软X射线偏振光学元件的设计与制备

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,优化计算了5.9nm波长处多层膜光学元件的偏振性能,阐述了其制备的过程,利用小角度衍射法对多层膜的厚度进行了测量,并对同步辐射测量的反射率结果进行了拟合分析。     

基于多层膜的软X射线偏振测量

综述了过去10年中德国BESSY同步辐射装置在软X射线偏振测量方面所做的工作。在BESSY同步辐射装置中,有10条椭圆波动器光束线,这可使同步加速器辐射的偏振态从线偏振光(水平或者垂直)转变为左旋或右旋圆偏振光。由于很多偏振敏感实验(例如,MCD光谱测量)需要归一化量,因此对偏振度进行量化非常重要。对于偏振实验,即对光的偏振态测量来说,需要两个光学元件分别起相位片和检偏器作用。因此,专门研制了在软X射线区有透射和反射功能的多层膜,并对其做了优化。通过使多层膜参数(周期,厚度比)与构成材料的吸收边相匹配,即可获得共振加强的偏振灵敏度。由此可知,基于多层膜的偏振测量与这些偏振光学元件工作波长处性能测量密切相关,文中对仪器的设置和测试结果做了介绍,同时给出了磁性薄膜或光活化物质的磁光光谱测量和偏振测量的示例(法拉第和克尔效应)。     

小型高精度软X射线-极紫外反射率计

针对探月二期工程中的有效载荷之一极紫外相机中的多层膜光学元件反射率测量的需要,搭建了一台使用液体靶激光等离子体光源的小型软X射线一极紫外波段反射率计。该反射率计主要由激光等离子体光源、Mcpherson247动狭缝掠入射单色仪及相关的数据采集系统组成。单色仪工作波段为1～125nm,光谱分辨率〈0．08nm。无碎屑的液体靶激光等离子体光源的使用避免了光学元件的损坏,而动狭缝掠入射单色仪的使用则提高了光谱分辨率和波段范围。使用该反射率计实测了工作波长为13．5nm和30．4nm的Mo／Si多层膜的反射率,测量结果表明测量重复性优于±0．5％,实现了对多层膜反射率的高精度测量。     

小型的高精度软X射线-极紫外反射率计

针对探月二期工程中的有效载荷之一极紫外相机中的多层膜光学元件高精度反射率测量的需要,建立了一台使用液体靶激光等离子体光源的小型软X射线-极紫外波段反射率计。该反射率计主要由激光等离子体光源、Mcpherson 247动狭缝掠入射单色仪及相关的数据采集系统组成。单色仪波段范围1-125nm,光谱分辨率小于0.08nm。无碎屑的液体靶激光等离子体光源的使用避免了光学元件的损坏,而动狭缝掠入射单色仪的使用则提高了光谱分辨率和波段范围。使用该反射率计实测了工作波长为13.5nm和30.4nm的Mo/Si多层膜的反射率,测量结果表明测量重复性优于±0.5%。     

亚四分之一波长宽波段多层膜的设计

简要阐述了强吸收波段亚四分之一波长多层膜的设计方法。这种膜系是由强吸收材料叠加而成,每层膜光学厚度小于四分之一个波长。与常规周期多层膜相比,这种膜系更适用于提高强吸收波段的反射率。利用该方法设计了50nm~110nm波段宽带高反膜的初始膜系,通过Levenberg-M arquart方法对初始膜系进行优化,从而得到宽波段的平坦反射率,其平均反射率达到45%。     

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30.4 nm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~(-5) Pa时,SiC/Mg周期膜反射率为43%,而本底真空度在5.0×10~(-4) Pa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.     

改进型量子进化算法在宽带EUV多层膜设计中的应用

为提高基于量子进化算法(QEA)在宽带极紫外(EUV)多层膜设计中的求解效率和精度,本文利用宽带多层膜的光学性能评价函数的梯度信息改进QEA,建立具有明确进化方向的适用于宽带EUV多层膜设计的改进型量子进化算法(IQEA)。对比分析了基于IQEA和QEA的宽带Mo/Si多层膜的膜系设计过程和结果,结果表明,基于IQEA的多层膜膜系设计理论方法具有更优越的求解效率和精度;同时,IQEA同样可以小种群规模进行多参数优化。基于IQEA的宽带Mo/Si多层膜的设计理论实现了包括入射角为0°~18°,反射率达50%的宽角度多层膜,以及反射光谱带宽为13~15nm,反射率达25%的宽光谱多层膜的设计。基于IQEA的宽带高反射率EUV多层膜的理论膜系设计方法为复杂多层膜的理论设计提供了一种可供选择的高效膜系设计方法。     

13.9nm和19.6nm正入射Mo/Si多层膜反射镜反射率的测量

根据理论模拟计算并设计了分别工作在13.9nm类镍银和19.6nm类氖锗两种X射线激光的Mo/Si多层膜,将自行设计的小型反射率计安装在Mcpherson247单色仪出射狭缝附近,组成以铜靶激光等离子体辐射源作为极紫外光源的反射率测量装置,对研制的Mo/Si多层膜反射镜的反射率进行了测量。实验结果显示,中心波长分别是13.91nm和19.60nm,相应反射率分别是41.9%和22.6%,半宽度分别是0.56nm和1.70nm,中心波长和半宽度与理论值基本一致。为了全面了解多层膜的性能,用WYKO测量多层膜的表面粗糙度,13.9nm和19.6nmMo/Si多层膜的表面粗糙度分别是0.52nm和0.55nm。     

极紫外与软X射线非周期多层膜优化设计及初步研制

以周期膜理论为基础 ,改进了已有的设计方法 ,通过采用随机数的方法 ,发展了一种普适的多层膜设计方法 ,这种方法除可设计一般的周期多层膜 ,更重要的是它可以根据选定评价因子 ,设计不同要求的非周期多层膜。根据实际要求 ,完成了积分反射率最大多层膜、宽带平坦型多层膜、校正光源发射不均匀性多层膜和选波长多层膜等。这些多层膜各有特点 ,可满足不同应用的要求。用磁控溅射方法对一种宽带多层膜进行了制备。最后的 X射线衍射测量和反射率的相对测试表明 ,与周期膜系相比 ,非周期多层膜的带宽展宽 ,反射率积分值增加 ,但峰值反射率略有降低。     

极紫外与软X射线非周期多层膜优化设计及初步研制

以周期膜理论为基础,改进了已有的设计方法,通过采用随机数的方法,发展了一种普适的多层膜设计方法,这种方法除可设计一般的周期多层膜,更重要的是它可以根据选定评价因子,设计不同要求的非周期多层膜.根据实际要求,完成了积分反射率最大多层膜、宽带平坦型多层膜、校正光源发射不均匀性多层膜和选波长多层膜等.这些多层膜各有特点,可满足不同应用的要求.用磁控溅射方法对一种宽带多层膜进行了制备.最后的X射线衍射测量和反射率的相对测试表明,与周期膜系相比,非周期多层膜的带宽展宽,反射率积分值增加,但峰值反射率略有降低.     

极紫外宽带多层膜反射镜离散化膜系的设计与制备

极紫外(EUV)宽带多层膜的光谱性能对膜厚控制精度要求较高,仅由时间控制膜厚的镀膜系统难以满足其精度控制要求。本文提出了基于进化算法的宽带EUV多层膜离散化膜系设计方法,与传统膜系设计相比,离散化膜系所制备多层膜具有更为优良的EUV反射光谱性能。为验证离散化膜系设计在宽带EUV多层膜研制中的优越性,采用磁控溅射方法对具有离散化膜系的宽带多层膜反射镜进行了制备和测试。测试结果表明:研制的宽角度多层膜反射镜可实现入射角带宽为0°～17°,高于41%的反射率;研制的堆栈宽角度多层膜反射镜可实现入射角带宽为0°～18.5°,高于35%的反射率;研制的宽光谱多层膜反射镜可实现波长带宽为12.9～14.9 nm,高于21%的反射率。     

类镍钽软X射线激光用多层膜反射镜的研制

设计并制备了工作波长为4.48 nm类镍钽软X射线激光用多层膜反射镜。选择C r/C、C r/Sc为多层膜材料对,模拟了多层膜非理想界面对多层膜反射率的影响。采用直流磁控溅射技术在超光滑硅基片上制备了C r/C、C r/Sc多层膜。利用X射线衍射仪测量了多层膜结构,在德国Bessy II同步辐射上测量了多层膜的反射率,C r/C,C r/Sc多层膜峰值反射率分别为7.50%,6.12%。     

采用多层膜偏光器的EUV实验室Farady旋光测量装置

开发了用于实验室的ＥＵＶ（５０～７０ｅＶ）波段的Ｆａｒａｄａｙ 旋光测量装置。其中光源采用了激光等离子体光源。起偏器和检偏器均采用了入射角为准Ｂｒｅｗ ｓｔｅｒ角的反射式Ａｌ／ＹＢ６多层膜。利用４ 块Ｓｍ －Ｃｏ 永久磁铁在被测样品处生成了０．８２Ｔ的磁场。对强磁材料Ｎｉ的Ｍ２,３吸收端进行了Ｆａｒａｄａｙ 旋光测量,测量结果在６５．３ｅＶ处为－ ２．７°／２１ｎｍ 。该结果与我们在同步辐射光源上测量的结果相符合。这是ＥＵＶ 波段首次利用激光等离子体光源成功进行的磁光效应测量实验。     

不同本底真空度对SiC/Mg极紫外多层膜性能的影响

摘要：为研究SiC/Mg极紫外多层膜光学性能随制作时不同本底真空度的变化,利用直流磁控溅射方法在不同本底真空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,本底真空度为6.0E-5 Pa时的SiC/Mg周期膜反射率为43%,而本底真空度在5.0E-4 Pa时的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的原因是由于多层膜Mg膜层中Mg的氧化物含量增多造成的。     

软X射线共振反射方法表征Sc/Si多层膜界面化合物成分的计算研究

Sc/Si周期多层膜是极紫外波段的重要材料,但膜层界面处材料原子间的扩散与化合反应严重影响了多层膜反射率。为了无损表征多层膜界面化合物的成分,利用软X射线共振反射的方法,研究了Sc/Si多层膜界面化合物成分。在Si的L吸收边附近,计算了不同周期厚度以及不同界面硅化物成分的Sc/Si多层膜的共振反射率。结果表明,界面硅化物成分不同的膜系在Si的L边处的反射率有明显差异,并且反射率随着膜层中Si化合反应的消耗而降低,证实了软X射线共振反射方法在亚纳米尺度下对化合物的成分进行无损分析的可行性,为后续的实验研究提供参考。     

极紫外单色仪波长定标

给出了一种新的极紫外(EUV)单色仪定标方法.通过测量标准气体He空阴极光源的30.38和58.43nm两条发射光谱和标定过的中心波长为13.90nm的Mo/Si多层膜反射镜的反射率峰值位置,对Mcpherson247型EUV单色仪进行波长定标,将所定的标准点在单色仪的运动轨迹上做了相应的标识,并用Origin软件进行处理,利用一元二次方程得出拟合曲线.对标定结果做了分析,得出了在12～60nm波段内,用激光等离子体光源软X射线反射率计测量多层膜反射镜反射峰值位置时,测量准确度为0.08nm,测量重复性为士0.04nm.测量误差主要来源是光源的不稳定性和机械转动误差.     

长春光机所软X射线-极紫外波段光学研究

综述了我所软X射线-极紫外波段关键技术的研究进展。描述了软X射线-极紫外波段光源技术,研制了工作波段为6~22 nm的微流靶激光等离子体光源;介绍了光子计数成像探测器技术,研制出了有效直径为25 mm,等效像元分辨率为0.3 mm的极紫外波段探测器;开展了超光滑表面加工、检测技术的研究,研制了超光滑表面抛光机,加工出高面形精度的超光滑表面,面形精度为6 nm(RMS值),表面粗糙度达0.6 nm(RMS值);进行了软X射线-极紫外波段多层膜技术的研究,研制出13 nm处反射率为60%的多层膜反射镜,150 mm口径反射镜的反射率均匀性优于±2.5%;最后,讨论了软X射线-极紫外波段测量技术研究,研制出该波段反射率计,其测量范围为5~50 nm,光谱分辨率好于0.2 nm,测量重复性好于±1%。在上述关键技术研究基础上,研制出了极紫外波段成像仪和空间极紫外波段太阳望远镜,这些仪器在我国空间科学研究项目中发挥了作用。