基于多层膜技术的硬X射线Laue透镜衍射效率的理论研究

采用耦合波理论分析了X射线在多层膜Laue透镜中的传播,选择Cu的Kα线作X射线光源,计算了多层膜Laue透镜的衍射效率.材料为WSi2/Si,最外层宽度为10 nm,深度为8 500 nm的多层膜Laue透镜,倾斜情况下外层区域局部光栅的衍射效率可达59%,理论上证明了多层膜Laue透镜是实现X射线聚焦的有效手段.

极紫外与X射线波段正入射两镜反射系统的研究(英文)

基于三级象差理论,分析了几何象差对正入射望远镜性能的影响,总结了弥散斑角宽度θ随着系统f数和半视场角uP的变化趋势.弥散斑的角宽度θ随着半视场角uP的增大而增大,随着系统f数的增大而减小.当f数小于10或者半视场角uP大于0.005弧度时,弥散斑角宽度θ变化比较剧烈.详细讨论了四种典型的反射系统,Dall-Kirkham系统和反Dall-Kirkham系统的弥散斑角宽尺寸在一个数量级上,大约为卡塞格林系统的十倍.R-C系统的弥散斑角宽最小,几乎是卡塞格林系统的十分之一.通过本文的结论公式可以估算一个光学系统的象差尺寸并避免进行光线追迹.

软X射线多层膜反射式偏振光学元件设计

叙述了软X射线波段反射式多层膜起偏器和检偏器的设计原则和设计方法,计算了不同波段软X射线反射式多层膜起偏器和检偏器的性能,讨论了多层膜制作过程中,表界面误差(表面粗糙度和扩散)对起偏器和检偏器性能的影响,探讨了光谱分辨率对偏振元件测试过程的影响,这些设计、计算和分析为制作实用软X射线多层膜偏振光学元件提供了理论基础。

13.9nm马赫贞德干涉仪用软X射线分束镜研究

介绍了13.9 nm马赫贞德干涉仪用软X射线分束镜的设计、制备与性能检测。基于分束镜反射率和透过率乘积最大的评价标准,设计了13.9 nm软X射线激光干涉实验用多层膜分束镜。采用磁控溅射方法在有效面积为10 mm×10 mm、厚度为100 nm的Si3N4基底上镀制了Mo/Si多层膜,制成了多层膜分束镜。利用X射线掠入射衍射的方法测量了Mo/Si多层膜的周期。用扩束He-Ne激光束进行的投影成像方法定性分析了分束镜的面形精度,利用光学轮廓仪完成了分束镜面形精确测量。利用北京同步辐射装置测量了分束镜反射率和透射率,在13.9 nm处,分束镜反射率和透过率乘积达4%。使用多层膜分束镜构建了软X射线马赫贞德干涉仪,并应用于13.9 nm软X射线激光干涉实验中,获得了清晰的含有C8H8等离子体电子密度信息的动态干涉条纹。

两镜反射系统的初始结构求解方法(英文)

基于三级像差理论提出了一个求解两镜反射系统的初始结构的方法。在仅仅知道系统的焦距长度f,两镜之间的间隔d和后工作距离l2′时,利用该方法能够方便而有效地计算出系统的初始结构参数。该方法的显著优点是以两镜之间的距离作为求解系统初始结构的条件,在系统的几何尺寸受到限制时,非常方便和有效。同时,由已知参数可以方便地计算主镜遮拦比和次镜放大率。最后分析了4种典型的两镜反射系统,并给出了设计实例,结果表明,此方法是相当精确的。

等离子体诊断用Schwarzschild显微镜的光学设计

基于三级像差理论设计了用于激光等离子体诊断的极紫外Schwarzschild显微镜光学系统。显微镜的工作波长为18.2 nm,数值孔径为0.1,放大倍数为10。光学设计得到中心视场空间分辨力达0.3μm,±1 mm视场内分辨力约0.4μm的结果。分析了Schwarzschild成像系统的物镜装配、系统装调及光学元件加工误差对像质的影响,结果显示光学元件局部面形误差是影响系统成像分辨力的主要因素。通过提高系统装调的精度,可以有效补偿像距误差、两镜间距误差及曲率半径误差对像质的影响。综合考虑实际加工和装调能力,制定了系统整体公差方案,考虑公差后光学系统能够在±1 mm视场内获得3μm的空间分辨力,达到了等离子体诊断的要求。

最小膜层厚度对X射线非周期多层膜光学性能的影响

选用能制备小周期的钨/硅(W/S i)作为膜层材料对,着重研究最小膜层厚度对X射线非周期多层膜光学性能的影响。基于矩阵法计算多层膜反射率和单纯形数值优化方法,设计了入射光子能量为8.0keV,掠入射角的宽度分别为0.85°~1.10°,1.40°~1.70°的X射线超反射镜。结合实际实验制备技术,考虑了W/S i两种膜层材料的最小成膜厚度,确定了膜堆中最小膜层厚度为0.5nm^1.0nm。通过改变最小膜层厚度的值,优化设计了上述条件下的非周期多层膜并对其光学性能进行比较。结果表明:同一个工作波长下,随着多层膜工作角度(掠入射)的增加,膜堆中膜层的厚度减小,最小膜层厚度对其光学性能的影响增加,其光学性能变差。

HGHG自由电子激光时间相干性研究

时间相干性是外种子型自由电子激光(FEL)对于自发辐射自放大(SASE)FEE具有的重要优势之一。利用自制的迈克尔逊干涉仪测量了600 nm(二次谐波)和400 nm(三次偕波)高增益谐波放大(HGHG)FEL的时间相干性,分析不同延迟时间处的干涉图样条纹可见度,得到了600 nm和400 nm HGHG自由电子激光的相干长度,分别为119±6.7 fs和112±16.9 fs。通过与光谱测量和理论计算结果进行比较,进一步验证了实验测量的准确性。结果表明HGHG自由电子激光继承了种子激光的相干性特点,这与理论预测结果相一致。

不同本底真空度下SiC/Mg极紫外多层膜的制备和测试

为研究不同本底真空度对SiC/Mg极紫外多层膜光学性能的影响,利用直流磁控溅射方法在不同本底真空度条件下制备了峰值反射波长在30.4nm的SiC/Mg周期膜。X射线掠入射反射测试结果表明,不同本底真空度条件下制备的SiC/Mg周期多层膜膜层质量有明显差异。用同步辐射测试了SiC/Mg多层膜在工作波长处的反射率,结果表明,本底真空度为6.0×10-5Pa时,SiC/Mg周期膜反射率为43%,而本底真空度在5.0×10-4Pa时,SiC/Mg多层膜反射率仅为30%。同步辐射反射曲线拟合结果表明,反射率随着本底真空度降低是由多层膜Mg膜层中的Mg氧化物含量增多造成的。

窄带多通道滤光片的设计与制备

介绍了三种获得窄带多通道滤光片的方法。第一种方法是具有缺陷的多异质结结构,该结构能够展宽光子晶体的禁带同时实现多通道效应。第二种方法是多通道导模共振布儒斯特滤光片,此类滤光片可以采用单层膜结构来实现多通道效应,也可以采用具有相等折射率的双层膜结构来实现多通道效应。第三种方法是组合刻蚀法制备窄带滤光片列阵。该方法不仅可以制作单腔窄带滤光片列阵,还可以制作双腔窄带滤光片列阵。窄带多通道滤光片在光学领域中具有一定的应用前景。

磁控溅射制备横向梯度分布的Mo/Si周期多层膜

采用磁控溅射方法在Si基板上镀制了横向梯度分布的Mo/Si周期多层膜。以X射线掠入射反射测量了横向梯度多层膜的膜系结构,在基板65mm长度范围内,多层膜周期从8.21nm线性减小到6.57nm,周期梯度为0.03nm/mm。国家同步辐射实验室反射率计的反射率测试结果表明:该横向梯度分布周期多层膜上不同位置,能反射在13.3～15.9nm波段范围内不同波长的极紫外光,反射率为60%～65%。

离子束辅助沉积薄膜工艺

阐述了离子源在离子束清洗和离子束辅助薄膜沉积(IAD)中的应用;根据热力学原理及离子碰撞过程分析,研究了离子束辅助沉积过程中的能量传递过程,建立了薄膜折射率与离子辅助沉积过程中各物理量之间的关系模型;探讨了各种工艺条件对离子束辅助沉积薄膜特性的影响,给出了薄膜材料无结晶条件下离子束辅助沉积薄膜工艺选择的相应准则。

中子超镜的优化设计

中子超镜的主要光学性能指标是反射临界角,反射临界角通常由镍块体材料的全反射临界角的倍数m来表征。本文采用增加帽层、优化关键参数和引入新设计参数的方法,弥补了中子超镜算法在m≤1区域内的局限性,实现了包含较少膜对数K的大m值中子超镜结构设计。利用Nevot-Croce模型模拟了多层膜的非理想界面,讨论了多层膜表界面粗糙度对超镜反射特性的影响。结果表明,对m=3的Ni/Ti中子超镜仅需200个膜对,在制作工艺上,要求制备m=3的Ni/Ti超镜的膜层界面粗糙度应小于1.5 nm,以保证其反射率不低于80%。

4．75keV能点四通道Kirkpatrick-Baez显微镜

基于CH柱形靶压缩实验的时间分幅诊断需求,研制了4.75keV能点四通道Kirkpatrick-Baez(KB)显微镜。进行了四通道KB系统的光学设计、像质模拟和分析。采用支撑锥芯的方式解决了四通道KB物镜的集成装配问题,并通过"4.75keV+8keV"双能点多层膜完成了实验室内的KB系统装调。该套系统在神光Ⅱ装置成功进行了像质考核实验,获得了高分辨的四象限网格图像,成像间距符合设计要求,具备了开展时间分幅惯性约束聚变物理实验的条件。

磁控溅射制备的W,WSi_2,Si单层膜和W/Si,WSi_2/Si多层膜应力

采用直流磁控溅射技术制备了厚度约100nm的W,WSi2,Si单层膜和周期约为20nm,Si膜层厚度与周期的比值为0.5的W/Si,WSi2/Si周期多层膜。利用台阶仪对镀膜前后基底表面的面形进行了测试,计算并比较了不同膜系的应力值。结果表明:W单层膜表现出较大的压应力,而W/Si周期膜则表现为张应力。WSi2单层膜和WSi2/Si周期多层膜均表现为压应力,没有应力突变,应力特性最为稳定。因此,WSi2/Si材料组合是研制大膜对数X射线多层膜较好的材料组合。

磁控溅射方法制备直径120mm高均匀性Mo/Si多层膜

为满足极紫外、软X射线和X射线大口径多层膜反射镜的需求,采用基板扫掠过矩形靶材表面的镀膜方法,在直径120 mm的平面基板上镀制了Mo/Si周期多层膜。通过调整基板扫掠过矩形靶材表面的速率修正了薄膜的沉积速率,极大地提高了薄膜厚度的均匀性。采用X射线衍射仪对反射镜不同位置多层膜周期厚度进行了测量,结果表明,在直径120 mm范围内,Mo/Si多层膜周期厚度的均匀性达到了0.26%。同步辐射测量多层膜样品不同位置处的反射率,结果表明,在直径120 mm范围内,多层膜的膜层厚度均匀,在入射角10°时13.75 nm波长处平均反射率为66.82%。

亚飞秒啁啾Mo/Si多层膜反射镜的设计、制作与性能检测

针对利用高次谐波获取亚飞秒脉冲的实验需求,设计制备了啁啾为-2 800 as2的啁啾Mo/Si多层膜反射镜.数值计算表明,采用所设计的啁啾多层膜反射镜可以获得86 as的脉冲.通过直流磁控溅射方法实现了Mo/Si多层膜样品的制备.在合肥同步辐射上进行了多层膜反射率的测量,在所设计的工作波长内,多层膜的平均反射率为5.6±2.3%.在考虑最上层Si的氧化作用后,对测量曲线进行拟合,得到的反射率曲线和膜层厚度分布分别与测试曲线和设计结果相吻合.

等离子体诊断用18.2nm Schwarzschild显微镜

研制了用于超快激光等离子体诊断的Schwarzschild型正入射显微镜,该显微镜工作波长为18.2 nm,数值孔径为0.1,放大倍数为10。根据诊断要求设计了Schwarzschild物镜的光学结构,计算了物镜的光学传递函数,结果显示,设计的物镜在±1 mm视场范围内像方空间分辨力可达125 lp/mm。根据系统工作波长和光线在镜面的入射角度设计了Mo/Si周期多层膜反射镜,制作了Schwarzschild显微镜光学元件,镀制的膜系周期厚度为9.509 nm,周期数为30,对18.2 nm波长的反射率约31.1%。利用激光等离子体光源对24 lp/mm网格进行了成像实验,实验结果表明:系统在中心视场的分辨力为3μm,600μm内视场的分辨力为5μm。

数据拟合点的截取对光腔衰荡法测量反射率的影响

利用光腔衰荡法测量反射率,探测器性能对衰荡信号的测量有很大影响,具有不同时间响应和灵敏度特性的探测器会得到不同的信号衰荡曲线起始点和信号淹没点。对于性能相同的探测器,在测量反射率不同的反射镜时,也会得到不同的信号淹没点。在数据拟合过程中,截取不同的数据起始点和信号淹没点,会得到不同的衰荡时间,从而影响反射率的测量精度。对衰荡信号进行对数变换,首次利用χ2拟合对数据进行处理,通过对有效拟合数据与斜率误差关系的分析,得到了最佳拟合数据点截取的方法。实验证明:此方法可有效处理无效光信号和噪声信号的分界点,给出了衰减时间的数据截取依据,有助于改善时间衰荡法测试的精度和重复性。

锗亚波长周期薄膜的光谱特性(英文)

宽带反射器和带通滤光片可以利用厚度固定为3.20μm的锗亚波长周期薄膜实现。强折射率调制的锗亚波长周期薄膜使得泄漏模共振的带宽增大,因此泄漏模共振TE11、TE21和TE30能够发生相互作用。通过改变光栅深度,可以在波长λ=10.60μm附近形成高反射宽带和透射带。利用泄漏模共振TE11、TE21和TE30之间的叠加产生增强反射效应,从而形成具有高反射率的反射宽带。利用这些泄漏模共振边缘的叠加产生共振增强透射效应,从而获得具有高透射率的透射带。在这两种情况下分别研究了光栅的未刻蚀和过刻蚀效应,结果表明,为了获得良好的光谱性能,刻蚀过程中应该避免过刻蚀情况。