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新型激光散斑角测量技术使X射线反射镜的高精度计量成为可能

479    2021-09-30    发布者:中国测试杂志社    来源:仪表网

导读:在Light: Science and Applications的一篇论文中详细介绍了一种新的激光散斑角测量 (SAM) 技术演示了如何显着减少斜率误差测量。
  这很重要,因为 X 射线反射镜广泛用于同步辐射设备、X 射线自由电子激光器和天文 X 射线望远镜。然而,短波长和掠入射对允许的斜率误差施加了严格的限制。
  尽管先进的抛光技术产生了具有斜率误差(低于 50 nrad 均方根 (rms))的反射镜,但许多现有的计量技术难以测量它们。
  此外,SAM 结构紧凑、成本低,可与大多数现有的 X 射线反射镜计量仪器集成。
  Diamond Light Source 光学与计量学组的 Hongchang Wang 博士、Simone Moriconi 和 Kawal Sawhney 教授撰写的论文“具有激光散斑角测量的 X 射线镜的纳米精密计量”描述了一种新的计量仪器以及他们的团队开发的新技术。基于散斑角测量 (SAM),它可以超越当前计量技术的许多限制,并为表征强烈弯曲的高质量 X 射线镜提供前所未有的精度。
  现代同步辐射设备和无 X 射线电子激光器为尖端科学和工业研究提供高亮度 X 射线。X 射线束的成功开发和有效利用取决于所用光学器件的质量。X 射线反射镜是关键的光学元件,因其高效率和固有消色差的卓越特性而被广泛使用。
  X 射线反射镜的高度误差(表面偏离理想轮廓)不可避免地会降低波前和聚焦性能。对于要求最高的 X 射线应用,例如极端能量分辨率或纳米聚焦,所需的高度误差通常低于 1 nm rms。因此,X 射线反射镜的制造和计量构成了重大挑战。
  高级光学科学家兼该研究的主要作者 Hongchang Wang 博士解释了这项新技术的优势:我们开发的基于散斑的计量仪器 SAM 是一种紧凑、低成本的仪器,易于与大多数其他现有的 X 射线反射镜计量仪器。
  重要的是,它允许以纳米级精度对二维强曲面镜进行准确测量。这是大多数现有计量仪器所缺乏的功能,并弥补了 X 射线在其能力方面所面临的差距-射线镜计量学界。

“如果你不能测量它,你就无法改进它”,这句话在超抛光 X 射线镜的制造和表征中尤其正确。
  在论文中,该团队证明,通过利用先进的亚像素跟踪算法,可以将斜率误差测量的角度精度降低到 20nrad rms。该团队表示,这种新的纳米计量方法可能为开发下一代超抛光 X 射线镜开辟新的可能性,这也将推动同步辐射、自由电子激光器、X 射线纳米探针、相干保持、天文物理学的发展和望远镜。
  Diamond 首席光束线科学家兼光学与计量小组负责人 Kawal Sawhney 教授补充说:“这种新型仪器将增强我们最先进的计量实验室的能力在 Diamond 并让我们能够对用于将 Diamond 升级为低发射 Diamond-II 源所需的极高品质 X 射线镜进行计量测试。X 射线镜的供应商也会发现这种新仪器很有吸引力,因为这将使他们能够制造出比目前质量更高的光学器件。”
  高精度 X 射线反射镜不断改进和开发,以跟上同步加速器到衍射限制存储环的全球升级。为了克服当前计量技术的局限性,该团队开发了这种新的 SAM 光学扫描头和方法,认识到更准确地测量镜面图形对于下一代 X 射线镜来说至关重要,使它们能够利用改进的光源并满足新的需求。
  SAM 设置看似简单(图 1)。2D 随机强度图案(散斑)是通过使激光穿过漫射器产生的,它们可以被视为具有不同特征的多个笔形光束。因为每个散斑图案具有独特的特征,散斑可以被视为一组多个波前标记。镜面测量区域上镜面斜率的变化会改变散斑图案。然后,通过使用先进的亚像素算法精确跟踪散斑位移,可以在二维纳米弧度水平上测量被测表面 (SUT) 的斜率变化。
  SAM 可以轻松安装在现有的异地计量台架上。它可以生成二维表面轮廓,提供有关 X 射线反射镜表面轮廓的丰富信息。除了更大的扫描角度范围和出色的重复性之外,还实现了高精度。
  SAM 仪器还可以通过在整个镜面执行 SAM 的 2D 光栅扫描,潜在地用于测量环形、椭圆形和抛物面镜。最后,SAM 仪器不仅限于同步加速器 X 射线反射镜,还可以应用于自由曲面光学和其他领域的高质量反射镜,例如极紫外光刻和激光点火。
  目前可用的计量技术来指导提高 X 射线反射镜制造质量的最新努力变得越来越具有挑战性。基于 SAM 的新技术和仪器使用非常多的散斑,即使在单个图像中也能提供更好的统计数据和更少的随机噪声。这一显着特征将有可能使提议的 SAM 计量技术广泛用于超精密计量和下一代 X 射线镜的进步。
  Diamond 物理科学总监 Laurent Chapon 评论道;“这项由钻石光学与计量集团成员集中开发的令人兴奋的散斑角测量新技术将能够扩展当前计量仪器的能力。对于下一代 X 射线镜,需要跟上新的 X-射线源以及对更大连贯性和更紧密聚焦的不断增长的需求,SAM 将是及时的援助来源。”



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