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電子論文

K-B鏡面形高精度檢測技術研究進展

時間:2020年09月11日 所屬分類:電子論文 點擊次數:

摘要:以新一代同步輻射光源和全相干 X 射線自由電子激光為代表的先進光源已成為眾多學科領域中一種不可或缺的 研究工具。先進光源技術不斷進步,驅動超精密光學制造快速發展,先進光源中關鍵聚焦光學元件 K-B 鏡的面形精度是 影響光源性能的重要指標,要求

  摘要:以新一代同步輻射光源和全相干 X 射線自由電子激光為代表的先進光源已成為眾多學科領域中一種不可或缺的 研究工具。先進光源技術不斷進步,驅動超精密光學制造快速發展,先進光源中關鍵聚焦光學元件 K-B 鏡的面形精度是 影響光源性能的重要指標,要求其在幾十納弧度以下。然而,高精度 K-B 鏡面形檢測技術依然存在較大技術挑戰,一直 是國內外研究熱點。本文介紹了反射式輪廓測量技術即長程輪廓儀(LTP)、納米測量儀(NOM)以及拼接干涉檢測技術 等典型 K-B 鏡面形檢測技術的基本原理,對比分析了其技術特點,綜述了國內外 K-B 鏡面形檢測技術的研究現狀和最 新進展,對發展趨勢進行了展望。

  關 鍵 詞:X 射線光學;K-B 鏡;光學測量;面形檢測;拼接干涉

光學與光電技術

  1 引 言

  自 19 世紀,威廉·康拉德·倫琴首次發現 X 射 線以來,基于 X 射線的儀器很快在醫學、材料科 學、化學、生物學和公共安全等眾多領域得到廣 泛應用。為了解決 X 射線的聚焦問題,1948 年 Kirkpatrick 和 Baez 根據掠入射思想設計出了 Kirkpatrick-Baez(K-B) 鏡 ,該系統極大促進了 X 射線光學的發展[1]。

  K-B 鏡在保證高反射率的情 況下,可實現接近衍射極限的聚焦,被廣泛用于眾 多不同類型先進光源的光束線建設中,如相干 X 射線衍射成像 (CDI) 中的聚焦元件、極紫外光 光刻 (EUV) 檢測裝置以及 X 射線顯微鏡等[2-4]。 同時,K-B 鏡作為 X 射線光學中的關鍵光學元 件,在慣性約束核聚變領域,是用于診斷等離子體 的 X 射線顯微鏡以及天文領域中 X 射線望遠鏡 的重要部件[5-6]。 先進光源光束的亮度歷經三代發展有了質的 飛躍,其后則是對 K-B 鏡面形的嚴苛要求,如表 面殘余斜率誤差在 50 nrad RMS 以內,自由電子 激光則要求面形高度誤差在 2 nm P-V 以內[7-8] ,這 無疑對 K-B 鏡高精度面形檢測技術提出很大的 挑戰。

  早期的 K-B 鏡面形檢測裝置主要是接觸 式輪廓儀[9] ,但接觸式輪廓儀測量鍍膜光學元件 時會在反射表面上留下細小的痕跡 , 20 世紀 80 年 代 , 以 長 程 輪 廓 儀 (LTP) 和 納 米 測 量 儀 (NOM) 為代表的非接觸輪廓測量技術已經取代 了接觸式測量技術,成為 K-B 鏡面形檢測的主流 技術。隨著對先進光源研究的深入,人們逐漸認 識到 K-B 鏡面形的中頻波紋以及高頻粗糙度會 產生不同角度的散射,從而使得焦點對比度下降 以及像面模糊。

  同時,先進光源光束線建模及性能 模擬軟件需要測量光學表面的高精度二維甚至三 維面形信息[10] ,因此對 K-B 鏡面形檢測要求不再 局限于一維輪廓信息。通常 LTP/NOM 反射式輪 廓測量技術的橫向分辨率約為 1 mm,這決定了低頻輪廓信息是其主要測量頻段。

  盡管 LTP/NOM 反射式輪廓測量技術可以通過不同路徑的多次掃 描以及數據處理可以實現多維測量,但該技術具 有一定的局限性。因此在 21 世紀初逐漸發展出 拼接干涉測量技術以滿足不斷提高的檢測要求。 本文將介紹 K-B 鏡面形檢測方法的發展過程中 具有代表性的檢測技術,并對比分析了各種檢測 技術的特點以及發展趨勢,重點介紹拼接干涉測 量技術特點及發展趨勢。

  2 K-B 鏡概念

  K-B 鏡系統包括兩個正交組合的凹面反射 鏡 (圖 1(a)),其中每個反射鏡可實現一個維度上 的聚焦,通過兩個反射鏡的正交組合可實現二維 聚焦特性。K-B 鏡面形形狀主要有橢圓柱面、拋 物面,其中橢圓柱面用于點對點成像,拋物面用于 準直光束聚焦。 K-B 鏡一般工作在掠入射狀態下以滿足高反 射率要求,其距先進光源波蕩器可達到數十米以 上,其通光口徑長度一般可達數百毫米甚至可達 1.5 m[8]。為了使 K-B 鏡具有較短的焦距,這些圓 柱面通常具有大弧矢半徑,在一百米到幾公里以 內,而它們的子午半徑僅有幾厘米[11]。

  3 K-B 鏡面形檢測技術原理

  3.1 反射式輪廓測量技術

  反射式輪廓測量技術是在順序掃描法的基礎 上發展形成的,利用光沿直線傳播定理,通過入射 光線在待測面不同位置處反射光線角度的相對變 化獲得待測面面形信息,具體是將待測面上不同 位置的相對角度通過特定光路變換成探測器上條 紋或光斑的相對位移,通過掃描裝置獲取待測表 面斜率的曲線分布,再根據斜率積分原理得到待 測面相對高度曲線。典型儀器有利用細光束干涉 的長程輪廓儀及基于自準直儀的納米測量儀。

  4 K-B 鏡面形檢測技術發展歷程

  4.1 反射式輪廓測量技術

  LTP 作為首個用于測量 K-B 鏡面形斜率的 測量裝置,具有非接觸、高精度的優點。其經過 30 多 年 的 發 展 , 發 展 出 LTP-II、 PPLTP、 LTPMF 等多種型號[19-23] ,精度以及測量范圍得到極大 的提升;同時,LTP 也由一維面形檢 測技術逐步發展出基于夏克-哈特曼傳感器的二 維面形檢測技術 (SSH-OH),廣泛用于美國 NSLSII 的面形檢測[24- 25]。

  NOM 作為第二代非接觸式表面輪廓儀,自首 次在德國 BESSY-II 投入使用以來,科研人員便一 直對其進行技術改進 ,其改進型號 DiamondNOM 在改進機械結構以及光路的基礎上對平面 實現了 50 nrad RMS 的測量精度[16, 26] ;2016 年 , Qian 等人對 NOM 進一步改進,研制出了 NSP,通 過引入一支參考光路校正掃描三棱鏡在掃描過程 中的俯仰誤差[27] ,對球面實現了 50 nrad RMS 的 測量精度。基于 NOM 發展出許多面形測量裝 置,如 ESAD (Extended Shear Angle Difference)[28]、 光 學 表 面 測 量 系 統 (Optical Surface Measuring System, OSMS)[29] 等。

  5 K-B 鏡面形檢測技術發展趨勢

  先進光源聚焦光斑尺寸從微米發展到納米, 未來甚至將達到亞納米 ,對 K-B 鏡面形精 度的要求也越來越嚴苛。根據德國 BESSY-Ⅱ光 學計量實驗室 X 射線反射鏡面形精度統計數據, 從 1990 年到 2020 年,K-B 鏡斜率誤差容限已經 從 5 μrad 提高到 100 nrad,未來將達到 50 nrad 以 下[36]。可以預見,K-B 鏡面形檢測技術未來將會 朝著納弧度精度快速發展。從接觸式掃描輪廓儀 到非接觸式的長程輪廓儀和納米測量儀,再到現如今蓬勃發展的拼接干涉測量技術,K-B 鏡面形 精度要求的不斷提高是推動其面形檢測技術發展 的根本動力。

  除此之外,K-B 鏡還要滿足大口徑、高陡曲 面以及全頻段的設計要求;經典 K-B 鏡通過將兩 個一維橢圓柱鏡進行組合實現 X 射線聚焦功能, 由于裝調誤差的限制使其聚焦光斑尺寸無法達 到亞納米以下,近期國際上提出利用橢面鏡實 現 X 射線亞納米聚焦,而這要求在保證 K-B 鏡 面形檢測技術檢測精度的前提下,拓寬其檢測范圍,使其具備二維曲率面形檢測能力。縱觀 KB 鏡面形檢測技術的發展過程,最初是建 立在精密機械基礎上的接觸式輪廓儀;隨著光 學,特別是激光、電子技術以及自動化技術的發展,反射式輪廓儀,如 LTP、NOM,得到廣泛應 用;之后,計算機、微電子行業的蓬勃發展使得數據收集、處理能力能夠支撐拼接干涉測量技 術,從而使 K-B 鏡面形檢測技術邁向了二維、寬 頻段的更高層次。

  光學論文投稿刊物:《光學與光電技術》Optics & Optoelectronic Technology(雙月刊)2003年創刊,屬無線電電子學電信技術類學術型刊物,是民用與軍用相結合怕綜合性光電技術信息載體,由中國船舶重工集團公司華中光電技術研究所與湖北省光學學會聯合主辦。

  6 總 結

  隨著 X 射線光學的發展,對同步輻射光源性 能要求越來越嚴苛,使得對 K-B 鏡的面形的要求也越來越高。對大口徑、復雜面形、全頻段的測 量以及二維甚至對三維面形測量,都對其面形檢 測技術提出了嚴苛考驗。LTP/NOM 作為成熟的 斜率測量技術,依然是主要的 K-B 鏡面形檢測工具,其檢測能力不斷提高。

  X 射線光學的發展使得人們要對 K-B 鏡面形檢測技術不斷進行改進, 以滿足日益嚴苛的檢測要求。從現實需求來看, 反射式輪廓測量技術已無法滿足 K-B 鏡面形檢測的發展需求,而高精度拼接干涉測量技術的測 量范圍不斷拓展、測量精度以及測量效率不斷提高,必將成為 K-B 鏡面形檢測的關鍵技術之一。 其與反射式輪廓測量技術互為補充,用于實現高精度 K-B 鏡面形檢測。

  參考文獻:

  KIRKPATRICK P, BAEZ A V. Formation of optical images by X-rays[J]. Journal of the Optical Society of America, 1948, 38(9): 766-774. [1]

  GIEWEKEMEYER K, WILKE R N, OSTERHOFF M, et al.. Versatility of a hard X-ray kirkpatrick –baez focus characterized by ptychography[J]. Journal of Synchrotron Radiation, 2013, 20(3): 490-497.

  作者:張 帥1,2,侯 溪1 *

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