硬X射线纳米衍射极限聚焦的自适应位相补偿技术研究

As a strong tool for the study of nanoscience, synchrotron hard X-ray nano-focusing technique enables us to investigate complicated samples with many advantages in in-situ setup, high penetration, high sensitivity and integration of various experimental methods. In recent years, an important goal is to push the focusing spot size to the diffraction limit of ~10 nm. Such nanoprobe will help to explore more state-of-art and unknown scientific researches. Multilayer-based KB mirror is one of the most important nano-focusing method. In order to overcome the limitation of current polishing and deposition technologies, an additional phase compensation system is significantly necessary to avoid the degradation of coherence conditions. This project uses the hard X-ray mircofocusing beamline on operation and the nanoprobe beamline in construction at the SSRF as the research platform, to independently research and develop high-speed and high-precision adaptive phase compensation system. The system consists of an accurate in-situ X-ray wavefront measurement system, a phase control and compensator system, and a figure monitoring feedback system. In this project, the control characteristics of the hard X-ray wavefront by a phase compensator system will be explored by principle analysis, technology process, and online experiment. The project aims to take the lead in the world to obtain a diffraction-limited focusing of ~10 nm. The study will play an important role in national nanoscience research based on the third-generation synchrotron radiation facility.

同步辐射硬X射线纳米聚焦是研究纳米科学强有力的工具，可以原位、高穿透、高灵敏、多方法的研究各类复杂样品。近年来一个重要目标就是将聚焦光束推进到衍射极限约10 nm的水平，以扩展更多前沿未知的科研应用。基于多层膜KB镜的聚焦是目前最重要的纳米聚焦方案之一，受限于目前镜体抛光和成膜工艺，为了不破坏相干条件，必须通过介入额外的波前位相补偿系统来实现最终的聚焦。本项目通过目前运行的硬X射线微聚焦线站和将建设的硬X射线纳米探针线站作为测试平台，自主研究发展快速高精度的自适应位相补偿系统。系统包含精确的原位X射线波前测量系统，位相控制和补偿镜系统以及面形监控反馈系统。本项目将从原理、工艺和在线实验等方面探索位相补偿镜对于硬X射线波前控制的特性。本项目的完成将硬X射线纳米聚焦推进到接近衍射极限的10 nm左右水平，达到世界领先水平，为我国基于第三代同步辐射装置的纳米科学研究奠下重要基石。

本项目针对硬X射线纳米探针面临的波前检测和相位补偿的关键问题，发展了基于散斑追迹和扫描的波前检测技术和基于压电变形镜的相位补偿系统。首先我们发展了散斑追迹和扫描的模拟软件，对于各种实验和算法的参数进行了优化，尤其是发展了一种自适应子集选择算法，显著提升了散斑追迹技术适用性。我们在上海同步辐射光源的多个线站实现了基于散斑的波前、镜面面型、多层膜界面测量技术以及各类样品的成像技术，并着重研究了实际测量中各种类型的振动对于测量精度的影响，并在理论上提出了可行的解析模型。随后我们自主发展了一系列压电变形机制的相位补偿镜装置，可对光束线的波前误差进行针对性的校正，并发展了有限元分析模型，准确评估了压电变形镜每个促动器的压电响应函数。一种基于全局优化的迭代控制算法被发展用于实现波前测试结果对于压电陶瓷的快速反馈，可以实现亚纳米级别的面形控制。最终我们运用这类控制技术和完全国产的压电变形反射镜在线将rms等效面形误差降低到1 nm内，在微聚焦实验中将40 μm的光斑减小到12 μm，并使用柱面镜替代平面镜获得4 μm的光斑。最后我们对于纳米聚焦系统的调节机构进行了闭环反馈调试，相位补偿镜的闭环rms振动约8 nrad。本项目同样针对热负载下薄膜元件的面形特性进行了一系列的相关实验，确定几种同步辐射关键反射薄膜元件的热负载和低温处理特性。本项目的研究基本解决了未来衍射极限聚焦中相位测量和操控的关键技术问题，为随后纳米探针线站的实际调试和运行提供了技术储备和支持。