多層膜光柵具有優異的衍射性能，能夠成為同步輻射軟X射線波段重要的色散元件。中國科學院上海應用物理研究所郭智研究員課題組設計并搭建了小型化的衍射效率檢測裝置，以現有腔體為基礎，搭建光柵效率檢測裝置，實現在現有譜學顯微實驗腔體中對光柵衍射效率的快速檢測。
1、研究背景
衍射光柵是同步輻射和自由電子激光的主要光學元件，可用于真空紫外和軟X射線能量范圍內單色器或能譜儀的分光，能夠對同步輻射彎鐵光源白光、波蕩器粉光以及自由電子激光粉光進行色散分光。衍射光柵在同步輻射近邊吸收譜、共振非彈性X射線散射、譜學顯微和自由電子激光單脈沖成像等實驗應用中起核心作用。
多層膜光柵作為一種在真空紫外與軟X射線波段中具有較高衍射效率和較強色散能力的光柵，在未來有望采用多層膜光柵作為色散元件升級平面光柵單色器。課題組期望在上海同步輻射光源對多層膜閃耀光柵的衍射效率進行測試，以便能夠對多層膜光柵的衍射性能進行表征，對多層膜光柵的工藝和設計進行及時有效的反饋。
由于上海同步輻射光源沒有專用的軟X射線計量線站，軟X射線實驗站的用戶機時緊缺，需要對當前現有的實驗腔體進行簡單改造，保證實驗的同時能夠快速安裝拆卸，對光柵樣品進行必要的效率測試。因此有必要設計一種針對現有聚焦光路，可快速安裝和定位的小型光柵衍射效率測量裝置，以節約用戶機時、提高實驗效率，對多層膜光柵制備提供高效及時的反饋。
2、光柵衍射效率檢測裝置
為了使用現有的實驗腔體測試多層膜閃耀光柵的衍射效率，中國科學院上海應用物理研究所郭智研究員課題組設計了小型化的光柵衍射效率檢測裝置，以現有X射線掃描透射顯微鏡(Scanning Transmission X-ray Microscope，STXM)腔體為基礎，搭建光柵效率檢測裝置，光柵測試裝置安裝在真空腔體中，檢測裝置包括光柵調節機構、狹縫和光子通量探測系統，整體搭載在STXM三維移動平臺上。由轉臺控制入射角以及探測器位置，探測器使用硅光電二極管，最后由皮安計讀出電流信號。檢測裝置的優點在于方便安裝拆除，能夠提供有效的測量結果，方便反饋光柵樣品的衍射性能。
課題基于經典的微分理論求解光柵衍射效率，分析多層膜閃耀光柵的衍射效率及其特性，仿真表明多層膜閃耀光柵的衍射級次會在在入射角與入射光波長匹配時出現，當其不滿足布拉格條件時衍射效率接近于0。同時使用SHADOW軟件對光路進行追跡，檢驗其可行性，追跡結果顯示裝置滿足測試要求。
實驗以“反向外延”研制的多層膜閃耀光柵為基礎，利用檢測裝置開展光柵衍射效率測試，測試了W/Si多層膜光柵的衍射效率，實驗測得光柵樣品在入射光為521 eV時+1級次的衍射效率峰值為0.52%，入射光為653 eV時0級次的衍射效率峰值為1.11%，0級和+1級的峰值的光子能量差值為132 eV，這些結果有助于多層膜閃耀光柵的研究。
3、總結
衍射光柵的效率檢測對光柵研究制造和評估有重要意義，在國內同步輻射光源高速發展的今天，非常有必要為光柵國產化做出努力。而當下中國同步輻射光源相較于發達國家仍是稀缺資源，因此可以綜合軟X射線光束線站的使用情況，設計獨立的反射儀，能夠方便地安裝至現有實驗線站后端，在有需要的情況下進行安裝測試，既可以針對實用光柵進行精確測試，也能促進國內高性能同步輻射光源的研發。
