高线密度极紫外切片多层膜光栅设计与制作方法研究

Diffractive grating provides the functions of dispersion, beam-splitting, polarization modulation, and phase matching. In extreme ultraviolet and soft X-ray regions, the line density of grating will be larger than ten thousand percent millimeter. High line density diffraction grating is one of the most important dispersion optical elements, which is widely used in optical instrument, space observation, synchrotron radiation, plasma diagnostics for inertial confine fusion, pulse duration suppression for free electron laser. By using siliced multilayer grating, 10 fs pulse was successfully reached in FLASH in Germany. In our country, the requirement is urgent to develop the line density grating larger than ten thousand. In this project, the design and fabrication of sliced multilayer grating will be studied. Firstly, the high- and low-Z nanometer size multi-layer with several thousands layer number will be deposited onto super-polishing silicon substrate. Then, the multilayer will be sliced in the direction of a certain angle. After polishing, the periodic grating structure is formed. Its line density is up to more than ten thousand. Secondly, the period of grating can be adjusted by change the slicing angle. These advantages will make the sliced multilayer grating promising application in extreme ultraviolet and soft X-ray regions.

衍射光栅具有色散、分束、偏振调制和位相匹配等功能，在极紫外与软X射线波段，光栅的线密度要求极高，通常要求几千甚至上万线每毫米。高线密度的衍射光栅是最重要的色散元件之一，在光学仪器，空间探测，同步辐射，惯性约束聚变诊断实验，自由电子激光脉冲压缩等领域有广泛应用，如，德国FLASH自由电子激光装置采用切片多层膜光栅成功实现了10fs的脉冲压缩。随着我国极紫外自由电子激光装置的建设，急需开展线密度高达上万线的高分辨率光栅。本项目采用切片多层膜方法制作光栅，研究切片多层膜光栅的设计与制作方法.先在超光滑Si基板上镀上千层高低原子序数材料的纳米厚度的多层膜，然后沿一定倾角将此多层膜切开，经过抛光形成了周期光栅结构。其线密度可以达到上万线/毫米，具有非常高的线密度。通过调整切角的大小，可以灵活调整光栅的周期长度。这些优点使得切片多层膜光栅在极紫外与软X射线波段具有极为重要的应用价值。

衍射光栅具有色散、分束、偏振调制和位相匹配等功能，在极紫外与软X 射线波段，光栅的线密度要求极高，通常要求几千甚至上万线每毫米。高线密度的衍射光栅是最重要的色散元件之一，在光学仪器，空间探测，同步辐射，惯性约束聚变诊断实验，自由电子激光脉冲压缩等领域有广泛应用，如，德国FLASH 自由电子激光装置采用切片多层膜光栅成功实现了10fs 的脉冲压缩。随着我国极紫外自由电子激光装置的建设，急需开展线密度高达上万线的高分辨率光栅。本项目采用切片多层膜方法（Sliced Multilayer Grating, SMG）制作光栅，研究切片多层膜光栅的设计与制作方法。系统研究多层膜应力、沉积速率漂移、纳米膜层的定位等技术难题。先在超光滑Si基板上镀几千层高低原子序数材料的纳米厚度的多层膜，然后沿一定倾角将此多层膜切开，经过研磨、抛光，形成了周期光栅结构。我们采用磁控溅射镀膜技术，完成了周期厚度为10nm(5nm+5 nm)[WSi2/Si]多层膜的沉积，膜层数高达2000层；然后对多层膜进行切片、研磨、抛光，制备出切片多层膜光栅，线密度高达17000线/mm。在国家同步辐射实验室计量实验站进行切片多层膜光栅衍射信号的测试。根据切片多层膜光栅周期，测量波长范围为9-10nm，步长0.045nm。根据布拉格衍公式，入射角为28.5°，探测器扫描范围为64-69°。在相对于多层膜表面的镜面反射位置得到明锐的布拉格衍射峰以及光栅衍射峰，与理论设计符合，验证了切片多层膜光栅的可行性。研究结果表明，基于多层膜的切片光栅极大降低了高线密度（>5000线）的制备难度，具有其独特的优势，而且通过调整切角的大小，可以灵活调整光栅的周期长度。这些优点使得切片多层膜光栅在极紫外与X 射线波段具有极为重要的应用价值。衍射光栅是X 射线谱仪等光学系统的核心元件，随着我国太空探测计划，第三代同步辐射光源，以及第四代光源--自由电子激光等国家重大工程的快速发展, 急需这些高线密度的衍射光栅。本项目的研究成果为未来的实际应用提供了坚实的技术支撑。