【資料圖】
日前，中科院高能所多學(xué)科中心光學(xué)團(tuán)隊(duì)基于北京同步輻射裝置BSRF和晶體實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了衍射極限水平的波前檢測(cè)和晶體加工技術(shù)。高能同步輻射光源HEPS光束線建設(shè)的又一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。
大塊硅單晶體是硬X射線單色器及譜儀的核心光學(xué)元件，而晶體的表面形貌起伏、加工破壞層和晶格應(yīng)力等諸多因素都會(huì)對(duì)X射線波前產(chǎn)生嚴(yán)重影響，從而破壞相干性和衍射極限聚焦。對(duì)于前幾代同步光源，由于光束相干尺寸小，即使是高相干要求的納米探針或者相干散射束線，也只要求晶體能夠挑選出較小的局部范圍保持波前即可。而作為衍射極限水平的第四代同步輻射光源，HEPS的相干尺寸較三代光源高出約2個(gè)量級(jí)，要求全光束范圍里獲得完美波前，這對(duì)晶體的加工能力提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，是國際上第四代光源共同面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。
該團(tuán)隊(duì)在X射線晶體實(shí)驗(yàn)室已開發(fā)的晶體加工工序基礎(chǔ)上，通過引入一種新的柔性化學(xué)機(jī)械拋光方法，實(shí)現(xiàn)了全光束口徑近厘米范圍內(nèi)超高精度波前保持的晶體加工。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)新性地提出了雙刃波前檢測(cè)的方法，解決了相干性不足、穩(wěn)定性不足以及入射波前畸變幾項(xiàng)關(guān)鍵問題，在第一代同步輻射光源上實(shí)現(xiàn)了衍射極限水平的波前檢測(cè)，為波前保持的晶體加工工藝探索提供了高精度檢測(cè)手段。
2022年7月BSRF專用光期間，該團(tuán)隊(duì)在1B3B測(cè)試束線上，驗(yàn)證了自研雙刃波前檢測(cè)裝置的性能，并利用該裝置以日本進(jìn)口國際前沿水平的“晶格無擾亂”晶體作為參照樣品，開展了自研晶體和參照晶體的波前檢測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，在晶體上50μm橫向空間分辨率下，該裝置的單次掃描斜率檢測(cè)精度達(dá)到25～50 nrad RMS，波前高度檢測(cè)精度高達(dá)1.5pm RMS；自研晶體波前精度達(dá)到60～100 nrad RMS，與參照樣品（70～100 nrad RMS）基本處于同一水平，滿足HEPS光束線指標(biāo)要求。
團(tuán)隊(duì)成員承擔(dān)PAPS光學(xué)系統(tǒng)、HEPS測(cè)試束線和光學(xué)設(shè)計(jì)系統(tǒng)等多個(gè)項(xiàng)目任務(wù)。接下來，團(tuán)隊(duì)還將進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，提升波前檢測(cè)能力，完善晶體加工工藝。
圖1 晶體雙刃波前檢測(cè)實(shí)驗(yàn)
圖2雙刃法單次掃描波前檢測(cè)誤差25.8nrad 1.5 pm RMS
圖3 自研柔性化學(xué)機(jī)械拋光晶體，波前精度61.7nrad 6.0pm RMS
圖4 日本進(jìn)口“晶格無擾亂”晶體，波前精度73.2nrad 7.8pm RMS
圖5 團(tuán)隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)合影
