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科学家研发出全新激光散斑技术,X射线镜的高精度计量成为可能

X射线镜广泛用于同步辐射设备、X射线自由电子激光器和天文X射线望远镜。然而,短波长和掠入射,对允许的斜率误差有严格的限制。

近期,研究人员介绍了一种新的激光散斑角测量(SAM)技术,该技术演示了如何大幅降低斜率误差测量。

团队开发了一种新的计量仪器和技术,基于散斑角测量(SAM),它可以超越当前计量技术的许多限制,为表征高质量的强弯曲X射线反射镜提供了前所未有的精度。

据介绍,SAM结构紧凑,成本低,很容易与大多数现有的X射线镜计量仪器集成。重要的是,它可以精确测量二维的强曲面镜,精度达到纳米级。这是大多数现有计量仪器所缺乏的功能,弥补了X射线镜计量界在其能力方面所面临的差距。

发表在《光:科学与应用》(Light: Science and Applications)论文中,该团队证明了利用一种先进的亚像素跟踪算法,可以将坡度误差测量的角精度降低到20nrad rms。研究小组表示,这种新的纳米计量方法可能为开发下一代超抛光x射线镜提供新的可能性,这也将推进同步辐射、自由电子激光器、x射线纳米探测器、相干性保存、天文物理学和望远镜的发展。

Diamond的首席光束科学家、光学和计量组组长Kawal Sawhney教授补充称:“这种新型仪器将增强Diamond公司最先进的计量实验室的能力,使我们能够对计划升级为低发射度Diamond- ii源所需的高质量X射线镜进行计量测试。X射线反射镜的供应商也会发现这种新仪器很有吸引力,因为它将使他们能够制造比目前更好质量的光学产品。”

高精度X射线反射镜不断改进和发展,以跟上全球同步加速器升级到衍射限制存储环的步伐。为了克服目前计量技术的局限性,研究小组开发了这种新的SAM光学扫描头和方法,认识到更精确的镜形测量对下一代x射线镜至关重要,以使它们能够利用改进的光源并满足新的需求。

SAM的设置看起来很简单(图1)。激光通过漫射器产生二维随机强度图案(散斑),它们可以被视为具有不同特征的多束铅笔光束。因为每个散斑图案都有独特的特征,散斑可以被视为一组多个波前标记。反射镜在测量面积上的斜率变化会使散斑模式发生偏移。通过采用先进的亚像素算法精确跟踪散斑位移,可以在二维纳米尺度上测量被测表面(SUT)的斜率变化。

科学家研发出全新激光散斑技术,X射线镜的高精度计量成为可能

(图1 来源:Light: Science and Applications)

SAM可以很容易地安装在现有的非原位计量龙门上。它可以生成二维表面轮廓,提供丰富的X射线反射镜表面轮廓信息。扫描角度范围大、重复性好、精度高。SAM仪器还可以通过对整个镜面进行SAM的二维光栅扫描来测量环面、椭球面和抛物面镜。最后,SAM仪器不仅仅局限于同步X射线反射镜,还可以应用于自由曲面光学和其他领域的高质量反射镜,如极端紫外光刻和激光点火。

如何利用现有的计量技术来指导提高X射线反射镜制造质量的最新努力变得越来越具有挑战性。这种新技术和仪器使用了大量的散斑,即使在单幅图像中也能提供更好的统计量和更少的随机噪声。这一显著的特性,将可能使拟议的SAM计量技术广泛应用于超精密计量和下一代X射线镜的改进。

Diamond的物理科学主任Laurent Chapon评论道:“这种令人兴奋的散斑角测量新技术,由Diamond的光学和计量集团成员集中开发,将能够扩展现有计量仪器的能力。对于下一代x射线镜来说,需要跟上新的X射线源的步伐,以及对更强的一致性和更紧聚焦的日益增长的需求,SAM将是一个及时的撬动突破口。”

Diamond公司的光学和计量组使用其测试光束(B16),来开发这种先进的x射线成像和计量方法。最近,一种基于斑点的全向差分相位和暗场成像技术已经在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上展示并发表。该小组现在已经成功地将这种散斑技术从X射线转移到可见光区域。

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