同步辐射用高面形精度超光滑反射光学元件复合制作方法研究

掠入射反射式聚焦系统是第三代同步辐射X射线聚焦的最主要方式，反射元件表面几十微米至几十毫米空间波长的面形误差和高频表面粗糙度是制约焦斑尺寸缩小的主要因素。制作高面形精度（深亚纳米级）、超光滑、无损伤的精密反射元件是目前同步辐射聚焦系统研制的重点和热点。目前，我国在高面形精度和超光滑元件加工方面都取得了一定成果，但同时具有高面形精度，尤其是复杂面形和超光滑表面的光学元件制作方面尚与国外存在较大差距，导致国内同步辐射用的此类元件绝大部分依赖进口。.本项目针对我国第三代同步辐射聚焦系统对反射元件的要求，研究无损伤超光滑表面形成机理，提出基于流动纳米液体化学反应和近场光学诱导修饰表面微结构的复合制作方法，寻找旋转抛光头和亚毫米喷嘴两种抛光方式对全空间频域表面误差的影响规律，优化工艺参数，突破同步辐射用精密反射光学元件制作的技术难题，为我国自主开发同步辐射掠入射反射式聚焦系统提供技术基础和元件支撑。

反射元件表面几十微米至几十毫米空间波长的面形误差和高频表面粗糙度是制约掠入射反射式聚焦系统焦斑尺寸缩小的主要因素。常规的超精密光学元件制作方法能够获得亚纳米级表面精度和表面粗糙度的超光滑表面，元件精度最高可达到面型精度PV 2nm, 表面粗糙度RMS 0.2nm。但这些方法在去除表面微凸起、凹坑和纳米级精细划痕等微缺陷方面效率低，难以进一步降低表面粗糙度，获得无缺陷的超光滑表面。.本项目聚焦于超精密光学表面的复合制作技术和检测技术开展研究，主要取得如下进展：.1）针对传统超光滑表面制作技术的改进方面，开展基于流动纳米液体的超光滑表面加工工艺研究。提出基于环形抛光机制造超光滑表面光学元件的“过程链控制”概念；设计制作了浸没式环形抛光机实现弱应力抛光环境，分析了抛光液的性质（如抛光液的颗粒度分布）、抛光沥青的性质对表面粗糙度和表面精细划痕的影响，研究了各个工艺参数对抛光效果的影响，摸索了一套基于连续抛光的超光滑表面加工工艺参数，获得了既有高面形精度又有低表面粗糙度的超光滑表面。.2）在传统超光滑抛光表面基础上，提出非绝热近场光学诱导平滑表面微结构。围绕非绝热近场光学诱导修饰表面微结构的关键技术，详细分析了激光诱导化学反应去除机制的产生原理, 探索了氯气气压及激光器、光学表面各项技术参数对光化学反应速率的影响；基于时域有限差分法（FDTD）建立了非绝热近场光学诱导修饰表面微结构近场分析模型，对微结构、表面微结构凸起在532nm激光作用下的局域电场增强进行数值模拟；并设计制作了非绝热近场光学诱导平滑表面微结构实验装置。 .3）在复杂面形表面的全空间频域误差表征技术研究方面，针对分形表面的表征，提出了一种简单可行的校准光学表面轮廓仪实际有效空间分辨率的方法，使用基于PSD评价函数的方法，可以利用原子力显微镜对光学轮廓仪进行校准，并实现结果之间的比较；提出一种利用白噪声功率谱密度（PSD）校准光学表面轮廓仪有效空间分辨率的方法；提出了基于Zerniker多项式的全局拼接算法，建立基于干涉仪和光学轮廓仪两种仪器的子孔径拼接测量技术，实现了对光学表面覆盖低频率、中频率、和高频率的全空间频率的测量。