軟X射線光學(xué)表面散射檢測

陳淑妍,康　崇,張　楊,邢　鍵

(哈爾濱工程大學(xué) 物理實驗中心，黑龍江 哈爾濱150001)

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軟X射線光學(xué)表面散射檢測

陳淑妍,康崇,張楊,邢鍵

(哈爾濱工程大學(xué) 物理實驗中心，黑龍江 哈爾濱150001)

摘要：應(yīng)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(xué)表面的散射. 實驗結(jié)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(guān)鍵詞：軟X射線;表面散射;表面粗糙度;掠入射

1引言

光學(xué)表面散射一直是光學(xué)研究領(lǐng)域一個重要的基本問題，近年來由于科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對所用儀器性能指標(biāo)的要求越來越高，光散射現(xiàn)象越來越受到人們的關(guān)注. 所謂光散射就是1束光通過介質(zhì)時，其中一部分光偏離主要傳播方向的現(xiàn)象. 當(dāng)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(xué)系統(tǒng)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(dá)像面的光通量；2)大角度散射會產(chǎn)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(xué)系統(tǒng)的分辨率. 表面缺陷、表面污染可帶來光學(xué)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(xué)系統(tǒng)性能的影響和它的來源無關(guān)[1-5].

一般來說，任何光學(xué)系統(tǒng)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(shù)的光學(xué)應(yīng)用場合，光散射是光學(xué)系統(tǒng)的非設(shè)計因素，對整體的光學(xué)性能起負(fù)面影響. 同時，光學(xué)散射的分布與反射光和透射光主光線分布一同構(gòu)成了光波與各種光學(xué)元件相互作用后的所有宏觀信息分布，從而為研究光學(xué)系統(tǒng)的一些性質(zhì)提供了客觀途徑.

長期以來，各國研究人員在光學(xué)散射方面作了很多嘗試性工作，一方面通過合理地設(shè)計和加工，來減少光學(xué)散射對光學(xué)系統(tǒng)性能的負(fù)面影響，另一方面又利用光學(xué)散射來了解光學(xué)系統(tǒng)本身的一些性質(zhì). 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(xué)散射研究一直受到人們的重視. 隨著高新技術(shù)的發(fā)展和推動，無論是理論上還是實際應(yīng)用上，人們對于光學(xué)散射的認(rèn)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(xué)表面散射實驗，得到豐富的實驗數(shù)據(jù)，并對這些實驗數(shù)據(jù)進行處理，給出相應(yīng)的實驗結(jié)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(xué)表面散射的實驗中，表面散射對反射鏡的影響體現(xiàn)在反射鏡的有效面積上. 基于現(xiàn)有的設(shè)備和實驗條件，采用軟X射線反射率計測量掠入射光學(xué)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(tǒng)、光電探測電路及計算機控制軟件等部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示. 激光等離子體光源產(chǎn)生的軟X射線經(jīng)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(jīng)過準(zhǔn)直并進入樣品室內(nèi)，樣品室內(nèi)的樣品工作臺可以實現(xiàn)平動和旋轉(zhuǎn)；準(zhǔn)直光經(jīng)過待測反射鏡的反射后，通過轉(zhuǎn)動通道電子倍增器，實現(xiàn)對光散射分布的測量. 同時，還有監(jiān)視探測器對光源不穩(wěn)定性進行監(jiān)測和校正[7-11].

圖1　軟X射線反射率計結(jié)構(gòu)示意圖

2.2　樣品

根據(jù)光學(xué)材料和表面形態(tài)，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(xué)鏡面材料應(yīng)該具有如下特點：1)極好的形狀穩(wěn)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(shù)接近于零，使鏡面形狀不受環(huán)境溫度的影響；3)應(yīng)該具有一定的硬度和強度，以承受加工及運輸時的應(yīng)力；4)應(yīng)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(shù)、良好的熱穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性及高的機械強度而成為大型光學(xué)儀器反射鏡的優(yōu)質(zhì)材料；而硅片則是一種常用的光學(xué)鏡面材料.

就軟X射線光學(xué)系統(tǒng)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(huán)中，但不使點擴散函數(shù)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(xué)表面散射的影響通?？梢院雎圆挥? 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(jié)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(tǒng)調(diào)整好，對好光路，同時也要把待測樣品的方位調(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(biāo)β和β0分別為

β=sinθ,β0=sinθ0.

圖3　散射測量的幾何結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(yīng)在滿足光強的條件下根據(jù)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(dāng)于探測器轉(zhuǎn)動0.2°所走的弧長，剛好和實驗中探測器轉(zhuǎn)動的步長一致. 另外，測量過程中，主探測器轉(zhuǎn)動的角度總是樣品轉(zhuǎn)動角度的2倍.

實驗中，2個探測器對應(yīng)2個不同的數(shù)據(jù)通道，一組是入射光經(jīng)反射鏡掠入射后的光強，另一組是監(jiān)控探測器的數(shù)據(jù)，用來校正光源的不穩(wěn)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(jiān)控探測器測量的信號和主探測器測量的信號，并用監(jiān)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(wěn)定性，即二者的比值對于光源來說是穩(wěn)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(jiān)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(jiān)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(xù)測量不同波長的表面散射分布；當(dāng)幾個掠射角分別測量完畢，關(guān)掉系統(tǒng)，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(fù)前一塊待測樣品的實驗過程.

3實驗結(jié)果

實驗測得2組不同通道的數(shù)據(jù)，通道1是主探測器對應(yīng)的數(shù)據(jù)通道，通道2為監(jiān)控探測器對應(yīng)的數(shù)據(jù)通道，用通道2的數(shù)據(jù)對通道1的數(shù)據(jù)進行歸一化后，得到光的相對光強分布. 根據(jù)測得數(shù)據(jù)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(xué)表面散射越來越嚴(yán)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(xué)表面散射程度，嚴(yán)重影響了掠入射光學(xué)成像系統(tǒng)的成像質(zhì)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(xué)系統(tǒng)來說，可以通過提高光學(xué)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(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)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(xué)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(xué)表面散射呈現(xiàn)越來越嚴(yán)重的趨勢，由表面散射所造成的光損失也越來越大，嚴(yán)重降低了光學(xué)性能. 可以看出，當(dāng)入射光工作波段減小時，幾何像差對光學(xué)性能的影響不變，衍射對光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)性能的影響降低，而光學(xué)表面散射對光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)性能的影響卻在增加，因此對于工作波段很短的光學(xué)系統(tǒng)，特別是軟X射線或極紫外光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)表面散射的研究非常重要.

工作波長與光學(xué)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(xué)表面光滑程度都會減少因散射而引起的成像質(zhì)量降低. 而光學(xué)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(xué)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(tài)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(xué)表面散射程度越來越嚴(yán)重，因此也可以通過減小掠射角來降低由于光學(xué)散射所帶來的掠入射光學(xué)成像系統(tǒng)成像質(zhì)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(gòu)，如樣品工作臺和探測器工作臺的傳動機構(gòu)，波長選擇機

構(gòu)在測試中產(chǎn)生的回程差、爬坡現(xiàn)象等.

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

4結(jié)束語

應(yīng)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(xué)表面散射的實驗研究. 經(jīng)過數(shù)據(jù)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(zé)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(biāo)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(xué)物理實驗中心講師，博士，主要研究方向為短波段望遠(yuǎn)鏡關(guān)鍵技術(shù).

收稿日期：2014-06-24；修改日期：2014-08-04

“第8屆全國高等學(xué)校物理實驗教學(xué)研討會”論文

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