Ny avanceret speckel teknik muliggør høj præcision metrologi til røntgenspejle

En ny teknik med laser -speckel -vinkelmåling (SAM) beskrevet i et papir i Lys:Videnskab og applikationer demonstrerer, hvordan målinger af hældningsfejl kan reduceres dramatisk. Dette er vigtigt, fordi røntgenspejle er meget udbredt til synkrotronstrålingsfaciliteter, Røntgenfrielektronlasere og astronomiske røntgenteleskoper. Imidlertid, korte bølgelængder og græsningsforekomst pålægger strenge grænser for de tilladte hældningsfejl. Selvom avancerede poleringsteknikker har produceret spejle med hældningsfejl (under 50 nrad root mean square (rms)), mange eksisterende metrologi teknikker kæmper for at måle dem. Derudover SAM er kompakt, billig og integreres med de fleste eksisterende røntgenspejlmetrologi-instrumenter.

Papiret, "Nano-præcisionsmetrologi af røntgenspejle med lasermærke, vinkelmåling, "skrevet af Dr. Hongchang Wang, Simone Moriconi og prof. Kawal Sawhney fra gruppen Optik og metrologi på Diamond Light Source, beskriver et nyt metrologisk instrument og teknikker, deres team har udviklet. Baseret på vinkelmåling (SAM), det kan overgå mange begrænsninger på nuværende metrologiske teknikker og give en hidtil uset nøjagtighed til karakterisering af stærkt buede røntgenspejle i høj kvalitet.

Moderne synkrotronstrålingsfaciliteter og røntgenfrie elektronlasere giver røntgenstråler med høj glans til banebrydende videnskabelig og industriel forskning. En vellykket udnyttelse og effektiv udnyttelse af røntgenstråler afhænger af kvaliteten af ​​den anvendte optik. Røntgenspejle er kritiske optiske komponenter og bruges i vid udstrækning til deres enestående egenskaber ved høj effektivitet og iboende achromaticitet. Højdefejlen (overfladeafvigelser fra den ideelle profil) for røntgenspejle forringer uundgåeligt bølgefronten og brændvidden. Til de mest krævende røntgenapplikationer såsom ekstrem energiopløsning eller nanofokusering, den krævede højdefejl er ofte under 1 nm rms. Fremstilling og metrologi af røntgenspejle udgør således store udfordringer.

Dr. Hongchang Wang, Senior optikforsker og hovedforfatter af undersøgelsen, forklarer fordelene ved den nye teknik:"Det spikkelbaserede metrologiske instrument, SAM, vi har udviklet er en kompakt, billigt instrument, der er let at integrere med de fleste andre eksisterende røntgenspejlmetrologiske instrumenter. Vigtigere, det muliggør nøjagtig måling af stærkt buede spejle i to dimensioner med en præcision på nanometer. Dette er en funktion, som de fleste eksisterende metrologiske instrumenter mangler og bygger bro over i deres muligheder i røntgenspejlmetrologi-samfundet. Citatet, "Hvis du ikke kan måle det, du kan ikke forbedre det, "gælder især i fremstillingen og karakteriseringen af ​​superpolerede røntgenspejle."

I papiret demonstrerer teamet, at vinklenøjagtigheden af ​​hældningsfejlmålinger kan skubbes ned til 20nrad rms ved hjælp af en avanceret sub-pixel tracking algoritme. Teamet siger, at denne nye nano-metrologiske metode potentielt kan åbne nye muligheder for at udvikle næste generations superpolerede røntgenspejle, som også vil fremme udviklingen af ​​synkrotronstråling, gratis elektronlasere, Røntgen nanoprober, bevarelse af sammenhæng, astronomisk fysik og teleskoper.

Medforfatter af papiret om denne nye metrologi teknik, Prof.Kawal Sawhney, Principal Beamline Scientist and Optics and Metrology group leader hos Diamond, tilføjer:"Dette nye instrument vil forbedre mulighederne i vores state-of-the-art metrologilaboratorium på Diamond og gøre os i stand til at metrologisk teste de ekstremt høje kvalitet røntgenspejle, der kræves til brug med den planlagte opgradering af Diamond til et lavt -emittance Diamond-II kilde. Leverandører af røntgenspejle vil også finde dette nye instrument attraktivt, da det vil sætte dem i stand til at fremstille endnu bedre optik end i øjeblikket. "

Højpræcisions røntgenspejle forbedres og udvikles løbende for at holde trit med de verdensomspændende opgraderinger af synkrotroner til diffraktionsbegrænset lagringsring. For at overvinde begrænsningerne ved nuværende metrologi teknikker, teamet udviklede dette nye SAM optiske scanningshoved og tilgang, erkender, at mere præcise målinger af spejlfigurer vil være afgørende for næste generations røntgenspejle, så de kan drage fordel af forbedrede lyskilder og opfylde nye krav.

SAM -opsætningen er vildledende enkel (fig. 1). 2D tilfældige intensitetsmønstre (speckle) genereres ved at skinne en laser gennem en diffuser, og de kan behandles som flere blyantstråler med forskellige funktioner. Fordi hvert speckelmønster har unikke egenskaber, pletten kan behandles som et sæt af flere bølgefrontmarkører. Variationer af spejlhældning over det målte område af spejlet forskyder plettemønsteret. Hældningsvariationen af ​​overfladen under test (SUT) kan derefter måles på nanoradian-niveau i to dimensioner ved præcist at spore pletforskydningen med en avanceret sub-pixel-algoritme.

SAM kan let installeres på en eksisterende ex-situ metrologi portal. Det kan generere 2D -overfladeprofiler, giver rig information om overfladeprofilen af ​​røntgenspejle. Ud over det større scanningsvinkelområde og fremragende repeterbarhed, høj præcision opnås. SAM -instrumentet kan også potentielt bruges til at måle toroidal, ellipsoide og paraboloidale spejle ved at udføre 2D raster scanninger af SAM på tværs af hele spejloverfladen. Endelig, SAM-instrumentet er ikke begrænset til synkrotron røntgenspejle, men kan også anvendes på friformsoptik og spejle af høj kvalitet på andre områder, såsom ekstrem ultraviolet litografi og laserantændelse.

Det bliver mere og mere udfordrende for aktuelt tilgængelige metrologiteknikker at guide den seneste indsats for at forbedre fremstillingskvaliteten af ​​røntgenspejle. Den nye teknik og instrument baseret på SAM bruger meget stort antal pletter og giver bedre statistik og mindre tilfældig støj, selv i et enkelt billede. Denne bemærkelsesværdige egenskab vil muligvis gøre det muligt at anvende den foreslåede SAM-metrologi-teknik i vid udstrækning til superpræcisionsmetrologi og fremskridt for den næste generation af røntgenspejle.

Laurent Chapon, Fysisk videnskabelig direktør hos Diamond kommentarer; "Denne spændende nye teknik til måling af vinkelformede vinkler intensivt udviklet af medlemmer af Diamond's Optics and Metrology Group, vil være i stand til at udvide mulighederne for nuværende metrologiske instrumenter. Til den næste generation af røntgenspejle, påkrævet for at følge med nye røntgenkilder og den stadigt stigende efterspørgsel efter større sammenhæng og strammere fokusering, SAM vil være en rettidig kilde til bistand. "

Diamond's Optics and Metrology Group brugte sin Test Beamline (B16) til at udvikle denne avancerede røntgenbillede og metrologi tilgang. For nylig, en spikkelbaseret omnidirektionel differentialfase og mørkfeltbilleddannelse er blevet demonstreret og offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences . Teamet har nu med succes overført, denne speckelteknik fra røntgen til område med synligt lys.