極紫外及X射線波段超光滑反射鏡的超精密加工與檢測

余 俊，王占山，黃秋實，張 眾，沈正祥，焦宏飛，盛鵬峰，夏菁菁，王一凡

（同濟大學 物理科學與工程學院 精密光學工程技術研究所，先進微結構材料教育部重點實驗室，上海市數字光學前沿科學研究基地，上海市全光譜高性能光學薄膜器件與應用專業技術服務平臺，上海 200092）

1 引 言

極紫外、X射線波段探測技術拓展了人們對物質基本結構在分子和原子尺度的認識。基于極紫外波段、X射線的顯微成像分辨率遠高于常規可見波段，可到納米量級[1-2］。而且，X射線具備強穿透能力，還可用于樣品內部結構探測及成像。當X射線穿透物體時，如果X射線的光子能量與原子內部電子能級相匹配，X射線會被原子吸收，通過比照材料的X射線吸收光譜能獲得材料內部元素的分布情況。因此，極紫外、X射線光學顯微探測技術為物質復雜微觀結構和相互作用過程的精密觀測提供了強有力的支撐。極紫外、X射線波段在天文觀測上也有重要應用。極紫外太陽探測是空間太陽探測的核心，是研究太陽過渡區和日冕的必備手段[3］。X射線成像探測可研究宇宙大尺度纖維狀結構及星周物質分布，發現宇宙中“缺失”的物質的空間分布及其物理與化學性質[4］。同時，極紫外、X射線波段探測技術還廣泛應用于同步輻射與自由電子激光裝置、等離子體診斷、超快觀測、半導體光刻等領域。

超光滑非球面反射元件是實現極紫外、X射線觀測的核心元件，如極紫外望遠鏡光學系統中的雙曲面反射鏡、自由電子激光裝置中的超環面反射鏡、半導體光刻中的橢球面反射鏡等。在X射線波段，所有材料的折射率都小于且接近于1，光學折射率與真空更為接近，因此，X射線光學元件大多工作在掠入射條件下，只有在相對較長的極紫外波段，反射鏡鍍制多層膜在正入射才可以獲得較高的反射率。極紫外、X射線光學元件不僅要求中低頻面形輪廓精度，由于短波的散射受高頻粗糙度的影響很大，在全頻域輪廓上也有更高的精度要求。在光束傳輸和調控中，極紫外、X射線元件的表面面形精度要在納米級，粗糙度需在0.5 nm左右。

本文從極紫外、X射線光學應用的需求出發，以同濟大學精密光學工程技術研究所（IPOE）近年來在超光滑光學元件制作方面的研究工作為主，綜述了超光滑非球面反射鏡制作的研究進展。

2 金屬反射鏡超精密制作技術

2.1 增材制造金屬反射鏡的超精密加工

當代先進的空間望遠鏡和光譜儀等精密光學載荷使用復雜光學表面，如非球面和自由曲面，來提升成像性能和實現更多功能。金屬反射鏡具有結構自由度/集成度高、加工工藝好、易無熱化、周期短、成本低等優勢，有望替代傳統玻璃鏡片來實現新型全金屬高分辨率光學遙感載荷。

增材制造的金屬反射鏡可應用于極紫外、X射線波段，但在極紫外、X射線波段有以下幾點要求：（1）反射鏡表面加工的中低頻輪廓精度；（2）表面改性后加工能實現的高頻粗糙度精度；（3）增材制造鏡片的結構熱穩定性等。增材制造金屬鏡片相較于傳統金屬反射鏡，材料微觀結構有較大差異，在可加工性上表現出加工表面粗糙度較差，因此，需要進一步對加工后的表面做改性處理。

目前，課題組具有多臺單點車削設備和超精密拋光設備，并發展了超精密車削與精拋復合的金屬反射鏡表面成形技術[5］，如圖1所示。增材制造制備的金屬鏡片基底，經過單點車削加工后獲得表面質量一般的光學表面（可用于中長波紅外波段），經過表面改性后，采用磁流變或小磨頭拋光改善粗糙度，進一步提升表面面形[6-7］，最后采用化學機械拋光方法實現超光滑表面（用于平面和球面的加工），采用射流拋光技術實現超光滑非球面加工。

單點車削口徑為100 mm的輕量化鋁合金反射鏡，如圖2所示。加工過程中采用在線檢測與補償加工技術，避免離線檢測帶來的工件重新裝夾誤差，快速在線掃描全口徑鏡片補償降低環境擾動影響的測試誤差，提高加工表面的面形精度[8］，最終車削出面形精度均方根（Root Mean Square，RMS）為32.319 nm的平面，如圖3所 示。表 面 粗 糙 度Rq為3 nm左 右，如 圖4所示，可滿足大部分中長波紅外成像系統的應用需求。

根據鋁合金材料特性，直接加工出超光滑表面是非常困難的。表面改性后的超精密車削與拋光是一種可同時兼顧表面面形精度和粗糙度的復合成形技術。直接車削的表面電鍍一層鎳磷合金的改性層，然后對改性層進行超精密加工可實現超光滑表面。單點車削后鎳磷合金改性層表面具有微米級周期性車削痕跡。如圖5所示，表面粗糙度Rq為2 nm左右，這種強周期性的痕跡會導致嚴重的散射，極大地降低光學性能。

磁流變修形可用于降低車削加工表面的中頻輪廓誤差，然而所得表面具有沿拋光運動方向的周期性痕跡，如圖6所示，表面粗糙度Rq為1 nm左右。化學機械拋光是平滑中頻輪廓和抑制高頻粗糙度的有效手段。采用化學機械拋光去除表面中高頻誤差，并進一步降低表面粗糙度，最終加工表面的粗糙度Rq達到0.585 nm，如圖7所示，可滿足極紫外和X射線波段的成像系統應用需求。

2.2 Wolter-I顯微鏡金屬芯軸的超精密加工技術

與針孔相機和KB顯微鏡相比，Wolter-I型X射線顯微鏡有更高的分辨率、更寬的視場和更大的集光效率，展現出廣闊的應用前景。Wolter-I型顯微鏡為旋轉對稱結構，內表面反射，直徑通常只有幾到十幾毫米，因此，其鏡片難于直接加工制作。目前，主要用鎳電鑄復制法實現Wolter-I型顯微鏡鏡片的制作。在復制法中，需要優先制作具備高精度面形和超光滑表面的芯軸，隨后在芯軸表面上電鑄一層鎳基鏡片，將鏡片與芯軸分離后，即獲得Wolter-I型顯微鏡鏡片。芯軸的表面面形及粗糙度直接影響Wolter-I型顯微鏡鏡片的性能。因此，Wolter-I型顯微鏡芯軸制備是Wolter-I型顯微鏡制備的重要環節之一。課題組發展了Wolter-I型X射線顯微鏡芯軸的超精密單點車削與機械法保形拋光復合的表面成形技術[9］，可以獲得面形PV在±50 nm以內，且粗糙度RMS達到0.2 nm的芯軸表面，具體流程如圖8所示。要想獲得較好的表面中低頻形貌，其難點在于鍍鎳后表面的單點車削加工與在線檢測技術。采用白光共焦探針搭建了原位在線測試平臺，探針沿加工路徑測試表面，在線獲取加工表面輪廓數據。為了獲得較好的表面高頻形貌，其主要解決車削表面的粗糙度平滑拋光。因此，采用柔性氣囊沿加工路徑對加工表面的車削刀紋進行拋光平滑。

單點車削Wolter-I芯軸如圖9所示。利用光譜共焦探針對它進行原位測量并進行補償加工，最終車削芯軸的原位測量結果如圖10所示。其軸向面形精度已經達到±50 nm以內，周向面形達到±20 nm以內。

雖然車削后表面面形精度已經達到X射線領域的應用需求，然而其表面粗糙度仍然在納米級別。這對X射線成像系統來說是無法接受的。因此，采用柔性盤化學機械法拋光技術對芯軸表面進行處理，來保證在不破壞表面面形精度的前提下，降低表面粗糙度RMS值至0.6 nm以下。

利用AFM對拋光后芯軸表面粗糙度進行測量，并采用干涉儀結合CGH技術對其表面面形進行測量，測量結果如圖11所示。干涉儀測量時采用柱面CGH進行非零位補償測量。橢球鏡和雙曲鏡的干涉儀測量結果依次如圖11（c）和11（d）所示。考慮到在測量中測試結果在周向（圖11（c），11（d）中垂直方向）上存在較大誤差，為方便計算，選取母線方向（圖11（c），11（d）中水平方向）數據作為一維軸向矢高，用測量數據減去理想矢高獲得圖11（b）的面形誤差數據。芯軸表面面形仍舊優于±50 nm，在5μm×5μm內，芯軸表面粗糙度RMS值為0.23 nm。

3 超光滑表面確定性加工與檢測技術

3.1 大尺寸平面拋光

環形拋光技術可實現全口徑材料均勻去除，具有良好的全頻譜表面誤差修正能力，是加工大口徑平面元件的主要拋光方法之一。課題組目前建有多臺環形拋光設備，最大加工口徑可達1.5 m（圖12（a）），研發了較高面形精度和超光滑表面的平面拋光技術。圖12（b）和12（c）為課題組利用環拋技術加工的直徑為200 mm熔石英平面鏡的測試結果，使用Zygo激光干涉儀測量表面面形的精度峰谷值PV優于40 nm，光學輪廓儀測量表面的粗糙度RMS優于0.3 nm。

3.2 高精度確定性加工

為進一步提高基底的面形精度，需采用確定性的加工方法。離子束修形是國際上精密光學終道加工的主流方法，有較高的修正精度和加工效率。我們基于離子束精密修形工藝，在單晶硅反射鏡上開展了精密修形實驗。針對上海光源硬X射線微聚焦實驗站對平面壓彎鏡的需求，開展了240 mm長平面鏡的面形修正實驗[10］。經過2次修正，平面鏡的二維面形誤差從27 nm降到1.6 nm（RMS），如圖13所示。該反射鏡經上海光源NOM測試，中線一維斜率誤差最小為133 nrad（RMS），達到了國際先進水平，如圖13所示。

輪廓鍍膜是一種增材式的面形修正方法，通過調控濺射鍍膜中沉積原子的空間分布，配合精密運動實現對反射鏡表面不同位置面形誤差的增材修正。課題組研究了基于掩模板設計的輪廓鍍膜法面形修正，并在行星運動磁控濺射鍍膜系統上實現了從球面輪廓到非球面輪廓的修正。基于單晶硅材料，利用輪廓鍍膜法開展平面基底一維面形修正。利用掩模板生成特定的鍍膜修形束斑，根據束斑及目標修正量編寫修正駐留時間函數，實現面形修正。采用140 mm長的單晶硅平面鏡作為實驗樣品，修正區域寬度為10 mm，長度約為130 mm，經兩次修形后，一維高度面形誤差優于2 nm（RMS），干涉儀面形測試結果如圖14所示。修形前和兩次修形后中心線面形高度輪廓的變化結果如圖15所示。基于現有直線型鍍膜設備發展的輪廓鍍膜技術，可以在小尺寸平面鏡上獲得和離子束一樣的修形精度。

3.3 高精度全頻譜檢測

極紫外、X射線反射鏡的形貌誤差包括低頻（全口徑到毫米級）、中頻（毫米到微米級）和高頻（微米到納米級）3個部分，空間周期跨越8～9個量級。課題組的全頻譜檢測平臺包括中低頻激光干涉儀、中頻光學輪廓儀和高頻原子力顯微鏡等，測試范圍能覆蓋反射鏡的全頻譜。

針對大尺寸平面鏡和曲面鏡面形的測試需求，課題組開展了子孔徑拼接測量方法的研究[11-12］，即對反射鏡表面不同位置的局部區域進行單孔徑精確測量，再利用算法或硬件輔助的方法進行拼接，獲得整體面形，其原理如圖18所示。

為了擺脫對高精度定位平臺的依賴，課題組發展了一種不依賴高精度定位平臺的絕對檢測方法[13］。在一般的平移旋轉測量中，每次的平移旋轉均可以視作單次的離軸旋轉，因此簡化平移旋轉法的計算流程，如圖19所示。其中，平移及旋轉量根據表面特征點進行計算。該絕對檢測方法可為確定性補償加工提供高精度面形信息。

4 超光滑非球面反射鏡應用

4.1 同步輻射光源中應用的超光滑反射鏡

課題組與上海光源線站合作，研制了多塊用于線站聚焦的反射鏡元件并成功實現應用。圖20是為上海光源硬X射線微聚焦線站（15U）研制的2塊梯形平面鏡，長度為240 mm，經過離子束修形后表面的二維面形誤差僅為3 nm（RMS）左右。兩塊反射鏡已安裝在上海光源15U實驗站的聚焦系統中，通過壓彎機構形成KB聚焦鏡，聚焦光斑尺寸達到2μm，與國外進口元件的性能基本一致。

此外，在同步輻射光源中應用較多的超光滑非球面反射鏡制作上，課題組發展了輪廓鍍膜法高精度修形非球面。如圖21所示，課題組利用輪廓鍍膜法快速成型制作了高精度橢圓柱面鏡，中心50 mm區域的一維高度誤差僅為1.9 nm（RMS）。利用該橢圓柱面鏡在上海光源開展了一維納米聚焦測試，聚焦光斑尺寸達到207 nm（半峰全寬）。

4.2 空間探測用極紫外太陽望遠鏡

課題組與國家天文臺和北京大學等單位合作，成功研制了46.5 nm極紫外太陽望遠鏡。其中，望遠鏡的主鏡口徑為183 mm，主次鏡均為雙曲面，鏡片基底材料為熔石英。圖22為極紫外望遠鏡的主次鏡加工后的補償檢測光路。主鏡加工的面形精度RMS為9.2 nm（約λ/70），次鏡加工的面形精度RMS為6.5 nm（約λ/90）。

望遠鏡兩鏡系統在Zygo干涉儀上完成波前測試，檢測的波前結果RMS為22.5 nm（約λ/28），如圖23所示。

離子束拋光加工前后鏡片的原子力顯微鏡表面粗糙度測試結果如圖24所示。圖24（a）所示為拋光前鏡片測試結果，圖24（b）所示為拋光后鏡片測試結果。離子束拋光加工后表面在高頻輪廓上存在一定的平滑，粗糙度有一定的改善，AFM測試最終加工后的表面粗糙度Rq為0.085 nm。

圖25為鍍膜后的主次鏡實物圖，目前極紫外太陽望遠鏡載荷已完成各項性能指標測試，結果均滿足航天搭載需求，載荷現處于待發射狀態。

5 結論和展望

高精度、超光滑非球面的加工和檢測技術是支撐極紫外、X射線應用發展的核心。課題組近年來在該領域不斷取得技術突破，形成了較為完整的超光滑非球面制備技術體系，研制的超光滑非球面反射鏡的整體性能已經達到國際先進水平，并在國內和國際的大科學裝置上取得一系列成功應用。面向國際前沿的太陽天文觀測領域，成功制備了極紫外太陽望遠鏡光機系統，填補了國際上太陽探測在46.5 nm極紫外波段的空白。未來幾年，將進一步圍繞更高面形精度、更低粗糙度、更低亞表面損傷的超光滑非球面制作，開展融合多種超精密加工技術的研究，為國內極紫外、X射線波段觀測應用的發展提供技術支撐。