指着屏幕上的竖条纹解释道,“根据光学成像的瑞利判据,使用波长λ=632.8nm的可见红光时,一个传统透镜的理论分辨率极限δ大约是0.61λ/ NA……换算到我们这个系统里,大概是在316nm左右。”

他指着屏幕上最清晰的那组条纹旁边标注的一组编号:

“您看这里,第10组第5元素,它对应的线对宽度是308nm……也就是说,对于一块正常意义上的透镜而言,在632.8nm波长下,不应该看清楚靶标上第10组第5元素以下的图案。”

常浩南说到这里,刻意停顿了一下:

“但是……”

他没有继续说下去,而是移动鼠标,在屏幕上快速搜索着。

很快,光标停留在屏幕靠左侧的一个区域。那里清晰地呈现出一个由三条竖直亮线组成的图案,亮线之间是等宽的黑线。

这个图案在屏幕上的标注正是“Group 10, Element 5”!

“嗯?”

栾文杰失声惊呼,身体不由自主地前倾,几乎要贴到屏幕上。

瑞利判据是物理学基础,他刚才已经听明白了这个测试的意思。

308nm,已经超过,至少是贴近了632.8nm波长所对应的分辨率极限

然而,眼前的三条亮线是如此清晰锐利,边缘平滑,没有一丝一毫的模糊或弥散感。

根本不像是在逼近理论极限,反而像是在分辨一个远大于极限的物体!

常浩南脸上依旧保持着那种掌控一切的平静,没有立刻解答栾文杰的震惊。

他只是再次移动鼠标控制着屏幕上的成像区域向下移动。

画面切换,来到了标注为“Group 10, Element 6”的区域。

这里的线条图案更加细密。

然而,图形中的三条亮线依旧清晰可辨。

其锐利程度与9-5相比,几乎没有肉眼可见的衰减!

“10组6元素,对应分辨率274nm!”

旁边的栗亚波适时报出数据。

栾文杰的双眼已经瞪得溜圆,彻底被眼前的景象所震撼。

274nm!

刚才的结果或许还能用误差解释。

但这此,已经明确无误地突破了632.8nm红光下理论衍射极限。

这完全颠覆了光学常识!

常浩南依旧沉默着,手指稳健地操控鼠标。屏幕上的画面继续向下移动:

Group 11, Element 1 (对应分辨率约244nm)–清晰!

Group 11, Element 2 (约218nm)–清晰!

Group 11, Element 3 (约194nm)–清晰!

……

栾文杰的心跳随着每一次画面切换而加速,呼吸也变得急促起来。

每一次清晰成像的出现,都在无情地冲击和粉碎着百年光学理论的基石!

画面再次切换:

Group 11, Element 4–三条亮线依然顽强地保持着可分辨的状态。

虽然对比度相比前面几组有所下降,亮线似乎也略微变细,但它们依旧清晰地并列着,中间的黑缝明确存在!

这已经将衍射极限甩开了相当一段距离!

栾文杰感觉自己的情绪似乎被调动了起来,他死死盯着屏幕拳头不自觉地握紧。

常浩南再次点击。

画面切换到了 Group 11, Element 5。

这一次,屏幕上的景象终于发生了变化。

那三条本应清晰独立的亮线,此刻却如同被水浸润的墨迹,边缘模糊,相互粘连、融合在一起,形成了一片边界不清的、亮度略高的弥散光斑,再也无法分辨出任何独立的线条结构!

“看不清了!”几乎是同一时间栾文杰和栗亚波两人异口同声地喊了出来!

脱口而出之后,前者才意识到自己好像有点失态。

但好在这里也没外人,所以他很快又重新盯上了眼前的屏幕。

“这个图案是11组5元素(Group 11, Element 5)!”

他准确地喊出了刚刚变得模糊的那个靶标元素的编号,声音因为激动而有些变调。

常浩南点点头,目光锁定在屏幕上最后那个清晰的图案上:“没错,所以最后一个能清晰分辨的,就是11组4元素。”他随即转向栗亚波,“亚波,靶板说明书。”

栗亚波立即把说明手册翻开,铺在键盘前面。

这本手册详细记录了USAF 1951分辨率靶标上每一组、每一个元素对应的精确线宽和分辨率数值。

由于11组的元素极其细微,极少在常规测试中使用,其具体数值连常浩南也无法立刻记清。

实验室里瞬间安静下来,只剩下几人略显粗重的呼吸声。

所有人的目光都聚焦在常浩南沿着表格不断移动的指尖上。

沿着目录快速找到11组,然后顺着元素编号向下移动,最终稳稳地停在了一个数字下面:

“Group 11, Element 4…… Resolution:0.173μm…… 173nm。”

173纳米!

这个数字如同一个惊雷,在小小的实验室里轰然炸响!

常浩南抬起头,目光扫过满脸震撼的栾文杰和激动得脸颊泛红的栗亚波,他的声音平静,却蕴含着足以改写教科书的力量:

“632.8nm波长红光下的理论衍射极限分辨率,按最宽松的瑞利判据计算,大约是316nm。按更严格的斯派罗判据或实际工程经验,通常认为在350nm附近。”

他顿了顿,每一个字都掷地有声:

“而我们观测到的、最后一个清晰可辨的11组4元素,其对应的分辨率是173nm。”

“即使考虑到测试中可能存在的微小误差,这个结果也明确无误地表明——”

常浩南的声音陡然拔高带着宣告般的穿透力:

“我们成功突破了传统光学成像系统的阿贝衍射极限!”

(本章完)

第1623章 超分辨率光刻

栾文杰的视线凝固在屏幕上最后那个清晰的“Group 11, Element 4”标识上,仿佛时间都要凝滞了。

173nm——

短暂的兴奋尽头过去之后,他不由得开始思考起这个数字背后的深层含义。

衍射极限,是光学系统中由电磁波衍射效应形成的分辨率理论上限,是光的波粒二象性的延伸。

如果往大了说,甚至可以算是现代物理学、乃至现代科学的基石之一。

而刚才发生在眼前的那一幕,似乎轻而易举地就把这块基石给粉碎了。

面对此情此景,任何一个了解过科学史的人都会马上想起一个多世纪以前。

那次粉碎了经典物理体系的进步。

“常院士……”

刚一开口,栾文杰差点被自己干涩的声音给吓到。

喉头滚动了几下之后,才找回原本的感觉。

“你跟我透个底……”他微微凑上前来,小声问道:“咱们这现代物理学的天空上,是不是又飘过来两朵‘乌云’?”

显然,栾文杰试图让自己的问题轻松一些。

但显然失败了。

反倒是常浩南脸上浮现出一丝笑意,半开玩笑地回应道:

“栾主任,我对气象学可没什么研究,更不会预报天气。”

然而,对方的神色反而更加严肃。

“我是认真的,常院士,您应该明白我的意思。”

他向前一步,目光灼灼地盯着常浩南:

“这结果……这已经不是在乌云边缘试探了,如果没有足以撼动现有物理定律的新发现,怎么可能让一块透镜的分辨率……这样轻易地超越了衍射极限?”

常浩南当然能理解对方的震撼。

实际上,在他第一次从理论上推导出这种可能性的时候,也觉得自己和爱因斯坦之间肯定有一个错了。

但后来发现并不是。

俩人都是对的。

“栾主任,您只说对了一半。”他轻轻摆了摆手:“实际在这个系统里,真正负责成像的,并不是传统意义上的‘一块透镜’。”

说罢,他没管栾文杰依旧困惑的眼神,只是对旁边的栗亚波示意:“亚波,把遮光罩撤掉。”

栗亚波立刻上前,小心翼翼地移开了那个黑色的圆柱形遮光罩。

平台上的景象瞬间一览无余。

“从光学模型上来说”常浩南指着暴露出来的核心区域,“是两块透镜,共同构成了这个突破极限的成像系统。”

栾文杰立刻凑近,几乎把脸贴到了光学平台上方,仔细端详着:

一块看似平平无奇、表面光洁的平面透镜。

以及,紧挨在它后面放置的一块……半透明的平板?

“就是它?”栾文杰指着那块平板,又看了看远处的成像屏。

“不不不……”常浩南摇头,“后面这个是成像平板,我说的另一块透镜,实际上是指这个系统中的气体。”

栾文杰似乎有点明白了:

“所以刚才的光,是先经过透镜照射到这块平板上成像,然后平板上的像……再被那个成像屏接收并显示出来?”

“正是如此。”常浩南点头赞许栾文杰的敏锐观察,“当然那个成像屏也可以阻挡光路,以免高强激光束射出测试范围,对其它设备或者人造成影响。”

栾文杰下意识伸出手,想要在透镜和平板旁边比划一下。

但旋即想起这东西恐怕不能乱碰,于是又缩了回去问道:

“那为什么要把成像平板紧贴着透镜放?”

“实际上是有缝隙的,大约1.5微米。”常浩南用手势比划了一个极其微小的距离,“只是肉眼难以分辨罢了。”

他戴上特制的防静电手套,极其小心地取下了那块位于透镜和平板之间的核心平板——那才是真正的成像元件。

然后,开始回答对方最开始的问题。

“衍射极限之所以存在,根本原因在于传统透镜无法将光聚焦到一个小于半波长的区域。”

常浩南将那块特殊的平板捏手中,展示到栾文杰面前:

“但我们的思路是,让光线在一组折射率绝对值相等但符号相反的材料界面上发生‘负折射’。”

他指向透镜和手中的平板:

“具体说,就是让从目标物体上发散出来的光线,在我们这块由负折射率材料制成的平板上实现聚焦,理论上就能绕过衍射极限的束缚,真正实现完美成像。”

说话间,目光扫过屏幕上那不太清晰的173nm分辨率靶标图案。

于是又补充道:

“当然,实际操作中,材料的虚部损耗和界面阻抗不匹配的问题会引入损耗,影响倏逝波的传输距离和最终的分辨力,所以还做不到理论上的完美成像……但把有效成像分辨率压缩到衍射极限的一半左右,就像刚才看到的那样,还是非常轻松的。”

“如果使用频谱宽度更窄、更纯净的光源,结合材料工艺的进一步优化,大概还能进一步推到四分之一。”

栾文杰站在原地感觉大脑里像是经历了一场信息风暴。

常浩南的解释每一个字他都听见了,但那些术语——“负折射”、“倏逝波”、“阻抗匹配”、“虚部损耗”——组合在一起,却形成了一个他难以在短时间内完全理解和消化的全新物理图景。

那种感觉,不是简单的“不懂”,而是认知框架被强行拉伸、甚至局部撕裂的冲击感。

这比单纯看到突破极限的结果更让他心神震动。

足足有半分钟,他只是看着常浩南手中的那块平板,又看看屏幕上清晰的图像,嘴唇动了动,却没能发出声音。

作为工建委主任他深知这种颠覆性技术的战略价值,但正因如此,那份源于未知的沉重感才更加强烈。

不过,哪怕这周围没有外人,如此目瞪口呆的样子也不适合维持太长时间。

“咳咳……”

栾文杰清了清嗓子,准备暂时略过光学理论部分,将话题拉回到更务实的层面:

“常院士,我明白了……嗯,至少明白这意义非凡。”他指指屏幕,“这个测试结果……我能不能拷贝一份带回去?向上级汇报时,这个直观的证据比任何语言都更有说服力。”

常浩南却摆摆手:

“栾主任,这个测试作为原理验证是成功的,但作为向非专业人士展示的材料,还是太抽象了。”

华夏的决策层多数是理工科出身不假,但几十年远离一线技术工作,未必还能想起来多少具体的知识。

他把手中的镜片放回原位,继续道:

“我计划用我们基于负折射原理制作的透镜,和一块传统PMMA(有机玻璃)透镜,同时对一幅专门设计的、包含200nm线宽特征的复杂微结构图案进行曝光成像,然后用原子力(AFM)显微镜对二者的成像结果进行表面形貌扫描。”

“到时候,把AFM扫描出来的三维形貌图并排放在一起——一边是细节清晰、边缘锐利的图像,另一边是糊成一团、根本分辨不出结构的‘马赛克’……视觉冲击力会更强。”

这个方案显然经过了深思熟虑,哪怕不懂物理的人,也能一眼看出差别。

“好!这个好!”栾文杰想象着那两幅对比鲜明的图像,紧绷的神经终于舒缓了一些, “非常直观!那我就等着你这边的AFM对比图了!”

(本章完)

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