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
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
Author Affiliations
Abstract
1 MOE Key Laboratory of Advanced Micro-Structured Materials, Shanghai 200092, China
2 Institute of Precision Optical Engineering, School of Physics Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
3 Center for Transformative Science, ShanghaiTech University, Shanghai 201210, China
In this paper, a simple theoretical model combining Monte Carlo simulation with the enthalpy method is provided to simulate the damage resistance of B4C/Si-sub mirror under X-ray free-electron laser irradiation. Two different damage mechanisms are found, dependent on the photon energy. The optimum B4C film thickness is determined by studying the dependence of the damage resistance on the film thickness. Based on the optimized film thickness, the damage thresholds are simulated at photon energy of 0.4–25 keV and a grazing incidence angle of 2 mrad. It is recommended that the energy range around the Si K-edge should be avoided for safety reasons.
B4C film XFEL damage mechanism damage threshold enthalpy method Chinese Optics Letters
2023, 21(2): 023401
同济大学 物理科学与工程学院 精密光学工程技术研究所，先进微结构材料教育部重点实验室，上海市数字光学前沿科学研究基地，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
极紫外、X射线为微观物质认识、宏观空间探测提供了高精度的观测手段，但这类观测的实现需要大量高精度光学反射元件的支撑。由于极紫外、X射线在光学表面更易发生散射，其光学反射镜基底的精度需求和制作技术也明显区别于长波元件。近年来，同济大学精密光学工程技术研究所建立了极紫外、X射线反射元件基底的超精密加工与检测平台，研发了超光滑非球面的离子束修形技术，提出了基于泽尼克多项式的随机离轴旋转绝对检测方法，形成了极紫外、X射线光学用反射镜基底的高精度全流程研制技术，并将该技术成功地应用于国内和国际短波光学大科学装置中。本文综述了本课题组在极紫外、X射线用反射镜制作领域中的研究进展。
超精密加工 极紫外 X射线 反射镜基底 非球面元件 绝对检测 ultra-precision machining extreme ultraviolet X-ray reflector substrates aspheric surface absolute measurement 光学 精密工程
2022, 30(21): 2688
同济大学 物理科学与工程学院 精密光学工程技术研究所，先进微结构材料教育部重点实验室，上海市数字光学前沿科学研究基地，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
极紫外正入射光学系统广泛应用于生物结构显微成像、等离子体诊断、太阳物理观测和极紫外光刻等领域中，对其开展深入研究具有重要意义。本文对同济大学精密光学工程研究所在极紫外正入射光学系统方面的最新进展进行介绍，列举了应用于超热电子诊断、微纳成像、极紫外辐照损伤及Z箍缩等离子体诊断等不同场景中的多套正入射光学系统。这些系统分别在相应的应用中实现了优异的性能表现：毫米级视场内微米级的空间分辨；几十微米级视场内亚微米的超高空间分辨；大数值孔径下的超高能量密度极紫外辐照及多能点多通道的时空间诊断。研究所在极紫外正入射光学系统研究中取得的进展为我国等离子体诊断设备的自主可控及高端制造装备的技术储备提供了有力支持。
极紫外 多层膜 Schwarzschild系统 等离子体诊断 成像系统 聚焦系统 extreme ultraviolet multilayer Schwarzschild system plasma diagnostics imaging system focusing system 光学 精密工程
2022, 30(21): 2678
同济大学 物理科学与工程学院 精密光学工程技术研究所，先进微结构材料教育部重点实验室，上海市数字光学前沿科学研究基地，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
极紫外-真空紫外高性能薄膜光学元件的发展对天文、材料、物理等学科具有重要意义。本文主要介绍了同济大学精密光学工程技术研究所在高性能极紫外-真空紫外薄膜光学元件的最新进展。展示了极紫外-真空紫外波段（10~200 nm）用薄膜反射镜、薄膜单色器和薄膜起偏器的研究成果。为适应不同的使用需求和环境，开展薄膜内部微结构的综合表征及其物理化学机制的研究，形成了一套完备的极紫外-真空紫外薄膜光学元件表征、优化、制备技术体系，有效提升了均匀性、反射效率、带宽、稳定性和偏振度等薄膜元件核心性能。高性能的极紫外-真空紫外薄膜光学元件研制技术将为我国大型地面科学装置及空间天文观测设备提供强有力的支撑。
极紫外-真空紫外 薄膜元件 均匀性 窄带宽 稳定性 高反射效率 extreme ultraviolet and vacuum ultraviolet thin film element uniformity narrow bandwidth stability high reflectivity 光学 精密工程
2022, 30(21): 2639
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
X射线多层膜是同步辐射与自由电子激光、天文观测、等离子体诊断等大科学装置和实验室分析仪器的重要光学元件，能高效率反射X射线并实现单色和偏振化等调控。本课题组在近二十年的工作中对X射线多层膜的设计、制备和表征方法开展了系统深入的研究，研制了一系列工作在软X射线和硬X射线不同波段的高性能多层膜，反射率达到国际先进水平；基于磁控溅射技术建立了大尺寸掠入射X射线多层膜的镀制平台，最大镀膜尺寸达1.2 m，均匀性优于0.5%（均方根值），制备的硬X射线多层膜反射镜成功应用在国内外大科学装置中；通过将多层膜与反射光栅相结合，创新发展了超高效率韧X射线多层膜光栅元件，相比传统单层膜光栅，该元件能将韧X射线衍射效率最高提升40倍。本文将简要介绍课题组在X射线多层膜元件领域的研究进展。
X射线多层膜 反射率 大尺寸反射元件 多层光栅 X-ray multilayers reflectivity large size reflective optics multilayer gratings 光学 精密工程
2022, 30(21): 2793
同济大学 物理科学与工程学院 精密光学工程技术研究所，先进微结构材料教育部重点实验室，上海市数字光学前沿科学研究基地，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
发展精密X射线诊断技术对于惯性约束聚变（ICF）物理过程的研究具有重要意义。本文对同济大学精密光学工程技术研究所在高性能多层膜掠入射X射线光学方面的最新进展进行了较全面的介绍。针对ICF高时空分辨、能谱分辨和高集光效率诊断需求，从多通道掠入射X射线成像技术、多层膜掠入射X射线成像技术及应用效果几个方面，对目前研究进展进行了系统介绍。在多通道掠入射X射线成像方面主要介绍高分辨多通道KB成像系统及其高精度在线装调技术。在实现空间分辨优于5 μm、十六通道成像的基础上，采用 “物-诊断物镜-像”的高复位精度集成指示技术，有效保障了多通道KB系统的装置应用效果。在多层膜掠入射X射线成像方面，本文主要介绍多层膜分光器件的能谱调控和制备技术以及系统的精密瞄准技术。目前，多套基于多层膜阵列器件的多能谱X射线诊断设备已在激光装置上得到广泛应用，空间分辨率在3~5 μm，诊断能点达到4个，技术指标显著优于国外同类器件，为国内ICF诊断提供了有力支撑。
惯性约束聚变 等离子体诊断 多层膜 Kirkpatrick-Baez显微镜 高时空分辨 inertial confinement fusion plasma diagnostics multilayer Kirkpatrick-Baez microscope high spatiotemporal resolution 光学 精密工程
2022, 30(21): 2783
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，先进微结构材料教育部;重点实验室，上海市数字光学前沿科学研究基地，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
2 同济大学 中德工程学院，上海0009
随着超短超强自由电子激光等光源的应用，极紫外、X射线波段薄膜反射镜的抗辐照性能备受关注。本文介绍了IPOE实验室搭建的纳秒极紫外辐照损伤装置，并对极紫外-X射线自由电子激光常用的B4C薄膜反射镜、Au和Ru金属单层膜反射镜、B4C/Ru双层膜反射镜以及极紫外光刻用Mo/Si多层膜反射镜开展了辐照损伤测试，获得了不同材料和结构的薄膜反射镜抗损伤性能，结合理论模拟揭示了热熔融、热应力和膜层间扩散反应等损伤机制的作用。
极紫外 薄膜反射镜 抗损伤性能 损伤机制 extreme ultraviolet thin film mirrors damage resistance damage mechanism 光学 精密工程
2022, 30(21): 2698
同济大学 物理科学与工程学院 精密光学工程技术研究所，先进微结构材料教育部重点实验室，上海市数字光学前沿科学研究基地，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
中子散射和衍射是现代科学检测技术的重要领域之一，中子谱仪是实现中子检测的核心装置。中子薄膜器件及其光学系统可以实现中子束传输、聚焦、准直、极化等状态的调制，是构成中子导管、准直器、弯管、极化器、翻转器等中子光学装置的核心器件，可以提升中子传输效率，简化中子光学仪器结构，是中子谱仪功能实现和性能提升的关键。同济大学精密光学工程技术研究所，面向我国各类中子源应用谱仪开发的需求，聚焦中子薄膜器件关键制作技术创新，解决了中子超镜和极化中子薄膜翻转元件的制作问题；以高端薄膜器件支撑了高性能中子光学系统的研制，成功研制出中子导管部件、基于超镜的多层嵌套式中子聚焦系统、高通量高空间分辨率的中子多通道KB聚焦系统，成功应用于国内大型和小型中子源的谱仪装置，支撑了我国小角散射、粉末衍射、自旋回波等中子谱仪的自主研发和升级改造。
中子 超镜 聚焦 导管 翻转器 neutron supermirror focus guider flipper 光学 精密工程
2022, 30(21): 2752
