高精度高空间分辨长程光学反射镜面形检测技术研究

The advanced X-ray sources facilities such as 3th synchrotron radiation source can generate light with low emittance and high coherence. In order to preserve the high quality of the light, there is a great demand for nano-accuracy X-ray mirrors which play an important role in the modulating and transferring X-ray beam in the beam line. Considering the grazing incidence of the light and frequency distribution of the surface errors, surface metrology of X-ray optics in full frequency domain and with high accuracy is very crucial for estimation of the beamline performance and mirror’s fabrication. However, the present metrology instruments (Such as LTP and NOM) cannot provide information about the surface errors on the mid-spatial frequency range. The proposed project aims to further develop and improve the focusing-type scanning optical head with self-owned intellectual property right. In combination with lateral shearing measuring technique, surface metrology with long trace, high accuracy and sub-mm spatial resolution is realized. The project will solve two important technical matters: (1) the stable design of the optical head; (2) improved optical head with shearing measurement function. The implementation of this project will provide theory support and technology foundation for constructing the new nano-accuracy metrology instrument。

先进的第三代同步辐射光源能够产生极低发射度和高相干度的X射线。为了不降低同步光的品质，要求束线站上对X射线起到调制、传输作用的X射线反射镜必须具有很高的面形精度（sub-50nrad 或0.1nm）。考虑到光线的掠入射及面形误差的频谱特征，实现全频段、高精度的长程斜率面形检测对光束线的性能评估、反射镜加工等有重要意义。然而，现有的面形检测设备（如LTP、NOM等）检测带宽无法全面覆盖亚毫米周期（中频）面形误差。本项目拟进一步发展、完善具有自主知识产权的聚焦型扫描光学头技术，同时结合剪切测量技术，实现长程、低误差、高空间分辨的面形扫描测量。发展两个方面的关键技术：（1）解决光学头结构稳定性问题；（2）建立可实现剪切测量的聚焦型光学头。通过本项目的成功实施将为建立“为更全面描述X射线光学元件特征而发展的高空间分辨、高精度及长程的面形检测技术及装置”迈出重要一步。

长程面形仪被广泛应用于同步辐射领域的X射线光学反射镜的面形品质。受限于采样光斑的尺寸，常规的长程扫描设备的空间带宽高频极限是1mm-1。为了更好地评估光学系统的性能，拓展面形误差的测量空间带宽非常重要。.本项目是青年基金项目（项目批准号：11505212）的延续，主要研究内容和重要结论包括：.1. 制定新型长程面形仪 FLTP（Focusing-type Long trace profiler）的总体方案，应用剪切测量方法消除扫描姿态误差，是国内剪切测量应用于长程面形仪的首次尝试，对剪切测量在曲面样品上的表现进行了仿真和实物实验的评估，推进了剪切测量的研究工作。.2.建立基于物理光学的仿真系统以研究FLTP理论性能，包括：引入定位算法进行角度测量标定，结果与理论一致；使用啁啾样本标定了FLTP的理论MTF，推测FLTP空间分辨率可达 0.05mm；；对平面和曲面样品进行了双剪切测量，平面的测量结果证明剪切测量方法能够消除姿态误差。.3. 完成了 FLTP 样机研制，具体包括聚焦型光学头的剪切测量方案升级、高精度花岗岩位移平台的设计和搭建、集成测控系统的开发和实验环境的优化。研制了一种新型的多功能花岗岩位移平台，具备四自由度，下轴采用堆叠设计，可实现多种模式的扫描测量。.4. 对理论分析和仿真实验中待验证的结论进行实验验证，包括：通过光斑对照实验验证仿真的真实性；通过角度标定实验验证了FLTP 的离焦与聚焦位置的测角性能；通过对标准样品的多次步进扫描验证了FLTP测量的稳定性；对40m曲率半径的标准曲面镜的常规步进扫描 测试在 120mm行程达到了80nrad RMS的重复精度，高度重复精度为0.25nm RMS。使用 500mm曲率半径的凹面镜与干涉仪进行对比测试，斜率测量结果吻合，验证了FLTP的高空间分辨能力和强曲面测量能力。.本课题最终完成了聚焦型长程面形仪 FLTP 的开发工作。经过实验验证，其具备亚豪米空间分辨率，拓展了长程面形仪的测量带宽，能够和干涉仪实现交叉验证。该系统可以实现强弯曲表面的测量，相比于干涉仪技术，更适合于解决自由曲面的测量问题，因此有重要应用价值。