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K-B镜面形高精度检测技术研究进展

发布时间:2020-09-27 14:30 所属分类:电子论文 浏览次数:1293次 加入收藏
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摘要:以新一代同步辐射光源和全相干 X 射线自由电子激光为代表的先进光源已成为众多学科领域中一种不可或缺的 研究工具。先进光源技术不断进步,驱动超精密光学制造快速发展,先进光源中关键聚焦光学元件 K-B 镜的面形精度是 影响光源性能的重要指标,要求其在几十纳弧度以下。然而,高精度 K-B 镜面形检测技术依然存在较大技术挑战,一直 是国内外研究热点。本文介绍了反射式轮廓测量技术即长程轮廓仪(LTP)、纳米测量仪(NOM)以及拼接干涉检测技术 等典型 K-B 镜面形检测技术的基本原理,对比分析了其技术特点,综述了国内外 K-B 镜面形检测技术的研究现状和最 新进展,对发展趋势进行了展望。


  关 键 词:X 射线光学;K-B 镜;光学测量;面形检测;拼接干涉

1 引 言


  自 19 世纪,威廉·康拉德·伦琴首次发现 X 射 线以来,基于 X 射线的仪器很快在医学、材料科 学、化学、生物学和公共安全等众多领域得到广 泛应用。为了解决 X 射线的聚焦问题,1948 年 Kirkpatrick 和 Baez 根据掠入射思想设计出了 Kirkpatrick-Baez(K-B) 镜 ,该系统极大促进了 X 射线光学的发展[1]。


  K-B 镜在保证高反射率的情 况下,可实现接近衍射极限的聚焦,被广泛用于众 多不同类型先进光源的光束线建设中,如相干 X 射线衍射成像 (CDI) 中的聚焦元件、极紫外光 光刻 (EUV) 检测装置以及 X 射线显微镜等[2-4]。 同时,K-B 镜作为 X 射线光学中的关键光学元 件,在惯性约束核聚变领域,是用于诊断等离子体 的 X 射线显微镜以及天文领域中 X 射线望远镜 的重要部件[5-6]。 先进光源光束的亮度历经三代发展有了质的 飞跃,其后则是对 K-B 镜面形的严苛要求,如表 面残余斜率误差在 50 nrad RMS 以内,自由电子 激光则要求面形高度误差在 2 nm P-V 以内[7-8] ,这 无疑对 K-B 镜高精度面形检测技术提出很大的 挑战。


  早期的 K-B 镜面形检测装置主要是接触 式轮廓仪[9] ,但接触式轮廓仪测量镀膜光学元件 时会在反射表面上留下细小的痕迹 , 20 世纪 80 年 代 , 以 长 程 轮 廓 仪 (LTP) 和 纳 米 测 量 仪 (NOM) 为代表的非接触轮廓测量技术已经取代 了接触式测量技术,成为 K-B 镜面形检测的主流 技术。随着对先进光源研究的深入,人们逐渐认 识到 K-B 镜面形的中频波纹以及高频粗糙度会 产生不同角度的散射,从而使得焦点对比度下降 以及像面模糊。


  同时,先进光源光束线建模及性能 模拟软件需要测量光学表面的高精度二维甚至三 维面形信息[10] ,因此对 K-B 镜面形检测要求不再 局限于一维轮廓信息。通常 LTP/NOM 反射式轮 廓测量技术的横向分辨率约为 1 mm,这决定了低频轮廓信息是其主要测量频段。


  尽管 LTP/NOM 反射式轮廓测量技术可以通过不同路径的多次扫 描以及数据处理可以实现多维测量,但该技术具 有一定的局限性。因此在 21 世纪初逐渐发展出 拼接干涉测量技术以满足不断提高的检测要求。 本文将介绍 K-B 镜面形检测方法的发展过程中 具有代表性的检测技术,并对比分析了各种检测 技术的特点以及发展趋势,重点介绍拼接干涉测 量技术特点及发展趋势。


  2 K-B 镜概念


  K-B 镜系统包括两个正交组合的凹面反射 镜 (图 1(a)),其中每个反射镜可实现一个维度上 的聚焦,通过两个反射镜的正交组合可实现二维 聚焦特性。K-B 镜面形形状主要有椭圆柱面、抛 物面,其中椭圆柱面用于点对点成像,抛物面用于 准直光束聚焦。 K-B 镜一般工作在掠入射状态下以满足高反 射率要求,其距先进光源波荡器可达到数十米以 上,其通光口径长度一般可达数百毫米甚至可达 1.5 m[8]。为了使 K-B 镜具有较短的焦距,这些圆 柱面通常具有大弧矢半径,在一百米到几公里以 内,而它们的子午半径仅有几厘米[11]。


  3 K-B 镜面形检测技术原理


  3.1 反射式轮廓测量技术


  反射式轮廓测量技术是在顺序扫描法的基础 上发展形成的,利用光沿直线传播定理,通过入射 光线在待测面不同位置处反射光线角度的相对变 化获得待测面面形信息,具体是将待测面上不同 位置的相对角度通过特定光路变换成探测器上条 纹或光斑的相对位移,通过扫描装置获取待测表 面斜率的曲线分布,再根据斜率积分原理得到待 测面相对高度曲线。典型仪器有利用细光束干涉 的长程轮廓仪及基于自准直仪的纳米测量仪。


  4 K-B 镜面形检测技术发展历程


  4.1 反射式轮廓测量技术


  LTP 作为首个用于测量 K-B 镜面形斜率的 测量装置,具有非接触、高精度的优点。其经过 30 多 年 的 发 展 , 发 展 出 LTP-II、 PPLTP、 LTPMF 等多种型号[19-23] ,精度以及测量范围得到极大 的提升;同时,LTP 也由一维面形检 测技术逐步发展出基于夏克-哈特曼传感器的二 维面形检测技术 (SSH-OH),广泛用于美国 NSLSII 的面形检测[24- 25]。


  NOM 作为第二代非接触式表面轮廓仪,自首 次在德国 BESSY-II 投入使用以来,科研人员便一 直对其进行技术改进 ,其改进型号 DiamondNOM 在改进机械结构以及光路的基础上对平面 实现了 50 nrad RMS 的测量精度[16, 26] ;2016 年 , Qian 等人对 NOM 进一步改进,研制出了 NSP,通 过引入一支参考光路校正扫描三棱镜在扫描过程 中的俯仰误差[27] ,对球面实现了 50 nrad RMS 的 测量精度。基于 NOM 发展出许多面形测量装 置,如 ESAD (Extended Shear Angle Difference)[28]、 光 学 表 面 测 量 系 统 (Optical Surface Measuring System, OSMS)[29] 等。


  5 K-B 镜面形检测技术发展趋势


  先进光源聚焦光斑尺寸从微米发展到纳米, 未来甚至将达到亚纳米 ,对 K-B 镜面形精 度的要求也越来越严苛。根据德国 BESSY-Ⅱ光 学计量实验室 X 射线反射镜面形精度统计数据, 从 1990 年到 2020 年,K-B 镜斜率误差容限已经 从 5 μrad 提高到 100 nrad,未来将达到 50 nrad 以 下[36]。可以预见,K-B 镜面形检测技术未来将会 朝着纳弧度精度快速发展。从接触式扫描轮廓仪 到非接触式的长程轮廓仪和纳米测量仪,再到现如今蓬勃发展的拼接干涉测量技术,K-B 镜面形 精度要求的不断提高是推动其面形检测技术发展 的根本动力。


  除此之外,K-B 镜还要满足大口径、高陡曲 面以及全频段的设计要求;经典 K-B 镜通过将两 个一维椭圆柱镜进行组合实现 X 射线聚焦功能, 由于装调误差的限制使其聚焦光斑尺寸无法达 到亚纳米以下,近期国际上提出利用椭面镜实 现 X 射线亚纳米聚焦,而这要求在保证 K-B 镜 面形检测技术检测精度的前提下,拓宽其检测范围,使其具备二维曲率面形检测能力。纵观 KB 镜面形检测技术的发展过程,最初是建 立在精密机械基础上的接触式轮廓仪;随着光 学,特别是激光、电子技术以及自动化技术的发展,反射式轮廓仪,如 LTP、NOM,得到广泛应 用;之后,计算机、微电子行业的蓬勃发展使得数据收集、处理能力能够支撑拼接干涉测量技 术,从而使 K-B 镜面形检测技术迈向了二维、宽 频段的更高层次。


  光学论文投稿刊物:《光学与光电技术》Optics & Optoelectronic Technology(双月刊)2003年创刊,属无线电电子学电信技术类学术型刊物,是民用与军用相结合怕综合性光电技术信息载体,由中国船舶重工集团公司华中光电技术研究所与湖北省光学学会联合主办。


  6 总 结


  随着 X 射线光学的发展,对同步辐射光源性 能要求越来越严苛,使得对 K-B 镜的面形的要求也越来越高。对大口径、复杂面形、全频段的测 量以及二维甚至对三维面形测量,都对其面形检 测技术提出了严苛考验。LTP/NOM 作为成熟的 斜率测量技术,依然是主要的 K-B 镜面形检测工具,其检测能力不断提高。


  X 射线光学的发展使得人们要对 K-B 镜面形检测技术不断进行改进, 以满足日益严苛的检测要求。从现实需求来看, 反射式轮廓测量技术已无法满足 K-B 镜面形检测的发展需求,而高精度拼接干涉测量技术的测 量范围不断拓展、测量精度以及测量效率不断提高,必将成为 K-B 镜面形检测的关键技术之一。 其与反射式轮廓测量技术互为补充,用于实现高精度 K-B 镜面形检测。


  参考文献:


  KIRKPATRICK P, BAEZ A V. Formation of optical images by X-rays[J]. Journal of the Optical Society of America, 1948, 38(9): 766-774. [1]


  GIEWEKEMEYER K, WILKE R N, OSTERHOFF M, et al.. Versatility of a hard X-ray kirkpatrick –baez focus characterized by ptychography[J]. Journal of Synchrotron Radiation, 2013, 20(3): 490-497.


  作者:张 帅1,2,侯 溪1 *


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