极紫外及X射线波段超光滑反射镜的超精密加工与检测

极紫外及X射线波段超光滑反射镜的超精密加工与检测 Ultra-precision machining and testing of reflector mirrors for extreme ultraviolet and X-ray first-author 余 俊（1988-），男，博士，助理教授，2010年于南京理工大学获得学士学位，2014年于中国科学院大学获得硕士学位，2019年于同济大学获得博士学位，主要从事自由曲面光学、超精密光学加工与检测方面的研究。E-mail： yujun_88831@tongji.edu.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37126030&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37126040&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37126037&type= 22.01332855 32.00400543 余 俊 （1988-），男，博士，助理教授，2010年于南京理工大学获得学士学位，2014年于中国科学院大学获得硕士学位，2019年于同济大学获得博士学位，主要从事自由曲面光学、超精密光学加工与检测方面的研究。E-mail： yujun_88831@tongji.edu.cn yujun_88831@tongji.edu.cn corresp E-mail： wangzs@tongji.edu.cn E-mail： wangzs@tongji.edu.cn wangzs@tongji.edu.cn 同济大学 物理科学与工程学院 精密光学工程技术研究所，先进微结构材料教育部重点实验室，上海市数字光学前沿科学研究基地，上海市全光谱高性能光学薄膜器件与 应用专业技术服务平台，上海 200092 同济大学 物理科学与工程学院 精密光学工程技术研究所，先进微结构材料教育部重点实验室，上海市数字光学前沿科学研究基地，上海市全光谱高性能光学薄膜器件与 应用专业技术服务平台，上海 200092 Institute of Precision Optical Engineering， MOE Key Laboratory of Advanced Micro-Structured Materials， Shanghai Frontiers Science Center of Digital Optics， Shanghai Professional Technical Service Platform for Full-Spectrum and High-Performance Optical Thin Film Devices and Applications， School of Physics Science and Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China Institute of Precision Optical Engineering， MOE Key Laboratory of Advanced Micro-Structured Materials， Shanghai Frontiers Science Center of Digital Optics， Shanghai Professional Technical Service Platform for Full-Spectrum and High-Performance Optical Thin Film Devices and Applications， School of Physics Science and Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China 极紫外、X射线为微观物质认识、宏观空间探测提供了高精度的观测手段，但这类观测的实现需要大量高精度光学反射元件的支撑。由于极紫外、X射线在光学表面更易发生散射，其光学反射镜基底的精度需求和制作技术也明显区别于长波元件。近年来，同济大学精密光学工程技术研究所建立了极紫外、X射线反射元件基底的超精密加工与检测平台，研发了超光滑非球面的离子束修形技术，提出了基于泽尼克多项式的随机离轴旋转绝对检测方法，形成了极紫外、X射线光学用反射镜基底的高精度全流程研制技术，并将该技术成功地应用于国内和国际短波光学大科学装置中。本文综述了本课题组在极紫外、X射线用反射镜制作领域中的研究进展。 High-precision extreme ultraviolet and X-ray observations for space exploration require the development of advanced micro materials for the numerous high-precision optical reflection elements used in such observations. Because short wavelengths are more prone to scattering on optical surfaces， the precision requirements and the fabrication techniques of short-wavelength optical components differ significantly from those of long-wavelength optical components. The Institute of Precision Optical Engineering （IPOE） at Tongji University has 20 years of research experience in this field. We have built a high-accuracy fabrication and measurement platform based on short-wavelength mirrors， developed an ion beam configuration of an ultra-smooth aspheric surface， proposed an absolute measurement method using random off-axis rotation based on Zernike polynomials， and formed a complete technology chain to develop aspheric reflector substrates. These optical components and systems have been successfully applied at several short-wavelength science facilities both in China and abroad. This study will briefly introduce the recent research progress on these optical aspheric reflectors at the IPOE. 超精密加工 极紫外 X射线 反射镜基底 非球面元件 绝对检测 ultra-precision machining extreme ultraviolet X-ray reflector substrates aspheric surface absolute measurement 1 引 言 1 极紫外、X射线波段探测技术拓展了人们对物质基本结构在分子和原子尺度的认识。基于极紫外波段、X射线的显微成像分辨率远高于常规可见波段，可到纳米量级 ［ 1 1 - 2 2 1-2 ］ 。而且，X射线具备强穿透能力，还可用于样品内部结构探测及成像。当X射线穿透物体时，如果X射线的光子能量与原子内部电子能级相匹配，X射线会被原子吸收，通过比照材料的X射线吸收光谱能获得材料内部元素的分布情况。因此，极紫外、X射线光学显微探测技术为物质复杂微观结构和相互作用过程的精密观测提供了强有力的支撑。极紫外、X射线波段在天文观测上也有重要应用。极紫外太阳探测是空间太阳探测的核心，是研究太阳过渡区和日冕的必备手段 ［ 3 3 ］ 。X射线成像探测可研究宇宙大尺度纤维状结构及星周物质分布，发现宇宙中“缺失”的物质的空间分布及其物理与化学性质 ［ 4 4 ］ 。同时，极紫外、X射线波段探测技术还广泛应用于同步辐射与自由电子激光装置、等离子体诊断、超快观测、半导体光刻等领域。 超光滑非球面反射元件是实现极紫外、X射线观测的核心元件，如极紫外望远镜光学系统中的双曲面反射镜、自由电子激光装置中的超环面反射镜、半导体光刻中的椭球面反射镜等。在X射线波段，所有材料的折射率都小于且接近于1，光学折射率与真空更为接近，因此，X射线光学元件大多工作在掠入射条件下，只有在相对较长的极紫外波段，反射镜镀制多层膜在正入射才可以获得较高的反射率。极紫外、X射线光学元件不仅要求中低频面形轮廓精度，由于短波的散射受高频粗糙度的影响很大，在全频域轮廓上也有更高的精度要求。在光束传输和调控中，极紫外、X射线元件的表面面形精度要在纳米级，粗糙度需在0.5 nm左右。 本文从极紫外、X射线光学应用的需求出发，以同济大学精密光学工程技术研究所（IPOE）近年来在超光滑光学元件制作方面的研究工作为主，综述了超光滑非球面反射镜制作的研究进展。 2 金属反射镜超精密制作技术 1 2.1　增材制造金属反射镜的超精密加工 2 当代先进的空间望远镜和光谱仪等精密光学载荷使用复杂光学表面，如非球面和自由曲面，来提升成像性能和实现更多功能。金属反射镜具有结构自由度/集成度高、加工工艺好、易无热化、周期短、成本低等优势，有望替代传统玻璃镜片来实现新型全金属高分辨率光学遥感载荷。 增材制造的金属反射镜可应用于极紫外、X射线波段，但在极紫外、X射线波段有以下几点要求：（1）反射镜表面加工的中低频轮廓精度；（2）表面改性后加工能实现的高频粗糙度精度；（3）增材制造镜片的结构热稳定性等。增材制造金属镜片相较于传统金属反射镜，材料微观结构有较大差异，在可加工性上表现出加工表面粗糙度较差，因此，需要进一步对加工后的表面做改性处理。 目前，课题组具有多台单点车削设备和超精密抛光设备，并发展了超精密车削与精抛复合的金属反射镜表面成形技术 ［ 5 5 ］ ，如 图1 图1 所示。增材制造制备的金属镜片基底，经过单点车削加工后获得表面质量一般的光学表面（可用于中长波红外波段），经过表面改性后，采用磁流变或小磨头抛光改善粗糙度，进一步提升表面面形 ［ 6 6 - 7 7 6-7 ］ ，最后采用化学机械抛光方法实现超光滑表面（用于平面和球面的加工），采用射流抛光技术实现超光滑非球面加工。 单点车削口径为100 mm的轻量化铝合金反射镜，如 图2 图2 所示。加工过程中采用在线检测与补偿加工技术，避免离线检测带来的工件重新装夹误差，快速在线扫描全口径镜片补偿降低环境扰动影响的测试误差，提高加工表面的面形精度 ［ 8 8 ］ ，最终车削出面形精度均方根（Root Mean Square， RMS）为32.319 nm的平面，如 图3 图3 所示。表面粗糙度 R q 为3 nm左右，如 图4 图4 所示，可满足大部分中长波红外成像系统的应用需求。 根据铝合金材料特性，直接加工出超光滑表面是非常困难的。表面改性后的超精密车削与抛光是一种可同时兼顾表面面形精度和粗糙度的复合成形技术。直接车削的表面电镀一层镍磷合金的改性层，然后对改性层进行超精密加工可实现超光滑表面。单点车削后镍磷合金改性层表面具有微米级周期性车削痕迹。如 图5 图5 所示，表面粗糙度 R q 为2 nm左右，这种强周期性的痕迹会导致严重的散射，极大地降低光学性能。 磁流变修形可用于降低车削加工表面的中频轮廓误差，然而所得表面具有沿抛光运动方向的周期性痕迹，如 图6 图6 所示，表面粗糙度 R q 为1 nm左右。化学机械抛光是平滑中频轮廓和抑制高频粗糙度的有效手段。采用化学机械抛光去除表面中高频误差，并进一步降低表面粗糙度，最终加工表面的粗糙度 R q 达到0.585 nm，如 图7 图7 所示，可满足极紫外和X射线波段的成像系统应用需求。 2.2　Wolter-I显微镜金属芯轴的超精密加工技术 2 与针孔相机和KB显微镜相比，Wolter-I型X射线显微镜有更高的分辨率、更宽的视场和更大的集光效率，展现出广阔的应用前景。Wolter-I型显微镜为旋转对称结构，内表面反射，直径通常只有几到十几毫米，因此，其镜片难于直接加工制作。目前，主要用镍电铸复制法实现Wolter-I型显微镜镜片的制作。在复制法中，需要优先制作具备高精度面形和超光滑表面的芯轴，随后在芯轴表面上电铸一层镍基镜片，将镜片与芯轴分离后，即获得Wolter-I型显微镜镜片。芯轴的表面面形及粗糙度直接影响Wolter-I型显微镜镜片的性能。因此，Wolter-I型显微镜芯轴制备是Wolter-I型显微镜制备的重要环节之一。课题组发展了Wolter-I型X射线显微镜芯轴的超精密单点车削与机械法保形抛光复合的表面成形技术 ［ 9 9 ］ ，可以获得面形PV在±50 nm以内，且粗糙度RMS达到0.2 nm的芯轴表面，具体流程如 图8 图8 所示。要想获得较好的表面中低频形貌，其难点在于镀镍后表面的单点车削加工与在线检测技术。采用白光共焦探针搭建了原位在线测试平台，探针沿加工路径测试表面，在线获取加工表面轮廓数据。为了获得较好的表面高频形貌，其主要解决车削表面的粗糙度平滑抛光。因此，采用柔性气囊沿加工路径对加工表面的车削刀纹进行抛光平滑。 单点车削Wolter-I芯轴如 图9 图9 所示。利用光谱共焦探针对它进行原位测量并进行补偿加工，最终车削芯轴的原位测量结果如 图10 图10 所示。其轴向面形精度已经达到±50 nm以内，周向面形达到±20 nm以内。 虽然车削后表面面形精度已经达到X射线领域的应用需求，然而其表面粗糙度仍然在纳米级别。这对X射线成像系统来说是无法接受的。因此，采用柔性盘化学机械法抛光技术对芯轴表面进行处理，来保证在不破坏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对抛光后芯轴表面粗糙度进行测量，并采用干涉仪结合CGH技术对其表面面形进行测量，测量结果如 图11 图11 所示。干涉仪测量时采用柱面CGH进行非零位补偿测量。椭球镜和双曲镜的干涉仪测量结果依次如图 11 11 （c）和 11 11 （d）所示。考虑到在测量中测试结果在周向（图 11 11 （c）， 11 11 （d）中垂直方向）上存在较大误差，为方便计算，选取母线方向（图 11 11 （c）， 11 11 （d）中水平方向）数据作为一维轴向矢高，用测量数据减去理想矢高获得 图11 图11 （b）的面形误差数据。芯轴表面面形仍旧优于±50 nm，在5 μm×5 μm内，芯轴表面粗糙度RMS值为0.23 nm。 3 超光滑表面确定性加工与检测技术 1 3.1　大尺寸平面抛光 2 环形抛光技术可实现全口径材料均匀去除，具有良好的全频谱表面误差修正能力，是加工大口径平面元件的主要抛光方法之一。课题组目前建有多台环形抛光设备，最大加工口径可达1.5 m（ 图12 图12 （a）），研发了较高面形精度和超光滑表面的平面抛光技术。图 12 12 （b）和 12 12 （c）为课题组利用环抛技术加工的直径为200 mm熔石英平面镜的测试结果，使用Zygo激光干涉仪测量表面面形的精度峰谷值PV优于40 nm，光学轮廓仪测量表面的粗糙度RMS优于0.3 nm。 3.2　高精度确定性加工 2 为进一步提高基底的面形精度，需采用确定性的加工方法。离子束修形是国际上精密光学终道加工的主流方法，有较高的修正精度和加工效率。我们基于离子束精密修形工艺，在单晶硅反射镜上开展了精密修形实验。针对上海光源硬X射线微聚焦实验站对平面压弯镜的需求，开展了240 mm长平面镜的面形修正实验 ［ 10 10 ］ 。经过2次修正，平面镜的二维面形误差从27 nm降到1.6 nm （RMS），如 图13 图13 所示。该反射镜经上海光源NOM测试，中线一维斜率误差最小为133 nrad （RMS），达到了国际先进水平，如 图13 图13 所示。 轮廓镀膜是一种增材式的面形修正方法，通过调控溅射镀膜中沉积原子的空间分布，配合精密运动实现对反射镜表面不同位置面形误差的增材修正。课题组研究了基于掩模板设计的轮廓镀膜法面形修正，并在行星运动磁控溅射镀膜系统上实现了从球面轮廓到非球面轮廓的修正。基于单晶硅材料，利用轮廓镀膜法开展平面基底一维面形修正。利用掩模板生成特定的镀膜修形束斑，根据束斑及目标修正量编写修正驻留时间函数，实现面形修正。采用140 mm长的单晶硅平面镜作为实验样品，修正区域宽度为10 mm，长度约为130 mm，经两次修形后，一维高度面形误差优于2 nm（RMS），干涉仪面形测试结果如 图14 图14 所示。修形前和两次修形后中心线面形高度轮廓的变化结果如 图15 图15 所示。基于现有直线型镀膜设备发展的轮廓镀膜技术，可以在小尺寸平面镜上获得和离子束一样的修形精度。 3.3　高精度全频谱检测 2 极紫外、X射线反射镜的形貌误差包括低频（全口径到毫米级）、中频（毫米到微米级）和高频（微米到纳米级）3个部分，空间周期跨越8~9个量级。课题组的全频谱检测平台包括中低频激光干涉仪、中频光学轮廓仪和高频原子力显微镜等，测试范围能覆盖反射镜的全频谱。 针对大尺寸平面镜和曲面镜面形的测试需求，课题组开展了子孔径拼接测量方法的研究 ［ 11 11 - 12 12 11-12 ］ ，即对反射镜表面不同位置的局部区域进行单孔径精确测量，再利用算法或硬件辅助的方法进行拼接，获得整体面形，其原理如 图18 图18 所示。 为了摆脱对高精度定位平台的依赖，课题组发展了一种不依赖高精度定位平台的绝对检测方法 ［ 13 13 ］ 。在一般的平移旋转测量中，每次的平移旋转均可以视作单次的离轴旋转，因此简化平移旋转法的计算流程，如 图19 图19 所示。其中，平移及旋转量根据表面特征点进行计算。该绝对检测方法可为确定性补偿加工提供高精度面形信息。 4 超光滑非球面反射镜应用 1 4.1　同步辐射光源中应用的超光滑反射镜 2 课题组与上海光源线站合作，研制了多块用于线站聚焦的反射镜元件并成功实现应用。 图20 图20 是为上海光源硬X射线微聚焦线站（15U）研制的2块梯形平面镜，长度为240 mm，经过离子束修形后表面的二维面形误差仅为3 nm（RMS）左右。两块反射镜已安装在上海光源15U实验站的聚焦系统中，通过压弯机构形成KB聚焦镜，聚焦光斑尺寸达到2 μm，与国外进口元件的性能基本一致。 此外，在同步辐射光源中应用较多的超光滑非球面反射镜制作上，课题组发展了轮廓镀膜法高精度修形非球面。如 图21 图21 所示，课题组利用轮廓镀膜法快速成型制作了高精度椭圆柱面镜，中心50 mm区域的一维高度误差仅为1.9 nm（RMS）。利用该椭圆柱面镜在上海光源开展了一维纳米聚焦测试，聚焦光斑尺寸达到 207 nm（半峰全宽）。 4.2　空间探测用极紫外太阳望远镜 2 课题组与国家天文台和北京大学等单位合作，成功研制了46.5 nm极紫外太阳望远镜。其中，望远镜的主镜口径为183 mm，主次镜均为双曲面，镜片基底材料为熔石英。 图22 图22 为极紫外望远镜的主次镜加工后的补偿检测光路。主镜加工的面形精度RMS为9.2 nm（约λ/70），次镜加工的面形精度RMS为6.5 nm（约λ/90）。 望远镜两镜系统在Zygo干涉仪上完成波前测试，检测的波前结果RMS为22.5 nm（约λ/28），如 图23 图23 所示。 离子束抛光加工前后镜片的原子力显微镜表面粗糙度测试结果如 图24 图24 所示。 图24 图24 （a）所示为抛光前镜片测试结果， 图24 图24 （b）所示为抛光后镜片测试结果。离子束抛光加工后表面在高频轮廓上存在一定的平滑，粗糙度有一定的改善，AFM测试最终加工后的表面粗糙度 R q 为0.085 nm。 图25 图25 为镀膜后的主次镜实物图，目前极紫外太阳望远镜载荷已完成各项性能指标测试，结果均满足航天搭载需求，载荷现处于待发射状态。 5 结论和展望 1 高精度、超光滑非球面的加工和检测技术是支撑极紫外、X射线应用发展的核心。课题组近年来在该领域不断取得技术突破，形成了较为完整的超光滑非球面制备技术体系，研制的超光滑非球面反射镜的整体性能已经达到国际先进水平，并在国内和国际的大科学装置上取得一系列成功应用。面向国际前沿的太阳天文观测领域，成功制备了极紫外太阳望远镜光机系统，填补了国际上太阳探测在46.5 nm极紫外波段的空白。未来几年，将进一步围绕更高面形精度、更低粗糙度、更低亚表面损伤的超光滑非球面制作，开展融合多种超精密加工技术的研究，为国内极紫外、X射线波段观测应用的发展提供技术支撑。 参考文献 SAKDINAWAT A ， ATTWOOD D . 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