撰稿 | Eva（中科大，博士生）

X射線反射鏡作為將同步輻射光束反射到目標(biāo)的重要光學(xué)儀器之一，廣泛應(yīng)用于大型同步輻射設(shè)施中，為生命科學(xué)、材料科學(xué)、地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的許多研究成果做出了貢獻(xiàn)。

圖1：英國“鉆石”同步輻射光源（簡稱：鉆石光源）

拓展：鉆石光源是英國的國家同步輻射加速器。它就像一個(gè)巨大的顯微鏡，利用電子的力量產(chǎn)生明亮的光，這臺機(jī)器將電子加速到接近光速，從而發(fā)出比太陽亮 100 億倍的光。這些明亮的光束然后被引導(dǎo)到稱為“光束線站”的實(shí)驗(yàn)室。在這里，科學(xué)家們可以用它來研究從化石到噴氣發(fā)動機(jī)再到病毒和疫苗的任何事物。

X射線是一種波長非常短的電磁輻射形式，范圍在0.01納米到10納米之間，根據(jù)波長與能量的關(guān)系，波長越短的攜帶的能量越大，這就使得X射線具有穿透物質(zhì)能力。

因此，X射線反射鏡不同于我們熟悉的反射可見光的反射鏡，為了實(shí)現(xiàn)X射線不會穿透反射鏡而是從反射鏡表面發(fā)生反射，X射線相對反射鏡的入射角度必須是掠入射（補(bǔ)充說明：指X射線以很小的角度入射到一個(gè)平面，一般指1度以下）。如果X射線反射鏡表面存在高度誤差，將不可避免的破壞波前并降低聚焦性能。

因此，X射線反射鏡對高度誤差要求極其嚴(yán)格。對于最苛刻的X射線應(yīng)用（如極端能量分辨率或納米聚焦）所需的高度誤差通常低于1納米。因此X射線反射鏡的制造和檢測計(jì)量都存在巨大的挑戰(zhàn)。

鑒于此，英國鉆石光源的研究人員提出了一種激光散斑角測量（SAM）技術(shù)，該技術(shù)基于散斑成像的新型納米計(jì)量技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)的跟蹤算法，X射線鏡的制造誤差的測量精度可達(dá)20納弧度（均方根），此前的技術(shù)獲得的極限是50納弧度（均方根），在精度上獲得極大的提升可以為下一代X射線反射鏡的開發(fā)發(fā)展了新的可能性。

該成果以“Nano-precision metrology of X-ray mirrors with laser speckle angular measurement”為題發(fā)表在 Light: Science & Applications。

研究人員使用了一種眾所周知的技術(shù)——散斑成像（名詞解釋>）。

基于散斑的計(jì)量儀器 SAM 是一種緊湊、低成本的儀器，容易與大多數(shù)其他現(xiàn)有的X射線鏡計(jì)量儀器集成。重要的是，它允許以納米級精度對二維強(qiáng)曲面鏡進(jìn)行準(zhǔn)確測量，這是大多數(shù)現(xiàn)有計(jì)量儀器所缺乏的一項(xiàng)功能，并且該技術(shù)彌補(bǔ)了X射線在其能力方面所面臨的差距。

圖2：散斑角測量裝置的整體示意圖

“如果你不能測量它，你就不能改進(jìn)它”這句話在超拋光X射線反射鏡的制造和表征中尤其正確。

圖3：Hongchang Wang（左）指導(dǎo)博士生Simone Moriconi(右)進(jìn)行SAM裝置調(diào)試

隨著現(xiàn)有X射線鏡測試技術(shù)的改進(jìn)，整個(gè)計(jì)量學(xué)界都取得了重大進(jìn)展，而研究人員提出的這項(xiàng)技術(shù)方案可以為X射線鏡制造商和用戶提供更高的檢測質(zhì)量。

應(yīng)用SAM技術(shù)的X射線反射鏡將廣泛應(yīng)用于同步輻射加速器、X射線自由電子激光器和天文X射線望遠(yuǎn)鏡等大型國家物理設(shè)施。同時(shí)，該技術(shù)不僅限于同步加速器X射線反射鏡，還可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域的自由曲面光學(xué)和高質(zhì)量反射鏡，例如極紫外光刻和激光點(diǎn)火。后續(xù)，研究人員計(jì)劃進(jìn)一步提升設(shè)備的穩(wěn)定性、堅(jiān)固性、以及數(shù)據(jù)采集和處理能力。

論文信息：

Wang, H., Moriconi, S. & Sawhney, K. Nano-precision metrology of X-ray mirrors with laser speckle angular measurement. Light Sci Appl 10, 195 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00632-4

監(jiān)制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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