1 同济大学物理科学与工程学院精密光学工程技术研究所，上海 200092
2 上海大学理学院，上海 200444
3 中国科学技术大学国家同步辐射实验室，安徽 合肥 230029
Mo/Si多层膜是13.5 nm极紫外波段理想的反射镜膜系，它与极紫外光源的结合使得极紫外光刻成为了目前最先进的制造手段之一。极紫外光源的实际应用对Mo/Si多层膜提出了高反射率、高热稳定性、抗辐照损伤、大口径等诸多要求。针对极紫外光源用Mo/Si多层膜面临的膜厚梯度控制和高温环境问题，利用掩模板辅助法对大口径曲面基底上不同位置处的多层膜膜厚进行修正；选择C作为扩散阻隔层材料，对磁控溅射法制备的Mo/Si、Mo/Si/C和Mo/C/Si/C三种多层膜在300 ℃高温应用环境下的热稳定性展开了研究。研究结果表明：通过掩模板辅助的方式能够将300 mm口径曲面基底上不同位置处的Mo/Si多层膜膜厚控制在预期厚度的±0.45%以内，基底上不同位置处Mo/Si多层膜的膜层结构和表面粗糙度基本相同；引入C扩散阻隔层后，经过300 ℃退火，Mo/Si多层膜的反射率损失从9.0%减少为1.8%，说明C的引入能够有效减少高温对多层膜微结构的破坏和对光学性能的影响，提高了多层膜的热稳定性。
激光光学 极紫外光源 Mo/Si多层膜 磁控溅射 膜厚控制 热稳定性
施宇智 1,2,3,4,*赖成兴 1,2,3,4夷伟成 1,2,3,4黄海洋 1,2,3,4[ ... ]程鑫彬 1,2,3,4,**
1 同济大学物理科学与工程学院，同济大学精密光学工程技术研究所，上海 200092
2 先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092
3 上海市数字光学前沿科学研究基地，上海 200092
4 上海市全光谱高性能光学薄膜器件及应用专业技术服务平台，上海 200092
5 香港理工大学电机与电子工程学系，香港 999077
6 新加坡国立大学电气与计算机工程系，新加坡 117583
光镊技术利用光和物质之间动量交换产生的光力对细小颗粒进行操控，具有无接触、操控尺寸小、精度高等特点，在基础物理、量子计算、生物医学等领域得到了广泛的应用。其中，横向光力（也称光横向力，OLF）是一种垂直于光的传播方向且与场强度梯度无关的特殊光力。近十年来，OLF的理论研究和实验探索成为了热点课题，在手性颗粒等超精密分选、光动量探测等方面有重要应用。从OLF的原理和产生条件、不同物理机制，以及在生物医学和物理化学等领域的应用等方面出发，对OLF的发展进行回顾和讨论，并对新的产生机制和更多的潜在应用与挑战进行展望。
横向光力 角动量 光学操控 光学自旋 手性颗粒 李程峰 1,2,3何涛 1,2,3,*施宇智 1,2,3魏泽勇 1,2,3[ ... ]程鑫彬 1,2,3,**
1 同济大学物理科学与工程学院精密光学工程技术研究所，上海 200092
2 同济大学物理科学与工程学院先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092
3 上海市数字光学前沿科学研究基地，上海 200092
光束偏折是光场操控的一项重要能力，也是众多光学应用的基础。随着光学技术的蓬勃发展，越来越多的应用场景迫切需要能够兼顾小型化和高效率的光束偏折光学器件。超构表面是人工原子按特定宏观排列方式构建而成的平面器件，具有强大的电磁场调控能力，能够在亚波长尺度下将光束偏折到任意非镜面方向，有望在实际应用中发挥巨大作用。从超构表面实现高效率异常偏折的物理机制出发，对超构表面异常偏折的应用研究进行回顾和讨论，同时也对潜在的挑战进行总结，对异常偏折超构表面及其应用的未来发展进行展望。
激光与光电子学进展
2024, 61(10): 1000001
冯超 1,2,3何涛 1,2,3,*施宇智 1,2,3王占山 1,2,3程鑫彬 1,2,3
1 同济大学物理科学与工程学院精密光学工程技术研究所，上海 200092
2 同济大学物理科学与工程学院先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092
3 上海市数字光学前沿科学研究基地，上海 200092
偏振作为光场的基本自由度，在众多光学技术领域中有着十分广泛的应用。光学器件的偏振操控性能常用琼斯矩阵来表示，琼斯矩阵中可控通道数目的多少表征了对应光学器件的偏振调控能力强弱。随着光学技术的蓬勃发展，诸如偏振成像、通信编码、光学加密等前沿应用迫切需要光学器件能够独立调控多个琼斯矩阵通道，同时兼顾小型化。超表面作为由人工亚波长微结构按照特定序列排列而成的平面光学器件，天然具备集成化的优势，且对电磁波具有强大的调控能力，有望在偏振光学器件领域发挥巨大作用。从超表面的相位、振幅调控机理出发，按照可调控的通道数目从少到多对超表面调控琼斯矩阵的发展进行了系统梳理，并对超表面琼斯矩阵调控技术的未来发展进行了展望。
超表面 琼斯矩阵 偏振调控 多功能集成 激光与光电子学进展
2024, 61(1): 0123001
司昊轩 1,2,3,4许昊 1,2,3,4杜慧瑶 1,2,3,4伊圣振 1,2,3,4,*王占山 1,2,3,4,*
1 同济大学 物理科学与工程学院，精密光学工程技术研究所，上海 200092
2 同济大学 先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092
3 上海市数字光学前沿科学研究基地，上海 200092
4 上海市全光谱高性能光学薄膜器件与应用专业技术服务平台，上海 200092
针对靶用高Z金属薄膜的无损检测需求，提出了一种通过超环面弯晶聚焦型X光单能成像器件，实现金属薄膜均匀性及面密度等参数精确标定的测量技术。该技术即通过高通量、高单能性成像，定量获取薄膜X光透过率及其空间分布，有效提升了面密度测量的精度，同时实现了对其均匀性的高空间分辨评估。从总体方案设计、元器件制备和测试实验等方面开展了深入研究，并评估了各种可能因素对测量不确定度的影响。所发展的超环面弯晶成像系统针对20 keV级的高能X射线在mm尺度内实现了优于5 μm的微区分辨，能谱分辨达到几eV。通过泡沫金样品面密度测量实验证明了技术可行性，相对不确定度优于2%。研究结果为激光惯性约束聚变高Z靶材料的精密无损检测提供了一种新的测量技术，并有望应用于其他需要大视场、高空谱分辨成像的需求领域。
金属薄膜 X射线成像 超环面弯晶 高谱分辨 面密度测量 metal foil X-ray imaging toroidal crystal high spectral resolution surface density measurement 强激光与粒子束
2023, 35(11): 112001
1 同济大学 物理科学与工程学院 精密光学工程技术研究所，上海 200092
2 同济大学 先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092
3 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，绵阳 621900
提出了一种采用球面弯晶聚焦结构获得高亮度桌面型单能X射线的方法。在子午方向利用晶体色散实现单能、在弧矢方向通过球面镜聚焦提高光强。理论建模和光学仿真评估了该结构的色散和聚焦性能，验证了球面弯晶聚焦结构相对于柱面弯晶在聚焦特性上的显著优势。针对Al靶Kα1线单能需求，设计和装调了基于低功率Al靶X射线管的单能装置，并实验验证了其性能。结果显示，当X射线管工作在7 W功率条件下，CCD曝光10 min，Al靶Kα1线全视场光谱的探测器计数大于2×105，能谱展宽约为0.592 eV；引入200 μm限束光阑，能谱展宽进一步减小至0.493 eV，探测器计数约为2×104。研究结果证实了该装置可以有效获得高亮度Al靶Kα1谱线，也为精确测量光学器件和系统的光谱特性提供了一种新的获得高亮度单能X射线的技术途径。
球面弯晶聚焦 高亮度 高单能性 桌面型 X射线源 Spherical bent-crystal focusing structure High intensity High monochromaticity Desktop X-ray source 
Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Precision Optical Engineering, MOE Key Laboratory of Advanced Micro-Structured Materials, Shanghai Frontiers Science Center of Digital Optics, Shanghai Professional Technical Service Platform for Full-Spectrum and High-Performance Optical Thin Film Devices and Applications, School of Physics Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
2 Research Center of Laser Fusion, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China
Curved crystal imaging is an important means of plasma diagnosis. Due to the short wavelengths of high-energy X rays and the fixed lattice constant of the spherical crystal, it is difficult to apply the spherical crystal in high-energy X-ray imaging. In this study, we have developed a high-energy, high-resolution X-ray imager based on a toroidal crystal that can effectively correct astigmatism. We prepared a Ge toroidal crystal for backlighting Mo Kα1 characteristic lines ( keV) and verified its high-resolution imaging ability in high-energy X-ray region, achieving a spatial resolution of 5–10 µm in a field of view larger than 1.0 mm.
laser plasma diagnostics toroidal crystal monochromatic X-ray imaging Chinese Optics Letters
2023, 21(10): 103401
1 同济大学物理科学与工程学院，同济大学精密光学工程技术研究所，上海 200092
2 先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092
3 上海市数字光学前沿科学研究基地，上海 200092
4 上海市全光谱高性能光学薄膜器件与应用专业技术服务平台，上海 200092
光镊技术通过在细小物体上施加光力对物体进行操控，而伴随光力产生的光力矩同样广泛存在于光学操控中。光力矩与光力一样，具有无接触、操控尺寸小、精度高等特点，在生物医学、物理学和量子科学等领域被广泛应用。光力矩根据其与施加光场偏振旋向的关系可分为正光力矩和负光力矩。从正负光力矩产生的原理和条件、光力矩的增强、光力矩的物理和生物应用出发，对光力矩光镊操控进行回顾和讨论，最后对光力矩光镊操控潜在的挑战进行了总结，对其未来的发展方向如微型扭矩测量、光驱动生物机器人等进行了展望。
光力矩 光镊 光流控 多功能操控 生物颗粒 光学学报
2023, 43(16): 1623012
1 同济大学先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092
2 同济大学物理科学与工程学院精密光学工程技术研究所，上海 200092
为解决传统双波段红外成像系统构型复杂的问题，提出了一种将自由曲面棱镜引入双波段成像系统的一体式构型。基于设计中约束追迹光线角度的低灵敏度优化方法，实现了F数为1、焦距为20 mm、视场角为21.8°×16.4°的双波段（3.7~4.8 μm和8.0~12.0 μm）红外光学系统。在20 lp/mm空间频率处，系统中波红外波段和长波红外波段内所有视场的调制传递函数（MTF）分别高于0.79和0.67。经公差分析可知，该自由曲面棱镜的制造可采用单点车削机床实现。同时，完成了长波红外自由曲面棱镜的试制。
光学设计 自由曲面棱镜 红外双波段 公差分析
1 同济大学物理科学与工程学院先进微结构材料教育部重点实验室，精密光学工程技术研究所，上海 200092
2 中国科学院上海高等研究院，上海 201204
为满足同步辐射装置中X射线单色器的需求，在直线式磁控溅射设备上制备了W/Si和Ru/C双通道多层膜反射镜。制备的W/Si多层膜和Ru/C多层膜的周期厚度均为3 nm，平均界面宽度分别为0.30 nm和0.32 nm。在320 mm长度范围和20 mm宽度范围内，W/Si多层膜膜厚误差的均方根值分别为0.30%和0.19%，Ru/C多层膜膜厚误差的均方根值分别为0.39%和0.20%。对制备的样品进行了表面形貌测试和非镜面散射测试，对比了W/Si多层膜和Ru/C多层膜的表面和界面粗糙度大小。硬X射线反射率测试结果表明，W/Si多层膜和Ru/C多层膜在8.04 keV能量点处的一级布拉格峰测试反射率分别为63%和62%，角分辨率均为2.6%。基于以上研究，在尺寸为350 mm×60 mm的高精度Si平面镜表面镀制了W/Si和Ru/C双通道多层膜，并且其被成功应用于上海同步辐射光源线站中。
X射线光学 双通道多层膜 磁控溅射 均匀性 反射率
