En ny teknik för laserfläckvinkelmätning (SAM) som beskrivs i ett papper i Ljus:Vetenskap och tillämpningar visar hur mätningar av lutningsfel kan minskas dramatiskt. Detta är viktigt eftersom röntgenspeglar används i stor utsträckning för synkrotronstrålningsanläggningar, Röntgenfrielektronlasrar och astronomiska röntgenteleskop. Dock, korta våglängder och betesincidens sätter strikta gränser för de tillåtna lutningsfelen. Även om avancerade poleringstekniker har producerat speglar med lutningsfel (under 50 nrad root mean square (rms)), många befintliga metrologiska tekniker kämpar för att mäta dem. Dessutom, SAM är kompakt, låg kostnad och integreras med de flesta befintliga röntgenspegelmätinstrument.

Pappret, "Nano-precisionsmätning av röntgenspeglar med lasermärke, vinkelmätning, "författad av Dr. Hongchang Wang, Simone Moriconi och prof. Kawal Sawhney från gruppen Optics and Metrology på Diamond Light Source, beskriver ett nytt mätinstrument och tekniker som deras team har utvecklat. Baserat på fläckvinkelmätning (SAM), det kan överträffa många begränsningar för nuvarande metrologiska tekniker och ge oöverträffad noggrannhet för att karakterisera starkt böjda högkvalitativa röntgenspeglar.

Moderna synkrotronstrålningsanläggningar och röntgenfria elektronlasrar ger röntgenstrålar med hög briljans för banbrytande vetenskaplig och industriell forskning. Ett framgångsrikt utnyttjande och effektivt utnyttjande av röntgenstrålar beror på kvaliteten på den optik som används. Röntgenspeglar är kritiska optiska komponenter och används ofta för sina exceptionella egenskaper med hög effektivitet och inneboende achromaticitet. Höjdfelet (ytavvikelser från den ideala profilen) för röntgenspeglar försämrar oundvikligen vågfronten och brännvidden. För de mest krävande röntgenapplikationer som extrem energiupplösning eller nanofokusering, det erforderliga höjdfelet är ofta under 1 nm rms. Tillverkning och metrologi av röntgenspeglar innebär således stora utmaningar.

Dr Hongchang Wang, Senior optikforskare och huvudförfattare till studien, förklarar fördelarna med den nya tekniken:"Det fläckbaserade metrologiska instrumentet, SAM, vi har utvecklat är en kompakt, lågprisinstrument som är enkelt att integrera med de flesta andra befintliga röntgenspegelmetrologiska instrument. Viktigt, den möjliggör noggrann mätning av starkt böjda speglar i två dimensioner med en precision på nanometer. Detta är en egenskap som de flesta befintliga mätinstrument saknar och överbryggar klyftan i deras möjligheter av röntgenspegelspegelmätningssamhället. Citatet, "Om du inte kan mäta det, du kan inte förbättra det, "gäller särskilt vid tillverkning och karakterisering av superpolerade röntgenspeglar."

I tidningen visar teamet att vinkeln precisionen för mätningar av lutningsfel kan skjutas ner till 20nrad rms genom att använda en avancerad subpixelspårningsalgoritm. Teamet säger att denna nya nano-metrologimetod potentiellt kan öppna nya möjligheter att utveckla nästa generations superpolerade röntgenspeglar som också kommer att främja utvecklingen av synkrotronstrålning, fria elektronlasrar, Röntgen nanoprober, bevarande av sammanhållning, astronomisk fysik och teleskop.

Medförfattare till artikeln om denna nya metrologiska teknik, Prof. Kawal Sawhney, Principal Beamline Scientist och gruppledare för optik och metrologi på Diamond, tillägger:"Det här nya instrumentet kommer att förbättra möjligheterna i vårt toppmoderna metrologilaboratorium på Diamond och göra det möjligt för oss att metrologiskt testa de röntgenspeglar av extremt hög kvalitet som krävs för användning med den planerade uppgraderingen av Diamond till en låg -emittance Diamond-II-källa. Leverantörer av röntgenspeglar kommer också att tycka att det här nya instrumentet är attraktivt eftersom det gör det möjligt för dem att tillverka ännu bättre optik än för närvarande. "

Röntgenspeglar med hög precision förbättras och utvecklas kontinuerligt för att hålla jämna steg med de globala uppgraderingarna av synkrotroner till diffraktionsbegränsad lagringsring. För att övervinna begränsningarna för nuvarande metrologiska tekniker, teamet utvecklade detta nya SAM optiska skanningshuvud och tillvägagångssätt, inser att mer exakta mätningar av spegelfigurer kommer att vara avgörande för nästa generations röntgenspeglar för att de ska kunna dra nytta av förbättrade ljuskällor och möta nya krav.

SAM -inställningen är bedrägligt enkel (Fig. 1). 2D slumpmässiga intensitetsmönster (fläckar) genereras genom att lysa en laser genom en diffusor och de kan behandlas som flera pennstrålar med olika funktioner. Eftersom varje fläckmönster har unika egenskaper, fläck kan behandlas som en uppsättning av flera vågfront markörer. Variationer av spegellutning över det uppmätta området av spegeln förskjuter fläckmönstret. Lutningsvariationen för ytan som testas (SUT) kan sedan mätas på nanoradisk nivå i två dimensioner genom att exakt spåra fläckförskjutningen med en avancerad subpixelalgoritm.

SAM kan enkelt installeras på en befintlig ex-situ metrologi portal. Det kan generera 2D -ytprofiler, ger rik information om ytprofilen för röntgenspeglar. Förutom det större avsökningsvinkelområdet och utmärkt repeterbarhet, hög precision uppnås. SAM -instrumentet kan också potentiellt användas för att mäta toroidal, ellipsoidala och paraboloidala speglar genom att utföra 2D -rasterskanningar av SAM över hela spegelytan. Till sist, SAM-instrumentet är inte begränsat till synkrotronröntgenspeglar utan kan också appliceras på friformsoptik och högkvalitativa speglar inom andra områden, såsom extrem ultraviolett litografi och lasertändning.

Det blir mer och mer utmanande för för närvarande tillgängliga metrologiska tekniker att vägleda de senaste insatserna för att förbättra tillverkningskvaliteten för röntgenspeglar. Den nya tekniken och instrumentet baserat på SAM använder mycket stort antal spetsar och ger bättre statistik och mindre slumpmässigt brus även i en enda bild. Denna anmärkningsvärda egenskap kommer möjligen att möjliggöra att den föreslagna SAM-metrologitekniken används i stor utsträckning för superprecisionsmätning och framsteg för nästa generations röntgenspeglar.

Laurent Chapon, Fysikaliska vetenskapsdirektör på Diamond kommentarer; "Denna spännande nya teknik för fläckvinkelmätning som intensivt utvecklats av medlemmar i Diamond's Optics and Metrology Group, kommer att kunna utöka möjligheterna för nuvarande mätinstrument. För nästa generations röntgenspeglar, krävs för att hänga med i nya röntgenkällor och den ständigt ökande efterfrågan på större sammanhang och stramare fokus, SAM kommer att vara en hjälpkälla i rätt tid. "

Diamond's Optics and Metrology Group använde sin Test Beamline (B16) för att utveckla denna avancerade röntgenbild- och metrologimetod. Nyligen, en fläckbaserad omnidirektionell differentialfas och mörkerfältavbildning har visats och publicerats i Förfaranden från National Academy of Sciences . Teamet har nu framgångsrikt överfört, denna fläckteknik från röntgen till synligt ljusområde.