软X射线光学表面散射检测

陈淑妍,康　崇,张　杨,邢　键

(哈尔滨工程大学 物理实验中心，黑龙江 哈尔滨150001)



软X射线光学表面散射检测

陈淑妍,康崇,张杨,邢键

(哈尔滨工程大学 物理实验中心，黑龙江 哈尔滨150001)

摘要：应用自行研制的软X射线反射率计，分别对不同的反射镜样品，在不同的工作波段以及掠射角下研究了软X射线波段掠入射光学表面的散射. 实验结果表明：掠射角增加，波长减小，粗糙度增加，软X射线掠入射表面散射程度加重.

关键词：软X射线;表面散射;表面粗糙度;掠入射

1引言

光学表面散射一直是光学研究领域一个重要的基本问题，近年来由于科学技术的迅速发展，人们对所用仪器性能指标的要求越来越高，光散射现象越来越受到人们的关注. 所谓光散射就是1束光通过介质时，其中一部分光偏离主要传播方向的现象. 当1束光入射到粗糙表面上，反射光中除了镜向反射光以外，还有散射光. 散射光主要通过以下几方面降低光学系统性能：1)一些散射光根本无法传播到焦平面，因此减小了到达像面的光通量；2)大角度散射会产生杂光，从而降低了图像对比度或信噪比；3)小角度散射会使图像变得模糊，降低了光学系统的分辨率. 表面缺陷、表面污染可带来光学散射，另外光子之间的相互作用、自由电子或表面等离子体干扰都会造成散射. 然而，散射光对光学系统性能的影响和它的来源无关[1-5].

一般来说，任何光学系统中，偏离主光线方向上的所有其他方向都存在散射光. 在大多数的光学应用场合，光散射是光学系统的非设计因素，对整体的光学性能起负面影响. 同时，光学散射的分布与反射光和透射光主光线分布一同构成了光波与各种光学元件相互作用后的所有宏观信息分布，从而为研究光学系统的一些性质提供了客观途径.

长期以来，各国研究人员在光学散射方面作了很多尝试性工作，一方面通过合理地设计和加工，来减少光学散射对光学系统性能的负面影响，另一方面又利用光学散射来了解光学系统本身的一些性质. 这两方面的工作是相辅相成的，也正是由于这个原因，长期以来光学散射研究一直受到人们的重视. 随着高新技术的发展和推动，无论是理论上还是实际应用上，人们对于光学散射的认识和掌握也在不断深化中[6].

本文采用自行研制的软X射线反射率计，分别在不同条件下对2块不同的样品进行了掠入射光学表面散射实验，得到丰富的实验数据，并对这些实验数据进行处理，给出相应的实验结果.

2表面散射的测量实验

2.1　实验仪器：软X射线反射率计

在光学表面散射的实验中，表面散射对反射镜的影响体现在反射镜的有效面积上. 基于现有的设备和实验条件，采用软X射线反射率计测量掠入射光学表面散射.

软X射线反射率计由激光等离子体光源、掠入射光栅单色仪、样品室、真空系统、光电探测电路及计算机控制软件等部分组成，其结构示意图如图1所示. 激光等离子体光源产生的软X射线经过掠入射光栅单色仪，获得需要的工作波长的单色光；然后经过准直并进入样品室内，样品室内的样品工作台可以实现平动和旋转；准直光经过待测反射镜的反射后，通过转动通道电子倍增器，实现对光散射分布的测量. 同时，还有监视探测器对光源不稳定性进行监测和校正[7-11].

图1　软X射线反射率计结构示意图

2.2　样品

根据光学材料和表面形态，选用了2块不同的反射镜样品. 2块样品都是平面镜，一块是微晶玻璃材料，另一块是硅片. 一般来说，光学镜面材料应该具有如下特点：1)极好的形状稳定性，使镜面获得并长期保持精确的镜面形状；2)热膨胀系数接近于零，使镜面形状不受环境温度的影响；3)应该具有一定的硬度和强度，以承受加工及运输时的应力；4)应该可以抛光并在真空室中进行镀膜. 微晶玻璃由于具有极低的热膨胀系数、良好的热稳定性、尺寸稳定性及高的机械强度而成为大型光学仪器反射镜的优质材料；而硅片则是一种常用的光学镜面材料.

就软X射线光学系统而言，低频面形误差的散射使像核的能量传递到邻近的晶格衍射环中，但不使点扩散函数的中心宽度加大，只是降低了弥散斑的中心强度，因此低频面形误差对于掠入射光学表面散射的影响通常可以忽略不计. 在进行表面散射实验之前，首先采用WYKO表面轮廓仪分别对2块测试样品的表面粗糙度进行了测定，测定的结果如图2所示，硅待测样品的总体表面粗糙度均方根值为1.3 nm，而微晶玻璃待测样品的总体粗糙度均方根值为1.5 nm.

(a)Si片反射镜样品

(b)微晶玻璃反射镜片样品图2　WYKO测得的表面微粗糙度

2.3　实验过程

在进行表面散射实验之前，首先要将整个软X射线反射率计系统调整好，对好光路，同时也要把待测样品的方位调整好；然后开始抽真空，一般抽到10-3Pa，高压至少要加到1 000 V，随后开始进行表面散射实验.

实验时，保持待测样品方位不变，转动探测器扫描入射光束入射到待测样品后散射光的分布，如图3所示，主探测器在半圆周上转动的角度η是散射角θ和入射角θ0(即掠射角φ的余角)的差，其中方向余弦坐标β和β0分别为

β=sinθ,β0=sinθ0.

图3　散射测量的几何结构示意图

因为探测器是具有1 mm中心孔的通道电子倍增器，为了避免实验中因为数据重叠而带来处理上的麻烦，自制了狭缝，放在主探测器前面，狭缝的宽度应在满足光强的条件下根据弥散斑的直径来选取. 本次实验中取狭缝的宽度为0.6 mm，而探测器所在圆周的半径为175 mm，因此宽度为0.6 mm的狭缝相当于探测器转动0.2°所走的弧长，刚好和实验中探测器转动的步长一致. 另外，测量过程中，主探测器转动的角度总是样品转动角度的2倍.

实验中，2个探测器对应2个不同的数据通道，一组是入射光经反射镜掠入射后的光强，另一组是监控探测器的数据，用来校正光源的不稳定性. 在测量过程中，首先将待测样品从光路中移开，记录入射光被监控探测器测量的信号和主探测器测量的信号，并用监测探测器的信号归一化主探测器的信号来消除光源的不稳定性，即二者的比值对于光源来说是稳定的，可以看作是入射光信号；然后，将待测样品移入光路，记录入射光束被监控探测器测量的信号，及光束上部分被测样品散射后主探测器测量的信号，同样使用监测探测器的信号来归一化主探测器的信号，即二者的比值可以看作散射光信号. 把入射光信号和散射光信号相对比，以此来分析待测样品的表面散射特性.

在实验过程中，首先测量不同波长的表面散射角度分布，即针对同一待测样品，在掠射角不变的情况下，对不同波长的入射光进行表面散射的实验；然后改变掠射角，再继续测量不同波长的表面散射分布；当几个掠射角分别测量完毕，关掉系统，更换不同的待测样品，重新抽真空，加高压至少到1 000 V，重复前一块待测样品的实验过程.

3实验结果

实验测得2组不同通道的数据，通道1是主探测器对应的数据通道，通道2为监控探测器对应的数据通道，用通道2的数据对通道1的数据进行归一化后，得到光的相对光强分布. 根据测得数据归一化后的相对光强得到图4. 从图4可以看出，在软X射线波段，随着表面粗糙度的增加，掠入射光学表面散射越来越严重. 这样，从实验的角度充分证明了增加表面粗糙度会加重掠入射光学表面散射程度，严重影响了掠入射光学成像系统的成像质量.

既然表面粗糙度对表面散射的影响很大，对于工作波段很短的光学系统来说，可以通过提高光学表面加工工艺水平，降低表面粗糙度，以便降低由散射造成的光损失，从而来提高光学系统成像质量.

(a)λ=8 nm，φ=1°

(b)λ=11 nm，φ=1.5°

(c)λ=16 nm，φ=2°图4　不同表面粗糙度的相对光强分布

(a)硅样品，φ=1.5°

(b)微晶玻璃样品，φ=1°

(c)微晶玻璃样品，φ=2°图5　不同波长的相对光强

图5分别给出了不同样品在同样波长和掠射角条件下表面散射的相对光强分布.从图5中可以看出，对于表面粗糙度σ相同的光学表面，在掠射角φ不变的情况下，随着掠入射光波长的减小，光学表面散射呈现越来越严重的趋势，由表面散射所造成的光损失也越来越大，严重降低了光学性能. 可以看出，当入射光工作波段减小时，几何像差对光学性能的影响不变，衍射对光学系统光学性能的影响降低，而光学表面散射对光学系统光学性能的影响却在增加，因此对于工作波段很短的光学系统，特别是软X射线或极紫外光学系统，光学表面散射的研究非常重要.

工作波长与光学表面光滑程度对散射都有很大的影响. 增大工作波长与提高光学表面光滑程度都会减少因散射而引起的成像质量降低. 而光学表面是否光滑是相对于所使用的入射光波长而言的，在满足同样的散射要求的情况下，随着入射波长的增加，对光学表面光滑程度的要求也就降低了，反之亦然.

图6为相同掠射角和表面形态的条件下，不同波长的表面散射角度分布. 从图6中可以看出，随着掠射角的增大，掠入射光学表面散射程度越来越严重，因此也可以通过减小掠射角来降低由于光学散射所带来的掠入射光学成像系统成像质量的降低.

(a)硅样品，λ=11 nm

(b)微晶玻璃样品，λ=9 nm图6　不同掠射角的相对光强分布

实验误差来源主要有以下两方面：

1)进行散射测试时，由实验装置带来的误差. 软X射线反射率计中存在各种传动机构，如样品工作台和探测器工作台的传动机构，波长选择机

构在测试中产生的回程差、爬坡现象等.

2)在散射测试中还存在着一些人为误差，如光路调整，样品台调整、探测器的初始位置等.

4结束语

应用自行研制的软X射线反射率计分别针对不同的反射镜样品，在不同的工作波段及掠射角的情况下进行软X射线波段掠入射光学表面散射的实验研究. 经过数据处理后，从实验的角度分别分析了掠射角、波长和粗糙度对软X射线掠入射表面散射的影响.

参考文献：

[1]Harvey J E. Light-scattering characteristics of optical surfaces [D]. Dissertation，U. Arizona，1976:1-4.

[2]Harvey J E. Modeling the image quality of enhanced reflectance X-ray multilayers as a surface power spectral density filter function [J]. Applied Optics, 1995,34:3715-3726.

[3]Thompson P L, Harvey J E. Systems engineering analysis of aplanatic wolter type I X-ray telescopes [J]. Opt. Eng.， 2000，39:1677-1691.

[4]Harvey J E, Cynthia L. Vernold Andrey Krywonos etc，Diffracted radiance: a fundamental quantity in nonparaxial scalar diffraction theory [J]. Applied Optics， 1999，38:6469-6481.

[5]Harvey J E, Lewotsky KL, Kotha A. Effects of surface scatter on the optical performance of X-ray synchrotron beam-line mirrors [J]. Applied Optics， 1995，34:3024-3032.

[6]赵择卿，陆大年，杨定超. 光散射技术[M]. 北京：纺织工业出版社，1987：1-2.

[7]齐立红,李忠芳,尼启良,等. 水靶激光等离子体光源11～20 nm波段光谱实验[J]. 光学 精密工程，2005，13:272-275.

[8]尼启良,齐立红,陈波. 使用气体靶激光等离子体光源的软X射线反射率计[J].光学 精密工程，2004，12:576-580.

[9]尼启良.液体微滴喷射靶激光等离子体软X射线源研究[D]. 长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2003.

[10]尼启良，巩岩，林景全，等. 气体靶激光等离子体软X射线源试验研究[J]. 光谱学与光谱分析，2003，23(1):101-103.

[11]尼启良,陈波,巩岩,等. 激光等离子体软X射线光源的一种诊断方法[J]. 光学精密工程，2002，10(3):235-238.

[责任编辑：任德香]

Surface scattering of soft X-ray optics

CHEN Shu-yan, KANG Chong, ZHANG Yang, XING Jian

(Physics Experiment Center, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract:The soft X-ray scattering distributions of several mirrors were measured by a self-made soft X-ray reflectometer for different wavelengths and grazing angles. The experimental results indicated that the soft X-ray surface scattering increased with increasing grazing angle and surface roughness, but decreased with increasing wavelength.

Key words:soft X-ray; surface scattering; surface roughness; grazing incidence

中图分类号：O434.1

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2015)01-0005-05

作者简介：陈淑妍(1975-)，女，吉林省吉林市人，哈尔滨工程大学物理实验中心讲师，博士，主要研究方向为短波段望远镜关键技术.

收稿日期：2014-06-24；修改日期：2014-08-04

“第8届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

资助项目：哈尔滨工程大学实验教学改革与实验技术研究立项项目(No.SYJG20131106)