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用于超快激光等离子体诊断的Schwarzschild显微镜

导读: 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18·2nm,数值孔径为0.1,放大倍数为10。

  摘要: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18·2nm,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±1mm视场范围内像方空间分辨力可达125lp/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9.509nm,周期数为30,对18.2nm波长的反射率约31.1%。利用激光等离子体光源对24lp/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。

  随着光学基底加工技术和多层膜反射元件制备技术的发展,工作在极紫外和软X射线波段的正入Schwarzschild光学系统已应用在生物医学、极紫外投影光刻及等离子体诊断等领域。20世纪90年代,为了研究超强激光与物质相互作用过程中软X射线辐射的均匀性,美国科学家在强激光装置OMEGA上用1500J能量激光辐照金箔产生软X射线,利用Schwarzschild显微镜对其进行了成像,在1mm视场内获得了空间分辨力小于10μm的软X射线图像。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所开展了工作在极紫外波段的正入射Schwarzschild显微镜方面的研究,实验室内获得了20μm和6μm线宽的栅网图像,在2007年利用微缩结构的Schwarzschild物镜在光刻胶上得到了线宽250nm的图样。正入射Schwarzschild光学系统主要向两个方向发展:其一是小视场(小于100μm)、高分辨力(小于100nm),主要面向生命科学和极紫外光刻;其二是大视场(约1mm)、低分辨力(1~5μm),主要应用于激光等离子体诊断。目前,国内正在开展的超短超强激光等离子体诊断研究,迫切需要研制大视场、高集光效率的极紫外成像诊断系统,为此,我们研制了用于超快激光诊断的Schwarzschild型显微镜。本文主要介绍了Schwarzschild成像显微镜的光学结构设计、光学元件的膜系结构设计和Schwarzschild显微镜的极紫外光(EUV)成像实验,并对实验结果进行了分析。

  1Schwarzschild显微镜光学设计

  Schwarzschild物镜是成像系统的核心部分,属于典型的正入射反射成像装置,由两块同心球面镜组成(主镜为凹面镜,副镜为凸面镜),能消除三级球差、彗差和像散,其光路结构如图1所示。两个反射镜曲率半径的比值由显微镜放大率决定,物镜的光学结构可以根据系统放大率和物像间距计算得到,关系式为:

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