軟X射線光學表面散射檢測

陳淑妍,康　崇,張　楊,邢　鍵

(哈爾濱工程大學 物理實驗中心，黑龍江 哈爾濱150001)

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軟X射線光學表面散射檢測

陳淑妍,康崇,張楊,邢鍵

(哈爾濱工程大學 物理實驗中心，黑龍江 哈爾濱150001)

摘要：應用自行研制的軟X射線反射率計，分別對不同的反射鏡樣品，在不同的工作波段以及掠射角下研究了軟X射線波段掠入射光學表面的散射. 實驗結果表明：掠射角增加，波長減小，粗糙度增加，軟X射線掠入射表面散射程度加重.

關鍵詞：軟X射線;表面散射;表面粗糙度;掠入射

1引言

光學表面散射一直是光學研究領域一個重要的基本問題，近年來由于科學技術的迅速發展，人們對所用儀器性能指標的要求越來越高，光散射現象越來越受到人們的關注. 所謂光散射就是1束光通過介質時，其中一部分光偏離主要傳播方向的現象. 當1束光入射到粗糙表面上，反射光中除了鏡向反射光以外，還有散射光. 散射光主要通過以下幾方面降低光學系統性能：1)一些散射光根本無法傳播到焦平面，因此減小了到達像面的光通量；2)大角度散射會產生雜光，從而降低了圖像對比度或信噪比；3)小角度散射會使圖像變得模糊，降低了光學系統的分辨率. 表面缺陷、表面污染可帶來光學散射，另外光子之間的相互作用、自由電子或表面等離子體干擾都會造成散射. 然而，散射光對光學系統性能的影響和它的來源無關[1-5].

一般來說，任何光學系統中，偏離主光線方向上的所有其他方向都存在散射光. 在大多數的光學應用場合，光散射是光學系統的非設計因素，對整體的光學性能起負面影響. 同時，光學散射的分布與反射光和透射光主光線分布一同構成了光波與各種光學元件相互作用后的所有宏觀信息分布，從而為研究光學系統的一些性質提供了客觀途徑.

長期以來，各國研究人員在光學散射方面作了很多嘗試性工作，一方面通過合理地設計和加工，來減少光學散射對光學系統性能的負面影響，另一方面又利用光學散射來了解光學系統本身的一些性質. 這兩方面的工作是相輔相成的，也正是由于這個原因，長期以來光學散射研究一直受到人們的重視. 隨著高新技術的發展和推動，無論是理論上還是實際應用上，人們對于光學散射的認識和掌握也在不斷深化中[6].

本文采用自行研制的軟X射線反射率計，分別在不同條件下對2塊不同的樣品進行了掠入射光學表面散射實驗，得到豐富的實驗數據，并對這些實驗數據進行處理，給出相應的實驗結果.

2表面散射的測量實驗

2.1　實驗儀器：軟X射線反射率計

在光學表面散射的實驗中，表面散射對反射鏡的影響體現在反射鏡的有效面積上. 基于現有的設備和實驗條件，采用軟X射線反射率計測量掠入射光學表面散射.

軟X射線反射率計由激光等離子體光源、掠入射光柵單色儀、樣品室、真空系統、光電探測電路及計算機控制軟件等部分組成，其結構示意圖如圖1所示. 激光等離子體光源產生的軟X射線經過掠入射光柵單色儀，獲得需要的工作波長的單色光；然后經過準直并進入樣品室內，樣品室內的樣品工作臺可以實現平動和旋轉；準直光經過待測反射鏡的反射后，通過轉動通道電子倍增器，實現對光散射分布的測量. 同時，還有監視探測器對光源不穩定性進行監測和校正[7-11].

圖1　軟X射線反射率計結構示意圖

2.2　樣品

根據光學材料和表面形態，選用了2塊不同的反射鏡樣品. 2塊樣品都是平面鏡，一塊是微晶玻璃材料，另一塊是硅片. 一般來說，光學鏡面材料應該具有如下特點：1)極好的形狀穩定性，使鏡面獲得并長期保持精確的鏡面形狀；2)熱膨脹系數接近于零，使鏡面形狀不受環境溫度的影響；3)應該具有一定的硬度和強度，以承受加工及運輸時的應力；4)應該可以拋光并在真空室中進行鍍膜. 微晶玻璃由于具有極低的熱膨脹系數、良好的熱穩定性、尺寸穩定性及高的機械強度而成為大型光學儀器反射鏡的優質材料；而硅片則是一種常用的光學鏡面材料.

就軟X射線光學系統而言，低頻面形誤差的散射使像核的能量傳遞到鄰近的晶格衍射環中，但不使點擴散函數的中心寬度加大，只是降低了彌散斑的中心強度，因此低頻面形誤差對于掠入射光學表面散射的影響通常可以忽略不計. 在進行表面散射實驗之前，首先采用WYKO表面輪廓儀分別對2塊測試樣品的表面粗糙度進行了測定，測定的結果如圖2所示，硅待測樣品的總體表面粗糙度均方根值為1.3 nm，而微晶玻璃待測樣品的總體粗糙度均方根值為1.5 nm.

(a)Si片反射鏡樣品

(b)微晶玻璃反射鏡片樣品圖2　WYKO測得的表面微粗糙度

2.3　實驗過程

在進行表面散射實驗之前，首先要將整個軟X射線反射率計系統調整好，對好光路，同時也要把待測樣品的方位調整好；然后開始抽真空，一般抽到10-3Pa，高壓至少要加到1 000 V，隨后開始進行表面散射實驗.

實驗時，保持待測樣品方位不變，轉動探測器掃描入射光束入射到待測樣品后散射光的分布，如圖3所示，主探測器在半圓周上轉動的角度η是散射角θ和入射角θ0(即掠射角φ的余角)的差，其中方向余弦坐標β和β0分別為

β=sinθ,β0=sinθ0.

圖3　散射測量的幾何結構示意圖

因為探測器是具有1 mm中心孔的通道電子倍增器，為了避免實驗中因為數據重疊而帶來處理上的麻煩，自制了狹縫，放在主探測器前面，狹縫的寬度應在滿足光強的條件下根據彌散斑的直徑來選取. 本次實驗中取狹縫的寬度為0.6 mm，而探測器所在圓周的半徑為175 mm，因此寬度為0.6 mm的狹縫相當于探測器轉動0.2°所走的弧長，剛好和實驗中探測器轉動的步長一致. 另外，測量過程中，主探測器轉動的角度總是樣品轉動角度的2倍.

實驗中，2個探測器對應2個不同的數據通道，一組是入射光經反射鏡掠入射后的光強，另一組是監控探測器的數據，用來校正光源的不穩定性. 在測量過程中，首先將待測樣品從光路中移開，記錄入射光被監控探測器測量的信號和主探測器測量的信號，并用監測探測器的信號歸一化主探測器的信號來消除光源的不穩定性，即二者的比值對于光源來說是穩定的，可以看作是入射光信號；然后，將待測樣品移入光路，記錄入射光束被監控探測器測量的信號，及光束上部分被測樣品散射后主探測器測量的信號，同樣使用監測探測器的信號來歸一化主探測器的信號，即二者的比值可以看作散射光信號. 把入射光信號和散射光信號相對比，以此來分析待測樣品的表面散射特性.

在實驗過程中，首先測量不同波長的表面散射角度分布，即針對同一待測樣品，在掠射角不變的情況下，對不同波長的入射光進行表面散射的實驗；然后改變掠射角，再繼續測量不同波長的表面散射分布；當幾個掠射角分別測量完畢，關掉系統，更換不同的待測樣品，重新抽真空，加高壓至少到1 000 V，重復前一塊待測樣品的實驗過程.

3實驗結果

實驗測得2組不同通道的數據，通道1是主探測器對應的數據通道，通道2為監控探測器對應的數據通道，用通道2的數據對通道1的數據進行歸一化后，得到光的相對光強分布. 根據測得數據歸一化后的相對光強得到圖4. 從圖4可以看出，在軟X射線波段，隨著表面粗糙度的增加，掠入射光學表面散射越來越嚴重. 這樣，從實驗的角度充分證明了增加表面粗糙度會加重掠入射光學表面散射程度，嚴重影響了掠入射光學成像系統的成像質量.

既然表面粗糙度對表面散射的影響很大，對于工作波段很短的光學系統來說，可以通過提高光學表面加工工藝水平，降低表面粗糙度，以便降低由散射造成的光損失，從而來提高光學系統成像質量.

(a)λ=8 nm，φ=1°

(b)λ=11 nm，φ=1.5°

(c)λ=16 nm，φ=2°圖4　不同表面粗糙度的相對光強分布

(a)硅樣品，φ=1.5°

(b)微晶玻璃樣品，φ=1°

(c)微晶玻璃樣品，φ=2°圖5　不同波長的相對光強

圖5分別給出了不同樣品在同樣波長和掠射角條件下表面散射的相對光強分布.從圖5中可以看出，對于表面粗糙度σ相同的光學表面，在掠射角φ不變的情況下，隨著掠入射光波長的減小，光學表面散射呈現越來越嚴重的趨勢，由表面散射所造成的光損失也越來越大，嚴重降低了光學性能. 可以看出，當入射光工作波段減小時，幾何像差對光學性能的影響不變，衍射對光學系統光學性能的影響降低，而光學表面散射對光學系統光學性能的影響卻在增加，因此對于工作波段很短的光學系統，特別是軟X射線或極紫外光學系統，光學表面散射的研究非常重要.

工作波長與光學表面光滑程度對散射都有很大的影響. 增大工作波長與提高光學表面光滑程度都會減少因散射而引起的成像質量降低. 而光學表面是否光滑是相對于所使用的入射光波長而言的，在滿足同樣的散射要求的情況下，隨著入射波長的增加，對光學表面光滑程度的要求也就降低了，反之亦然.

圖6為相同掠射角和表面形態的條件下，不同波長的表面散射角度分布. 從圖6中可以看出，隨著掠射角的增大，掠入射光學表面散射程度越來越嚴重，因此也可以通過減小掠射角來降低由于光學散射所帶來的掠入射光學成像系統成像質量的降低.

(a)硅樣品，λ=11 nm

(b)微晶玻璃樣品，λ=9 nm圖6　不同掠射角的相對光強分布

實驗誤差來源主要有以下兩方面：

1)進行散射測試時，由實驗裝置帶來的誤差. 軟X射線反射率計中存在各種傳動機構，如樣品工作臺和探測器工作臺的傳動機構，波長選擇機

構在測試中產生的回程差、爬坡現象等.

2)在散射測試中還存在著一些人為誤差，如光路調整，樣品臺調整、探測器的初始位置等.

4結束語

應用自行研制的軟X射線反射率計分別針對不同的反射鏡樣品，在不同的工作波段及掠射角的情況下進行軟X射線波段掠入射光學表面散射的實驗研究. 經過數據處理后，從實驗的角度分別分析了掠射角、波長和粗糙度對軟X射線掠入射表面散射的影響.

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[責任編輯：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

中圖分類號：O434.1

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2015)01-0005-05

作者簡介：陳淑妍(1975-)，女，吉林省吉林市人，哈爾濱工程大學物理實驗中心講師，博士，主要研究方向為短波段望遠鏡關鍵技術.

收稿日期：2014-06-24；修改日期：2014-08-04

“第8屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文

資助項目：哈爾濱工程大學實驗教學改革與實驗技術研究立項項目(No.SYJG20131106)