Optical microscopes have been workhorses in analyzing biological objects or microscopic structures. With the progress of microscope technology, the spatial resolution of optical microscopes has reached the diffraction limit of optical wavelengths, $\sim$ 200 nm. In order to resolve even smaller features efforts have been made to develop new light sources in extreme ultraviolet (EUV) and x-ray wavelengths. The use of electrons enabled a resolution to atomic scale, and electron microscopes have grown into a useful tool of biology and material science. But the electron microscope was limited to the surface analysis or thin samples because of the low penetration depth of electron. X-rays with high penetration depth were thus attracted by researchers. With the invention of synchrotron radiation and x-ray optics such as Fresnel zone plates, soft x-ray microscopes have been successful in imaging small objects and become popular in biology, material and surface science. At present, most soft x-ray microscopes have adopted synchrotron as a light source due to high spectral brightness and stable operation. The large facility size and limited accessibility of synchrotron, however, has prompted strong motivation to look for alternative tabletop x-ray sources, such as x-ray laser and laser-plasma x-ray. The imaging results obtained with these table-top sources have showed good potential for compact x-ray microscopes, analogous to the ones using synchrotron radiation.
High harmonic generation (HHG) is another prospective method of producing a coherent light in EUV and soft x-ray regions. High harmonics (HOH) are an x-ray source with compact size, high spatial coherence, and moderate monochromaticity. HOH are emitted from the interaction between intense femtosecond laser pulse and gaseous atoms, and only odd harmonics are generated due to the inversion symmetry of gaseous atoms in the laser field. The harmonic spectrum can cover a very wide spectral range from EUV to soft x-ray region. HOH possess excellent spatial coherence and low beam divergence, inherited from the driving laser, and has the advantage of a tabletop scale. HOH can, thus, be a valuable light source in EUV/soft x-ray interferometry, holography, and microscopy with nanometer resolution. In addition, as the pulse duration of HOH is in the range from femtosecond to attosecond, HOH can play a crucial role in the analysis of ultrafast atomic and molecular phenomena.
A soft x-ray transmission microscope has been constructed using high harmonic radiation as a table-top x-ray source. The 61st harmonic at 13 nm from neon atoms driven by intense femtosecond laser pulses was used as a light source, and the harmonic spectrum was optimized by controlling laser chirp to obtain strong and sharp harmonic within the spectral bandwidth of multilayer x-ray mirrors. The combination of a Mo/Si multilayer concave mirror and a Fresnel zone plate were used as a condenser and a microscope objective of the microscope, respectively. From the images of fine structures taken with the microscope the spatial resolution was estimated to be about 130 nm. The measurements showed good potential of high harmonic radiation as a table-top soft x-ray source suitable for high-resolution microscopy as well as for interferometry. The harmonic x-ray source will be also valuable for such applications as the inspection of optical components used in EUV lithography since the strongest emission of high harmonics from neon coincides with the EUV lithography wavelength at 13 nm.
광학현미경은 생물학적 샘플 및 미세 구조를 분석하는데 매우 유용한 도구로 자리잡았으며, 현미경의 기술이 발전함에 따라 광학현미경의 분해능은 회절한계에 도달하였다. 현미경의 분해능은 광원의 파장에 의해 제한되므로, 더 미세한 구조를 확인하기 위해서는 극자외선 및 엑스선 영역의 광원이 필요하게 되었다. 전자현미경의 개발은 원자 수준의 분해능을 얻을 수 있게 되었으며, 생물학 및 재료과학 등의 연구분야에 많은 기여를 하였다. 하지만 전자의 특성으로 인해 전자현미경은 샘플의 표면 및 매우 얇은 두께의 샘플에 국한되었다. 엑스선은 높은 투과성을 가지고 있어 샘플을 손상시키지 않고 관측할 수 있다는 장점으로 연구자들에게 매력적인 것이었다. 방사광 및 구역판이 개발됨에 따라 엑스선 현미경이 제작되어 생물학 및 재료과학 등 여러 분야의 연구에 널리 사용되고 있으며, 현재 대부분의 엑스선 현미경은 방사광을 광원으로 제작되고 있다. 하지만 방사광은 큰 시설 규모로 인해 연구자들의 낮은 접근가능성으로 실험실 수준의 엑스선 광원 개발에 많은 연구가 이루어졌으며, 그 결과 엑스선 레이저, 레이저-플라즈마 엑스선 광원 및 고차조화파 등의 엑스선 광원이 개발되었다. 이렇게 개발된 광원으로 제작된 엑스선 현미경은 방사광을 이용한 현미경과 유사한 성과를 보여주고 있다. 고차조화파는 고출력 펨토초 레이저와 기체원자의 상호작용에 의해 발생하는 것으로, 간단한 발생장치, 높은 결맞음성, 낮은 발산각 등의 장점을 가지고 있으며, 극자외선부터 연엑스선 영역의 스펙트럼을 가지고 있다. 따라서 고차조화파는 나노미터의 분해능을 가진 현미경, 간섭측정, 홀로그래피 등에 매우 유용하게 사용될 수 있다. 또한 펨토초 또는 아토초 영역의 펄스폭을 가져 원자 및 분자의 초고속 현상을 연구하는데 큰 기여를 할 수 있다.
본 연구는 고차조화파를 광원으로 연엑스선 투과 현미경을 제작하여 성능 평가에 관한 것이다. 고출력 펨토초 레이저를 네온기체에 집속하여 발생한 고차조화파 중에서 Mo/Si 다중박막거울을 사용하여 61차(13 nm) 조화파를 선택하여 광원으로 사용하였으며, 집광효율을 향상시키기 위해 집광기로 Mo/Si 다중박막 구면거울을 사용하였으며, 결상광학계로는 프레넬 구역판을 사용하였다. 제작한 현미경으로 미세구조를 관측한 결과, 대략 130 nm의 분해능을 얻었다. 본 연구는 고차조화파가 나노미터 수준의 분해능을 가진 현미경 및 간섭계에 응용될 수 있음을 보였으며, 극자외선 리토그래피에 사용되는 광학소자의 표면 검사 등 여러 분야에 활용될 수 있다.
